上海工程技术大学微机原理与接口技术yp 第1章 计算机基础

微机原理与接口技术Wellcome!主讲：张剑1第1章计算机基础知识2微机中的信息表示与运算一二三主要内容微机系统的组成几部分组成

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微机的组成3（1）微处理器MP/CPU

（2）存储器（3）I/O接口（4）系统总线①AB②DB③CB一、微机的组成所谓微型计算机是指以大规模、超大规模集成电路为主要部件的微处理器为核心，配以存储器、输入／输出接口电路及系统总线所制造出的系统。硬件4CPUI/O接口1I/O接口2微机的基本结构存储器ROM存储器RAM数据总线DB控制总线CB地址总线AB硬盘软驱显示器打印机

总线结构是微机系统的一大特色，正是由于采用了这一结构才使得微机系统具有组态灵活、扩展方便等特点。5冯·诺依曼（VonNeumann）结构也称普林斯顿结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器并在一起的存储器结构。特点：程序和数据公用一个存储空间；程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置；采用单一的地址及数据总线；程序指令和数据的宽度相同。处理器执行指令时，先从储存器中取出指令解码，再取操作数执行运算，即使单条指令也要耗费几个甚至几十个周期，在高速运算时，在传输通道上会出现瓶颈效应。冯·诺依曼（VonNeumann）结构哈佛结构（Harvard）哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构，是一种并行体系结构。特点：将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址、独立访问。与两个存储器相对应的是系统中的4套总线：程序的数据总线与地址总线，数据的数据总线与地址总线。这种分离的程序总线和数据总线可允许在一个机器周期内同时获取指令字（来自程序存储器）和操作数（来自数据存储器），从而提高了执行速度，使数据的吞吐率提高了1倍。又由于程序和数据存储器在两个分开的物理空间中，因此取指和执行能完全重叠。哈佛结构（Harvard）(1)MP/CPU

该芯片内集成了控制器、运算器和寄存器。运算器是计算机中加工与处理数据的功能部件，主要有两个功能：对数据的加工处理（重要功能），通过其内部的ALU完成。暂时存放参与运算的数据和某些中间结果，通常通过与ALU相连的寄存器组实现。10微处理器飞速发展8038680486奔腾奔腾2代奔腾4代802868086奔腾3代IA-64(安腾)40041971年1978年1983年1985年1989年1993年1997年1999年2000年酷睿2006年2001年11在寄存器组中，累加器是最繁忙的寄存器。控制器是控制整台计算机各功能部件协同动作、自动执行计算机程序的功能部件。12（2）存储器

存放程序和数据的部件。分为主存和辅存两类。主要由半导体存储器和磁盘、光盘存储器等构成。造价、容量、速度有别。构成内存的半导体存储器又分为ROM和RAM。13（3）I/O接口

各种外设的工作速度、驱动方式差异很大，无法与CPU直接匹配，不可能把它们简单地连到系统总线上，需要通过接口电路完成信号的变换、数据的缓冲、与CPU的联络等工作。14传递信息的一组公用导线。AB_单向总线。DB_双向的总线。CB_可能是输出、输入或双向的总线。在一个系统中，除了CPU有控制总线的能力外，DMA控制器等设备也有控制总线的能力，称为“总线主控设备”。（4）系统总线15微机系统硬件软件微机外围设备电源系统软件程序设计语言应用软件微处理器存储器I/O接口系统总线ALU控制器寄存器组ROMRAM串行接口并行接口辅助接口ABCBDB外部设备过程I/O接口操作系统诊断程序监控程序解释、编译程序二、微机系统的组成程序包数据库窗口软件16I/O设备输入设备串行通信设备软盘、硬盘鼠标CD－ROM键盘扫描仪DVD输出设备打印机（针打、激光、喷墨）软盘、硬盘绘图仪显示器17程序设计语言机器语言：0，1码的语言汇编语言：用助记符号代替用0，1描述的某种机器的指令系统面向问题（过程）的程序设计语言高级语言：基于规则的语言Prolog面向对象语言C++，Java

18裸机操作系统用户程序各种实用程序软件包各种语言处理程序微机系统的层次结构19硬件（hardware）2021硬盘光驱显卡网卡软驱声卡CPU2223PC机上的总线PCI总线ISA总线USB总线242526字长字长是衡量计算机处理能力的重要指标，它是指计算机的CPU一次能直接处理的二进制数的位数，字长越大，处理能力越强。例如，8086、286的字长是16位，386、486、586（奔腾）都是32位。☆微机主要性能指标27速度衡量计算机速度常用的有两种指标：①运算速度：用每秒钟能执行多少条指令来表示。国际上通用的指标是每秒百万条指令MIPS（MillionInstructionsPerSecond），通常用于较大的计算机系统。②

