Vwq微机原理与接口技术第1章.ppt

1 微机原理与接口技术 西北工业大学明德学院计算机信息系 2010 9 主讲人 祁桂兰 2 课程意义微机原理是理工类专业课程 计算机等级考试的重要课程 以8086 8088微处理机为背景 从应用的角度系统性阐述微机的基本原理 为能够开展微机应用系统的研发工作 为后续专业课程学习 研究奠定基础 3 课程目标微机原理是学习和掌握微机硬件知识和汇编语言程序设计的入门课程 微型计算机的基本工作原理汇编语言程序设计微型计算机接口技术目的 建立微型计算机系统的整体概念 形成微机系统软硬件开发的初步能力 4 教学内容第1章绪论第2章8086CPU结构第3章寻址方式与指令系统第4章汇编语言程序设计第5章半导体存储器第6章输入输出技术第7章常用接口芯片第8章实验 5 教材牟琦 聂建萍主编 微机原理与接口技术 清华大学出版社 2007 8 课程情况教学 48学时实验 8学时考试 作业15 实验15 期末考试70 6 第1章绪论 主要内容 微型计算机的概述各种常用记数制和编码以及它们相互间的转换二进制数的算术运算和逻辑运 符号数的表示及补码运算计算机逻辑电路基础 7 1 1概述 微型计算机的概念微机系统的主要技术指标电子计算机的发展微型计算机的特点 8 1 1概述 一 微型计算机的概念 微型计算机 MicroComputer微处理器 MicroProcessor微型计算机的核心 微处理器 中央处理器CPU 9 由于科学计算 数据处理 图象分析 数据库人工智能 数字模拟与仿真等的需求 使人类无止境地发展海量数位运算 286 386 586 奔腾等 系统速度越来越快 功能越来越强 微型计算机 MicroComputer 10 微处理器 MicroProcessor微处理器本身不是计算机 它是小型计算机或微型计算机的运算器和控制器部分 ALU CU 寄存器等组成计算机核心部件 CPU 在CPU基础上加上程序存贮器 ROM 数据存贮器 RAM 输入 输出 I O 接口和系统总线即可构成 微型计算机 11 微型计算机系统硬件部分通常由五部分组成以运算器为核心来描述工作原理 而计算机结构在不断发展变化 也有以存储器为中心的计算机结构 数据流 控制流 输入设备 运算器 输出设备 控制器 存储器 12 1 1概述 二 微型计算机的主要技术指标 字长 位 字节 字内存容量指令系统 指令 程序运算速度容许配置的外围设备数量系统软件的配置 字长 CPU能够同时处理的二进制位数 如16位 32位 64位等 位 一个位 0或1 字节 以8位为存储的单元 字 2个字节 存储容量 以字节为存储单元 能存储字节的多少 运算速度 执行指令的速度 容许挂接的外设数量 13 指令基本概念补充 指令 要求计算机完成某种操作的命令 构成 操作码 OP 操作数 地址码或数据码 操作类型 操作的数据或数据所在的位置 指令系统 一台计算机可实现的所有指令集合 是硬件系统的设计目标 程序 将任务按解题步骤分解为有顺序的指令序列机器指令程序汇编语言程序高级语言程序 14 1 1概述 三 电子计算机的发展 电子管计算机 1946 1956 晶体管计算机 1957 1964 中小规模集成电路计算机 1965 1970 超大规模集成电路计算机 1971 今 电子计算机按其性能分类 大中型计算机 巨型计算机 MainframeComputer 小型计算机 Minicomputer 微型计算机 Microcomputer 单片计算机 Single ChipMicrocomputer IntelCPU的发展见下页表 15 MIPS MillionInstructionsPerSecond 每秒执行百万条指令的含义 16 1 1概述 四 微型计算机的特点 功能强可靠性高价格低廉适应性强 系统设计灵活周期短见效快体积小 重量轻 耗电省维护方便 17 1 2计算机中的数制 掌握特点 表示方法 相互间的转换 18 一 常用记数制 十进制 符合人们的习惯二进制 便于物理实现十六进制 便于识别 书写八进制 19 计数制基数数码进位关系二进制20 1逢二进一八进制80 1 2 3 4 5 6 7逢八进一十进制100 1 2 3 4 5 6 7 8 9逢十进一十六进制160 1 2 3 4 5 6 7 8 9A B C D E F逢十六进一 20 1 十进制 特点 以十为底 逢十进一 共有0 9十个数字符号 例如 275 368 10 2 102 7 101 5 100 3 10 1 6 10 2 8 10 3 21 1 十进制 275 368 10 2 102 7 101 5 100 3 10 1 6 10 2 8 10 3如果n位整数 m为小数 用公式表示 i为某个位 22 2 二进制 特点 以2为底 逢2进位只有0和1两个符号 例如 110 11 2表示 23 3 十六进制 特点 以16为底 逢16进位 有0 9及A F共16个数字符号 例如 1B E5 16表示 24 3 任意进制 表示 