微型计算机基础

第1章微型计算机基础

电子计算机无疑是人类历史上最伟大的发明之一。人类从原始社会学会使用工具以来

到现代社会经历了3次大的产业革命：农业革命、工'业革命、信息革命。而信息革命就是

以计算机技术和通信技术的发展和普及为代表的。如果从17世纪欧洲出现近代科学算起，

到今天差不多有400年的历史了。但是这400年的发展速度是人类以前几十万年的历史无

法比拟的。尤其进入信息革命以后，人类更是以突飞猛进的速度在发展。目前，人类已经

进入了高速发展的后现代时代。其中计算机科学和技术发展之快，是任何其他技术都无法

相提并论的。

1-1概述

1.1.1微型计算机发展概况

自20世纪40年代世界上第一台计算机ENIAC在美国宾夕法尼亚大学研制成功以来，

电子计算机经历了几次重大的技术革命，得到了突飞猛进的发展。通常按照电子计算机采

用的电子器件来进行划分，可将电子计算机的发展分为4个阶段，习惯上称为四代：

第一代：电子管计算机时代（1946年第一台计算机问世〜20世纪50年代后期）。这一

忖期的计算机采用电子管作为基本器件。在这一时期，主要为军事与国防尖端技术的需要

而研制计算机，并逐步扩展到民用，转为工业产品，形成了计算机工业。

第二代：晶体管计算机时代（20世纪50年代中期〜20世纪60年代后期）。这一时期计算机

主要器件的电子管逐步由晶体管代替，使整机的体积缩小，功耗降低，可靠性和运算速度得到提

高，且价格下降。并且随着磁心存储器的使用，速度得到进一步提高。计算机的应用领域由军事

与尖端技术领域扩大到气象、工程设计、数据处理以及其他科学研究等领域。

第三代：集成电路计算机时代（20世纪60年代中期〜20世纪70年代前期）。这一时期

的计算机采用集成电路作为基本器件，因此，功耗、体积、价格进一步下降，而速度和可

靠性进•步提高，使计算机的应用领域进一步扩大，占领了许多数据处理的应用领域。

第四代：大规模集成电路和超大规模集成电路计算机时代（20世纪70年代以后）。这一

时期的计算机采用大规模和超大规模集成电路作为基本器件，芯片集成度和微处理器的工

作速度以摩尔定律发展，大体上每2〜3年翻两番；半导体存储器取代磁心存储器，并不断

向大容量、高速度发展；微型计算机和计算机网络的产生和发展，使计算机的应用更加普

及，并深入到社会生活各方面。

随着大规模和超大规模集成电路制造技术的发展，20世纪70年代初期，已经能把原

来体积很大的中央处理机电路集成在一片面积仅十几平方毫米的微处理器（Microprocessor,

简称RP）电路芯片匕微处理器的出现开创了微型计算机的新时代。

所谓微型计算机是指以微处理器为核心再配上半导体存储器、输入/输出（I/O）端口电

路、系统总线及其他支持逻辑电路组成的计算机。微型计算机的出现，为计算机技术的发

•2-微机原理及接□技术

展和普及开辟了崭新的途径，是计算机科学技术发展史上的一个新的里程碑。

由于微型计算机具有体积小、质量小、价格便宜、耗电少、可靠性高、通用性和灵活

性强等突出特点，再加上超大规模集成电路技术的迅速发展，使微型计算机技术得到极其

迅速的发展和广泛的应用。从1971年美国Intel公司首先研制成功世界上第一块微处理器

芯片4004以来，差不多每隔2〜3年就推出--代新的微处理器产品，如今已经推出了六代

微处理器产品。微处理器是微型计算机的核心部件，它的性能在很大程度上决定了微型计

算机的性能。因此，微型机的发展是以微处理器的发展而更新换代的。目前，以Pentium

Pro(P6)微处理器为标志的微型计算机已进入第六代。

1.第一代(1971T973年)4位或低档8位微处理器

第一代微处理器和微型计算机是以4位微处理器和低档8位微处理器为代表，典型产

品有：美国Intel公司1971年首次推出的Intel4004,其改进型是Intel4040,它是实现4位

并行运算的单片微处理器，构成运算器和控制器的所有元件都集成在一片大规模集成电路

芯片上。以它为核心构成的微型计算机是MCS-4；1972年3月Intel公司推出的低档8位

通用微处理器Intel8008,以Intel8008为核心构成的微型计算机是MCS-8»第代微处理

器的芯片采用PMOS(Metal-OxideSemiconductor,金属氧化物半导体)工艺，集成度约为2000

管片，时钟频率为1MHz,平均指令执行时间为20”。

第一代微型计算的特点是指令系统简单，运算功能单一，但价格低廉，使用方便。

2.第二代(1974—1978年)中高档8位微处理器

微处理器问世后，众多公司纷纷研制微处理器，逐步形成以Intel公司、Motorola公司、

Zilog公司产品为代表的3大系列微处理器。典型产品有：1973年Intel公司推出的Intel8080

