微机原理与接口技术 ch1基础知识

1、,微型计算机原理及应用 第一章 微型计算机 的基础知识,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 2,【主要内容】,1计算机运算基础 进位计数制特点（二、八、十六进制）； 无符号数和带符号数的表示方法； 机器数和真值； 定点数和浮点数； 2.编码（BCD码、ASCII码） 3微处理器的发展,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 3,【学习目标】,1掌握常用进位计数制及其相互转换； 2掌握数的原码、反码、补码表示法，并熟练掌握补码加减运算； 3掌握BCD码、ASCII码； 4理解数的定点和浮点表示；,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 4,【重点】,1计算机中的数制及其编码 2溢出的判

2、断；,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 5,【难点】,1有符号数和无符号数溢出判断 2溢出和进位的区别； 3机器数和真值。,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 6,【知识点】,1.2 原码、补码、反码及其相应的运算法则,1.3 数的定点和浮点表示,1.4 十进制数的二进制编码及ASCII码,1.1 数和数制,1.5 微处理器的发展,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 7,1.1.1 数据存储方式 计算机内的信息均以二进制数(Binary)表示，存储在内存中。 一般以字节（Byte）为单位存储，每个字节占据一个内存地址，因此存储容量与地址总线的多少有关。 字（Word）：两个

3、相邻字节组成的16位二进制数； 双字（Double Word） ：四个相邻字节组成的32位二进制数。 多字节数据的存储：高位字节存储在地址号高的单元，低位字节存储在地址号低的单元中。且低位的地址号为该数据的地址。,1.1 数和数制,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 8,1.1.2 数的进位制表示 1、进位计数制的一般表达式： Na= dn-1an-1+dn-2an-2 +d0a0 +d-1a-1+ 一个a1进制的数转换成a2进制数的方法： 先展开，然后按a2进制的运算法则求和计算。 2、十六进制数(Hexadecimal)转换成十进制数（Decimal） 1011.1010B=123+

4、121+120+12-1+12-3=11.625 DFC.8H =13162+15161+12160+816-1 = 3580.5,1.1 数和数制,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 9,1.1 数和数制,3、二进制与十六进制数之间的转换 24=16 ，四位二进制数对应一位十六进制数。 3AF.2H = 0011 1010 1111.0010 = 1110101111.001B 3 A F 2 1111101.11B = 0111 1101.1100 = 7D.CH 7 D C,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 10,4、十进制数转换成二、十六进制数 （1) 整数转换法 “除基

5、取余”：十进制整数不断除以转换进制基数，直至商为0。每除一次取一个余数，从低位排向高位。,1.1 数和数制,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 11,1.1 数和数制,（2) 小数转换法 “乘基取整”：用转换进制的基数乘以小数部分，直至小数为0或达到转换精度要求的位数。每乘一次取一次整数，从最高位排到最低位。 例3. 0.625转换成二进制数 0.625 2 1.250 1 (b-1) 2 0.5 0 0 (b-2) 2 1.0 1 (b-3) 0.625 = 0.101B,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 12,1.1 数和数制,例4. 0.625转换成十六进制数 0.625

6、16 = 10.0 0.625 = 0.AH 例5. 208.625 转换成十六进制数 208.625 = D0.AH,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 13,一、有符号数和无符号数的表示 无符号数的表示：所有的数据位全部用来表示数值本身，n位无符号数表示的数的范围为0 2n1 。 带符号数的表示：最高位表示数的正负符号，其他位表示数值。 二、原码、补码和反码 1、原码: 原码的定义：最高位为符号位，0表示 “+”，1表示“”，数值位与真值数值位相同； 正数的原码表示：根据原码定义； “0”的原码表示： 0原0 0000000，0原1 0000000； 负数的原码表示：根据原码定义；

7、n位二进制数原码的表示范围为(2n-11) - (2n-11),1.2 原码、补码、反码及其相应的运算法则,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 14,综上所述，原码和真值X的关系如下式所示： 例如：求 X=+105的原码 X原=0 1101001 求 X= 105的原码 X原=1 1101001 原码表示简单直观,但0的表示不唯一，加减运算复杂,如果两个异号数相加或两个同号数相减就要做减法。,1.2 原码、补码、反码及其相应的运算法则,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 15,2、反码： 正数的反码与其原码相同； 负数的反码将其原码的数值部分取反，符号位仍为“1”； “0”的反码：

8、 “0”的反码有正负之分 0原0 0000000，0原1 1111111； 综上所述，反码和真值的关系如下式所示： n位二进制数反码的表示范围为(2n-1-1) - (2n-1-1) ； 例如：X=-4, X原=1 0000100, X反=1 1111011, 若X反=10010100， 则其原码为1 1101011， X为107 反码的缺点与原码类似，多用在求反逻辑运算中。,1.2 原码、补码、反码及其相应的运算法则,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 16,3、补码： X补 2n X 正数的补码与其原码相同； 负数的补码为其反码加1； 0无正负之分； n位二进制数补码的表示范围为(2

