单片微机原理与应用part_01课件

1、 单片机原理与应用 性 质：专业基础课 考核方式：考试 学 时： 学 分：学习参考教材：单片微机原理与应用 主编：罗印升等 第1版 机械工业出版社参考书：1、单片机原理与应用及C51程序设计 谢维成，清华大学出版社2、单片微型计算机与接口技术 李群芳等，电子工业出版社3、单片机的C语言应用程序设计 马忠梅等，北京航空航天大学出版社参 考 网 址 周立功单片机 www.51C 建立起微型机的体系结构、单片机的一般组成概念；2. 理解单片机硬件系统各部分的构成及工作原理；3. 熟练掌握单片机指令系统、汇编语言程序设计方法；4. 熟练掌握单片机硬件扩展及调试方法；5. 熟练掌握单片机应用系统的设计、

2、程序编写与调试；6. 掌握单片机的C语言开发与调试方法。考核方式平时（作业、考勤和课外）、实验： 30% 期末考试： 70%2022/7/213本课程学习的几点建议： 本课程是一门实践性、应用性很强的技术性课程听懂远远不够,重在实践动手动脑、提高应用能力。硬件/软件同样重要、不可偏废 硬件是基础，软件是灵魂，相互配合，组成系统。先行基础课程：电路、模拟电路、数字电路 这方面知识掌握得不够好的同学请自己复习。预习、听课、复习思考、作业、实践环环都重要用科学的方法学习，善于总结、归纳，提高效率。2022/7/214第1章 微型计算机基础知识 1.1 微型计算机系统概述 1.2 计算机中的数制与编码

3、 1.3 计算机中数的表示与编码2022/7/215 本章主要内容为微型计算机的基础知识，是学习和掌握单片机原理与应用技术的基础。从一般微型计算机概念入手，首先介绍其组成、各部分的作用与工作原理；其次介绍单片机的产生、特点、应用与发展趋势；然后介绍了进位计数制及其转换和码制；最后介绍了机器数的表示与运算。 【基本知识点与要求】 (1) 理解微型计算机的组成、各部分的作用及工作原理与过程。(2) 了解单片机的产生、应用与发展趋势，理解单片机的特点。(3) 掌握进位计数制表示及其相互转换方法。(4) 掌握机器数及表示方法和运算。 【重点与难点】 重点是微型计算机的组成及各部分的作用，单片机的特点，

4、进位计数制的表示及其相互转换方法，机器数及其表示方法和运算。难点是补码的概念、运算及微型计算机的工作原理与过程。 【内容提要】 第1章 微型计算机基础知识2022/7/2161.1 微型计算机系统概述 世界上第一台数字电子计算机以冯.诺依曼（John Von Neumann ）提出的计算机体系结构而诞生，这种结构沿用至今，是计算机的经典结构。 1.计算机硬件组成：计算机的硬件由运算器、控制器、存储器和输入、输出设备五大部分组成。其主要思想包括： 2.软件构成及形式：数据和程序以二进制代码的形式不加区分地存放在存储器中，存放位置由地址指定，地址码也是二进制形式。 3.程序控制式：控制器根据存放在

5、存储器中的指令序列即程序来工作，并由程序计数器控制指令执行；控制器具有判断能力，能够根据计算结果选择不同的动作流程。 2022/7/217以控制器和运算器为核心、以存储程序原理为基础运算器输出设备控制器输入设备存储器指令驱动指令流控制命令数据流1.1 微型计算机系统概述计算机硬件结构2022/7/218 1.微型计算机的组成与作用 微处理器、内存储器，总线，I/O接口主机、主机板2022/7/2191.1 微型计算机系统概述 芯片组：固定在主板上的一组超大规模集成电路芯片（VLSI)的总称，用于控制和协调整个计算机系统的运行。它决定了计算机系统中各个部件的选项，目前不可进行简单的升级。 CMO

6、S：主板上的一个CMOS RAM集成电路芯片（简称CMOS），由电池供电，在计算机关机时信息不会丢失。它用来存放系统运行必须的硬件配置信息，如微处理器、芯片组、显示器、光驱、基本外部设备、启动顺序等参数。另外，它进行计时和提供实时的日历和时间。新买的计算机一般要进行基本设置（Setup），向CMOS写信息。 系统BIOS：是一组被固化在只读存储器中的程序，二者合在一起称为固件。其中包含如下几个三个模块。 通电自检（POST）:CPU 从OFFFF0H单元执行指令，进入自检。 系统初始化：基本设备和可编程器件的初始化，通过自举启动OS 系统设置（Setup）：系统通电后按Del键进入Setup程

