01计算机原理的基础知识习题课

1习题课计算机的基本结构封面2

1.1计算机系统概述（硬件、软件、语言类型）

1.2数据表示（数制、编码、符号数、二进制运算）

1.3Intel8086系列微处理器（8086/8088）

1.4PC微型计算机系统（PC机的软硬件）

1.58086微处理器（8086的结构）

要点及习题31.1

计算机系统概述1.1.1计算机的硬件1.1.2计算机的软件1.1.3计算机程序设计语言41.1.1计算机的硬件计算机硬件的结构如下图所示（CPU、存储器、接口（外设））：

运算器控制器寄存器主存储器系统总线I/O接口输入设备输出设备辅助存储器CPU外总线5

1.中央处理单元

由三部分组成。控制器：取指令，经译码分析后发出各种控制命令,如取数、存数、运算等。运算器：完成各种算术运算和逻辑运算。寄存器（或寄存器阵列）：由多个8位、16位寄存器组成，提供各种操作所需要的数据。6

2.存储器1)存放程序和数据；可重复读取；新数据覆盖原数据。

2）主存：半导体，快，成本高，容量小；辅存：软硬磁盘、光盘；

3）RAM：可读可写，易失性存储器；

ROM：只读，非易失性存储器；

4）由大量存储单元组成：单位、内容、地址、容量、B(BYTE)、KB、MB、GB、TB等。7

3.外部设备和接口设备类型：人机交互机器间通信外存（可看做I/O设备）接口：①接口的必要性：格式转换、电平转换…②接口的组成：三个（组）寄存器；通过寄存器交换数据；③对接口的访问：端口----端口号----端口地址、I/O地址；返回8

1.1.2计算机软件1.系统软件面向计算机、由厂家提供；其作用为管理和维护、充分发挥其功能、为用户提供一个方便使用的系统。如操作系统，诊断系统，程序设计语言等2.应用软件面向问题、由公司或用户编写★集成开发环境：开发工具包括文本编辑、翻译程序、调试程序、连接程序等，在DOS时代，其各自是独立的；现在将其集成为一个软件，即为“集成开发环境”。返回9

计算机的程序设计语言1.机器语言低级语言

2.汇编语言程序设计语言

3.高级语言C/C++、JAVA、 DELPHI……10

1.机器语言指令→机器指令；机器指令的组成：操作码、操作数；指令系统;机器语言：指令系统及使用指令系统编写程序的规则。机器语言特点:计算机唯一能够直接识别的语言。目标程序：用机器语言描述的程序。机器语言的致命缺点：难以使用。如100+2568086机器语言程序：B86400050001A3002011

2.汇编语言汇编指令：用便于记忆、并能描述指令功能的符号表示机器指令→汇编指令（符号指令）。助记符：表示指令操作码的符号，一般用英语单词或缩写。指令的操作数也用符号表示。汇编语言：汇编指令及使用汇编指令编写程序的规则。（其他语言要素第三章介绍）汇编语言(源)程序：使用汇编语言编写的程序。汇编语言的特点：汇编指令与机器指令一一对应，但相对机器语言易于理解、掌握，当我们用低级语言编写程序时使用汇编语言而不用机器语言。12

3.高级语言机器语言和汇编语言以外的程序设计语言统称高级语言。其特点是更加接近自然语言和惯用的数学表达形式，与计算机硬件结构无关，因而便于使用，便于交流和推广。总之，高级语言编程效率高，但运行效率低。高级语言可分成编译型和解释型高级语言，分别使用编译程序和解释程序将源程序翻译成机器语言程序，然后交计算机执行。13数据表示1.2.1数制1.2.2编码1.2.3有符号数的表示方法1.2.4二进制运算返回第一章14

1.2.1数制[数制涉及三个问题:计数符号基数和权计数规则（1）计数符号

这是用于书写数值的符号，所有计数符号的集合称作数符集。k进制的数符集中必然包含k个符号。比如：二进制的数符集中有两个符号：0和1；八进制的数符集中有8个符号：0,1,2,3,4,5,6,7；十进制的数符集中有10个符号：0,1,2,3,4,5,6,7,8,9；十六进制的数符集中有16个符号：0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F。15数制的三个问题：1.二进制数

（2）基数和权如果把用k进制书写的一个整数从右往左依次记作第0位、第1位、…、第n位，则第i位上的数符ai所代表的含义是ai×ki。在此，我们把k称为一个数制的基数，而把ki称为k进制数第i位的权。（如888，每个8的位权都不相同）（3）计数规则简单地说，就是“逢k进1，借1当k”。]…………………..1.二进制数

11011011.101B=1x27+1×26+0×25+1×24+1×23+0×22+1×21+1×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3