9、n-11) 2n-1 补码和真值的关系如下： 例如：X= -4, X原=1 0000100, X补=1 1111100 补码运算时可以将符号位参与运算，可以用加法代替减法运算，提高了运算速度。计算机中的有符号二进制数据默认为补码表示。,1.2 原码、补码、反码及其相应的运算法则,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 17,4、移码： X移 2n11 X， 2n1X2n1 将其补码的符号位取反，再在最低位加1求得。 1表示正，0表示负；最小的数为0，最大的数为全1。非常直观，常用于A/D，D/A的双极性编码或者是浮点数的阶码中。 例：X=+10010, Y=-10010, 则X移=11000

10、1, X移=001101,1.2 原码、补码、反码及其相应的运算法则,综上所述： X为正数时有： X原 X反 X补 X为负数时有： X补 X反1， X补补 X原 X反反 X原 8位机带符号整数的反码、补码和移码如下页表所示：,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 18,1.2 原码、补码、反码及其相应的运算法则,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 19,5、补码的求法 正数补码等于其原码。以下针对负数求补。 根据定义求： X补 2n X 如X1010111，n8，则X补 28 1010111B 100000000B 1010111B10101001B，有减法运算不方便。 利用原码求：

11、一个负数的补码等于其原码除符号位以外的各位按位取反，再在最低位加1。 如X1010111， X原11010111， 则 X补10101000110101001 简便的求补：从原码的最低位起，到出现第一个1以前（包括第一个1）的数字不变，以后逐位取反，但符号位不变。 如X= 1010111, X原11010111，则X补10101001 X1110000，则X原11110000 ，则X补10010000,1.2 原码、补码、反码及其相应的运算法则,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 20,简便的求补：从原码的最低位起，到出现第一个1以前（包括第一个1）的数字不变，以后逐位取反，但符号位不变

12、。,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 21,数的补码表示转换为原码表示,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 22,1.2 原码、补码、反码及其相应的运算法则,6. 补码的运算 (1) 有符号数的运算 加法：X补Y补 X+Y补，把符号位与数值位一起运算，如有进位则丢掉，结果为两数之和的补码形式。 减法： XY补 X补 Y补 XY补 X补Y补，因为 X Y=X+( Y),可将减法转换为加法， Y补称为变补。,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 23,变补的求法：对补码的每一位（包括符号位）都按位取反，然后再加1，即Y补变补= Y补,进,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器

13、24,1.2 原码、补码、反码及其相应的运算法则,例：1：96 19； 2：（56)（17) 1：X=96, Y=19, X补= X原=01100000, Y补= Y原=00010011, Y补 =Y补变补=11101101, 则 X Y补=01100000+11101101=01001101= X Y原 =+77 2：X=56,Y=17, X原=10111000， X补= 11001000 Y原=10010001, Y补= 11101111, Y补 =Y补变补=00010001, X Y补111011110001000111011001 10100111补=39 综上有： X补 Y补 X Y

14、补，X, Y及X Y都小于2n1,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 25,(2)无符号数的运算 以下公式成立： X补 Y补 X Y补，X,Y及X Y都小于2n 加法时，只要和的绝对值不超过整个字长，就不溢出，和为正数的补码形式，等于其原码； 减法时，可用减数变补与被减数相加来求得。此时应判断结果的正负号：如果减数变补与被减数相加时最高位有进位，表示二进制原码相减时无借位，结果为正；如无进位，表示二进制原码相减有借位，结果为负。,1.2 原码、补码、反码及其相应的运算法则,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 26,例：1. 12979 ； 2. 79129 1. X=1000000

15、1,Y=01001111 10000001 Y补= Y变补10110001 10110001 X Y补 1 00110010 有进位，为正 X Y补= X Y原=0011001050D 2. X= 01001111, Y= 10000001 01001111 Y补= Y变补01111111 01111111 X Y补 0 11001110 无进位，为负 X Y原= 11001110 补=1011001050D 综上有， 对于有符号数和无符号数，运算时的方法都一样。只是在判断正负号时不同。有符号数由最高位来判断，无符号数的判断如上所述。,1.2 原码、补码、反码及其相应的运算法则,微型计算机原理

