微型计算机原理及应用技术 第1章 计算机基础

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常熟理工居伟骏

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第1章计算机基础知识

•L1引言

1.2.3带符号数的表示

1.1.1计算机发展概况

1.2.4数的定点和浮点表示

1.1.2计算机的主要特点

•1.3计算机系统的组成及工作原理

1.1.3计算机的分类和应用

1.3.1计算机硬件系统

・1.2计算机中数的表示

1.3.2计算机的软件系统

，1.2.1进位计数制

1.3.3微型计算机的主要技术指标

、1.2.2计算机中的编码系统

1.1引言

1.1.1计算机发展概况

第电子管计算机(1945〜1958)

机器语言和汇编语言

这个时期，计算机主要用于科学计算和军事

方面，应用很不普遍

HeightofdifferenttubesE80CC

第一台计算机瓦VL4C,E88CC.E180CC

12AU7,E288CC

1946年在美国问世。150吨、12AT7.

150KW、二层楼高。

1.1.1计算机的发展史

遗会）晶体管计算机（19587964）

・运算速度每秒百万次

・软件方面出现了高级程序设计语言和编译系统

计算机开始广泛应用于以管理为目的的信息处理

1.1.1计算机的发展史

集成电路计算机(1964-1971)

・运算速度达每秒千万次

有了操作系统，开展了计算机语言的标准化

工作并提出了结构化程序设计方法，出现了

计算机网络。

・计算机应用开始向社会化发展，其应用领域

和普及程度迅速扩大。

1.1.1计算机的发展史

遢亚）大规模集成电路计算机（1971年至今）

・微型计算机的出现和发展是计算机发展史上的重大

事件，把计算机的发展和应用带入了一个全新时代

•各种系统软件、应用软件大量推出，功能配置

空前完善，充分发挥了计算机的功能

在最新公布的全球超级计算机Top500排行榜上，坐落在美国橡

树岭国家实验室计算科学中心的“美洲虎”（Jaguar）终于登顶成

功，以1.759千万亿次（PFlops）的最大性能傲视群雄（峰值性能

2.331PFlops）0

“星云”由曙光公司的TC3600刀片系统集群组成，内部采用英

特尔至强X56502.66GHz六核处理器、NVIDIATeslaC2050图

形处理器，总计120640个计算核心，运行Linux操作系统，计算

速度为每秒钟1.27千万亿次(PFlops)浮点运算。

第一代，1971年开始。4位和低档8位微处理器的时期，其

典型产品有：

71年10月,Intel4004

（4位微处理器）

72年3月，Intel8008o

集成度2000个管/片,

PMOS工艺，1011m光

刻技术。

第二代，1973年开始。8位微处理器时期，典型产品有:

73年，Intel：Intel8080

74年3月Motorola：

MC6800；MC6502

集成度约为5000管/片

第三代，1975年开始。8位微处理器时期，典型产品有:

集成度为10000管子/片

第四代，1978年开始。16位微处理器时期，其典型产

品有：

78年.Intel8086

首个16位机、20位地址线、1M地址空间。

第五代，1980年之后，16位微处理器时期，其典型产品

有：

Intel80286

集成度为68000管子/片，3pm光刻技术。

•数学协处理器80287

80287

1983年开始，32位微处理器时期，其典型产品有:

83年Zilog:Z80000

84年Motorola:MC68020

85年Intel:Intel80386,

集成度27・5万管子/片，

1.2pm光刻技术。

80386后出现了许多高性能

的32位微处理器。

•数学协处理器80387

89年Intel公司Intel80486,

89年Motorola公司MC68030,MC68040

集成度都已超过100万管子/片，主振频率达25—

120MHzo

PC机的主流芯片Intel80X86系列

95年，PentiumPro（高能奔腾）集成度达550万/片，同片

L2Cache256KBo

97年，尸"曲阳（多能奔腾、简称MMX）o

97年5月，Pe加加加〃aW)AfMX指令集的PeIltiumPro,Slotl

接口。

片上同频32KLicache,板上1/2主频512KL2Cache,兼容

MMX,外频100M。

99年3月，PentiumIII,片上同频32KLicache和512KL2

Cache,兼容MMX,新增70条指令SSE(StreamingSIMD

Extensions),其外频为100M,并向133MHz外频发展。

2001年，尸（奔腾IV,P4）主时钟达2000席法

2002年，P4主时钟已达2800MHz。

2003年，3.06GHz的P4,采用了超线程（HT）技术，在一颗物

理核心中整合了两颗逻辑核心，大大提高处理器的效率。在高负

载的多任务应用中能显出其效能。

不久推出64位机，进入一个新的微处理机的发展时代。

1.1.2计算机的主要特点

1.1.3计算机的分类

e模拟计算机

（从原理上，

・数字计算机

,专用计算机

（从用途上）

.通用计算机

（从字长上］'4位、8位、16位机

、32位、64位机

「位片机

（从结构上）

单片机、单板机

I微机系统等

计算机的应用

Blacksheep

■,，"Alma*

Applel.oju(olktioN

间1加苗tipoHi.恤Mp仲/

计算机技术的发展趋势

f两极化

多媒体技术

网络化

智能化

I非冯•诺依曼体系结构计算机

1.2计算机中数的表示方法

1.2.1进位计数制

个R进制数具有以下主要特点

具有R个不同数字符号：0、1、…•…、R-1逢R进

上述R进制数S可用多项式（称为按权展开式）表示为:

S-]-2••,-1-2•••-ni

1n211

=an_1XR^+an_2XR-+...+a1XR+a0XRHa^XR-

m

・・・+a_mXR-

1.十进制数

（有十个不同的数字符号，即0-9）

、特点S’-----.

、（逢十进一）

A

一个十进数可以用它的按权展开式表示。

例如：

（758.75）10

=7X102+5X101+8X10°+7X10、5X10-

、__________________________________________________，

2.二进制数

(具有两个不同的数字符号，即0和1)

特点__

、(逢二进二)

/-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

一个二进制数可以用它的按权展开式表示

例如：

(10110.101)9

=1X24+0X23+1X22+1X21+0X2°+1X2-1

3

+0X2-2+lX2-=(22.625)10

3.十六进制数

具有十六个不同的数字符号，即0-9和A。

［特点)(/----------

、逢十六进一、)

一个十六进制数可以用它的按权展开式表示。

例如：

(1AF.4)16

=1X162+10X161+15X160+4X16T

=(430.25)10

表IT三种数制对照表

十进制二进制16进制十进制二进制16进制

000000910019

100011101010A

200102111011B

300113121100C

401004131101D

501015141110E

601106151111F

701117161000010

810008171000111

4.各种数制之间的转换

【例「1】十进制数22.625转换为二进制数

所以：(22)10=(10110)2(0.625)10=(0.101)2

结果:(22.625)10=(10110.101)2

【例『2】十进制数430.25转换为十六进制数

整数部分：小数部分:

