第一章 微机原理.ppt

1、微机原理及应用,主讲教师 李国利,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,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,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。 （Central Processing Unit，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,1、微处理器（Microprocessor）,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

2、据总线的宽度为标志的。 1971年，4位微处理器，典型产品是Intel4004； 1972年，8位微处理器(低档)，典型产品是Intel8008； 时钟频率0.50.8MHz，其集成度是30000个晶体管/片。主要采用机器语言和简单的汇编语言，是低档微处理器。,1974年，中高档8位微处理器，典型产品是Intel8080/8085、MC6800、Z80； 时钟频率28MHz，其集成度是9000晶体管/片。采用汇编语言及高级语言。,1978年，16位微处理器，典型产品是Intel8086/8088，MC68000，Z8000；1982年， Intel80286 。 时钟频率516MHz，集成度为

3、29000个晶体管/片。,1985， 32位微处理器，典型产品Intel80386, Intel80486，Z80000， MC68020； 时钟频率1633MHz, 集成度为27.5万个晶体管/片。,1993年以来，64位微处理器，Pentium Pro（高能奔腾）， Pentium ； 时钟频率达1501000MHz, 其集成度为2100万个晶体管/片。,2、微型计算机（Microcomputer）,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）,微型计算机,内存储器,微处理器,输入/输出接口,系统总线,典型的微机硬件系统，CPU通过三组总线将内存储器、

4、I/O接口连接起来。 微型计算机的组成图：,1微处理器 微处理器CPU（Control Processing Unit）是微型计算机的核心部件。采用大规模和超大规模集成电路技术将算术逻辑部件ALU（Arithmetic Logic Unit）、控制部件CU（Control Unit）和寄存器组R（Registers）三个基本部分以及内部总线集成在一块半导体芯片上构成的电子器件。又称为“中央处理单元”（Central Processor Unit），简称CPU。,各组成模块及其功能：,微处理器是微型计算机的核心，它的性能决定了整个微型机的各项关键指标。 工作原理下章介绍。,（1）按读写方式可分为

5、两种： 一种是随机存取存储器RAM（Random Access Memory），RAM又分为静态存储器SRAM和动态存储器DRAM，在PC机中，前者用作高速缓存，后者用作内存条。可随时将信息写入 RAM，也可随时从RAM中读出信息。 另一种是只读存储器ROM（Read Only Memory），CPU只能从ROM中读出预先写入的信息。 （2）存储器均按字节（8位）编址。,2存储器(用于存放程序与数据的半导体器件),3、系统总线,总线（BUS）包括地址总线、数据总线和控制总线三种。所谓总线，它将多个功能部件连接起来，并提供传送信息的公共通道，能为多个功能部件分时共享，总线上能同时传送二进制信息的

6、位数称为总线的宽度。,数据总线DB（Data Bus）：用于CPU与主存储器、CPU与I/O接口之间传送数据。 地址总线AB（Address Bus）：用于CPU访问主存储器和外部设备时，传送相关的地址。 控制总线CB（Control Bus）：用于传送CPU对主存储器和外部设备的控制信号。,CPU通过三种总线连接存储器和I/O接口，构成了微型计算机。,4输入输出接口电路 输入/输出接口电路也称为I/O（Input /Output）电路，即通常所说的适配器、适配卡或接口卡。它是微型计算机外部设备交换信息的桥梁。,3、微型计算机系统(Microcomputer System) ,微型计算机系统是

7、指由微型计算机配以相应的外部设备（如打印机、显示器、键盘，硬盘、光盘等）、电源和相关的软件。 （1）微处理器、微型计算机和微型计算机系统的关系（图1-1） （2）微型计算机系统类型,微型计算机系统类型, 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； 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； 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