二进制数是计算机内部采用的，并唯一能够直接被计算机识别的数。162.十六进制数2.十六进制数

8a0f.6bH=8×163+10×162+0×161+15×160+6×16-1+11×16-2

引入十六进制数的目的是为了描述二进制数。数的书写方法：

1）二进制数尾部加B(b)。

2）十六进制数尾部加H(h)；如记数符号a,b,c,d,e,f打头，头部应加0，如0A8F5H；记数符号a,b,c,d,e,f不区别大小写，与ABCDEF等效。

3）十进制数尾部加D(d)，但通常可以省略。173.数制间转换3.数制间转换

1）十进制数转换二进制数；

2）十进制数转换十六进制数；

3）二进制数十六进制数互相转换；

返回18－3数制转换：十进制→二进制（整数）①将整数部分不断除以2，记下每次得到的余数，直到商为零；②余数倒排，即最后得到的余数排在最高位，第一个余数排在最低位。例如将十进制数13转换成二进制数：

213余数

26－－－－－123－－－－－021－－－－－10－－－－－1 13D=1101B19－3数制转换：十进制→二进制（小数）

小数部分转换：乘2取整，顺序排列得到的整数。例如将转换成二进制数：

整数×2 1.6250 ×2 1.25 ×2 0.50 ×2 1.00（有时会有转换误差，如）返回数制转换20－3数制转换：十进制→十六进制十进制数转换成十六进制数，方法同十进制数转换成二进制数，只不过“除2取余”变为“除16取余”，“乘2取整”变为“乘16取整”。同理，如果要将十进制数转换为其它数制的数（如八进制数），也采用同样的方法。二进制数、十六进制数转换成十进制数教材未介绍，只要将二进制数、十六进制数按位权展开相加即可，如将转换成十进制数：8A.B5H=8×161＋10×160＋11×16-1+5×16-2

=128＋10＋＋返回数制转换21二进制数互相转换十六进制数返回数制转换5A.5H22

1.2.2编码计算机中的数采用二进制数，字母、符号等也只能采用二进制代码（0，1）的排列组合表示（编码）。(两种编码：BCD码、ASCII码）1.BCD码（8421码、二──十进制数）解决十进制数在计算机内部如何表示。BCD码规定用四位二进制数表示一位十进制数。对多位十进制数，只要把每一位十进制数分别表示为四位二进制数即可。十进制BCD码

00000100012001030011401005010160110701118100091001十进制BCD码

2800101000956100101010110232.ASCII码2.ASCII码解决字母、符号在计算机内部如何表示。基本ASCII码（标准ASCII码）用七位二进制数表示一个符号（共128个）；书写：用两位十六进制数书写，如41H----A；种类：1）控制字符（前32个和最后一个）：

0D---回车，0A---换行；

2）其他为打印字符（可显示字符）；应记住的ASCII码：30H~39H，41H，61H扩展ASCII码用八位二进制数表示一个符号（共256个）。返回24

1.2.3有符号数表示方法0.无符号数、有符号数、机器数、真值1.原码正数原码：符号位为0，数值位照抄。负数原码：符号位为1，数值位照抄。例：X=+25=+00011001B[X]原=00011001BX=-25=-00011001B[X]原=10011001B2.反码正数反码：符号位为0，数值位照抄。负数反码：符号位为1，数值位取反。例：X=+25=+00011001B[X]反=00011001BX=-25=-00011001B[X]反=11100110B

原码和反码表数范围相同，都是-127~+127。253.补码3.补码为了将减法运算变成加法来做，有符号数在计算机内一律采用补码表示。正数补码：符号位为0，数值位照抄。负数补码：符号位为1，数值位取反加一。例：X=+25=+00011001B[X]补=00011001BX=-25=-00011001B[X]反=11100110B[X]补=11100111B

下面是原码、反码和补码的小结。原码、反码、补码总结：

1）正数的原码反码补码相同；负数的原码反码补码各不相同，但符号位都是1。

2）设字长为八位，原码反码的表数范围为

-127~+127，补码的表数范围为-128~+127。

3）已知某负数的补码，求该负数的真值，方法如下：①符号位不动，其余位求反加一，得到的是该负数的原码；②根据原码即可写出该负数的真值。例：[X]补=11111100B[X]原=10000011B+1=10000100BX=-0000100=-4返回26

二进制运算（含十六进制运算）1.算术运算与十进制运算相同，只不过是逢2进1，借1当2。 加法 减法 乘法

0+0=0 0‐0=0 0×0=00+1=10‐1=1 0×1=01+0=11‐0=1 1×0=01+1=101‐1=0 1×1=12.十六进制算术运算：与十进制运算相同，但①逢16进1，借1当16；②注意运算结果如为A，B，C，D，E，F，不能写成10，11，12，13，14，15。例1：计算85AH+924H

