第1章 微型计算机基础知识

第1章微型计算机基础知规

1.微型计算机的发展概况与应用

2.微型计算机中的数制系统

3.微型计算机组成原理

4.CPU内部结构及微机的工作过程

1.1微型计算机的发展概况与应用

微型计算机是指以大规模、超大规模集成

电路为主要部件的微处理器(CPU)为核心，配

以存储器、输入/输出接口电路、系统总线及

其他支持逻辑电路组成的计算机。

七）一、微型计算机的发展概况

1、微型计算机的诞生

1946年第一台计算机ENIAC在美国问世

以后，人们接触最多的是微型计算机，它诞

生于20世纪70年代，其发展以微处理器的发

展为主要标志。

到目前为止，电子计算机先后经历了四代：电

子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机、大

规模超大规模集成电路计算机。

按性能、价格和体积对计算机分类：巨型机、

大型机、中型机、小型机、微型机。

微型计算机的特点：①集成度高，体积小，重

量轻，价格低廉；②部件标准化，易于组装与维修;

③高可靠性及适应性。

2、微型计算机发展概况

分代年份字长芯片的集成度软件典型的芯片

第一代1971~19734/8位2000个管/片以机器语言、简单汇Intel4004

上编语言Intel8008

第二代1974~19778位9000个管/片以汇编语言、高级语Intel8080>8085

上言(FORTRAN、PL/MMC6800（Motorola）

BASIC、PASCAL)Z80（Zilog公司）

操作系统

第三代1978~198416位29000个管/片以汇编语言Intel8086,8088

上高级语言MC68000

操作系统Z8000

第四代1985~199332位80486高达120万高级语言Intel80386,80486

个管/片操作系统MC68020,Z80000

第五代1993〜至今64位PentiumPro高高级语言Pentium586^PII、

达550万个管/片操作系统Pill、PIV、

Itanium（安腾）、双

核等

(1)4位处理器——Intel4004

1971年，Intel公司成功地把传统的运算器和控

制器集成在一块大规模集成电路芯片上，发布了第

一款微处理器芯片4004,如图所示。

图Intel4004处理器

Intel4004

(2)8位处理器----Intel8008/8080/8085

1972年，Intel公司研制出8008处理器,

字长为8位，如图所示。1974年，研制出8008

的改进型号8080。

Intel8008处理器

(3)16位处理器——Intel8086/8088/80286

Intel8086/8088处理器

1978年，Intel公司推出了首枚16位微处

理器i8086,1979年，Intel公司开发出8088

处理器，如图所示。

Intel8088

图i8086处理器

Intel80286处理器

1982年，Intel推出了80286处理器，如

图所示为Intel80286的外观。

图Intel80286处理器

(4)32位处理器—Intel80386/80486

Intel80386处理器

1985年，Intel发布80386DX处理器，如

图所示。

图Intel80386DX处理器

除Intel公司生产386芯片外，还有AMD、

Cyrix、IBM、Ti等公司也生产与80386兼容的

芯片，如图所示。

图其他386CPU芯片

Intel80486处理器

1989年，Intel推出了80486芯片，最初

类型是80486DX,如图所示。

图IM?18O486DX处理器

80486和80386一样，也陆续出现了几种类

型。1990年，推出了80486SX,它是一种低价

格芯片，与80486DX的区别在于它没有数学协

处理器。其他公司也推出了与80486兼容的

CPU芯片，如图所示。

困其他486CPU芯片

从80486开始首次出现了处理器倍频技术,

该技术使处理器内部工作频率为处理器外部

总线运行频率的2倍或4倍，486DX2与

486DX4的名字便是由此而来的，如图所示。

例如80486DX2-66,处理器的频率是66MHz,

而主板的外频是33MHz,即CPU内频是外频

的2倍。

2

Int&W

图Intel80486DX4

(5)IntelPentium处理器

1993年，Intel公司发布了Pentium(奔腾)处理

器，如图所示。

与PentiumMMX属于同一级别的CPU有AMDK6与

Cyrix6x86MX等,如图所示。

AMDH

KW；'

two*，

■

PentiumPenhumMMXSAMDK6图Cyru:6x86MX

(6)IntelPentiumll处理器

1997年,Intel公司发布了PentiumII处理器，如

图所示。同期，AMD公司和Cyrix公司分别推出了同档

次的AMDK6-2和CyrixMH,如图所示。

1998年4月,Intel推出了Celeron（赛

扬）处理器，其中最为成功的是采用Socket

370架构的Celeron333和366,如图所示。

图Socket370架构Celeron

(7)IntelPentiumIII处理器

1999年,Intel公司发布了Pent司mIII处理器,如

图所示。

2000年3月，AMD公司领先于Intel公司率先推出了

1GHz的Athlon微处理器，其性能超过了PentiumIII,

如图所示。

PentiumIIIAMDAthlon(K7)

