微型计算机系统概述.

1、第一章第一章 微型计算机系统概述微型计算机系统概述本章学习目标 了解微型计算机的发展 掌握计算机数据的表示 掌握计算机的组成结构 理解微型计算机的工作过程微处理器 严格讲，微处理器 CPU CPU指的是计算机中执行运算和控制功能的区域，由算术逻辑部件(ALU)和控制部件两大主要部分组成 把CPU和一组称为寄存器（Registers）的特殊存储器集成在一片大规模集成电路或超大规模集成电路封装之中，这个器件才被称为微处理器微型计算机 以微处理器为核心，配上由大规模集成电路制作的只读存储器（ROM）、读写存储器（RAM）、输入输出接口电路及系统总线等所组成的计算机，称为微型计算机。 将这些组成部分集

2、成在一片超大规模集成电路芯片上，称为单片微型计算机，简称单片机微型计算机系统 以微型计算机为中心，配以相应的外围设备以及控制微型计算机工作的软件，就构成了完整的微型计算机系统。 微型计算机如果不配有软件，通常称为裸机 软件分为系统软件和应用软件两大类。 微型计算机系统的三个层次：微处理器微型计算机 微型计算机系统常用术语 位和字节 位（bit）是计算机所能表示的最小最基本的数据单位，它指的是取值只能为0或1的一个二进制数值位。位作为单位时记作b 字节（byte）由8个位二进制位组成，通常用作计算存储容量的单位。字节作为单位时记作B K是kelo的缩写，1K=1024； M是mega的缩写，1M

3、=1024K； G是Giga的缩写，1G=1024M； T是tera的缩写，1T=1024G。常用术语 字长是微处理器一次可以直接处理的二进制数码的位数，它通常取决于微处理器内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度。微处理器的字长有4位、8位、16位、32位和64位等等。 8088称为准16位微处理器。半字节字节字双字03034707078F8F1017181F常用术语 主频 主频也叫做时钟频率，用来表示微处理器的运行速度，主频越高表明微处理器运行越快，主频的单位是MHz。 早期微处理器的主频与外部总线的频率相同，从80486DX2开始，主频=外部总线频率倍频系数 外部总线频率频率通常简称为外频，

4、它的单位也是MHz，外频越高说明微处理器与系统内存数据交换的速度越快，因而微型计算机的运行速度也越快。 倍频系数是微处理器的主频与外频之间的相对比例系数。 通过提高外频或倍频系数，可以使微处理器工作在比标称主频更高的时钟频率上，这就是所谓的超频。常用术语 MIPS MIPS是Millions of Instruction Per Second的缩写，用来表示微处理器的性能，意思是每秒钟能执行多少百万条指令 由于执行不同类型的指令所需时间长度不同，所以MIPS通常是根据不同指令出现的频度乘上不同的系数求得的统计平均值。 主频为25MHz的80486其性能大约是20MIPS， 主频为400MHz的

5、Pentium II的性能为832 MIPS iCOMP指数 iCOMP指数是Intel公司为评价其32位微处理器的性能而编制的一种指标，它是根据微处理器的各种性能指标在微型计算机中的重要性来确定的 iCOMP指数包含的指标有整数数学计算、浮点数学计算、图形处理以及视频处理等，这些指标的重要性与它们在应用软件中出现的频度有关，所以iCOMP指数说明了微处理器在微型计算机中应用的综合性能。常用术语 微处理器的生产工艺 指在硅材料上生产微处理器时内部各元器件间连接线的宽度，数值越小，生产工艺越先进，微处理器的功耗和发热量越小。 英特尔一直拥有世界上虽好的半导体生产技术和生产线。为了研制32纳米技术

6、，公司投资70亿美元用于研发和升级原有的生产线。 目前英特尔长期的CPU对手AMD还处在45纳米阶段，而英特尔不仅已开始大量生产32纳米芯片，下一代22纳米的测试芯片已近完成，预计明年推出。 1米等于10的九次方纳米 微处理器的集成度 指微处理器芯片上集成的晶体管的密度。 最早Intel 4004的集成度为2250个晶体管，目前Pentium III的集成度已经达到750万个晶体管以上，集成度提高了3000多倍。1、1 微型计算机的发展、应用及其分类微型计算机的发展、应用及其分类 1、1、1 微机计算机的发展微机计算机的发展1971年，美国年，美国Intel公司研究并制造了公司研究并制造了I4

7、004微处理器芯微处理器芯片。该芯片能同时处理片。该芯片能同时处理4位二进制数，集成了位二进制数，集成了2300个晶个晶体管，每秒可进行体管，每秒可进行6万次运算，成本约为万次运算，成本约为200美元。它是美元。它是世界上第一个微处理器芯片，以它为核心组成的世界上第一个微处理器芯片，以它为核心组成的MCS-4计算机，标志了世界计算机，标志了世界第一台微型计算机第一台微型计算机的诞生。的诞生。微机概念：微机概念：以大规模、超大规模构成的微处理器作为核以大规模、超大规模构成的微处理器作为核心，配以存储器、输入心，配以存储器、输入/输出接口电路及系统总路线所输出接口电路及系统总路线所制造出的计算机。

