第一章 微机基础知识

1、,1,本章内容提要,本章主要介绍： 微机的基本概念、组成、工作原理、特点 计算机内的信息表示和运算 进位计数制的表示及其转换、 符号数和无符号数的表示及运算 十进制数的二进制表示及运算 逻辑变量的表示及运算 文字在计算机内的表示,2,第一节 微机的基本组成,3,一、微机的基本硬件构成,微机的基本硬件由下列几部分组成： 运算器（ALU ） 控制器（CTRL） 存储器（MEM） 输入设备（INE ） 输出设备（OUTE） 总线 （BUS）,4,微机的硬件构成框图,5,微机的基本硬件构成（续）,运算器 （ALU-Arithmetic Logic Unit） 进行算术运算（加、减、乘、除与移位）； 进

2、行逻辑运算（与、或、非、异或等）； 为了提高存取数据的速度，与ALU有关的部件还有 寄存器阵列,6,计算机的结构,计算机工作原理,CPU 总线 内存,标 志 寄存器,地址总线 AB,程序 数据,数据总线 DB,控制总线 CB,地 址 译 码 器,、 指令1 指令2 指令3 指令4 、 、 数据1 数据2 数据3 、,指令寄存器,数据暂存器,控制电路,指令译码器,地 址 寄存 器,指 令 指 针 寄存器,R1,R2,R3,R4,寄存器组,运 算 器,PC,7,一些名词的解释（见第二章2.1节）,地址寄存器 AR（Address Register）；存放的是内存单元的地址 数据寄存器DR（Data

3、 Register）：存放的是写入内存的数据或者从内存读出的数据； 程序计数器PC （Program Counter）：存放的是下一条指令在内存中的访存地址 指令寄存器IR（Instruction Register）:存放的是从内存中读出的指令； 标志寄存器 FLAG :存放的是运算结果的状态； 指令指针IP（Instruction Pointer）:功能同PC。 我们用到的还有AX，BX,CX，DX寄存器（2.1节会详细介绍）,8,微机的基本硬件构成（续）,控制器（CTRL-Controller） 它是计算机的控制中心，发布与控制计算机工作的各种命令，协调计算机内部以及主机与外设工作的各种关

4、系。 它有两个主要功能： 一个是控制程序的运行； 另一个是对不同的外部事件做出相应响应的能力。 （这些外部事件是指：复位、停机、中断请求、总线请求、总线周期延长等） 上述ALU+CTRL+REG（寄存器阵列）=CPU（中央处理器）,9,微机的基本硬件构成（续）,存储器（MEM-Memory） 记忆部件。它存储计算机操作的控制信息及各种命令信息（指令）和被处理加工的信息（数据），包括存储加工的中间与最终结果。 存储器内有两类信息： 一类是命令信息（即指令），经译码并执行，放在代码区； 另一类是数据，放在数据区。 它们都以二进制形式存放。,10,信息的存储单位,字节（Byte）：最常用的基本单位;

5、用B表示,1B=8b; K 字节1KB = 1024 Byte M（兆）字节1MB = 1024 KB G（吉） 字节1GB = 1024 MB T（太）字节1TB = 1024 GB,b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0,1 0 0 1 0 1 0 1,计算机软件概述,11,内存存储示意图,第0个存储单元,第11个存储单元,存储器的容量存储单元数位数/单元,则此内存的容量为,一般情况下一个存储单元的内容为1B。,12892b=12B,12,微机的基本硬件构成（续）,输入设备与输出设备 称为外设，其作用是进行信息形式的转换，即外界的语言、文字、图像、机械动作等信息转换成计算机能识别的

6、电信号表示的二进制数形式，或进行相反方向的转换。 输入设备 如：键盘、鼠标、磁盘、光盘、游戏杆、扫描仪、数码相机、A/D转换器等 输出设备 如：显示器、打印机、音响、绘图机、磁盘、光盘、D/A转换器等,13,微机的基本硬件构成（续）,总线（BUS） 总线是计算机各部件间传送信息的公共通路，它把计算机的各个部件连接成为一个整体。 分为内部总线，外部总线。 计算机内部的基本总线分为 数据总线（DBUS），地址总线（ABUS），控制总线（CBUS）。通常又称为三总线。 关于总线技术，将在第六章中专门介绍。,14,二、微机系统（见课本第3页）,微型计算机系统指由硬件、软件组成的微机系统 硬件部分： （

