第1章微型计算机入门

1、微机原理与接口技术微机原理与接口技术作者：徐建平作者：徐建平 成贵学成贵学第第1章微型计算机入门章微型计算机入门【本章内容提要】【本章内容提要】 n了解电子计算机的工作原理和发展历程。了解电子计算机的工作原理和发展历程。n了解微处理器的发展历程。了解微处理器的发展历程。n掌握微型计算机系统组成。掌握微型计算机系统组成。n理解微型计算机的工作原理。理解微型计算机的工作原理。n掌握计算机中的数制与编码。掌握计算机中的数制与编码。n了解数字电路的基础知识。了解数字电路的基础知识。1.1 微型计算机概述微型计算机概述1.1.1 电子计算机的工作原理电子计算机的工作原理n20世纪30年代中期，冯诺依曼大

2、胆提出，抛弃十进制，采用二进制作为数字计算机的数制基础。n同时，他还提出预先编制计算程序，然后由计算机来按照人们事前制定的计算顺序来执行数值计算工作。根据冯诺依曼体系结构构成的根据冯诺依曼体系结构构成的计算机，必须具有如下功能：计算机，必须具有如下功能：n能够把需要的程序和数据送至计算机中；能够把需要的程序和数据送至计算机中；n必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力；终运算结果的能力；n必须具有算术、逻辑运算和数据传送等数据加必须具有算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力；工处理的能力；n能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控能

3、够根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作；制机器的各部件协调操作；n能够按照要求将处理结果输出给用户。能够按照要求将处理结果输出给用户。冯冯诺依曼理论要点诺依曼理论要点n计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备、计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。输出设备五大部分组成。n程序和数据以二进制代码形式不加区别地存放程序和数据以二进制代码形式不加区别地存放在存储器中，存放位置由地址确定。在存储器中，存放位置由地址确定。n控制器根据存放在存储器中的指令序列（程序）控制器根据存放在存储器中的指令序列（程序）进行工作，并由一个程序计数器控制指令执行。进行工作

4、，并由一个程序计数器控制指令执行。控制器具有判断能力，能根据计算结果选择不控制器具有判断能力，能根据计算结果选择不同的工作流程。同的工作流程。 为了完成上述功能，计算机必须为了完成上述功能，计算机必须具备五大基本组成部件，包括：具备五大基本组成部件，包括：n输入数据和程序的输入设备。输入数据和程序的输入设备。n记忆程序和数据的存储器。记忆程序和数据的存储器。n完成数据加工处理的运算器。完成数据加工处理的运算器。n控制程序执行的控制器。控制程序执行的控制器。n输出处理结果的输出设备。输出处理结果的输出设备。n后来，人们将运算器和控制器等核心部件集成后来，人们将运算器和控制器等核心部件集成在一个集

5、成电路芯片上，这便是在一个集成电路芯片上，这便是CPU的由来。的由来。1.1.2 电子计算机的发展历程电子计算机的发展历程n自自1946年世界上第一台电子计算机年世界上第一台电子计算机ENIAC诞生以来，计算机技术获得了迅猛发展。诞生以来，计算机技术获得了迅猛发展。n根据计算机所用电子器件的不同，计算机根据计算机所用电子器件的不同，计算机已历经电子管、晶体管、集成电路、大规已历经电子管、晶体管、集成电路、大规模及超大规模集成电路四个时代。模及超大规模集成电路四个时代。第一代电子管计算机（第一代电子管计算机（19461958）其主要特点是：其主要特点是：n硬件方面，采用电子管作为基本逻辑电路元硬

6、件方面，采用电子管作为基本逻辑电路元件，主存储器采用汞延迟线、磁鼓和磁芯，件，主存储器采用汞延迟线、磁鼓和磁芯，外存储器采用磁带；外存储器采用磁带；n软件方面，只能使用机器语言和汇编语言；软件方面，只能使用机器语言和汇编语言；n计算机体积庞大、功耗大、可靠性差、价格计算机体积庞大、功耗大、可靠性差、价格昂贵；昂贵；n应用以科学计算为主。应用以科学计算为主。n世界上第一台具有现代意义的应用电子世界上第一台具有现代意义的应用电子管的计算机称为管的计算机称为ENIAC。n这台计算机占地面积达这台计算机占地面积达170m2，总重量，总重量达到达到30吨，其运算速度达到每秒钟吨，其运算速度达到每秒钟50