主频：指CPU主时钟的工作频率（一秒钟内发生的同步脉冲数），主频越高，说明CPU的速度越快，微型计算机都用主频这个指标。主频的单位为赫兹(MHz)，早期的微机主频才几MHZ，而现在P4的主频已达到3GHz以上。例如，“P4/2.4G”，“P4”表示CPU的型号（奔腾四代），“2.4G”就表示主频是2.4G赫兹(GHz)28内存容量通常用字节(Byte)作单位。目前，微型机的内存储容量已达到吉字节。内存速度

微机内主存完成一次读/写操作所需的时间称为存储器的存取时间，连续两次读/写所需的最短时间称为存储器的存取周期。存取周期越短，则存取速度越快。存取周期的大小影响计算机的运算速度。29

数与数制数制之间的转换

字符的编码表示运算

带符号二进制的表示三、微机中信息的表示与运算30

它具有0，1这2个不同的数字符号；

逢二进一（减法为借一当二）。（1）二进制

书写：10011110or10011110B

or(10011110)2

2称为二进制的基数。注意：二进制数中的任何一个0或1称为比特(bit)1、数与数制数制：用一组统一的符号和规则来表示数的方法。31按权展开：

(110101)2=1×25+1×24+0×23

+1×22+0×21+1×20

再如，

(1001.101)2=1×23＋0×22＋0×21

＋1×20＋1×2-1＋0×2-2对于n位整数m位小数的任意二进制数N，按权展开如下32它具有0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F这

16个不同的数字符号；

逢十六进一（减法为借一当十六）。

书写：（3AB.11）16or3AB.11H16称为十六进制的基数。（2）十六进制33任意一个n位整数m位小数十六进制数Ｎ可表示为:(N)16＝Kn-116n-1＋Kn-216n-2＋…＋K1161＋K0160＋K-116-1＋…＋K-m16–m

例如:(2D07.A)16＝2×163＋13×162＋0×161＋7×160＋10×16-1(Ki=0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F)34

练习:(10AF.12)16=1×163+0×162+10×161+15×160+1×16-1+2×16-2

说明:

实际表示时，一个十六进制数如果最高位数字为字母(A-F)，则字母前面加一个0，以便与变量名等相区别。如：0B76H35十进制二进制十六进制十进制二进制十六进制000910019111101010A2102111011B3113121100C41004131101D51015141110E61106151111F71117161000010810008下表给出了三种数制的对应关系。36数制小结数制：用一组统一的符号和规则来表示数的方法。二进制：每一位包含0、1两个数字，例如：10010011B或（（10010011）2十进制：每一位包含10个数字0～9，例如:1200D十六进制：每一位包含数字0～9，字母A～F，例如：0A3D6H372、数制的相互转换

（1）二、十六进制数转换成十进制数

非十进制数转换成十进制数比较简单，可先将其按权展开，再将系数及权均用十进制表示，按十进制进行乘法与加法运算，所得结果即为该数对应的十进制数。例：将二进制数1101.101转换为十进制数。转换过程如下：

1101.101=1×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3=8+4+1+0.5+0.125=13.625∴1101.101B=13.62538例将十六进制数2AE.4H转换为十进制数。

2AE.4H=2×162+10×161+14×160+4×16-1=512+160+14+0.25=686.25∴2AE.4H=686.25练习，二进制数101101.11换算成十进制数为(101101.11)2=45.7539（2）十进制数转换成二、十六进制数

任一十进制数N转换成q进制数，先将其分为整数部分与小数两部分，并分别进行转换，然后再用小数点将这两部分连接起来。

40

1)整数部分转换用q去除N－记余数

再用q去除得到的商－记余数

重复，直至商为零－转换结束余数倒排41

2 391（b0） 2 191（b1）291（b2） 240（b3） 220（b4） 211（b5） 0例：39转换成二进制数

39=100111B

书写顺序432)小数部分转换用q去乘N的纯小数部分－记下积的整数部分再用q去乘上步乘积的纯小数部分－记整重复－直至乘积的小数部分为零，或者达到所需要的精度位数为止顺排44例:将十进制小数0.71875转换成二进制小数.