为了降低成本，后来的PentiumHI都改为Socket

370架构，时钟频率有667MHz,733MHz,800MHz,

933MHz和1GHz等，其外观如图所示。

图Socket370架构Pentium111

•2000年，Intel公司推出了简化PentiumIII的Celeron处理

器，也采用Socket370处理器架构，其外观如图所示。

•同期，AMD公司推出了Athlon（速龙），如图所示。它采

用462针的SocketA架构，时钟频率为700MHz〜L4GHz,

内建MMX和增强型3DNow!技采。

•AMD公司还推出了Athlon（速龙）的简化版本Duron（钻

龙），如图所示，也采用SocketA架箱，时钟频率为

600〜950MHz。

图CeleronII图Athlon图Duron

(8)IntelPentium4处理器

•Intel公司在2000年11月发布了Pentium4处理器，

如图所示。

•后期的Pentium4处理器均基于Socket478架构，采

用Northwood核心，0.13即1制造工艺，集成了5500万

个晶体管，主频为1.8〜2.4GHz,如图所示。

la)Socket423架构(b)Socket478袈枸

图Pentium4

•同样，Pentium4的简化版本Pentium4

Celeron也采用了Socket478架构，主频频

率为1.4GHz以上，Pentium4CeleronCPU

的外观如图所示。

图Pentium4Celeron

•同留，AMD^司推出了AthlonXP（速龙XP）,如图

所示，仍采用SocketA架构，以全面对抗Pentium

4oAthlonXP具有当时最强大的浮点单元设计和优

秀的整数计算单元。经广泛测试显示，Pentium4

需要多付出300〜400MHz的工作频率才可以获得与

AthlonXP相当的性能。

图AthlonXP3200+

•2004年6月Intel推出了SocketLGA775架构的

Pentium4、CeleronD及Pentium4EE处理器。

SocketLGA775架构Pentium4处理器的外观，如图

所示。后来，Intel推出了采用SocketLGA775架构

的Pentium4ExtremeEdition3.4GHz处理器。

图SocketLGA775Pentium4

(9)64位处理器

(a)AMDAthlon64系列

对x86架构进行扩展，从而实现同时兼容32位和

64位运算，这一理念是由AMD率先提出。2003年9月，

AMD发布了桌面64位Athlon64系列处理器(也称K8架

构)。K8在很多应用上都领先当时的IntelPentium

Do面向台式机的AMD64位处理器分为Athlon64和

Athlon64FX,如下图所示。

图Athlon64困Athlon64FX

(b)IntelPentium464位系列

Intel公司于2005年2月发布了桌面64位处理

器，并冠以6xx系列的名称。不仅Pentium46xx系

列全部具备64位技术，而且在新的Pentium45xx

系列中也引入64位技术，它们的命名方式是Pentium

45x1,以后缀为1来表示。在入门的CeleronD

中，使用LGA775封装的产品及最新的双核心

PentiumD处理器，也支持64位技术。

(10)双核心处理器

(a)PentiumD和PentiumExtremeEdition

Intel在2005年4月发布了双核心处理器，如图

所示。

图PentiumD

(b)Athlon64X2

2005年5月，AMD发表了面向服务器和工作站的企业级

x86双核计算平台---AMD双核皓龙处理器Opteron和面向桌

面型的双核速龙处理器Athlon64X2（包括4800+、4600+、

4400+及4200+等），采用Socket939架构，如图所示。与

Intel双核心PentiumD/ExtremeEdition处理器相比较，在

处理单线程应用程序方面，Athlon64X24800+的表现要远

远超出前者。

图Athlon64X2

（11）Intel新一代Core微架构

•现在，Pentium、Pentium2、Pentium3、Pentium4、

PentiumD使用的NetBurst架构已经不能满足性能、功耗等