164300.25

1626…余14fE(低位)X16

…余10一A

1614.0…取整数4

0…余1（高位）

•结果：(430.25)10=(1AE.4)16

匕注意其

而）整数部分转换，每次只求整数商，将余数核

为转换结果的一位，重复对整数商除基数，一

直除到商为0为止。

②小数部分转换，每次把乘积的整数取走作为

转换结果的一位，对剩下的小数继续进行乘法

运算。对某些数可以乘到积的小数为0（如上

述两例），这种转换结果是精确的；对某些数

（如0.3）永远不能乘到积的小数为0,这时要

根据精度要求，取适当的结果位数即可，这种

'转换结果是不精确的。7

例如十六进制数------二进制数

将1AE.4转换为二进制数

1AE4

■

0001101011100100

•即(1AE.4)16=(110101110.01)2

例如：二进制数-----^十六进制数

将二进制数110101110.01转换为十六进制数

110101110.01

0001101011100100

*

十六进制数1AE4

•即(110101110.01)2=(1AE.4)16

2.下列几个选项中，与十进制数273最接近的数是_。

（2000年春二级VB）

B.八进制的411

A.二进制的100000110

C.十进制的263D・十六进制的108

答案：B

A:262B:(265)10D:264D

5.二进制数的算术运算

[例-3]10100+1101=100001

【例1-4】100001-10110=1011

【例1—5】1101X1011=10001111

【例1-6】111004-101=10111

3.已知521+555=1406,则此种加法是在____下完成的。

（2001年春VB二级）

A.七进制B.八进制C.九进制D.十进制

答案：A

L在计算机科学中，常常会遇到用二进制、八进制、

十六进制等表示的数据。对于算术表达式1023-

377Q+100H,其运算结果是_________o（2002年秋）

A.1024B.746HC.746QD.1023

答案：A

6.二进制数的逻辑运算

abNOTaNOTbaANDbaORbaXORb

0011000

0110011

1001011

1100110

【例1-7】10100101AND10001011=10000001

【例1-8】10100101OR10001011=10101111

【例1-9】NOT10100101=.01011010

【例ITO】10100101XOR10001011=00101110

1.2.2二进制编码

1.二进制编码的十进制数(BCD码)