7、1）主机 CPU，内存，I/O接口，总线和电源 （2）外设设备； 输入/输出设备.,15,软件分类,系统软件,操作系统,语言处理程序,实用程序,应用软件,办公软件包,数据库管理系统,浏览器,实时控制软件,2、计算机软件 软件 = 程序 + 数据+文档,诊断程序,反病毒程序,备份程序,文件压缩程序,卸载程序,图形图像处理软件,其它应用软件,16,第二节 微机的工作原理,17,一、工作原理,微型计算机是采用“程序存储控制”的原理工作的。这一原理是冯.诺依曼1946年提出的，它构成了计算机系统的结构框架。因此，计算机体系结构又称为冯.诺依曼结构。 世界：1946年世界上第一台电子计算机在美国宾西法尼

8、亚大学诞生,取名为埃尼阿克ENIAC，这台计算机占地170平方米，重30吨，用了18000多个电子管，每秒能进行5000次加法运算。该机用于美国陆军部的弹道研究实验室。世界上第一台由冯.诺依曼设计具有存储程序功能的计算机叫“爱达法克” EDVAC，但是世界上第一台实现存储程序式的电子计算机是EDSAC。,18,冯诺依曼体系结构计算机的工作过程或原理,如果让计算机完成一个任务，必须将此任务用高级语言（例如：JAVA，PASCAL，C等）编写成程序； 然后将高级语言程序转化成功能等价的机器语言指令构成的程序； 将机器语言指令构成的程序装入到内存中。 CPU在执行内存中的程序时，一条指令一条指令的执

9、行。,19,内存存储示意图,第0个存储单元,第11个存储单元,20,每个存储单元存放一个字节的数据，此内存共有12个存储单元，它的容量为12B。 存储单元从0H开始编号，第0个存储单元的内容为8CH，EAH数据所在的存储单元地址为02H。 内存可读也可写。例如：CPU从地址总线发出的地址信息为02H，从控制总线发出读命令，则从内存读出的数据为？ EAH; CPU从地址总线发出的地址信息为02H，DR寄存器的内容为45H，从控制总线发出写命令，则内存的02H存储单元的内容为？ 45H 问题，如果一个存储器的容量为2MB，说明此存储器共有多少个存储单元？存储单元的地址范围是？,21,一个存储单元的

10、内容为1B，现在存储器的容量为2MB，因此有2M221个存储单元. 存储单元的地址范围为： 从第0个存储单元开始到第2211个存储单元。 0 对应的二进制数： 0 0000 0000 0000 0000 0000 B0H 2211对应的二进制数： 1 1111 1111 1111 1111 1111B1FFFFFH 因此存储单元的地址范围为： 0H1FFFFFH。,22,22,计算机基本工作原理（考虑最简单的顺序执行的过程）,一条指令的执行过程分为以下4个步骤： 取指令： 按照指令计数器中的地址，从内存储器中取出指令，并送往指令寄存器。指令计数器加1 分析指令： 对指令寄存器中存放的指令进行分

11、析，由译码器对操作码进行译码，将指令的操作码转换成相应的控制电位信号；由地址码确定操作数地址。 执行指令 ：由操作控制线路发出完成该操作所需要的一系列控制信息，去完成该指令所要求的操作。 一条指令执行完成，然后回到，顺序执行下一条指令,23,计算机工作过程示例：完成下面的工作：710，并将运算结果写入到第20H个存储单元中去。首先，将此任务编写成程序的形式，然后将此程序装入到内存中。,机器语言指令 汇编语言指令 B0 07H MOV AL,07 其中 B0是操作码，07H是操作数 此条指令的功能：由操作码B0产生（ 将7写入AL寄存器这个操作所需要的）所有控制信号 04 0AH ADD AL,