7、00次加法，可以在次加法，可以在3/1000秒时间内秒时间内做完两个做完两个10位数乘法。位数乘法。n第一代计算机所采用的基本技术（采用第一代计算机所采用的基本技术（采用二进制、存储程序控制的方法）却为现二进制、存储程序控制的方法）却为现代计算机技术的发展奠定了坚实的理论代计算机技术的发展奠定了坚实的理论基础基础 第二代晶体管计算机（第二代晶体管计算机（19581964）其主要特点是：其主要特点是：n硬件方面，采用晶体管作为基本逻辑电路元件，主硬件方面，采用晶体管作为基本逻辑电路元件，主存储器主要采用磁芯，外存储器开始采用磁盘；存储器主要采用磁芯，外存储器开始采用磁盘；n软件有了很大发展，出现

8、了各种各样的高级语言及软件有了很大发展，出现了各种各样的高级语言及其编译程序，还出现了以批处理为主的操作系统；其编译程序，还出现了以批处理为主的操作系统；n计算机的体积大大缩小，耗电减少，可靠性提高，计算机的体积大大缩小，耗电减少，可靠性提高，性能比第一代计算机有很大的提高；性能比第一代计算机有很大的提高；n应用以科学计算和各种事务处理为主，并开始用于应用以科学计算和各种事务处理为主，并开始用于工业控制。工业控制。n贝尔实验室使用贝尔实验室使用800只晶体管组装的世界上第只晶体管组装的世界上第一台晶体管计算机一台晶体管计算机TRADIC第三代集成电路计算机（第三代集成电路计算机（1964197

9、1）其主要特点是：其主要特点是：n硬件方面，计算机主要逻辑部件采用中、小规硬件方面，计算机主要逻辑部件采用中、小规模集成电路，主存储器开始采用半导体存储器；模集成电路，主存储器开始采用半导体存储器；n软件方面，对计算机程序设计语言进行了标准软件方面，对计算机程序设计语言进行了标准化工作，并提出了结构化程序设计思想；化工作，并提出了结构化程序设计思想；n计算机的体积进一步减小，运算速度、运算精计算机的体积进一步减小，运算速度、运算精度、存储容量及可靠性等主要性能指标大为改度、存储容量及可靠性等主要性能指标大为改善。善。n计算机的应用领域和普及程度有了迅速发展计算机的应用领域和普及程度有了迅速发展

10、nDEC公司推出的世界上第一台采用集成电路的公司推出的世界上第一台采用集成电路的PDP-8型计算机型计算机第四代大规模及超大规模集成电第四代大规模及超大规模集成电路计算机（自路计算机（自1971年开始）年开始）其主要特点是：其主要特点是：n硬件方面，计算机逻辑部件由大规模和超大规硬件方面，计算机逻辑部件由大规模和超大规模集成电路组成，主存储器采用半导体存储器，模集成电路组成，主存储器采用半导体存储器，计算机外围设备多样化、系列化；计算机外围设备多样化、系列化；n软件方面，实现了软件固化技术，出现了面向软件方面，实现了软件固化技术，出现了面向对象的计算机程序设计编程思想，并广泛采用对象的计算机程

11、序设计编程思想，并广泛采用了数据库技术、计算机网络技术。了数据库技术、计算机网络技术。n在第四代计算机发展过程中，最重要的在第四代计算机发展过程中，最重要的成就之一表现在微处理器成就之一表现在微处理器 （Microprocessor）的体积不断减小、）的体积不断减小、集成度不断提高、运算速度越来越快。集成度不断提高、运算速度越来越快。n例如，日本最新开发的一款微处理器的例如，日本最新开发的一款微处理器的运算速度已高达每秒运算速度已高达每秒1280亿次。亿次。1.1.3 微处理器的发展历程微处理器的发展历程n微型计算机是第四代计算机向微型化方微型计算机是第四代计算机向微型化方向发展的产物，它以大

12、规模、超大规模向发展的产物，它以大规模、超大规模集成电路为主要部件，以微处理器为核集成电路为主要部件，以微处理器为核心，并配以存储器、输入心，并配以存储器、输入/输出接口电路输出接口电路及系统总线等。及系统总线等。n总线用于在总线用于在CPU、存储器等部件之间传、存储器等部件之间传递数据、地址和控制信号，因此，微机递数据、地址和控制信号，因此，微机的总线又被分为数据总线的总线又被分为数据总线DB（Data Bus）、地址总线）、地址总线AD（Address Bus）和控制总线和控制总线CD（Control Bus）。）。 n微型计算机的发展以微处理器的发展为微型计算机的发展以微处理器的发展为主

