微机原理及应用(王钢)机械工业出版社.ppt

1、第一章 计算机基础知识,第一节 概述 第二节 计算机中的数和编码 第三节 微型计算机系统组成,第一节 概述,一 微型计算机的产生与发展,自1946年第一台电子计算机问世以来，计算机科学和技术的发展突飞猛进，已深入到人类生活的各个方面。半个世纪以来，伴随着电子管、晶体管、集成电路和超大规模集成电路的发展，计算机的发展可分为四代,第一代电子计算机时代。从1946年第一台计算机研制成功到50年代后期，其主要特点是采用电子管作为基本器件，使用机器语言。在这一时期，计算机主要为军事与国防尖端技术的需要而研制的,第三代集成电路计算机时代。从20世纪60年代中期稻0年代初期，计算机采用集成电路作为基本器件，

2、因此，功耗、体积、价格等进一步下降，而速度及可靠性相应地提高。开始出现操作系统软件，由于集成电路成本的迅速下降，使计算机的成本较低，因此计算机应用范围更加扩大，占领了许多数据处理的应用领域,第四代大规模集成电路计算机时代。从20世纪70年代至今，第四代计算机采用大规模或超大规模的集成电路。这种工艺可在硅半导体上集成几千、几万甚至几千万电子器件。计算机的体积、功耗和价格迅速降低，已经广泛普及到教育、企事业、科研、军事和家庭等各个领域,微型计算机广泛采用了大规模（LSI）和超大规模（VLSI）集成电路，除了具有一般计算机的运算速度快，计算精度高，记忆功能和逻辑判断力强，自动工作等常规功能外，还具有

3、独特的优点,微型计算机的特点,二 微型计算机的组成特点,1. 体积小、质量轻 功耗低 2. 可靠性高、使用环境条件要求低 3. 结构简单灵活、系统设计方便、适应性强 4. 性能价格比高,微型计算机的特点,第二节 计算机中的数和编码,计算机在传递信息时是以编码的形式进行的。常用的编码有数字编码，字符编码，汉字编码等,计算机中常用的进制 二进制数（Binary）：二进制数的特点有两个运算符号0和1，逢“二”进“一”。计算机中最常用的就是二进制数。记作“B”，如101011B。 十六进制数（Hexadcimal）：十六进制数的特点是有十六个运算符号0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A，B，C，

4、D，E，F。逢“十六”进“一”。记作“H”，如1A9H。 十进制数(Decimal)：十进制数的特点是有十个运算符号0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，逢“十”进“一”。记作“”。也可没有标记。如12D或12,一数制,各种进制的转换 二进制和十六进制的相互转换方法：是用四位二进制数表示一位十六进制数。例10110B=16H，1A9H=110101001B。 十六进制转换为十进制：将十六进制数按展开后，用十进制加法原则加即可。例如：1BH=1161+11160=27。 二进制转换成十进制数：将二进制数按权展开后，用十进制加法的原则相加即可。例如：1011B=123+022+121+120=8

5、+0+2+1 11,十进制转换成二进制或十六进制：用求基数2或16取余数法，直到商等于0为止。将后得的余数做高位。先得余数做低位，即可得到转换。例如：把20D转换成二进制数和十六进制数,二 编码 二十进制（BCD码,用四位二进制数表示一位十进制数的形式叫二十进制。也叫BCD码。BCD码有压缩式和非压缩式两种。压缩式BCD码是用8位二进制数表示两位十进制数。例如91=10010001B。非压缩式的BCD码就是用8位二进制数表示一位十进制数。例如：910000100100000001B,用键盘输入的各种字符，如数字、字母、标号符号等，都可用二进制编码表示。这种编码形式就叫字符编码。目前应用最广的字

6、符编码是用7位二进制数表示1位字符的字符编码，叫美国信息交换标准码（American Standard Code for Information Interchange），简称ASCII码。如表1-3所示。ASCII码共有128个字符，其中有32个通用控制字符，10个十进制数码，52个大小写英文和34个专用字符。A的ASCII码为41H，09的ASCII码为30H39H,字符编码,表1-3 ASCII字符表 (a,表1-3 ASCII字符表 (b,汉字输入必须有相应的汉字编码。用键盘输入的汉字是输入汉字的外部码，外部码还要转换成内部码，计算机才可以存储和处理。汉字系统不同，它的外部码的输入是不

7、一样的。各种汉字系统之间交换信息时，采用的是交换码。还有汉字输出使用的代码叫汉字字形码或汉字发生器的编码。汉字编码是一个专门领域，在此不做详细介绍,汉字编码,返回本章目录,一）标准BCD码的加法,由于计算机中的基本运算电路只能作二进制加法运算，如果利用它实现BCD码相加，必须要找出将二进制加法运算电路适应标准BCD码相加的规则，然后遵循该规则设计出BCD码相加的运算电路,二 二进制的运算,例 0100 0101 + 0101 0100 1001 1001 结果正确 例 0100 0101 + 0101 0101 1001 1010 结果不正确 + 110 个位加6修正 1010 0000 结果