8、制造出的计算机。划分阶段的标志：划分阶段的标志：以字长和微处理器型号。以字长和微处理器型号。（1983-1993年）年）32位微处理器时期位微处理器时期 典型产品有典型产品有Intel 4004(1971年、年、4位位)和和Intel 8008（1972年、年、8位）。位）。 特点特点: 1.字长：字长： 4位或位或8位位 2.时钟频率：时钟频率：1MHz 3.平均执行指令时间：平均执行指令时间：1520s 4.集成度：集成度：2000管管/片片第二代（第二代（19731978年）：中高档年）：中高档8位微处位微处理器时代理器时代 Intel 8080,MotorolaIntel 8080,M

9、otorola公司的公司的M6800M6800，ZilogZilog公司的公司的Z80Z80，IntelIntel公司的公司的80858085，RockwellRockwell与与MOS TechnologyMOS Technology的的65026502等。等。 特点特点: : 1.1.字长：字长： 8 8位位 2.2.时钟频率：时钟频率： 2 24MHz4MHz 3.3.平均执行指令时间：平均执行指令时间： 1 12 s2 s 4.4.集成度：集成度：5000 5000 1000010000管管/ /片片 Intel公司的公司的8086/8088、Motorola公公司的司的M68000和

10、和Zilog 公司的公司的Z8000 特点特点: 1.字长：字长： 16位位 2.时钟频率：时钟频率： 540MHz 3.平均执行指令时间：平均执行指令时间： 0.5 s 4.集成度：集成度：20000 60000管管/片片（1983-1993年）年）32位微处理器时期位微处理器时期 19831983年年ZilogZilog公司推出公司推出Z8000Z8000微处理器微处理器 19841984年年MotorolaMotorola公司推出公司推出MC68020MC68020微处理器微处理器 19851985年，年， IntelIntel公司推出能进行多任务处理的公司推出能进行多任务处理的3232

11、位微处理器位微处理器8038680386 19891989年，年， IntelIntel公司推出公司推出8048680486，同期有，同期有MotorolaMotorola公司的公司的M68040M68040 特点特点: : 1.字长：字长： 32位位 2.时钟频率：时钟频率： 10120MHz 3.平均执行指令时间：平均执行指令时间： 0.2s 4.集成度：几十万上百万管集成度：几十万上百万管/片片 1993年年3月，月，Intel公司的奔腾（公司的奔腾（Pentium） 时钟频率：时钟频率：60/66MHz 运行速度：运行速度：100MIPS 集成度：集成度：310万管万管/片片 1995

12、年年2月，月， Intel公司的公司的Pentium Pro 时钟频率：时钟频率：166MHz以上以上 集成度：集成度：550万管万管/片片 1996年年 Intel公司的公司的Pentium MMX （多能奔腾）（多能奔腾） 1997年到年到1999年，年，Intel公司的公司的Pentium 、Pentium 、AMD公司的公司的AMD-K7，这些芯片的集成度高达这些芯片的集成度高达750万管万管/片，时片，时钟频率达到钟频率达到750MHz。 2001年底，年底， Pentium 主频高达主频高达2GHz，具有具有4200万只晶体管，主流高端万只晶体管，主流高端32位位CPU市场的佼佼者

13、。市场的佼佼者。 AMD公司的公司的Athlon CPU，1.33GHz主频主频及及2GHz主频。主频。 20012001年年5 5月，月，IntelIntel公司正式推出了第一公司正式推出了第一种种6464位微处理器位微处理器ItaniumItanium。ItaniumItanium由英由英特尔和惠普联合开发，主要用于工作站特尔和惠普联合开发，主要用于工作站和服务器机型，内置和服务器机型，内置2 24MB4MB的的3 3级缓存、级缓存、工作频率为工作频率为800MHz800MHz及及722MHz722MHz的产品，价的产品，价格为格为11771177美元至美元至44274427美元。美元。

14、AMDAMD公司的公司的AMD-K8 AMD-K8 Intel的CPU的发展史intel 4004，intel 的发展史就是从这块的发展史就是从这块cpu起步的起步的80088085808680286，intel最后一块最后一块16位位cpu80386，intel第一代第一代32位位cpu486，这是intel最后一代以数字编号的cpupentium，传说中的，传说中的586pentium propentium mmxpentiumceleron，引发超频热潮，引发超频热潮pentium_katmaipentiumIntel pentium tualatin/coppermineintel p

15、entium_423intel pentium_478酷睿酷睿2双核双核E8300处理器处理器微型化、网络化、智能化微型化、网络化、智能化微型计算机的发展现状微型计算机的发展现状超级流水线技术将流水线深度增加了一倍超级流水线技术将流水线深度增加了一倍数据流单指令多数据扩展数据流单指令多数据扩展2(SSE2)2(SSE2)指令集扩展指令集扩展MMXMMX和和SSESSE技术技术, ,更好的支持更好的支持DVDDVD播放，音频和播放，音频和3D3D图形图形数据处理，网络流数据处理等数据处理，网络流数据处理等采用了全新的一级（采用了全新的一级（L1L1）指令高速缓存技术）指令高速缓存技术采用先进的采

