第一章-微型計算機基礎知識

微型計算機原理電氣信息與自動化學院趙基haojiwei111@課程主要內(nèi)容微型計算機的基礎知識；微處理器結構及組成，引腳及時序，尋址方式、指令系統(tǒng)與匯編語言程序設計；半導體存儲器及存儲器管理技術中斷、異常及輸入輸出接口技術微機系統(tǒng)及其操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡課程介紹課程性質：必修，電類專業(yè)（信息工程、電氣工程、自動化、測控技術、應用電子）學科專業(yè)技術基礎基礎課要求：理解計算機硬件工作原理，掌握硬件系統(tǒng)分析和設計技術，須熟練掌握宏匯編語言程序設計技術。學完本課程，可參加全國計算機III級考試以及考研。教材微型計算機原理姚燕南、薛鈞義主編姚向華、歐文編著高等教育出版社適合學時：60~70第一章微型計算機基礎知識

第一章微型計算機基礎知識

1.1計算機中的數(shù)制和編碼系統(tǒng)

1.計算機中的數(shù)制權：處在不同位置上的數(shù)字所代表的值不同，一個數(shù)字在某個固定位置上所代表的值是確定的，這個固定位上的值稱為位權?；鶖?shù)：相鄰兩位中高位的權與低位的權之比若為常數(shù)，則稱之為基數(shù)。

十進制(Decimal)、二進制(Binary)、計算機中常用的其他進制 八進制(Octal)、十六進制(Hexadecimal)一個小小的問題Oct-這個詞根代表8；Dec-這個詞根代表10為什么October不是八月而是十月？為什么

December不是十月而是十二月？因為插入了七月和八月July源於凱撒(JuliusCaesar)之名，凱撒原是一位有名的羅馬將領，後來當了羅馬皇帝。在這之前就有曆法，那時是以March為一年的開端，而July是第十五個月；到了凱撒當皇帝便修改曆法，將一年的開始訂為January，而將July提升到第七位，這個改變一直沿用至今。

凱撒大帝之後，他的兒子奧古斯都(Augustus)繼承王位，人們尊稱他為Augustus，其意義乃代表高貴(Noble)，於是他學凱撒將他的幸運月，以自己的封號命名。數(shù)制之間的轉換（10-2）整數(shù)的轉換可采用除2取余倒寫，即把要轉換的十進制數(shù)的整數(shù)部分不斷除以2，并記下每次除所得余數(shù)，直到商為0為止，將所得余數(shù)，從最后一次除得余數(shù)讀起，就是這個十進制整數(shù)所對應的二進制整數(shù)。小數(shù)部分的轉換采用乘2取整順寫，被轉換的小數(shù)部分，每次相乘后，所得乘積的整數(shù)部分就為對應的十進制數(shù)，將所得小數(shù)從第一次乘得整數(shù)讀起，就是這個十進制小數(shù)所對應的二進制小數(shù)。例求（66.625）10的等值二進制數(shù)解先求（66）10的等值二進制數(shù)再求（0.625）10的等值二進制數(shù)0.625×2=1.25010.250×2=0.50000.500×2=1.0001即（0.625）10=（0.101）2所以，（66.625）10=（1000010.101）2這里要說明的是，十進制小數(shù)不一定都能轉換成完全等值的二進制小數(shù)。數(shù)制之間的轉換（2-16，16-2）方法：?2-16：以小數(shù)點為基準，分別向左和向右每4位劃為一組，不足4位用0補，每組用其對應的十六進制數(shù)代替。?16-2：將每位十六進制數(shù)用其對應的4位二進制數(shù)代替。?例：11110.01B=00011110.0100B

=1E.4H7D.2H=01111101.0010B第一章微型計算機基礎知識

1.1計算機中的數(shù)制和編碼系統(tǒng)

2.計算機中信息的編碼表示十進制數(shù)的二進制表示（BCD）?BCD碼：（BinaryCodedDecimal）?也稱為8421碼。?例：?BCD碼：（1001000101010011.00100100B）表示的是（9153.24）D漢字的二進制編碼表示