N xiri n 1 i m n 1 i m xiri n 1 i m xiri n 1 i 0 xiri m i 1 25 如何区分不同进位记数制的数字 在数字后面加一个字母进行区分 二进制 数字后面加B 如1001B八进制 数字后面加O 如1001O或Q十进制 一般不加 如1001D十六进制 数字后面加H 如1001H在明显可以区分其记数制的情况下 可以省略数字后面的字母 26 二 各种数制间的转换 1 非十进制数到十进制数的转换方法 按相应进位计数制的权表达式展开 再按十进制求和 例 101 11B 1013FAH 10 记住方法规则哦 27 二 各种数制间的转换 例 101 11B 101 22 0 21 1 20 1 2 1 1 2 2 4 0 1 0 5 0 25 5 7513FAH 1 163 3 162 15 161 10 1604096 768 240 10 5114 10 28 2 十进制到非十进制数的转换 十进制 二进制的转换 整数部分 除2取余 小数部分 乘2取整 十进制 十六进制的转换 整数部分 除16取余 小数部分 乘16取整 以小数点为起点求得整数和小数的各个位 记住方法规则哦 29 例1 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 如下 2 1052 52余数为12 26余数为02 13余数为02 6余数为12 3余数为02 1余数为10余数为1所以 105 10 1101001 2 52 110100 2 30 例2 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10 625 2 1 25取整数位10 25 2 0 5取整数位00 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 31 例3 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 234716 146余数为11 十六进制数为B 16 9余数为20余数为9所以 2347 10 92B 16 32 表1 2常用数制的对于关系十进制二进制八进制十六进制00000001000111200102230011334010044501015560110667011177810001089100111910101012A 3位二进制可表示8进制 33 表1 2常用数制的对于关系十进制二进制八进制十六进制11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F 4位二进制可表示16进制 34 3 二进制与八进制间的转换 用3位二进制数表示1位八进制数例 11010110 11 O011010110 110326 6例 25 4 O B25 4010101 100 位数不够时要补0 35 4 二进制与十六进制间的转换 用4位二进制数表示1位十六进制数例 10110001001 110 H010110001001 1100589 C 位数不够时要补0 36 5 十六进制与二进制间的转换 十六进制数 1FC7 958 H转换为二进制1FC7 9580001111111000111 100101011000 1FC7 958 H 1111111000111 100101011 B 用16进制书写二进制 进制转换的一般方法 38 数值转换部分的作业 一 书上例题1 1 1 10抄写二 P33习题17 8 有解题过程 08级的全体同学 大家好 让我们携手共同完成本课程学习 39 1 2 2计算机中带符号数的表示方法 无符号数算术运算有符号数逻辑运算 40 一 无符号数的运算 算术运算包括 加法运算减法运算乘法运算除法运算 41 1 规则 加法 1 1 0 有进位 减法 0 1 1 有借位 乘除法 一个数乘以2相当于该数左移一位 除以2则相当于该数右移1位 基本规则要记牢 42 例 00001011 0100 00101100B00001011 0100 00000010B 11B即 商 00000010B余数 00000011B 8位结果右移2位 8位结果左移2位 43 2 无符号数的表示范围 一个n位无符号二进制数X 其表示范围为0 X 2n 1 8位0 X 28 1 若运算结果超出这个范围 则产生溢出 或者说运算结果超出n位 则产生溢出 判别方法 运算时 当最高位向更高位有进位 或借位 时则产生溢出 44 例 11111111 00000001100000000结果超出 位 最高位有进位 发生溢出 结果为256 超出 位二进制数所能表示的范围255 0 X 28 10 X 255 45 3 逻辑运算 与 或 非 异或 特点 按位运算 无进借位运算规则 例 A 10110110 B 01101011求 A B A B A B 46 3 逻辑运算 例 A 10110110 B 