16、用先进的400MHz400MHz系统总线系统总线 具有双通道具有双通道RDRAMRDRAM，可实现更高性能，可实现更高性能 1、1、2 微型计算机的应用微型计算机的应用 由于微型计算机具有体积小，价格低，性能可靠，结构灵活，使用方便等特点，所以广泛应用于科学计算，信息处理，工业过程控制，人工智能，计算机辅助设计与制造，商业流通等。主要有以下几个方面：1.科学计算和信息处理2.辅助设计和辅助制造3 .测控领域4 .网络通信1. 科学计算和信息处理 科学计算一直是计算机的重要应用领域。发明计算机的原始目的就是为了科学计算 信息处理是微型计算机应用得最广泛的领域。信息处理就是用微型计算机对生产、经济

17、活动、社会和科学研究中获得的大量信息进行存储、分类、变换、计算和传输，以符合人们要求和习惯的形式输出、显示或再控制 2. 辅助设计和辅助制造 计算机辅助设计和辅助制造（CAD/CAM）是微型计算机应用中的另一个重要领域CAD:是指人们利用计算机帮助设计者进行各种工程设计、模拟和测试 CAM:是指利用计算机控制机械加工和制造3. 测控领域1.军事方面 用于导弹、核武器、宇宙飞船、潜水艇、雷达、电子对抗等。2.工业方面 用于化工过程控制、机床自动控制、冶炼过程控制、发电厂控制、装配机械控制、生产自动化控制、机器人等。3.测试与仪器方面 智能仪器、自动测试系统、数据采集系统、虚拟仪器、遥控遥测等。4

18、.通信及交通方面 程控交换机、传真电报、移动通信电台及手记、汽车电子设备、自动点火系统、交通信号控制、自动售票、车辆调度、导航及空中管制、航空自动驾驶。5.文体卫生方面 计算机、CT扫描仪、超声诊断仪、脑电图仪、X射线机。6.家电产品 以嵌入式微处理器为主，如电视机、空调器、电冰箱、洗衣机、电饭锅、智能玩具等4. 网络通信 金融服务 电子商务 电子消息传递 电子数据交换 电视会议 移动通信 1、1、3 微型计算机的分类微型计算机的分类按应用对象分为：按应用对象分为：1、单片机：、单片机：又称单片微控制器又称单片微控制器, ,它不是完成某一个逻辑功它不是完成某一个逻辑功能的芯片能的芯片, ,而是

19、把一个计算机系统集成到一个芯片上。概而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：它主要是将微处理器、部分存储器、输入输出接括的讲：它主要是将微处理器、部分存储器、输入输出接口都集成在一块集成电路芯片上，一块芯片就成了一台计口都集成在一块集成电路芯片上，一块芯片就成了一台计算机算机 2、单板机：、单板机：将计算机的各个部分都组装在一块印制电路将计算机的各个部分都组装在一块印制电路板上，包括微处理器板上，包括微处理器/ /存储器存储器/ /输入输出接口，还有简单的输入输出接口，还有简单的七段发光二极管显示器、小键盘、插座等。功能比单片机七段发光二极管显示器、小键盘、插座等。功能比单片机强，适于

20、进行生产过程的控制。可以直接在实验板上操作，强，适于进行生产过程的控制。可以直接在实验板上操作，适用于教学。适用于教学。 3、PC机（机（Personal Computer ） :面向个人单独使用的一面向个人单独使用的一类微机，实现各种计算、数据处理及信息管理等。类微机，实现各种计算、数据处理及信息管理等。1 1、2 2 计算机中数据的表示和编码计算机中数据的表示和编码 计算机中的数据都是采用二进制形式存储和处理的，计算机中的数据都是采用二进制形式存储和处理的，二进制数只有两个数字二进制数只有两个数字0 0和和1 1，这与我们日常生活中，这与我们日常生活中所使用的十进制数是不同的。所使用的十进

21、制数是不同的。 1 1、2 2、1 1 计算机中常用的数制及其转换计算机中常用的数制及其转换 十进制十进制符合人们的习惯符合人们的习惯 二进制二进制便于物理实现便于物理实现 八进制、十六进制八进制、十六进制便于识别、书写便于识别、书写 1 1、2 2、1、1 进位计数制的表示法进位计数制的表示法 计算机中采用二进制数计算机中采用二进制数B（Binary） ，但为了书写，但为了书写和阅读的方便，引入了八进制数和阅读的方便，引入了八进制数O（Octal）和十六和十六进制数进制数H（Hexadecimal） 。 1、十进制表示法、十进制表示法十进制数是大家熟悉的，用十进制数是大家熟悉的，用0，1，2

22、，8，9十个不十个不同的符号来表示数值，它采用的是同的符号来表示数值，它采用的是“逢十进一，借一当逢十进一，借一当十十”的原则。的原则。十进制表示数值方法如下：十进制表示数值方法如下： N = Ki * 10i 其中：其中：Ki = 0 9ni=-m例：十进制数例：十进制数1234.6表示如下：表示如下：(1234.6)= 1 * 103 + 2 * 102 + 3 * 101 + 4 * 100 +6 * 10-12、二进制表示法、二进制表示法基数为基数为2 2的记数制叫做二进制。的记数制叫做二进制。二进制数的计算规则是二进制数的计算规则是“逢二进一，借一当二逢二进一，借一当二”。 二进制表

