微机原理 数值编码值与微机组成

1、自动化科学与电气工程学院自动化科学与电气工程学院微机原理微机原理 /2022-2-211第2章 微型计算机组成基础 2.1 微机数字电路基础 2.2 几种数制之间的相互转换 2.3 微型计算机运算基础 2.4 微型计算机组成 2.5 微型计算机的工作过程 Digital Circuit Basis数字电路基础数字电路基础 Numerical & Character Representation数制转换运算数制转换运算Microcomputer Workflow for Computation微机运算过程微机运算过程自动化科学与电气工程学院自动化科学与电气工程学院微机原理微机原理 /20

2、22-2-2122.1 微机数字电路基础 门电路(Gate Circuit) : 用以实现逻辑关系的电子电路。单器件门电路集成门电路：TTL、MOS管等 门电路的电平状态：(Logic Level)正逻辑：正逻辑：Positive LogicPositive Logic 用高电平表示逻辑用高电平表示逻辑1 1，用低电平表示逻辑，用低电平表示逻辑0 0（默认）（默认） Logic high - binary 1, Logic low - binary 0 (default)Logic high - binary 1, Logic low - binary 0 (default)负逻辑： 用低电平

3、表示逻辑1，用高电平表示逻辑0Technology L voltage H voltage Notes CMOS 0V to Vcc/2 Vcc/2 to Vcc Vcc = supply voltage TTL 0V to 0.8V 2V to Vcc Vcc = 5V 10% 自动化科学与电气工程学院自动化科学与电气工程学院微机原理微机原理 /2022-2-213 Gate Circuit & Truth Table2.1 微机数字电路基础AB&YAB1YAB=1Y 1 A Y A BY0 00 11 01 10001A BY0 00 11 01 10111AY0110自动

4、化科学与电气工程学院自动化科学与电气工程学院微机原理微机原理 /2022-2-2142.1 微机数字电路基础 常用门电路芯片：常用门电路芯片：74LS系列系列 14 13 12 11 10 9 8 74LS00 1 2 3 4 5 6 7 4 与与非非门门 74LS00 的引脚排列图 VCC 3A 3B 3Y 4A 4B 4Y 1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND 14 13 12 11 10 9 8 74LS04 1 2 3 4 5 6 7 6 反反相相器器 74LS04 的的引引脚脚排排列列图图 VCC 4A 4Y 5A 5Y 6A 6Y 1A 1Y 2A 2Y 3A 3Y GND

5、自动化科学与电气工程学院自动化科学与电气工程学院微机原理微机原理 /2022-2-2152.1 微机数字电路基础 三态门（Three-state Gate） 三态门：在普通门电路的基础上附加控制电路而构成 低使能同向三态门 低使能反向三态门 高电平、低电平、高阻态(logic 1, logic 0, high impedance)功能表功能表EN=1EN=1EN=0EN=0AY F高阻态自动化科学与电气工程学院自动化科学与电气工程学院微机原理微机原理 /2022-2-2162.1 微机数字电路基础 三态门控制模式高电平有效高电平有效低电平有效低电平有效自动化科学与电气工程学院自动化科学与电气工

6、程学院微机原理微机原理 /2022-2-2172.1 微机数字电路基础 三态门应用数据总线结构数据总线结构 只要控制各个门的只要控制各个门的ENEN端轮端轮流为流为1 1，且任何时刻仅有一个，且任何时刻仅有一个为为1 1，就可以实现各个门分时，就可以实现各个门分时地向总线传输。地向总线传输。实现数据双向传输实现数据双向传输 EN=1EN=1，G1G1工作，工作，G2G2高阻，高阻，A A经经G1G1反相送至总线；反相送至总线； EN=0EN=0，G1G1高阻，高阻，G2G2工作，总工作，总线数据经线数据经G2G2反相从反相从Y Y端送出。端送出。自动化科学与电气工程学院自动化科学与电气工程学院

7、微机原理微机原理 /2022-2-2182.1 微机数字电路基础 组合逻辑电路-译码器 (Decoder) 二进制译码器(binary decoder) 设二进制译码器的输入端为n个，则输出端为2n个，且对应于输入代码的每一种状态，2n个输出中只有一个有效（为1或为0），其余全无效（为0或为1）。 2 线线n 线译码器线译码器 Y0 . . Y2n-1 A0 An-1 自动化科学与电气工程学院自动化科学与电气工程学院微机原理微机原理 /2022-2-2192.1 微机数字电路基础 译码芯片及应用 3-8译码器译码器 74LS138G1G2AG2BCBAY0Y7 译码使能端译码使能端译码输入端译

