第1章 基础知识 微机接口及技术

1、第1章基础知识,内容安排,一.微型计算机系统组成二.微型计算机主机结构三.微机中数的表示方法四.微机中常见的编码五.微机中的运算电路及补码运算,1.1微型计算机系统组成,1.2微型计算机主机结构,总线结构，系统中各部件“挂”在总线上,主机结构突出特点是模块化结构,1.CPU(中央处理单元）,运算器（ALU）主要负责算术运算和逻辑运算,控制器由指令寄存器、指令译码器和控制电路组成并按指令的要求对微机各部件发出相应的控制信息,2内存储器（主存）,例如:01001101,用于“记忆”信息的存储元件，均采用集成度高，容量大，体积小，功耗低的半导体存储器芯片,字节（Byte)基本单位，规定8位二进制数称

2、为一个字节,CPU执行访问内存的指令时，按指定的单元地址对相应存储单元进行“读、写”操作。,一个字节数据空间称为一个存储单元，其中每一位称为1Bit,微机的存储器是由许多存储单元集合而成，每一个存储单元唯一的对应一个单元地址，也称为存储器的物理地址，微机中的地址一般都用十六进制数表示，如30H,存储器容量（s）=存储单元数（p）数据位数（i）,1024B=1KB1024KB=1MB1024MB=1GB1024GB=1TB,字长：一个基本信息单位所占用的最大二进制位数,字：微机一条指令所能处理的一个基本信息单位,例如：一个数据（25、35.67、-0.0038；）一个字符（A、a、#、）等均称为

3、一个字,字长越长的微机，其运算速度越快，数的表示范围越宽，数据的运算精度越高，机器的整体功能越强,字长是微机的主要性能指标之一！,3.总线,控制总线CB：传送各种控制信号和状态信号对于每一根来说是单向传送的,地址总线AB：CPU执行指令时，用于单向传送地址信息,AB的宽度决定了微机系统的最大寻址能力,最大寻址空间=2N，其中N为AB的宽度,51单片机N=16最大寻址空间=216=65536B=64KB,8086/8088CPUN=20最大寻址空间220=1MB,例：,4.地址译码电路,凡是“挂”在总线上部件都被系统分配一个地址域，CPU访问某部件时，由指令提供被访问部件的地址信息，该地址信息经

4、地址译码电路译码后唯一的产生一个选通信号（也称片选信号），将被选中的部件“门”打开，使得数据得以传输,5接口,接口是主机与外设连接的必然通路，是必经的“桥梁”。每个接口可包含若干个端口，每个端口对应一个端口地址，可由指令按地址访问端口,接口功能：,1.3微机中数的表示方法,1.定点表示（单片机）,定点机中通常采用纯整数形式，以8位机为例，用8位二进制数表示一个纯整数，格式如下：,Pf为符号位：0正数，1负数,在微机中，对于带正、负号的数，其符号被数码化了，这种表示数据的形式称为机器数注：机器数并不是指微机中的数,2.浮点表示（必须带小数点）,对于任意一个二进制数N总可以表示为：N=S2P其中S

5、是数N的尾数，P是数N的阶码。格式如下：,Pf为阶码的符号位，0-正，1-负Sf为尾数的符号位，0-正，1-负,111.0101B=1.110101210B=0.111010211B当阶码P取不同数值时，尾数小数点位置是可以变动的，因此称为浮点法数。为了使微机在运行过程中不丢失有效数字，提高运算精度，一般都采用二进制浮点规格化数，所谓浮点规格化是指1/2|S|1；即小数点后面的一位必须为1，小数点前面一位为0,例：若有二进制数0.0011010B，规格化后的形式为0.11010210B用8位二进制数的格式将其表示为浮点数：,注：规格化后尾数超出三位小数部分自动舍去，所以用浮点数表示有可能产生误