23、示数值方法如下：二进制表示数值方法如下： NB = Ki * 2i 其中：其中：Ki = 0 或或 1ni=-m例：二进制数例：二进制数1011.1表示如下：表示如下：(1011.1)B= 1 * 23 + 0 * 22 + 1 * 21 + 1 * 20 +1 * 2-1运算规则：运算规则：加法运算：加法运算：0+0 = 0 0+1 = 1 1+0 = 1 1+1 =10 （逢二进一）（逢二进一）减法运算：减法运算：0-0 = 0 10-1 =1 （借位）（借位） 1-0 = 1 1-1 =0乘法运算：乘法运算：0 * 0 =0 0 * 1 =0 1 * 0 =0 1 * 1 =1除法运算除

24、法运算0 / 1 =0 1 / 1 =13、八进制表示法、八进制表示法八进制数是基数为八的计数制。八进制数主要采用八进制数是基数为八的计数制。八进制数主要采用0，1，2，7这八个阿拉伯数字。这八个阿拉伯数字。八进制数的运算规则为八进制数的运算规则为“逢八进一，借一当八逢八进一，借一当八”。八进制表示数值方法如下：八进制表示数值方法如下： NO = Ki * 8i 其中：其中：Ki = 0 、1、2、3、4、5、6、7ni=-m例：（例：（467.6)O=4 * 82 + 6 * 81 + 7 * 80 + 6 * 8-14、十六进制表示法、十六进制表示法基数为基数为16，用，用0 - 9 、A

25、 - F 十五个字符来数值，逢十六十五个字符来数值，逢十六进一。进一。各位的权值为各位的权值为 16i 。二进制表示数值方法如下：二进制表示数值方法如下： NH= Ki * 16i 其中：其中：Ki = 0 - 9 、A - Fni=-m例：（例：（56D.3)H = 5 * 162 + 6 * 161 + 13 * 160 + 3 * 16-1如何区分不同进位记数制的数字在数字后面加一个字母进行区分： 二进制：数字后面加B, 如1001B 八进制：数字后面加O, 如1001O 十进制：一般不加, 如1001 十六进制：数字后面加H , 如1001H 在明显可以区分其记数制的情况下，可以省略数

26、字后面的字母1 1、2 2、1 1、2 2 进制间的转换进制间的转换1、非十进制数和十进制数之间的转换、非十进制数和十进制数之间的转换按相应按相应进位计数制的权表达式展开，再按十进制求和。进位计数制的权表达式展开，再按十进制求和。例例:11101.101B=124+123+122+021+120+12-1+02-2+12-3=16+8+4+0+1+0.5+0.25+0.125 =29.875 13FAH = (?)10（2）、十进制数转换为二进制数）、十进制数转换为二进制数方法：方法：A、将整数部分和小数部分分别进行转换，然后再把转、将整数部分和小数部分分别进行转换，然后再把转换结果进行相加。

27、换结果进行相加。B、整数转换采用、整数转换采用除除2取余法取余法：用用2不断地去除要转换的不断地去除要转换的数，直到商为数，直到商为0。再将每一步所得的余数，按逆序排列，。再将每一步所得的余数，按逆序排列，便可得转换结果。便可得转换结果。C、小数转换采用、小数转换采用乘乘2取整法取整法：每次用每次用2与小数部分相乘，与小数部分相乘，取乘积的整数部分，再取其小数部分乘取乘积的整数部分，再取其小数部分乘2直到小部分为直到小部分为0。将所取整数顺序放在小数点后即为转换结果。将所取整数顺序放在小数点后即为转换结果。例：将（例：将（136）D转换为二进制数。转换为二进制数。 2 136 余数（结果）余数

28、（结果） 低位低位 2 68 - 0 2 34 - 0 2 17 - 0 2 8 - 1 2 4 - 0 2 2 - 0 2 1 - 0 0 - 1 高位高位转换结果：（转换结果：（136）D=（10001000）B例：将（例：将（0.625)D转换为二进制数。转换为二进制数。0.625 * 2 1.25 * 2 0.5 * 2 1.0 取整：取整： 高位高位 低位低位转换结果：转换结果：(0.625)D = (0.101)B例 、将十进制数45.25转换成二进制数例、将十进制数45.25转换成十六进制数 整数部分 小数部分452=22 余1 低位 0.252=0.5 取整数0 高位222=1

29、1 余0112=5 余1 0.52=1.0 取整数1 低位 52=2 余1 22=1 余0 11=0 余1 高位所以，45.25=(101101.01)2 或(101101.01)B45.25= (0010，1101.0100)B=(2D.4)16 或(2D.4)H2、二进制数和八进制数、十六进制数间的转换、二进制数和八进制数、十六进制数间的转换（1）、二进制数到八进制数、十六进制数的转换）、二进制数到八进制数、十六进制数的转换A、二进制数到八进制数转换采用、二进制数到八进制数转换采用“三位化一位三位化一位”的方的方法。法。从小数点开始向两边分别进行每三位分一组，向从小数点开始向两边分别进行每

