第1章微机原理与应用.ppt

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1、第一章、微型计算机基础,主要内容 微型计算机的发展概况 微型计算机系统简介 微型计算机的数制 原码、补码、反码及其运算法则 数的定点与浮点表示 算术运算与逻辑运算,1.1 微型计算机的发展概况,计算机的诞生,它装有 18800个电子管、7万个电阻器，1500个继电器，重达30吨，占地面积150多平方米，耗电150千瓦 。,1943-1946年，第一台电子计算机 ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Calculator） 在美国 宾夕法尼亚大学 诞生。,1.1.1 微型计算机的发展简史,第一代：电子管计算机 （1946-1957年） 以电子管为逻辑

2、元件 速度低、内存容量小、体积庞大、造价昂贵,计算机发展经历四代:,第二代：晶体管计算机 （1957-1964年） 以晶体管为逻辑元件 降低了成本和体积，提高了运算速度；,1.1.1 微型计算机的发展简史,第三代：集成电路计算机 （1964-1972年） 以集成电路为逻辑元件 体积进一步缩小；配有各类操作系统，性能极大提高；,计算机发展经历四代:,第四代：大规模集成电路计算机 （1972年至今） 以超大规模集成电路为逻辑元件 以微型机为典型代表； 1971年，第一台微型计算机诞生,目前又提出第五代计算机：智能 计算机（非冯 诺依曼机） 人工智能、神经网络；运算理论及系统结构的变革；,1.1.1

3、 微型计算机的发展简史,第一代微处理器：1971-1973年 （4位和8位微处理器）,微处理器是微型计算机的重要部件，其发展经历五代：,第三代微处理器：1978-1981年 （16位微处理器）,第四代微处理器：1981-1992年 （32位微处理器）,第五代微处理器：1992年以后 （64位微处理器）,第二代微处理器：1973-1978年 （8位微处理器）,1.1.2 微型计算机的应用,科学计算 数据处理与信息管理 CAD/CAM/CAA/CAl中的应用 过程控制和仪器仪表智能化 军事领域中的应用 多媒体系统和信息高速公路 家用电器和家庭自动化,1.微处理器只是一个中央处理器(CPU)，由以下

4、几部分组成：运算器，寄存器，控制器，内部总线。,注意：微处理器不能构成独立的工作系统，也不能独立执行程序。需配有存储器、输入/输出接口。,1.2 微型计算机系统简介,2.微型计算机的组成：CPU、存储器（RAM,ROM）、输入输出接口电路、系统总线,注意：微型计算机具有运算功能，可独立执行程序。但若没有输入/输出设备，则数据无法输入，结果亦无法显示或输出，还是不能正常工作。,1.2 微型计算机系统简介,微型计算机,3. 微型计算机系统的构成：微型计算机外部输入输出设备软件,1.2 微型计算机系统简介,微型计算机系统,1.3 微型计算机的数制,规定：以字符打头的十六进制数前面必须加0，例如：0F

5、789H,1.3.1 进位计数制,进位计数制是指用数字符号排列成数位，按由低位到高位的进位方法进行计数，它涉及到数码、位权与基数。,数码：是各数位中允许选用的数字符号；如十进制为：0,1，2，9，二进制为：0,1。同一个数码在不同数位上所代表的数值不同，表示的数值等于该数码本身乘以一个与所在数位有关的常数(即：位权)。,位权：对每个数位赋予一定的位值，该数称为位权，简称权。它与数制及在数中的位置有关。如二进制中的20、 21、22；十进制的100、101、102等。,基数：是指计数制中所允许选用的数码个数。如十进制的基数为10(0,1，2，9)，二进制的基数为2(0,1),十六进制的基数为16

6、(0,1，2，9，A，F)。,1.3.1 进位计数制,Di为0R-1中的任一个数; R为基数；Ri为权值,一进位计数制数,可展开为：,例1.1,例1.1,例1.1 八进制数(127.4)8中的2代表的数值是什么？整个数代表什么数值？,分析： 2处于整数部分D1 位置，因此它代表的数值为281=16。,于是，按前面的公式展开得：,(127.4)8=182+281+780+48-1=(87.5)10,1.3.2 数制间的相互转换(1),二、八、十六进制数十进制数：按权展开,例如：,= 123+122+021+120 +02-1+12-2+12-3,= 8+4+0+1+0+0.25+0.125 =