♦(1)BCD码是十进制数，有10个不同的

数字符号，且是逢十进位的。

(2)BCD码的每一位是用4位二进制编码来

表示的，因此称为二进制编码的十进制数。

表1-2BCD编码表

十进制8421BCD码十进制8421BCD码

十进制数65用BCD码书写为01100101

BCD码0100100L0111表示的十进制数为49.7

2001081000

'注意：BCD和二进制数之间不能直接转换,、

中间要以十进制数作为桥梁。

<_____________________________________2

501011100010001

2.字母与字符的编码

字母和字符也可用二进制编码在机器

市表示。

•目前微机中最普遍采用的是ASCII码

（AmericanStandardCodefor

InformationInterchange,美国标准

信息交换码）。

ASCH码采用7位二进制编码,故可表

示27=128个字符,其中包括数码(0-

9),以及英文字母等可打印的字符。

.______________________________7

「在计算机中，汉字编丹采用国标码

(GB18030-2000)，它采用单、双、四

字节混合编码，每个字节的最高位为1,

［并以此来区分汉字和ASCII码。；

4.目前在计算机中使用最广泛的西文字符集及其编码是

ASCH码。在ASCII码字符集中，对___个字符进行了编

码。

（2000年春二级VB）

A.64B.128C.254D.512

答案：B

16、字符编码标准规定了字种及其编码。在下列有关汉字

编码标准的叙述中，错误的是。（2006年春VB二级）

A.我国颁布的第一个汉字编码标准是GB2312.80,它包含常

用汉字6000多个

B.GB2312-80和GBK标准均采用双字节编码

C.GB18030-2000标准使用3字节和4字节编码，与GB2312-80

和GBK兼容

D.UCS-2是双字节编码，它包含拉丁字母文字、音节文字和

常用汉字等等

答案：C

4.设有一段文本由基本ASCII字符和GB2312字符集中的汉

字组成，其代码为B0A157696ED6D0CEC4B0E6,贝U

在这段文本中含有o（2007年春VB二级）

A.1个汉字和9个西文字符

B.2个汉字和7个西文字符

C.3个汉字和5个西文字符

D.4个汉字和3个西文字符

答案：D

15.目前PC机使有的字符集及其编码标准确有多种，20

多年来我国也颁布了多个汉字编码标准。在下列汉字编码

标准中，不支持简体汉字的是—o（2007年春VB二级）

A.GB2312B.GBK

C.BIG5D.GB18030

答案：C（BIG5为繁体字编码）

1.目前，汉字信息在计算机内大多是以双字节编码表示

的。在下列用十六进制表示的两个字节的编码中，—

可能是汉字“大”的机内码。（2003年春）

A.B473HB.B4F3HC.3473HD.73F3H

答案：B

1.2.3带符号数的表示

<1原码）

最高位表示符号位

正数的符号位用0表示,负数的符号位

用1表示，数值位保持不变。这种方法称

为原码。原码的定义为：

•若X2+0则［xg=x

•若xwo贝0X］原=2宜—X

其中n为原码的位数。

原码

[+124]^=OIIIIIOO,[-124]原=nnnoo

[+50]原=00110010,[-50]原=10110010

10的原码（8位）：［+0］原=00000000］

［-0］原=10000000

8位二进数原码真值范围；-127〜127

,6位二进数原码真值范围：-32767〜+32767,

〈2.反码）

反码的定义为：

若X2+0则［X］反二X

若XW-O则［X］反=2n+X-1其中n为反码的位数

若X2+0则6］原=［乂］反=乂

若XW-O［X］反符号位为1,其余各位按原码位取反

反码

［+124］原=onnioo,［-124］原=nnnoo

［+50］原=00110010,［-50］原=10110010

［+124］反二oinnoo,［-124］反=10000011

、［+50］反=00110010，［-50］反=11001101,

反码

⑴“0”有两种表示方法：［+0］反=00000000,

［-o］反=nnnn

⑵8位二进制反码真值范围为-127〜+127；

16位反码真值范围为-32767〜+32767。

<pW>

补码的定义为

若X2+0则［X］补=X

若XW-0贝此X］补=2n+X,其中n为补码的位数

若X也则［X］Q［XL=［XM=X

若xwo,则因］补=凶反+1

补码

[+124]原=[+124]反=[+124]补=onn100

[+50]M=[+50]R=[+50]#=00110010

[T24]反二looooon[-50]反=noonoi

\__________________________________________________J

(A

[-124]补=[-124]反+1=10000100

[-50]补=[・50]反+i=noonio

补码

⑴[+0]补=[-0]补=00000000

⑵8位二进制补码真值范围为-128〜+127

16位补码真值范围为-32768〜+32767

补码

+当采用补码表示时，可以把减法运算转换

为加法运算，即［X土Y］补=［X］补即土Y］补。

［+64］补=01000000,［+9］补=00001001,［-9］补=11110111

［+64］补+［-9］补=00110111=［+64］补-［+9］补=［64-9］补

「-［X±丫］补=凶补+［土丫］补=凶补土［丫］补一一］

表「3数的表示方法

十进制数二进制数原码反码补码

-128-1000000010000000

-127-1111111111111111000000010000001

-126-1111110111111101000000110000010

•••

-2-0000010100000101111110111111110

-1-0000001100000011111111011111111

-0-0000000100000001111111100000000

+0+0000000000000000000000000000000

+1+0000001000000010000000100000001

+2+0000010000000100000001000000010

•••

+126+1111110011111100111111001111110

+127+1111111011111110111111101111111

2.十进制“-65”在计算机内部用二进制代码10111110表

示，其表示方式为—o（2000年秋VB二级）

A.ASCH码B.反码C.原码D.补码

答案：B

前两个运算结果错误，是因为其结果分别为+160

和-160,超出了表数范围，使结果的数值部分占

据了符号位，产生了溢出错误。但一个正数与一

个负数相加，一定不会产生溢出错误。

［60］补+口00］补=负数卜60］补+1100］补=正数

［60］补+卜100］补=卜40］补

001111001100010000111100

二溢出是指运算结果超出了规11100

11000

定长度数据的表数范围。

判断溢出的方法

根据参加运算的两个数据的符号及运算结果

的符号可以判断是否溢出。

计算机中，根据加法运算中在最高位与次高

位的两个进位来判断。

设8位二进制数的各位记为D7D6D5…Do,运算

中两个口6位的进位记为C6,两个D7位的进位

记为C7。

设ov=C7XORC6

若ov=o,表示结果无溢出，

若OV=L表示结果有溢出。

11000100

卜60］补+1100］补=

+10011100

101100000

4.若X,Y为两个带符号数，则在不发生溢出的情况下，以下4

个等式能成立的个数为____O（2003年三级偏硬）

X+Y=［X］补+［丫］补X+Y=［X］原+［丫］原

［X—丫］补=［蜀补+［—Y］补［X］补+［丫］补=［甩原+［丫］原

A.lB.2C.3D.4

答案：A

1.2.4数的定点和浮点表示

（定点表示法］

约定小数点在符号位之后、数值部

定分最高位之前,因此数据是纯小数,

点其格式为:

小

数

符号位数值部分（尾数）

法

y小数点位置

定点小数法比例因子的选择

、______________________________________7

例如求两个数010.01和001.100的和

010.01+001.100=(0.1001+0.0110)X22,

该比例因子选为22,而且两数相加结果仍小于1。

］定点表示法］

约定小数点的位置固定在数值部

定分的最低位之后，也就是把数表示

点为纯整数，其格式如下：

整

数符号位数值部分（尾数）

法

小数点位置

定点整数表示法也有比例因子的选择

例如上例求(010.01+001.100)的和

(010.01+001.100)=(01001+00110)X2・2,

该比例因子选为2・2。

居点表示法;

