第1章 微机的基础知识

《

周

W

K

聊

国

W

卷

》

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。

一、微型计算机系统的概论

二、数制及转换

三、计算机中的数及编码

四、计算机中数的运算方法

2011-7-15第一章微型计算机的基础知识

一、微型计算机系统的概论

1、微处理器

2、微型计算机

3、微型计算机系统

4、微型计算机系统的主要技术指标

5、微型计算机的应用概况

第一章微型计算机的基础知识

1、微处理器(Microprocessor)—〃P(MPC)

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

②发展简况

圄

第一章微型计算机的基础知识

微处理器发展简况

由上个世纪70年代发展至今，经历了五代，它的划分是以

其数据总线的宽度为标志的。

①1971年，4位微处理器，典型产品是Intel4004；

1972年，8位微处理器，典型产品是Intel8008；

时钟频率0・5〜0.8Mhz,其集成度是30000个晶体管/片。

②1974年，8位微处理器，典型产品是Intel8080/8085、

MC6800、Z80；

时钟频率2〜8MHz,其集成度是9000晶体管/片。

第一章微型计算机的基础知识

微处理器发展简况（接上页）

③1978年，16位微处理器，典型产品是Intel8086/8088,

MC68000,Z8000；1982年，Intel80286（13万）。

时钟频率5〜16Mhz,集成度为29000个晶体管/片。

④1985,32位微处理器，典型产品Intel80386,Intel80486（120

万），Z80000,MC68020；

时钟频率16〜33Mhz,集成度为27・5万个晶体管/片。

⑤1992年以来,，64位微处理器，PentiumPro（高能奔腾），

PentiumIV；

时钟频率达150〜lOOOMhz,其集成度为2100万个晶体管/片。

令

型计算机自

J一，,一M

2、微型计算机（Microcomputer）—〃c

微型计算机是指以微处理器为基础，配以内存

（内存储器）和输入/输出接口电路。（裸机）

r微处理器"P

微型计算机《内存储器

〔输入/输出接口

第一章微型计算机的基础知识

2、微型计算机(Microcomputer)—〃c

典型的微机硬件系统，CPU通过三组总线将内

存储器、I/O接口连接起来。

微型计算机的组成图：

数据总线

微

处

理

器

CPL

消

检3、微型计算机系统(MicrocomputerSystem)—〃CS

懈

—

一

格微型计算机系统是指由微型计算机配以相应的外部设备

皿

(如打印机、显示器、键盘，硬盘、光盘等)、一些专用电

修

路、电源和相关的软件。

♦

¥

舟(1)微处理器、微型计算机和微型计算机系统的关系

皿

卦(2)微型计算机系统类型

-

令

第一章微型计算机的基础知识

011-7-15

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个人计算机——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。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。

令

型计算机日

微处理器、微型计算机和微型计算机系统的关系

「控制器

[r"P算术逻辑单元

厂I寄存器组

r〃cS

I内存储器

1输入/输出接口

4csJ输入/输出设备和外存储器

系统软件

应用软件

I电源

:,2011-7-15第-章微型计算机的基础知识11

4、微型计算机系统的主要技术指标

(1)记

(2)运算速度

(3)存储容量

(4)无频

(5)指令系统

(6)外部设备的配置

(7)软件的配置

011-7-15第一章微型计算机的基础知识令12

(1)字长

%

靠

;

«格计算机的字长是指CPU与输入/输出设备或内存

址储器之间一次传送二进制数据的位数。

修

，

，

-一通常CPU的数据总线的位数与计算机的字长是一

皿致的。

龈

―

中

2011-7-15第一章微型计算机的基础知识令

(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。

2011-7-15第一章微型计算机的基础知识令

(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。

第一章微型计算机的基础知识冏

♦内存的最大容量和装机容量

一

曲

底例1：8088是20条地址线，则最大内存容量为

-«

格220=1024X1024=lM；

一

修例2：PentiumPro是36条地址线，则最大内存容量为

，

¥

二236=64X1024X1024X1024=64Go

如

趾事实上，目前PC机的实际装机容量一般为256M或

“512Mo

第一章微型计算机的基础知识16

(4)主频

主频指计算机工作时CPU的时钟频率(C/oM

Rate),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。

令

2011-7-15第一章微型计算机的基础知识

(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。

令

2011-7-15第一章微型计算机的基础知识

(6)外部设备的配置

曲

底外部设备的配置是衡量一个计算机系统的综合

邓

召性能的重要指标。

址

修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；

:

班2、外设接口的标准和类型，接口性能的好坏直

4魏接影响系统的功能。

:

F!-1-

.

