《微型计算机概论》PPT课件.ppt

微型计算机原理 及接口技术 兰州理工大学 电信工程学院 微型计算机原理及接口技术 课程性质及教学目的 微型计算机原理与接口技术 是工科本科一 门重要的专业技术基础课程。 本课程帮助学生掌握微型计算机的硬件组成 及使用；学会运用汇编语言进行程序设计；树立 起计算机体系结构的基本概念；掌握微机的基本 组成、工作原理、接口电路及硬件的连接，建立 微机系统的整机概念，具备初步开发微机系统软、 硬件的能力。 课程简介及要求 微型计算机原理及接口技术 课程简介及要求 课程特点 : 理论与实际联系非常紧密的课程 , 课程内 容更新极快。 内容多，学时少，进度快，难度大，应用 广。 微型计算机原理及接口技术 课程简介及要求 抓住教学过程中的 3个环节 上课时要主动参与、发现、探究 将上课时的多媒体教案从教师手中转化为自己的 认知工具 ，主动参与、发现、探究； 课堂上会布臵自学内容，通过自学从而 培养自 学的能力 ； 独立完成作业 同学之间相互交流，一起讨论，但一定要 独立 完成作业 ； 微型计算机原理及接口技术 课程简介及要求 实验课前要预习 ， 写出预习报告 ，做到心中有数，有的放矢； 实验课后， 要写实验报告，总结经验和教训 ；提高自己 分析问题和解决问题的能力，培养一种严谨科学作风。 收获与时间成正比 本课程理论联系实际非常紧密，内容更新极快 。 只能采用 解剖麻雀方法 ，教师在这里只起到 抛砖引玉 的 作用。 因此同学们学习过程中，要花时间去学习、思索、实践。 有机地将本专业的知识结合起来，构成一个实际系统， 解决实际问题。 收获与时间成正比 , 花时间越多，收获将越大 。 第一章 微型计算机概 论 1第一台电子计算机 1946年 2月，美国 宾夕法尼亚大学 诞生了世界上第一台 电子数字计算机： “ 埃尼阿克 ” （ ENIAC，即 Electronic Numerical Integrator and Calculator，电子数字积分计 算机）。 重量 30吨，占地 170平方米，每小时耗电 150千瓦，价 值约 40万美元。采用 18000只电子管， 70000个电阻， 10000 支电容，研制时间近三年，运算速度为每秒 5000次加减法 运算。 ENIAC的不足 ：运算速度慢、存储容量小、全部指令没 有存放在存储器中、机器操作复杂、稳定性差 。 1.1 微型计算机概述 1.1.1 计算机的发展 2冯 诺依曼结构计算机 1946年 6月，美籍匈牙利科学家冯 诺依曼（ Johe Von Neumman）提出了 “ 存储程序 ” 的计算机设计方 案。 其特点是 ： 采用二进制数形式表示数据和计算机指令。 指令和数据存储在计算机内部存储器中，能自动 依次执行指令。 由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设 备 5大部分组成计算机硬件。 工作原理的核心是 “ 存储程序 ” 和 “ 程序控制 ” 。 按照这一原理设计的计算机称为冯 诺依曼型计 算机。 冯 诺依曼提出的体系结构奠定了现代计算机结 构理论的基础，被誉为计算机发展史上的里程碑。 冯 诺依曼计算机结构 运算器 存储器 控制器 输出设备 输入设备 原始数据 和指令 计算结果 计算机的基本结构框图 冯 诺依曼计算机结构 数据和程序以 二进制 代码形式不加区别地存放在 存储器中 ， 存放位臵由地址指定 ， 地址码也为二 进制 。 由运算器 、 控制器 、 存储器 、 输入设备和输出设 备 五部分 组成 。 控制器 是根据存放在存储器中的指令序列即程序 来工作的 ， 并由一个程序计数器 （ 即指令地址计 数器 ） 控制指令的执行 。 控制器具有判断能力 ， 能根据指令 ， 选择不同的动作流程 。 微处理器 包括运算器和控制器。以其为核心，通过 地址 (AB)、数据 (DB)、控制 (CB)三总线连接存储器、 输入 /输出接口，进而输入设备和输出设备。 1.1.2 微型计算机的分类及主要性能指标 1. 微型计算机的分类 (1) 按照 CPU的字长来分类 有 4位 、 8位 、 16位 、 32位 、 64位微型计算机等 。 (2) 按照微处理器器件的工艺来分类 可分成 MOS工艺 、 双极型 TTL工艺的微处理器 。 (3) 按照微型计算机的利用形态来分类 有单片机、单板机、位片机、微机系统等。 (4) 按计算机的用途分类 个人计算机 ：面向个人或家庭使用的低档微型计算机 。 工作站 ：介于 PC机和小型机之间的高档微型机 。 小型计算机 ：结构简单 、 成本较低 、 易维护和使用 。 其规 模和设臵可以满足一个中小型部门的工作需要 。 主机 ：具有大容量存储器 ， 多种类型的 I/O通道 ， 能同时 支持批处理和分时处理等多种工作方式 。 其规模和配臵可 以满足一个大中型部门的工作需要 。 小巨型计算机 ：也称为桌上型超级计算机 。 