8、码输入端译码输出端译码输出端自动化科学与电气工程学院自动化科学与电气工程学院微机原理微机原理 /2022-2-21102.1 微机数字电路基础使使 能能 端端输输 入入 端端输输 出出 端端G1 G2A G2B C B A Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 0 1 1 0 1 1 0 1 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

9、 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 自动化科学与电气工程学院自动化科学与电气工程学院微机原理微机原理 /2022-2-21112.1 微机数字电路基础 译码器应用在微机中，对内存、I/O端口的访问需要地址，而地址信息是通过译码器实现的。译码器级联（扩展）是通过使能端实现的。片上地址接地址总线低端，片上使能端透过译码器接地址总线高端。A0A1A2ENEN12122-42-4

10、Y3 Y2 Y1Y0Y7Y6Y5Y4自动化科学与电气工程学院自动化科学与电气工程学院微机原理微机原理 /2022-2-21122.1 微机数字电路基础 思考：思考： 试用两片3线8线译码器74LS138组成4线16线译码器，将输入的4位二进制代码D3D2D1D0译成16个独立的低电平信号Y0Y15。 其它数字逻辑器件：其它数字逻辑器件： 加法器 触发器 同步时序电路自动化科学与电气工程学院自动化科学与电气工程学院微机原理微机原理 /2022-2-21132.1 微机数字电路基础 译码器应用自动化科学与电气工程学院自动化科学与电气工程学院微机原理微机原理 /2022-2-21142.2 几种数制

11、之间的转换 1.1.几种常用的计数体制 (Numerical System)十进制(Decimal)：符合人们的习惯 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 123,45,6二进制(Binary)：便于物理实现 0,1 1001B,1001b,100B,11b十六进制(Hexadecimal)：便于识别、书写 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,a,b,c,d,e,f 12h(12H), 0a5h(0A5H),0E52CH,0e52ch自动化科学与电气工程学院自动化科学与电气工程学院微机原理微机原理 /2022-2-21152.2 几种数制之间的转换 2. 不同数制之间的转换二进制/十六进

12、制转换为十进制对R进制数N，其按权展开多项式为： N=DnRn+Dn-1Rn-1+Dn-2Rn-2+D0R0 R:基数，D：数制权 二进制 R=2, D=( 0，1 ) ) 十六进制 R=16, D=( 0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A，B，C，D，E，F ) ) N=10001011BN=10001011B N=0F12CHN=0F12CH自动化科学与电气工程学院自动化科学与电气工程学院微机原理微机原理 /2022-2-2116 2. 不同数制之间的转换 十进制转换为二进制/十六进制自动化科学与电气工程学院自动化科学与电气工程学院微机原理微机原理 /2022-2-21172.2 几

13、种数制之间的转换 2. 不同数制之间的转换 十六进制与二进制转换用用4位二进制数表示位二进制数表示1位十六进制数位十六进制数 0000 - 0H 1001 - 9H 1010 - 0AH 1011 - 0BH 1100 - 0CH 1101 - 0DH 1110 - 0EH 1111 - 0FH自动化科学与电气工程学院自动化科学与电气工程学院微机原理微机原理 /2022-2-21182.3 微型计算机运算基础 1. 计算机中的编码（符号编码-非数值型数据）8421 BCD编码,(Binary-coded decimal notation)，用二进制数编码十进制数紧凑BCD码（4位）/压缩BCD

14、码 用4位二进制码表示一位十进制数，一个字节可放2位十进制数。 25 BCD码可表示为（0010 0101）BCD非紧凑的BCD码（8位）/非压缩BCD码 用8位二进制码表示一位十进制数，高4位总为0。 25 BCD码可表示为（00000010 00000101）BCD自动化科学与电气工程学院自动化科学与电气工程学院微机原理微机原理 /2022-2-21192.3 微型计算机运算基础 1. 计算机中的编码（符号编码-非数值型数据）ASCIIASCII美国国家信息交换标准码（American national Standard Code for Information Interchange）

15、字符的编码，一般用字符的编码，一般用7 7位二进制码表示位二进制码表示 用用8 8位二进制数表示时，最高位总为位二进制数表示时，最高位总为0 0用一个字节（8位）表示一个ASC字符 09(30H39H), AZ(41H46H), az(61H66H)自动化科学与电气工程学院自动化科学与电气工程学院微机原理微机原理 /2022-2-21202.3 微型计算机运算基础 2. 计算机中二进制数的表示方法 定点数：小数点位置固定（例如纯整数和纯小数）定点数：小数点位置固定（例如纯整数和纯小数） 浮点数：小数点位置不固定（充分利用有限位数，扩大数的表示范围和精度） 关于数的表示，以定点数为主关于数的表示