书写顺序45过程如下:

0.71875×2=1.4375整数部分10.4375×2=0.87500.875×2=1.7510.75×2=1.510.5×2=1.01

于是，得到结果为：(0.71875)10=(0.10111)2

练习:将168.686转换为二、十六进制数。

168.686≈10101000.10101B168.686≈A8.AF9DBH46

综上所述，一个十进制整数的q进制转换方法就是“除q取余”；而一个十进制小数的q进制转换方法就是“乘q取整”。若一个十进制数既包含整数部分又包含小数部分，它的q进制转换就是将它的整数部分和小数部分用上述方法分别进行转换，最后将转换好的两部分结合在一起形成要转换的q进制数。47（3）十六进制数与二进制数之间的转换

由于16=24,故1位十六进制数相当于4位二进制数。反之，4位二进制数相当于1位十六进制这样，十六进制数与二进制数之间的相互转换是十分简便的。48

二进制数转换为十六进制数的方法：首先从小数点开始分别向左和向右把整数及小数部分每4位分成一组。若整数最高位的一组不足4位，则在其左边加0补足4位；若小数最低位的一组不足4位，则在其右边加0

补足4位。然后，用与每组二进制数所对应的十六进制数取代每组的4位二进制数，即得到对应的十六进制数。例：二进制数1011101001.110101转换为十六进制数的方法是：

二进制数

001011101001.11010100十六进制数

2E9.D449

十六进制数转换为二进制数的方法是：用相应的4位二进制数取代每1位十六进制数。例：十六进制数5C7A.3B转换为二进制的方法是：十六进制数

5C7A.3B二进制数

0101

110001111010.00111011∴5C7A.3BH=101110001111010.00111011B相反50

3、十进制数与字符的编码表示

由于计算机只能识别二进制数，因此，输入的信息（如数字、字母、符号）都以特定的二进制码来表示，这就是二进制编码。

例如在键盘上输入字母A，

存入计算机的A的编码为01000001，它不代表数字值，而是一个文字信息。51（2）ASCII码

ASCII（AmericanStandardCodeforInformationInterchange）码是美国标准信息交换码的简称。是现在各国所广泛采用的字母、数字和符号的信息编码。是将数字、字母、通用符号、控制符号等，按国际上常用的一种标准二进制编码方式进行编码。52

ASCII码是一种8位代码，规定二进制最高位（D7）为0，一个字节中的其余7位对字符进行编码，用7位码来代表字符信息，共可表示128（27）个字符，其中包括数字（0～9）、英文大小写字母和控制符号（见下表)。53ASCII码如表所示。ASCII码表

54ASCII码是由一个4位组（表中的行）和一个3位组（表中的列）构成的，形成7位二进制编码，其格式为65432104位组

3位组

55

所以根据ASCII码表和ASCII码的构成格式，可以很方便地从ASCII表查出每一个字符或特殊控制功能的编码。例如，大写英文字母A，从表中查出其3位组为(100)2，4位组为(0001)2，故构成字母A的ASCII编码为(01000001)2或41H。56记住常用ASCII码：数字：0～930H～39H大写字母：A~41H~小写字母：a~61H~空格：20H回车：0DH换行：0AH574、运算---算术和逻辑运算