12、10 AL寄存器的当前内容与10做加法，并将结果写回到AL中。 A2 20H MOV 20H,AL 将AL寄存器的内容写到第20H个存储单元中去。,24,25,第三节 微机的特点、 应用及发展方向,26,微机特点,运算速度快（每秒几兆条指令到几千兆条指令或每秒几十亿次运算。） 处理能力强（如各种管理、计算、决策） 能连续不间断地工作（多任务、高效、高质量） 能干几乎所有的工作,27,应用,各行各业，无所不用 科技、生产、学习、日常生活等各个方面,28,发展方向,性能：运行速度不断提高，处理器字长不断增加（摩尔定律指出，每18个月计算机的运算速度就大体提高一倍，而价格则大约降低一半） 功能：支持

13、多媒体技术，并与网络技术全面结合 体系结构：向多处理器和网络化过渡；向以通信为中心的体系结构发展；由冯.诺依曼体系结构向数据流结构发展 可用性：从面向过程的机制向面向对象的机制转变，向智能化方向发展 制造工艺：向超高集成度发展，制造光集成芯片、生物芯片，设计超导、量子、生物、光计算机,29,第四节 计算机运算基础,30,一、进位计数制,计算机中全部信息（包括指令和数据）都是采用二进制数； 为了书写方便，又经常采用十六进制。 而人们在日常生活中又广泛采用十进制。 因此需要进行相应的数值转换，二进、十六进、十进制都是进位计数制。,31,二、数制转换,几种不同的进制数的基本符号,32,32,1.4.

14、1进位计数制,N=an-1rn-1an-2rn-2a0r0a-1r-1a-mr-m,r进制数N可表示 为: (可按此公式转换成10进制数）,R进制数用 r个基本符号（例如0，1，2，r-1）表示数值,基数,权,数码,678.34=6102+7101+8100 +310-1+410-2,33,思考题,16进制数1B3.45对应的10进制数为？ 8进制数127.2对应的10进制数为？ (1B3.45)16 1B3.45H 表示此数是16进制数 （127.2）8 127.2O 127.2Q 表示此数是8进制数 （1234.56）10 1234.56D1234.56 表示此数是十进制数，其中十进制数的

15、下标和后缀可以省略 1B3.45H=1*162+B*161+3*160+4*16-1+5*16-2 =256+ 11*16+3+4*16-1+5*16-2 127.2O=1*82+2*81+7*80+2*8-1,34,34,1.4.2 不同进位计数制间的转换,1. r 进制转化成十进制 r 进制转化成十进制：数码乘以各自的权的累加 例： 10101B=24+22+1=21 101.11B=22+1+2-1+2-2=5.75 101O=82+1=65 71Q=78+1=5 101AH=163+16+104106,进制表示符号 B 二进制 O（Q）八进制 D十进制 H十六进制 T 三进制,35,2

16、. 十进制转化成 r 进制 整数部分：除以 r取余数，直到商为0，余数从右到左排列。 小数部分：乘以 r取整数，整数从左到右排列。（直到乘积为0或达到要求的小数位数即可）,例 100.345(D)=1100100.01011(B),100(D)=144(O)=64(H),100(D)=144(O)=64(H)=1100100(B),100,2,50,2,25,2,12,2,6,2,3,2,1,0,0,0,1,0,0,1,0.345,2,0.690,2,1.380,2,0.760,2,1.520,2,100,8,12,8,1,8,0,4,4,1,100,16,6,0,4,6,16,1,1.04,

17、最高位,最低位,36,36,3. 二进制、八进制、十六进制数间的相互转换,一位八进制数对应三位二进制数 一位十六进制数对应四位二进制数 二进制转化成八(十六)进制) 整数部分：从右向左按三(四)位进行分组 小数部分：从左向右按三(四)位进行分组 不足部分补零 例如： 将下列二进制数转换成8进制数和16进制数 1101101110.110101,37,001 101 101 110.110 101(B)= 1556.65(O) 1 5 5 6 6 5 0011 0110 1110.1101 0100(B)=36F.D4(H) 3 6 F D 4 作业： （下周交） 1 将167.896转换成相应

18、的16进制数和8进制数，小数点位数保留四位。 2 14AH，47Q，164.82对应的二进制数为？小数点位数保留四位 3 1101111010011.1010111（B）对应的8进制数和16进制数为？ 4 计算下列各数的原码，反码和补码 127，127，128，100，100,38,三、无符号数的表示与运算,无符号数（纯数值）： 只表示数值的大小，不涉 及数的正负号 符号数： 既表示数的大小，又要表示数的正负 计算机中的二进制数可以分为符号数和无符号数，它们的表示与运算是不同的。,39,三、无符号数的表示与运算（续）,加法运算 （若运算器为8位） 例1. 计算 78H+87H=FFH 例2.

