微机原理-清华大学出版社-冯博琴第1章.ppt

1,微机原理与应用,主讲：赵玲峰Telmail：lingfeng091123,2,课程目标,熟悉微型计算机的组成和工作原理了解微处理器的内部结构及外部引脚功能掌握计算机指令的寻址方式和指令系统熟悉存储器的分类和信息存储原理掌握存储器扩展技术熟悉常用的输入输出技术掌握微型计算机接口设计方法,3,教材及实验指导书,教材：微机原理与接口技术（第2版）.冯博琴，吴宁主编.清华大学出版社实验指导书微机原理与接口技术题解及实验指导（第2版）.吴宁，陈文革编.清华大学出版社,4,第1章绪论,1.1概述计算机诞生背景：第二次世界大战计算机诞生时间：1946年2月15日第一台计算机的名字：ENIACElectronicNumericalIntegratorComputer（电子数字积分计算机）,5,ENIAC描述,18000多个电子管1500个继电器10000只电容和7000个电阻重量30吨占地面积170平米耗电150千瓦运算速度每秒5万次当时价值48万美元,6,按性能、价格、体积的不同,计算机分为六大类：巨型机大型机中型机小型机微型机单片机,7,计算机发展年代划分依据,第一台电子计算机的诞生揭开了现代计算机发展历史的序幕。半个多世纪以来，计算机技术以“万马奔腾”之势，一日千里，迅猛发展。计算机发展的年代划分依据其硬件特征和软件特征。硬件特征：指电子计算机采用的物理器件。软件特征：指计算机使用的软件环境。,8,计算机已发展了四代,第一代：电子管计算机时代第二代：晶体管计算机时代第三代：集成电路计算机时代第四代：大规模集成电路计算机时代(程序的存储和顺序执行-冯.诺伊曼结构),9,计算机走向新时代,计算机的发展方向：第五代：“非冯.诺伊曼”计算机时代第六代：神经计算机时代光计算机时代生物计算机时代,10,微型计算机的诞生,微型计算机诞生于20世纪70年代特点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格便宜、使用方便、软件丰富核心：微处理器（CPU）每出现一个新的微处理器，就会产生新一代的微型计算机,11,微型计算机发展大致分为五代,第一代：4位机发展和8位机萌芽阶段从1971年到1973年代表产品：Intel4004和MCS-4微型机Intel8008和MCS-8微型机字长：4位或8位特点：指令系统比较简单、运算功能较差、价格低廉应用：面向家电、计算器和二次仪表,12,微型计算机发展大致分为五代,第二代：8位机发展阶段从1973年到1977年代表产品：Intel8080/8085、MC6800、Z80字长：8位特点：指令系统比较完善，运算速度提高一个数量级，寻址能力有所增强应用：面向家电、智能仪表、工业控制,13,微型计算机发展大致分为五代,第三代：16位机发展阶段从1978年到1985年代表产品：Intel8086/8088、80186、80286、MC68000、Z8000字长：16位特点：指令系统非常丰富，采用多级中断，多种寻址方式，段式存储结构，配有功能强大的系统软件应用：工业控制,14,微型计算机发展大致分为五代,第四代：32位机发展阶段从1985年到1992年代表产品：Intel80386、80486、字长：32位特点：内存容量已达到1MB以上，硬盘技术不断提高，发展了32位的总线结构，这些微型机在性能上已赶上传统的超小型机，可执行多任务、多用户操作。应用：办公自动化、网络环境,15,微型计算机发展大致分为五代,第五代：64位机发展阶段从1992年到2002代表产品：IntelPentium、Itanium字长：64位特点：外部数据线64位字长，32位以上地址总线，增加了虚拟现实等多媒体能力和通信上的应用。应用：办公自动化、网络服务器,16,Intel主要CPU芯片,17,1.2计算机中的数制,计数制：一种计数的方法，用不同的代码来表示任意数计算机使用二进制数（B）为方便二进制数的记忆，使用十六进制数（H）为与人们良好的沟通，采用十进制数（D）,18,十进制数的特点,代码个数：具有10个不同的代码，分别是0，1，2，3，4，5，6，7，8，9进位规则：逢10进1权：以10为底的幂（“权”是一种位置系数）权值表达式：,19,举例,例：十进制数6543.82可以写成：,20,二进制数的特点,代码个数：具有2个不同的代码，分别是0，1进位规则：逢2进1权：以2为底的幂权值表达式：,21,举例,例：,22,十六进制数的特点,代码个数：具有16个不同的代码，分别是0，1，9，A，B，C，D，E，F进位规则：逢16进1权：以16为底的幂权值表达式：,23,十进制、二进制、十六进制的对应关系,24,举例,例：十六进制数2AE.4H可表示为：,其他：,25,书写方法,234.98D或（234.98）D或（234.98）101101.11B或（1101.11）B或（1101.11）2ABCD.BFH或（ABCD.BF）H或（ABCD.BF）16,26,各种进制数间的转换,非十进制数到十进制数的转换十进制到非十进制数的转换二进制与十六进制数之间的转换,27,非十进制数到十进制数的转换,按相应的权值表达式展开例：1011.11B=123+022+121+120+12-1+12-2=8+2+1+0.5+0.25=11.755B.8H=5161+11160+816-1=80+11+0.5=91.5,28,十进制到非十进制数的转换,十进制到二进制的转换：对整数：除2取余；对小数：乘2取整。