及其改进型8085；1974年美国Motorola公司推出的MC6809；1975年由Zilog公司推出的

Z-80,它是国内曾经最流行的单板微型机TP801的微处理器；MOS公司推出的MOS6502,

它是IBMPC问世之前世界上最流行的微型计算机AppleII(苹果机)的微处理器。第二代微

处理器的芯片采用NMOS工艺，集成度达到5000〜9000管/片，微处理器的性能技术指标

有明显改进，时钟频率为2〜4MHz,运算速度加快，平均指令执行时间为1〜2/s。

第二代微型计算机的特点是具有多种寻址方式，指令系统较完善。在系统结构上已经

具有典型计算机的体系结构，具有中断、DMA(DirectMemoryAccess,直接存储器存取)等

控制功能，设计考虑了机器间的兼容性、端口的标准化和通用性，配套外围电路的功能和

种类齐全。在软件方面，除可使用汇编语言外，还有高级语言和操作系统。

3.第三代(1978—1983年)16位微处理器

20世纪70年代后期，超大规模集成电路研制成功和制造技术的成熟，进•步推动微

处理器和微型计算机生产技术向更高层次发展，出现了16位微处理器。这一时期最典型的

产品是Intel公司1978年推出的16位微处理器Intel8086以及与8086内部结构相同，但外

部总线只有8位的准16位微处理器8088»除8086/8088外，还有Zilog公司的Z-8000,

Motorola公司的MC68000。第三代微处理器工艺上采用HMOS高密度集成工艺技术，集

成度为2〜7万管处，时钟频率为4MHz〜8MH乙数据总线宽度为16位，地址总线为20

位，可寻址内存空间达1MB,运算速度比8位机提高2〜5倍。1981年，IBM公司推出的

以8088为微处理器的个人计算机EMPC伙T投入市场后迅速占领市场，形成了使用16位

个人计算机的高潮。1982年，Intel公司乂推出80286微处理器，它是16位微处理器中的

•2•

第］.章微型计算机基础-3«

高档产品,其集成度达到10万个晶体管片，时钟频率为10MHz,平均指令执行时间为0.2时,

速度比8086提高5〜6倍。

第三代微型计算机的特点是具有丰富的指令系统、多种寻址方式以及多种数据处理形

式，并采用多级中断，有完善的操作系统。微处理器(80286)含有多任务系统必须的任务转

换功能、存储器管理功能和多种保护机构，以支持虚拟存储体系结构。

4.第四代(1983—1993年)32位高档微处理器

1983年以后，以Intel公司为代表的一些世界著名半导体集成电路生产商先后推出了

32位微处理器，这一时期的典型产品有：1983年Zilog公司推出的Z-80000；1984年Motorola

公司推出的MC68020；1985-1989年Intel公司分别推出的Intel80386和Intel80486：NEC

公司推出的V70等。32位微处理器的出现，使微处理器开始进入•个崭新的时代，无论是

从结构、功能还是从应用范围等方面看，都可以说是小型机的微型化。第四代微处理器采

用先进的高速CHMC)S(HCMOS)工艺，集成度为1〜120万管/片。具有32位数据总线和32

位地址总线，直接寻址能力高达4GB,同时具有存储保护和虚拟存储功能，虚拟空间可达

64TB(264),时钟频率达到16MHz〜33MHz,平均指令执行时间约0.1RS,运算速度为每秒

300〜400万条指令，即3MIPs〜4Mlps(MillionInstructionPerSecond,每秒百万条指令)。

第四代微型计算机的特点是内部采用流水线控制(80386采用6级流水线)，使取指令、

指令译码、内存管理、执行指令和总线访问并行操作。Intel80486片内增加了协处理器和

8KB的片内高速缓存(即一级cache),支持配置外部高速缓存(即二级cache)。内部数据总线

宽度有32位、64位和128位，分别用于不同单元间的数据交换。采用RISC(Reduced

InstructionSetComputer,精简指令集计算机)技术，使微处理器可以一个时钟周期执行一条

指令；采用突发总线(BurstBUS)技术与外部RAM进行高速数据交换，大大加快了数据处

理速度。

5.第五代(1993年后)准64位高档微处理器

微处理器第五代的推出，使微处理器技术发展到了一个崭新阶段，这一时期的典型产

品有：1993年Intel公司推出的经典Pentium；1995年IBM公司、Motorola公司、Apple公

司联合推出的PowerPC；AMD公司推出的K5。第五代微处理器采用亚微米(0.6um)的

CMOS工艺制造，集成度高达310万管/片，采用64位外部数据总线，使经总线访问内存

