微机原理第一章

第1章微机原理系统概述

了解计算机的发展史。正确理解微型计算机的硬件系统和软件系统。理解CPU对存储器的读写操作过程，重点掌握冯.诺依曼计算机的设计思想。着重理解和熟练掌握程序执行的过程。能熟练掌握与运用各种数制及其相互转化的综合表示法。熟练掌握补码及其运算，着重理解补码与溢出的区别。1.1微机硬件系统的发展20世纪40～50年代后期电子管5000-1万次ENIAC电子数字积分计算机晶体管10几万次

中小规模IC10几万~数百万次20世纪50～60年代中期20世纪60中～70年代初期20世纪70年代初、中期大、超大规模IC

数千万~百亿次计算机发展过程年代此时，半导体存储器迅速取代磁芯存储器，并大容量、高速度。此后，存储器芯片集成度大体上每三年翻两番。

1971年Intel4004，

2010年Corei7。

计算机发展以器件更新划代1.1微机硬件系统的发展1.1.3微型计算机的发展一代70年代初二代70年代三代70年代末～80年代初四代80年代微型机发展过程(Intel)时间五代90年代4004（8008--8位）第一台个人电脑8080（Z80,MC6800）8位4位32-64位16位32位1973-741971-7219788086M6809和Z800082年80286及80318038680486（M68020）19851993Pentium2005年PentiumD2006年Core2Due2010年Corei7六代2000年后2.9万管，内存1MB6千管，内存64KBDIP-16,2.3千管8086--1680486--321.1.3微型计算机的发展一代70年代初二代70年代三代70年代末～80年代初四代80年代微型机发展过程时间五代90年代8080--84004—4位P-PⅢ--641973-741971-7219781985-891993-9910ųm6ųm3ųm120万管，集成度386的4倍，性能高出386的2-4倍。486=386+387+8KBCache+（Cache），1ųm1997年PII，750万管，PIII1999年。32KBL1和512KBL2缓存，流水式浮点单元支持IEEE标准的32位，64位及80位格式。朝10亿管子，0.09ųm，多核发展。0.28-0.01ųm4层金属CMOS工艺发展CPU发展集成度与内存每18月翻一番

286于82年13.4万管，寻16MB，可虚拟1GB1.1微机硬件系统的发展六代2000年后1.1微机硬件系统的发展单片机单板机个人计算机多用户系统微型计算机网络微机的分类1.2微机系统的组成图

计算机的基本组成2．控制器是统一调度和控制计算机各部件协调工作的关键部件，是指挥控制神经中枢。取指、分析、微时序。1．运算器是对数据信息进行加工处理的部件，它主要由算术逻辑运算单元（ALU）组成3.存储器存放程序和数据的部件。主存又称内存，辅助又称外存4.I/O设备--外设人机交互、输入／输出主机CPUIntel4004Intel8008Motorola6800Intel8086Intel80286Intel80386Intel80486IntelPentiumIntelPentium

IIIntelPentiumIIIIntelPentiumIVCPU

主机主板主机箱体内的主板是构成复杂电子系统的中心。在面板上密布着各种元件（包括南、北桥芯片组、BIOS芯片等）、插槽（CPU插槽、内存条插槽和各种扩展插槽等）和接口（串口、并口、USB口、IEEE1394口等）

主机主板华硕X58主板主机内存储器存储器单位：b，B，ＫＢ，ＭＢ，ＧＢ存储器分为：ROM和RAM主机总线按总线传送信息类别分类：地址总线（AB）、数据总线（DB）、控制总线（CB）按信息传送方向分类：单向总线、双向总线按总线层次结构分类：CPU总线、存储总线、系统总线和外部总线为了简化硬件电路设计、简化系统结构，常用一组线路，配置以适当的接口电路，与各部件和外围设备连接，这组共用的连接线路被称为总线。显示器接口、打印机接口、PS/2、USB主机I/O接口输入设备输出设备软件系统1.3微机硬件系统结构硬件系统结构：按照总体布局的设计要求如何将微机内各部件挂接在总线上以构成某个系统的连接方式。1.3微机硬件系统结构1.4微处理器结构模型的组成1.运算器ALU（ArithmeticLogicUnit）2.控制器IR（InstructionRegister）指令寄存器ID（InstructionDecoder）指令译码器PLA（Programmable