13、要标志。主要标志。n1971年，美国年，美国Intel公司研制了世界上公司研制了世界上第一个微处理器芯片第一个微处理器芯片Intel 4004，世界，世界第一台微型计算机第一台微型计算机MCS-4就此诞生，从就此诞生，从而开创了微型计算机发展的新时代。而开创了微型计算机发展的新时代。n短短几十年的时间，如果按微处理器的短短几十年的时间，如果按微处理器的字长来划分，人们已经推出了五代微处字长来划分，人们已经推出了五代微处理器产品。相应地，微型计算机也已发理器产品。相应地，微型计算机也已发展到第五代，展到第五代， 第一代（第一代（1971年年1972年）年）n4位和低档位和低档8位微处理器。典型产

14、品有位微处理器。典型产品有Intel 4004（左上图）（左上图）和和Intel 8008（左下图）微处理器，以及由它们组成的（左下图）微处理器，以及由它们组成的MCS-4和和MCS-8微型计算机。微型计算机。nIntel 4004采用采用PMOS工艺，字长工艺，字长4位，集成了位，集成了2300个晶个晶体管，时钟频率体管，时钟频率108KHz，每秒执行，每秒执行6万条指令万条指令（0.06MIPS）。）。n其中，其中，MIPS为为Million Instructions Per Second的缩写，的缩写，意思为每秒执行百万条指令（此处指单字长定点指令）。意思为每秒执行百万条指令（此处指单字

15、长定点指令）。nIntel 8008也采用也采用PMOS工艺，字长工艺，字长8位，集成了位，集成了3500个个晶体管，时钟频率有晶体管，时钟频率有0.5MHz和和0.8MHz两种，支持最多两种，支持最多16KB内存内存第二代（第二代（1973年年1977年）年）n中、高档中、高档8位微处理器。典型产品有位微处理器。典型产品有Intel 8080（左上图）、（左上图）、Intel 8085（左中图）和（左中图）和Zilog公司公司的的Z80（左下图）等。（左下图）等。nIntel 8080采用采用NMOS工艺，字长工艺，字长8位位n运算速度达到每秒运算速度达到每秒50万次（万次（0.5MIPS）

16、n时钟频率为时钟频率为2MHz，支持，支持64KB内存，内存，n指令系统比较完善，具有中断、指令系统比较完善，具有中断、DMA等控制功能。等控制功能。n软件方面除了汇编语言外，还有软件方面除了汇编语言外，还有BASIC、FORTRAN等高级语言及相应的解释程序和编译程等高级语言及相应的解释程序和编译程序序n在后期还出现了操作系统，如在后期还出现了操作系统，如CP/M就是当时流行就是当时流行的操作系统的操作系统第三代（第三代（1978年年1984年）年）n16位微处理器。典型产品有位微处理器。典型产品有Intel 8086（左（左上图）、上图）、Intel 8088（左中图）和（左中图）和Int

17、el 80286（左下图）等。（左下图）等。nIntel 8086采用采用HMOS工艺，集成了近工艺，集成了近3万个万个晶体管，制造工艺为晶体管，制造工艺为3m（微米），字长（微米），字长16位，支持最多位，支持最多1MB内存，主频最高可达内存，主频最高可达8MHz，运算速度达到运算速度达到0.8MIPS。 n由于由于8086 CPU在当时过于昂贵，因此，在当时过于昂贵，因此，Intel公公司又开发了简化版的司又开发了简化版的8088。它与。它与8086完全相同，完全相同，只是将外部数据总线改为了只是将外部数据总线改为了8位（内部仍为位（内部仍为16位），但价格大大降低。位），但价格大大降低。