数据的速度高达528MB/S,是主频为66MHz的80486-DX2最高速度(105MB/S)的5倍，36

位地址总线使可寻址空间达64GB,主频最初有60MHZ和66MHz两种，后来陆续推出的

Pentium系列产品的主频有75MHz,90MHz,100MHz,120MHz,133MHz,166MHz,Pentium

系列产品的主频最图为200MHz。

第五代微型计算机的特点是采用了全新的体系结构，内部采用超标量流水线设计，在

微处理器内部有UV两条流水线并行工作，允许Pentium在单个时钟周期内执行两条整数

指令，即实现指令并行：Pentium芯片内采用双cache结构，即指令cache和数据cache,

每个cache为8KB,数据宽度为32位，避免了预取指令和数据可能发生的冲突。数据ca±e

还采用了回写技术，大大节省了处理器的处理时间；采用分支指令预测技术，实现动态地

预测分支程序的指令流向，大大节省了处理器用于判别分支程序的时间。

6,第六代(1995年后)64位微处理器

1995年2月，Intel公司推出第六代微处理器，PentiumPRO(P6),P6采用0®m工艺，

•3・

•4•微机原理及接□技术

集成度为550万管/片，具有两个一级高速缓存（即8KB的指令cache和8KB的数据cache）,

256KB的二级cache,内部采用12级超标量流水线结构，一个时钟周期可以执行3条指令，

同时它在CISC（复杂指令集）/RISC的混合使用、乱序执行等方面都有新的特点。随后，Intd

公司对P6的性能作了进一步的改进和提升，2000年末Intel公司又推出了目前的主流微处

理器Pentium4。Pentium4采用0.18|im工艺，集成度为4200万管/片，具有两个•级高速

缓存（即64KB的指令cashe和64KB的数据cache）,512KB的二级cache,电源电压仅为

1.9V,主频为1.3GHz〜3.6GHz。由于Pentium4内部采用了20级超标量流水线结构，并增

加了很多新指令，所以更加有利于多媒体操作和网络操作。

第六代微处理器性能优异，适应当前对多媒体、网络、通信等多方面的要求。随着科学技

术的发展，将会不断地对微处理器提出新的要求，新型、新概念的微处理器定会层出不穷。

1.1.2微型计算机发展特点与分类

1.微型计算机的发展特点

由于微型计算机是采用大规模和超大规模集成电路组成的，所以在发展过程中除了具

有一般计算机的运算速度快、计算精度高、记忆功能和逻辑判断力强、自动工作等常规特

点外，还表现出自身的特点。

1）体积小、质量小、功耗低

由于采用了大规模和超大规模集成电路，从而使构成微型计算机所需的器件数目大为

减少，体积大为缩小。一个与小型机CPU功能相当的16位微处理器MC68000,由13000

个标准门电路组成，其芯片面积仅为42.25（11辞,功耗为1.25W.32位的超级微处理器80486,

有120万个晶体管电路，其芯片面积仅为16X11mm2,芯片的重量仅十几克。工作在50MHz

时钟频率时的最大功耗仅为3Wo随着微处理器技术的发展，今后推出的高性能微处理器

产品体积更小、功耗更低而功能更强，这些优点对于航空、航天、智能仪器仪表等领域具

有特别重要的意义。

2）可靠性高、使用环境要求低

微型计算机采用大规模集成电路以后，使系统内的芯片数大大减少、从而使印刷电路

板上的连线减少，接插件数目大幅度减少，加之MOS电路芯片本身功耗低、发热量小，

使微型计算机的可靠性大大提高，因而也降低了对使用环境的要求，普通的办公室和家庭

环境就能满足要求。

3）结构简单灵活、系统设计方便、适应性强

微型计算机多采用模块化的硬件结构，特别是在采用总线结构后，使微型计算机系统

成为了一个开放的体系结构，系统中各功能部件通过标准化的插槽和端口相连，用户只要

选择不同的功能部件（板卡）和相应外设就可构成不同要求和规模的微型计算机系统。由于

微型计算机的模块化结构和可编程功能，使得一个标准的微型计算机在不改变系统硬件设

计或只部分地改变某些硬件时，在相应软件的支持下就能适应不同的应用任务要求，或升

级为更高档次的微机系统。从而使微型计算机具有很强的适应性和宽广的应用范围。

4）性能价格比高

随着大规模和超大规模集成电路技术的不断成熟，集成电路芯片的价格越来越低，微型

计算机的成本不断下降，同时也使许多过去只在大、中型计算机中采用的技术（如流水线技术、

RISC技术、虚拟存储技术等）也在微型计算机中采用，许多高性能的微型计算机（如80486、

•4•

第1章微型计弁机基础,5•

PentiumPro、PentiumII-IV等)的性能实际上已经超过了中、小型计算机(甚至是大型机)