方面的需求。2006年7月，Intel发布了新一代的全新的微架

构桌面处理器—Core2Duo（酷睿2）,并且正式宣布

Pentium时代结束。

•Core2Extreme>Core2Duo的产品标识，如下图所示（其

中Core2DuoQuad是四核处理器的标识）。

图Core2Extreme、Core2Duo和Core2Quad的标识

■2006年11月，Intel发布了的四核桌面处理器，分为两大系

歹U：Core2Quad（酷睿2四核），以Q开头；Core2Quad

Extreme（酷睿2四核极品版），以QX开头。

•Core2四核系列处理器的核心代号为Kentsfield,从技术上

说，与当前的Core2Duo并没有区别，它只不过是将两个

Conroe核心整合到同一块基板之上，称为非原生四核，其结

构示意图如图所示。

图IntelCore2双核CPU（左图）与Core2四核CPU（右图）处理懒构示意图

(12)AMD新一代K10微架构

•2007年11月AMD发布了基于全新K10架构的Phenom处理器系

歹是该公司第一款四核处理器。Phenom处理器的中文名

“羿龙”，取自中国古老神话“后羿射日”。

•在K6之后，AMD的K7、K8架构桌面产品都采用了Athlon品

牌，与笔记本的Turion和服务器的Opteron组成AMD的整体

产品线。而进入K10架构之后，Athlon将被废弃，取而代

之的是新的Phenom处理器。

•Phenom处理器采用HyperTransport3.0总线技术，可提供最

高14.4GBps的系统带宽，为1080p（1920x1080逐行扫描）高

清视频播放和极高分辨率游戏提供带宽。同时集成的内存控

制器最高支持DDR2-1066。AMD称，热设计功耗95W的Phenom

处理器在开启节能技术后，功耗大大降低，消费级应用平均

为32W、办公级应用平均为29肌Phenom处理器的标识，如图

所示。

AMD口

Phenom

图Phenom处理磊的标识

3、嵌入式计算机的分类

①嵌入式微处理器EMPU

采用“增强型”通用微处理器，目前主要有:

Aml86/188>Intel386EX>SC-400、PowerPC、

68000、MIPS、ARM系列等。

②嵌入式微控制器MCU

既单片机，可分为通用和半通用两类：

通用：8051、P51XA、MCS-25KMCS-96系列、

68300、C166/167等。

半通用：8XC930/93KC540、C541等。

③嵌入式DSP处理器EDSP

④嵌入式片上系统SOC

二、微型计算机的应用

科学计算、数据处工业控制及智能化

理及信息管理仪器仪表

计算机辅助设计和辅计算机辅助教育和教学

助制造CAD/CAM培训

家庭娱乐和家政事务管理人工智能及网络通信

兀的计算、

中长期天气

预报及导弹

.发射中的社

过程控制:

如对工业生产领域的过程控制，即对生产过

程进行监视和控制，以提高产品质量与数量，减轻

工人的劳动强度；控制飞机飞行姿态、地形回避及

导弹拦截有

数据处理:

天收集、储存、传递、分类、检测：

霹行^报表、输出图像等加工处理。

业生产管

■

计算机辅助系统:

④|I-DEAS.

|freeform.

福常源于英文ELECT而

思义包含两个方面:

■电子商务指的是吵

冢3式、买卖双方

电子商笏的真正发展是建立在INT幽共优按术±

人工智能:

计算机模拟人的高级思维活动，进行逻辑判断

与推理。如机器人、专家系统、语音识别系统、图

形图像等模式识别系统。

办公自动化:

仪器仪表:

修传感器与计算机集

成于同一芯片上，智能传

感器不仅具有信号检测、

转换功能，同时还具有记

忆、存储、解析、统计、

处理及自诊断、自校准、

自适应等功能。

智能家电:

智能家电控制示意图

航电话

■■拗।

1.2微型计算机中的数制系统

数制也称为进位计数制。日常生活中人们

习惯采用十进制，但计算机内部的信息则是用

二进制代码来表示的。同时为了书写的方便，

在编写程序的过程中，常常使用到十六进制

（或八进制）。

微型计算机中使用的数制系统包括：二进

制、八进制、十进制、十六进制等。

^一数制系统

1,常用数制

(1)十进制数

•有十个不同的数字符号：0、1、2、…、9；

•低位向高位进、借位的规律是“逢十进一”“借一当十”

