第1章微机的基础知识

第1章微机的基础知识教材1、《微型计算机原理及应用》——许立梓等主编，机械工业出版社2、80x86IBMPC及兼容计算机（卷I和卷II)汇编语言，设计与接口技术3、计算机组成原理——白中英主编，辞学出版社2023/2/62第一章微型计算机的基础知识主要介绍微型计算机的发展，基本组成原理以及运算基础。1、计算机的发展及分类2、微型计算机系统的概论3、数制及转换4、计算机中的数及编码5、计算机中数的运算方法

作业

2023/2/631、计算机的发展及分类电子管晶体管集成电路大规模集成电路第5代发展：2023/2/641、计算机的发展及分类1.2分类：2023/2/65世界的超级计算机日本的“京”配备了88128颗富士通SPARC64VIIIfx2.0GHz八核心处理器，（千万亿次）/s，总功耗为12659.9千瓦。2023/2/66世界的超级计算机中国的”天河一号“（天津）达到2.57petaflop/s，配备20多万颗处理器核心，造价在6亿人民币以上。2023/2/67世界的超级计算机美国”JAGUAR”JAGUAR”美国能源部最大计算能力为1.75petaflop/s2023/2/68世界的超级计算机中国”星云”（深圳）最大计算能力为1.271petaflop/s2023/2/69世界的超级计算机”2023/2/610世界的超级计算机欧洲“Tera-100”最大计算性能约为1Petaflop/s2023/2/6112、微型计算机系统的概论1、微型计算机的发展2、微型计算机系统3、微型计算机系统的主要技术指标4、微型计算机的应用概况2023/2/612微型计算机的发展第一阶段（1971—1973）：典型的微型机以Intel4004和Intel4040为基础。微处理器和存储器采用PMOS工艺，工作速度很慢。微处理器的指令系统不完整；存储器的容量很小，只有几百字节；没有操作系统，只有汇编语言。主要用于工业仪表、过程控制或计算器中。2023/2/613微型计算机的发展第二阶段（1974—1977）：以8位微处理器为基础，典型的微处理器有Intel8080/8085、Zilog公司的Z80及Motorola公司的6800。微处理器采用高密度MOS（HMOS）工艺，具有较完整的指令系统和较强的功能。存储器容量达64KB，配有荧光屏显示器、键盘、软盘驱动器等设备，构成了独立的台式计算机。配有简单的操作系统（如CP/M）和高级语言。2023/2/614微型计算机的发展第三阶段（1978—1981）：以16位和准32位微处理器为基础，如Intel公司的8086、Motorola的68000和Zilog的Z8000。微处理器采用短沟道高性能NMOS工艺。在体系结构方面吸纳了传统小型机甚至大型机的设计思想，如虚拟存储和存储保护。第四阶段（20世纪80年代）：80年代初，IBM公司推出开放式的IBMPC，这是微型机发展史上的一个重要里程碑。IBMPC采用Intel80x86（当时为8086/8088、80286、80386）微处理器和Microsoft公司的MSDOS操作系统并公布了IBMPC的总线设计。2023/2/615微型计算机的发展第五阶段（20世纪90年代开始）：RISC（精简指令集计算机）技术的问世使微型机的体系结构发生了重大变革。第六阶段、第七阶段……

2023/2/616微型计算机系统（MicrocomputerSystem）—1、计算机的体系结构2、微型计算机的基本构成3、微型计算机的硬件结构4、微型计算机的类型2023/2/6172.2.1计算机的体系结构冯.诺依曼结构：数字计算机的数制采用二进制；计算机应该按照程序顺序执行;串行结构;是现代计算机的基础。计算机之父2023/2/6182.2.2微型计算机系统的构成2023/2/6192.2.3微型计算机的硬件结构

微型计算机是指以微处理器为基础，配以存储器和输入/输出接口电路，通过总线连接起来。微型计算机硬件组成图：

2023/2/6202.2.3微型计算机的硬件结构（总线）总线（Bus）：一组信息传递的公共信号线。好比公路特征值：宽度（数据线的条数）包含地址总线、数据总线、控制总线地址总线（AddressBus）：专门传递地址信息的一组线。寻址存储器和I/O设备。总线的宽度决定了微处理器寻址的能力。数据总线：传递数据信息。控制总线：传递控制信息。2023/2/621一般指的是由一片或几片大规模集成电路芯片组成的中央处理部件。（CentralProcessingUnit，俗称CPU）①基本组成：算术逻辑单元、控制器、寄存器组