7、序，修改参数。2022/7/2110 1.微型计算机的组成与作用 微型机主机板，接口2022/7/2111 1.微型计算机的组成与作用 2022/7/2112存储器I/O接口输入设备I/O接口地址总线 AB输出设备CPU数据总线 DB控制总线 CBI/O接口AB: Address Bus，DB: Data Bus，CB: Control Bus（1）运算器、控制器合在一起称中央处理单元(CPU)，整个cpu集成在一块电路芯片上称微处理器Microprocessor，MPU）。 1.微型计算机的组成与作用 2022/7/2113 1.微型计算机的组成与作用 （2）总线：是微型计算机中各部件之间传

8、递信息的信号线的集合。根据传递信息类型分：数据总线（DB）、地址总线（AB）和控制总线（CB）。 地址总线：传送由CPU发出的用于选择访问部件的地址。 数据总线：传送微型计算机内部各种类型的数据，数据既可以从外部流向CPU，也可以从CPU流向外部。n位的CPU，通常其数据总线就是n位。也有数据线和地址线采用分时复用方式。 控制总线：传送保证微型计算机同步和协调的定时和控制信号。不同型号的CPU，控制总线的数量、方向和用途不同。最基本的包括：读、写控制信号，中断请求、应答信号，同步信号等。2022/7/2114 1.微型计算机的组成与作用 CPU北 桥南 桥RAMCacheAGPCRTBIOSK

9、BD，Mouse串行/并行接口HDD/CDROM(IDE)FDDUSBPCIISACPU总线接口卡外设总线扩展槽按层次结构总线一般分三层：CPU 总线系统总线外设总线2022/7/2115 1.微型计算机的组成与作用 CPU总线，即就是微处理器级总线。由CPU引脚上引出，实现CPU和外围控制芯片之间的连接。 系统级总线，也称I/O通道总线。用于与控制芯片组、存储器、输入输出接口相连接。常见的总线包括ISA（Industrial Standard Architecture，工业标准结构）总线，PCI（Peripheral Component Interconnect，外设组件互连）总线等。 外设

10、总线，最外层的总线，指计算机主机与外部设备相连接的总线。实际上是外部设备的接口标准。如IDE,USB ，RS-232C等。2022/7/2116 1.微型计算机的组成与作用 总线的性能指标 总线的工作频率：即总线的时钟频率，单位MHz，用于协调总线上的各种操作的时钟信号的频率。 总线带宽=（总线位宽/8）*总线工作频率（MBps） 总线的带宽：是指单位时间内总线上可传送的数据量，即常说的每秒传送的多少字节数。类似车流量 总线的位宽: （字节）指总线能够同时传送的数据位数，就是 我们常说的多少位总线宽度，一般和CPU的位数相同。车道数2022/7/2117 1.微型计算机的组成与作用 （3）存储

11、器：用来存放程序、数据、运算结果和各种需要保存 的信息。它们以二进制数形式保存，存放二进制信息的单元称为 存储单元。每一个存储单元必须有一个固定的编号，即为单元地 址，对存储器单元存放（写入）或者取出（读出）信息称为访问 存储器。 主存、缓存和外部存储器。 主存储器（简称内存，动态RAM) ：系统运行中临时存放CPU正在使用的数据和正在运行的程序。 高速缓冲存储器：为了加快运算速度，在CPU和主存储器之间增设的一级或两级高速（和CPU的速度相当）小容量存储器，称之（Cache）。命中率，和主存储器的容量约为1：128。2022/7/2118 1.微型计算机的组成与作用 Word（字）计算机内部

12、进行数据传送、处理的基本单位。一个字包含的二进制位数称字长。计算机性能的一个重要指标。一般由2个字节构成。 存储器常用术语 bit（位，比特） 1个二进制位，信息的基本单位。b Byte（字节）由相邻的8个二进制位组成，通常存储器以字节为单位存储信息。KB，MB，GB，TB2022/7/2119 1.微型计算机的组成与作用 虚拟存储器：在内存和外存之间增加硬件和软件支持，使两者形成一个有机整体，用户可以编写比实际内存大很多的应用程序。程序预先存放在外存，执行时由OS按置换算法依次调入内存被CPU执行。这样，从CPU看就像有一个速度接近内存、具有外存容量的假想存储器，即称之为。 存储器：程序存储