6、差,设若有m位阶码，n为尾数，则数N的表示范围为：,注：1）规格化后尾数超出三位小数部分自动舍去，所以用浮点数表示有可能产生误差。2）当微机字长确定以后，阶码与尾数所占的位数由操作系统决定。当阶码越长则尾数越短，数的表示范围越宽，但精度低；当阶码越短则尾数越长，数的表示范围越窄，但精度高,练习题,将下列十进制数用浮点表示法表示：-3.756+0.573,答案：0010111100000100,微机编码：用规定好的二进制组合表示数据、字符、汉字等信息,1.4微机中常见的编码,1.ASCII码（字符编码）ASC码是美国标准信息交换码，有两种版本,问题：对于一些数据、字符、汉字等信息在微机中如何表示

7、？,7位二进制数表示一个字符，早期用于电信行业，后被移植入微机，可表示128个字符,采用8位二进制数表示一个字符的ASC码，最高位为扩展位，最高位若为0，则为基本ASC码。最高位为1，则为扩展的ASC码，一般用来表示键盘上不可显示的功能键编码,ASC码表中:AZ的ASC编码是41H5AHaz的ASC编码是61H7AH09的ASC编码是30H39H,在微机中用二进制数表示十进制数的方法很多，常用的有8421BCD码，即用四位二进制数表示一位十进制数，因组成它的4位二进制数码的权为8、4、2、1而得名。（参看8421BCD码表）,2.BCD码（十进制数的二进制编码）,8421BCD编码表,注：4位

8、二进制数称为一位8421BCD码字,BCD码与非BCD码,注：在09之间十进制数的BCD码与十六进制是相同的，10以后的称为非BCD码,压缩BCD码与非压缩BCD码,压缩BCD码：是一个字节中存放两个十进制数字位,如：将十进制数8962用压缩BCD码表示1000100101100010在主存中存放形式：,非压缩BCD码：是指每个字节中只存放一个十进制数字位,如：将十进制数8962用非压缩BCD码表示00001000000010010000011000000010在主存中存放形式：,BCD码加法运算,BCD加法就是按“逢十进位”的原则进行相加，其和也是一个BCD数。但微机只能进行二进制加法，在相

9、邻BCD码字之间只能“逢十六进位”。导致出现非BCD码。因此需要对结果进行调整，做到“逢十进位”,96,例：89+95=,184,运算结果的低4位出现非BCD码高4位出现进位，均应做加6调整,结果仍为BCD码,进位,相加结果为无符号数，最高位进位有效,117,例：48+69=,在BCD加法过程中，进制不同导致出现非BCD码或某位向高位产生进位，使运算结果不正确。在这种情况下均应作加6调整，以补上多拿走的6。十进制调整在微机中有专门的调整电路自动完成,总结：,练习题,65BCD+78BCD=?35BCD+82BCD=?,BCD码减法运算与加法运算同理减法运算的调整原则：在运算过程中某位出现借位或

10、非BCD码，相应位作减6调整，减去多借的6。也是有专门的指令来完成的,例：58-25=,33,BCD码减法运算,例：35-28=,低四位向高四位借位,运算结果的低4位出现非BCD码,7,个位做减6调整,结果仍为BCD码,练习题,95BCD-78BCD=?85BCD-27BCD=?,1.5微机中的运算电路及补码运算,1.微机中的运算电路微机中的运算都是在运算器中运行的，运算器是由加法器构成的，只会做二进制加法运算，一位二进制全加器电路如图所示：,FA,全加器真值表,组成八位二进制数加法器电路如图所示,当执行加法运算指令时，SUB=0，图中各异或逻辑门均为同相逻辑门，对加数没有任何影响，则Si=a

11、i+bi+ci,结论：微机作减法运算时，其运算过程是：一个数减去另一个数，等于加上另一个数的反码并加1，这个运算过程称为补码运算,图中OV是溢出标志位，运算结果有溢出时，OV=1，否则OV=0，溢出的原因是运算结果超出了微机中数的表示范围,图中Cy是进位（或借位）的状态标志位，做加法运算时若最高位（FA7）有进位，则Cy=1，否则Cy=0；做减法运算时若FA7位无进位，说明不够减，有借位现象，则Cy=1，否则，Cy=0,Cy=C8SUBOV=C7C8,2.补码运算,研究表明，微机中的数一律用补码的形式表示的，两个数加法运算时，应将参加运算的数化成补码形式，相加后的结果仍为补码，对于有符号数来说