30、三位分一组，向左不足三位的，从左边补左不足三位的，从左边补0；向右不足三位的，从右边；向右不足三位的，从右边补补0。B、二进制数到十六进制数的转换采用、二进制数到十六进制数的转换采用“四位化一位四位化一位”的方法。的方法。从小数点开始向两边分别进行每四位分一组，从小数点开始向两边分别进行每四位分一组，向左不足四位的，从左边补向左不足四位的，从左边补0；向右不足四位的，从右；向右不足四位的，从右边补边补0。例：将例：将(1000110.01)B转换为八进制数和十六进制数。转换为八进制数和十六进制数。 1 000 110 . 01 001 000 110 . 010 ( 1 0 6 . 2 )O二

31、进制数到十六进制数的转换：二进制数到十六进制数的转换：（1000110.01）B = 100 0110 . 01 0100 0110 . 0100(4 6 . 4)H（2）、八进制、十六进制数到二进制数的转换）、八进制、十六进制数到二进制数的转换方法：采用方法：采用“一位化三位（四位）一位化三位（四位）”的方法。的方法。按顺序按顺序写出每位八进制（十六进制）数对应的二进制数，所写出每位八进制（十六进制）数对应的二进制数，所得结果即为相应的二进制数。得结果即为相应的二进制数。例：将例：将(352.6)o转换为二进制数。转换为二进制数。 3 5 2 . 6 011 101 010 110 =(11

32、 101 010 . 11)B无符号二进制数的运算无符号二进制数的运算 无符号数 算术运算 有符号数 逻辑运算一、无符号数的运算 算术运算 包括： 加法运算 减法运算 乘法运算 除法运算1. 规则 加法：1+1=0（有进位）, 减法：0-1=1（有借位）, 乘除法： 一个数乘以2相当于该数左移一位；除以2则相当于该数右移1位。 例： 000010110100=00101100B 000010110100=00000010B11B 即： 商=00000010B 余数=00000011B2. 无符号数的表示范围 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

33、生溢出。（或者说运算结果超出n位，则产生溢出）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。例： 11111111 + 00000001 1 00000000结果超出位（最高位有进位），发生溢出。（结果为256，超出位二进制数所能表示的范围255） 3. 逻辑运算 与()、或()、非() 、异或() 特点：按位运算，无进借位 运算规则.例：A=10110110, B=01101011求：AB, AB, AB 4. 逻辑门逻辑门：完成逻辑运算的电路掌握： 与、或、非门逻辑符号和逻辑关系（真值表）； 与非门、或非门的应用。与门（AND Gate）Y = ABABY000010

34、100111&ABY注：基本门电路仅完成注：基本门电路仅完成1位二进制数的运算位二进制数的运算或门（OR Gate）Y = ABABY000011101111YAB11非门（NOT Gate）1AYY = AAY0110异或门（eXclusive OR Gate）Y = ABYABABY0000111011101、2、2 带符号二进制数的表示及运算带符号二进制数的表示及运算 计算机中的带符号二进制数计算机中的带符号二进制数 把二进制数的把二进制数的最高位最高位定义为符号位定义为符号位 符号位为符号位为 0 表示表示正数正数，符号位为，符号位为 1 表示表示负数负数 连同符号位一起数值化

35、了的数，称为连同符号位一起数值化了的数，称为机器数机器数。 机器数所表示的真实的数值，称为机器数所表示的真实的数值，称为真值真值。（在以下讲述中，均以位二进制数为例）（在以下讲述中，均以位二进制数为例）例： +52 = +0110100 = 0 0110100 符号位数值位 -52 = -0110100 = 1 0110100 真值真值机器数机器数符号数的表示符号数的表示对于符号数，机器数常用的表示对于符号数，机器数常用的表示方法有方法有原码原码、反码反码和和补码补码三种。三种。数数X的原码记作的原码记作 X 原原，反码记作，反码记作 X 反反，补码记作，补码记作 X 补补。注意：对正数，三种

36、表示法均相同。注意：对正数，三种表示法均相同。 它们的差别在于对负数的表示。它们的差别在于对负数的表示。1. 原码 X 原原 定义符号位：0表示正，1表示负； 数值位：真值的绝对值。nnnXXXXX 11122200-原码的例子原码的例子真值X=+18=+0010010X=-18=-0010010原码X原 =0 0010010X原 =1 0010010符号符号位n位原码表示数值的范围是位原码表示数值的范围是对应的原码是对应的原码是1111 0111。() ()nn112121数数0的原码的原码 8位数0的原码：+0 = 0 0000000 - 0 = 1 0000000 即：数0的原码不唯一。

37、nnnXXX|X|X 112(2 1) 2002. 反码 X 反反 若X0 ，则 X反=X原 若X0， 则X补= X反= X原 若X0， 则X补= X反+1-nnnXXXXX 11222 00 -例： X= 52= 0110100 X原 = 10110100 X反 = 11001011 X补 = X反+1=11001100n位补码表示数值的范围是位补码表示数值的范围是对应的补码是对应的补码是1000 0111。()11221nn0的补码： +0补= +0原=00000000 -0补= -0反+1=11111111+1 =1 00000000 对对8 8位字长，进位被舍掉位字长，进位被舍掉+0补

38、= -0补= 00000000特殊数10000000 该数在原码中定义为： -0 在反码中定义为： -127 在补码中定义为： -128 对无符号数：(10000000) = 1288位有符号数的表示范围： 对8位二进制数：原码： -127 +127反码： -127 +127补码： -128 +127想一想：16位有符号数的表示范围是多少？有符号二进制数与十进制的转换对用补码表示的二进制数： 1）求出真值 2）进行转换例： 将一个用补码表示的二进制数转换为十进制数。 1) X补 = 0 0101110B 真值为：+0101110B 正数 所以：X=+46 2) X补 = 1 1010010B