最大的特点是 价格便宜 ， 并且具有较好的性能价格比 。 巨型计算机 ：也称为超级计算机 。 具有极高的性能和极大 的规模 ， 价格昂贵 ， 多用于尖端科技领域 。 2. 微型计算机的性能指标介绍 位：这是计算机中所表示的最基本 、 最小的数据单元 。 字长：是计算机在交换 、 加工和存放信息时的最基本的长度 。 字节 （ Byte） ：是计算机中通用的基本单元 ， 由 8个二进制位组成 。 字：是计算机内部进行数据处理的基本单位 。 主频：也称时钟频率 ， 是指计算机中时钟脉冲发生器所产生的频率 。 访存空间：是该微处理器构成的系统所能访问的存储单元数 。 指令数：构成微型计算机的操作命令数 。 基本指令执行时间：计算机执行程序所花的时间 。 可靠性：指计算机在规定时间和条件下正常工作不发生故障的概率 。 兼容性：指计算机硬件设备和软件程序可用于其他多种系统的性能 。 性能价格比：是衡量计算机产品优劣的综合性指标 。 微机系统的主要性能指标 字长 计算机内部 一次 可处理的二进制数的位数。取决于微 处理器内部通用 寄存器的位数和数据总线的宽度 。字 长越长，则表示的数据精度越高，完成相同精度的数 据运算速度越快。 运算速度 常用 平均运算速度 MIPS(Millions of Instruction Per Second)和 CPU的主频 表示。 主频 ：微处理器运行的时钟频率。 外频 ：微处理器外 部总线的频率。早期微处理器的主频与外部总线的频 率相同，从 80486DX2开始，主频 =外部总线频率 倍频 系数。 微机系统的主要性能指标 存储器容量：内存和外存，通常以 字节 为单位。 内存：微处理器的寻址空间和实际配臵的存储器容量 (内存条容量 )。 外存：硬盘容量。 1K=210=1024； 1M=220=1024K； 1G=230=1024M； 1T=240=1024G 外设扩展能力 计算机系统配接各种外部设备的可能性、灵活 性和适应性。 1.1.3 微型计算机的发展 1按逻辑部件化分的计算机发展阶段 按电子部件的演变经历了 四代 ： （ 1）第一代（ 1946年 - 1958年）： 电子管计算机 特点：体积大、耗电多、运算速度慢，存储容量小。 （ 2）第二代（ 1959年 - 1964年）： 晶体管计算机 特点：体积减小，重量轻、省电、寿命长、可靠性提 高，运算速度可达每秒百万次。 （ 3）第三代（ 1965年 - 1970年）： 中小规模集成电路计算机 特点：存储容量 1 - 4兆字节。运算速度每秒几百万至千 万次，可靠性有较大提高，体积进一步缩小，成本进一步降低， 出现了向大型化和小型化发展的趋势。 （ 4）第四代（ 1971年 -）： 大规模和超大规 模集成电路计算机 大规模集成电路使计算机发生了巨大的 变化，半导体存储器的集成度越来越高。 Intel公司推出了微处理器，诞生了微型计算 机，使计算机的存储容量、运算速度、可靠 性、性能价格比等方面都比上一代计算机有 较大突破。 （ 1）超、大、中、小型计算机阶段（ 1946年 - 1980 年） 采用计算机来代替人的脑力劳动，提高了工作 效率，能够解决较复杂的数学计算和数据处理。 （ 2）微型计算机阶段（ 1981年 - 1990年） 微型计算机大量普及，几乎应用于所有领域， 对世界科技和经济的发展起到了重要的推动作用。 （ 3）计算机网络阶段（ 1991年至今） 计算机网络为人类实现资源共享提供了有力的 帮助，从而促进了信息化社会的到来，实现了遍及 全球的信息资源共享。 2按计算机应用划分的计算机发展阶段 3. 按微处理器的产生和发展 按照计算机 CPU、 字长和功能划分 ， 经历了 5代的演变 : 第一代 （ 1971年 1973年 ） ： 4位和 8位低档微处理器； 第二代 （ 1974年 1978年 ） ： 8位中高档微处理器； 第三代 （ 1978年 1980年 ） ： 16位微处理器； 第四代 （ 1981年 1992年 ） ： 32位微处理器； 第五代 （ 1993年以后 ） ：全新高性能奔腾系列微处理器 。 将传统计算机的运算器和控制器集成在一块大规模集成 电路芯片上作为中央处理部件，简称为 微处理器 （ Microprocessor）。 微型计算机 是以微处理器为核心，再 配上存储器、接口电路等芯片构成的。 