的水平，但其价格要比中、小型机低几个数量级，当前一台配置为PentiumII266MHz主

频，3.2G硬盘，32M内存，24倍速(1倍速是150KB/S)光驱，15英寸彩显(PentiumIV2GHz,

60G硬盘，128M内存，50倍速光驱，17英寸彩显或液晶显示器)的高档微型计算机其价格

也不过7千元〜8千元。而其性能可达数百MIPS。

2.微型计算机的分类

微型计算机种类繁多，型号各异，因此人们可以从不同角度对其进行分类。例如按微

处理器的制造工艺、按微处理器的字长、按微型计算机的构成形式、按应用范围等进行分

类。不过，最常见的是按微处理器的字长和按微型计算机的构成形式来进行分类。这是因

为微处理器是微型计算机的核心部件，微处理器的性能(特别是字长)在很大程度上决定了

微型机的性能，止匕外，从构成形式上，目前微型计算机有单片机、单板机和系统机(多板机)

三种形式。

1)按微处理器(CPU)字长分类

按微处理器字长来分，微型计算机一般分为4位、8位、16位、32位和64位机。

(1)4位微型计算机：用4位字长的微处理器作CPU,其数据总线宽度为4位，一个

字节数据要分两次来传送或处理。4位机的指令系统简单、运算功能单一，主要用于袖珍

或台式计算器、家电、娱乐产品和简单的过程控制，是微型计算机的低级阶段。

(2)8位微型计算机：用8位字长的微处理器作CPU,其数据总线宽度为8位。8位机

中字长和字节是同一概念。当8位微处理器推出时，微型机在硬件利软件技术方面都已比

较成熟，所以8位机的指令系统比较完善，寻址能力强，外围配套电路齐全，因而使8位

机通用性强，应用范围广，广泛用于事务管理、工业生产过程的自动检测和控制、通信、

智能终端、教育以及家用电器控制等领域。

(3)16位微型计算机：用高性能的16位微处理器作CPU,数据总线宽度为16位。由

于16位微处理器不仅在集成度和处理速度、数据总线宽度、内部结构等方面与8位机有本

质上的不同，而且由它们构成的微型计算机在功能和性能上也已基本达到了当时的中档小

型机的水平，特别是以Intel8086为CPU的16位微型计算机旧MPC/XT不仅是当时相当

一段时间内的主流机型，而且其用户拥有量也是世界第一，以至在设计更高档次的微型计

算机时，都要保持对它的兼容。16位机除原有的应用领域外，还在计算机网络中扮演了重

要角色。

(4)32位微型计算机：32位微型计算机使用32位的微处理器作CPU,这是目前的主

流机型。从应用角度看，字长32位是较理想的，它可满足绝大部分用途的需要，包括文字、

图形、表格处理及精密科学计算等多方面的需要。典型产品有Intel80386,Intel80486,

MC68020,MC68030>Z-80000等。特别是1993年Intel公司推出Pentium微处理器之后，

使32位微处理器技术进入了一个崭新阶段。32位微型计算机不仅继承了其前辈的所有优

点而且在许多方面有新的突破，同时也满足了人们对图形图像、实时视频处理、语言识别、

大流量客户机/服务器应用等应用领域日益迫切的需求。

(5)64位微型计算机：64位微型计算机使用64位的微处理器作CPU,这是目前各个

计算机领军公司争相开发的最新产品。其实高档微处理器早就有了64位字长的产品，只是

价格过高，不适合微型计算机使用，通常用在工作站或服务器上。现在，已到了64位微处

理器进入微型计算机领域的时机了。估计Intel公司和HP公司会在2003年推出它们合作研

•5•

•6•微机原理及接o技术

制的第一款用于微型计算机的64位微处理器。相信64位微处理器会将微型计算机推向一

个新的阶段。

2）按微型计算机的组装形式分类

微型计算机是由多个功能部件构成的•个完整的硬件系统，除核心部件微处理器之外,

还配置有相应的存储部件、I/O端口等。因此，按照微型计算机多个部件的组装形式分类，

又可分为单片机、单板机和多板微型计算机3类。

（1）单片机：如果将构成微型计算机的各功能部件（CPU,RAM,ROM及I/O端口电路）

集成在同一块大规模集成电路芯片上，一个芯片就是一台微型计算机，则该微型计算机就