的计数原则进行计数。

任意一个十进制数ND均可以表示成如下式子：

K-1

ND=£D>

其中：n表示整数部分的位数，m表示小数部分的位数，Dj为十

进制数字符号0—9,10i为第i位权值，10为十进制数的基数。

例如：

1234.45=1X103+2X102+3X101+4X10°+4X10-1

+5XW2

式中的中称为十进制数的基数,10\102、101、100、

10-1、10-2称为各数位的权。十进制数用D结尾表示，也可

以不加符号D。

(2)二进制数

只有两个不同数码：0和1,进位规律是“逢二进一”“借

一当二”的计数原则进行计数。二进制数用B结尾表示。

例如,二进制数nonon.oi可表示为:

(11011011.01)2==lX27+lX26+0X25+lX24+lX23+0X22

+1X21+1X2O+OX2-1+1X2-2

(3)八进制数

有0、1、2…、7八个不同数码，采用“逢八进一”“借一

当八”的计数原则进行计数。八进制数用0或者Q结尾表示。

例如，八进制数(503.04)Q可表示为：

(503.04)Q=5X82+0X8i+3X80+0X8-1+4*8-2

(4)十六进制数

有0、1、2…、9、A、B、C、D、E、F共十六个不同的数

码，采用“逢十六进一”“借一当十六”的计数原则进行计

数。十六进制数用H结尾表示。

例如，十六进制数(4E9.27)H可表示为

(4E9.27)H=4X162+14X161+9X160+2X16-1+7X16-2

3AB.11H=3X162+1OX161+11X160+1X16-1+1X16-2

=939,0664

2.不同数制之间的相互转换

下表列出了二、八、十、十六进制数之间的对应关系，熟

记这些对应关系对后续内容的学习会有较大的帮助。

表1各种进位制的对应关系

十进制二进制八进制十六进制十进制二进制八进制十六进制

000091001119

111110101012A

2102211101113B

3113312110014C

41004413110115D

51015514111016E

61106615111117F

71117716100002010

8100010817100012111

(1)二、八、十六进制数转换成为十进制数

根据各进制的定义表示方式，按权展开作十进制相加，即

可转换为十进制数。

【例】将(10101)B,(72)Q,(49)H转换为十进制数。

(10101)B=lX24+0X23+1X22+0X21+1X20=21

(72)Q=7X即+2X8°=58

(49)H=4X161+9X16°=73

(2)十进制数转换为二进制数

十进制数转换为二进制数,需要将整数部分和小数部分分开,

采用不同方法进行转换，然后用小数点将这两部分连接起来。

①整数部分：除2取余倒记法。

具体方法是：将要转换的十进制数除以2,取余数；再

用商除以2,再取余数，直到商等于0为止，将每次得到的

余数按倒序的方法排列起来作为转换的结果。

【例】将十进制数25转换成二进制数

25余数

211

最低位

260

230

211

01最高位

所以（25）D=11001B

②小数部分：乘2取整顺记法。

具体方法是：将十进制小数不断地乘以2,直到积的小数

部分为零（或直到所要求的位数）为止，每次乘得的整数依

次排列即为相应进制的数码。最初得到的为最高有效数位，

最后得到的为最低有效数字。

【例】将十进制数0.625转换成二进制数。

0.625

X2

1.2501最IWJ位

X2

0.50

1.01最低位

所以(0.625)D=0.101B

【例】将十进制数25.625转换成二进制数，只要将上例整数和小

数部分组合在一起即可，即(25.625)D=(U00L101)B

例如：将十进制193.12转换成八进制数。

人业心0.12

8I193余数X8取整

8241最低位」。・96。最高位

03最高位X8

5.445最低位

所以(193.12)D=(301.075)Q

⑶二进制与八进制之间的相互转换

由于23=8,故可采用“合三为一”的原则，即从小数点开

始向左、右两边各以3位为一组进行二-八转换：若不足3位的

以0补足，便可以将二进制数转换为八进制数。反之，每位八

进制数用三位二进制数表示，就可将八进制数转换为二进制

数

【例】将(10100101.01011101)2转换为八进制数。

010100101.010111010

245.272

即(10100101.01011101)8=(245.272)Q

【例】将(756.34)Q转换为二进制数。