微处理器的发展 一 阶 段 1971年 Intel 4004 4位 2300 108KHz 每秒 6万次 1972年 Intel 8008 8位 3500 基本指令周期为 20 50s 第 二 阶 段 1974年 Intel 8080 8位 6000 2MHz MC6800 8位 6800 1976年 Z80 8位 10000 2.5MHz 三 阶 段 1978年 Intel 8086 16位 29000 5MHz基本指令周期 0.5 s 1982年 Intel 80286 16位 13.4万 基本指令周期 0.2 s 四 阶 段 1985年 10月 80386 32位 27.5万 16-33MHz 3-4 MIPS 1989年 4月 80486 32位 120万 33-120MHz /41-54 MIPS 五 阶 段 1993.3.22 Pentium 32位 310万 75-133M Hz 0.6 m 1995.11.8 Pentium pro 32位 550万 200MHz/400 MIPS 第 六 阶 段 1997年 Pentium 32位 700万 266MHz/400 MIPS 1999.2.26 Pentium 32位 2800万 450MHz 1999.2.24 AMD-K6- 32位 2130万 450MHz 0.25 m 七 阶 段 2000.11.24 Pentium 4 32位 4200万 1.4GHz 0.18 m CPU性能 每 18个月增加一倍 晶体管数目每两年增加一倍 后面是什么 ? Itanium 733/800MHz IA-64架构 McKinley IA-64架构 Madison IA-64架构 Deerfield IA-64架构 Pentium Pentium MMX Pentium Pro 80486DX2 80386DX 80286 8086 4200 2800 700 550 310 120 27.5 13.4 2.90.49 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 1973 1978 1982 1985 1989 1993 1995 1997 1999 2000 年 万晶体管 摩尔定律 晶体管数目每两年增加一倍 摩尔定律 CPU性能每 18个月增加一倍 朝着 微型计算机 和 巨型计算机 两级方向发展 。 当前开发和研究的热点是 多媒体计算机 。 未来计算机发展的总趋势是 智能化计算机 。 今后计算机应用的主流是计算机与通信相结合的 网络技术 。 非冯 诺依曼型体系结构 的计算机是提高现代计算 机性能的另一个研究焦点 。 4 未来计算机的发展趋势 神经网络计算机 ：建立在人工神经网络研究的基础上 ， 从 内部基本结构来模拟人脑的神经系统 。 用简单的数据处理 单元模拟人脑的神经元 ， 并利用神经元节点的分布式存储 和相互关联来模拟人脑的活动 。 生物计算机 ：使用由生物工程技术产生的蛋白分子为材料 的 “ 生物芯片 ” ， 不仅具有巨大的存储能力 ， 而且能以波 的形式传播信息 。 由于它具备生物体的某些机能 ， 所以更 易于模拟人脑的机制 。 光子计算机 ：用光子代替电子 ， 用光互连代替导线互连 ， 用光硬件代替电子硬件 ， 用光运算代替电子运算 。 5新型计算机 1.2 计算机的基本结构 运算器 存储器 输出设备输入设备 控制器 程序和 原始数据 计算结果 1.2.1 计算机的基本结构 各部分的主要功能 ： （ 1） 输入设备 ：用于输入原始信息和处理信息的程序 。 如键 盘 、 鼠标器和扫描仪等 。 （ 2） 输出设备 ：用来输出计算机的处理结果及程序清单 。 如 显示器和打印机 。 （ 3） 存储器 ：用来存放程序和数据 。 在控制器的控制下 ， 可 与输入设备 、 输出设备 、 运算器 、 控制器交换信息 ， 是计 算机中各种信息存储和交流的中心 。 （ 4） 运算器 ：用来对信息及数据进行处理和计算 。 也称为算 术逻辑部件 ALU（ Arithmetic and Logic Unit） 。 （ 5） 控制器 ：是整个计算机的指挥中心 ， 用来指挥计算机各 部件的操作 ， 使其协调一致地工作 。 计算机中的两类信息 ：一类是采用双线表示的 数据信 息流 ，它包括原始数据、中间结果、计算结果和程序中的 指令；另一类是采用单线表示的 控制信息流 ，它是控制器 发出的各种操作命令。 1.2.2 计算机的工作原理 1 存储程序原理 把事先编制好的由计算机指令组成的程序存 放到存储器内 ， 计算机在运算时依次取出指令 ， 根据指令的功能进行相应的运算 ， 这就是 存储程 序原理 。 2 程序的自动执行 程序在执行前先装入内存储器 ， CPU负责从内 存中逐条取出指令 ， 分析识别指令 ， 最后执行指 令 ， 从而完成一条指令的执行周期 。 程序的执行流程 ： 取指令 分析指令 执行指令。 1.2.3 微型计算机系统的组成 微型计算机系统由 硬件系统 和 软件系统 两大 部分组成 ： 硬件 微计算机 外围设备 微处理器 内存储器 I/O接口电路 系统总线 外部设备 过程 I/O通道 1. 微型计算机系统的一般结构 软件 系统软件 程序设计语言 应用软件：软件包 ， 数据库 机器语言 汇编语言 高级语言 监控程序 操作系统 编辑程序 解释程序 编译程序 诊断程序 硬件系统 是由电子部件和机电装臵所组成的计算机 实体 。 