（1）算术运算二进制加法二进制加法与十进制加法相类似，所不同的是，其加、减法法则遵循“逢2进1”、“借1当2”的原则。

0+0=01+0=10+1=1

1+1=0

并进位58例：1010110101B+1111B。加法过程如下：被加数10110101

加数00001111

进位+）111111

和1100010059二进制减法在二进制减法中，同样有如下法则：

0-0=01-0=11-1=0

0-1=1有借位当不够减时需要借位，高位的1等于下一位的2，即“借一当二”。例如，两个二进制数相减：

101

101

00-0101011101011101

60二进制乘法

二进制乘法与十进制乘法是一样的。但因为二进制数只由0和1构成，因此，二进制乘法更简单。其法则如下：

0×0=01×0=00×1=01×1=161

例如，二进制数1101.1与101.1相乘：

1101.1被乘数(13.5)10×101.1

乘数(5.5)10

110111101100000+110111001010.01乘积(74.25)10

62例:100110B÷110B,除法过程如下：

110

110111

∴100110B÷110B=110B余10B

11010二进制除法

其方法与十进制除法是一样的，而且二进制数仅由0，1构成，做起来更简单。63（2）二进制数的逻辑运算

二进制数的逻辑运算常用的有“与”、“或”、“异或”及“非”运算等四种。在组成表达式时，可分别用符号“AND”、“OR”、“XOR”及“NOT”作为运算符，有时也用“∧”、“∨”、“∨,⊕”作为“与”、“或”、“异或”的运算符，用数字上面加横线“-”表示对该数进行非运算。二进制数的逻辑运算只按位进行运算。641位二进制数运算规则如下：“与”运算的规则为：1AND0=00AND1=00AND0=01AND1=1“或”运算的规则为：0OR0=01OR0=10OR1=11OR1=165“异或”运算的规则为：0XOR0=01XOR0=10XOR1=11XOR1=0

“非”运算的规则为：NOT0=1NOT1=066

异或运算通常用符号“⊕”表示，它的运算规则为：0⊕0=0，读成“0同0异或结果为0”0⊕1=1，读成“0同1异或结果为1”1⊕0=1，读成“1同0异或结果为1”1⊕1=0，读成“1同1异或结果为0”

强调：记忆：相同为0，不同为167

例：二进制数10010111和00111000的“与”、“或”及“异或”。运算结果分别为：

10010111

与)001110000001000010010111或)00111000

1011111110010111异或)00111000

1010111168

!!!

数学中用正负号表示数的正负，而计算机不能识别正负号，因此计算机将正、负等符号数字化，以便运算时识别。通常，在数的前面加一位，用作符号位。符号位为0表示正数，为1表示负数。连同符号位一起表示的数称为机器数一个带符号的数在计算机中可以有原码、反码和补码三种表示方法。在微机中，凡是带符号的数都用补码表示，运算结果自然也是补码。69

（1）3种表示法:原码、反码、补码

正数：原码＝反码＝补码，就是机器数负数：原码其符号位为1，

数值位不变反码其符号位为1，数值位逐位求反

补码其符号位为1，数值位逐位求反，并在末位加1。5、带符号二进制的表示70

原码法正数的符号“＋”用0表示，负数的符号“-”用1表示的机器数称为原码。X1=+1010101，则［X1］原=01010101符号位数值对负数X2=-1011101，则［X2］原=110111011/0

D7符号数值部分D6~D071反码法

正数的反码表示与原码相同，而负数的反码为：表示为其符号位不变（1），其余各位“按位求反”。例如：对负数X2=-1011101，则［X2］反=10100010取反的含义就是即0变为1，1变为0。721/0

D7符号数值部分D6~D0补码法

正数的补码与原码法相同；负数的补码为符号位不变，在反码基础上最低位（末位）加1。例如，

对负数：X2=-1011101，

则［X2］补＝［X2］反＋1

=10100011［X2］反=10100010731/0

D7符号数值部分D6~D0机器数：符号数值化了的数真值：带符号的机器数对应的数值原码机器数反码补码

数值：表示数量的多少

74+0110111B-0110111B00110111B10110111B

机器数（原码）机器数真值真值机器数原码反码补码

补码

75正数：原码=反码=补码X=+0110111B[X]原

=[X]反

=[X]补

=00110111B负数：X=-0110111B[X]原

=10110111B[X]反

=11001000B[X]补

=[X]反

+1（符号位除外）=11001000B+1=11001001B76X=-0110111B[X]补

=11001001B采用补码的好处：符号位参加运算减法运算转换成加法运算772500011001[X]补+32+00100000[Y]补

57001110013200100000[X]补+(-25)+11100111[Y]补

7000001111补码加法规则：[X+Y]补＝[X]补＋[Y]补78（2）补码的运算带符号数用其补码表示后，运算方法同于二进制运算，即补码的加减运算:符号位与数值位一起参与运算，而且自动获得结果（包括符号位与数值位）。

但会出现溢出问题。特别说明：补码再求补码是原码，所以微机运算都用补码算79其按补码在求补得到：X+Y=-3480

带符号数运算问题－－－－溢出可见，带符号数用其补码表示后，运算方法同于二进制运算，但会出现溢出问题。

01011110+5EH+00110111+37H

10010101+95H例：(+5EH)+(+37H)。数值（次高）位有进位符号（最高）位无进位溢出，结果出错符号位变181例：(-62H)+(-3BH)。

10011110-62H+11000101-3BH［1］01100011-9DH

无进位有进位