,29,举例,例：将112.25转换成二进制数。整数部分（除2取余）：112/2=56余数0B0（低位）56/2=28余数0B128/2=14余数0B214/2=7余数0B37/2=3余数1B43/2=1余数1B51/2=0余数1B6（高位）,30,小数部分（乘2取整）：0.252=0.5整数=0（高位）0.52=1整数=1所以：（112.25）10=（01110000.01）2,31,十进制到十六进制的转换：对整数：除16取余；对小数：乘16取整。注：也可以将十进制数先转换成二进制，然后再将二进制数转换成十六进制数。,32,举例,33,二进制与十六进制间的转换,用4位二进制数表示1位十六进制数，从小数点开始向左每四位一组，最后不足四位的前面补0，向右每四位一组，最后不足四位的后边补0。例：25.5=11001.1B=19.8H11001010.0110101B=CA.6AH,34,十六进制到二进制的转换,只要将十六进制数用二进制方法表示即可例：（DE.B）16=（11011110.1011）2（A3.9）16=（10100011.1001）2,35,算术运算逻辑运算,无符号数有符号数,二进制数的运算,1.3无符号二进制数的算术运算和逻辑运算,36,1.3无符号二进制数的算术运算和逻辑运算,无符号二进制数值范围：一个n位的无符号二进制数X，其数值范围为：0X2n1例如：n=8，则X=2n1=255溢出：运算结果超出这个范围，则产生溢出对无符号数：运算时，当最高位向更高位有进位（或借位）时则产生溢出。,37,1.3无符号二进制数的算术运算和逻辑运算,算术运算：加法：0+0=00+1=11+0=11+1=0（有进位）减法：0-0=00-1=1（有借位）1-0=11-1=0乘法：00=001=010=011=1除法：乘法的逆运算，可用减法和右移运算实现,38,例：,最高位向前有进位，产生溢出,39,1.3无符号二进制数的算术运算和逻辑运算,逻辑运算：“与”：000010100111（有0则0）“或”：000011101111（有1则1）“非”：“异或”：（相同为0，不同为1）,40,1.4有符号二进制数的表示及运算,计算机中的数是用二进制表示的，数的符号也是用二进制表示的。通常一个数的最高位为符号位，为0表示正数，为1表示负数。若字长为8位的计算机，则D7为符号位，D6D0为数值位。,41,【例】X=65在机器中表示为：X=01000001B,这种符号数码化的数称为机器数。机器数所代表的实际数值称为真值，如+1000001。机器数可以用不同的码制来表示，常用的有原码、反码、补码表示法，计算机中通常用补码表示。,42,原码,正数的符号位用“0”表示，负数的符号位用“1”表示。例：X1010011X原01010011X1010011X原11010011,43,原码,对于8位二进制原码：0有两种表示形式0原=00000000正零0原=10000000负零当n=8时，原码表示的范围：127127原码表示简单易懂，易于形成。但是，两个异号数相加或两个同号数相减，就要做减法操作,n位原码可表示的数X的范围是：2n-1+1X2n-1-1,44,反码,正数的反码表示与原码相同，最高位为符号位，用“0”表示，其余位为数值位例：4反00000100负数的反码，表示为该正数的反码按位取反（包括符号位），或原码符号位不变，数值位取反。例：4反000001004反11111011,45,反码,对于8位二进制反码：0有两种表示形式0反=00000000正零0反=11111111负零所能表示的数值范围是127127127反=01111111127反=10000000,46,补码,正数的补码表示与原码相同，最高位为符号位，用“0”表示，其余位为数值位例：4补000001004原4反负数的补码等于其对应的反码加1（在最低位加1），即：符号位不变，数值位取反后加1。例：4补4反111111011111111100,47,补码,对于8位二进制补码：0的表示是唯一的0补=0补00000000所能表示的数值范围是：2n-1X2n-11若n=8，则8位二进制补码所能表示的数值范围为128127。