硬件的基本功能 是接受计算机程序 ， 并在程序 的控制下完成数据输入 、 数据处理和输出结果等任 务 。 软件系统 是指为计算机运行工作服务的全部技术资 料和各种程序 。 软件系统基本功能 保证计算机硬件的功能得以 充分发挥 ， 并为用户提供一个宽松的工作环境 。 计算机的硬件和软件二者缺一不可 ， 否则不能 正常工作 。 微处理器 CPU 存储器 RAM 接口电路 时钟 外存 I/O设备 接口电路 存储器 ROM 数据总线 （ 双向 ） 地址总线 （ 单向 ） 控制总线 1.2.4 微型计算机的硬件结构 微型计算机（ Micro Computer）是计算机的微型化， 简称微机，它由 CPU、存储器、输入接口和输出接口以及总 线组成。该层次就是已安装了 CPU和内存条的主板。微型计 算机的硬件结构如图所示 1中央处理单元 中央处理单元 CPU（ Control Processing Unit）是微型计 算机的核心部件，是包含有运算器、控制器、寄存器组以及总 线接口等部件的一块大规模集成电路芯片，俗称微处理器。 各组成模块及其功能： 微处理器（ Microprocessor）简称 P或 MP，或 MPU （ Microprocessing Unit）。 MPU是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。 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。 按读写方式可分为两种，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 Memor y）， CPU只能从 ROM中读出预先写入的信息。 存储器均按字节编址。 2存储器 (用于存放程序与数据的半导体器件 ) 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 。 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 制信息的位数称为总线的宽度。 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。 （ 1）地址总线 AB（ Address Bus） 微处理器 数据总线宽度 地址总线宽度 最大存储器容量 8086 16 20 1MB 8088 8 20 1MB 80186 16 20 1MB 80286 16 24 16MB 80386SX 16 24 16MB 80386DX 32 32 4GB 80486 32 32 4GB Pentium 64 32 4GB Pentium Pro 64 36 64GB Pentium 64 36 64GB Pentium 64 36 64GB Pentium 64 36 64GB （ 2）数据总线 DB（ Data Bus） 数据总线是 CPU和存储器、 CPU和 I/O接口之间传送信息的 数据通路，数据总线传输的方向为双向传输。数据总线的宽度 越宽， CPU传输数据信息的速度越快， 8086 CPU数据总线为 16 位， Pentium Pro的数据总线 64位，见表 1-1，分别表示 CPU一 次可与存储器或 I/O接口传送 16位和 64位二进制信息。 （ 3）控制总线 CB（ Control Bus） CPU的控制总线按照传输方向分为两种，一种是由 CPU发出 的控制信号，用以对其他部件的读控制、写控制等，另一种则 是其他部件发向 CPU的，反过来实现对 CPU的控制，在两种方向 的控制信号中前者多于后者。 5主机板 主机板也称为系统主板或简称主板。主机板上有 CPU芯片、 内存槽、扩展槽、各种跳线和一些辅助电路。 6外存储器 分为软磁盘、硬磁盘、光盘存储器。 磁盘存储器由磁盘、磁盘驱动器和驱动器接口电路组成， 统称为磁盘机。 光盘存储器是由光盘、光盘驱动器和接口电路组成。 7输入 /输入设备 计算机最常用的输入设备是键盘和鼠标。 计算机最常用的输出设备是显示器和打印机。 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 。 1.2.5 微型计算机的软件系统 计算机软件是指支持计算机运行的各种程序，以及开发、 使用和维护这些程序的各种技术资料的总称。 软件系统由系统软件和应用软件组成，它们形成层次关系。 处在内层的软件要向外层软件提供服务，外层软件必须在 内层软件支持下才能运行。 系统软件的主要功能是简化计算机操作，充分发挥硬件功 能，支持应用软件的运行并提供服务。 应用软件处于软件系统的最外层，直接面向用户，为用户 服务。应用软件是为了解决各类应用问题而编写的程序， 包括用户编写的特定程序，以及商品化的应用软件和套装 软件。 计算机语言也称为程序设计语言，是人机交流信息的一种 特定语言。在编写程序时用指定的符号来表达语义。 