微处理器（Microprocessor）—2023/2/6222.2.4微型计算机系统类型①单片机——又称“微控制器（Microcontroller）”和“嵌入式计算机”。它是把构成微型计算机的所有部件集成在一块芯片上。其体积小，功耗低，在智能化仪表及控制领域应用极广；②单板机——这是将构成微型计算机的一些功能部件安装在一块印刷电路板上。用于生产过程的实时控制和教学实验平台；③多板计算机——这是一种通用的微型计算机系统，广泛用于办公室和家庭、个人使用。如我们的个人计算机，在商业、家庭、科学、工业和教学领域都得到广泛的应用。2023/2/6232.3微型计算机系统的主要技术指标（1）字长（2）运算速度（3）存储容量（4）主频（5）指令系统（6）外部设备的配置（7）软件的配置2023/2/624（1）字长计算机的字长是指CPU与输入/输出设备或内存储器之间一次传送二进制数据的位数。

通常CPU的数据总线的位数与计算机的字长是一致的。2023/2/625（2）运算速度运算速度是以每秒钟能执行多少条指令来表示的，用来衡量计算机运算的快慢程度。以MIPS（MillionInstructionPerSecond，每秒百万条指令）为单位。

2023/2/626（3）存储容量

存储容量是衡量计算机系统中存储能力的一个指标，包括内存容量和外存容量。①内存容量以字节为单位，分装机容量和最大容量。*最大容量是由CPU的地址总线决定。*装机容量是由实际装机情况决定，或者由用户所要求的软件环境决定。②外存容量是指硬盘、光盘及软盘等容量。2023/2/627内存的最大容量和装机容量例1：8088是20条地址线，则最大内存容量为220=1024×1024=1M；例2：PentiumPro是36条地址线，则最大内存容量为236=64×1024×1024×1024=64G。事实上，目前PC机的实际装机容量一般为1G或2G、4G。2023/2/628（4）主频主频指计算机工作时CPU的时钟频率(ClockRate)，单位为MHz，是计算机工作的时间基准，用于协调整机的操作。8086/8088的时钟频率为3～10MHz。主频的高低在很大程度上决定了计算机的运算速度。2023/2/629（5）指令系统（InstructionSets)指令系统是指CPU所能执行的全部指令的集合。（芯片制造商已完成）指令系统功能是否齐全、寻址方式是否方便，直接影响计算机的工作能力。2023/2/630（6）外部设备的配置外部设备的配置是衡量一个计算机系统的综合性能的重要指标。

1、允许配置的外设数量，一般所配的外设越多，系统功能越强；

2、外设接口的标准和类型，接口性能的好坏直接影响系统的功能。2023/2/631（7）软件的配置软件和硬件是计算机系统中两大资源。软件配置直接影响计算机系统的使用和性能的发挥。必须配置的软件：1、系统软件（操作系统、诊断程序、编辑程序等）；2、程序设计语言（机器语言、汇编语言，高级语言）；3、应用软件（软件包、数据库）。2023/2/6322.4微型计算机的应用概况（1）科学计算（数值计算）（2）信息处理（3）过程控制（4）计算机辅助技术（5）人工智能（6）计算机仿真2023/2/633（1）科学计算（数值计算）科学研究和工程技术领域中有大量复杂的数值运算问题，是计算机应用最早的领域。如：①人造卫星的轨迹计算；②建筑设计中房屋抗震强度的计算；③气象预报中描述大气运动规律的微分方程的求解等。特点：计算过程复杂，精度要求高。2023/2/634（2）信息处理用计算机对信息及时地加以记录、整理和计算，并加工为人们所要求的形式。如：数据处理、事务处理、企业管理和情报检索等都属于信息处理的范畴。特点：数据量很大，计算过程比较简单。2023/2/635（3）过程控制过程控制是指将计算机应用于自动控制系统。所谓自动控制系统是一种不需要人工干预的过程（包括机械加工过程、热力学过程和化学过程等）和对象进行控制的系统。特点：实时性——要求及时采集检测数据，经过计算机计算后及时对被控对象进行自动控制和调节。2023/2/636（4）计算机辅助技术包括：计算机辅助设计(CAD，ComputerAidedDesign)；计算机辅助制造(CAM，ComputerAidedManufacturing);计算机辅助教育(CAI，ComputerAssistedInstruction);等等。特点：综合利用计算机的计算、逻辑判断、信息处理的功能，并具有很强的人机交互特性。2023/2/637（5）人工智能人工智能是研究如何制造出智能机器和智能系统来模拟人类的智能活动，以延伸人的智能的科学。研究领域包括计算机学习、计算机证明、景物分析、模拟人的思维过程、自然语言理解、自动程序设计、及机器人学等。2023/2/638（6）计算机仿真计算机仿真是一门建立仿真模型和进行仿真实验的技术。科研人员根据实际系统建立模型系统，并通过对模型系统的研究实验，以达到研制和开发实际系统的目的。应用范围包括航空、航天、核能及其他工业控制等领域。目前已推广到社会、经济、生物等领域。利用计算机仿真可以方便、有效地对系统进行分析、设计、操作、预测和统筹等控制。2023/2/6393数制及转换