19、计算 78H+98H=10H 78H 78H + 87H + 98H FFH 10H 说明： 因为是8位运算器，例2的结果就溢出了，原因是结果只能存放8位数。为了表示最高位的进位，计算机中可用一个进位标志CF（Carry Flag）=1来表示（若把CF=1考虑在内，结果为110H，这样结果就正确了）。,40,三、无符号数的表示与运算（续）,减法运算 （若运算器为8位） 例1. 计算 78H - 87H=FFH 例2. 计算 A8H - 98H=10H 78H A8H - 87H - 98H F1H 10H 说明： 因为是8位运算器，例1的结果就是错误的了，原因是高位有借位。为了表示最高位的借位

20、，计算机中可用一个借位标志BW（Borrow Flag）=1来表示（通常计算机中把CF与BW用同一标志来指示）。,41,四、符号数的表示与运算,计算机中的符号数也是用二进制数表示和运算的。数值与符号都是用二进制数表示。 一般规定，0表示正号，1表示负号，约定在数的最高位表示符号位。 符号数通常有三种机器码表示法。即原码、反码和补码。,42,四、符号数的表示与运算（续）,原码表示 （1）定义 x原=,X (X = 0) 2N-1X (X = 0),表示范围: (2N-1+1）（+2N-11） N是要表示十进制数的二进制数的位数 4位二进制原码表示的整数范围为：7+7 8位二进制原码表示的整数范围

21、为：127+127,（2）举例 用八位二进数写出X= +32 和Y= 32 的原码表示如下 X原=0 010 0000B =20H Y原=1 010 0000B=A0H,符号位,数值,符号位,数值,43,32原320 010 0000B -32原281+32128+321601 010 0000B 规则：用最高位0表示正数；最高位为1表示负数。用剩余的7位二进制数表示数的真值。 例如：32的原码： 0 010 0000 最高位 十进制数32对应的二进制数 +32原0 010 0000 32的原码： 1 010 0000 最高位 十进制数32对应的二进制数 32原1 010 0000,44,四、

22、符号数的表示与运算（续）,（3）0 的原码有两种表示 + 0原= 0000 0000B 0原= 1000 0000B 原码表示简单直观，但运算时符号位与数值位要区别对待，不宜作加减运算。,45,四、符号数的表示与运算（续）,反码表示与运算 （1）定义 X反=,X (X=0) (2N1) +X (X=0),（2）举例 ： 用八位二进制数写出X=+32与Y= 32的反码表示 X反=0 010 0000B （正数的反码是其自身） Y反=（281）32255322231 101 1111B,46,反码： 正数的反码和原码相同； 负数的反码和它的原码符号位相同，数值位取反（二进数0变为1，1变为0）。

23、+32反 +32原0 010 0000B -32反？ -32原 1 010 0000 B 按照所讲解的规律： -32反 1 101 1111 B,47,四、符号数的表示与运算（续）,（3）0 的反码有两种表示 + 0反 = 0 000 0000B 0反 = 1 111 1111B N位反码可表示的整数范围为：（2N-11）（2N-11） 8位二进制反码表示范围：127 +127 （4）反码运算规则 X+Y反=X反+Y反+循环进位 XY反=X反+ Y反+循环进位 例1. 已知：33的反码为21H，32的反码为DFH，计算 【33-32】反=？ 33的反码为 (0010 0001B=21H ) -

