第一章微機原理

主講教師：張榮標

微型計算機原理第一章微型計算機基礎(chǔ)

1.1計算機中的數(shù)制與碼制1.1.1計算機中的數(shù)制1、數(shù)的位置表示法設(shè)待表示的數(shù)為N．則式中X為基數(shù)ai為系數(shù)（0<ai<X－l）m為小數(shù)位數(shù)n為整數(shù)位數(shù)為什么要采用二進制數(shù)？例1-1（1）二進制數(shù)10011.11B=1×24＋0×23＋0×22＋1×21＋1×20＋1×2-1＋1×2-2=19.75（2）八進制數(shù)7345.6Q=7×83＋3×82＋4×81＋5×80＋6×8-1=3813.75（3）十六進制4AC6H=4×163＋10×162＋12×161＋6×160=191422、數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換（1）任意進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)

對二進制、八進制和十六進制以及任意進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)可采用表達式（1.1）展開求和實現(xiàn)。（2）二進制、八進制和十六進制數(shù)之間轉(zhuǎn)換一位八進制數(shù)相當于三位二進制教；一位十六進制數(shù)相當于四位二進制數(shù)。它們之間的轉(zhuǎn)換十分方便。例1-2二進制轉(zhuǎn)換成八進制和十六進制數(shù)1101100101100011B=154543Q=D963H（3）十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)當十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)時，須將整數(shù)部分和小數(shù)部分分開。整數(shù)常采用“除2取余法”，而小數(shù)則采用“乘2取整法”。

十進制整數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制整數(shù)轉(zhuǎn)換方法是除2取余，直到商等于零為止，逆序排列余數(shù)即可。對數(shù)值比較大的十進制數(shù)進行轉(zhuǎn)換時，可采用先將十進制整數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進制整數(shù)，然后再將十六進制整數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制整數(shù)。十進制整數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進制整數(shù)的方法是除16取余，直到商等于零為止，逆序排列余數(shù)。

十進制小數(shù)一定能用有限的二進制小數(shù)來精確地表示嗎？十進制小數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制小數(shù)1、原碼1.1.2計算機中的碼制及補碼運算例1-5設(shè)機器字長為n=8時，試求+0、+6、+127、-0、-6、-127的原碼解：[+0]原=00000000[-0]原=10000000[+6]原=00000110[-6]原=10000110[+127]原=01111111[-127]原=11111111正數(shù)：原碼與相應(yīng)的二進制數(shù)完全相同；負數(shù)：二進制數(shù)的最高位一定是“1”，其余各位是該數(shù)的絕對值。零：有正零和負零之分。原碼表示法最大優(yōu)點：簡單直觀，但不便于加減運算。2、反碼3、補碼減法運算變成了加法運算：3+10=1（時針經(jīng)過12點時自動丟失一個數(shù)12）相當于3-2=3+(-2)=110與-2有什么關(guān)系？自動丟失的一個數(shù)12是什么？數(shù)學(xué)上把12這個數(shù)叫做“?！?0是（－2）對模12的補碼在模12的條件下，負數(shù)就可以轉(zhuǎn)化為正數(shù)，而正負數(shù)相加也就可以轉(zhuǎn)化為正數(shù)間的相加。補碼的概念：4、偏移碼偏移碼主要用于模／數(shù)轉(zhuǎn)換過程中，若被轉(zhuǎn)換數(shù)需參加運算，則仍要轉(zhuǎn)換為補碼。設(shè)機器字長為n，數(shù)x的移碼為[x]移，則移碼的定義如下：

（1．5）例1-8設(shè)機器字長為n=8時，試求-128、0、+127的移碼。解：[-128]移=00000000[0]移=10000000[+127]移=111111115、補碼運算在計算機中帶符號二進制數(shù)通常采用補碼形式表示。補碼有兩個主要特點：一是可以使符號位與數(shù)一起參加運算；二是將兩數(shù)相減變?yōu)闇p數(shù)變補后再與被減數(shù)相加來實現(xiàn)。加法規(guī)則：[X+Y]補=[X]補＋[Y]補減法規(guī)則：[X-Y]補=[X]補＋[-Y]補其中，[-Y]補稱作變補運算，可以用[Y]補再作一次求補運算即可得到。