7、(13.375) 10,= 282+781+680 = (190)10,= 10162+3161+15160 = (2623)10,(1101.011)2,(276)8,(A3F)16,数制间的相互转换(2),整数部分的转换采用辗转相除法 小数部分的转换采用乘基取整法,辗转相除法,就是用基数不断去除要转换的十进制数，直至商 为0，将各次计算所得的余数，按最后的余数为最高位，第一 次余数为最低位，依次排列，即得转换结果。,十进制数二、八、十六进制数：,乘基取整法,就是用基数不断去乘要转换的十进制数，直至满 足要求的精度或小数部分为0，取每次乘积结果的整数部分， 以第一次取整为最高位，依次排列，即

8、得转换结果。,事例,辗转相除法示例(1),例1.2 将(226)10转换为二进制数。,226,113,56,28,14,7,3,1,0,余0,余1,余0,余0,余0,余1,余1,余1,(最高位),(最低位),按箭头方向 依次排列,11100010,所以(226)10=(11100010)2,商为0，转 换结束。,除基取余,辗转相除法示例(2),例1.3 将(226)10转换为八进制数。,226,28,3,0,余2,余4,余3,(最高位),(最低位),按箭头方向 依次排列,342,所以，(226)10=(342)8,商为0，转换结束。,除基取余,辗转相除法示例(3),例1.4 将(226)10转

9、换为十六进制数。,226,14,0,余2,余14,(最高位),(最低位),按箭头方向 依次排列,E2,所以，(226)10=(E2)16,商为0，转换结束。,除基取余,乘基取整法示例(1),例1.5 将(0.625)10转换为二进制数。,0.625, 2,1.250, 2,0.250, 2,0.50,1.0,取整1,取整0,(最高位),(最低位),按箭头方向 依次排列,0.101,取整1,小数部分为0，转换结束。,所以，(0.625)10=(0.101)2,乘基取整,乘基取整法示例(2),例1.6 将(0.625)10转换为八进制数和十六进制数。,0.625, 8,5.000, 16,0.62

10、5,10.000,取整5，小数部分为0，转换结束。,取整10，小数部分为0，转换结束。,所以，(0.625)10=(0.5)8,乘基取整,所以，(0.625)10=(0.A)16,例1.7,例1.7 求对应于(226.625)10的二进制数。,分析：本题中十进制数既有整数部分又有小数部分，应先分别加以转换，然后再合并在一起得到最后结果。,因为，(226)10=(11100010)2 (0.625)10=(0.101)2 所以（226.625）10=(11100010.101)2,数制间的相互转换(3),二进制数八进制数：,整数向左，小数向右 三位合一，不足补 0,二进制数十六进制数：,整数向左

11、，小数向右 四位合一，不足补 0,例: (11010111.0111101)2 =,11010111.0111101,(,)2,0,00,= (327.364)8,例: (11010111.0111101)2 =,11010111.0111101,(,0,)2,= (D7.7A)16,数制间的相互转换(4),八进制数二进制数：一扩三,(264.57)8 = (,十六进制数二进制数：一扩四,(7F.C4)16 = (,提示： 整数高位0和 小数低位0可 省去不写,010,111,)2,= (10110100.101111)2,101,100.,110,= (1111111.110001)2,)

12、2,0100,1100,1111.,0111,1.3.3 数的表示 机器数与真值,机器数就是一个数在计算机中的表示形式，即二进制代码。如10010、11001100等。 一个机器数所表示的数值称为真值。如+10、-29H、+1011B等。可以是各种进制数。 一个数可以是有符号数，也可以是无符号数。 对于一个二进制无符号数来说，机器数与真值相同，此时计算机的全部有效位都用来存放数据。对于n位字长的计算机来说，整数范围为02n-1。,机器数与真值 (续),对于一个二进制有符号数来说，数的最高位是符号位：0表示正数，1表示负数。 在有符号数中，符号数字化后的数称为机器数，而用+或-表示的数值称为真值