85A

+924

————

117E例2：计算800H‐1

800‐001————7FF不可以写成14逢16

进1273.逻辑运算3.逻辑运算

与运算（AND；∧）：

1∧0=0 1∧1=1 0∧0=0 0∧1=0

或运算（OR；∨）：

1∨0=1 1∨1=1 0∨0=0 0∨1=1

非运算（NOT；～或—

）：～0=1 （0=1） ～1=0（1=0） 异或运算（XOR；⊕）

1⊕0=1 1⊕1=0 0⊕0=0 0⊕1=1

注意：逻辑运算是按位运算。

28

4.用补码作减法我们用实例说明计算机在执行减法指令时，是如何把减法变成加法来做的（设字长为8位）。例1：(+5)－(+4)即(+00000101）－（+00000100）①机器中+5和+4都用补码表示。②对减数求补(求反加一），得到（-4）的补码：11111100③（+5）的补码加（-4）的补码：

00000101

+11111100 ——————————100000001④将结果00000001看作补码，其真值即为+1。进位被自动舍弃29用补码作减法（2）例2(+5)－(-4)即(+0000101)－(-0000100）①机器中+5和-4都用补码表示。(-4)补=11111100②对减数求补，得到的是+4的补码：00000100③将+5的补码加+4的补码

00000101+00000100——————————00001001④将结果看成补码，其真值即为正确结果+9。例3：（-5）-（+4）和（-5）-（-4）步骤同上。总之：①被减数和减数都用补码表示；

②机器对减数先求补，而后做加；

③将计算结果看作补码。返回第一章301.3Intel80x86系列微处理器8086：1978年推出;内外数据总线16位;地址总线

20位；寻址范围1MB；主频5MHz.8088：1979年推出；外部数据总线8位；其余基本同8086，被称为准16位CPU。80186：增强了8086的功能,但作为计算机的CPU没有被使用过，只作过某些板卡的控制器。31802862.80286（16位CPU）

1982年推出；内外数据总线16位；地址总线24位；寻址范围16MB；主频5MHz~20MHz。

80286支持两种工作方式：实模式和保护模式。实模式：相当于一个快速8086。保护模式：提供虚拟存储管理和多任务的硬件控

制。物理寻址范围16MB，虚拟存储器寻址范围可达1GB。指令系统除包含8086/80186指令外，新增15条保护方式指令3280386（32位CPU）

1985年推出;内外部数据总线32位；地址总线32位，物理寻址范围4GB,虚拟存储器寻址范围可达64TB。主频为16/25/33MHz。

386除支持286的两种工作方式外，新增虚拟8086模式。虚拟8086模式的特点：

1)既具有保护功能，又能执行实模式下的8086代码，且可以实现多任务。（可同时运行多个DOS程序）

2)可以在虚拟8086模式和保护模式下快速、反复转换。指令系统除兼容原16位CPU指令外，全面升级为32位指令，并新增多条指令。3380486\pentium4.80486（32位CPU）

1989年推出；特点：①将高速缓存、协处理器与CPU集成在一个芯片上；②部分采用了RISC技术；③采用了指令流水线技术；④大幅度提高了CPU的主频，可达100MHz。5.Pentium/MMXPentium(32位或准64位CPU)Pentium:1993年推出；内部数据总线32位，外部数据总线64位;主频60MHz~200MHz;采用超标量技术。MMXPentium:1996年推出；主频最高233MHz;新增57条多媒体指令，提高了多媒体软件执行速度。 下面简单介绍RISC技术和流水线技术。

RISC技术：精简指令系统计算机技术。其特点是：CPU的指令系统不含复杂指令，指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式少，指令数量少（只选择使用频度很高的指令），因此，使计算机结构变得更加简单、有效，结合流水线等其他技术，使一个时钟周期完成一条指令，从而大大提高了计算机的速度。如１９８１年研制成的RSCIＩ型CPU，只有31条指令，其性能却比当时最先进的商品化微处理器MC68000和Z8000快３～４倍。

流水线技术：计算机中的流水线技术和工厂中的流水装配线类似。①将执行一条指令需完成的操作分成若干子操作；②每个子操作由专门部件完成；③各子操作并行工作。由于子操作并行工作，提高了计算机的执行速度。（但要注意，完成一条指令所需要的时间并没有变。）（“每周期完成一条指令”和“完成一条指令需要一个周期”不同。）（超标量）装配线34Pentiumpro\pii/piii\p4６.PentiumPro／PⅡ／PⅢ／Ｐ４