39、负数 X = X补补 = 11010010补 = - 0101110B 所以：X = - 46负数补码求真值：符号位为负数补码求真值：符号位为1，数值位按位求反加，数值位按位求反加1 补码加减法的运算规则 通过引进补码，可将减法运算转换为加法运算。规则如下：X+Y补=X补+Y补 X-Y补=X补+-Y补 其中X，Y为正负数均可，符号位参与运算。*补码的运算原理 模模(module)就是一个计数系统的最大容量。就是一个计数系统的最大容量。例如例如，钟表的模为，钟表的模为12，8位二进制数的模为位二进制数的模为28。 凡是用器件进行的运算都是有模运算，凡是用器件进行的运算都是有模运算，运算结果超运算

40、结果超过模的部分会被运算器过模的部分会被运算器自动丢弃自动丢弃。因此，当。因此，当器件为器件为n位时，有位时，有X=2n+X (mod 2n)不难验证，不难验证， X补补=2n+X (mod 2n)因此，因此， X Y补补= 2n + (X Y) (mod 2n) = (2n+X) + (2n Y) (mod 2n) = X补补+ Y补补例： 例例1-10 计算（-70+55） -70原 =11000110 -70补= -70反+1=10111001+1 =10111010 55补=55原 = 00110111 -70补+55补 =10111010+ 00110111= 11110001 因符

41、号位为“1”，所以对补码相加结果11110001的数值部分 “求反加1”得：-15 所以：-70+5515符号数运算中的溢出问题 进进(借借)位位 在加法过程中，符号位向更高位产生进位； 在减法过程中，符号位向更高位产生借位。 溢出溢出 运算结果超出运算器所能表示的范围。溢出的判断方法 方法： 同号相减或异号相加不会溢出。 同号相加或异号相减可能溢出： 两种情况：两种情况：同号相加时，结果符号与加数符号相反溢出；异号相减时，结果符号与减数符号相同溢出。 方法： 两个8位带符号二进制数相加或相减时，若 C7C61， 则结果产生溢出。 C7为最高位的进(借)位；C为次高位的进(借)位。例：有符号数

42、运算，有溢出表示结果是错误的有符号数运算，有溢出表示结果是错误的无符号数运算，有进位表示结果无符号数运算，有进位表示结果是是错误的错误的 1 0 1 1 0 1 0 1 + + 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 + + 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 + + 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1CASE1:CASE2:CASE3（无符号数）（无符号数）:数的扩展可以通过扩大数的表示范围防止溢出。但数的扩展可以通过扩大数的表示范围防止溢出

43、。但数的扩展不能改变数的大小，只能改变数的位数。不能改变数的大小，只能改变数的位数。正数扩展：高位全部加正数扩展：高位全部加0；负数扩展：高位全部加负数扩展：高位全部加1。例例 扩展数（扩展数（-70）的位数）的位数 解：解： -70 补补 10111010 1111111110111010纯小数的补码计算当为纯小数时，对当为纯小数时，对8位二进制数，只需除以位二进制数，只需除以27即可。即可。此时补码表示的范围是此时补码表示的范围是+127/128 -1，小数形式，小数形式是是0.11111111.0000000。小数点位于。小数点位于b7和和b6之间，之间，整数部分个位是符号位。整数部分个

44、位是符号位。 例例1 求求 +12/128 的补码的补码+12/128反反=+12/128原原=0.09375原原= 0.00011000.09375*2 0.1875*2 0.375*2 0.75 1.5 1.0取整：取整： 高位高位 低位低位转换结果：转换结果：(0. 09375)D = (0.0001100)B例例2求求 -12/128 的补码的补码0.09375*2 0.1875*2 0.375*2 0.75 1.5 1.0取整：取整： 高位高位 低位低位转换结果：转换结果：(0. 09375)D = (0.0001100)B-12/128原原=-0.09375原原 = 1.00011

45、00-12/128反反 = 1.1110011-12/128补补= 1.1110011反反+1 = 1.11101004. 移码移码 x移移定义：定义： x移移2n-1+x，x移移为机器数为机器数 ，x为真为真值值移码是将真值在数轴上往正方向平移了移码是将真值在数轴上往正方向平移了2n-1。对。对8位位数，平移了数，平移了27=128。移码也被称作余码、增码或者。移码也被称作余码、增码或者偏移二进制码。在偏移二进制码。在A/D、D/A外围电路中，常用到外围电路中，常用到移码。移码。求一个数的移码时只需将其二进制补码的符求一个数的移码时只需将其二进制补码的符号位取反即可。号位取反即可。 +5补补

46、=00000101 +127补补=01111111+5移移=10000101 +127移移=111111110补补=00000000 -128补补=10000000 0移移=10000000 -128移移=00000000 1.2.3 数的定点与浮点表示数的定点与浮点表示对对 R进制数进制数 NR=S * RP，可以有很多表示方法。，可以有很多表示方法。如：十进制数：如：十进制数：265.78 可以有：可以有：265.78 、2657.8 * 10-1、0.26578 * 103 、2.6578 *102等。等。1 、定点数表示法、定点数表示法一般采用两种简单的约定：定点整数和定点小数。一般采