备

2011-7-15第一章微型计算机的基础知识

（7）软件的配置

懈

罪软件和硬件是计算机系统中两大资源。

.«席软件配置直接影响计算机系统的使用和性能的发

此挥。必须配置的软件：

修

那1、系统软件（操作系统、诊断程序、编辑程序等）；

¥-•

妙-2、程序设计语言（机器语言、汇编语言，高级语

m言）；

L3、应用软件（软件包、数据库）。

2011-7-15第一章微型计算机的基础知识令

5、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

2011-7-15第一章微型计算机的基础知识备21

(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。

令

2011-7-15第一章微型计算机的基础知识

(2)信息处理

曲

底用计算机对信息及时地加以记录、整理和计算,

邓

召并加工为人们所要求的形式。

址

修如：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。

:

班特点：数据量很大，计算过程比较茴单。

4魏

:

F!/--

L

令

011-7-15第一章微型计算机的基础知识

消(3)过程控制

检

修

罪过程控制是指将计算机应用于自动控制系统。

，

席

此所谓自动控制系统是一种不需要人工干预的过

修程(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。

舟

皿特点：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。

2011-7-15第一章微型计算机的基础知识令

(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,ComputerAided

Manufacturing);

计算机辅助教育(CALComputerAssisted

Instruction);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。

令

第一章微型计算机的基础知识

(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。

型计算机自令

(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。

L15—微型_囿27

二、数制及转换

1、Ml

2、各种数制的相互转换

2011-7-15第一章微型计算机的基础知识28

1、数制

(1)十进制数

(2)二进制数

(3)十六进制数

2011-7-15第一章微型计算机的基础知识

<•

J_________

(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10%

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)1。

=6543.21D

=6X103+5X102+4X10T+3X10O+2X101

+1x10・2函

2011-7-15第一章微型计算机的基础知识30

(2)二进制数伊加4/j)

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2L

其中i=n,n-1,•••,2,X,0,-1,-2,・・・

规定整数最低位的位序号i=0

例：(1010.101)2

V

=1010.101B

=1X23+0X22+1X21+0X2°+1X24+0X2'2+1X2'3

1囹

2011-7-15第一章微型计算机的基础知识31

(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

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

=19BF.ABEH

=1X163+9X162+UX16』15X16°+10X164+11X162+

14X163

第一章微型计算机的基础知识

消2、各种数制的相互转换

检

懈

—(1)二进制、十六进制转换为十进制

一

席

此(2)十进制转换为二进制

修

，(3)二进制转换为十六进制

，

舟

皿

—

m

2011-7-15第一章微型计算机的基础知识令33

(1)二进制、十六进制转换为十进制

按权展开求和。

如：①10101.101B

=1X24+1X22+1X20+1X2-1+1X2-;

=16+4+1+0.5+0.125

=21.625D

②19B.ABH

=1X162+9X16"11X160+10X164+UX162

=256+144+11+0.625+0.04296875

=411.667968750

第一章微型计算机的基础知识令

(2)十进制转换为二进制

①整数部分

②小数部分

第一章微型计算机的基础知识

消二进制与十六进制之间的转换

检(3)

懈

—11111B

一

席

此

修-------1(1X2°=1)

舟---------2(1X2』2)

皿

---------4(1X22=4)

—

--------->8(1X23=8)

---------16(1X24=16)

四位二进制数正好等于一位十六进制数

第一章微型计算机的基础知识36

US位二进制与一位卜六进制数的对应关系

四位二进制数一位十六进制数四位二进制数一位十六进制数

0000B0H1000B8H

0001B1H1001B9H

0010B2H1010BAH

0011B3H1011BBH

0100B4H1100BCH

0101B5H1101BDH

0110B6H1110BEH

0111B7HHUBFH

型计算机日

广东工，夫学七君代学院自务，制系陈，

02宜p

1E

7—O：s

1—H1

5O1t

l1

o0

1加

l1

lo0

1o潮

o一o1

螭p0

s118

—l1

D—oI11

林ol00

ll子

薜10

o一o1.