18、这个时期有两件大事这个时期有两件大事n采用采用8088 CPU的的PC（Personal Computer，个，个人电脑）的诞生和大规模推广；人电脑）的诞生和大规模推广；nDOS操作系统的流行。操作系统的流行。n1982年年80286隆重登场，这是计算机发展史隆重登场，这是计算机发展史上重要的里程碑，真正的个人电脑时代到来了。上重要的里程碑，真正的个人电脑时代到来了。n配备配备80286微处理器的个人电脑累计销售超过微处理器的个人电脑累计销售超过了了1500万台。万台。n80286属于超大规模集成电路，集成的晶体管属于超大规模集成电路，集成的晶体管数达到数达到13万只，工作频率最高也达到了万只

19、，工作频率最高也达到了12.5MHzn安迪安迪格鲁夫格鲁夫n比尔比尔盖茨盖茨第四代（第四代（1985年年1991年）年）n32位微处理器。典型产品有位微处理器。典型产品有Intel 80386（左上（左上图）和图）和Intel 80486（左下图）。（左下图）。n其中，其中，80386是第一个可以同时处理多个任务的是第一个可以同时处理多个任务的微处理器，它集成了微处理器，它集成了27万只晶体管，主频达到了万只晶体管，主频达到了33MHz，运算速度达到每秒，运算速度达到每秒3百万到百万到5百万条指百万条指令（令（35MIPS）。）。nIntel 80486将将80386和和80387协处理器芯片

20、，协处理器芯片，以及一个以及一个8KB的高速缓存集成在一个芯片内，使的高速缓存集成在一个芯片内，使得得80486的性能比带有的性能比带有80387协处理器的协处理器的80386性能提高了四倍。性能提高了四倍。n它集成了它集成了120万只晶体管，主频达到了万只晶体管，主频达到了75MHz。此时微型机的功能已经达到甚至超过了小型计算此时微型机的功能已经达到甚至超过了小型计算机，并可执行多任务作业机，并可执行多任务作业第五代（第五代（1992年年至今）至今）n32位高档微处理器和位高档微处理器和64位微处理器。位微处理器。典型产品有：典型产品有：nIntel的的Pentium（奔腾）系列、（奔腾）系

21、列、Core（酷睿）系列（酷睿）系列nAMD公司的公司的K6系列和系列和Athlon（国内称（国内称速龙）系列。速龙）系列。Pentium系列系列CPU是一个庞大的家族，是一个庞大的家族，n从起初的从起初的Pentium、Pentium MMX、Pentium Pron到后面的到后面的Pentium II、Pentium IIIn以及目前的以及目前的Pentium 4、Pentium双核和四双核和四核、酷睿双核和四核。核、酷睿双核和四核。n最新的最新的Intel酷睿酷睿2四核四核Q9650，其主频已高，其主频已高达达3GHz，拥有两级缓存，指令更加丰富，功，拥有两级缓存，指令更加丰富，功耗更低

22、，制程工艺已达到耗更低，制程工艺已达到45nm（纳米），集（纳米），集成的晶体管数量超过成的晶体管数量超过3亿只。亿只。nAMD公司属于公司属于Intel公司的跟随者公司的跟随者n该公司生产销售的系列该公司生产销售的系列CPU与与Intel的各类的各类CPU性能大同小异。性能大同小异。n另外一点需要注意的是，早期另外一点需要注意的是，早期Pentium CPU的字长都是的字长都是32位，只是比较新的位，只是比较新的CPU字长才字长才是是64位。对于位。对于AMD公司生产的各类公司生产的各类CPU而言，而言，只有只有Athlon 64型型CPU才是才是64位位1.1.4 微型计算机系统组成微型计

23、算机系统组成实训实训1-1 观察微型计算机内部结构观察微型计算机内部结构n所谓双核处理器，简单地说就是在一块所谓双核处理器，简单地说就是在一块CPU基板上基板上集成两个处理器核心，并通过并行总线将各处理器集成两个处理器核心，并通过并行总线将各处理器核心连接起来。核心连接起来。n它是单芯片多处理器中最基本、最简单、最容易实它是单芯片多处理器中最基本、最简单、最容易实现的一种类型。现的一种类型。n这样任务繁重时，两个核心能相互配合，让这样任务繁重时，两个核心能相互配合，让CPU发发挥最大效力。挥最大效力。1.2 微型计算机工作原理微型计算机工作原理n微型计算机工作的过程本质上就是执行程序微型计算机