16、与应用第五章 半导体存储器 27,1.2 原码、补码、反码及其相应的运算法则,7. 溢出判断 字长：计算机内部一次可以处理的二进制数码的位数。是衡量微机系统精度和速度的重要指标。 溢出：指运算的结果超出了结果单元所能存储的数值范围。,正常溢出是以2n为模的溢出，不会影响结果。 当两个带符号数补码运算时，如果运算结果超出表达范围时，数值部分会占据符号位的位置，便产生溢出。,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 28,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 29,何时产生溢出？,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 30,CS Cp 1,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 31,C

17、S Cp 1,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 32,溢出判别法：双高位判别法 CS 表示最高位（符号位）的进位情况， Cp 表示数值部分最高位的进位情况 正溢出：两个正数相加，若数值部分和大于2n1，则Cp 1， 而CS 0为正溢出。 01011010 90 00101101 45 01101011 107 00101101 45 11000101 59 01011010 90 CS 0,Cp1,正溢出,出错 CS 0,Cp0，无溢出,1.2 原码、补码、反码及其相应的运算法则,7. 溢出判断,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 33,负溢出：两个负数相加，若数值部分绝对值之和

18、大于2n1 ，则数值部分的补码之和必小于2n1 ， 有Cp 0，而符号位有CS 1，此时为负溢出。 10010010 110 11111110 2 10100100 92 11111110 2 100110110 54 111111100 4 CS 1 ,Cp 0，负溢出，出错 CS 0 ， Cp 0，无溢出 一个正数和一个负数相加，和肯定不会溢出。若和为正则CS 1 ， Cp 1， 若和为负则CS 0 ， Cp 0。 10001011 117 11110100 12 01111001 121 00001001 9 100000100 4 11111101 3 其他不溢出时CS 和Cp 的状态

19、也总是一样的。 因此在用CS Cp 1来判断溢出。,1.2 原码、补码、反码及其相应的运算法则,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 34,1.2 原码、补码、反码及其相应的运算法则,8. 算术移位 二进制数进行算术移位时，每左移一位表示的数的绝对值应增大一倍（不溢出时），每右移一位时表示的数的绝对值应减少一半。 对于正数，左移和右移时空位都应该补0。 补码表示的负数，左移时最低位补0，右移时最高位补1。 反码表示的负数，左移和右移时都应该补1。 0000 1110 (14)补，左移一位 0001 1100 (28)补， 右移一位 0000 0111 (7)补 1111 0010 (14)

20、补，左移一位 1110 0100 (28)补， 右移一位 1111 1001 (7)补 1111 0001 (14)反，左移一位 1110 0011 (28)反， 右移一位 1111 1000 (7)反,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 35,1.3 数的定点和浮点表示,1、定点法： 小数点在数中的位置固定。运算简便,表示范围小。 1)定点整数：小数点固定在数值位之后。表示的最大绝对值 2n1 1 2)定点小数：小数点固定在数值位之前符号位之后。表示的最大绝对值 1 2 n 举例：求定点机器数5AH表示的真值。 用定点整数表示的真值：+ 1011010； 用定点小数表示的真值：+0.1

21、01101,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 36,1.3 数的定点和浮点表示,2、浮点数： 小数点位置不固定。表示范围大，运算复杂。 二进制数浮点表示： B = S2J S尾数，为小数或整数。J阶码，为整数 尾数一般为纯小数。微型机一般采用定点运算，浮点数的运算需要专门的软件。浮点运算需要经过对阶、舍入和规格化。 浮点数的规格化 1.XXXXX 2n,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 37,Pentium微处理器支持的浮点格式,Pentium将阶码以一种偏置形式存放于格式之中，即将真阶码加上一个常数偏置值才是格式阶码，以保证偏置后的格式阶码恒为正数。 单精度的阶码偏置值为+1

22、27，双精度的阶码偏置值为+1023，扩展精度的阶码偏置值为+16383。 一个浮点数的真阶码要通过它的格式阶码减去偏置值而得到。,1.3 数的定点和浮点表示,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 38,1.4 BCD码及ASCII码,1、BCD码,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 39,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 40,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 41,a,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 42,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 43,减法规则： （1）若相减不发生借位，则减法直接进行。 （2）若相减低位向高位发生借位，则低位应减6修正

23、。 上述调整有专门的指令，在进行BCD运算时直接调用可自动完成修正。,1.4 BCD码及ASCII码,加法规则： （1）若二进制和小于10，则保持不变化。 （2）若二进制和大于等于10，则和数应加6修正。,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 44,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 45,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 46,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 47,2、ASCII码 （American Standard Code for Information Interchange,美国信息交换标准码）：用8位二进制代码表示一个字符，其中低7位是字符的ASCII