虺l0

l一1

AoM10>

辛Bl01

悻

判Hl10

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芳1c0

一oB

8D-.!.0H*

一U

解A117

舞

篦CA010H

将.10

口A0

,8011

H80

十六进制转换为二进制数

例：39F.E1AH=?B

39F.E1A

111111

001110011111.111000011010

39F.E1AH=001110011111.111000011010B

=1110011111.11100001101B

2011-7-15第一章微型计算机的基础知识39

①整数部分-----除2取余法

例：19D=?B

余数低

194-2=9...1

隹

9+2=4・・1

44-2=2.0

24-2=1...0

1+2=0・・1口

所以，我们可以得到:

19D=10011B

011-7-15第一章

②小数部分------乘2串整法

例：0.625D=?B

口

「整数IKI

0.625X2=1.25...1

0.25X2=0.5...0

0.5X2=1.0...1低

所以我们可以得到：

—

0.625D=0.101B

2011-7-15第一章微型计算机的基础知识圄41

三、计算机中的数及编码

%

靠1、机器数与真值

理

席

皿2、带符号数、无符号数

修

3、原码、补码及反码

卦

皿4、真值与补码之间的转换

巡

*5、补码的运算

6、二进制编码

2011-7-15第一章微型计算机的基础知识圄42

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“I”，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。

“十”用“0”表示，“一”用“1”表示。

例：有两个数：Ni=+1101001、

真值

N2=-1101001

在计算机中的表示形式：

N：01101001

1机器数

N2：11101001」

2011-7-15第一章微型计算机的基础知识

2、带符号数、无符号数

(1)带符号数

用o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+22②一22

0001011010010110

符

符数值部分数值部分

号

号

位

位

第一章微型计算机的基础知识

二

曲2、带符号数、无符号数

懈

底（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

.«席

血种方法表示的数，叫无符号数。

修

，无符号数表示形式：

U

格

①22②150

用

卦

01110100111

00000

8位全部用来表示数值大小8位全部用来表示数值大小

合

第一章微型计算机的基础知识

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

令

2011-7-15第一章微型计算机的基础知识

,里考？

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？

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

第一章微型计算机的基础知识

4^*7^—

模一个计量器的容量，记为"，或股。"拉。

模的特性——当一个计量器的模为MH寸，它在计量

器里的表示形式与0一样，也就是说，M=0o

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=1

第一章微型计算机的基础知识48

4^,^^—

同样，对一个n位二进制计数器，它的容量为”,

它的模为9=2口。

假设，n=8,贝llM=28=256o

也就是说对8位二进制计数器来说，256=0

-

mO

L256

-

8位计数器

2011-7-15第一章微型计算机的基础知识圄49

(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(X=0或1)

贝人［X］原码=OX6X5X4X3X2XiXo

②对负数

x=-X6X5X4X3X2X1X0(Xi=0或1)

则：［X］原=1X6X5X4X3X2XIXO

2011-7-15第一章微型计算机的基础知识备

(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=OX6X5X4X3X2XiXo

②对负数x=-X6X5X4X3X2X1X0(X=0或1)

反码凶反码=这6天5天4天3k用天。

型计算机自

广东工，夫学七君代学院自务，制系陈，

直

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2

(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=04X5X4X3X2X1X0

②对负数x=-X6X5X4X3X2X1X0(Xi=0或1)

补码［蜀补=［X］反+1

=lX6X5X4X3X2XxX0+1

型计算机日

(3)补码

例:

X^+1001001x2=-1001001

则：

[XJ原=01001001[X]原=11001001

反=

[XJ01001001[X2]&=10110110

[XJ补=01001001[XR补=[X]反+1

=10110111

第一章备54

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：凶原=［Xk=［X］补=00101010

［Y］原=10101010

［Y］反=11010101

［丫1补=［丫1反+1

=11010101+1

=11010110

2011-7-15第一章微型计算机的基础知识

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

［凰反=［X］补—1

=10101101-1

=10101100

［X］原=11010011（除了符号位，按位取反）

所以，X=-1010011

2011-7-15第一章微型计算机的基础知识56

5、补码的运算

补码的运算就是计算机中数的运算。

(1)补--码--的-加_法规则_

(2)补码的减法规则

2011-7-15第一章微型计算机的基础知识令

(1)彳卜石马的力□法规贝u

规则|叫+丫］补=闪补+［丫］补

例X=+0110110,Y=-m1001,求X+Y=?