24、工作的过程本质上就是执行程序的过程。的过程。n用计算机解决某一具体问题的程序，实际上用计算机解决某一具体问题的程序，实际上是由若干条计算机能识别并能执行的基本操是由若干条计算机能识别并能执行的基本操作命令，按一定的顺序排列组成的。作命令，按一定的顺序排列组成的。1.2.1 计算机指令的基本概念计算机指令的基本概念n计算机能识别并执行的每条基本操作命计算机能识别并执行的每条基本操作命令就称为一条指令令就称为一条指令n每条指令都规定了计算机执行的一种基每条指令都规定了计算机执行的一种基本操作。本操作。 一条计算机指令是用一串二进制代码表示的，一条计算机指令是用一串二进制代码表示的，通常由两部分组成

25、：操作码和操作数。通常由两部分组成：操作码和操作数。n操作码：指出计算机所要执行的基本操作。操作码：指出计算机所要执行的基本操作。n操作数：指明参与操作的对象。操作数：指明参与操作的对象。p一种计算机所能执行的全部指令的集合，称为一种计算机所能执行的全部指令的集合，称为这种计算机的这种计算机的指令系统指令系统。p不同类型的计算机，其指令系统的指令数目和不同类型的计算机，其指令系统的指令数目和格式也不相同。格式也不相同。1.2.2 微型计算机的工作过程微型计算机的工作过程n根据冯根据冯诺依曼的设计，计算机诺依曼的设计，计算机应能自动执行程序，而执行程序应能自动执行程序，而执行程序又归结为逐条执行

26、指令。又归结为逐条执行指令。n执行一条指令又可分为以下三个执行一条指令又可分为以下三个基本操作。基本操作。 取指令：取指令：nCPU发出读命令，将程序计数器发出读命令，将程序计数器PC（Program Counter）所指向的指令的）所指向的指令的地址存入地址寄存器；地址存入地址寄存器；nPC自动增加，为读取下一条指令做准备。自动增加，为读取下一条指令做准备。n存储器收到命令后，取出要执行的指令存储器收到命令后，取出要执行的指令送到指令寄存器送到指令寄存器IR（Instruction Register）中暂存。）中暂存。 分析指令或称指令译码分析指令或称指令译码n把保存在指令寄存器把保存在指令

27、寄存器IR中的指令送到指中的指令送到指令译码器令译码器ID（Instruction Decoder）；）；n译出该指令对应的微操作信号，控制各译出该指令对应的微操作信号，控制各个部件的操作。个部件的操作。n其中，如果指令需要取操作数，其中，如果指令需要取操作数，CPU将将发出取数据命令，到存储器取出所需的发出取数据命令，到存储器取出所需的操作数。操作数。 执行指令：执行指令：n根据指令译码，向各个部件发出相根据指令译码，向各个部件发出相应控制信号，完成指令规定的各种应控制信号，完成指令规定的各种操作。操作。n其中，如果需要保存计算结果，则其中，如果需要保存计算结果，则把结果保存到指定的存储器单

28、元中。把结果保存到指定的存储器单元中。n我们把完成一条指令所需的时间称为我们把完成一条指令所需的时间称为指指令周期。令周期。n一个指令周期往往包括一个或多个一个指令周期往往包括一个或多个总线总线周期周期，总线周期是指，总线周期是指CPU对总线进行一对总线进行一次典型操作的时间。次典型操作的时间。n一个总线周期又包含多个一个总线周期又包含多个时钟周期时钟周期。时时钟周期钟周期是计算机中最小的时间单位，是是计算机中最小的时间单位，是由系统时钟确定的。由系统时钟确定的。 实训实训1-2 计算机指令的执行过程计算机指令的执行过程n假定我们让计算机计算假定我们让计算机计算1FH4DH=？ 步骤步骤1n在

29、编写程序之前，应首先了解所使用的微处在编写程序之前，应首先了解所使用的微处理器的指令系统。假定该模型机的指令系统理器的指令系统。假定该模型机的指令系统中用来求解这个问题的指令如下中用来求解这个问题的指令如下 ：步骤步骤2n编写编写1FH4DH的程序。根据步骤的程序。根据步骤1中中提供的指令编写程序如下：提供的指令编写程序如下：步骤步骤3n模型机并不能识别这些助记符，而只能模型机并不能识别这些助记符，而只能识别用二进制数表示的机器指令。识别用二进制数表示的机器指令。n因此，必须把以上汇编指令编写的程序因此，必须把以上汇编指令编写的程序写成二进制数的形式，即用对应的机器写成二进制数的形式，即用对应

