第一章微机原理

主讲教师：张荣标

微型计算机原理第一章微型计算机基础

1.1计算机中的数制与码制1.1.1计算机中的数制1、数的位置表示法设待表示的数为N．则式中X为基数ai为系数（0<ai<X－l）m为小数位数n为整数位数为什么要采用二进制数？例1-1（1）二进制数10011.11B=1×24＋0×23＋0×22＋1×21＋1×20＋1×2-1＋1×2-2=19.75（2）八进制数7345.6Q=7×83＋3×82＋4×81＋5×80＋6×8-1=3813.75（3）十六进制4AC6H=4×163＋10×162＋12×161＋6×160=191422、数制之间的转换（1）任意进制数转换为十进制数

对二进制、八进制和十六进制以及任意进制数转换为十进制数可采用表达式（1.1）展开求和实现。（2）二进制、八进制和十六进制数之间转换一位八进制数相当于三位二进制教；一位十六进制数相当于四位二进制数。它们之间的转换十分方便。例1-2二进制转换成八进制和十六进制数1101100101100011B=154543Q=D963H（3）十进制数转换为二进制数当十进制数转换为二进制数时，须将整数部分和小数部分分开。整数常采用“除2取余法”，而小数则采用“乘2取整法”。

十进制整数转换为二进制整数转换方法是除2取余，直到商等于零为止，逆序排列余数即可。对数值比较大的十进制数进行转换时，可采用先将十进制整数转换为十六进制整数，然后再将十六进制整数转换为二进制整数。十进制整数转换为十六进制整数的方法是除16取余，直到商等于零为止，逆序排列余数。

十进制小数一定能用有限的二进制小数来精确地表示吗？十进制小数转换为二进制小数1、原码1.1.2计算机中的码制及补码运算例1-5设机器字长为n=8时，试求+0、+6、+127、-0、-6、-127的原码解：[+0]原=00000000[-0]原=10000000[+6]原=00000110[-6]原=10000110[+127]原=01111111[-127]原=11111111正数：原码与相应的二进制数完全相同；负数：二进制数的最高位一定是“1”，其余各位是该数的绝对值。零：有正零和负零之分。原码表示法最大优点：简单直观，但不便于加减运算。2、反码3、补码减法运算变成了加法运算：3+10=1（时针经过12点时自动丢失一个数12）相当于3-2=3+(-2)=110与-2有什么关系？自动丢失的一个数12是什么？数学上把12这个数叫做“模”10是（－2）对模12的补码在模12的条件下，负数就可以转化为正数，而正负数相加也就可以转化为正数间的相加。补码的概念：4、偏移码偏移码主要用于模／数转换过程中，若被转换数需参加运算，则仍要转换为补码。设机器字长为n，数x的移码为[x]移，则移码的定义如下：

（1．5）例1-8设机器字长为n=8时，试求-128、0、+127的移码。解：[-128]移=00000000[0]移=10000000[+127]移=111111115、补码运算在计算机中带符号二进制数通常采用补码形式表示。补码有两个主要特点：一是可以使符号位与数一起参加运算；二是将两数相减变为减数变补后再与被减数相加来实现。加法规则：[X+Y]补=[X]补＋[Y]补减法规则：[X-Y]补=[X]补＋[-Y]补其中，[-Y]补称作变补运算，可以用[Y]补再作一次求补运算即可得到。

例1-9X=64-12=52（字长为8位）[X]补=[64]补十[-12]补[64]补=01000000B[-12]补=11110100B01000000＋11110100100110100

自然丢失由于字长为8位，最高有效位的进位自然丢失。其结果为（52）10的补码计算机中为什么采用补码进行加、减运算？6、溢出判别

X=-34-98=-132（字长为8位）[X]补=[-34]补+[-98]补[-34]补=11011110B[-98]补=10011100B11011110＋10011100101111010丢失微型机中常用的溢出判别法：双高位判别法Cs：如最高位（符号位）有进位，CS=1，否则，CS=0。CP：如次高位有进位，CP=1，否则，CP=0。判别法则：无溢出：若最高位进位Cs和次高位进位Cp相同同为0或同为1有溢出：Cs和Cp相异。当CS⊕Cp=1时，表示有溢出产生，否则无溢出产生正溢出：CS=0，CP=1负溢出：CS=1，CP=01.1.3计算机中的小数点问题1、定点表示法小数点在数中的位置是固定不变的，通常有两种，即定点整数和定点小数。2、