例1-9X=64-12=52（字長為8位）[X]補=[64]補十[-12]補[64]補=01000000B[-12]補=11110100B01000000＋11110100100110100

自然丟失由于字長為8位，最高有效位的進位自然丟失。其結(jié)果為（52）10的補碼計算機中為什么采用補碼進行加、減運算？6、溢出判別

X=-34-98=-132（字長為8位）[X]補=[-34]補+[-98]補[-34]補=11011110B[-98]補=10011100B11011110＋10011100101111010丟失微型機中常用的溢出判別法：雙高位判別法Cs：如最高位（符號位）有進位，CS=1，否則，CS=0。CP：如次高位有進位，CP=1，否則，CP=0。判別法則：無溢出：若最高位進位Cs和次高位進位Cp相同同為0或同為1有溢出：Cs和Cp相異。當CS⊕Cp=1時，表示有溢出產(chǎn)生，否則無溢出產(chǎn)生正溢出：CS=0，CP=1負溢出：CS=1，CP=01.1.3計算機中的小數(shù)點問題1、定點表示法小數(shù)點在數(shù)中的位置是固定不變的，通常有兩種，即定點整數(shù)和定點小數(shù)。2、

浮點表示法將二進制數(shù)N表示成如下形式：N=±S×2±J

（1.6）該表達式在計算機中表示為：S：稱作尾數(shù)，表示全部的有效數(shù)字，一般以純小數(shù)表示；Sf：尾符，即浮點數(shù)的符號；J：階數(shù)，它與階符一起來決定小數(shù)點的實際位置；Jf階符，即階數(shù)符號；例1-12若用一個16位二進制表示浮點數(shù)，其中階符尾符各占一位，階數(shù)占5位，尾數(shù)占9位，試寫出10110.101B的具體格式。解：設(shè)尾數(shù)以純小數(shù)表示，則10110.101B=0.10110101×可得S=101101010Sf=0J=00101Jf=0在計算機中的表示形式為：浮點數(shù)應(yīng)用中必須注意兩個問題：⑴浮點數(shù)的規(guī)格化規(guī)格化的浮點數(shù)可以保留最多的有效數(shù)字。浮點數(shù)規(guī)格表示結(jié)果如下：對浮點二進制正數(shù)，其尾數(shù)數(shù)字部分的最高位必須是1。對浮點二進制負數(shù)，其尾數(shù)數(shù)字部分的最高位必須是0。⑵浮點數(shù)的對價原則在運用浮點數(shù)進行加減時，兩數(shù)的階碼必須取得一致，否則不能進行加減運算，對階原則如下：a.以大的階碼為準對階。b.對階后數(shù)的大小不變（在精度允許范圍內(nèi)），對階規(guī)則是：階碼每減少1，尾數(shù)向左移一位，階碼每增加1，尾數(shù)向右移一位。定點與浮點表示法各有哪些優(yōu)缺點？1.1.4計算機中信息的編碼信息編碼：十進制數(shù)的二進制編碼、字符信息的編碼和漢字編碼。1、十進制數(shù)的二進制編碼由四位二進制數(shù)來表示一位十進制數(shù)。稱作BCD碼

（1）8421碼：四位二進制數(shù)的權(quán)分別為8、4、2、1的BCD碼324.6對應(yīng)的8421BCD碼是001100100100.0110