LogicArray）可编程逻辑阵列3、内部寄存器组A（Accumulator）累加器DR（DataRegister）数据寄存器PC（ProgramCounter）程序计数器AR（AddressRegister）地址寄存器FR（FlagRegister）标志寄存器RA(RegisterArray)寄存器组1.4微处理器结构模型的组成1.5存储器的组成与读写操作1.5存储器的组成与读写操作计算机的工作原理：“存储程序”＋“程序控制”，即先把处理问题的步骤和所需的数据转换成计算机能识别的指令和数据送入存储器中保存起来；工作时，由计算机的处理器将这些指令逐条取出执行。1.6微机的工作过程1.6微机的工作过程开始程序

结束

指令1

指令n

指令2。。。

取出指令

指令译码

操作数读出

指令执行指令格式操作码操作数1.6微机的工作过程举例：微机处理器如何实现3+2=？名称助记符机器码说明立即数取入累加器MOVA，n10110000n双字节指令，把立即数取入累加器A中加立即数ADDA，n00000100n双字节指令，把立即数与A中数值相加暂存A中暂停HLT11110100CPU停止所有操作模型机指令集1.6微机的工作过程101100000000011000001000000001011110100……存储器中的指令地址0001020304…MOVA,3ADDA,2HLT程序实现1.6微机的工作过程1.6微机的工作过程1.6微机的工作过程1.6微机的工作过程1.7微机的运算基础1.7.1进位计数制数制二进制十进制八进制十六进制用途计算机内用

现实生活用用于压缩书写二进制数，转换更直观、更简洁、更方便数码0，10，1，…，90，1.......70，1....9，A，B....F基数210816位权2i

10i

8i

16i

规则逢2进1逢10进1逢8进1逢16进1表示形式(XX…X)2

XX…XB(XX…X)10XX…XD(XX…X)8XX…XQ(XX…X)16

XX…XH1.k进制数→十进制数各位数字按位权展开后相加例1：二进制数11011→十进制数1.7.2各种进位数制之间的转换例2：八进制数27651→十进制数1.7.2各种进位数制之间的转换2.十进制数→k进制数

整数部分：除k倒取余数小数部分：乘k顺取整数例3：512.75D=1000.6Q（10进制→8进制，K=8）1.7.2各种进位数制之间的转换2.十进制数→k进制数

整数部分：除k取余（倒取）小数部分：乘k取整（顺取）例4：130.625D=10000010.101B;(10进制→2进制）1.7.2各种进位数制之间的转换3.二←→八←→十六进制特殊关系以小数点为基点，分别向左、向右3（4）位二进制数用1位八（十六）进制数取代（不足三位零补）即：三合一（四合一）反之则：一拉三（一拉四）例5：（1000000000.01)2=（1000.2)8

001

000

000

000.010

↓↓↓↓↓

1000.2同样：写成16进制形式则为：

200.4H1.7.2各种进位数制之间的转换例6：101111.001111B=2F.3CH0010

1111.0011

1100↓↓↓↓

2F.3C反向转换：1拉4口令2F.3CH=00101111.0011

1100B

1.7.2各种进位数制之间的转换1.7.2各种进位数制之间的转换4.数制转换的几点快速技巧

1）转换到二进制整数时，除8最快。除2太慢，且篇幅巨大；除16是二位数，速度也慢。利用除8以后一拉三速度最快。2）利用最大拆分原则分解十进制数权位值：256、128、64、32、16、8、4、2、1

例如103D拆分为64+32+4+2+1=1100111B3）利用k=1024=210快速决定位数与容量的关系

1k=210=10位；1k×1k=1M=20位；

1M×1k=1G=30位；64G=36位1.7.3二进制编码BCD码不同码制所对应的十进制8421码2421码余3码00000000011100102200113300100441010152011063011174100085100196101071011581100691101711108111191.二进制编码的十进制数1.7.3二进制编码2.字母与字符的编码ASCII字符编码