30、的机器指令代替每个助记符指令代替每个助记符。步骤步骤4n下面我们来进一步说明模型机内部执行下面我们来进一步说明模型机内部执行该程序的具体操作过程（为简短起见，该程序的具体操作过程（为简短起见，以下将二进制数用十六进制数表示）。以下将二进制数用十六进制数表示）。n程序如下：程序如下： B0H 1FH 04H 4DH 1.3 计算机中的数制与编码计算机中的数制与编码1.3.1 计算机中的数制计算机中的数制1、数制的概念、数制的概念n一种记数制所使用的数字符号的个数称一种记数制所使用的数字符号的个数称为为基数基数，n某个固定位置上的计数单位称为某个固定位置上的计数单位称为位权位权。 n同一数字符号处

31、在不同位置上所代表的同一数字符号处在不同位置上所代表的值是不同的，它所代表的实际值等于数值是不同的，它所代表的实际值等于数字本身的值乘以所在位置上的位权。字本身的值乘以所在位置上的位权。 n一个一个r进制数，它所用的数字符号有进制数，它所用的数字符号有r个，它个，它的基数为的基数为r，用，用rk表示第表示第k位的位权，因此，位的位权，因此，r进制数进制数 anan-1a2a1a0.b1b2bm 可以表示为可以表示为 anrnan-1rn-1a1r1a0r0b1r-1bmr-m2常用数制介绍常用数制介绍n二进制二进制1.3.2 数制间的转换数制间的转换n非十进制数转换成十进制数非十进制数转换成十

32、进制数【例【例1-1】 将非十进制数将非十进制数(1011.11)2、(154.01)8 和和 (1CB.D)16转换成十进制数。转换成十进制数。n十进制数转换成非十进制数十进制数转换成非十进制数 【例【例1-2】 将将(69.625)10转换成二进制数、转换成二进制数、八进制数和十六进制数。八进制数和十六进制数。3二进制数与八进制数、十六进制数之二进制数与八进制数、十六进制数之间的转换间的转换 1.3.3 数值在计算机中的表示数值在计算机中的表示n数的符号在计算机中也是用二进制表示的；数的符号在计算机中也是用二进制表示的；n一般用一般用0来表示正号，用来表示正号，用1来表示负号，而小来表示负

33、号，而小数点不占位数。数点不占位数。n这种将符号在机器中的表示都数字化了的数这种将符号在机器中的表示都数字化了的数称为称为机器数机器数，而这个数的本身称为，而这个数的本身称为真值真值。n也就是说，机器数是由最高位的符号位和数也就是说，机器数是由最高位的符号位和数值两部分组成的。值两部分组成的。1、定点数、定点数n定点数是指小数点位置固定不变的数；定点数是指小数点位置固定不变的数；n根据小数点的位置不同，定点数又分为根据小数点的位置不同，定点数又分为定点整数定点整数和和定点小数定点小数。（1）定点整数）定点整数n定点整数规定小数点的位置固定在数据定点整数规定小数点的位置固定在数据的最低位之后，但

34、不占一个二进制位的最低位之后，但不占一个二进制位例如，用例如，用8 8位二进制定点整数表示位二进制定点整数表示( (50)50)1010为为n( (50)50)1010(10110010)(10110010)2 2n因为：因为：(50)(50)1010(110010)(110010)2 2（2）定点小数）定点小数n定点小数规定小数点的位置固定在符号定点小数规定小数点的位置固定在符号位之后，但不占一个二进制位位之后，但不占一个二进制位；n例如，用例如，用8 8位二进制定点整数表示位二进制定点整数表示( (0.6875)0.6875)1010为：为：( (0.6875)0.6875)1010(11

35、011000)(11011000)2 2因为：因为：(0.6875)(0.6875)1010(0.1011)(0.1011)2 22浮点数浮点数n浮点数是指小数点位置不固定的数。浮点数是指小数点位置不固定的数。n对于既有整数部分又有小数部分的数，对于既有整数部分又有小数部分的数，一般用浮点数表示。一般用浮点数表示。n任意一个二进制数任意一个二进制数N N可以表示成如下形式可以表示成如下形式N NS S2 2P Pn其中其中S S是一个纯小数，表示数是一个纯小数，表示数N N的全部有的全部有效数字，称为效数字，称为尾数尾数；P P是一个整数，表示是一个整数，表示小数点的位置，称为小数点的位置，称