24、32的反码为（对1 010 0000B的数值位取反=1101 1111=DFH ) 2 1 H 0 0 + .D.FH + 1 （循环进位）,0 0,0 1,48,四、符号数的表示与运算（续）,验证：33321 1的反码0000 0001B01H，公式成立。 反码宜作加、减运算，但一次加法要通过两次加法运算来完成，降低了计算机的运算速度。 计算机中常用补码表示符号数。 补码表示与运算 （1）定义 X补 =,X （X=0） 2N +X （X=0）,N是要表示十进制数的二进制数的位数,49,四、符号数的表示与运算（续）,（2）举例 用八位二进制数写出X=+32和Y= 32的补码表示 X补= 0 0

25、10 0000B Y补= 2832256322241 110 0000B 补码： 正数的补码和反码形式相同 负数的补码和它的原码符号位相同，数值位取反加1。 +32补+32原0 010 0000B -32补？ -32原1 010 0000B 按照所讲解的规律： -32补 1 110 0000B,50,（3）0 的补码只有一种表示 +0补= 0000 0000B 0补 =1 111 1111+1 =1(扔掉) 0000 0000 0000 0000B N位二进制补码表示的整数范围为：-2N 2N-1-1 N=8时，表示范围：-128 +127,51,1 （）的补码，原码和反码形式是相同的? A

26、正数；B 正数和0; C 所有的数 2 -128补？ 首先，00； +0原0 0000000 -0原1 0000000 +0反+0补0 0000000 -0反1 1111111 -0补0 0000000 补码的最一般形式： x补 x ,x=0; 2n x, X0. （如果用8位二进制数表示十进制的正负数，则n=8） -128补2812828-27=27=1 000 0000B,52,四、符号数的表示与运算（续）,（4）补码的运算规则 X+Y补=X补+ Y补 XY补=X补+ Y补 用补码可以很方便的进行符号数的加减运算 例1 若X补=65补41H， Y补-66补BEH，计算X+Y补=? X补=

27、0100 0001B Y补=100H-42H=BEH= 1011 1110 B 41H (+65) + BEH (-66) FFH (-1),53,四、符号数的表示与运算（续）,用补码进行加减运算比反码省去了循环进位的修正运算，所以运算速度提高了。 一般计算机中的符号数，均指用补码表示的数。 利用补码，连同符号位一起，按无符号数进行加减，简化了运算器的设计。在计算机中，减法运算是通过求负数的补码，而进行加法运算。,54,4、符号数运算溢出的判别方法,若运算结果超出了结果单元所能表达的范围就产生溢出。 加减运算产生的溢出无法从结果中看出，必须用专门的信息位来表示。在CPU中，称为Flag寄存器，

28、由于这些标志决定了程序分支的条件，也称为条件码（CC: Condition Code）。 CPU 常设的标志有： C （Carry) 进位标志，运算结果的最高位产生进位或借位。 S或N（Sign或Negative）符号标志，反映运算结果的符号位。 O或V（OVerflow）溢出标志，反映符号数运算结果是否产生溢出。 Z（Zero）零标志，反映运算结果是否为0。 C与O是两个不同性质的标志，前者反映运算结果有无进（借）位，后者反映运算结果有无溢出。,55,补充,溢出： 只有两个同符号数相加的情况下，才可能产生溢出； 和的符号与被加数 或加数的符号相反，表明运算结果溢出. 进位： 对于作加法运算时

29、，CF位是根据最高有效位(即是最高位,不论是否将它看为符号位）是否向高位的进位来设置的。符号位在运算过程中要参加运算。对加法，有进位CF=1; 无进位CF=0。 SF标志位：如果数据的最高位为1，则SF=1; 如果数据的最高位为0，则SF=0; ZF标志位：如果数据为0，则ZF=1;否则为0。,56,补充,例：(-126)+(-3)=? -126补 82H -3补 0FDH （前面加0，以示与机器指令区别） 82H1000 0010 B 0FDH1111 1101B 10111 1111B 则SF0，CF1，OF1，ZF0；,57,其中CF，OF由运算过程设定； ZF，SF由运算结果设定。 例

30、如：运算结果为1 010 0010，则 SF1，ZF0； 思考，运算结果为0 000 0000，则SF=？ZF？ SF0，ZF1；,58,四、符号数的表示与运算（续）,下列几种情况，符号数运算时会产生溢出 正+正=负 （正溢出） 结果应该为正数，但是运算结束后最高位（符号位为1） 负+负=正 （负溢出） 正负=负 （正溢出） 负正=正 （负溢出）结果应该为负数，但是运算结束后最高位（符号位为0） 值得指出的是：计算机在进行运算时，对参与运算的数并不知道是无符号数或带符号数，所以它在运算后对4个标志都会置位，只有程序员知道参与运算的数是符号数或无符号数。 在计算机中，OF置位是根据次高位和最高位