每个字符用7位基2码表示，其排列次序为B6B5B4B3B2B1B0。在计算机内部，每个字符是用8位（即一个字节）表示的。一般情况下，将最高位置为0，即B7为0。需要奇偶校验时，最高位用作校验位。1.7.3二进制编码表1-6ASCII字符编码B6B5B4B3B2B1B00000010100111001011101110123456700000NULDLESP0@P`p00011SOHDC1!1AQaq00102STXDC2”2BRbr00113ETXDC3#3CScs01004EOTDC4$4DTdt01015ENQNAK%5EUeu01106ACKSYN&6FVfv01117BELETB’7GWgw10008BSCAN(8HXhx10019HTEM)9IYiy1010ALFSUB*:JZjz1011BVTESC+;K[k{1100CFFFS‚<L\l|1101DCRGS–=M]m}1110ESORS.>N↑n~1111FSIUS/?O←oDEL1.7.4二进制数的运算二进制数的加法、减法、乘法、除法，与、或、非、异或见例题1-14至1-241.7.4二进制数的运算二进制乘法的运算规则是：0×0＝0；0×1＝0；1×0＝0；1×1＝1。[例1.19]计算1111乘以1101。1.7.4二进制数的运算除法是乘法的逆运算。因此，它是确定一个数（除数）可以从另一个数（被除数）中连减多少次的过程。[例1.20]计算100011除以101。1.7.4二进制数的运算1.8数的定点与浮点表示定点与浮点表示（小数点固定还是浮动）1.定点数N=S×2P

小数点位置固定的机器数；具有运算简便,表示范围小的特点;其中S表示了N的全部有效数字，称之为N的尾数，一般用原码来表示；P指明小数点的位置，对于定点数P=0。

1)定点整数：小数点固定在数值位之后。 2)定点小数：小数点固定在数值位之前符号位之后。

小数点在机器中不占位置，机器中的定点数具体代表定点整数还是定点小数，由程序员预先约定好。1.8数的定点与浮点表示11010111-0.101011101010111+0.1010111n位定点小数能表示的数值范围2-n≦|N|≦1-2-n例：二进制数浮点表示：B=±S×2±P

PfPSfS

阶苻阶码尾数尾数符号2、浮点数1）小数点位置不固定。表示范围大，运算复杂。1.8数的定点与浮点表示例如：2+100×0.1011101010001011101阶符阶码尾符尾码2）浮点数的规格化表示规格化表示：使数值最高位为有效数值位。尾数用原码表示时，使其最高位为1。尾数用补码表示时，应满足尾数最高数值位与符号位不同，即0.1××…×和1.0××…×。规格化操作：相应地调整尾数和阶码的大小，使其满足要求。1.8数的定点与浮点表示m位阶码，n位尾数浮点数的表示范围2-（m-1）·2-n≦|N|≦2+（m-1）·（1-2-n）1.9带符号数的表示方法

二进制数值数据的编码及运算（原码、反码、补码及运算）

●常用二进制数编码有原码、反码、补码，大多微机数字采用补码编码运算。●机器数：带符号的二进制数值在机器内的编码，即符号位数值化。（符号位：0表示正数，1表示负数）●真值：机器数所代表的实际值。(1)原码、反码、补码的数学表达注意三式对比1.9带符号数的表示方法+(2)原码、反码、补码的实际求法由式可知：正数的原、反、补码完全一样！

(也可以理解为正数无反码、补码)

原码求法（设机器字长为n位）当X≥0时，[X]原的最高位为0，其余n-1位填X的各数值位的位值，超出数据范围的最高位自然丢失。当X≤0时，[X]原的最高位填1，其余n-1位填X的各数值位的位值。1.9带符号数的表示方法(2)原码、反码、补码的实际求法

反码求法：负数的反码就是原码的符号位保持不变，其余按位取反。

补码求法：负数的补码就是原码的符号位保持不变，其余按位取反+1。也可以直接由负数原码写出负数的补码：两个1之间的所有的位均取反1.9带符号数的表示方法(2)原码、反码、补码的实际求法例如机器字长n=8位，X=-68D，求X原、反、补码。解：字长8位，符号1位，数值占7位。

[-68]原=-(64+4)=11000100B[-68]反=10111011B[-68]补=[10111011B]反+1=10111100B

由原码11000100B直接写出10111100B1.9带符号数的表示方法规则①[X+Y]补=[X]补+[Y]补②[X－Y]补=[X]补+[－Y]补减法运算通常变成加法运算

[X]补-[Y]补=[X]补+[-Y]补由[Y]补求[-Y]补：从[Y]补最低位开始第一个“1”不变，其余包括符号在内的所有位都变反，即得[-Y]补。（注意包括符号位变反）(3)补码的运算1.9带符号数的表示方法00100110B01100000B00111010B110111001B11100100B110101