8、还不正确 + 110 十位加6修正 1 0000 0000 结果正确,BCD码加法的规则,两个BCD数对应的BCD码位用二进制加法相加，若产生的和小于10则保持不变，结果正确；如果产生的和10，则在和数上作加6修正 两个BCD数对应的BCD码位用二进制加法相加后，如果向高位BCD码产生了进位，说明逢十六进一，丢掉了6，所以也要作加6修正。加6修正的原因是：运算电路只能逢十六进一，不能逢十进一,二)标准BCD码的减法,BCD码减法规则： 两个BCD数对应的BCD码位用二进制相减，不发生借位则结果正确 两个BCD数对应的BCD码位用二进制相减，若低位向高位发生了借位，表示借16，而不是借10，在低

9、位上要作减6修正,A,B,C,Y,1.与逻辑关系 ： 当决定事件的各个条件全部具备之后，事件 才会发生,一、与运算和与门,三） 逻辑运算,真值表是用列表的方法将逻辑电路输入 变量不同组合状态下所对应的输出变量的 取值一一对应列入一个表中，此表称为逻 辑函数的真值表。是表示逻辑函数的一种方法,3.与门电路的实现,二极管与门电路,设 uA=0,uY= 0.3V F= 0,DB、DC截止,uY=0.3V,设二极管管压降为0.3伏,uB= uC= 3V,则 DA导通,2.符号及表达式,与门逻辑符号,逻辑式,uF=0.3V,A,B,C,DA,DB,DC,F,R,设 uA= uB= uC= 0,DA、DB

10、、DC都导通,F= 0,uF= 0.3V,uF=3.3V,设 uA= uB= uC= 3V,uF= 3.3V， F= 1,DA、DB、DC都导通,A,B,C,DA,DB,DC,F,由以上分析可知： 只有当A、B、C全为 高电平时，输出端才 为高电平。正好符合 与门的逻辑关系,F=ABC,R,A,B,C,Y,1.或逻辑关系：当决定事件的各个条件中有一个或一个以上 具备之后，事件就会发生,或门逻辑符号,或门逻辑式,二、或运算和或门,2.符号及表达式,设 uA= 3V，uB= uC= 0V 则 DA导通,uF=30.3= 2.7V DB 、DC截止，F=1,DA,F,A,B,C,DB,DC,uF=2

11、.7V,二极管或门电路,R,3.或门电路的实现,DA,F,A,B,C,DB,DC,设 uA= uB= uC= 3V,DA 、DB、DC都导通,uF=2.7V,uF= 2.7V，F=1,R,uF= 0.3V,设 uA= uB= uC= 0V,DA、 DB、DC都导通,uF= 0.3V， F= 0,DA,F,A,B,C,DB,DC,F= A+B+C,由以上分析可知： 只有当A、B、C全为 低电平时，输出端才 为低电平。正好符合 或门的逻辑关系,R,F,1. 非逻辑关系：决定事件的条件只有一个，当条件具备时， 事件不会发生，条件不存在时，事件发生,A,R,非门逻辑符号,非门逻辑式,三、非运算和非门,

12、2.符号及表达式,3. 非门电路,设 uA= 3V，V饱和导通,12V,3V,D,Rc,V,12V,RB,Rk,A,F,uF=0.3V,uF= 0.3V，F= 0， D截止,设 uA= 0V， V截止 ，D导通,12V,3V,D,Rc,V,12V,RB,Rk,A,F,uF=3.3V,uF= 3.3V ，F= 1,由以上分析可知： 当A为低电平时，输出端为 高电平。当A为高电平时， 输出端为低电平。正好符合 非门的逻辑关系,1. 与门和非门构成与非门,四、 复 合 门 电 路,有低必高，全高才低,2. 或门和非门构成或非门,有高必低，全低才高,原码 用机器数表示数的形式又称为数的原码。 X=+7

13、5的原码为 X原=01001011B X=-75的原码为 X原=11001011B 如果字长为16位二进制数时， X=+75的原码为 X原=0000000001001011B X=-75的原码为 X原=1000000001001011B,四.数的表示法,机器码与真值 前面提到的数都没有考虑符号的问题，是指无符号数。但在计算机中处理的数通常是有符号数，符号在计算机中也用数码表示。规定用“0”是正数符号“”，用“1”表示负数符号“”。符号位放在数的最高位。例如-1001011B= 11001011B，+1001011B=01001011B。我们把用这种方法表示的数叫做机器数。如上例中的110010

14、11B和01001011B。把数本身具有的数值叫真值。如上例中的1001011B是真值,反码 负数的反码是原码的符号位不变，其它各位取反。 如：X原=11001011B 则：X反=10110100B 正数的反码就是原码。 如：X原=01001011B 则：X反=01001011B,补码 负数的补码是原码的符号位不变，其它各位取反加1。 如：X原=11001011B 则：X补=10110101B 正数的补码就是原码。 如：X原=01001011B； 则：X补=010010111 由补码求原码的方法与由原码求补码的方法一样,补码运算 在计算机中对带符号的运算时，都采用补码运行，运行的结果也是补码。