1、数制

2、各种数制的相互转换2023/2/640数制（1）十进制数（2）二进制数（3）十六进制数2023/2/641（1）十进制数（Decimal)①具有10个数字符号0，1，2，···，9；②由低位向高位进位是按“逢10进1”的规则进行的；③基数为10，第i位的权为10i。其中i=n，n-1，···，2，1，0，-1，-2，···规定整数最低位的位序号i=0。例：(6543.21)10

D=6×103+5×102+4×101+3×100+2×10-1+1×10-22023/2/642（2）二进制数(Binary)①具有2个数字符号0，1；②由低位向高位进位是按“逢2进1”的规则进行的；③基数为2，第i位的权为2i。其中i=n，n-1，···，2，1，0，-1，-2，···规定整数最低位的位序号i=0例：(1010.101)2

B=1×23+0

×22+1×21+0×20+1×2-1+0×2-2+1×2-32023/2/643（3）十六进制数(Hexadecimal)1、具有16个数字符号0，1，2，···，9，A，B，C，D，E，F；2、由低位向高位进位是按“逢16进1”的规则进行的；3、基数为16，第i位的权为16i。其中i=n，n-1，···，2，1，0，-1，-2，···规定整数最低位的位序号i=0例：(19BF.ABE)16=19H=1×163+9×162+11×161+15×160+10×16-1+11×16-2+14×16-32023/2/6442、各种数制的相互转换（1）二进制、十六进制转换为十进制（2）十进制转换为二进制（3）二进制转换为十六进制2023/2/645（1）二进制、十六进制转换为十进制按权展开求和。如：①B=1×24+1×22+1×20+1×2-1+1×2-3

D②19H=1×162+9×161+11×160+10×16-1+11×16-2D2023/2/646（2）十进制转换为二进制①整数部分②小数部分2023/2/647（3）二进制与十六进制之间的转换四位二进制数正好等于一位十六进制数

00011111B1(1×20=1)2(1×21=2)4(1×22=4)8(1×23=8)16(1×24=16)2023/2/648四位二进制与一位十六进制数的对应关系四位二进制数一位十六进制数0000B1001B1000B5H4H3H2H6H0H0010B0011B0100B0101B0110B7H0111B1111B1110B1101B1100B1011B1010BCHBHAH9H8H1HDHEHFH0001B四位二进制数一位十六进制数2023/2/649二进制转换为十六进制数B=?H1110110101100.10101

0001110110101100.101010001DAC.A8

↓

↓

↓

↓

↓

↓

=12023/2/650十六进制转换为二进制数例：39F.E1AH=?B39F.E1A001110011111.111000011010↓↓↓↓↓↓

=1110011111.11100001101B39

=001110011111.111000011010B2023/2/651①整数部分——除2取余法

例：19D=?B高低余数19D=

所以，我们可以得到：10011B19÷2=9…19÷2=4…14÷2= 2…02÷2=1…01÷2=0…1 2023/2/652②小数部分——乘2取整法例：0.625D=?B0.625×2=1.25…10.25×2=0.5…00.5×2=1.0…1低高整数