ASCII碼字母與數(shù)字的二進制編碼表示?ASCII碼：AmericanStandardCodefor

InformationInterchange?7bitASCII碼表示128種字符；?8bitASCII碼含一位奇偶校驗位；第一章微型計算機基礎知識

1.2微型計算機中的數(shù)據(jù)類型

1.常用數(shù)據(jù)類型 帶符號整數(shù)、無符號整數(shù)、BCD數(shù)、字符串、位、浮點數(shù)數(shù)據(jù)在內(nèi)存儲器中的存儲方式 bit–Byte–Word–Dword（內(nèi)存中按Byte存儲）例：內(nèi)存中存數(shù)據(jù)1234Hmm+1m+2m-1第一章微型計算機基礎知識

1.2微型計算機中的數(shù)據(jù)類型

1.常用數(shù)據(jù)類型

整數(shù)無符號數(shù):全部位用來表示數(shù)，MSB：31、15、7；LSB：0

帶符號整數(shù):MSB：用來表示符號位原碼：最高位表示數(shù)的符號，其余各位表示數(shù)值本身。補碼：以2n為模（n為二進制數(shù)位數(shù)），它的補碼叫做2補碼，簡稱補碼。移碼

移碼是在數(shù)的真值上加一個偏移量

原碼：

正數(shù)的原碼表示

X=+Xn-2Xn-3…X1X0(n-1位二進制正數(shù))， 則[X]原=0Xn-2Xn-3…X1X0(最高位為符號位)。

負數(shù)的原碼表示

X=—Xn-2Xn-3…X1X0(n-1位二進制負數(shù))

則[X]原=1Xn-2Xn-3…X1X0=2n-1+Xn-2Xn-3…X1X0 =2n-1–(–Xn-2Xn-3…X1X0)=2n-1–X

零的原碼表示

[+0]原

=000…00B [–0]原

=100…00B

當X≥+0時，[X]原=X

當X≤–0時，[X]原=2n-1–X

Eg:X=+105[X]原=01101001X=-105[X]原=11101001第一章微型計算機基礎知識

1.2微型計算機中的數(shù)據(jù)類型

1.常用數(shù)據(jù)類型

整數(shù)

反碼?正數(shù)反碼：表示與原碼相同，最高位“0”表示正，其余位為數(shù)值位。?負數(shù)的反碼：表示為負數(shù)原碼的符號位不變尾數(shù)按位取反。

例:X=+4[X]反=0

0000100

X=-4

[X]反=11111011補碼

：

補碼的定義

正數(shù)的補碼：與原碼相同，(最高位用“0”表示正，其余位為數(shù)值位。)?

負數(shù)的補碼：它的反碼+1。?[X]補=X(

0=<X<=2n-2

)?[X]補=2n+X(-2n-2=<X<=0)補碼的求法

：利用原碼求補、直接求補例：?[+127]原=01111111[+0]原=00000000?[-127]反=10000000[-0]反=11111111?[-127]補=10000001[-0]補=00000000第一章微型計算機基礎知識

1.2微型計算機中的數(shù)據(jù)類型

1.常用數(shù)據(jù)類型

整數(shù)

補碼的求法

例1.1試用直接求補碼法求X1=-1010111B及X2=-1110000B的補碼解：X1=-1010111B[X1]原=11010111B由原碼求補碼： [X1]補

=10101001B

X2=-1110000B[X2]原

=11110000B

由原碼求補碼：[X2]補

=10010000B

符號位不變?nèi)》吹谝粋€1不變符號位不變?nèi)》吹谝粋€1及其后邊各位不變第一章微型計算機基礎知識

1.2微型計算機中的數(shù)據(jù)類型

1.常用數(shù)據(jù)類型

整數(shù)

帶符號數(shù)的運算原碼：

運算完全類同于正負數(shù)的筆算。

補碼： 使符號位與數(shù)一起參加運算； 將減數(shù)變補與被減數(shù)相加來實現(xiàn)減法，即

[X±Y]補

=[X]補

+[±Y]補

│X│、│Y│、│X+Y│<2n-1補碼的意義：?1將減法用加法實現(xiàn)，省去減法器，簡化硬件。?2無符號數(shù)及帶符號數(shù)加減運算用同一電路完成。第一章微型計算機基礎知識