47、用两种简单的约定：定点整数和定点小数。 （1）、定点整数）、定点整数A、带符号整数：、带符号整数：某个某个N位二进制数，其最高位为符号位，位二进制数，其最高位为符号位，其它其它N-1位为数值部分：位为数值部分： Nf Nn-2 Nn-3 N2 N1 N0符号位符号位 数值部分数值部分 小数点小数点 B、无符号整数：所有的数位都用来表示数值。、无符号整数：所有的数位都用来表示数值。 Nn-1 Nn-2 Nn-3 N3 N2 N1 N0 数值部分数值部分 小数点小数点（2）、定点小数）、定点小数用最高位表示符号，其它用最高位表示符号，其它N-1位表示数值部分，将小数位表示数值部分，将小数点定在数值

48、部分的最高位左边。点定在数值部分的最高位左边。 Nf Nn-2 Nn-1 N2 N1 N0符号位符号位 数值部分数值部分 小数点小数点 例例 +0.1011010表示为表示为01011010 - 0.1011010表示为表示为110110102、浮点数表示、浮点数表示浮点数：小数点在数据中的位置可以左右移动。浮点数：小数点在数据中的位置可以左右移动。 N = S * R P， 二进制二进制 N = S * 2 P在计算机内，存储的格式：在计算机内，存储的格式： Pf P(m位位) Sf S(n位位) 阶码部分阶码部分 尾数部分尾数部分其中：其中：Pf：阶符，表示阶码的正负，：阶符，表示阶码的正

49、负，0为正，为正，1为负为负 P：阶码，整数，常用补码表示：阶码，整数，常用补码表示 Sf：尾符，表示尾数的正负，：尾符，表示尾数的正负，0为正，为正，1为负为负 S：尾数，纯小数，用原码表示，：尾数，纯小数，用原码表示，规格化规格化表示表示法法例如：例如： N1= 2001 01011 真值为真值为 20.6875=1.375 N2= 2010 01011 真值为真值为 40.6875=2.75 N1与与N2是两个大小不同的数是两个大小不同的数 浮点数：小数点在数据中的位置可以左右移动。浮点数：小数点在数据中的位置可以左右移动。 N = S * R P， 二进制二进制 N = S * 2 P

50、2.浮点数的表示范围和规格化浮点数的表示范围和规格化1)在相同位数情况下，浮点数的表示范围比定点数大在相同位数情况下，浮点数的表示范围比定点数大 如：如：8位二进制表示位二进制表示(包含符号位包含符号位) 定点小数定点小数：其表示的数的范围是：其表示的数的范围是0000000101111111 相当于十进制数的相当于十进制数的1/128127/128浮点数表示浮点数表示：若用：若用3位表示阶码位表示阶码(其中含一位符号位其中含一位符号位)，5位表示尾数位表示尾数(含一位符号位含一位符号位),其表示的数的范围是：其表示的数的范围是：2110.00012+110.1111，相当于十进制数，相当于十

51、进制数1/1287.5 当机器字长一定时，分给阶码的位数越多，尾数占用的位数就越当机器字长一定时，分给阶码的位数越多，尾数占用的位数就越少，则数的表示范围越大。而尾数占用的位数减少，必然会减少少，则数的表示范围越大。而尾数占用的位数减少，必然会减少数的有效位数，影响数的精度。因此，字长一定时，阶码与尾数数的有效位数，影响数的精度。因此，字长一定时，阶码与尾数的位数要根据数的表示范围和精度要求来合理分配。的位数要根据数的表示范围和精度要求来合理分配。 2）浮点数的规格化表示）浮点数的规格化表示 规格化规格化表示：使数值最高位为有效数值位。表示：使数值最高位为有效数值位。 尾数用尾数用原码原码表示

52、时，使其最高位为表示时，使其最高位为 1。正数规格化。正数规格化后，尾数的形式为后，尾数的形式为01 负数规格化后，尾数负数规格化后，尾数的形式为的形式为11 。 尾数用尾数用补码补码表示时，应满足尾数最高数值位与符号表示时，应满足尾数最高数值位与符号位不同，即位不同，即0.1 和和 1.0 。 规格化操作：相应地调整尾数和阶码的大小，使其规格化操作：相应地调整尾数和阶码的大小，使其满足要求。满足要求。例例: 将将0001120和和0001120转换成规格化数转换成规格化数(原码原码)解：解：00011200110022 因为是正数因为是正数,将尾数左移将尾数左移2位，使小数点后第一位为位，使

53、小数点后第一位为1000112011100221、2、4 计算机中常用的编码计算机中常用的编码一、十进制数的表示一、十进制数的表示BCD码码 用用4位二进制数表示一位十进制数。有两种表示位二进制数表示一位十进制数。有两种表示法：法：压缩压缩BCD码码和和非压缩非压缩BCD码。码。 压缩压缩BCD码的每一位用码的每一位用4位二进制表示，位二进制表示，00001001表示表示09，一个字节表示两位十进制数。，一个字节表示两位十进制数。例如：十进制数例如：十进制数4256的压缩的压缩BCD码表示为：码表示为：0100 0010 0101 0110 B 非压缩非压缩BCD码用一个字节表示一位十进制数，