8、都得到广泛的应用。,软件的配置,软件和硬件是计算机系统中两大资源。 软件配置直接影响计算机系统的使用和性能的发挥。必须配置的软件： 1、系统软件（操作系统、诊断程序、编译程序等）； 2、程序设计语言（机器语言、汇编语言，高级语言）； 3、应用软件（软件包、数据库）。,二、 数制及转换,1、数制 2、各种数制的相互转换,1、数制,（1）十进制数 （2）二进制数 （3）十六进制数,（1）十进制数（Decimal),具有10个数字符号（系数）0 ， 1 ， 2 ， ， 9； 由低位向高位进位是按“逢10进1”的规则进行的； 基数为10，第i位的权为10i。 其中 i=n，n-1， ，2，1，0，-1

9、，-2， 例：(6543.21)10 =6543.21D =6103 + 5102 + 4101 + 3100 + 210-1 +110-2,（2）二进制数(Binary),具有2个数字符号0，1； 由低位向高位进位是按“逢2进1”的规则进行的； 基数为2，第i位的权为2i。 其中 i=n，n-1， ，2，1，0，-1，-2， 例：(1010.101)2 =1010.101B =123+0 22 + 121 + 020 + 12-1 + 02-2 + 12-3,（3）十六进制数(Hexadecimal),1、具有16个数字符号0 ， 1 ， 2 ， ， 9 ， A ， B ， C ， D ，

10、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 16i。 其中 i=n，n-1， ，2，1，0，-1，-2， 例：(19BF.ABE)16 =19BF.ABEH = 1163+ 9 162+ 11161+ 15160+ 1016-1+ 1116-2+ 1416-3,2、各种数制的相互转换,（1）二进制、十六进制转换为十进制 （2）十进制转换为二进制 （3）二进制转换为十六进制,（1）二进制、十六进制转换为十进制,按权展开求和。 如：10101.101B = 1 24 + 122 + 120 + 12-1 + 12-3 = 16 + 4 + 1

11、+ 0.5 + 0.125 =21.625D 19B.ABH = 1162+ 9 161+ 11160+ 1016-1+ 1116-2 = 256 +144 +11 + 0.625 +0.04296875 =411.66796875D,（2）十进制转换为二进制, 整数部分 小数部分,整数部分除2取余法,例：19D = ?B,高,低,余数,19D =,所以，我们可以得到：,10011B,192 =9 1 92 =4 1 42 = 2 0 22 =1 0 12 = 0 1,小数部分乘2取整法,例：0 .625D = ?B,0.6252 = 1.25 1 0.25 2 = 0.5 0 0.5 2 =

12、 1.0 1,低,高,整数,0.625D =,所以我们可以得到：,0.101B,（3）二进制与十六进制之间的转换,四位二进制数正好等于一位十六进制数,0001 1111 B,1 ( 120=1),2 ( 121=2),4( 122=4),8 ( 123=8),16 ( 124=16),四位二进制与一位十六进制数的对应关系,四位二进制数,一位十六进制数,0000B,1001B,1000B,5H,4H,3H,2H,6H,0H,0010B,0011B,0100B,0101B,0110B,7H,0111B,1111B,1110B,1101B,1100B,1011B,1010B,CH,BH,AH,9H,

13、8H,1H,DH,EH,FH,0001B,四位二进制数,一位十六进制数,二进制转换为十六进制数,例：1110110101100.10101B = ?H,1110110101100.10101,0001110110101100.10101000,1 D A C . A 8, ,1110110101100.10101B = 1DAC.A8H,十六进制转换为二进制数,例：39F.E1AH = ?B,3 9 F . E 1 A,001110011111 . 111000011010, ,= 11 1001 1111.1110 0001 101B,39F.E1AH = 0011 1001 1111.11

14、10 0001 1010B,三、 计算机中的数及编码,1、机器数与真值 2、带符号数、无符号数 3、原码、补码及反码 4、真值与补码之间的转换 5、补码的运算 6、二进制编码 7、 微机中数的表示,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“1”，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。 “”用“0”表示， “”用“1”表示。 例：有两个数：,真值(也可用十进制数表示）,机器数,N1=1101001 N2=1101001,在计算机中的表示形式：,N1：01101001 N2：11101001,2、带符号数、无符号数,（1）带符号数 用0表