1.2微型計算機中的數(shù)據(jù)類型

1.常用數(shù)據(jù)類型

整數(shù)

帶符號數(shù)的運算-補碼例1.2用補碼進行下列運算(設n=8)：

①（+18）+（-15）②（-18）+（-11）

解：①00010010B[+18]補

+11110001B[-15]補

100000011B[+3]補

↑↑

最高位（符號位）為0，結果為正

符號位的進位，丟掉。②

11101110B

[-18]補

+11110101B

[-11]補

111100011B

[-29]補

↑↑

最高位（符號位）為1，結果為負

符號位的進位，丟掉。第一章微型計算機基礎知識

1.2微型計算機中的數(shù)據(jù)類型

1.常用數(shù)據(jù)類型

整數(shù)

帶符號數(shù)的運算-補碼例1.3用補碼進行下列運算（設n=8）：

①96-19；②（-56）-（-17）解：①X=96,Y=19,則

[X]補

=[X]原

=01100000B[Y]補

=[Y]原

=00010011B[-Y]補

=11101101B01100000B[X]補

+11101101B[-Y]補

01001101B [X-Y]補

= [X-Y]原

=+77

符號位為0，結果位正。②X=-56，Y=-17，則

[X]原

=10111000B[X]補

=11001000B[Y]原

=10010001B[Y]補

=11101111B[-Y]補=00010001B11001000B[X]補

+00010001B[-Y]補

11011001B=[X-Y]補符號位為1，結果為負數(shù)的補碼，可對[X-Y]補再求補，得[X-Y]原

=10100111B。

第一章微型計算機基礎知識

1.2微型計算機中的數(shù)據(jù)類型

1.常用數(shù)據(jù)類型

整數(shù)

補碼運算過程?1、求出X和±Y的補碼?2、再將求補后的數(shù)相加，[X]補+[±Y]補?3、相加的結果求補碼就是兩數(shù)運算的結果。無符號數(shù)的運算

X≥Y,則二者直接相減時無借位，差值為正，X+[Y]變補的和必大于2n,最高位有進位，得到的和為正數(shù)[X—Y]的補碼。它等于[X—Y]原。

X<Y,則二者直接相減時有借位，差值為負，但X+[Y]變補的和必小于2n,最高位無進位，得到的和為負數(shù)[X—Y]的補碼。

第一章微型計算機基礎知識

1.2微型計算機中的數(shù)據(jù)類型

1.常用數(shù)據(jù)類型

整數(shù)

溢出判別

正常溢出非正常溢出 正溢出 負溢出雙高位判別法

Cs：它表征最高位（符號位）的進位（對加法）或借位（對減法）情況。Cp：它表征數(shù)值部分最高位的進位（對加法）或借位（對減法）情況。

CsCp=

00；11

無溢出

01；

結果正溢出

10；

結果負溢出第一章微型計算機基礎知識

1.2微型計算機中的數(shù)據(jù)類型

1.常用數(shù)據(jù)類型

整數(shù)

算數(shù)移位

對于正數(shù)，左移或右移時空位都補以0。

補碼法表示的負數(shù)，左移時最低位補以0，右移時最高位補以1。

有關0的問題

原碼表示法中出現(xiàn)+0和-0，而補碼和移碼沒有。第一章微型計算機基礎知識

1.2微型計算機中的數(shù)據(jù)類型

1.常用數(shù)據(jù)類型

整數(shù)

字符串

包括字節(jié)串、字串和雙字串

位及位串

位偏移量：一個位在位串中的地址，由字節(jié)地址和余數(shù)組成。組合BCD數(shù)、分離BCD數(shù)組合BCD數(shù)：一個字節(jié)表示2位BCD數(shù)分離BCD數(shù)：一個字節(jié)只能用低4位表示BCD數(shù)，高4位為0。第一章微型計算機基礎知識