1.3 微型计算机的基础知识 1.3.1 基本概念 在计算机内部表示二进制数的方法称为 数值编码 ，把一个数及其 符号在机器中的表示加以数值化，称为 机器数 。机器数所代表的数称 为数的 真值 。 表示一个机器数 ， 应考虑以下三个因素 ： 1 机器数的范围 字长为 8位 ， 无符号整数的最大值是 （ 11111111） B=（ 255） D， 此时机器数的范围是 0 - 255。 字长为 16位，无符号整数的最大值是 （ 1111111111111111） B=（ FFFF） H=（ 65535） D， 此时机器数的范围是 0 - 65535。 2 机器数的符号 在算术运算中 ， 数据是有正有负的 ， 将这类数据称为 带符号数 。 为了在计算机中正确地表示带符号数 ， 通常规定每个 字长的最高位为符号位 ， 并用 0表示正数 ， 用 1表示负数 。 3 机器数中小数点的位臵 在机器中 ， 小数点的位臵通常有两种约定： 一种规定小数点的位臵固定不变 ， 这时的机器数称为 “ 定点数 ” 。 另一种规定小数点的位臵可以浮动 ， 这时的机器数称 为 “ 浮点数 ” 。 在计算机中，约定数据小数点的位臵固定在某 一位，原理上讲，小数点的位臵固定在哪一位都行， 但是，通常有两种定点格式，一是将小数点固定在 数的最左边（即纯小数），二是固定在数的最右边 （即纯整数）。 (1) 定点数的表示法 例如，用宽度为 n+1位的字来表示定点数 X，其中 X0 表示数的符号，例如 1代表负数， 0代表正数，其余 位代表它的数位，对于任意定点数 X=X0X1X2 Xn， 在定点计算机中可表示为： 如果 X为纯小数，小数点固定在 X0与 X1之间，数 X 的表示范围为： 0|X|1 -2-n 如果 X为纯整数，小数点固定在 Xn的右边，数 X的 表示范围为： 0|X|2 n -1 (2) 浮点数的表示法（ 1） 任意一个十进制数 N可以写成 N=10E M （ 1-3） 任意一个二进制数 N可以写成 N=2e m （ 1-4） 例如， N=101.1101=20011 0.1011101 同样，在计算机中 一个任意进制数 N可以写成： N=Re M 其中， m为浮点数的尾数，是一个纯小数， e是比例因 子的指数，称为浮点数的指数，是一个纯整数，比例因子 的基数 R是一个常数，一般 R取值为 2，也有取值为 8、 16两 种情况。 （ 2）浮点数的表示法（ 2） 在计算机中存放一个完整的浮点数，应该包括阶码、阶符、 尾数以及尾数的符号（数符）共 4部分，即： ES E1E2 Em MS M1M2 Mn 阶符 阶码 数符 尾数 一般按照 IEEE754标准，采用 32位浮点数和 64位 浮点数两种标准格式。 32位浮点数标准格式如下： 32位浮点数标准格式 在 32位浮点数中，约定基数 R=2， S是尾数的符号位， 即浮点数的 符号位 ，它占一位，安排在最高位， 0表示正数， 1表示负数， 尾数 M占 23位，放在低位部分，当然是纯小数。 E是 阶码 ，占 8位。 64位浮点数格式 它与 32位浮点数的组成原理相同，约定基数 R=2，尾 数符号位 S占一位，臵于最高位，规格化的尾数 M占 52位， 最左边一位 1已被隐藏。 1.3.2 原码、反码与补码 1.机器数与真值 机器数：带符号的二进制数称之为机器数。 二进制数最高位作为符号位 ： 1表示负数， 0表示正数 例：取 8位字长时： 10001111B则可以代表 -15 00001111B则可以代表 +15 真值 ：机器数所能表示的值。 在微机中，机器数有三种表示方法，即原码、 反码与补码 2. 原码表示法 若定点整数的原码形式为 X0X1X2 Xn，则原码 表示的定义是 X 2n X0 X原 = 2n-X=2n + X 0X -2n (1-8) X0为符号位，若 n=7，即字长 8位，则 X取值范围： -127 +127 +0原 =00000000 -0原 =10000000 原码 正数的符号位为 0， 负数的符号位为 1， 其它位按照一 般的方法来表示数的绝对值 。 用这样的表示方法得到的就 是数的原码 。 【 例 】 当机器字长为 8位二进制数时： X 1011011 X原码 01011011 Y 1011011 Y原码 11011011 1原码 00000001 1原码 10000001 127原码 01111111 127原码 11111111 原码表示的整数范围是： （ 2n-1 1） （ 2n-1 1） ， 其中 n为机器字长 。 则： 8位二进制原码表示的整数范围是 127 127； 16位二进制原码表示的整数范围是 32767 32767。 采用原码表示法简单易懂，但它 最大缺点是加法运算电路复杂，不容 易实现。 3.