（2）2421碼：四位二進制數(shù)的權(quán)分別為2、4、2、1的BCD碼，724.6對應(yīng)的2421BCD碼是110100100100.1100（3）余3碼：將8421碼加上0011。余3碼也是一種自補碼，對各位取反就得到它的9補碼。825.7對應(yīng)的余3碼是101101011000.10102、字符信息的編碼字母、數(shù)字和符號等各種字符按特定的規(guī)則用二進制編碼在計算機中的表示。在微型機中表示字符的常用碼制是ASCII碼，它是美國信息交換標準碼（AmericanStandardCodeforInformationInterchange）它能用6位、7位或8位二進制數(shù)對字符編碼。7位ASCII碼可表示128種字符，它包括52個大、小寫字母、0—9十個數(shù)字和控制符號8位ASCII碼是在7位ASCII碼基礎(chǔ)上加一個奇偶校驗位而構(gòu)成。奇偶校驗碼，是對每一組二進制編碼配置一個二進制位（稱為奇偶校驗位），通過將該位置“0”或置“1”而使每組二進制編碼中“1”的個數(shù)為奇數(shù)（即形成奇校驗碼）或偶數(shù)（即形成偶校驗碼）。奇偶校驗碼中，校驗位只用來使每組二進制編碼“1”的個數(shù)具有奇偶性3、漢字編碼漢字編碼的類型有四種：外部碼、內(nèi)部碼、交換碼和輸出碼。（1）外部碼每個漢字對應(yīng)一個外部碼。對同一個漢字不同的輸入方法其外部碼也不相同。目前外部碼大致可分為四種類型：數(shù)字碼、音碼、形碼和音形碼。（2）內(nèi)部碼每個漢字對應(yīng)一個內(nèi)部碼。同一漢字的內(nèi)部碼是唯一的。內(nèi)部碼通常反映了漢字在字庫中的位置。（3）交換碼用于計算機之間或計算機與終端之間交換信息。該標準編碼字符集共收錄漢字和圖形符號7445個。（4）輸出碼同一漢字的輸出碼因選擇點陣的不同而異。目前常用的漢字點陣有：16×16、24×24、32×32、40×40、48×48、64×64、72×72、96×96、108×108等。1.2微型計算機的組成

1.2.1微型計算機的結(jié)構(gòu)微處理器、微型計算機、微型計算機系統(tǒng)的含義和它們之間的關(guān)系。

算邏運算器累加器寄存器控制器內(nèi)部總線內(nèi)外存儲器系統(tǒng)總線I/O接口微型計算機系統(tǒng)微處理器外圍備設(shè)系統(tǒng)軟件微型計算機圖1.1微處理器、微型計算機和微型計算機系統(tǒng)三者關(guān)系1、微處理器CPU：算術(shù)與邏輯運算部件、控制器部件、累加器與寄存器和內(nèi)部總線4部分組成圖1.2微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖ALU通用寄存器堆累加器指令寄存器指令譯碼器定時與控制電路I/O信號……存儲器寫存儲器讀等待中斷請求時鐘復(fù)位I/O寫I/O讀堆棧指示器程序計數(shù)器地址寄存器地址緩沖器地址總線內(nèi)部總線數(shù)據(jù)總線標志寄存器數(shù)據(jù)鎖存器／緩沖器2、微型計算機 微型計算機：CPU、存儲器、輸入和輸出接口電路和系統(tǒng)總線AB地址總線DB數(shù)據(jù)總線CB控制總線3、微型計算機系統(tǒng)微型計算機、系統(tǒng)軟件和外設(shè)

存儲器I/O接口CPU圖1.3微型計算機

微型計算機的總線可分為兩級：①內(nèi)總線微處理器芯片內(nèi)部的總線，由它實現(xiàn)微處理器內(nèi)部各功能單元電路之間的相互聯(lián)接。②外總線三總線結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線數(shù)據(jù)總線DB用來在CPU和其它部件間傳送信息。三態(tài)、雙向。地址總線AB用于傳送CPU要訪問的存儲單元或I/O接口的地址信號。單向、三態(tài)。控制總線CBCPU向其它部件傳送控制信號，以及其它部件向CPU傳送狀態(tài)信號及請求信號的一組通信線。

