计算机原理讲义.ppt

1、2020/10/12,自动化系 计算机原理与应用,1,教材,微型计算机系统原理及应用(第2版) 2004杨素行 等 编著 清华大学出版社 内容共分为6章 计算机原理及应用习题实验 清华大学自动化系，2006，2007，2008年2月版,2020/10/12,自动化系 计算机原理与应用,2,课程简介,1.内容： 计算机基本原理及系统构成 指令系统， 汇编语言程序设计，系统功能调用， 通用可编程接口电路及应用。 2.特点： 硬件和软件知识相结合、 多动手做题、做实验,2020/10/12,自动化系 计算机原理与应用,3,第一章 微型计算机基础,数字电子计算机的发展与分代 按器件分代： 电子管计算机

2、（1946-1956） 晶体管计算机（1957-1964） 中小规模集成电路计算机（1965-1970） 超大规模集成电路计算机（1971-,2020/10/12,自动化系 计算机原理与应用,4,世上第一台电子计算机,名称：电子数字积分器及计算器 (Electronic Numerical Integrator Calculator, ENIAC) 时间：1946年 用途：弹道设计 制造者：美国宾夕法尼亚大学 运算速度：每秒5,000次加法运算 其它：使用了18,800个电子管和1,500个继电器， 占地150平米，重30,000kg，造价超$1,000,000,2020/10/12,自动化系

3、 计算机原理与应用,5,微型计算机,. 微型计算机 是第四代计算机的典型代表。它的特点是将中央处理器、主存储器和输入输出接口集中在一小块硅片上。 按字长分代：位、位、 位、位、位,2020/10/12,自动化系 计算机原理与应用,6,1.2 数制及编码,基：数制所使用的数码的个数 权：数制每一位所具有的值 一 无符号数 1、无符号数的表示 1）十进制D: 数符，10 n位权 （基为“10”，权为以10为底的幂） 2）二进制B: 、数符，n位权 3）十六进制H：，A、B、C、D、 E、F数符，n位权,2020/10/12,自动化系 计算机原理与应用,7,2 ，数制转换,（1）二进制十进制：按n幂

4、展开求和 3 2 1 0 .-1 -2 -3 -4 Ex. 101011.101B =32+0+8+0+2+1+0.5+0.25+0.125 =43.625D,2020/10/12,自动化系 计算机原理与应用,8,(2)十进制二进制： 整数和小数方法不同 整数：连续除以，取余数，先 得低位，后得高位，直至商零为止 例：13D1101B 小数：连续乘以，取向整数的进位，先得高位，后得低位，直至足够位数即可：例 0.625D=0.101B 整数带小数时分别转换,然后合并结果,2020/10/12,自动化系 计算机原理与应用,9,（3）二进制十六进制： 每位二进制一段，对应位十六进制。 例：0101

5、1010B5AH 十六进制是二进制的缩写形式 (简化书写、便于记忆）,2020/10/12,自动化系 计算机原理与应用,10,(两个)多位二进制数的算术运算,位(bit)：一个二进制位，是计算机中信息 表示的最小单位 而多位二进制数的算术运算则是从低位 往高位顺序计算，考虑进位（二进制）。 1+1=0(进位1)；0-1=1(有借位) 字节（Byte）：8个二进制位， 一个存储器单元的容量 DDDDDDDD 字（Word）2B16b 双字（DW）4B32b,2020/10/12,自动化系 计算机原理与应用,11,4 ，多位二进制数的逻辑运算,拆开成一位对一位运算，没有进位。 与运算(AND)：1

6、1=1，0 x=0 例 AB BB ABB 该例运算结果描述： 保留A中DD位，其余位清零,2020/10/12,自动化系 计算机原理与应用,12,或运算及非运算,或运算（OR)： 00=0，1x=1 例 AB BB ABB 该例运算结果描述： 保证A中D1D0位为，其余位不变。 非(NOT)： 0 B 运算结果描述：A中各位取反,2020/10/12,自动化系 计算机原理与应用,13,异或运算(XOR),1 1=0，0 0=0，1 0=1，0 1=1 例： AB BB A BB 该例运算结果描述： A中D1D0取反，其余位不变。 故当B=11111111B， AB的运算结果为对A各位取反，也