31、的进位的异或判别的。即 OF=C7 C6,59,四、符号数的表示与运算（续）,运算举例 （X，Y已经是一个数的补码，现在进行补码加法运算，对标志位的影响） 例1 X=FEH， Y=FFH， 求X+Y=?并判断标志位。 FEH CF=1 (有进位） + . F.FH SF=1 （为负数） OF=0 （没溢出）（有进位不一定有溢出） FDH ZF=0 （结果不为0） 例2 X=70H， Y=50H， 求X+Y=? 并判断标志位。 70H CF=0 (无进位） + 50H SF=1 （为负数） OF=1 （有溢出）（有溢出不一定有进位） C0H ZF=0 （结果不为0）,60,运算举例（续） 例3

32、X=30H， Y=40H， 求X+Y=?并判断标志位。 30H CF=0 (无进位） + 40H SF=0 （为正数） OF=0 （没溢出）（即无进位又无溢出） 70H ZF=0 （结果不为0） 例4 X=80H， Y=80H， 求X+Y=? 并判断标志位。 80H CF=1 (有进位） + .80H SF=0 （为正数） OF=1 （有溢出）（即有溢出又有进位） 00H ZF=1 （结果为0） 要搞清楚CF与OF的区别。,四、符号数的表示与运算（续）,61,五、十进制数的二进制表示与运算,表示方法BCD码（Binary Coded Decimal） 要表示一位十进制数，至少要用4位二进制数，

33、常用下面两种表示方法： 压缩的（组合的）BCD码：一个字节表示两位BCD码。 非压缩（非组合）的BCD码：一个字节表示一位BCD码， 高 4位为0。 运算方法 由于BCD码需10种4位二进制编码 00001001，还有6种码10101111是非法编码。若出现非法编码，所得的结果就要 修正。计算机内十进制数（BCD码）运算仍采用二进制加法 器来实现。,62,十进制数21的 压缩BCD码是： 21H； 十进制数21的非压缩BCD码是： 0201H； 0304H是十进制数 （） 的 压缩BCD码？ 0304304； 0304H是十进制数 （） 的非压缩BCD码？ 34；,63,五、十进制数的二进制表

34、示与运算（续）,BCD码运算（加法） 例1 若X、Y为十进制数，X=38，Y=57，用压缩BCD形式计算X+Y=? 3 8H （BCD码中没有字母，结果中的 F (1111) 为非法码， + 57 H 应在该位加6修正，以强迫其进位。）,8 F + 0.6 9 5H,例2 若X=28， Y=79，计算X+Y=? 2 8H + 7.9H A 1 因为低4位有进位（AF=1） + 6 6 高4位A9，所以+66 10 7H,64,五、十进制数的二进制表示与运算（续）,BCD码运算（减法） 例3 若X、Y为十进制数，X=75，Y=26，用压缩BCD形式计算X-Y=? 75 H （BCD码中没有字母，

35、结果中的 F (1111) 为非法码， - 2 6 H 应在该位 - 6修正，使借高位的数得到修正。）,例4 X=30，Y=42，计算X-Y=? 30H - 4 2H E E 因为低4位有借位（AF=1） - 6 6 高4位也有借位（CF=1） 8 8 H 所以 66修正,4 F - 0 6 4 9H,65,五、十进制数的二进制表示与运算（续）,BCD码加法修正原则是： 若运算结果低位大于9或AF（半进位）=1，则结果+06； 若运算结果高位大于9或CF（进位）=1，则结果+60; 若 都满足时，则结果+66。 BCD码减法修正原则是： 若运算结果低位大于9或AF（半借位）=1，则结果-06； 若运算结果高位大于9或CF（借位）=1，则结果-60; 若 都满足时，则结果-66。 说明：微机的CPU中都有专门的十进制运算调整部件DAA ，