15、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： 22 22,符 号 位,数值部分,符 号 位,数值部分,2、带符号数、无符号数,（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，这种方法表示的数，叫无符号数。 无符号数表示形式： 22 150,8位全部用来表示数值大小,8位全部用来表示数值大小,3、原码、反码及补码,（1）原码 （2）反码 （3）补码,（1）原码,定义：一个数的原码就是该数的机器数。 对正数 X=+X6X5X4X3X2X1X0 （Xi = 0 或 1） 则：X原码= 0X6X5X4X3X2X1X0

16、对负数 X=X6X5X4X3X2X1X0 （Xi = 0 或 1） 则：X原= 1X6X5X4X3X2X1X0,（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。 对正数 X=+X6X5X4X3X2X1X0 （Xi = 0 或 1） 反码 X反码= 0X6X5X4X3X2X1X0,对负数 X=X6X5X4X3X2X1X0 （Xi = 0 或 1） 反码 X反码=,（2）反码,例：X1=100 1001 X2=100 1001 则 ： X1原 = 0100 1001 X2原 = 1100 1001 X1反 = 0100 1001 X2反 = 1011 01

17、10,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？ 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；671 方法2：逆时针拨5个钟；651 引进概念 模,概念模,模 一个计量器的容量，记为M，或mod M 。 模的特性当一个计量器的模为M时，它在计量器里的表示形式与0一样，也就是说，M = 0（新的循环） 。 所以，对时钟来说， M=12，7和5是互补关系，可以将减5变为加7，将减法变为加法。 65 = 1 67 =13 = 12+1 = 0 + 1=1,概念模,同样，对一个n位二进制计数器，它的容量为

18、2n，它的模为M= 2n 。 假设，n=7，则 M=27=128。 也就是说对7位二进制计数器来说，128=0,0,7位计数器（最高位设为符号位）,128,（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。 对正数 X=+X6X5X4X3X2X1X0 （Xi = 0 或 1） 补码 X补= 0X6X5X4X3X2X1X0,（3）补码,例：X1=100 1001 X2=100 1001 则 ：,X1原 = 0100 1001 X1反 = 0100 1001 X1补= 0100 1001,X2原 = 1100 1001 X2反 = 1011 0110 X2补 = X反+1

19、 = 1011 0111,有关原码、反码、补码的对应关系见结论及表1-1（P11）。,4、真值与补码之间的转换,例1 已知X=+010 1010，Y=010 1010 求它们的原码、反码和补码。 解： X原= X反=X补=0010 1010 Y原=1010 1010 Y反=1101 0101 Y补= Y反+1 = 1101 0101+1 = 1101 0110,4、真值与补码之间的转换,例2 X补=1010 1101， 求真值X。 解：因为补码的首位是1，则其真值X即为负数 X反= X补1 =1010 1101 1 =1010 1100 X原 =1101 0011 （除了符号位，按位取反） 所

20、以， X= 101 0011 也可以X补补=X原，可试试。,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,（1）补码的加法规则,规则 X Y补= X补Y补 例 X=+011 0110 ，Y=111 1001，求X+Y=？ 解：首先按常规加法计算： X= 011 0110 = 54D Y= 111 1001 = 121D 所以，X+ Y= 67D,（1）补码的加法规则,例 X=+011 0110 ，Y=111 1001，求X+Y=？ 解：用补码的加法规则来求： X原= X反=X补=0011 0110 Y原=1111 1001 Y反=1000 011

21、0 Y补= Y反1 = 1000 01101 = 1000 0111 X补= 0011 0110 +） Y补= 1000 0111 X补+ Y补 = 1 011 1101,（1）补码的加法规则,例：根据规则：X Y补= X补Y补 所以， X+Y 补= 1011 1101 X+Y 反= 1011 1101 1= 1011 1100 X+Y 原= 1100 0011 则：X+Y= 100 0011 = 67D 显然，补码的加法规则是正确的。,（2）补码的减法规则,规则 X Y补= X +（Y）补 =X补Y补 例 X=+101 0101 ，Y= + 110 0001，求X Y=？ 解：首先按常规减法