,48,补码与真值的转换,对于一个用补码表示的负数，如果将X补再求一次补，即将X补除符号位外取反并在最末位加1就可得到X原，即为该数的真值。用下式表示为：X补补=X原例：,-15补补=10001111补补=11110001补=10001111=-15原,49,二进制数码无符号数原码反码补码000000000+0+0+0000000011+1+1+1000000102+2+2+2:01111111126+126+126+12601111111127+127+127+12710000000128-0-127-12810000001129-1-126-12710000010130-2-125-126:11111110254-126-1-211111111255-127-0-1,50,补码的加减运算,(1)补码的加法运算规则是：XY补=X补Y补该式表明，当有符号的两个数采用补码形式表示时，进行加法运算可以把符号位和数值位一起进行运算（若符号位有进位，则丢掉），结果为两数之和的补码形式。,51,例：用补码进行下列运算：（33）（15）；（33）（15）,解:,52,Y补是对减数进行求负操作。一般称已知Y补求得Y补的过程叫变补或求负。,53,变补运算（NEG）已知+X补，求-X补规则：全部位（含符号位）按位取反后再加1，,例如：已知+15补=00001111B则-15补=11110000B+1=11110001B或：0-+15补=0-10001111B=11110001B,54,解:若X=33，Y=15X补=00100001BY补=00001111BY补=11110001B00100001BX补+11110001BY补自然丢失100010010B18补,例：用补码进行XY运算,55,补充：补码的定义,补码是根据同余的概念得出来的：Z=nk+Y（modK）K为模，n为任意整数，即在模的意义下，数Z与Y互补。若n=1,K=2n，则有：Z=2n+Y（modK）,56,练习,例：已知X=+0110100，Y=-0110100，根据定义求X补和Y补解：Y补=28+(-0110100)=100000000+(-0110100)=11001100,57,补码的作用1、引入补码后，将减法运算转化为易于实现的加法运算，且符号位也当作数据相加，从而可简化运算器的结构，提高运算速度。因此，在微型计算机中，有符号数通常都用补码表示，得到的是补码表示的结果。2、当字长由8位扩展到16位时，对于用补码表示的数，正数的符号扩展应该在前面补0，而负数的符号扩展应该在前面补1。例如，机器字长为8位，46补=00101110B，46=11010010B，从8位扩展到16位46补=0000000000101110B=002EH46补=1111111111010010B=FFD2H,58,有符号数运算时的溢出问题,当两个有符号数进行加减运算时，如果运算结果超出可表示的有符号数的范围时，就会发生溢出，使计算结果出错。显然，只有两个同符号数相加或两个异号数相减时，才会产生溢出。,例：设机器字长为8位，以下运算都会发生溢出(88)(65)=153127(88)(65)=153127(83)(80)=163128,59,（2）带符号数的溢出OF=1（溢出）OF=CYD7CYD6（MOD28）或OF=CYD15CYD14（MOD216）,60,CYD6=1,CYD7=1,进位或借位,本位,61,1.5二进制编码,二进制编码的十进制数（BCD编码）用二进制编码表示的十进制数称为二-十进制码，简称BCD码（BinaryCodedDecimal）BCD码是十进制数，但用二进制数来表示BCD有多种表示方法，最常用的8421码8421BCD码每一位用四位二进制数表示,62,8421BCD码的编码方案,63,例：十进制数和BCD码相互转换。将十进制数86.5转换为BCD码：86.5=（10000110.0101）BCD将BCD码10010111.0100转换为十进制数：（10010111.0100）BCD=97.4,在IBMPC机中，根据在存储器中的不同存放格式，BCD码又分为压缩型BCD码：一个字节中存放两个十进制数码非压缩型BCD码：每个字节只存放一个十进制数,64,例：将十进制数8762用压缩型BCD码表示，则为：1000011101100010在存储器中的存放格式为：,高,低,65,非压缩型BCD码：00001000，00000111，00000110，00000010在存储器中的存放格式为：,高,低,66,ASCII字符编码,计算机既要处理数值数据，还要处理字母、数字和符号（简称字符），而计算机内部只能识别二进制代码，所以必须将字符进行编码目前微型计算机普遍采用的是美国国家信息交换标准字符码ASCII码（Amer