54、码用一个字节表示一位十进制数，高高4位总是位总是0000，低，低4位的位的00001001表示表示09。例如：十进制数例如：十进制数4256的非压缩的非压缩BCD码表示为：码表示为： 00000100 00000010 00000101 00000110 B 计算机中除了能够处理数值数据以外，计算机中除了能够处理数值数据以外，还可以处理文字、语音、图像等各种信还可以处理文字、语音、图像等各种信息，这些信息统称为非数值数据。息，这些信息统称为非数值数据。 非数值数据在计算机中也必须以非数值数据在计算机中也必须以二进制二进制形式形式表示，非数值数据的表示本质上是表示，非数值数据的表示本质上是编码的

55、过程。编码的过程。 最常用的数据编码：美国标准信息交换最常用的数据编码：美国标准信息交换代码代码(American Standard Code for Information Interchange, ASCII码码) （见下页（见下页ASCII编码表）编码表）二、非数值数据的表示二、非数值数据的表示ASCII码美国标准信息交换代码美国标准信息交换代码汉字编码汉字编码信息交换用汉字编码信息交换用汉字编码（GB-2312-80） l国家根据汉字的常用程度定出了一级和二级汉字字符集，并规定了编码，这就是中华人民共和国国家标准信息交换用汉字编码（GB-2312-80）中的汉字的编码，即国标码。l国标

56、码字符集共收录汉字和图形符号7445个。l该字符集中的任何一个图形、符号及汉字都是用两个7位的字节表示的。 汉字的表示方法（一级汉字3755个，二级汉字3008个） 输入码 国标码 一级（1655）*94 二级（5687）*94 图形符号（682个）（0109）*94 拼音、五笔 汉字内码：汉字信息的存储，交换和检索的机内代码，两个字节组成，每个字节高位都为1（区别于英文字符）汉字字模码：汉字字形 点阵 汉字库计算机中常用数据单位 bit 1Mb=10241024bit=220bit 1Gb=230bit=1024Mb 1Tb=240bit=1024Gb Byte 1 Byte=8bit，1K

57、B=1024 Byte， Word 表示字长，有1bit, 4bit, 8bit, 16bit等， 一般情况下为2Byte(16bit)。1.3 微型计算机系统微型计算机系统 要求：要求：l了解微处理器、微型计算机系统的基本组成；了解微处理器、微型计算机系统的基本组成；l理解指令执行的基本过程；理解指令执行的基本过程；l掌握微型计算机的基本组成及主要性能指标。掌握微型计算机的基本组成及主要性能指标。 冯诺依曼计算机的设计思想1、存储程序：将解题的程序（指令序列）存放在存储器中称为存储程序。2、程序控制：控制器依据存储的程序控制全机协调地完成计算任务叫程序控制。3、冯诺依曼计算机的设计思想1）计

58、算机应包括运算器、存储器、控制器和输入/输出设备。2）计算机内部采用二进制来表示指令和数据3）程序和原始数据事先存入主存储器中，使计算机在工作时能够自动高速地从存储器中取出指令并加以执行，即存储程序的概念。译码器是将输入代码转换成相应输出信号的逻辑电路。CPU的设计者对CPU的所有指令进行编码;用户用编码形式的指令进行编程，程序存放在内存中;CPU从内存取来编码形式的指令,对指令进行译码，发出执行该指令功能所需的信号。指令译码器: 将指令代码转换成该指令所需的各种控制信号。地址译码器: 将地址信号转换成各地址单元相应的选通信号。1.3.1 微处理器 微处理器也称作中央处理单元，简称CPU（Ce

59、ntral Processing Unit）,本身具有运算和控制功能 控制器：负责全机的控制工作 运算器：执行所有的算术和逻辑运算 微处理器是微型计算机的核心，多数CPU是单片的，有时也会见多片型的，即几个片合起来完成一个CPU的功能. 1.进行算术和逻辑运算进行算术和逻辑运算 2.能对指令进行译码并执行规定的动作能对指令进行译码并执行规定的动作 3.可暂存少量数据可暂存少量数据 4.提供整个系统所需要的定时和控制提供整个系统所需要的定时和控制 5.能和存储器、外设交换数据能和存储器、外设交换数据 6.可以响应其他部件发来的中断请求可以响应其他部件发来的中断请求 1.1.算术逻辑部件算术逻辑部

60、件（ALUALU）处理各种数据信息，可以进行加、减、乘、除处理各种数据信息，可以进行加、减、乘、除算术和与、或、非、异或等逻辑运算算术和与、或、非、异或等逻辑运算 2.2.累加器累加器(AC)(AC)和通用寄存器组和通用寄存器组用来保存参加运算的数据以及运算的中间结果，用来保存参加运算的数据以及运算的中间结果，也用来存放地址也用来存放地址 3.3.程序计数器程序计数器（PCPC）指向下一条要取出的指令，指向下一条要取出的指令，自动加自动加 1 1 4.4.指令寄存器指令寄存器（IRIR）存放从存储器中取出的指令码存放从存储器中取出的指令码 5.5.译码器译码器（IDID）对指令码进行译码和分析，从而确