15、采用补码运算可把减法运算变成加法运算,8位二进制数和16位进制数的范围 数的表示分为无符号数和有符号数。有符号数又有原码、反码和补码三种形式。因此它们表示的范围是不同的。列表1-1和1-2分别表示8位二进制和16位二进制的表示范围,表1-1位二进制数的表示范围,表1-216位二进制数的表示范围,例1-1】 已知X=+1，Y=+18求X-Y的值。 解 X-Y=X+(-Y) X-Y补=X+(-Y)补=X补+-Y补 X补=00001011B -Y原=-18原=10010010B -Y补=11101110B X补 00001011B + -Y补 11101110B X补 + -Y补=11111001B

16、 X-Y补=11111001B X-Y=10000111B 运行结果完全正确,两个负数相加结果却为正数，显然运算结果出错。(-120) +(-18)应等于(-138)，但由于有符号的位二进制数最大表示范围是+127-128。(-138)超出有符号的位二进制数的范围，因此产生溢出。在计算过程中，溢出是可以判断出来的。判断溢出的方法可用次高位向高位的进位标志CS和最高位的进位标志位CF的异或来判断，即CSCF。如果异或的结果为1，运算结果就产生溢出；如果异或结果为0，则运算结果没有溢出。计算机专门设计一个标志位来描述运算结果是否有溢出，这个标志位叫溢出标志位，用OF表示。（后续课将进行详细介绍）。

17、上例中CS=0，CF=1，则CSCF=1，因此有溢出,3定点数和浮点数 依照小数点的不同表示方法，计算机中的数可分为两类：定点数和浮点数。下面说明这两种数的表示方法。 （1）定点数。 所谓定点数是指小数点的位置固定不变的数，定点数又分为定点整数和定点整数,定点整数：其小数点的位置固定在数据的最低位之后，见图1-4a。 定点小数：其小数点的位置固定于符号位与数据位之间，见图1-4b,例1 已知某数X的补码为10111011B，若将它理解为定点整数，它对应的十进制数是多少；若理解为定点小数，它对应的十进制数是多少？ 解： 1）若理解为定点整数则X10111011补 -1000101B= -69 2

18、）若理解为定点小数则X10111011补-0.1000101B= -69/128,2）浮点数。 与定点数相反，若小数点的位置不固定，是浮动可变的，称这类数为浮点数。浮点数的引入克服了定点数所能表示的数的范围太小这一缺点。 计算机中的浮点数由尾数和阶码两部分组成：尾数是带符号的定点纯小数，它的符号称为数符，表示这个浮点数的正负；阶码是一个带符号的整数，其符号称为阶符。图1-5给出了一种浮点数的格式。,规格化浮点数:尾数的最高数值位不等于零 X1 = 21010.11001;X2 = -21010.1011 非规格化的数 :尾数的第一位不是1的浮点数 X3 = 21110.011001 要使浮点数

19、规格化，只要移动小数点同时调整阶码即可。例如： X4 = 21000.00101=21100.10100,例2 将十进制数24.09375化为二进制形式的规格化浮点数， 用图1-6的格式表示。 解： 1）先将该数化为二进制数 24.09375D = 11000.00011B（20） 2）将此数规格化，将它的尾数变成最高位为1的纯小数。不难看出，要做到这一点，须将尾数中的小数点向左移动5位，每左移一位阶码加1，移位的次数便是该浮点数阶码的大小。于是，所得规格化浮点数的尾数和阶分别为： k = + 0.1100000011B b = + 5 = + 101B 3）将该数表示为图1-6浮点数的格式,

20、带符号数运算的溢出问题,带符号数的表数范围： 8位字长： 原码：11111111B01111111B（-127127） 反码： 10000000B 01111111B（-127127） 补码：10000000B01111111B（-128127） 16位字长： 原码：FFFFH7FFFH（-32767 32767 ） 反码：8000H7FFFH（-32767 32767 ） 补码：8000H7FFFH（-32768 32767,带符号数运算的溢出问题,溢出判定规则：最高位和次高位两位都产生进(借)位或都没有产生进(借)位，则结果无溢出；否则结果产生溢出。 有符号数运算，有溢出表示结果为错误的,

21、例题,十进制数的表示-BCD码,以4个二进制位表示1个十进制位，用0000B1001B表示09。 二进制编码的十进制数。 BCD码有两种形式: 压缩型BCD码 非压缩型BCD码,一微机的硬件系统 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五大部分组成。通常把运算器和控制器称为中央处理器CPU，把CPU和存储器合称为计算机的主机。而把输入设备和输出设备以及外存储器合称为外部设备，简称外设。微型计算机由微处理器、存储器、输入输出（I/O）接口电路组成的，连接这些功能部件的是三总线，即数据总线、地址总线和控制总线，如图1-1所示,第三节 微型计算机系统组成,二微型计算机软件系统 软件系统是指为计算机运行工作服务的全部技术资料和各种程序，它可以保证计算机硬件的功能得以充分发挥。微机的软件系统是由系统软件、应用软件组成。 系统软件通常包括：操作系统、语言处理程序、诊断调试程序、设备驱动程序以及为提高机器效率而设计的各种程序。在系统软件中，最重要的软