7、与11111111(=28-1)-A的算术运算结果同,2020/10/12,自动化系 计算机原理与应用,14,二 .带符号二进制数,（一）带符号二进制数的表示方法 、原码：最高位表示正负， 后续位表示数值（以位为例） D7D6D5D4D3D2D1D0 符号位：正为0， 负为1 数值部分：原数绝对值的二进制形式。 Ex. 4位带符号二进制数的 +2=0010B，-3=1011B 优点：直观 缺点：减法运算复杂,2020/10/12,自动化系 计算机原理与应用,15,简化减法运算的编码方式的探讨,对一位的十进制（基为10=M）数有： 3-4=3+(10-4)=9，3-2=3+(10-2)=1 故如

8、对负数编码为 M-|x|，即： 对 0(x0),1(x1),2(x3),.,9(x9)的10个状态资源编码为 0 x0(0)，1x1(1)， 2x2(2)，3x3(3)，4x4(4) -5x5(5)，-4x6(6)， -3x7(7), -2x8(8), -1x9(9) 则对操作数及结果均在可表示范围内（-54）时，总有：A-B=A+(M-B) (上例 9=-1),2020/10/12,自动化系 计算机原理与应用,16,2、补码：正数与原码相同，负数的补码为2n_|x|(即对其绝对值做求补运算）。 对于位二进制数n=8（即M=2n）,x表示原数。 计算机中带符号数默认用补码形式。 2n-1=11

9、1B，则2n-1-|x|为|x|的取反,2020/10/12,自动化系 计算机原理与应用,17,3、反码：正数与原码相同，负数的反码为2n-1-|x|， 对于位二进制数n=8,x表示原数。 从而有：负数的反码加1得该负数的补码 （一般都正确）,2020/10/12,自动化系 计算机原理与应用,18,正负数原,反,补码,例：位二进制带符号数 +2的原,反,补码是0010B -2的原码： 1010B -2的反码： 1101B -2的补码： 1110B 该三种编码的最高位均起到符号位的作用， 即当为0时得正数，为1时得负数。,2020/10/12,自动化系 计算机原理与应用,19,教材P9表1.1,

10、位二进制数值有256种形式， 用来表示无符号数时，数值为255。 当表示带符号数时，表的上面一半是正数，三种码相同；下面一半是负数，原、反、补码不同。原码和反码各有负零，补码没有负零，且多出-128。,2020/10/12,自动化系 计算机原理与应用,20,二）带符号数的形式转换,、原码反、补码： 按定义进行，先区分正负数， 正数不变，负数才变 、反、补码原码： 正数不变，负数才变 对负数反码求反，置符号位为。 Ex: 对-2，11010010(绝对值)1010 对负数补码求补(求反加1),置符号位为。 Ex: 对-2，111000010010(绝对值)1010,2020/10/12,自动化系

11、 计算机原理与应用,21,3、真值,真值：写符号的数值，常用十进制形式 （）原码求真值 先写符号，再将数值变十进制。 （）反、补码求真值 先变成原码，再求真值。 例：求补码11110111B的十进制真值： 先确定是负数，变为原码10001001B，再变成十进制 - 9D。,2020/10/12,自动化系 计算机原理与应用,22,（三）补码的运算,、补码相加减 补码的符号位和数值位一样运算 例:-3+5=2 -3-6=-9 11111101 11111101 +）00000101 -）00000110 00000010 11110111,2020/10/12,自动化系 计算机原理与应用,23,减

12、一个数等于加相反数的补码,例 3-2=1 3+（-2）补 0011 0011 -）0010 +）1110 0001 10001 进位 带符号数运算不关心最高位产生的进位，因此认为结果正确,2020/10/12,自动化系 计算机原理与应用,24,2、补码的溢出,（）溢出：补码运算结果超出当前表示范围造成的错误 例如位补码表示范围 128 +127 +126+2=+128 -127+(-2)=-129 01111110 10000001 +)00000010 +)11111110 10000000 01111111 读出负128 读出正127,2020/10/12,自动化系 计算机原理与应用,25

13、,（）判断溢出的方法,异号相加（同号相减）不可能溢出，其它情况下须判断是否溢出： 用十进制计算，检查结果是否超范围； 用二进制计算检查结果的符号位是否变反(因为同号相加不能变号) 用二进制计算检查进位： 溢出标志OFCYCY6 ；（最高进位异或次高进位）,2020/10/12,自动化系 计算机原理与应用,26,三编码,计算机内的二进制码除了直接表示数值，还可以表示其它信息 （一） 压缩BCD码和非压缩BCD码 （P12表1.2） 压缩BCD码也是4位二进制一段,这一点和十六进制类似,但是每段内只有十种编码,段与段之间是十进位. 非压缩BCD码以一字节（8位二进制）为一段，高4位总为0.,202