16、，以定点数为主，定点数中，以整数为主。，定点数中，以整数为主。二进制数算术运算:加、减、乘、除逻辑运算:与、或、非、异或无符号数无符号数有符号数有符号数算术运算自动化科学与电气工程学院自动化科学与电气工程学院微机原理微机原理 /2022-2-21212.3 微型计算机运算基础 3. 计算机中机器数的种类(数的编码)无符号数（正整数） 正整数，8位机器（0255）,16位机器（？）一个n位的无符号二进制数X，其表示范围为： 0 X 2n-1，若运算结果超出这个范围，则产生溢出。溢出的判别方法 运算时，当最高位向更高位有进位（或借位）时则产生溢出。自动化科学与电气工程学院自动化科学与电气工程学院微

17、机原理微机原理 /2022-2-21222.3 微型计算机运算基础 4. 计算机中机器数的种类(数的编码)有符号数的表示 通常数的最高位为符号位，对于字长8位机器数, D7为符号位: 0表示正，1表示负，D6D0为数字位。 连同符号位在一起作为一个数称为机器数，机器数的数值部分称为机器数的真值（带+或-号）。（+91）N1= + 1011011 0 1011011 （-91）N2= 1011011 1 101 1011 真值 机器数对于有符号数，机器数常用原码、反码、补码表示数X的原码记作X原，反码记作X反，补码记作X补自动化科学与电气工程学院自动化科学与电气工程学院微机原理微机原理 /202

18、2-2-21232.3 微型计算机运算基础 X原：最高位为符号位，“0”表示正号，“1”表示符号，其余数字位表示数值。表示简单，但做减法不方便 X=105 X原= 0 1101001 X=105 X原= 1 1101001 X= 52 X原= 1 0110100 X= 52 X原= 0 01101000的原码有两种表示 +0原=0 0000000 -0原=1 0000000n位有符号数原码表示数值的范围是： -（2n-1-1) +( 2n-1-1)思考： 机器数为110110如何用原码表示？（8位机器） 8位二进制数原码的范围?自动化科学与电气工程学院自动化科学与电气工程学院微机原理微机原理

19、/2022-2-21242.3 微型计算机运算基础 X反 ：若X0 ,则 X反=X原，若X0,则 X反= 对应原码的符号位不变，数值部分按位求反 + 4反 = +4原 = 0 0000100, - 4反 = 1 1111011 +127反= +127原 = 0 1111111 - 127反 = 1 0000000 0的反码有两种表示 +0反 = 0 0000000 - 0反 = 1 1111111 n位反码表示数值的范围是: -（2n-1-1) +( 2n-1-1) 负数的反码数值位并不表示此负数的数值，必须按位取反后，才得到表示这7位的二进制数值。 思考： 8位二进制数反码的范围?自动化科学

20、与电气工程学院自动化科学与电气工程学院微机原理微机原理 /2022-2-21252.3 微型计算机运算基础 X补 ：正数的补码表示与原码相同， (最高位 用“0”表示正，其余位为数值位)，负数的补码表示为它的反码+1。 +127补= +127原=0 1111111 -127补= -127反+1=1 0000001 X= 52= 0110100 0的补码只有一种 +0补= +0原=00000000 -0补 = -0反+1=11111111+1 =1 00000000 n位反码表示数值的范围是: -2n-1 +( 2n-1-1) 负数的补码数值位并不表示此负数的数值，必须按位取反并加1后，才得到表

21、示这7位的二进制数值。 思考： 8位二进制数补码的范围?自动化科学与电气工程学院自动化科学与电气工程学院微机原理微机原理 /2022-2-21262.3 微型计算机运算基础 特殊数的码值10000000B 原码： -0 反码： -127 补码： -128 无符号数：1288位机器数对照表位机器数对照表自动化科学与电气工程学院自动化科学与电气工程学院微机原理微机原理 /2022-2-21272.3 微型计算机运算基础 三种码制之间关系及特点 正数：原，反，补相同 负数：原，反，补不同，但最高位为1。 负数: 原反， 符号位不变，尾数按位求反 原原补补 ，符号位不变，尾数按位求反，符号位不变，尾数

22、按位求反+1 补补原，原， 符号位不变，尾数求反符号位不变，尾数求反+1 反反原原 ，符号位不变，尾数求反，符号位不变，尾数求反. x补补补补x原原 补码的加减法运算 加法：两数补码的和等于两数和的补码 x补y补x+y补 减法：两数补码的差等于两数差的补码 x补y补xy补 运算结果: 正常（在数的有效范围内) / 不正常（溢出） 双进位法判断溢出 OF= D7c D6c自动化科学与电气工程学院自动化科学与电气工程学院微机原理微机原理 /2022-2-2128例：负数溢出的情况X=1111 1111 (127)10 Y=1000 0010 (2) 10 1000 0001补码+1111 1110