浮点表示法将二进制数N表示成如下形式：N=±S×2±J

（1.6）该表达式在计算机中表示为：S：称作尾数，表示全部的有效数字，一般以纯小数表示；Sf：尾符，即浮点数的符号；J：阶数，它与阶符一起来决定小数点的实际位置；Jf阶符，即阶数符号；例1-12若用一个16位二进制表示浮点数，其中阶符尾符各占一位，阶数占5位，尾数占9位，试写出10110.101B的具体格式。解：设尾数以纯小数表示，则10110.101B=0.10110101×可得S=101101010Sf=0J=00101Jf=0在计算机中的表示形式为：浮点数应用中必须注意两个问题：⑴浮点数的规格化规格化的浮点数可以保留最多的有效数字。浮点数规格表示结果如下：对浮点二进制正数，其尾数数字部分的最高位必须是1。对浮点二进制负数，其尾数数字部分的最高位必须是0。⑵浮点数的对价原则在运用浮点数进行加减时，两数的阶码必须取得一致，否则不能进行加减运算，对阶原则如下：a.以大的阶码为准对阶。b.对阶后数的大小不变（在精度允许范围内），对阶规则是：阶码每减少1，尾数向左移一位，阶码每增加1，尾数向右移一位。定点与浮点表示法各有哪些优缺点？1.1.4计算机中信息的编码信息编码：十进制数的二进制编码、字符信息的编码和汉字编码。1、十进制数的二进制编码由四位二进制数来表示一位十进制数。称作BCD码

（1）8421码：四位二进制数的权分别为8、4、2、1的BCD码324.6对应的8421BCD码是001100100100.0110

（2）2421码：四位二进制数的权分别为2、4、2、1的BCD码，724.6对应的2421BCD码是110100100100.1100（3）余3码：将8421码加上0011。余3码也是一种自补码，对各位取反就得到它的9补码。825.7对应的余3码是101101011000.10102、字符信息的编码字母、数字和符号等各种字符按特定的规则用二进制编码在计算机中的表示。在微型机中表示字符的常用码制是ASCII码，它是美国信息交换标准码（AmericanStandardCodeforInformationInterchange）它能用6位、7位或8位二进制数对字符编码。7位ASCII码可表示128种字符，它包括52个大、小写字母、0—9十个数字和控制符号8位ASCII码是在7位ASCII码基础上加一个奇偶校验位而构成。奇偶校验码，是对每一组二进制编码配置一个二进制位（称为奇偶校验位），通过将该位置“0”或置“1”而使每组二进制编码中“1”的个数为奇数（即形成奇校验码）或偶数（即形成偶校验码）。奇偶校验码中，校验位只用来使每组二进制编码“1”的个数具有奇偶性3、汉字编码汉字编码的类型有四种：外部码、内部码、交换码和输出码。（1）外部码每个汉字对应一个外部码。对同一个汉字不同的输入方法其外部码也不相同。目前外部码大致可分为四种类型：数字码、音码、形码和音形码。（2）内部码每个汉字对应一个内部码。同一汉字的内部码是唯一的。内部码通常反映了汉字在字库中的位置。（3）交换码用于计算机之间或计算机与终端之间交换信息。该标准编码字符集共收录汉字和图形符号7445个。（4）输出码同一汉字的输出码因选择点阵的不同而异。目前常用的汉字点阵有：16×16、24×24、32×32、40×40、48×48、64×64、72×72、96×96、108×108等。1.2微型计算机的组成