称为单片微型计算机，简称单片机。单片机的特点是集成度高、体积小、功耗低、可靠性

高、使用灵活方便、控制功能强、编程保密化、价格低廉、利用单片机可较方便地构成•

个控制系统。因此，在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信和分布式控制系

统、家用电器等领域的应用日益广泛。典型产品有：Intel公司的MCS8051、8096（16位单

片机），Motorola公司的MC68HC05,MC68HC11等。

一般单片机本身没有软件开发功能，因为单片机内无监控程序或系统通用管理软件，

只放置有用户事先调试好的应用程序，不过随着单片机技术的迅速发展，目前也有一些高

档单片机其内部可以固化部分系统软件。

（2）单板机：如果将CPU芯片、存储器芯片、I/O端口芯片及简单的I/O设备（如小键

盘、数码显示器（LightEmittingDiode,TED发光二极管））装配在同一块印刷电路板上，这

块印刷电路板就是一台完整的微型计算机，称为单板微型计算机，筒称单板机。单板机具

有完全独立的操作功能，加上电源就可以独立工作。但由于它的输入、输出设备简单、存

储容量有限，工作时只能用机器码（二进制）编程输入，故通常只能应用于一些简单控制系

统和教学中。国内曾经最流行的单板机是TP801（CPU为Z-80）,现已被单片机、系统机（PC）

淘汰。

（3）多板微型计算机：也称系统机，把微处理器芯片、存储器芯片、各种I/O端口芯片

和驱动电路、电源等装配在不同的印刷电路板上，各印刷电路板插在主机箱内标准的总线

插槽上，通过系统总线相互连接起来，就构成了一个多插件板的微型计算机。目前广泛使

用的微型计算机系统（如IBMPC/XT,PC/AT,PC386,PC484,PC586等）就是用这种方式

构成的。多板微型计算机也称单机系统，所有的系统软件和应用程序都在系统内的硬盘上

或内存中。它功能强、组装灵活。选择不同的功能部件适配卡（如主机板、内存条、显示卡、

声卡、软、硬盘驱动器、光驱、打印机、键盘、鼠标等）就可以构成不同功能和规模的微型

计算机。

1.2计算机中的数制和编码

日常生活中，人们使用各种进制来表示数据，如二进制、八进制、十进制、十六进制

等等。由于电子元器件对表示两种状态的事物容易实现，所以在计算机中采用了二进制数

字系统，即计算机中要处理的所有数据、字母和符号，都要用二进制数字来表示。但人们

又习惯使用十进制数，因此，在学习和掌握计算机的原理之前，需要了解二进制、十进制、

十六进制等表示方法及其相互关系和转换。

另外，人们经常使用的字母、符号、图形以及汉字，在计算机中也一律用二进制编码

来表示，这些编码也是本节要介绍的内容。

•6•

第］.章微型计算机基础•7«

1.2.1计算机中的数制

1.数制

数制是以表示数值所用的数字符号的个数来命名的，如十进制、十二进制、十六进制、

六十进制等。将数字符号按序排列成数位，并遵照某种由低位到高位进位的方法进行计数，

来表示数值的方式，称作进位计数制。进位计数制是•种计数方法，是人类在应用各种数

字符号表示事物个数的长期过程中形成的。

进位计数制的表示主要包含3个基本要素：数位、基数和位权。数位是指数码在一个

数中所处的位置；基数是指在某种进位计数制中，每个数位上所能使用的数码的个数；位

权是一个固定值，是指在某种进位计数制中，每个数位上的数码所代表的数值的大小，等

于在这个数位上的数码乘上•个固定的数值，这个固定的数值就是这种进位计数制中该数

位上的位权。数码所处的位置不同，代表数的大小也不同。

为了说明进位计数制的机制，先来分析一下熟悉的十进制数。例如133.59,它可用一

个多项式来表示：

212

(133.59)10=1x10+3x10'+3x10°+5x10+9x10

式中，1处在百位，百位的位权是100,第一个3处在十位，十位的位权是10,第二个3

处在个位，个位的位权是1,5和9分别处在十分位和百分位，位权分别是1/10和1/100。

十进制数是逢十进一的。一般地说，任意一个十进制数S都可以表示为

s=±(v,icr-1+k—1o"-2+…+o°+仁j(T+…+k_jo'")