13、器和数据存储器。 程序存储器：只读存储器（ROM），掉电后信息不会丢失。通常存放程序、数据表。ROM，PROM，EPROM，EEPROM，Flash ROM。 外存储器：计算机系统中用于半永久性地保存信息的外部存储器，简称外存，如磁盘存储器、光盘存储器等。 2022/7/2120存储器RAMROM动态DRAM静态SRAMRandom Access Memory掩膜ROM Read Only Memory现场可编程PROM Programmable ROM可擦可编程EPROM Erasable PROM电可擦可编程E2ROM Electrically EPROM闪速存储器 Flash Memor

14、y AT89S51/52/55AT89C1051/2051/4051易失非易失程序存储器数据存储器4k/8k/20k1k / 2k / 4k并行、串行 1.微型计算机的组成与作用 2022/7/2121 1.微型计算机的组成与作用 （4）输入/输出接口（I/O接口）：是CPU与外部设备进行信息交换的桥梁。实现速度和电平匹配、格式和类型转换等。完成外设选择，对外设发布命令或将外设的状态发给CPU。为了区分状态、控制和数据信息，需要有不同的寄存器和控制电路。将接口中不同的寄存器及其控制电路成为I/O端口（PORT）。端口地址。（5）I/O设备：完成从外部设备输入程序和数据，并将运算结果以人们熟悉的

15、形式输出。 数据存储器：RAM ，可进行读写操作，掉电后信息会丢失。通常存放随时修改的数据、如中间运算结果等。2022/7/2122 2.微型机的工作原理 (1) 指令的执行过程2022/7/2123 2.微型机的工作原理 取指令指令译码取操作数执行指令存结果 问题：1. CPU如何知道从哪里取出程序的第一条指令？操作系统2. CPU如何按程序控制流执行指令？程序计数器3. CPU如何知道从哪里取操作数？ 地址、寻址方式 (1) 指令的执行过程 指令执行三步曲：取指令-指令译码-执行指令其中的“取操作数”和“存结果”不是必须的操作，需要根据指令的操作来决定。2022/7/2124 2.微型机的

16、工作原理 (1) 指令的执行过程地址寄存器AR累加器A加法器数据寄存器DR指令寄存器IR指令译码器ID时序逻辑电路时序控制信号（控制命令）1011 00000000 01010000 01000000 10001111 0100内部总线存储器0001020304程序计数器PC地址MOV A, 5ADD A, 8HLT地址总线+1地址译码器读写控制电路输出地址1011 0000锁存指令锁存数据置初值输出指令地址锁存地址读写命令指令译码锁存输出2022/7/2125 2.微型机的工作原理 (2) 指令流水线技术 CPU执行一条指令的过程类似于工厂的生产流水线，被分解为多个小的步骤，称为指令流水线。

17、即将每条指令分解为多步，并让各步操作重叠，从而实现几条指令并行处理的技术。取指令指令译码取操作数执行指令存放结果原料调度分配生产线成品仓库出厂数据和程序指令控制器的调度分配ALU等 功能部件处理后的数据存储器输出2022/7/2126取指令1指令译码地址生成取操作数CPU忙 碌空闲执行指令保存结果忙 碌空闲忙碌空闲t1t0t2t3t4t5 2.微型机的工作原理 (2) 指令流水线技术CPU采用串行工作方式忙 碌空闲BUS2022/7/2127CPU采用并行工作方式 2.微型机的工作原理 指令1指令1指令1指令1指令2指令2指令2BUS忙碌指令2取指令t1t0t2t3t4t5指令1指令2忙碌忙碌

18、忙碌忙碌忙碌 6个周 期6条指令在执行(2) 指令流水线技术指令译码取操作数执行指令保存结果地址生成指令1指令3指令3指令3指令3指令4指令4指令4指令5指令5指令62022/7/2128 取指令部件、指令执行部件等各步要能够并行工作；各部件执行时间基本相同，否则需再细分； 2.微型机的工作原理 (2) 指令流水线技术 取指令部件取出的指令要能暂存在CPU内部某个地方；指令执行部件在需要时总能立即获得暂存的指令；需要解决转移指令问题。 每条指令的执行过程没有减少，时间没有缩短，但是第6周期结束后，指令1执行完毕。从此后，每过1个周期、平均有1条指令从流水线上执行完毕。就像小车生产线一样。202