23、补码=0111 1111 补码 结果： (127) 10 ，D7c1， D6c 0，溢出127(2)129，超出了128 D 127范围2.3 微型计算机运算基础自动化科学与电气工程学院自动化科学与电气工程学院微机原理微机原理 /2022-2-2129例：正数溢出的情况例：正数溢出的情况X=0100 0000 (64)10 Y=01000001 (65) 10 0100 0000补码补码+0100 0001补码补码=1000 0001 补码补码 结果：结果： (127) 10 ，D7c0， D6c 1，溢出，溢出6465129，超出了，超出了128 D 127范围范围2.3 微型计算机运算基础

24、自动化科学与电气工程学院自动化科学与电气工程学院微机原理微机原理 /2022-2-21302.4 微型计算机系统的组成 1. 基本概念运算器运算器 控制器控制器 寄存器组寄存器组 内存储器内存储器 总线总线输入输出输入输出接口电路接口电路外部设备外部设备 软件软件微处理器微处理器微型计算机微型计算机微型计算机系统微型计算机系统自动化科学与电气工程学院自动化科学与电气工程学院微机原理微机原理 /2022-2-21312.4 微型计算机系统的组成系统软件：系统软件：DOS/Windows95/98/2000/unix应用软件：应用软件：WPS 、 Word、Photoshop应用软件应用软件： C

25、AD、MATLAB、LABVIEW微微 处处 理理 器器 CPU 存储器存储器(RAM,ROM) I/O接口接口总线总线 硬硬 件件软软 件件微微 型型计算机计算机系系 统统微微 型型计算机计算机(主机主机)外外 设设ALU寄存器寄存器控制部件控制部件键盘、鼠标键盘、鼠标显示器显示器软驱、硬盘、光驱软驱、硬盘、光驱 打印机、扫描仪打印机、扫描仪自动化科学与电气工程学院自动化科学与电气工程学院微机原理微机原理 /2022-2-21322.4 微型计算机系统的组成 2. 微型计算机硬件软件关系 计算机语言 系统程序 编译系统 机器源文件 计算机硬件用户应用程序系统应用程序操作系统机器指令微指令硬件

26、逻辑电路运算器运算器存储器存储器控制器控制器输出设备输出设备输入设备输入设备原始数据原始数据和指令和指令计算结果计算结果自动化科学与电气工程学院自动化科学与电气工程学院微机原理微机原理 /2022-2-21332.4 微型计算机系统的组成 3. 微型计算机系统结构 微机系统总线：地址总线、数据总线、控制总线存存储储器器I/O接接口口输输入入设设备备I/O接接口口数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地址总线地址总线 AB输输出出设设备备CPU自动化科学与电气工程学院自动化科学与电气工程学院微机原理微机原理 /2022-2-21342.4 微型计算机系统的组成 4.微型计算机的总线结构CP

27、UMI/O总线总线单总线单总线CPUM存储器总线存储器总线I/OI/OI/O总线总线双总线双总线 全局全局M 全局全局I/ODMA控制器控制器双重总线双重总线CPU局部局部I/O局部局部M缓冲器缓冲器总线控总线控制逻辑制逻辑局局部部总总线线全局总线全局总线自动化科学与电气工程学院自动化科学与电气工程学院微机原理微机原理 /2022-2-21352.4 微型计算机系统的组成 5. 微处理器组成 运算器：ALU，参加运算的两个操作数：(1)累加器，(2)内部DB(数据总线)、DR（数据寄存器）、RA（寄存器阵列） 控制器：指令寄存器IR(instruction register) IP指令译码器I

28、D(instruction decoder)可编程逻辑阵列PLA(programmable logic array)自动化科学与电气工程学院自动化科学与电气工程学院微机原理微机原理 /2022-2-21362.4 微型计算机系统的组成 5. 微处理器组成 内部寄存器：累加器A(accumulator) AX(AH/AL)数据寄存器DR(data register) BX/CX/DX程序计数器PC(program counter) CS/IP 地址寄存器AR(address register)标志寄存器F(flag register) FLAG(PSW)自动化科学与电气工程学院自动化科学与电气工程学院微机原理微机原理 /2022-2-21372.4 微型计算机系统的组成 6. 微机存储器(内存): 存放程序和数据的部件 Bit(bit位) , 每个二进制位 Byte(byte),字节, 通常为8个bit,bit7bit0 Word(word),字，两个byte,16个bit，bit15bit0 内存的存储单元（cell）及容量 存储单元中bit的位数 存储单元的标号-地址(实际地址/物理地址)1KB21