12、，符号位无须单独处理，符号位可直接参加运算，不影响最终结果,X补+Y补=X+Y补,正数的补码表示与原码相同；负数的补码表示等于该数的原码取反（反码）加1。理论依据：X补=模+X（如何理解？）举例：假设现在的标准时间是4点整，而一只时钟却指示7点整。如何校准时钟？7-3=47+9=7+5+4=12（自动丢失）+4=47+9=4（mod12）-3补=12+9=9=12-35补=12+5=58位单片机mod128（28）11111111（127）（100000000）X补=2n+X（mod2n）,数的补码,例：35+42=,Cy=0，OV=0，结果为4DH，仍为补码形式。若要显示运算结果，应对运算结

13、果求真值,+77,真值就是将补码形式的运算结果用“+”“”号的形式来表示运算结果的实际数值。一般用十六进制或十进制表示,加法运算（SUB=0）,例：35+(-42)=,C8=0，Cy=0，OV=0，说明没有溢出。运算结果为负，若求真值，须对运算结果求补码,-7,练习题,已知X=-76，Y=+23，求X+Y=？OV=？Cy=?已知X=-76，Y=-69，求X+Y=？OV=？Cy=?,答案：X+Y=-53OV=0Cy=0X+Y=-145（+111）OV=1Cy=1,例：85+78=,Cy=0，OV=1，说明运算结果出现溢出现象，运算结果超出了微机中对数的表示范围,若将上述运算“看成”是有符号数的运

14、算，运算结果的最高位可“看作”符号位，结果为负数，由于8位有符号数补码的表示范围为128+127，该运算结果显然超出了数的表示范围，OV=1产生了溢出现象，运算结果无意义，应做溢出提示,85+78=溢出,若将上述运算“看成”是无符号数的运算，运算结果的最高位不再做符号位了，而是数值位（权为128），8位无符号数补码的表示范围为0255，尽管产生了溢出标志，但运算结果仍有意义，真值为163,85+78=163,微机的补码运算可分为带符号数的补码运算和无符号数的补码运算，但微机并不认识数的属性，运算器在进行加减运算时并不区分操作数是否带有符号，运算过程都是一样的当SUB=0时，直接将两个数相加，当

15、SUB=1时，将减数求补（取反加1），再进行运算。在运算的同时自动设置CY和OV，运算后若是无符号数，通过判断CY确定是否有进位，如果是带符号数，则通过判断OV确定是否溢出,例：求下列有符号数的补码运算，并求真值,76+23=,Cy=0，OV=0,+99,35+(-69)=,Cy=0，OV=0,-34,76+69=,Cy=0，OV=1，有溢出结果无意义,溢出,76+(-23)=,Cy=1，OV=0,+53,例：求下列无符号数的补码运算，并求真值,76+69=,Cy=0，OV=1,145,补码加法运算总结：,加数与被加数都采用补码形式，运算结果也是补码X+Y补=X补+Y补加数与被加数都看成带符号

16、数，最高位为0，表示正数，最高位为1，表示负数当两个正数相加时，C8肯定为0，若C7=1，符号位变为1（负），得到一个负数，则发生溢出，OV=1（错误）；若C7=0，符号位不变，则没有溢出，OV=0（正确）,减法运算（SUB=1）,例：已知X=+76，Y=-23，求X-Y=,+99,例：已知X=+76，Y=-69，求X-Y=,溢出,练习题,-69-76=？OV=？,答案：-69-76=溢出OV=1,结论,进行补码的加减运算，符号位和数值位一起参加运算，符号位进位略而不计。（注意，CPU表示数的范围，可能产生溢出）运算器在进行加减运算时（X+Y或X-Y），并不区分操作数是否是带符号数当SUB=0时，Y不变，直接将两个操作数相加；当SUB=1时，将Y求补（取反加1），再进行相加运算在相加的同时，ALU自动设置程序状态字（FR或PSW）的进借位标志位Cy和溢出标志位OV的值及其他有关的标志位运算后，如果操作数是无符号数，通过判断Cy位的值，确定是否有进借位；如果操作数是带符号数，通过判断OV位的值，确定是否发生溢出，进而判断结果是否正确。（程序员做）,问题：微机中数的加减运算为什么采用补码？,原码：易于识别，但运算复