反码表示法 对于定点整数，反码表示的定义是： X 2n X0 X反 = (2n+1-1) +X 0X -2n (1-9) 同样 n取 7，即字长 8位，那么 X取值范围： -127 +127 +0反 = 00000000 -0反 = 11111111 反码 对于一个带符号的数来说 ， 正数的反码与其原码相 同 ， 负数的反码为其原码除符号位以外的各位按位取反 。 【 例 】 当机器字长为 8位二进制数时： X 1011011 X原码 01011011 X反码 01011011 Y 1011011 Y原码 11011011 Y反码 10100100 1反码 00000001 1反码 11111110 127反码 01111111 127反码 10000000 负数的反码与负数的原码有很大的区别 ， 反码通常用作 求补码过程中的中间形式 。 反码表示的整数范围与原码相同 。 4.补码表示法 对于定点整数，补码表示的定义是： X 2n X0 X补 = 2n+1 +X=2n+1 - X 0X -2n (1-10) 同样如果 n取 7，即字长 8位，那么 X取值范围： -128 +127 +0补 =-0补 =00000000 -10000000补 =10000000 X补 补 =X，对已知的一个补码通过再一次求其补，便 可还原出真值 补码 正数的补码与其原码相同 ， 负数的补码为其反码在最低位加 1。 【 例 】 （ 1） X 1011011 （ 2） Y 1011011 （ 1） 根据定义有： X原码 01011011 X补码 01011011 （ 2）根据定义有： Y原码 11011011 Y反码 10100100 Y补码 10100101 补码表示的整数范围是 2n-1 （ 2n-1 1） ， 其中 n为机器 字长 。 则： 8位二进制补码表示的整数范围是 128 127 16位二进制补码表示的整数范围是 32768 32767 当运算结果超出这个范围时，就不能正确表示数了，此时称 为溢出。 例 若字长 8位， X=126， Y=-126,求 X原 ， X反 ， X补 和 Y原 ， Y反 ， Y补 。 解： X原 =X反 =X补 =01111110 Y原 =11111110 Y反 =10000001 Y补 =10000010 5.补码的加减法运算及溢出的判断 (1)补码加法运算 规则 ： X补 +Y补 = X+Y补 条件 ： X、 Y以及 X+Y在定义域内 特点 ：符号位参与运算；以 2n+1为模进行加法， 最高位相加产生的进位自然丢掉。 根据运算后结果的符号位，对结果求补，即 X+ Y补 补 =X+Y，便可还原出真值。 在下面所有例子的运算过程中，假定字长均是 8位。 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=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)溢出的判断 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 的结果产生了错误，称之为溢出。 例如字长 8位，补码表示数的范围是： -128x+127 ，若字长 n位，补码所能表示数的范 围是 -2n-1x2 n-1-1，当运算结果超出这个范围 时，便产生溢出，两个正数相加可能产生正的溢 出，两个负数相加可能会产生负的溢出， 正负两 数相加不会产生溢出。 例 计算 64+65 D7D6 0 1 0 0 0 0 0 0 + 64 + 0 1 0 0 0 0 0 1 + 65 1 0 0 0 0 0 0 1 + 129+127， 结果错误，产生了 溢出 两个正数相加，结果为负数形式，这 是由于 +129+127的原因，从上式可看出 D7=1， D6=0， OF=D7 D6=1 0=1，溢出标 志 OF=1，表示有溢出。 例 计算 -128-1 D7D6 -128补 = 1 0 0 0 0 0 0 0 + -1补 = 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 两个负数相加，结果为正数形式，这 是由于 -128-1=-129-128的原因，从上式 可看出 D7=0， D6=1， OF=D7 D6=0 1=1，表 示有溢出。 例 计算 64-1 D7D6 +64补 =0 1 0 0 0 0 0 0 + -1补 = 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 运算结果正确。 D7=0， D6=0， 则 OF=D7 D6=0 0=0，无溢出。 6补码与真值之间的转换 正数补码的真值等于补码的本身；负数补码转换为其真值时， 将负数补码按位求反，末位加 1，即可得到该负数补码对应的真值 的绝对值。 【 例 】 X补码 01011001B， X补码 11011001B， 分别求其真值 X。 （ 1） X补码 代表的数是正数 ， 其真值： X 1011001B （ 1 26 1 24 1 23 1 20 ） （ 64 16 8 1） （ 89） D （ 2） X补码 代表的数是负数 ， 则真值： X （ 1011001求反 1） B （ 0100110 1） B （ 0100111） B （ 1 25 1 22 1 21 1 20） （ 32 4 2 1） （ 39） D 1.3.2 、微机中常用的数字代码与字符代码 1.数字代码 (1)数字代码的表示 BCD码是一种常用的数字代码，它的编码方法是 每个十进制数用 4位二进制数表示 ，从而实现了用 二进制数。 表示十进制数。在计算机中，最常用的 BCD码是 8421码，称为标准 BCD码，每个 BCD码每位上对应的 权值与二进制权值相同，十进制数 0 9的 BCD码则为 0000、 0001 1001。 二 十进制编码 BCD码 BCD（ Binary-Coded Decimal）码又称为 “ 二 十进制编 码 ” ， 专门解决用二进制数表示十进数的问题。最常用的是 8421编码，其方法是用 4位二进制数表示 1位十进制数，自左 至右每一位对应的位权是 8、 4、 2、 1。 1 压缩 BCD码 每一位数采用 4位二进制数来表示 ， 即一个字节表示 2位 十进制数 。 例如：二进制数 10001001B， 采用压缩 BCD码表示 为十进制数 89D。 2 非压缩 BCD码 每一位数采用 8位二进制数来表示 ， 即一个字节表示 1位 十进制数 。 而且只用每个字节的低 4位来表示 0 9， 高 4位为 0。 例如：十进制数 89D， 采用非压缩 BCD码表示为二进制数是： 00001000 00001001B （ 2）标准 BCD码的加法 由于计算机中的基本运算电路只能作二进 制加法运算，如果利用它实现 BCD码相加，必 须要找出将二进制加法运算电路适应标准 BCD 码相加的规则，然后遵循该规则设计出 BCD码 相加的运算电路 例 0100 0101 + 0101 0100 1001 1001 结果正确 例 0100 0101 + 0101 0101 1001 1010 结果不正确 + 110 个位加 6修正 1010 0000 结果还不正确 + 110 十位加 6修正 1 0000 0000 结果正确 BCD码加法的规则： 两个 BCD数对应的 BCD码位用二进制加法相加，若 产生的和小于 10则保持不变，结果正确；如果产 生的和 10，则在和数上作加 6修正 两个 BCD数对应的 BCD码位用二进制加法相加后， 如果向高位 BCD码产生了进位，说明逢十六进一， 丢掉了 6，所以也要作加 6修正。加 6修正的原因是： 运算电路只能逢十六进一，不能逢十进一 (3)标准 BCD码的减法 BCD码减法规则 ： 两个 BCD数对应的 BCD码位用二进制相减，不发 生借位则结果正确 两个 BCD数对应的 BCD码位用二进制相减，若低 位向高位发生了借位，表示借 16，而不是借 10， 在低位上要作减 6修正 2.字符代码 微机中常用的是 ASC 码（美国信息交换标准 代码） ,如表 1-2所示。 它包括 10个十进制数码， 26个英文字母和一些 专用符号，总共 128个字符的 ASC 码，因此，只需 要一个字节中的低 7位编码，最高位可用作奇偶校 验位，当最高位恒取 1，称为标记校验，当最高位 恒取 0，称作空格校验。 ASC （ American Standard Code for Information Interchange） 码是美国信息交换标 准代码的简称 ， 用于给西文字符编码；包括英文字 母的大小写 、 数字 、 专用字符 、 控制字符等； 这种编码由 7位二进制数组合而成 ， 可以表示 128种字符； 在 ASCII码中 ， 按其作用可分为： 34个控制字符； 10个阿拉伯数字 52个英文大小写字母； 32个专用符号 低位 LSB 高位 MSB 0 000 1 001 2 010 3 011 4 100 5 101 6 110 7 111 0 1 2 3 4 5 0000 0001 0010 0011 0100 0101 NUL SOH STX ETX EOT ENQ DLE DC1 DC2 DC3 DC4 NAK SP ！ # $ % 0 1 2 3 4 5 A B C D E P Q R S T U 、 a b c d e p q r s t u 6 7 8 9 A 0110 0111 1000 1001 1010 ACK BEL BS HT LF SYN ETB CAN EM SUB ? K L M N O k l m n o | DEL NUL 空 HT 横向列表 (穿孔卡片指信令 ) FF 走纸控制 DC4 设备控制 4 SOH 标题开始 LF 换行 CR 回车 NAK 否定应答 STX 正文结束 SYN 空转同步 SO 移位输出 FS 文字分隔符 ETX 本文结束 ETB 信息组传送结束 SI 移位输入 GS 组分隔符 EOT 传输结果 CAN 删去符 SP 空格 RE 记录分隔符 ENQ 询问 EM 纸尽 DLE 数据链换码 US 单元分隔符 ACK 承认 SUB 减 DC1 设备控制 1 DEL 作废 VEL 报警符 ESC 换码 DC2 设备控制 2 BS 退一格 VT 垂直制表 DC3 设备控制 3 128个 ASC 字符中有 95个编码，它 们分别对应计算机中在输入 /输出终端设 备上能键入和输出显示以及输出打印的 95个字符，包括大小写英文字母，其余 33个编码，其编码值为 031和 127，则 不对应任何显示与打印实际字符，它们 被用作为控制码，控制计算机 I/O设备的 操作以及计算机软件的执行情况。 通常 ， 计算机中的数据分为两类： （ 1） 数：用来直接表示量的多少 ， 有大小之分 ， 能够进行加减 等运算 。 （ 2）码：通常指代码或编码，在计算机中用来描述某种信息。 1. 数制的基本概念 (1) 数的表示 任何一种数制表示的数都可以写成按位权展开的多项式之和 。 N dn 1bn 1 dn 2bn 2 dn 3bn 3 d mb m 式中： n 整数的总位数。 m 小数的总位数。 d下标 表示该位的数码。 b 表示进位制的基数。 b上标 表示该位的位权。 1.3.3 计算机中的数制及其转换 (2) 计算机中常用的进位计数制 计数制 基数 数 码 进位关系 二进制 2 0、 1 逢二进一 八进制 8 0、 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7 逢八进一 十进制 10 0、 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9 逢十进一 十六进制 16 0、 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9 A、 B、 C、 D、 E、 F 逢十六进一 (3) 计数制的书写规则 在数字后面加写相应的英文字母作为标识 。 如：二进制数的 100可写成 100B 十六进制数 100可写成 100H 在括号外面加数字下标 。 如： （ 1011） 2 表示二进制数的 1011 （ 2DF2） 16 表示十六进制数的 2DF2 2. 数制之间的转换 1.十进制整数转换为二进制整数 采用基数 2连续去除该十进制整数，直至商等于 “ 0” 为止， 然后逆序排列余数。 2.十进制小数转化为二进制小数 连续用基数 2去乘以该十进制小数，直至乘积的小数部分等 于 “ 0” ，然后顺序排列每次乘积的整数部分。 3.十进制整数转换为八进制整数或十六进制整数 采用基数 8或基数 16连续去除该十进制整数，直至商等于 “ 0” 为止，然后逆序排列所得到的余数。 4.十进制小数转换为八进制小数或十六进制小数 连续用基数 8或基数 16去乘以该十进制小数，直至乘积的小 数部分等于 “ 0” ，然后顺序排列每次乘积的整数部分。 5.二、八、十六进制数转换为十进制数 用其各位所对应的系数，按 “ 位权展开求和 ” 的方法就可 以得到。其基数分别为 2、 8、 16。 6.二进制数转换为八进制数 从小数点开始分别向左或向右，将每 3位二进制数分成 1组， 不足 3位数的补 0，然后将每组用 1位八进制数表示即可。 7.八进制数转换为二进制数 将每位八进制数用 3位二进制数表示即可。 8.二进制数转换为十六进制数 从小数点开始分别向左或向右，将每 4位二进制数分成 1组， 不足 4位的补 0，然后将每组用一位十六进制数表示即可。 9.十六进制数转换为二进制数 将每位十六进制数用 4位二进制数表示即可。 【 例 】 将十进制整数 （ 105） 10转换为二进制整数 ， 采用 “ 除 2倒取余 ” 的方法 ， 过程如下： 2 105 2 52 余数为 1 2 26 余数为 0 2 13 余数为 0 2 6 余数为 1 2 3 余数为 0 2 1 余数为 1 0 余数为 1 所以，（ 105） 10（ 1101001） 2 【 例 】 将十进制小数（ 0.8125） 10转换为二进制小数， 采用 “ 乘 2顺取整 ” 的方法，过程如下： 0.8125 2 1.625 取整数位 1 0.625 2 1.25 取整数位 1 0.25 2 0.5 取整数位 0 0.5 2 1.0 取整数位 1 所以 ， （ 0.8125） 10 （ 0.1101） 2 如果出现乘积的小数部分一直不为 “ 0”， 则可以根据 精度的要求截取一定的位数即可 。 【 例 】 将十进制整数（ 2347） 10转换为十六进制整数，采用 “ 除 16倒取余 ” 的方法，过程如下： 16 2347 16 146 余数为 11（十六进制数为 B） 16 9 余数为 2 0 余数为 9 所以 ， （ 2347） 10 （ 92B） 16 二进制算术运算（略）