19、2/7/2129 3.微型机的主要性能指标 (2) 存储器容量：计算机存储二进制信息量的大小，高速缓存、内部存储器、外部存储器。(1) 字长：计算机内部进行数据传送、处理的基本单位。或者计算机内部一次可以处理的二进制位数称字长。计算机性能的一个重要指标。(3) 运算速度：计算机每秒所能执行指令的条数。常用方法： MIPS( Millions of Instruction Per Second,百万条指令/秒）作单位。 以执行时间最短的指令（加法指令）为标准来估算速度。 直接给出CPU的主频和每条指令执行所需要的时钟周期。2022/7/2130 3.微型机的主要性能指标 (4) 外设扩展能力：指

20、计算机系统配置各种外部设备的可能性、灵活性和适应性。(5) 软件配置情况：指计算机系统是否配置功能强、满足应用要求的OS和高级语言、汇编语言，及各种应用软件等。2022/7/2131 3.单片微型计算机的发展与应用 单片微型计算机是Single Chip Microcomputer的直译，它忠实地反映了早期单片微机的形态和本质。 单片微型计算机简称单片机(Single Chip Microcomputer)，在一块半导体芯片上集成了中央处理器（CPU）、一定容量的存储器（ROM和RAM）、输入输出（I/O）接口、定时器计数器和中断系统等微型计算机的基本部件，构成的一个完整的微型计算机 。通常又

21、称微控制器（Micro Controller Unit）,或者嵌入式微控制器(Embedded Micro Controller )。(1) 单片机概念2022/7/2132(2) 单片机发展过程 以8位机为起点 ，大体可划分为三个阶段：19471978）初级阶段，1976 Intel MCS-4819781983）提高阶段，1980 Intel MCS-511983年以后、微控制器， 1983 Intel MCS-96 3.单片微型计算机的发展与应用 2022/7/2133 3.单片微型计算机的发展与应用 低档型：8021、8022MCS48 基本型：8048、8748、8038 (从197

22、6年起 ) 改进型：8049、8749、8039 8050、 8750、8040 基本型：8051、8751、8031MCS51 改进型：8052、8752、8032(从1980年起)低功耗型：80C51、87C51、80C31 强功能型：83C252、87C252、80C252 早期产品：8X9X（8096）MCS96 改进型： 8X9XBH、8X9XJF(从1983年起) 新产品： 8098（准） 强功能型：80C196、80C198（准）2022/7/2134 3.单片微型计算机的发展与应用 (3) 51系列单片机 MCS-51的典型型号80c51 、CHMOS，工业控制 。随后，Atm

23、el、Philips等申请了版权，生产了与 80c51兼容的单片机系列，AT89c51/s51/c52/s52等等，这些产品也称为80c51系列，这样把与80c51内核相同的单片机及MCS-51系列单片机统称为51系列单片机。 功能上：51系列单片机分基本型、增强型，分别在 单片机型号的末尾数字用1和2表示。 片内ROM 4KB8KB；片内RAM 128B256B 定时器/计数器2个3个；中断源 5个6个。2022/7/2135 3.单片微型计算机的发展与应用 工艺上：51系列单片机有HMOS型和CHMOS 型，前者芯片型号中无字母“C”，芯片各I/O口引脚电平与TTL电平兼容；后者在芯片型号

24、中加字母“C”标记，其芯片各I/O引脚既与TTL电平兼容，又与CMOS电平兼容。 片内程序存储器配置上: 有四种，即无ROM() 、掩膜ROM、EPROM、Flash ROM。根据它们的特点和不同的应用场合进行选择。 2022/7/2136 在系统可编程: AT89C51由Atmel 1989年推出，有4KB Flash ROM。AT89S51是AT89C51的改进版，AT89S52是AT89S51的增强型。带“S”的系列产品具有“在系统可编程ISP(In System Programming )”功能，即用户可以在不拔下单片机芯片时，通过下载电路直接对芯片内的Flash在系统中编程的功能。可