36、为阶码阶码。n例如，例如，(0.0011001)(0.0011001)2 20.110010.110012 2-10-10n尾数尾数S S(0.11001)(0.11001)2 2，阶码，阶码P P( (10)10)2 2n注意，此处阶码也采用二进制表示。注意，此处阶码也采用二进制表示。n浮点数由两部分组成：尾数部分和阶码浮点数由两部分组成：尾数部分和阶码部分。部分。3原码、反码和补码原码、反码和补码n定点数在计算机中的常用编码方法有：定点数在计算机中的常用编码方法有：原码、反码和补码。原码、反码和补码。（1）原码）原码n原码表示法是一种最简单的机器数表示原码表示法是一种最简单的机器数表示方法

37、，规则如下：方法，规则如下：n正数：最高位为正数：最高位为0 0，其余各位为数值本身；，其余各位为数值本身；n负数：最高位为负数：最高位为1 1，其余各位为数值本身，其余各位为数值本身。（2）反码）反码n反码表示法的规则如下：反码表示法的规则如下：n正数：最高位为正数：最高位为0 0，数值部分保持不变；，数值部分保持不变；n负数：最高位为负数：最高位为1 1，数值部分各位取反。，数值部分各位取反。（3）补码）补码n补码表示法的规则如下：补码表示法的规则如下：n正数：最高位为正数：最高位为0 0，数值部分保持不变；，数值部分保持不变；n负数：最高位为负数：最高位为1 1，数值部分各位取反后，数值

38、部分各位取反后，末位加末位加1 1，即反码的末位加，即反码的末位加1 1。 n已知已知X X(40)(40)1010，Y Y( (33)33)1010，求它们的原，求它们的原码、反码和补码。码、反码和补码。nX X(40)(40)1010(101000)(101000)2 2nXX原原XX反反XX补补0010100000101000nY Y( (33)33)1010(-100001)(-100001)2 2nYY原原1010000110100001，YY反反1101111011011110，YY补补1101111111011111【例【例1-51-5】 4补码的运算补码的运算n计算机中的带符号

39、数一般采用补码形式进行计算机中的带符号数一般采用补码形式进行运算，二进制补码的运算规则是运算，二进制补码的运算规则是 XXYY补补XX补补YY补补 XXYY补补XX补补 YY补补XX补补YY补补【例【例1-6】（结果正确）（结果正确）n已知二进制数已知二进制数X X00011100001110，Y Y01110000111000，使用补码求，使用补码求X XY Y的差值。的差值。nXX补补1111001011110010，YY补补0011100000111000， YY补补1100100011001000【例【例1-7】 （结果错误）（结果错误）n已知二进制数已知二进制数X X10001110

40、0011，Y Y10111101011110，使用补码进行求和。，使用补码进行求和。nXX补补0010001100100011，YY补补0101111001011110n在带符号数的运算中，判断结果是否产在带符号数的运算中，判断结果是否产生溢出的方法是：生溢出的方法是：n最高位和次高位有且只有一个产生进位最高位和次高位有且只有一个产生进位或借位时，则结果溢出。或借位时，则结果溢出。1.3.4 信息编码信息编码n前面我们介绍了前面我们介绍了数值数据数值数据在计算机中的在计算机中的表示和编码方法，表示和编码方法，n由于计算机中所有信息都是以二进制形由于计算机中所有信息都是以二进制形式存储的，式存储

41、的，n因此各种因此各种非数值型数据非数值型数据，如字符或符号，如字符或符号，都应该采用二进制数码的组合来表示，都应该采用二进制数码的组合来表示，称为称为二进制编码二进制编码。1BCD码码n用用4 4位二进制码的组合来表示位二进制码的组合来表示1 1位十进制位十进制数，这种二进制编码的十进制数称为数，这种二进制编码的十进制数称为BCDBCD码。码。n最常用的方法是最常用的方法是8421BCD8421BCD码，即从高到低码，即从高到低4 4位二进制数的权值分别是位二进制数的权值分别是8 8、4 4、2 2、1 1。【例【例1-8】写出】写出(79.5)10的的BCD码表示。码表示。 (79.5)1