14、0/10/12,自动化系 计算机原理与应用,27,例. 对于压缩BCD码数的运算，20-1=19： (0010 0000)BCD - 1 = ( 0001 1001 ) BCD 对于十六进制数的运算，20H - 1=1FH （ 二）ASCII码 标准的ASCII码有5位和7位两种，IBM的8位ASCII码表见P409,附录1.1.,2020/10/12,自动化系 计算机原理与应用,28,（ 二）ASCII码,键盘输入的都是ASCII码, 十六进制数计算前应转变成其对应数值,例如: 0 =48=30H, 30H-30H=0 1 =49=31H, 31H-30=1 9 =57=39H, 39H-3

15、0H=9 以上规律可用于数字09的ASCII码转变成其对应数值。,2020/10/12,自动化系 计算机原理与应用,29,A =65=41H, 41H-37H=0AH F =70=46H, 46H-37H=0FH 以上规律可用于大写字母A-F的ASCII码转变成其对应数值。 a =97=61H, 61H-20H=41H=A 以上规律可用于小写字母a-f的ASCII码转变成其对应大写字母A-F,2020/10/12,自动化系 计算机原理与应用,30,几个常用控制符的ASCII码,换行符LF=0AH, 回车符CR=0DH, 空格符=20H,2020/10/12,自动化系 计算机原理与应用,31,一

16、、系统的组成（ P14图1.5） 硬件（主机+外部设备）、软件 1. 主机 微处理器(CPU) 逐条取指令、译码、发控制信号执行指令 存储器(内存) 以二进制储存指令和数据,字节为单位,用地址管理. 210B=1KB, 220B=1MB, 230 B=1GB,1.3微型计算机系统,2020/10/12,自动化系 计算机原理与应用,32, I/O接口,计算机通过接口和外部设备连接,2020/10/12,自动化系 计算机原理与应用,33,微型计算机系统硬件结构,2020/10/12,自动化系 计算机原理与应用,34,2.总线（BUS）,传输信号的公共导线。 总线的形成:各个三态器件输出接在一起。

17、总线上的信号:各器件分时输出逻辑信号 “0”/“1”。 AB：地址信号，例如某储存器字节的地址 DB：数据信号，例如CPU发送到总线上的数据 CB：控制信号，例如“写储存器”， 或“读I/O接口”,2020/10/12,自动化系 计算机原理与应用,35,冯.诺依曼(Johu Von Neumann) 存储程序型计算机模型,计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备及输出设备组成 数据和程序以二进制代码混合存放在存储器中，存放位置由地址指定 控制器用程序计数器（PC）的值,当地址取存储器中的一条指令代码执行,pc+1自动指向下一条指令指令。指令序列逐条的执行即程序的完成。 控制器是根据存放在存储器

18、中的程序来工作的。 即：计算机工作的过程是运行程序的过程，而程序必须预先存放在存储器中（存储程序的概念）。,2020/10/12,自动化系 计算机原理与应用,36,软件,系统软件 操作系统、诊断程序、计算机语言处理程序、等 应用软件 通用软件（如word等）、自己编写的应用软件、等,2020/10/12,自动化系 计算机原理与应用,37,1.4 微处理器,一.功能结构 P19图1.9,右边是总线接口单元BIU,通过芯片引脚从外部取指令排入指令队列,并根据指令执行在引脚上产生相应信号. 左边是执行单元EU,从指令队列中逐条取指令译码加以执行.算术逻辑单元的运算结果影响标志寄存器.,2020/10

19、/12,自动化系 计算机原理与应用,38,一. 寄存器结构,P20图1.10 CPU 面向程序的是各寄存器. 四个段寄存器 对计算机的内存进行分段管理,其内容各指明对应段的起始位置. 通用寄存器 供用户在程序中使用。其中4个16位的数据寄存器都可拆成8位分别使用。,2020/10/12,自动化系 计算机原理与应用,39,指针寄存器SP/BP用于堆段中寻址。 变址寄存器SI/DI用于数据段或附加段中寻址,16位的段内偏移地址分别存入以上4个寄存器之中. 指令指针IP也存放16位偏移地址,它指明代码段中下一条将被执行指令的地址.每执行一条指令时它会自动增量指向再下一条指令。,2020/10/12,自动化系 计算机原理与应用,40,标志,指令执行的结果会影响标寄存器中的特定位,后续指令将根据这些标志来做不同的执行 CF: 进位,存放加减运算时产生的进位. PF: 偶标志,逻辑运算结果中有偶