756.34

111101110.011100

即(756.34)Q=(111101110.0111)B

(4)二进制与十六进制之间的相互转换

由于24=16,故可采用“合四为一”的原则，即从小数点

开始向左、右两边各以4位为一组进行二一十六转换，若不足4

位的以0补足，便可以将二进制数转换为十六进制数。反之，

每位十六进制数用四位二进制数表示，就可将十六进制数转换

为二进制数。

【例】将(1111111000111.1001010U)B转换为十六进制数。

0001111111000111.100101011000

1FC7.958

即(111111000111.100101011)B=(1FC7.958)H

【例】将(79BD.6C)H转换为二进制数。

79BD.6C

0111100110111101.01101100

即(79BD.6C)H=(111100110111101.011011)B

把)二常用的信息编码

1.二一十进制BCD码(Binary-CodedDecimal)

二一十进制BCD码是指每位十进制数用4位二进制数编码表

示。由于4位二进制数可以表示16种状态，可丢弃最后6种状态，

而选用0000〜1001来表苗0〜9十个数符。这种编码又叫做

8421BCD码。如下表所示。

表2十进制数与BCD码的对应关系

十进制数BCD码十进制数BCD码

000001000010000

100011100010001

200101200010010

300111300010011

401001400010100

501011500010101

601101600010110

701111700010111

810001800011000

910011900011001

【例】将69.25转换成BCD码。

69.25

01101001.00100101

结果为69・25=(0U0100L00100101)BCD

【例】将BCD码100101111000.01010110转换成十进制数。

100101111000.01010110

978.56

结果为(100101111000.01010110)BUCD=978.56

2.字符编码(ASCII码)

计算机使用最多、最普遍的是ASCH(American

StandardCodeForInformationInterchange)字符编码，即

美国信息交换标准代码，如下表所示。

表3七位ASCII代码表

0d6d5d4位

d3弓2dRo位

000001010011100101110111

0000NULDELSP0@Pp

0001SOHDC1!1AQaq

■■

0010STXDC22BRbr

0011ETXDC3#3CScs

0100EOTDC4$4DTdt

0101ENQNAK%5EUeu

0110ACKSYN&6FVfV

/

0111BELETB7Gwgw

1000BSCAN(8HXhX

1001HTEM)9IYiy

1010LFSUB*:Jzjz

1011VTESC+KLk(

1100FFFS9<L\II

1101CRGS—=M]m}

1110SORS■>NTn

1111SIHS/?O<—oDEL

ASCII码的每个字符用7位二进制数表示，其排列次序为

d6d5(i4d3d2dido，d6为高位，d°为低位。而一个字符在计算机内

实际是用8位表示。正常情况下，最高一位cl7为“0”。7位二进

制数共有128种编码组合，可表示128个字符，其中数字10个、

大小写英文字母52个、其他字符32个和控制字符34个。

数字0〜9的ASCII码为30H〜39H。

大写英文字母A〜Z的ASCH码为41H〜5AH。

小写英文字母a〜z的ASCH码为61H〜7AH。

对于ASCII码表中的0、A、a的ASCII码30H、41H、61H

应尽量记住，其余的数字和字母的ASCII码可按数字和字母的

顺序以十六进制的规律写出。

3.奇偶校验码

奇偶校验码是在传送的代码上附加一个校验位，作为代码

的比较校验，通常将一个字节的最高位作为校验位。

这样在接收方，先对信息代码按双方的校验规定求奇偶校

验码，然后再与收到的附加校验位作比较，若相等则认为接收

的代码是正确的，否则为错。奇偶校验就是鉴别代码中有奇数

个“1,还是有偶数个“1。例如，有效信息为1011001,若采

用偶校验码，则有效代码为oionooi；若采用奇校验码，有效

代码则为11011001。校验码最高位为奇偶校验位。当接收方收

到这组代码后，便根据奇、偶校验的约定和有效代码中“1”