13、，真值可以用二进制数或十进制数表示。 对于n位字长的计算机来说，有符号数的整数范围为-(2n-1-1) (+2n-1-1)。 有符号数与无符号数在计算机中的表示形式相同，须预先约定或由指令决定。,有符号数的表示 原码,有符号二进制数可以采用原码、补码和反码三种不同的编码形式表示。进行算术运算的有符号数通常以补码形式表示。 将数真值形式中的+/-号用0/1表示，而数据本身不变的机器数叫做数的原码形式，简称原码。 当字长为n时，其数据范围为-(2n-1-1) +(2n-1-1)。数-2n-1的原码不存在。数0有两种表示形式，即+0和-0。,看几个例子吧!,原码举例,如：00000000B=+0；1

14、0000000B=0 11111111B=127；01111111B=+127,又如：10010 表示真值 2；0101 表示真值 +5等。,例1.10：设字长为8，X的十进制数为+85，Y的十进制数 为-85，求X、Y的原码。 解：十进制数85转换成二进制数1010101，所以 X原 = 01010101 Y原 = 11010101,原码的概念掌握了吧？,有符号数的表示 反码,对负数的原码除符号位外，其余位按位求反，得到的另一种表示形式，即反码形式。 正数的反码与原码具有相同的形式。 当字长为n时，其数据范围为(2n-1-1） +（2n-1-1）。数-2n-1的反码不存在。数0有两种反码形式

15、。,看几个例子吧!,反码举例,例1.11：有反码00000000B和10000000B，求其真值。 解：根据反码的定义，最高位为符号位，后面即为数据的绝对值数据的反码。 00000000B = +(0000000)2 = +0； 10000000B = -(1111111)2 = -127 = -(28-1-1)。,例1.12：有8位字长反码11111111B和01111111B，求其真值。 解： 11111111B = -(0000000) = -0 01111111B = +(1111111)2 = +127 = +(28-1-1),求例1.10中的两个数的反码形式。 +85反 = +85

16、原 = 01010101 -85反 = 10101010,反码的概念掌握了吧？,有符号数的表示 补码,负数的补码等于其反码加1(求反加一)，也等于0减去其真值的绝对值。 正数的补码与原码具有相同的形式。 在补码中，数0只有一种表示形式，数-2n-1的补码存在。当字长为n时，数据范围为-2n-1 +(2n-1-1)。 使用补码可以用加法代替减法，消除加减法运算的区别，简化了运算器；而且运算时符号位和数值部分一起参加运算，简化了处理过程，故在计算机运算中广泛使用。,看几个例子吧!,补码举例,例1.13：有补码00000000B和10000000B，求其真值。 解：根据补码的定义，最高位为符号位，后

17、面即为数据的绝对值或数据的求反加一 。 00000000B = +(0000000)2 = +0； 10000000B = -(10000000)2 = -128 = -28-1。,例1.14：有8位字长补码11111111B和01111111B，求其真值。 解： 11111111B = -(0000001) = -1 01111111B = +(1111111)2 = +127 = +(28-1-1),求例1.10中的两个数的补码形式。 +85补 = +85原 = 01010101 85补 = -85反 + 1 = 10101011,补码的概念一定要掌握!,= 0 - +85原,原码、反码、

18、补码小结,符号位+数据位。正数的三种码形式相同。,定点数与浮点数,定点数就是小数点在数中的位置固定不变；浮点数是指小数点在数中的位置是浮动的，可以发生变化。 小数点固定位置的两种简单约定：(1)在最高数位之前，符号位之后是纯小数；(2)在最低位之后是纯整数。,任何一个数N的二进制浮点形式可表示为N=2jS,其中S称为尾数，j称为阶码。这种表示格式由阶符（1位，表示阶码的正负号 ）、阶码（一般为纯整数，决定数的范围）、数符（1位，表示尾数的正负号）、尾数（一般为纯小数，决定有效数字的精度 ）四个部分组成。,为充分利用其有效位，常对其规格化，使0.5|S|1,看个例子,看几个例子吧!,定点数示例,

19、例1.15：有二进制码1101B，试求小数点在最低位和最高位时的值。,解：小数点在最低位时，即为纯整数，所以 1101B = (1101)2 = 23+22+20 = (13)10 小数点在最高位时，即为纯小数，所以 1101B = (0.1101)2 = 2-1+2-2+2-4 = (0.8125)10,定点数好理解的啦!,浮点数示例,例如，二进制数1011.101可以写成如下的浮点形式： 0.00101110126， 0.0101110125， 0.101110124，1.01110123，10.1110122 ，101.110121 ，10111.012-1 ，101110.12-2等等