在浮点表示法中，小数点的位置是不

固定的或者说是可浮动的。

63.8可表示为0.638XHP,63.8X10°,638X101

二进制数10L01可表示为0.10101X23,10101X2-2

由此得出：任何一个二进制数，它的浮点数可

表示为：N=2PXSo（P为阶码，S为尾数）

<_____________________________________________7

浮点数包括两部分：即阶码P和尾数S,它们

都有各自的符号位。

阶码的符号位又称阶符，用Pf表示，

阶码有Pl、P2…Pm位；

尾数的符号位又称数符，用工表示，

尾数有Si、S2…Sn位。

PfPp2…PRISfSF2…Sn

阶符阶码数符尾数

G孚点表示法）

例如:二进制数N=2+11X0.1011,在

浮点机中的表示格式为：

0001101011

阶符阶码数符尾数

浮点数的规格化

规定：当尾数满足0.5<|S|<1时，即

为规格化数。

<___________________________________

例如：

N=2+11X0.0101,非规格化浮点数。

N=2+1。X0.1010,规格化浮点数。

伽格化浮点数，即尾数的最高有效位是

总效数字1,而不是0。

•定点表示法与浮点表示法的比较

（数值表示范围）

假定某机器字长32位，数符占1位，尾数占31位。

定点小数表示范围：OW|s|Wl-2-31

定点整数表示范围：OW|S|W231-1

用浮点表示，若阶码8位（含阶符），尾数24位

（含数符）。其表数范围：

0<$$2127*（1-2-23）

近似为05$$2127

1.对于任意一个实数，在计算机内部都可以用_______

两部分来表示，这种表示实数的方法叫做“浮点表示

法”。（2001年秋VB二级）

A.指数和尾数B.指数和基数C.整数和指数D.基数和小数

答案：A

30、某机字长为32位，其中1位符号位，31位表示尾

数。若用定点小数表示，则最小负数为（）

A.-(1-2-30)B.-(1231)