1.2.2個人臺式計算機的硬件構(gòu)成實例圖1.4個人臺式計算機的外觀組成

圖1.5主機的內(nèi)部組成圖1.6主板的組成1、主板2、中央處理器CPU圖1.7CPU

3、內(nèi)存儲器圖1.8內(nèi)存條

4、外存儲器外存儲器包括硬盤、軟盤、光驅(qū)等設(shè)備。（1）硬盤圖1.9硬盤（2）軟盤圖1.10軟盤驅(qū)動器

（3）光盤存儲器

圖1.11光盤驅(qū)動器

5、顯示卡、聲卡、網(wǎng)卡圖1.12顯示卡圖1.12顯示卡

6、顯示器、鼠標、鍵盤、機箱1.3計算機的基本工作原理

1.3.1模型計算機1、模型計算機CPU的結(jié)構(gòu)圖1.13模型計算機的CPU結(jié)構(gòu)

J2I2ALUF內(nèi)部數(shù)據(jù)總線ABPCARPLAIDDRCPU3E485F876AC5123E00AB5EE6ABDB存儲器IR2、模型計算機的存儲器結(jié)構(gòu)及其操作

地址寄存器AR定為8位，可尋址256個單元，模型計算機存儲器由256個單元組成。圖1.14模型計算機的存儲器結(jié)構(gòu)

地址譯碼器00單元01單元02單元┇┇FF單元000102FF地址單元內(nèi)容ABCBDBI/O緩沖器控制邏輯

存儲器中的兩種操作：讀操作和寫操作。

（1）讀操作

圖1.15存儲器讀操作示意圖

地址譯碼器0單元內(nèi)容3EH┇┇FF單元內(nèi)容02控制邏輯地址單元內(nèi)容AB讀信號DB023EHI/O緩沖器（2）寫操作

圖1.16存儲器寫操作示意圖

寫信號地址譯碼器0單元內(nèi)容┇┇FF單元內(nèi)容I/O緩沖器03地址單元內(nèi)容ABDB030FH0FH控制邏輯3、總線4、模型計算機的指令與指令系統(tǒng)指令：計算機能實現(xiàn)的各種基本操作，我們把每一種基本操作用命令的形式來表示。指令系統(tǒng)：計算機所能執(zhí)行的全部指令。程序：把人的操作意圖經(jīng)分解后，用對應(yīng)于所規(guī)定的指令系統(tǒng)的一串指令序列來描述。指令通常分成操作碼（Opcode，即Operationcode）和操作數(shù)（Operand）兩大部分。操作碼：表示計算機執(zhí)行什么操作；操作數(shù)：指明參加操作的數(shù)本身或操作數(shù)所在的地址。1.3.2程序運行過程1、程序的編寫與存放

用模型計算機來完成一個簡單的計算，假設(shè)要把15H與25H相加，運算結(jié)果送到16H存儲單元，然后停機。首先用助記符進行編程MOVB，15HMOVA，25HADDA，BMOV[16H]，AHLT2、程序的運行過程CPU的執(zhí)行過程取出指令執(zhí)行指令兩個階段的循環(huán)在開始執(zhí)行程序時，PC自動設(shè)置為00H，這樣就自然地進入程序第一條指令的取指階段，具體過程如下：1）第一條指令的取指階段J2I2ALUF內(nèi)部數(shù)據(jù)總線AB00PLAID01H01HCPU01H15H00H25H03H02H16H3E04H

DB存儲器PC00+1AR……DRIR②①AB③④⑤⑥⑦

讀圖1.18取第一條指令的操作示意圖

2）第一條指令的執(zhí)行階段J2I2ALUF內(nèi)部數(shù)據(jù)總線A15H01PLAIDIR15HCPU01H15H00H25H03H02H16H3E04H

DB存儲器PC01+1AR……DR②①AB④⑤⑥⑦③B

讀圖