42、0(01111001.0101)BCD2字符编码字符编码n国际上普遍采用的字符编码方法是美国标准信国际上普遍采用的字符编码方法是美国标准信息交换码，即息交换码，即ASCIIASCII码。码。n具体编码方法是：每一个字符对应一个具体编码方法是：每一个字符对应一个7 7位的位的二进制代码，用一个字节的低二进制代码，用一个字节的低7 7位来表示字符位来表示字符编码，最高位补编码，最高位补0 0或用作奇偶校验位。或用作奇偶校验位。n使用使用ASCIIASCII码最多可表示码最多可表示128128种字符，包括种字符，包括3232个个标点符号、标点符号、1010个阿拉伯数字、个阿拉伯数字、5252个英文大

43、小写个英文大小写字母、字母、3434个控制符号，见附录个控制符号，见附录A A。3汉字编码汉字编码n为了使计算机能够处理汉字信息，就需要对汉字为了使计算机能够处理汉字信息，就需要对汉字进行编码。进行编码。n汉字编码的类型包括汉字国际码、汉字区位码、汉字编码的类型包括汉字国际码、汉字区位码、汉字机内码、汉字输入码等。汉字机内码、汉字输入码等。n我国于我国于19811981年公布的年公布的信息交换用汉字编码字符信息交换用汉字编码字符集集基本集基本集（GB2312-80GB2312-80）是中华人民共和国国）是中华人民共和国国家汉字信息交换用编码。家汉字信息交换用编码。n该标准编码共收录汉字该标准编

44、码共收录汉字67636763个，其中一级汉字个，其中一级汉字37753775个，二级汉字个，二级汉字30083008个，另外还定义了个，另外还定义了700700多个多个西文字母、数字和图形符号。西文字母、数字和图形符号。1.4 数字电路入门数字电路入门n本节主要介绍书中用到的数字电路知识。本节主要介绍书中用到的数字电路知识。1.4.1 逻辑门电路逻辑门电路n能够实现基本逻辑关系的电路称为逻辑门电路，能够实现基本逻辑关系的电路称为逻辑门电路，它是数字电路的基本单元。它是数字电路的基本单元。n其输入、输出信号反映在电路上是高电平和低其输入、输出信号反映在电路上是高电平和低电平两种状态，分别用电平两

45、种状态，分别用1 1和和0 0两个逻辑值来表示。两个逻辑值来表示。n基本的逻辑门有与门、或门、非门，这些基本基本的逻辑门有与门、或门、非门，这些基本的逻辑门可以组合使用实现更为复杂的逻辑门的逻辑门可以组合使用实现更为复杂的逻辑门电路；电路；n常见的有与非门、或非门和异或门。常见的有与非门、或非门和异或门。1与门电路与门电路n实现与逻辑关系的电路称为与门电路。实现与逻辑关系的电路称为与门电路。 2或门电路或门电路n实现或逻辑关系的电路称为或门电路。实现或逻辑关系的电路称为或门电路。3非门电路非门电路n实现非逻辑关系的电路称为非门电路。实现非逻辑关系的电路称为非门电路。 4与非门电路与非门电路n与

46、门和非门可以组合成为与非门电路。与门和非门可以组合成为与非门电路。5或非门电路或非门电路n或门和非门可以组合成为或非门电路。或门和非门可以组合成为或非门电路。6异或门电路异或门电路n两个非门、两个或门和一个与门可以组合成为两个非门、两个或门和一个与门可以组合成为异或门电路。异或门电路。 1.4.2 传送门电路传送门电路n用于实现数据传送的门电路用于实现数据传送的门电路1三态门三态门n三态门是指逻辑门的输出端除有高电平和低电三态门是指逻辑门的输出端除有高电平和低电平两种状态外，还有第三种状态平两种状态外，还有第三种状态高阻状态高阻状态（相当于开路状态）的门电路。（相当于开路状态）的门电路。2单向数据传送门单向数据传送门n将若干个三态门并列排列，并将它们的使能端将若干个三态门并列排列，并将它们的使能端连接在一起，就构成了一个单向数据传送门，连接在一起，就构成了一个单向数据传送门，n如图所示为一个如图所示为一个4 4位的单向数据传送门。位的单向数据传送门。 3双向数据传送门双向数据传送门n图图1-291-29所示是一个双向所示是一个双向4 4位数据传送门。位数据传送门。1.4.3 译码器译码器n译码器译码器是一个组合逻辑电路，它可以将一组是一个组合逻辑电路，它