C.-(I")D.-232

答案：B

31、某机字长32位,其中1位符号位，31位表示尾数。

若用定点整数表示,则最大正整数为（）

A.+(230/)B.+(231-1)C.+231D.+232

答案：B

5.若阶码为m位（含阶符1位，补码表示），尾数为n位（含数

符1位，补码表示），则所能表示的规格化数中，除零外绝

对值最小的正数是________o（2003年三级偏硬）

A.2-2（m—1）・2-1B.2—2111.2一（n-1）

C.22（mD-E（l-2-（n-1））D.2-2（mD・2一（nT）

答案：A

"onNeumann计算机体系结构要,中

,采用二进制数的形式表示指令和数据

将指令序列（程序）和数据预先存入计

算机的存储器中

・计算机硬件由运算器、控制器、存储器、

输入设备、输出设备五大部分组成

冯•诺依曼型计算机工作原理的核心是“存

储程序”和“程序控制”，即“集中顺序控

制”。

2.运算器

—.----------

・运算器主要包括能完成算术及逻辑运算的

电路以及多个寄存器。

・在控制信号的指挥下，运算器完成诸如算

术、逻辑运算、暂存及传送数据等工作。

一地址内容

，：020

在微型机中存储单元通;1

31

常以8bit即1字节为单位。2

-18

・对每一存储单元都指定.•

一个唯一的编号，称之为•*

存储单元的地址，地址通•*

常从0开始顺序编排。Jn186

存储单元的地址与内容

数据总线DB

ACC暂存器1暂存器2指令寄存器IR读/写控制

电路

通用地

寄存指令译码器ID址

器组译

专

用

算术逻辑单元码

存储

寄

存

ALU器

组

器单元

控制信号

一外部

发生器

IP＜一控制

信号

地址总线AB内部控制信号

简单计算机的硬件电路结构示意图

-5--._控制-器-设--计-

传统的组合

a)按照其产生微操作逻辑控制器

控控制信号的方式

制

微程序控制器

器

‘把指令的执行分解成若干个微操作，用微

指令将这些微操作编成微程序，通过执行

微程序来完成这些微操作，即执行了指令。

这就是微程序技术的基本原理。

1.3.2计算机的软件系统

1.系统软件

系统软件：由计算机的设计者提供的

使用和管理计算机的软件。

种语言的7系统软件

编或解释、编

程序库

译程序

机器的监控管理程序、

操作系统、调试程序、

故障诊断程序

2.应用软件

应用软件：用户用各种语言编制的解决

:各种问题的软件。

文字处理软件财务管理软件银行管理软件等

---_---7____J_7---JL--------—

用户

I应请1件I

系统软件

硬件系统

计算机系统的功能模型

7.计算机软件可以分为商品软件、共享软件和自由软件等类型。

在下列相关叙述中，错误的是_______o（2009年春二级）

A.通常用户需要付费才能得到商品软件的使用权，但这类软件

的升级总是免费的

B.共享软件通常是一种，，买前免费试用”的具有版权的软件

C.自由软件的原则是用户可共享，并允许拷贝和自由传播

D.软件许可证是一种法律合同，它确定了用户对软件的使用权

限

答案：A

8.人们通常将计算机软件划分为系统软件和应用软件。下列

软件中，不属于应用软件类型的是___J2009年春二级）

A.AutoCADB.MSNC.OracleD.WindowsMediaPlayer

答案：C

9.在下列有关Windows98/2000/XP操作系统的叙述中，错

误的是____。（2009年春二级）

A.系统采用并发多任务方式支持多个任务在计算机中同时执

行

B.系统总是将一定的硬盘空间作为虚拟内存来使用

C.文件（夹）名的长度可达200多个字符

D.硬盘、光盘、优盘等均使用FAT文件系统

答案：D

10.计算机软件通常分为系统软件和应用软件，它们两者

之间的关系

A.后者以前者为基础

B.前者以后者为基础

C.没有前者后者也不能工作

D.相互独立的

答案：B

1.3.3微型计算机系统的组成及特点

-*----------------

微

处

算术逻辑部件控制器微

微

理

型

型

内部总线器

累加器、寄存器计

计

算

算

机

内部存储器系统总线机

系

输入/输出接口

统

外围设备系统软件

'总线是微型机中连接各功能部件并传送信

、息的一组信号线。

地址总线AB(AddressBus)

数据总线DB(DataBus)

控制总线CB(ControlBus)

微型机的外部结构特点

2彳散型机硬件系统的组成

-----------------------------------------------------------'—---------------------------------------------------------

微型计算机的组成

9.设某种型号的工控机为IPC-610

PIII/933/256M/40G/52X,其中256M和52X分别指的是

__________o（2002年三级）

A.主频，52个扩展槽

B.内存容量，52个扩展槽

C.主频，52倍速光驱

D.内存容量，52倍速光驱

答案：D

性能相

由于微型机体积小、价格便宜、其系统

对较低，主要用在小规模应用领域，相对较

软件和应用软件规模相对较小、功能

简单。

目前常用的操作系统有Windows2000、

WindowsXP、WindowsNT、UNIX>Linux等，

常用的软件包有Office2000、Office2003、

IE浏览器，以及VB、VC++、JAVA等语言处理

程序和VFP、Oracle等数据库系统。

1.3.4微型计算机系统的主要技术指标

1.常用的名词术语

位一位是计算机所能表示的最基本最小的数

据单位。它只有两种状态“0”和“1”,

即二进制位。

字节8位二进制数称为一个字节。微型机

中内存一般以字节为单位。

字一计算机中作为一个整体参与运算、处理和

传送的一串二进制数，是计算机中信息的

基本单位。

字长一计算机中每个字所包含的二进制位数称

为字长。字长通常等于数据总线的位数

和通用寄存器的位数。

指令一指挥计算机进行基本操作的命令。

指令系统一计算机所能执行的全部指令的集

合称为计算机的指令系统。

程序一完成某一任务的指令（或语句）的

有序集合称为程序。

2.王要技术指标

主要性能指标

内

外

存

运

部

算

储