25、进行并行编程，也可进行串行编程 。 3.单片微型计算机的发展与应用 2022/7/2137 3.单片微型计算机的发展与应用 (4) 单片机的发展趋势 资源更丰富; 性能更高; 存储容量更大; 功耗更低。 (5) 单片机的应用 工业控制领域。 机电一体化产品。 智能化仪器仪表。 信息通信技术领域。 智能交通系统。 家用电器领域。 2022/7/2138 3.单片微型计算机的发展与应用 2022/7/21391.2.1 进位计数制及其转换1.2.2 计算机中的编码 1.2 计算机中的数制与编码 了解各种计数制的特点及表示方法；掌握各种计数制之间的相互转换。掌握码制的概念、BCD码和ASCII码20

26、22/7/2140十进制符合人们的习惯。D，Decimal二进制便于物理实现。B，Binary十六进制便于识别、书写。H，Hexadecimal 常用进位计数制： 1.2.1 进位计数制及其转换 我们每天都在和数字打交道，大家最熟悉的数制是十进制数，它有09十个基本的数码、逢10进1。计算机识别、记忆0、1组成的数。二者之间如何沟通？ 2022/7/2141一般地，对任意一个K进制数S都可表示为: 其中： Si - S的第i位数码，可以是K个符号中任何一个； n,m 整数和小数的位数； K - 基数； Ki - K进制数的权1. 任意K进制数的表示 1.2.1 进位计数制及其转换2022/7/

27、2142 1.2.1 进位计数制及其转换 表1-1 数015的四种不同进位制的表示对照十进制数二进制数八进制数十六进制数十进制数二进制数八进制数十六进制数00000B0Q0H81000B10Q8H10001B1Q1H91001B11Q9H20010B2Q2H101010B12QAH30011B3Q3H111011B13QBH40100B4Q4H121100B14QCH50101B5Q5H131101B15QDH60110B6Q6H141110B16QEH70111B7Q7H151111B17QFH2022/7/2143非十进制数 十进制数： 规则： 按相应的权表达式展开，再按十进制求和。例1-

28、1： 24.AH=216+4160+A16-1 =36.625注：AF分别用1015代入2. 进制数之间的转换 1.2.1 进位计数制及其转换例1-2：1011.101B 转换为十进制数。2022/7/2144十进制 二进制：规则：整数：除以2、取余数，余数逆序排列； 小数：乘以2、取整数，整数顺序排列。十进制 十六进制：规则：整数：除以16、取余数，余数逆序排列； 小数：乘以16、取整数，整数顺序排列。以小数点为起点求得整数和小数的每一位。 1.2.1 进位计数制及其转换注：十进制转换成任意K进制数与上类似，整：除以 K取余，小数：乘K取整。2. 进制数之间的转换2022/7/21452.

29、进制数之间的转换 1.2.1 进位计数制及其转换【例题1-3】 将十进制数123.375转换为二进制数。 解：依照上述基本方法有 整数部分 小数部分 123/2=61 余数=1 0.3752=0.75 整数部分=0 61/2=30 余数=1 0.752=1.5 整数部分=130/2=15 余数=0 0.52=1.0 整数部分=1 15/2=7 余数=1 7/2=3 余数=1 3/2=1 余数=1 1/2=0 余数=1 最终转换结果（123.375）10=(1111011.011)2 2022/7/2146 1.2.1 进位计数制及其转换【例题1-4】 将十进制数455.65625转换为十六进制

30、数。 解： 整数部分 小数部分 455/16=28 余数=7 0.6562516=10.50000 整数部分=10(A)28/16=1 余数=C 0.516=8.00000 整数部分=8 1/16=0 余数=1 最终转换结果（455.65625）10=(1C7.A8)16 2. 进制数之间的转换 2022/7/2147 1.2.1 进位计数制及其转换2. 进制数之间的转换 二进制数与十六进制数之间的转换1位十六进制数可用4位二进制数来表示，这样二进制数与十六进制数之间的转换就很方便。二进制数十六进制数方法是：从小数点开始，向左和向右把整数和小数部分每4位分为一组。整数部分最高位的一组不足4位，