24、值，最高位为校验位。 常用于输入输出设备上。,1.4 BCD码及ASCII码,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 48,7位ASCII码可表示127个字符。最高位由奇偶校验的类型决定：偶校验指包括校验位在内1的个数为偶数，奇校验指包括校验位在内1的个数为奇数。 如：3的7位ASCII值为0110011， 如偶校验则校验位为0，奇校验则校验位为1。,1.4 BCD码及ASCII码,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 49,常用字符ASCII值： NUL 空 00H LF 换行 0AH CR 回车 0DH SP 空格 20H 09 30H39H AZ 41H5AH az 61H7AH,

25、1.4 BCD码及ASCII码,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 50,1.4 BCD码及ASCII码,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 51,1.5 微处理器的发展,微处理器的发展以Intel微处理器为主线。 第一代：4位及低档8位微处理器 1971年，Intel公司推出第一片4位微处理器Intel4004，以其为核心组成了一台高级袖珍计算机。随后出现的Intel4040，是第一片通用的4位微处理器。 1972年，Intel8008，8位，集成度约2000管/片，时钟频率1MHz。,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 52,1.5 微处理器的发展,第二代：高、中档8位微

26、处理器 1973年1974年，Intel8008、M6800、Rockwell6502，8位，集成度5000管/片，时钟频率24MHz。 这一时期，微处理器的设计和生产技术已经相当成熟，组成微机系统的其它部件也愈来愈齐全，系统朝着提高集成度、提高功能与速度，减少组成系统所需的芯片数量的方向发展。 1975年1976年，Z80，Intel8085，8位，时钟频率24MHz，集成度约10000管/片，还出现了一系列单片机。,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 53,1.5 微处理器的发展,第三代：16位微处理器 1978年，Intel首次推出16位处理器8086（时钟频率达到48MHz），8

27、086的内部和外部数据总线都是16位，地址总线为20位，可直接访问1MB内存单元。1979年，Intel又推出8086的姊妹芯片8088（时钟频率达到4 8MHz），集成度达到2万6万管/片。它与8086不同的是外部数据总线为8位（地址线为20位）。 1982年，Intel推出了80286（时钟频率为10MHz），该芯片仍然为16位结构，但地址总线扩展到24位，可访问16MB内存，其工作频率也较8086提高了许多。80286向后兼容8086的指令集和工作模式（实模式），并增加了部分新指令和一种新的工作模式保护模式。,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 54,1.5 微处理器的发展,第四代

28、：32位微处理器 1985年，Intel又推出了32位处理器80386（时钟频率为20MHZ），该芯片的内外部数据线及地址总线都是32位，可访问4GB内存，并支持分页机制。除了实模式和保护模式外，80386又增加了一种“虚拟8086”的工作模式，可以在操作系统控制下模拟多个8086同时工作。1989年推出了80486（时钟频率为3040MHz），集成度达到15万50万管/片（168个脚），甚至上百万管/片，因此被称为超级微型机。早期的80486相当于把80386和完成浮点运算的数学协处理器80387以及8kB的高速缓存集成到一起，这种片内高速缓存称为一级（L1）缓存，80486还支持主板上的二

29、级（L2）缓存。后期推出的80486 DX2首次引入了倍频的概念，有效缓解了外部设备的制造工艺跟不上CPU主频发展速度的矛盾。,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 55,1.5 微处理器的发展,第五代：高档32位微处理器 1993年，Intel公司推出了新一代高性能处理器Pentium（奔腾），Pentium最大的改进是它拥有超标量结构（支持在一个时钟周期内执行一至多条指令），且一级缓存的容量增加到了16kB，这些改进大大提升了CPU的性能，使得Pentium的速度比80486快数倍。除此之外，Pentium还具有良好的超频性能，把一个低主频CPU当作高主频CPU来使用，使得花费较低的代

30、价可获得较高的性能。 1996年，Intel公司推出了Pentium Pro（高能奔腾），该芯片具有两大特色，一是片内封装了与CPU同频运行的256kB或512kB二级缓存；二是支持动态预测执行，可以打乱程序原有指令顺序，按照优化顺序同时执行多条指令，这两项改进使得Pentium Pro的性能又有了质的飞跃。,微型计算机原理与应用第五章 半导体存储器 56,1.5 微处理器的发展,第五代：高档32位和64位微处理器 1997年初，Intel发布了Pentium的改进型号Pentium MMX（多能奔腾），将一级缓存提高到32kB，同时增加了57条MMX（多媒体扩展）指令，有效地增强了CPU处理音频、图像和通信等多媒体应用的能力。 1998年推出了赛扬（Celeron）如P3图1-1所示，其特点是去掉了P的二级缓存以及其它可以省略的东西，从而将价格降了下来。 1999年又推出了开发代号为Coppermine的P，该芯片加入了引起争议的CPU序列号功能，支持SSE（Streaming SIMD Extensions，单一