1.2微型計算機中的數(shù)據(jù)類型

1.常用數(shù)據(jù)類型第一章微型計算機基礎知識

1.3計算機的基本結構及其整機工作原理

1.簡化計算機的基本結構概述

圖1.11簡化計算機的結構框圖

運算器存儲器控制器輸入設備輸出設備運算器的結構和功能算術邏輯部件ALU（ArithmeticLogicUnit）累加器AL(Accumulator)操作數(shù)暫存器OTR(OperandTempraryRegister)標志寄存器Flags第一章微型計算機基礎知識

1.3計算機的基本結構及其整機工作原理

1.簡化的計算機基本結構控制器的結構和功能控制器的結構 程序計數(shù)器(ProgramCounter)或指令指針(InstructionPointer)、指令寄存器(InstructionRegister)、指令譯碼器(InstructionDecode)、內(nèi)存地址寄存器(MemoryAddressRegister)、定時與控制部件(TimingandControl)指令、程序和指令系統(tǒng)控制器的功能第一章微型計算機基礎知識

1.3計算機的基本結構及其整機工作原理

1.簡化的計算機基本結構操作碼地址碼內(nèi)存儲器的結構及工作原理圖1.12簡化計算機的內(nèi)存儲器結構第一章微型計算機基礎知識

1.3計算機的基本結構及其整機工作原理

1.簡化的計算機基本結構1011011038F04H內(nèi)存地址單元內(nèi)容第一章微型計算機基礎知識

1.3計算機的基本結構及其整機工作原理

2.計算機的整機工作原理

MOVAL,[90H];內(nèi)存單元90H的內(nèi)容送累加器ALADDAL,[91H];內(nèi)存單元91H的內(nèi)容與累加器內(nèi)容相加，和送累加器

HLT;暫停

地址 內(nèi)容（指令碼或操作數(shù)） 對應的指令助記符或操作數(shù)說明

00H 10001110B MOVAL,[90H] 01H 10010000B 02H 00010101B ADDAL,[91H] 03H 10010001B 04H 11110100B HLT

… … 90H 01000011B 被加數(shù)

91H 00100001B 加數(shù)第一章微型計算機基礎知識

1.3計算機的基本結構及其整機工作原理

2.計算機的整機工作原理第一條指令MOVAL,[90H]的執(zhí)行過程控制信號

ALU(8)

內(nèi)部數(shù)據(jù)總線（8）

I/O接口電路鍵盤CRT顯示器①(PC)=01HPC(8)

存儲器256×8位地址內(nèi)容(數(shù)據(jù))

地址譯碼器

數(shù)據(jù)緩沖寄存器00H

01H90H

控制電路

TCFLAGS(8)

DB

AB

②選中00H

單元。

③(00H)=8EH

經(jīng)DB送IR。

8EH90H

43H

①(PC)=00H,

經(jīng)AB送存儲器。

MAR(8)

ID

IR(8)

AL(8)OTR(8)

DR(8)

⑤8EH譯碼信號送TC。

④(IR)=8EH,

送ID譯碼。第二條指令ADDAL,[91H]的執(zhí)行過程

第一章微型計算機基礎知識

1.3計算機的基本結構及其整機工作原理

2.計算機的整機工作原理①(PC)=02H

①(PC)=01H經(jīng)AB送存儲器?？刂齐娐?/p>

ABDB②選中01H單元。④選中90H單元地址譯碼器

數(shù)據(jù)緩沖寄存器

I/O接口電路鍵盤CRT顯示器

MAR(8)

內(nèi)部數(shù)據(jù)總線(8)存儲器256×8位地址內(nèi)容(數(shù)據(jù))

00H01H

90H

8EH90H

43H

③(01H)=90H，經(jīng)DB送MAR。

⑤90H)=43H,

經(jīng)DB送AL。

PC(8)

ID

IR(8)

控制信號（用來控制該指令的執(zhí)行）

TC接收8EH譯碼信號后，產(chǎn)生一系列按時

TC間順序排列的控制信號，并按圖中五個步驟完成該指令的執(zhí)行。

ALU(8)

OTR(8)AL(8)

⑤(AL)=43H。

FLAGS(8)DR(8)第三條指令HLT