31、在其左边补0到4位；小数部分最低位的一组不足4位，在其右边补0到4位。然后将每组二进制数用对应的十六进制数代替，即得到转换结果。十六进制数二进制数方法与二进制数到十六进制数转换过程相反，将每一位十六进制数用对应的4位二进制数取代即可。2022/7/2148 1.2.2 码制 字符、符号和十进制数最终都必须转换为二进制格式的代码，即信息和数据的二进制编码。 根据信息对象的不同，计算机中的编码方式（码制）也不同，常见的码制有BCD码和ASCII码。 1. 二进制编码的十进制数 二进制编码的十进制数是对十进制数采用二进制数进行编码，即十进制数的二进制编码。这种编码既具有二进制数的形式（由0和1组成）

32、，又有十进制数的特点（逢十进一），我们称它为二十进制码（BianryCoded Decimal，BCD），也称BCD码。BCD码有8421码、5421码、2421码、余3码等。最常用的一种BCD码即8421码。 2022/7/2149（1）BCD码与十进制数、二进制数的转换 将十进制数的每一位用对应的BCD码来代替，即可完成十进制数到BCD码的转换。反之，即可完成由BCD码到十进制数的转换。【例题1-5】 将十进制数125.26用BCD码表示解： (125.26)10=(0001 0010 0101.0010 0110)BCD BCD码与二进制数之间的转换要稍微麻烦些，需要借助十进制数作为中间

33、桥梁进行转换。【例题1-6】 将BCD码(0010 0011.0001 0010 0101)转换为二进制数 解： (0010 0011.0001 0010 0101)BCD =(23.125)10=(10111.001)2 1.2.2 码制2022/7/2150（2）BCD码在计算机中的存储方式 计算机中的存储单元通常以字节（8位二进制数）为单位，在一个字节中如何存放BCD码有两种方式，即压缩的BCD码和非压缩的BCD码。 一个BCD码有4个二进制位，所以在一个字节中可存放2个BCD码，这种存储方式称为压缩BCD码表示法。以压缩BCD码表示十进制数时，一个字节表示2位十进制数。 在一个字节中若

34、低4位为BCD码，高4位全为0，这种存放形式称为非压缩的BCD码形式。 1.2.2 码制2022/7/2151（3）BCD码的运算 BCD码的加法运算：BCD码的低位与高位之间是“逢十进一”，而4位二进制数（即十六进制）是“逢十六进一”。因此，用二进制加法器进行BCD码加法运算时，若BCD码的各位之和在09之间，则其加法运算和二进制运算规则一致，即结果是正确的；若BCD码的各位之和大于9或者产生进位，则此位需要“加6修正”。【注意】 多位BCD码运算时，每一位均需要按上述方法修正。 BCD码的减法运算：BCD码的低位向高位借位是“借一当十”，而4位二进制数（即十六进制）是“借一当十六”。因此，

35、进行BCD码减法运算时，若某位有借位时，则此位需要“减6修正”。 1.2.2 码制2022/7/2152 1.2.2 码制【例题1-7】 设有两个BCD码，X=0101 0010(52D)， Y=0111 1001(79D)，求X+Y=? 解： 高位 低位 进位 向高位进位 X=0101 0010 +） Y=0111 1001 中间结果 0 1100 0 1011（虽无进位，结果均大于9） 修正 +） 0110 0110 1 0011 1 0001 结果=131D2022/7/21532. 字符的编码 目前在计算机系统中普遍采用的字符编码系统是制定于1963年的美国标准信息交换码，简称ASCI

36、I码（American Standard Coded for Information Interchange，ASCII）。 ASCII码是用7位二进制数编码来表示128个字符和符号，一个ASCII码存放在一个字节的低7位，字节的最高位为0。 1.2.2 码制 ASCII码表中：96个是图形字符，可以在字符印刷或显示设备上打印出来或显示出来。包括10个数字符号09（ASCII码是30H39H）、26个英文大写字母AZ(ASCII码是41H5AH)、26个英文小写字母az(ASCII码是61H7AH)。 2022/7/2154 1.2.2 码制 在通信中常在7位ASCII码的最高位之前加上1位作