22、计算： X= 101 0101 = 85D Y= 110 0001 = 97D 所以，XY= 12D,（2）补码的减法规则,例 X=+101 0101 ，Y= + 110 0001，求X Y=？ 解：按补码的减法规则来求： X原= X反=X补=0101 0101 Y= 110 0001 Y原=1110 0001 Y反=1001 1110 Y补=1001 1111 X补= 0101 0101 +） Y补= 1001 1111 X补+ Y补 = 1111 0100,（2）补码的减法规则,例：根据补码的减法规则： X Y补 =X补Y补 由 XY 补= 1111 0100 XY 反= 1111 010

23、0 1=1111 0011 XY 原 = 1000 1100 所以 XY = 000 1100B = 12D,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，一般为若干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,（1）二进制编码的十进制数,二进制编码的十进制数 就是BCD码（Binary Coded Decimal）。 压缩BCD码 是用4位二进制数表示一位十进制数。一个字节表示两位十进制数。 如：1001 0110B 表示 96D 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。 如： 0000 1001B

24、 表示 9D 两种BCD码的编码对照表,两种BCD码的编码对照表,（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。 （American Standard Code for Information 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ASCII码就是6FH ; 数字“8”的ASCII码就是38H ;,American Standard Code for Information Interchange（美国信息

25、交换标准码）,详细参考教材P.14表1-3,7、 微机中数的表示,（1） 定点表示（单片机）,定点机中通常采用纯整数形式，以8位机为例，用8位二进制数表示一个纯整数，格式如下：,Pf为符号位：0正数，1负数,8位二进制数11010100，若是定点纯整数则其为-84；若为定点纯小数则其为-0.65625。 定点纯小数与定点纯整数形式上无差别，小数点位置隐含，由程序员预先设定好。,2. 浮点表示（必须带小数点）,对于任意一个二进制数N总可以表示为： N=S2P 其中S是数N的尾数，P是数N的阶码 。格式如下：,Pf为阶码的符号位，0-正，1-负 Sf为尾数的符号位，0-正，1-负,111.0101

26、B=1.110101210B =0.111010211B 当阶码P取不同数值时，尾数小数点位置是可以变动的，因此称为浮点法数。 为了使微机在运行过程中不丢失有效数字，提高运算精度，一般都采用二进制浮点规格化数，所谓浮点规格化是指1/2|S|1；即小数点后面的一位必须为1，小数点前面一位为0。,N=S2P,例：若有二进制数0.0011010B，规格化后的形式为0.11010210B 用8位二进制数的格式将其表示为浮点数：,注：规格化后尾数超出三位小数部分自动舍去，所以用浮点数表示有可能产生误差,一般按照IEEE754标准，采用32位浮点数（单精度）和64位浮点数（双精度）两种标准格式。,四、 计

27、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,1、补码的加减法运算,在计算机中，带符号数一般都以补码的形式在机器中存放和进行运算，因为补码进行加减法运算比原码简单：符号位与数值部分一起参与运算，并可自动获得结果（仍然为补码） 规则 X Y补= X补Y补 X Y补= X +（Y）补 =X补Y补 因此，加法或减法都是用补码的加法来进行运算的。,例 X=+00001111，Y=+01000000，求X+Y。 解：X补=00001111 Y补=01000000 00001111 + 01000000 01001111=X+Y补=X+Y，结果正确。 例 X=-00001111，Y

28、=01000000，求X+Y 解：X补=11110001 Y补=01000000 11110001 + 01000000 1 00110001=X+Y补=X+Y，结果正确。,2、溢出及判断,例： X=+100 0101 ，Y= +110 0111 ，求X+Y=？ 解： X原=X反=X补=0100 0101 Y原=Y反=Y补=0110 0111 X补= 0100 0101 （69D） +） Y补= 0110 0111 （103D） X补+ Y补= 1010 1100 （172D） 因此，得 X+Y 补= 1010 1100 由于其符号位是1，表明X+Y的真值是负数，这显然与实际情况不符合，出错？,若参与操作的两数在定义域内，但运算结果超出了字长范围内补码所能允许表示的值，所计算出的