D=

所以我们可以得到：2023/2/6534、计算机中的数及编码1、机器数与真值2、带符号数、无符号数3、原码、补码及反码4、真值与补码之间的转换5、补码的运算6、二进制编码2023/2/6544.1机器数与真值（1）在计算机中数是用二进制数来表示的。（高电平代表“1”，低电平代表“0”)（2）数的符号在计算机中也是用二进制数表示的。“＋”用“0”表示，“－”用“1”表示。例：有两个数：真值机器数N1=＋1101001N2=－1101001在计算机中的表示形式：N1：01101001N2：111010012023/2/6554.2带符号数、无符号数（1）带符号数用0表示正数，用1表示负数，这种表示数的方法，称为带符号数的表示方法，所表示的数称为带符号数。带符号数的表示形式：①＋22②－22符号位数值部分符号位数值部分2023/2/6564.2带符号数、无符号数（2）无符号数如果把全部有效位都用来表示数的大小，即没有符号位，这种方法表示的数，叫无符号数。无符号数表示形式：①22②1508位全部用来表示数值大小8位全部用来表示数值大小2023/2/6574.3原码、反码及补码思考：在计算机中一个数的大小和符号都用二进制来表示，那么在计算机中是如何进行运算的？（1）原码（2）反码（3）补码2023/2/658（1）原码定义：一个数的原码就是该数的机器数。①对正数X=+X6X5X4X3X2X1X0（Xi=0或1）则：[X]原码=0X6X5X4X3X2X1X0②对负数X=－X6X5X4X3X2X1X0（Xi=0或1）则：[X]原=1X6X5X4X3X2X1X02023/2/659（2）反码定义：正数的反码就等于它的原码；负数的反码就是它的原码除符号位外，各位取反。①对正数X=+X6X5X4X3X2X1X0（Xi=0或1）反码[X]反码=0X6X5X4X3X2X1X0②对负数X=－X6X5X4X3X2X1X0（Xi=0或1）反码[X]反码=2023/2/660（2）反码例：X1=＋1001001X2=－1001001则：[X1]原=

01001001[X2]原=

11001001[X1]反=

01001001[X2]反=

101101102023/2/661

有一个道理：例：有一个钟显示时间是6点钟，而正确时间是1点钟，请问如何校正这个钟？方法1：顺时针拨7个钟；6＋7→1方法2：逆时针拨5个钟；6－5→1引进概念——模（3）补码2023/2/662概念—模模一个计量器的容量，记为M，或modM。模的特性——当一个计量器的模为M时，它在计量器里的表示形式与0一样，也就是说，M=0

。所以，对时钟来说，M=12：方法1：6＋7=13=12+1=0+1=1方法2：6＋7=6－5=12023/2/663概念—模同样，对一个n位二进制计数器，它的容量为2n，它的模为M=2n。假设，n=8，则M=28=256。也就是说对8位二进制计数器来说，256=00→→8位计数器12562023/2/664（3）补码定义：正数的补码就等于它的原码；负数的补码就是它的反码加1。①对正数X=+X6X5X4X3X2X1X0（Xi=0或1）补码[X]补=

0X6X5X4X3X2X1X0②对负数X=－X6X5X4X3X2X1X0（Xi=0或1）补码[X]补=[X]反+1=＋12023/2/665（3）补码例：X1=＋1001001X2=－1001001则：[X1]原=