37、奇偶校验位，以确定数据传输是否正确。 奇偶校验有奇校验和偶校验。偶校验的含义是，包括校验位在内的所有为1的位数之和为偶数。例如字母A的ASCII码1000001B的偶校验码是01000001B；同理，奇校验的含义是包括校验位在内的所有为1的位数之和为奇数。 2022/7/2155 1.3 计算机中数的表示与运算 计算机中的数按数的性质分:有整数(无符号整数、有符号整数)和小数（定点数、浮点数）；按符号来分：有符号数（正数、负数）和无符号数。主要介绍二进制有符号数的表示、运算和无符号数的运算。1.3.1 机器数及其表示方法 1. 无符号数的表示及范围 用来表示数的符号的数位称为符号位。无符号数没

38、有符号位，数的所有数位Dn-1D0均为数值位。其表示形式为： Dn-1 Dn-2 D0n位的无符号二进制数X ，它可以表示的数的范围为 若结果超出了数的可表示范围，则会产生溢出，出错。2022/7/2156 1.3 计算机中数的表示与运算 符号位数值部分图 有符号数的表示形式 计算机中的有符号数或者说机器数有三种表示形式，即原码、反码和补码。 2 .有符号数的表示 有符号数由符号位和数值位两部分组成，如下图所示。数学中的正、负用符号“+”、“”来表示，在计算机中规定：用“0”表示“+”、用“1”表示“”。这样数的符号位在计算机中已经数码化了。符号位被数码化了的数就称为机器数，把原来的数值称为机

39、器数的真值。如：一个字节的数 00000111、10000011就是机器数，而+0000111、0000011就是机器数的真值。 Dn-1 Dn-2 D02022/7/2157 1.3 计算机中数的表示与运算 对于符号数、机器数，数X的原码记作X原，反码记作X反，补码记作X补。 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。 最高位为符号位，用“0”表示正，用“1”表示负；数值部分照原样写出即可。 0的表示不唯一。数X的原码X原定义2022/7/2158 1.3 计算机中数的表示与运算 n位原码表示数值的范围是： 对应的原码是1111 0111真值：X= +18 = +0010

40、010X= -18 = -0010010原码：X原 = 0 0010010X原 = 1 0010010符号位符号位2 . 有符号数的表示2022/7/21592 . 有符号数的表示 X反对一个数X：若X0 ，则 X反=X原若X=0， 则X补= X反= X原若X=0， 则X补= X反+1 模或者模数（Module）的概念，把一个计量器的容量，称为模或者模数，记为M或者mod M。 一个n位的二进制计数器（或者存储单元或者寄存器），它的容量为2n，即它的模为2n（可以表示2n个不同的数，） 字长为n的计算机中，数2n和0的表示形式一样。 1.3 计算机中数的表示与运算 2022/7/2161 1.

41、3 计算机中数的表示与运算 X= 52D= 0110100B X原=10110100 X反=11001011 X补= X反+1=11001100 +0补= +0原=00000000 -0补 = -0反+1=11111111+1 =1 00000000 n位补码表示数值的范围是2022/7/2162 1.3 计算机中数的表示与运算 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）B=1282022/7/2163 1.3 计算机中数的表示与运算 定点数：小数点位置固定不变的数。小数点的位置：纯小数纯整数3. 定点数的

42、表示 符号Xn-1Xn-2X1小数点位置符号Xn-1Xn-2X1小数点位置2022/7/2164 1.3 计算机中数的表示与运算 一个浮点数的表示由阶码和尾数两部分组成，尾数是纯小数，其格式如下图所示。以二进制数为例N=S2j，S称为N的尾数，表示N的全部有效数字，决定N的精度；j称为数N的阶码、为整数，指明小数点的位置，决定数N的大小范围。 Dn-1 Dn-2 D0阶码的符号位阶码数值部分尾数的符号位尾数数值部分4. 浮点数的表示 2022/7/2165 1.3 计算机中数的表示与运算 1.3.2 计算机中数的运算 1. 无符号数的运算 无符号二进制数的溢出判断 两个无符号二进制数加法（或减法）时，若最高有效位产生进位（或借位），则产生溢出。也就是结果超出了数的可表示范围。 加、减、乘、除 运算2022/7/2166 1.3 计算机中数的表示与运算 2. 有符号数的运算 通过引进补码，可将减法运算转换为加法运算。即：X+Y补= X补+Y补 X-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。XY补= 2n + 2n + (XY) (mod 2n) = (2n+X) + (2n Y) (mod 2n) = X补+ Y补2022/7/2167 1.3 计算机中数的表示与运算 2. 有符号数的运算 【例题1-8】 已知X=+5