01101011A10110110B01101011A B00100010A B11111111 A01001001A B11011101 与规则 均1为1 或规则 有1为1 非规则 01互反 异或规则 相同为0相异为1 47 计算机中的带符号二进制数把二进制数的最高位定义为符号符号位为0表示正数 符号位为1表示负数连同符号位一起数值化了的数 称为机器数 机器数所表示的真实的数值 称为真值 在以下讲述中 均以 位二进制数为例 二 符号数的表示 48 例 52 0110100 00110100符号位数值位 52 0110100 10110100 真值 机器数 49 对于符号数 机器数常用的表示方法有原码 反码和补码三种 数X的原码记作 X 原 反码记作 X 反 补码记作 X 补 注意 对正数 三种表示法均相同 它们的差别在于对负数的表示 原码 反码 补码 数X的下标不同 50 1 原码 X 原 定义 符号位 0表示正 1表示负 数值位 真值的绝对值 X 原 0 xn 2xn 3 x1x0 x 01xn 2xn 3 x1x0 x 0 51 例 当机器字长为8位二进制数时 X 1011011 X 原码 01011011Y 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 27 128 则 8位二进制原码表示的整数范围是 127 12716位二进制原码表示的整数范围是 32767 32767 原码范围规则 52 数0的原码 8位数0的原码 0 00000000 0 10000000即 数0的原码不唯一 0结果不是唯一哦 对于二进制数 正数的原码是它本身 负数的原码符号位取1数值部分是真值的绝对值 53 2 反码 X 反 定义 若X 0 则 X 反 X 原若X 0 则 X 反 对应原码的符号位不变 数值部分按位求反 54 例 X 52 0110100 X 原 10110100 X 反 11001011 52的原码和反码 对应原码的符号位不变 数值部分按位求反 55 例 当机器字长为8位二进制数时 X 1011011 X 原码 01011011 X 反码 01011011Y 1011011 Y 原码 11011011 Y 反码 10100100 1 反 00000001 1 反 11111110 127 反 01111111 127 反 10000000 对于二进制数 正数的反码是它本身 负数的反码符号位取1 数值部分按位取反 56 0的反码 0 反 00000000 0 反 11111111即 数0的反码也不是唯一的 57 3 补码 时间的计算 如假设标准时间4点钟 而有只表已经7点了 那么时间对准的方法有两种 1 将时针退7 4 3格 2 将时针前进12 3 9格 过了12自动丢弃 由此可以看出减3和加9都可以 9是 3的补码 3 9 模12 58 补码 定义 若X 0 则 X 补 X 反 X 原若X 0 则 X 补 X 反 1对于二进制数 正数的补码是它本身 负数的反码符号位取1 数值部分按位取反后末位加1 59 例 X 52 0110100 X 原 10110100 X 反 11001011 X 补 X 反 1 11001100 60 0的补码 0 补 0 原 00000000 0 补 0 反 1 11111111 1 100000000对8位字长 进位被舍掉 0 补 0 补 00000000 0的补码是唯一的 61 补码的运算原理 模 module 就是一个计数系统的最大容量 例如钟表的模为12 8位二进制数的模为28 凡是用器件进行的运算都是有模运算 运算结果超过模的部分会被运算器自动丢弃 三种编码之间的转换关系 63 特殊数10000000 表示 该数在原码中定义为 0 10000000 在反码中定义为 127 11111111各位反 在补码中定义为 128 11111111 1 对无符号数 10000000 128 27 64 表1 38位二进制编码 P16 二进制数码表示无符号二进制数原码反码补码000000000 0 0 0000000011 1 1 1000000102 2 2 2 01111110126 126 126 12601111111127 127 127 12710000000128 0 127 12810000001129 1 126 12710000010130 2 125 126 11111110254 126 1 211111111255 127 0 1 65 8位有符号数的表示范围 原码 127 127反码 127 127补码 128 127想一想 16位有符号数的表示范围是多少 66 4 二进制数补码的运算 1 补码加法2 补码减法3 溢出 溢出与补码运算有关 67 补码加减法的运算规则 通过引进补码 可将减法运算转换为加法运算 规则如下 X Y 补 X 补 Y 补 X Y 补 X 补 Y 补其中X Y为正负数均可 符号位参与运算 68 例 X 0110100 