解：首先按常规加法计算：

X=+0110110=54D

Y=-1111001=-121D

所以，X+Y=-67D

第一章微型计算机的基础知识58

(1)补码的加法规则

例X=+0110110,Y=-m1001,求X+Y=?

解：用补码的加法规则来求：

凶原=[汉反=凶补=00110110

[Y]原=11111001

[Y]反=10000110

[丫]补=[Y]反+1=10000110+1=10000111

闪补=00110110

+)[Y]#=10000111

[X]补+[Y]补=10111101

2011-7-15第一章微型计算机的基础知识[159

(1)彳卜石马的力□法规贝u

曲

底例：根据规则：6+丫］补=因］补+［丫］补

邓

召所以，

址

修［X+Y］=10111101

，#

¥

:［X+Y］反=10111101-1=10111100

班

［X+Y］原=11000011

4魏

:则:X+Y=-1000011

F!/--=-67D

L

显然，补码的加法规则是正确的。

2011-7-15第一章微型计算机的基础知识令60

(2)补码的减法规则

规贝!

J[X-Y]#=[X+（—Y）]补=[X]补+[一Y]补

.«

松

皿例X=+1010101,Y=+1100001,求X-Y=?

修

卦解：首先按常规减法计算：

l，

帝

用X=+1010101=85D

卦

m一Y=+1100001=97D

L所以，X-Y=-12D

2011-7-15第一章微型计算机的基础知识61

(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]M=[X]^=[X]#=01010101

-Y=-1100001

［-Y］原=11100001

［-Y］反=10011110

［-Y］补=1001nil

凶补=01010101

+)［—Y］补=10011111

［X］补+LY］补=11110100

2011-7-15第一章微型计算机的基础知识62

.佛

(2)补码的减法规则

曲

懈

底例：根据补码的减法规则:

燃

席［X—丫］补=d］补+［—Y］补

此

飞由［X—Y］补=11110100

#_-

—［X-Y］反=11110100-1=11110011

妙［X—Y］原=10001100

—

—所以X-Y=-0001100B

rt-:=-12D

补码的减法规则也是正确的，事实上就是加法规则

令

2011-7-15第一章微型计算机的基础知识63

6、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

千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

第一章微型计算机的基础知识令64

二(1)二进制编码的十进制数

曲

懈二进制编码的十进制娄攵就是码(

底BCDBinaryCoded

叔Decimal)。

席

此①压缩BCD码是用4位二进制数表示一位十进制数。

修

―一个字节表示两位十进制数。

格如：10010110B表示96D

如

―②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。

rt-:如：00001001B表示9D

两种BCD码的编码对照表

第一章微型计算机的基础知识65

两种BCD码的编码对照表

十进制数压缩BCD码非压缩BCD码

0000000000000

1000100000001

2001000000010

3001100000011

9100100001001

10000100000000000100000000

11000100010000000100000001

12000100100000000100000010

微型计算机的基彳

(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。

(AmericanStandardCodeforInformation

Interchange,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ASCH码就是6FH;

数字“8”的ASCII码就是38H;

型计算机日备

AmericanStandardCodeforInformationInterchange

美国信息交换标准码

低4小、000001010011100101110111

0000nuLL0@P、p

00011Aq

00102B

00113C

01004

01015

•••

•••

1110>n

11119*0

详细参考教材P.14表1-3

第一章微型计算机的基础知识68

US计算机中数的运算方法

1、补码的加减法运算

2、溢出判断

3、逻辑运算

2011-7-15第一章微型计算机的基础知识

1、补码的加减法运算

规贝U

补+补

[X+Y]#=[X][Y]

[X—丫]补=因+(-Y)]补=[蜀补+[—丫]补

因此，加法或