01001001[X1]反=

01001001[X1]补=

01001001[X2]原=

11001001[X2]反=

10110110[X2]补=

[X]反+1

=

101101112023/2/6664.4真值与补码之间的转换例1已知X=+0101010，Y=－0101010求它们的原码、反码和补码。解：[X]原=[X]反=[X]补=00101010[Y]原=10101010[Y]反=11010101[Y]补=[Y]反+1=11010101+1=110101102023/2/6674.4真值与补码之间的转换例2[X]补=10101101，求真值X。解：因为补码的首位是1，则其真值X即为负数[X]反=[X]补－1=10101101－1=10101100[X]原=11010011（除了符号位，按位取反）所以，X=－10100112023/2/6684.5二进制编码二进制编码是指用二进制代码来表示计算机中所要处理的数值、数字、字母和符号等，一般为若干位二进制数码的组合。（1）二进制编码的十进制数（2）字母和字符的编码2023/2/669（1）二进制编码的十进制数二进制编码的十进制数就是BCD码（BinaryCodedDecimal）。①压缩BCD码是用4位二进制数表示一位十进制数。一个字节表示两位十进制数。如：10010110B表示96D②非压缩BCD码是用一个字节表示一位十进制数。高4位总是0。如：00001001B表示9D两种BCD码的编码对照表2023/2/670两种BCD码的编码对照表2023/2/671（2）字母和字符的编码计算机不仅要处理数值问题，还要处理大量的非数值问题，这就必须引入文字、字母，某些专用的符号，这就是目前应用最广泛的字符编码系统ASCII码。（AmericanStandardCodeforInformationInterchange，美国信息交换标准码）例：大写字母“A”的ASCII码就是41H;小写字母“n”的ASCII码就是6FH;数字“8”的ASCII码就是38H;2023/2/672AmericanStandardCodeforInformationInterchange

美国信息交换标准码详细参考教材表1-31）数字0~9比字母要小。如"7"<"F"；2）数字0比数字9要小，并按0到9顺序递增。如"3"<"8"3）字母A比字母Z要小，并按A到Z顺序递增。如"A"<"Z"4）同个字母的大写字母比小写字母要小32。如"A"<"a"。

2023/2/6735、计算机中数的运算方法在微机中，带符号数一般都是以补码的形式进行存放和计算。1、补码的加减法运算2、溢出判断3、逻辑运算2023/2/6745.1补码的加减法运算规则[X＋Y]补=[X]补＋[Y]补[X－Y]补=[X+（－Y）]补=[X]补＋[－Y]补因此，加法或减法都是用补码的加法来进行运算的。2023/2/675（1）补码的加法规则规则[X＋Y]补=[X]补＋[Y]补例X=+0110110，Y=－1111001，求X+Y=？解：首先按常规加法计算：X=＋0110110=54DY=－1111001=－121D所以，X+Y=－67D2023/2/676（1）补码的加法规则例X=+0110110，Y=－1111001，求X+Y=？解：用补码的加法规则来求：[X]原=[X]反=[X]补=00110110[Y]原=11111001[Y]反=10000110[Y]补=[Y]反＋1=10000110＋1=10000111[X]补=00110110+）[Y]补=10000111[X]补+[Y]补=101111012023/2/677（1）补码的加法规则例：根据规则：[X＋Y]补=[X]补＋[Y]补所以，[X+Y]补=10111101[X+Y]反=10111101－1=10111100[X+Y]原=11000011则：X+Y=－1000011=－67D显然，补码的加法规则是正确的。2023/2/678（2）补码的减法规则规则[X－Y]补=[X+（－Y）]补=[X]补＋[－Y]补例X=+1010101，Y=+1100001，求X－Y=？解：首先按常规减法计算：X=＋1010101=85DY=＋1100001=97D所以，X－Y=－12D2023/2/679（2）补码的减法规则例X=+1010101，Y=+1100001，求X－Y=？解：按补码的减法规则来求：[X]原=[X]反=[X]补=01010101－Y=－1100001[－Y]原=11100001[－Y]反=10011110[－Y]补=10011111[X]补=01010101+）[－Y]补=10011111[X]补+[－Y]补=111101002023/2/680（2）补码的减法规则例：根据补码的减法规则：[X－Y]补=[X]补＋[－Y]补由[X－Y]补=11110100[X－Y]反=11110100–1=11110011[X－Y]原=10001100所以X－Y=－0001100B=－12D补码的减法规则也是正确的，事实上就是加法规则2023/2/6815.2溢出判断例：X=+1000101，Y=+1100111，求X+Y=？解：[X]原=[X]反=[X]补=01000101[Y]原=[Y]反=[Y]补=01100111[X]补=01000101（69D）+）[Y]补=01100111（103D）[X]补+[Y]补=10101100（172D）因此，得[

X+Y]补=10101100由于其符号位是1，表明X+Y的真值是负