PentiumPro:1995年推出；Pentium的增强型芯片，主要用于服务器.PII:1997年推出；在PentiumPro的基础上增加了MMX指令。

PIII:1999年推出；在PII的基础上增加了70条SSE指令。

P4：2000年推出；新增76条SSE2指令。另外，从PII时代开始，Intel为了占领低端市场，推出了Celeron(赛扬）微处理器，目前，最新型的Celeron(赛扬)微处理器是所谓C4，与P4引脚兼容。

返回第一章351.58086微处理器1.5.18086的功能结构1.5.28086的寄存器组1.5.3存储器组织与段寄存器

1.存储器组织（位、字节、地址、字单元…）

2.分段管理（分段、逻辑地址、物理地址…）

3.段寄存器（段寄存器、段超越….）返回第一章36

1.5.18086的功能结构指令译码总线接口单元执行单元ABUSDBUSCBUS内部数据总线内部数据总线返回37

1.5.28086寄存器组

寄存器是CPU内部临时存放数据的部件。

8个通用寄存器，4个段寄存器，1个指令指针寄存器，1个标志寄存器。以上寄存器均为16位寄存器。

1.8086通用寄存器(1)AX—累加器。(2)BX—基地址寄存器。(3)CX—计数寄存器。(4)DX—数据寄存器。(5)SI—源变址寄存器。(6)DI—目的变址寄存器。(7)BP—栈基地址寄存器。(8)SP—栈顶指针。(9)IP——指令指针寄存器（专用寄存器）。

通用寄存器中的4个数据寄存器可以分成8个8位寄存器使用：AX→AH，ALBX→BH，BLCX→CH，CLDX→DH，DL38标志寄存器2.标志寄存器

标志寄存器又称作程序状态字(ProgramStatusWord，简记作PSW)，共16位，一般把每一位分别使用，8086/8088使用其中的9位，用于存放当前程序执行的状况和运算结果的特征，各标志位的分布如图所示。

D15d14d13d12d11d10d9d8

D7D6D5D4D3D2D1D0OFDFIFTFSFZFAFPFCF39标志寄存器

9个标志位可分为两组：状态标志（条件标志），记载算术运算或者逻辑运算结果的特征；另一组是控制标志位，记载CPU当前工作状态（控制CPU执行指令的方式），包括TF、IF、DF等3个标志位。1．状态标志（条件标志）（1）CF——进位标志。（2）ZF——零标志。（3）SF——符号标志。（4）OF——溢出标志。（设置，与CF的区别）（5）PF——奇偶标志。（低8位，偶数时为1）（6）AF——辅助进位标志。

40控制标志位2．控制标志位（1）TF——单步中断允许标志。（2）IF——外部可屏蔽中断允许标志。（3）DF——方向标志。返回目录41

1.5.3存储器组织与段寄存器1.数据的存储格式AFH5AH34H12H56H78H0006H0005H0004H0003H0002H0001H0000H地址位(bit)、字节(Byte)、字;存储器的基本单位，地址、内容；字、双字的存放:遵循低字节占低地址，高字节占高地址。字单元、双字单元的地址。字单元[0002h]=1234h双字单元[0002H]=78561234H字节单元[0002h]=34h内容42存储器的分段管理12.存储器的分段管理①为何分段：8086的地址总线宽度为20位，寻址范围220=1MB，但一个地址寄存器只有16位，无法直接形成20位地址，故把1M空间分成许多“段”，用一个寄存器表示某段在1M空间内的起始地址(段地址)，用另一个寄存器表示表示段内某单元相对本段起始地址的偏移地址。（用两个16位寄存器形成20位地址）②地址的表示方法：段(基)地址：偏移地址为能用16位寄存器表示段的起始地址(xxxxxH)，并不是任意一个单元的地址都能作段的起始地址，只有那些形式为xxxx0H的地址才能作段的起始地址，该起始地址存入16位寄存器时，将0省略即可。偏移地址为16位，可直接放入16位寄存器。43分段管理2③逻辑地址和物理地址逻辑地址：存储单元地址的表达形式。即段地址:偏移地址物理地址：存储单元在1M空间内的实际地址。④已知逻辑地址，求物理地址如205AH：3B06H205A0H+3B06H————————240A6H①段地址乘以16（也就是将保存段地址时省略的0补回。）②位对齐，加偏移地址物理地址44分段管理3⑤地址的唯一性一个存储单元的物理地址是唯一的，但逻辑地址并不是唯一的，例如4106H:400AH，42AEH:258AH，3507H:0FFFAH……都表示同一个存储单元，其物理地址为4506AH。⑥涉及分段的其他