=±£w

j=-m

其中，〃,和〃为正整数，号是0,1,2,…，9十个数码中任意•个，它由S决定。括号内10称

为十进制计数制的基数，基数表示进位计数制使用数码的个数。

实际上，十进制数只是有位值计数法中的一种，但不是唯一记数法。除了十进制数，

生产生活中还会遇到非十进制的记数制。如时间：60秒为1分，60分为1小时，它们是六

十进制的。两根筷子一双，两只手套为一副，它们是二进制的。

在进位计数制中，任意数S的通用表达式为

・

S=±(匕1储.2秘/_/_2--k_m)

也可表示成多项式

S=土化一/"T+k52+…+V+M0+k_d'k_2d-2+…+k^d-)

=±£

j=-m

式中，勺•为该进位制使用的数码，d为基数，GWkj<d,〃为小数点左边数码位数，机为小

数点右边数码位数。

2.数的表示

1)二进制数的表示

在电子计算机中，数是以二进制的形式表示的。二进制数每个数位只可能取。和1两

个不同的数码，特点是“逢二进一，借一当二”。表1-1列出了一些简单的十进制与二进

制数对应关系。•般地任意一个二进制数5都可以表示成：

•7・

・8・微机原理及接o技术

22

S=士(K,i+kn_2Z-+…+匕2+女。2°+327k_2Z+…+心”)