Y 1110100 求 X Y 补 X 原 10110100 X 反 11001011 X 补 X 反 1 11001100 Y 补 Y 原 01110100所以 X Y 补 X 补 Y 补 11001100 01110100 1 01000000 进位 丢掉 69 符号数运算中的溢出问题 进 借 位 在加法过程中 符号位向更高位产生进位 在减法过程中 符号位向更高位产生借位 溢出 运算结果超出运算器所能表示的范围 8位的原码 127 127反码 127 127补码 128 127 范围 70 符号数运算中的溢出问题 溢出 运算结果超出运算器所能表示的范围 例题如果机器长度是8位 计算 64 65 64 65 129 01000000 0100000110000001 127 因为8位补码范围是 128 127 而 64 65 129超出了能表示的最大值 产生了溢出 71 例 有符号数运算 有溢出表示结果是错误的无符号数运算 有进位表示结果是错误的 10110101 10001111101000100 01000010 0110001110100101 01000010 11001101100001111 CASE1 CASE2 CASE3 结果是正 结果是负 结果正 错 如果只有8位是错误的 如果有进位设置用9位是正确的 72 定点数由于定点位置不同 一般又分为两种情况 对于整数 小数点约定在最低位的右边 称为定点整数 对于纯小数 小数点约定在符号位之后 称为定点小数 浮点数如果要处理的数既有整数部分 又有小数部分 则采用定点数会遇到麻烦 为此可以采用浮点数 即小数点的位置不固定 1 2 3浮点数基本概念 73 1 浮点数十进制中例如 83 125可写成102 0 83125 二进制数 110 011可以表示为X 110 011 1 10011 2 10 0 110011 2 11 11001 1 2 102 浮点机器数 阶码和尾数组成 74 阶码 是指数 只能是一个带符号的整数 如 11 表示浮点的范围尾数 是纯小数 表示数值的有效部分 精度 X 0 1011 2 11 尾数 阶码 阶符为正0 阶码是3 尾符为正0表示整个数的符号 1011 75 1 2 4十进制编码 一 十进制数的表示 BCD码用4位二进制数表示一位十进制数 有两种表示法 压缩BCD码非压缩BCD码 76 1 压缩的BCD码压缩BCD码每一位用4位二进制表示 0000 1001表示0 9 一个字节表示两位十进制数 这种BCD码通常也称为8421BCD码 后面所讲的主要是这种码的运算 77 1 压缩的BCD码例题 57 3的BCD码解 57 301010111 0011得 57 3 10 01010111 0011 BCD压缩BCD码一个字节表示两位十进制数45的BCD书写 01000101一个8位 78 2 非压缩的BCD码非压缩BCD码用一个字节表示一位十进制数 高4位总是0000 低4位的0000 1001表示0 9 例如 45的非压缩BCD码 0000010000000101 79 3 BCD码的加减运算1 对于和小于9的BCD码运算不需修正 例题 BCD码计算4 50100 01011001 80 3 BCD码的加减运算2 对于和大于9的BCD码运算需修正 用BCD码完成十进制数运算的和大于9应该进位 而计算机运算器按二进制相加减 4位二进制加减是以 逢十六进一 的原则那么对于 逢十进一 就差6 必须进行修正 81 3 BCD码的加减运算2 对于和大于9的BCD码运算需修正 由于 逢十进一 就差6 加进行6修正 例1 21 BCD码计算5 7 例1 22 8 9 0101 01111100结果大于9错 0110修正加610010得12正确 1000 100110001结果大于9错 0110修正加610111得17正确 82 计算机中除了能够处理数值数据以外 还可以处理文字 语音 图像等各种信息 这些信息统称为非数值数据 非数值数据在计算机中也要以二进制形式表示 最常用的数据编码 美国标准信息交换代码 AmericanStandardCodeforInformationInterchange ASCII码 见下页ASCII编码表 教材中的附录A 二 非数值数据的表示 83 ASCII码 美国标准信息交换代码P22 84 ASCII码的几个特点 采用7位二进制代码对字符进行编码数字0 9的编码是0110000 0111001 它们的高3位均是011 后4位正好与其对应的二进制代码 BCD码 相符 英文字母A Z的ASCII码从1000001 41H 开始顺序递增 字母a z的ASCII码从1100001 61H 开始顺序递增 这样的排列对信息检索十分有利 最高位通常总为0 有时也用作奇偶校验位 85 第1章的数据表示与编码难点 补码的概念及其运算有符号数运算的溢出问题 86 作业 一 例题1 1 1 22抄写二 第一章习题 p33 7 11 努力加油 一定能学好