的个数形成校验码，然后与接收的校验位作比较。比较相等的

话，说明接受的信息正确；反之则认为出现了错误。

笆月三、计算机数值数据表单运算

(-)二进制数在计算机内的表示

1.机器数与真值

在计算机中，因为只有“0”和“I”两种形式，

所以数的正、负号，也必须以“0”和“1”表示。通

常把一个数的最高位定义为符号位，用0表示正，I表

示负，称为数符：其余位仍表示数值。把在机器内存

放的正、负号数码化的数称为机器数，把机器数所代

表的数值大小称为机器数的真值。

【例】真值为(・010U00)B的机器数为10101100,存放在机

器中，如下图所示。

10101100

符号位

图真值B在机器中的存放

要注意的是，机器数表示的范围受到字长和数据类型的

限制。字长和数据类型定了，机器数能表示的数值范围也就

定了。

例如，若表示一个整数，字长为8位，则最大的正数为

01111111,最高位为符号位，即最大值为127。若数值超出

127,就要“溢出”。最小负数为10000000,最高位为符号

位，即最小值为・128。

例题：写出Xl=+42,X2=-42,X3=+例,X4=-例的真值和机

器数。

解：真值为：

[Xl1真二+101010B=+42

[X2][=-101010B=-42

[X3]]=+10H011B=+91

[X4]^-1011011B=-91

当机器字去为8位时，机器数为：

XI：00101010BX2：10101010B

X3：01011011BX2：110U011B

当机器字长为16位时，机器数为：

XI：0000000000101010B

X2：1000000000101010B

X3：0000000001011011B

X4：1000000001011011B

2.数的定点和浮点表示

计算机内的数，主要分成定点小数、定点整数与浮点数三

种类型。

(1)定点小数的表示法

定点小数是指小数点准确固定在数据某一个位置上的小

数。一般把小数点固定在最高数据位的左边，小数点前边再设

一位符号位。按此规则，任何一个小数都可以写成：

N=NSN_1N_2••-N_M,Ns为符号位

(2)整数的表示法

整数所表示的数据的最小单位为1,可以认为它是小数点

定在数值最低位右面的一种表示法。整数分为带符号和不带符

号两类。对带符号的整数，符号位放在最高位。可以写成：

N=NsNnNn-i•••%NiNo,%为符号位

定点数表示的范围和精度都较小，在数值计算时，大多数

采用浮点数。

⑶浮点数的表示方法

浮点表示法对应于科学（指数）计数法，如数110.011可表示为:

N=110.011=1.10011X2+1°=11001.1X2lo=O.llOOllX2+n

在计算机中一个浮点数由两部分构成：阶码和尾数，阶码

是指数，尾数是纯小数。其存储格式如下图所示。

阶符阶码尾符尾数

图存储格式

【例】设尾数为4位，阶码为2位，则二进制数N=2UX1011

的浮点数表示形式为：

01101011

r

阶阶数尾

符码符数

应当注意：浮点数的正、负是由尾数的数符确定，而阶码

的正、负只决定小数点的位置，即决定浮点数的绝对值大小。

3.带符号数的表示

在计算机中，带符号数可以用不同方法表示，常用的有原

码、反码和补码。

(1)原码

【例】当机器字长n=8时：

［+1］原=00000001,卜1］原=10000001

［+127］原=01111111,b127］原=11111111

在原码表示法中：最高位为符号位，正数为0,负

数为1,其余n-1位表示数的绝对值。

在原码表示中，零有两种表示形式，即：

[+0]=00000000,[-0]=10000000。

设机器字长为n,则数X的原码为：

X0<XW2〃々-1

[X]原=1

[2-X=2+|X|-(2-l)WX<0

原码表示范围为：

字长8位:-127—+127

字长16位：-32767—+32767

(2)反码

【例】当机器字长n二8时：

[+1]反=00000001,[T]反=11111110

[+127]反=oninn,[-127]反=10000000

在反码表示中：正数的反码与原码相同，负数的反码只需

保持符号位不变，其余各位按位求反即可得到。

反码表示范围为：

字长8位:-127—+127

字长16位：-32767—+32767

‘X-1

[X]反二，1

(2〃-1)+X=(2〃T)-|X|-(2-l)WXW0

机器数的最高位是符号位，。代表正号，1代表负号。

反码表示方式中，零有两种表示方法：

[+0]反=00000000,

[-0]反=11111111。

(3)补码

【例】当机器字长n=8时，

[+1]补=00000001,[-1]补=innni

[+127]补=01111111,[-127]补=10000001

在补码表示中：正数的补码与原码、反码相同，负数的补

码等于它的反码加1。

机器数的最高位是符号位，。代表正号，1代表负号。

在补码表示中，0有唯一的编码：

[+0]补=[—0]补=00000000。

补码的运算方便，二进制的减法可用补码的加法实现，使

用较广泛。

对于字长为n位的二进制计数系统，补码的定义如下：

[X0WX<2〃T-1

[X]补=2〃+X

2"+X=ln~\X|-2WXWO

由上式可知，求一个负数的补码，可用模减去该负数的

绝对值。当n=8时，模为256(逢256进1),既模为100H

(256),故T的补码为100H-1=FFH；-10的补码为100H-

OAH=F6H；-128的补码为100H-80H=80H,这种方法可以使求补

码的计算速度加快。

补码表示范围为：

字长8位:-128—+127

字长16位：-32768—+32767

【例】假定计算机字长为8位，试写出122的原码、反码和补码。

[122]M=[122]^=[122]#=01111010B

【例】假定计算机字长为8位，试写出一45的原码、反码和补码。

[―45]原=ioionoiB

[一45]反=11010010B

[-45]^F=H010011B

对于用补码表示的负数，需对该补码再求一次补码，从而得

到其原码，依据原码求得该补码数的大小。即：

[[X]补]补二[X]原

例如，已知补码数（iinoon）B,对其求补码后得到该数的

原码为：10001101B,故其大小为（-13）D。

【例】试写出补码数uonooi的真值。

[11011001]M=10100111B=-39D

(二)补码数的运算

在微处理机中，使用补码进行运算使同一个微处理机中

既能运算带符号数又能运算无符号数。而且，在采用补码表

示带符号数的情况下，两个数的减法可以用加法来实现。

在进行带符号数的加减运算时，应把参与运算的数据转

换成补码形式进行运算。当使用8位二进制数表示带符号的数

时，它所能表示的数值范围在(T28)I。〜(+127)I。之间，如果

相加结果超出了这个范围，就会导致错误发生。

［X+Y］补=［X］补+［Y］补

［X-Y］补二［X］补+［-Y］补

【例】两个带符号的数(01000001)2与(01000011)2相加

01000001

+01000011

10000100

例中两个正数相加，但结果却是一个负数——符号位为1。

显然，这个结果是错误的，出现这种错误的原因就在于这两个

数相加的结果超过了8位二进制带符号数所能表示的数值范围。

【例】两个负数(10001000)2和(11101110)2的相加情况。

10001000

+11101110

H01110110

由于采用8位二进制数来表示带符号的数，故作为进位

位的第九位自然丢失。8位二进制负数相加的结果为一个正

数。很明显，结果是错误的，产生了溢出。

【例】两个无符号数(iinnoi)2和(oooooon)2相加:

11111101

+00000011

□00000000

从相加计算的结果来看，如果微处理机只有8位，也就是

用8位二进制数来解释运算的结果，则将出现错误。因此，

在微处理机中设有专门的一位，称为进位位，它将用于保存

第九位以防丢失信息。

（三）逻辑运算

1.“与”运算。“与”运算的运算规则是：

OAO=OOA1=O

1AO=O1A1=1

【例】二进制数0101U01B和11010101B相与。

01011101

Z\11010101

01010101

2.“或”运算。“或”运算的运算规则是:

Ov0=0Ovl=l

lvO=llvl=l

【例】二进制数10101101和01010000相或。

10101101

\/01010000

11111101

3.“异或”运算。“异或”运算的运算规则是:

0㊉0二00㊉1二1

1㊉0二11㊉1二0

【例】二进制数loionoi和onoino相异或。

10101101

④oiiomo

11000011

匕，四、微型计算机的主要性能指标

1.运算速度

通常所说的计算机运算速度（平均运算速度）,

是指每秒钟所能执行的指令条数，一般用“百

万条指令/秒”（MIPS）来描述。

2.字长

计算机的字长决定了计算机内部一次可以

处理的二进制代码的位数。有1、4、8、16、

32位等多种。

3.存储器的容量

存储器分为内存储器和外存储器两类。内

存储器也简称内存或主存，是CPU可以直接访

问的存储器，内存大小反映了计算机即时存储

信息的能力；外存储器通常是指硬盘（包括内

置硬盘和移动硬盘）。

4.指令系统

一般来说，指令的条数越多，其功能就越强。

5.外设配置

允许配置的外设数量越多，其功能就越强。

6.总线的性能

在CPU、内存与外设确定的情况下，总线速

率成为制约计算机整体性能的关键因素。

以上只是一些主要性能指标，还须综合考虑其

他因素。

1.3J微型计算机组成原理0

/-----

二，一、计算机的基本结构

现代计算机结构仍然是在冯•诺依曼提出

的计算机逻辑结构和存储程序概念基础上建

立起来的。硬件系统包括：运算器、控制器、

存储器、输入设备、输出设备。

1946年，冯•诺依曼提出EDVAC计算机方案，体

现了五部分的计算设计思想。

冯•诺依曼思想：存储程序与程序控制原理

•用二进制表示数据和指令；

•程序与数据事先存储在内存储器中；

•运算器、存储器、控制器、输入与输出

设备组成硬件系统，它是计算机连续工

作的基础。

输入设备运算器输出设备

▲

存储器

控制器

冯•诺依曼计算机的基本结构

主机

程序或数据

主存储器

指

数

令

据

流

流

V

控制

器

输入设备输出设备

算

运

器

U

CP

图计算机硬件组成框图

1.一系列基本操作命令一程序

2.“机器指令”的概念

3.计算机的存储程序控制方式的工作原理:

一是能存储程序，二是能自动执行程序。

这一原理决定了人们使用计算机的主要

方式编写程序和执行程序。

二，二、微型计算机系统的组成

微型计算机系统包括硬件系统和软件系统O

硬件系统：构成计算机的硬件实体。它包括

微处理器、存储器、I/O接口、系

统总线、外部设备和电源等。

软件系统：在计算机上运行的各种程序，包

括系统软件和应用软件。

「算术逻辑单元

硬件系统:，微处理器I控制器

寄存：ROM

cROM।EPROM

2

微型计算机存储器4JEPROM

LRAM{SRAM

（单片、单板）IDRAM

r并行接口

I/O接口{串行接口

〔辅助接口

r数据总线

I系统总线」地址总线

硬件L控制总线

键盘、显示器、打印机等

「外部设一软、硬磁盘

外存储器d

I光盘

外围设备Y

「A/D

r模拟量I/O接口

I/O接口i开关量接口ID/A

电源

软件系统:

「操作系统Dos,Windows,UNIX,LINUX

4n语言处理程序TurboC

「系统软件j:

L数据库系统FoxPro、Oracle

软件分类J

了字处理软件Wps、Word

J表格处理软件Excel

应用软件辅助设计软件AutoCAD

/户编制的实际程序

微型计算机系统从小到大可分为微处理器、

微型计算机、微型计算机系统三个层次结构，如

图所示

微型计算机系统

」三、微型计算机的硬件结构

微型计算机由微处理器、存储器、输入/输出

接口构成，它们之间由系统总线连接。

1.微处理器

整个微机的核心是微处理器(up,MPU),也称

CPUo它包含算术逻辑部件ALU、寄存器组及控

制部件。

ALU:算术运算、逻辑运算

寄存器：存放操作数、中间结果、地址、标

志等信息

控制部件：整个机器控制中心，包括程序计数

器PC、指令寄存器IR、指令译

码器ID、控制信息产生电路等。

y

2.存储器

微机的存储器分为：主存和辅存

主存（内存）:用于存放当前正在运行的程序和正

待处理的数据。（CPU内部cache,

lu

主板上的内存，造价高，速度快，

存储容量小）

辅存（外存）:存放暂不运行的程序和输入处理的

数据，（主机箱内民主机箱外，造

价低，容量大，可长期保存，但

速度慢）

内存单元的地址和内容简介：

内存由许多存储单元组成，每个内存单元可存放

一组二进制数。在微机中规定每个内存单元可存放8

位二进制数，即一个内存单元存放一个字节的内容，

为了区分各个不同的内存单元，就给每个存寤单元编

上不同的号码，即内存地址。CPU要访问某个津元时,

先要通过地址总线送出该单元的地址号。

实际操作中，一个操作数可以是字节、字、双字

节、十字节等各种形式。

1.字节：计算机的基本处理单位，一个字节由8

位二进制位组成

2.字：通常微机的字长有8位、16位、32位、64

位，故其字数据的存放所占内存单元的个数也不一

样

3.双字：即2个字

4.四字：即4个字的长度，共8个字节。

地址总线16位，内存容量为216个单元，即64KB。

地址总线20位，内存容量为22。个单元，即1MB。

表示存储器容量的最小单位为bit（二进制位），

表示存储器容量的基本单位为Byte（字节）。通