=±疾2

j=-m

式中，勺=1或0,它由S决定，m,〃为正整数，如

3211234

(1101.1011)2=1X2+1X2+0X2+1X2°+1X2+0X2+1X2+1X2

表1T十进制数与二进制数对照表

十进制进制十进制进制

001610000

112°3210000025

210216410000002®

3111281000000027

41002561000000002s

51010.50.12-1

61100.250.012-2

2-3

71110.1250.001

810002s0.06250.00012^

91001

在计算机中究竟采取什么样的进位计数制？取决于该进位制在机器制造上是否容易实

现，是否计算简单。由于各种进位制基数不同，因而产生了各自的特殊性。二进制在计算

机中被广泛应用，是由于其特点所致。

第一，二进制只取两个数码0和1,因二进制有一个很大优点，就是它的每一位数都

可以用任何具有两个稳定状态的元件来表示，一般说来，制造具有两个稳定状态的元件，

比制造多个稳定状态的元件容易的多，在现实生活中可以找到很多具有这种特性的元件，

如开关，有断开和接通两个状态，晶体管有截止和导通两个稳定状态。只要规定其中的一

个状态表示“1”，另一个状态表示“0”，就可以用二进制表示了。由于采用二进制，因

此在计算机中数的传递和存储，就可以用简单而可靠的方式进行，如电位的高低，电流的

有无。

第二，二进制数运算简单。一般来讲，当进行简单的算术运算时，两个整数的利与乘

积表，对于d进制数，就要记住或4+1)/2个和与积，对十进制来说，要记住55个和与积，

因此如果采用十进制，计算的运算器就很庞大，控制电路也很复杂。而用二进制，则d=2,

所以d(d+1)/2=3。因此采用二进制，运算器和控制电路比较简单。

第三，由于采取二进制，就可以使用逻辑代数(布尔代数)，这就为计算机的逻辑设计

提供了有力的工具。

当然，二进制也有其不足之处，一方面书写起来很长，也不容易读懂，同时二进制与

十进制的转换也不十分简便，人们往往采取八进制或十六进制来弥补这一缺点。另一方面,

由于人们习惯上使用十进制，因此送入计算机的原始数据大多表示成十进制，这就要求必

须将十进制数转换成二进制数，计算机才能运算，同时计算结果也往往必须转换成十进制

数据才能进行输出。这项工作虽然由计算机自动完成，但要占用计算机的运行时间，在数

据量很大的情况下，进位制的转换就会花费很多时间。所以在计算机广泛采用二进制的同

时，某些专用的数据处理计算机是采用十进制的。

二进制数只有0和1两个数码，而“0”可以代表逻辑值“假”，“1”可以代表逻辑

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第］.章微型计算机基础•9«

值“真”，因此二进制数可以进行逻辑运算。用A(X)、V(+)、。、一表示“与"、“或”、

“异或"、“非"运算符。

二进制数算术运算，位与位之间是相关联的，存在着进位与借位关系。而逻辑运算则

是每位独立进行的，位与位之间无关系。

2)十六进制数的表示

十六进制数，基数1=16,每位可能取0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,

D,E,F中的一个十六进制数，特点是“逢十六进一，借一当十六”。因为干二招，所以

一位十六进制数相当于4位二进制数，它们是完全对应的，这样十六进制数与二进制数的

转换极为方便。从十六进制转二进制，只要把每位十六进制数用4位二进制数即可；从二

进制转换成十六进制时，只要以小数点为起点，向左、向右将每4位二进制数转换成一位

十六进制数。

3)八进制数的表示

八进制数也是计算机采用过的一种进位制数，八进制数的基数d=8,每位可取0,1,

2,3,4,5,6,7这8个数码之中的一个，由于吸=8,所以3位二进制数相当于一位八

进制数。与十六进制相似，八进制和二进制转换也很简单。十进制数与二进制、八进制、

十六进制对应关系如表1-2所示。

表1-2十进制数与二、八、十六进制数的对应关系

十进制进制八进制十六进制

0000000

1000111

2001022

3001133

4010044

5010155

6011066

7011177

81000108

91001119

10101012A

11101113B

12110014C

13110115D

14111016E

15111117F

3.各种数制之间的相互转换

1)十进制数与二进制数之间的转换

(1)十进制整数转换成二进制整数。具体做法：用2连续去除欲转换的卜进制数，直

至商等于零为止，逆序排列余数便是与该十进制数相应的二进制数各位的数值。即除2取

余法。

【例1.1】将十进制数53转化成二进制数。其过程如下：

•9•

•10-微机原理及接□技术

余数为1,即A0=1

余数为0,即A尸0

余数为1.即A2=1

余数为0,即A3=0

余数为1,即A4=1

余数为1,即A5=1

余数为0,结束

最后结果为

(^3)io=(&A»4444)2=(110101)2

(2)十进制小数转换成二进制小数。具体做法：连续用2去乘十进制小数部分，直至

乘积的小数部分等于“0”。顺序排列每次乘积的整数部分，便得到二进制小数各位的系数。

若乘积的小数部分永不为“0”，则根据精度要求截取一定的位数即可。即乘2取整法。

【例1.2】将十进制小数0.875转换成二进制小数。其过程如下：

0.875

X2

1.75整数部分为1,即人产1

0.75余下的小数部分

X2

1.5整数部分为1,即42=1

0.5余下的小数部分

X2

1.0整数部分为1,即4_3=1

0余下的小数部分为0,结束

最后结果为

(O.875)1O=(O.A_1A2A_3)2=(O.111)2

为了将一个既有整数乂有小数部分的十进制数转换成二进制数，可以将其整数部分和

小数部分分别进行转换，然后再组合起来。

(3)二进制转换成十进制数。二进制数转换为十进制数比较简单。即取基数"=2进行

多项式展开，再对各项求和，用此方法便可得到相应的十进制数。

【例1.3】将二进制数101.101转换成十进制数。其过程如下：

21123

(101.101)2=1X2+0X2+1X2°+1X2-+0X2-+1X2-

=4+0+1+0.5+0.0+0.125

=(5.625)10

2)十进制数与八进制数之间的转换

(1)十进制整数转换成二进制整数。具体做法是用8连续去除欲转换的十进制数，直

至商等于零为止，逆序排列余数便是与该十进制数相应的八进制数各位的数值。即除8取

余法。

【例1.4】将十进制数208转化成八进制数。其过程如下：

•10-

最后结果为

(208)10=(-4%=(320)8

(2)十进制小数转换成八进制小数。具体做法是连续用8去乘十进制小数部分，直至

乘积的小数部分等于“0”。顺序排列每次乘积的整数部分，便得到八进制小数各位的系数。

若乘积的小数部分永不为“0”，则根据精度要求截取一定的位数即可。即乘8取整法。

【例1.5】将十进制小数0.6875转换成八进制小数。其过程如下：

0.6875

X8

5.5整数部分为5,即4产5

0.5余下的小数部分

*8

4.0整数部分为4,即42=4

0.0余下的小数部分为0,结束

最后结果为

(0.6875)10=(0.A.A2)8=(0.54)8

(3)八进制数转换成十进制数。方法同二进制数转换为十进制数。即取基数d=8进行

多项式展开，再对各项求和，便可得到相应的十进制数。

【例1.6】将八进制数320.54转换成十进制数。其过程如下：

(320.54%=3x82+2x8'+0x8°+5x8-'+4x8=

=192+16+0+0.625+0.0625

=(208.6875)10

3)十进制数与十六进制数之间的转换

(1)十进制整数转换成八进制整数。具体做法是用16连续去除欲转换的十进制数，直

至商等于零为止。每次得到的余数(必定是小于F即十进制15的数)就是对应十六进制的各

位数字•第一次得到的余数为十六进制的最低位，最后一次得到的余数为十六进制的最高

位。即除16取余法。

【例1.7】将十进制数97转换成十六进制数。其过程如下：

1697余数为|,即A0=l

而为0余数为0.结束

最后结果为

(97),O=(4A4)16-(61)16

(2)十进制小数转换成十六进制小数。具体做法是用16连续去乘以十进制小数，得到

一个整数和一个小数部分；继续这一过程，直到余下的小数部分为。或满足精度要求为止:

最后将每次得到的整数部分(必定是小于F的数)按先后顺序从左到右排列，即得到所对应

•11•

•12•微机原理及接口技术

的十六进制小数。即乘16取整法。

【例1.8】将十进制小数0.6875转换成十六进制小数。其过程如下：

0.6875

X16

11.0000整数部分为11,即4产B

0.0000余下的小数部分为0,结束

最后结果为

(0.6875)W=(0.A1)16=(0.B)16

(3)十六进制数转换成十进制数。方法同上，即取基数d=16进行多项式展开，再对各

项求和，便可得到相应的十进制数。

【例1.9】将十六进制数61.B转换成十进制数。其过程如下：

,1

(61.B)8=6x16+1x16°+Bx16

=96+1+11x16"'

=97+0.6875

=97.6875

最后结果为

(61.B)怆=(97.6875%。

4.二进制与八进制、十六进制数之间的转换

1)二进制转换成八进制数

因为8:2s,即3位二进制数对应1位八进制数，所以，二进制数转换成八进制数的方

法是：将二进制数以小数点为界，整数部分从低位向高位，小数部分从高位向低位，每3

位分为•组。若小数点左侧的位数不是3的整数倍，在数的最左侧补零；若小数点右侧的

位数不是3的整数倍，在数的最右侧补零。然后参照表1-2,将每3位二进制数转换成对

应的1位八进制数，即为二进制数对应的八进制数

【例1.10】将二进制数11010110.01011转换成八进制数。其过程如下：

011010110.010110

32626

所以

(11010110.01011)2=(326.26)8

2)八进制数转换二进制数

八进制数转换成二进制的方法是：参照表1-2将每1位八进制数分解成对应的3位二

进制数，即得到八进制数对应的二进制数。

【例1.11】将八进制数35.6转换成二进制数。其过程如下：

工,,工工

010011110.111101

所以

(236.75)8=(10011110.111101)2

3)二进制数转换成十六进制数

因为16=2匕即1位十六进制数对应4位二进制数，故二进制数转换成十六进制的方法

是：将二进制数以小数点为界，整数部分从低位向高位，小数部分从高位向低位，每4位

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第］.章微型计算机基础•13-

分为•组。若小数点左侧的位数不是4的整数倍,在数的最左侧补零；若小数点右侧的位数

不是4的整数倍，在数的最右侧补零。然后参照表1-2,将每4位二进制数转换成对应的1

位十六进制数，即为二进制数对应的十六进制数。

【例1.12】将二进制数110111.101转换成十六进制数。其过程如下：

'00V110~1V111.1•~0V1~0'

27A

所以

(110111.101)2=(17,A)16

4)十六进制数转换二进制数

十六进制数转换为二进制数的方法是：参照表1-2,将每1位十六进制数转换成对应的4

位二进制数,即得到十六进制数。

【例1.13】将十六进数2EC.3A转换为二进制数。其过程如下：

2EC3A

ooibi7iono6.6(MJloio

所以

(2EC.3A)16=(1011101100.0011101)2

在计算机里，通常用数字后面跟一个英文字母来表示该数的数制，十进制数用

D(Decimal),二进制数用B(Binary)、八进制数用O(Octal)、十六进制数用H(Hexadecimal)

来表示。由于英文字母。容易与数字0误会，所以八进制数可以用Q来表示。另外，在计

算机操作中一般默认使用十进制数，所以，卜进制数可以不标下标。

八进制数和十六进制数主要用来简化二进制数的书写，因为具有24=16的关系，

所以使用八进制数和十六进制数表示的二进制数较短，便于记忆。旧M-PC中主要使用十

六进制数表示二进制数和编码，所以必须十分熟悉二进制数与十六进制数的对应关系。

1.2.2计算机中的码制

经常遇到的数是有正负之分的，通常用“+”、符号简单地附加在数上，以体现

数的正负区别。而在计算机中，数的符号与一般的符号表示法不同。本节将研究符号数在

计算机中的表示法。为了尽可能简化对二进制数据实现算术运算所用到的规则，机器将二

进制数值数据进行编码表