1.2.1微型计算机的结构微处理器、微型计算机、微型计算机系统的含义和它们之间的关系。

算逻运算器累加器寄存器控制器内部总线内外存储器系统总线I/O接口微型计算机系统微处理器外围备设系统软件微型计算机图1.1微处理器、微型计算机和微型计算机系统三者关系1、微处理器CPU：算术与逻辑运算部件、控制器部件、累加器与寄存器和内部总线4部分组成图1.2微处理器内部结构框图ALU通用寄存器堆累加器指令寄存器指令译码器定时与控制电路I/O信号……存储器写存储器读等待中断请求时钟复位I/O写I/O读堆栈指示器程序计数器地址寄存器地址缓冲器地址总线内部总线数据总线标志寄存器数据锁存器／缓冲器2、微型计算机 微型计算机：CPU、存储器、输入和输出接口电路和系统总线AB地址总线DB数据总线CB控制总线3、微型计算机系统微型计算机、系统软件和外设

存储器I/O接口CPU图1.3微型计算机

微型计算机的总线可分为两级：①内总线微处理器芯片内部的总线，由它实现微处理器内部各功能单元电路之间的相互联接。②外总线三总线结构：数据总线、地址总线和控制总线数据总线DB用来在CPU和其它部件间传送信息。三态、双向。地址总线AB用于传送CPU要访问的存储单元或I/O接口的地址信号。单向、三态。控制总线CBCPU向其它部件传送控制信号，以及其它部件向CPU传送状态信号及请求信号的一组通信线。

1.2.2个人台式计算机的硬件构成实例图1.4个人台式计算机的外观组成

图1.5主机的内部组成图1.6主板的组成1、主板2、中央处理器CPU图1.7CPU

3、内存储器图1.8内存条

4、外存储器外存储器包括硬盘、软盘、光驱等设备。（1）硬盘图1.9硬盘（2）软盘图1.10软盘驱动器

（3）光盘存储器

图1.11光盘驱动器

5、显示卡、声卡、网卡图1.12显示卡图1.12显示卡

6、显示器、鼠标、键盘、机箱1.3计算机的基本工作原理

1.3.1模型计算机1、模型计算机CPU的结构图1.13模型计算机的CPU结构

J2I2ALUF内部数据总线ABPCARPLAIDDRCPU3E485F876AC5123E00AB5EE6ABDB存储器IR2、模型计算机的存储器结构及其操作

地址寄存器AR定为8位，可寻址256个单元，模型计算机存储器由256个单元组成。图1.14模型计算机的存储器结构

地址译码器00单元01单元02单元┇┇FF单元000102FF地址单元内容ABCBDBI/O缓冲器控制逻辑

存储器中的两种操作：读操作和写操作。

（1）读操作

图1.15存储器读操作示意图

地址译码器0单元内容3EH┇┇FF单元内容02控制逻辑地址单元内容AB读信号DB023EHI/O缓冲器（2）写操作

图1.16存储器写操作示意图

写信号地址译码器0单元内容┇┇FF单元内容I/O缓冲器03地址单元内容ABDB030FH0FH控制逻辑3、总线4、模型计算机的指令与指令系统指令：计算机能实现的各种基本操作，我们把每一种基本操作用命令的形式来表示。指令系统：计算机所能执行的全部指令。程序：把人的操作意图经分解后，用对应于所规定的指令系统的一串指令序列来描述。指令通常分成操作码（Opcode，即Operationcode）和操作数（Operand）两大部分。操作码：表示计算机执行什么操作；操作数：指明参加操作的数本身或操作数所在的地址。1.3.2程序运行过程1、程序的编写与存放

用模型计算机来完成一个简单的计算，假设要把15H与25H相加，运算结果送到16H存储单元，然后停机。首先用助记符进行编程MOVB，15HMOVA，25HADDA，BMOV[16H]，AHLT2、程序的运行过程CPU的执行过程取出指令执行指令两个阶段的循环在开始执行程序时，PC自动设置为00H，这样就自然地进入程序第一条指令的取指阶段，具体过程如下：1）第一条指令的取指阶段J2I2ALUF内部数据总线AB00PLAID01H01HCPU01H15H00H25H03H02H16H3E04H

DB存储器PC00+1AR……DRIR②①AB③④⑤⑥⑦

读图1.18取第一条指令的操作示意图

2）第一条指令的执行阶段J2I2ALUF内部数据总线A15H01PLAIDIR15HCPU01H15H00H25H03H02H16H3E04H

DB存储器PC01+1AR……DR②①AB④⑤⑥⑦③B

读图