20、。,规格化数,以上几种浮点形式中，只有前三种的尾数为纯小数。如果用8位来表示此二进制数，其中阶符阶码为4位，尾符及尾数为4位，均用原码表示，则这三种形式对应的浮点数分别为： 01100001，01010010，01000101，可以看出，最后一种的精度最高。,1.4 计算机中常用编码,计算机中数、字母、符号等均用二进制数表示，用若干位二进制数的组合表示字符的编码称为二进制编码。常用的二进制编码有BCD码和ASCII码。 BCD码（Binary Coded Decimal），即二十进制编码方式，用四位二进制数表示一位十进制数。 ASCII码（American Standard Code for

21、Information Interchange）是一种美国标准，称为“信息交换标准代码”，用7位二进制数编码，可以表示128个字符。 GB2312-80汉字编码，即国标码，用两个字节表示一个汉字，两字节最高位均置“1”后形成机内码。,BCD码,8421BCD码（简称BCD码），即将1位十进制数09分别用4位二进制编码来表示，而这四位的权从高位到低位依次是8，4，2，1。,1.5 计算机运算基础,算术运算，包括加减乘除。其中，加减法运算是基本运算，利用加减法运算可以实现乘除法运算。 逻辑运算主要包括“与”（） 、“或”（） 、“非”和“异或”（）等。,1.5.1 无符号数的算术运算,例1.19,

22、例1.19：计算10011010+00110111= ？,因此，10011010+00110111=11010001,1,1,1,1,1,0,1,0,0,1,0,1,1,要加进位,例1.20,例1.20：计算10011010-00110111= ？,因此，10011010-00110111=01100011,1,1,1,1,1,1,1,0,0,0,1,1,0,要减借位,例1.21,例1.21：二进制数1101.1与101.1相乘。,1 1 0 1 1,1 1 0 1 1,1 1 0 1 1,1,0 0 0 0 0,+,1,1,1,1,1,1,进位,积,(74.25),1,0,0,1,0,1,0

23、,0,.,例1.22,例1.22：求二进制数100111除以110的商。,1,1 1 0,1 1,1,1,1 1 0,1,1,0,.,0,1 1 0,0,1,(6.5),1.5.2 有符号数的运算(补码运算),在计算机中，凡是有符号数一律用补码形式存放和运算，其运算结果也用补码表示。 采用补码运算可以将减法变成补码加法运算，在微处理器中只需加法电路就可以实现加减法运算。 规则： X+Y补=X补+Y补 X-Y补=X补+-Y补 两个同符号数相加，可能产生溢出。,什么是溢出?,溢出,所谓溢出，就是两个数相加，结果超出了微处理器所能表示的数值范围。 判断规则：两个正数相加结果变成了负数；或两个负数相加

24、结果变成了正数。 两个不同符号数相加，不会产生溢出。,来看个例子!,溢出示例,例1.23：判断下列补码运算是否发生溢出。 (1) 11111101+00000011 (2) 10001000+11101110 (3) 01000001+01000011 (4) 11001000+11000000,解: 可以看出CPU为8位： (1)两个不同符号的数相加，不可能发生溢出。 (2)10001000+11101110=101110110=01110110(有进位) 两个负数相加，结果为正数01110110，因此发生了溢出。 (3)01000001+01000011=10000100 两个正数相加，结

25、果为负数10000100，因此发生了溢出。 (4)11001000+11000000=110001000 =10001000(有进位) 两个负数相加，结果仍为负数10001000，因此没有发生溢出。,在后面的有关指令中还会给大家进一步讲解。,1.5.3 逻辑运算,主要包括“与”()、“或”()、“非”和“异或”()等。 有关运算规则在数字电路中学过。 在两个多位逻辑变量之间进行逻辑运算时，在对应位之间按上述规则进行运算，不同位之间不发生任何关系，没有算术运算中的进位或借位问题。,来看个例子!,逻辑运算示例,例1.24： 11010101 11010101 11010101 01100011 01100011 01100011 结果 11110111 01000001 10110110,后面学习相关指令时，再进一步体会。,第1章教学要求,1. 了解微机发展概况、了解和区分微处理器、微型计算机和微型计算机系统； 2. 掌握数制的相互转换、有符号数的表示，常用编码和算术、逻辑运算。,作业: (P41) 1-5, 1-6, 1-11, 1-14,