第1章微型计算机的基础知识

微机原理及应用北京科技大学信息工程学院本章主要的内容是介绍微型计算机基本知识（1）微型计算机的功能组成及工作原理（2）微处理器的内部组成以及指令执行过程（3）微型计算机系统中数据的编码方式（4）微型计算机系统中的数值运算。第1章微型计算机的基本知识重点掌握和理解的知识（1）重点掌握微处理器的组成原理和工作过程（2）重点掌握计算机系统中数值的编码方式及相关的概念（3）掌握微型计算机的系统组成结构，掌握相关的技术指标（4）掌握字符的编码方法（5）掌握计算机系统中的数的运算方法（6）了解BCD码和溢出等基本概念冯∙诺依曼原理采用二进制代码表示数据程序存储由运算器存储器控制器和输出输入设备等功能单元组成冯∙诺依曼原理计算机的基本工作原理在计算机内部使用二进制数；即用二进制数码表示数据和指令、程序数据、指令都必须最终转换为二进制数码在物理上，必须使用有两个稳定物理状态的介质，存储记录二进制数码程序存储是诺依曼原理的核心事先确定计算机应进行的操作和该操作所需要的有关数据将数据和处理数据的程序(指令)共同存入计算机计算机“获得了”运算所需要的“知识”和“方法”计算机将在该程序的控制下，“自动”地工作冯氏体系结构的计算机基本组成存储数据和程序指令将二进制代码转换为相应的源信息形式；输出数据信息存储器输入设备运算器控制器输出设备识别并分析指令；向相关功能组件发送操作指令；实现程序控制；协调各部工作；是计算机的控制中心将原始数据和程序输入到计算机内部；转换成为二进制代码算术运算逻辑运算比较运算字符运算等等微型计算机的结构特点•微型计算机是计算机家族中一个特殊成员；遵从计算机的组成原理；具有三个显著特点：•微型计算机以主板作为硬件组件的“集成平台”•微型计算机采用总线结构，连接各硬件组件，传送各种数据信号•微型计算机将运算器和控制器集成在一个芯片上，称为微处理器，即CPU微型计算机的基本结构CPU内存I/O接口I/O设备数据总线DB地址总线AB控制总线CB主机微型计算机的概念结构程序与指令的执行过程指令的执行过程LOAD005ADD006SUB007STORE008HALTABC数据寄存器累加器运算器000001002003004005006007008AABA+BCA+B-CA+B-CA+B-C指令的执行过程译码器操作控制器地址寄存器AR累加器暂存器通用寄存器程序计数器PC指令寄存器IR数据寄存器DRCPUALU地址指令或数据内容20CLA21ADDAX,[30]………3000000631……000020000020000021CLACLA000000ADDAX,[30]ADDAX,[30]000006000006000006000006000021000030传送地址读存储器执行运算下条指令地址微型计算机系统的主要性能指标字与字长：计算机在同一时间内能够处理的一组二进制数称为一个计算机的“字”；这组二进制数的位数就称为“字长”；在其他指标相同时，字长越大计算机的处理数据的速度就越快反映了CPU在一次操作中能够处理数据的最大能力以人为例：若计算5×6，则立即可以得到答案是30；但对于55×66，就不容易立即得到正确的答案，这就是说55或66已超出了人脑的“字长”这时为了得出结果，就必须把复杂的问题分解成易于处理的问题（将55×66可分解为50×60，50×6，5×60，5×6），然后再综合起来，得出结果微型计算机系统的主要性能指标主存容量：主存贮器所能存贮的信息总量为主存容量；表示主存容量有两种方法：用字节数表示；如64KB；1MB用存储单元数×字长表示：128K*8；256M*16微型计算机系统的主要性能指标主频：主时钟信号的频率称为计算机主频，用于协调各硬件组件操作；决定着计算机的处理速度，频率越高，处理速度越快；一般用MHz或GHz来描述运算速度(平均运算速度)：指每秒钟所能执行的指令条数；一般用“百万条指令/秒”来描述计算机中的数制及其编码内容介绍计算机中的常用数制及特点计算机中的数据编码计算机中数值型数据的表示方法数制的意义按进位的原则进行计数，称为进位计数制，简称“数制”数制的三要素及意义进位基数R：逢R进一数码(或称为数符)：使用那些字符表示数位权：一个数字在某个固定位置时的值基数R的意义:数码有R种可能的取值“逢R进一”小数点右移一位相当于乘R反之相当于除以R数的展开式重要约定：整数部分的最低为称为第0位123456.123＝1*105+2*104+3*103+4*102+5*101+6*100+1*10－1+2*10－2+3*10－3计算机中常用进制数进制数码进位基数R位权标记十进制0-9逢十进一以10为底的幂D二进制0，1逢二进一以2为底的幂B十六进制0-9，A-F逢十六进一以16为底的幂H八进制0-7逢八进一以8为底的幂O或Q1A4E2F.1C8H＝1*165+A*164+4*163+E*162+2*161+F*160+1*16－1+C*16－2+8*16－3二进制的运算规则算术运算加0+0=01+0=0+1=11+1=10(有进位)减0-0=01-0=11-1=00-1=1(有借位)乘0*0=00*1=1*0=01*1=1除0/1=01/1=1逻辑运算与0∧0=00∧1=01∧0=01∧1=1或0∨0=00∨1=11∨0=11∨1=1非非0为1非1为0异或0⊕0=01⊕1=00⊕1=11⊕0=1二进制数算术运算举例二进制数逻辑运算举例例如：a=1100，b=0110进行运算：a∨b、a∧b、a、a⊕b1100110011001100∨0110∧0110逻辑非为⊕01101110010000111010逻辑运算按位进行，不同位之间不存在任何联系而算术运算中位之间可能有进位或借位数据在计算机中的表示按冯氏原理，在计算机中，非二进制形式的数据信息必须转换为二进制代码形式不同类型的数据信息的表示方法不同非数值型数据转换为----ASCII码其中的数字字符还可以转换为----BCD码数值型数据转换为----二进制数值ASCII码的规则0的ASCII码?A的ASCII码?a的ASCII码?SP的ASCII码?BCD码—十进制数字字符编码十进制的数字字符可以表示为ASCII码，也可以特殊的表示为BCD码用4位二进制数表示一位十进制数；该4位二进制数码的值与所表示的十进制数的值相同例：5----0101；9----1001；2----0010根据4位二进制数码的位权值，又称为8421码BCD码—十进制数字字符编码十进制数压缩BCD码非压缩BCD码0123……89101112……0000000100100011……10001001000100000001000100010010……00000000000000010000001000000011……0000100000001001000000010000000000000001000000010000000100000010……BCD码的特殊意义在计算机中,一组二进制的代码一般可分为两种意义一种是某字符的编码(称为码)一种是某个数的数值(称为值)值是可以进行运算的,而码则无此意义BCD码既是码—表示阿拉伯数字字符BCD码也是值—表示十进制的数值,可运算数值的二进制表示方法在计算机中，数值的表示比较复杂数值有正数和负数之分将涉及如何表示正负号的问题原码、反码和补码数值有整数和实数之分将涉及小数点的表示问题定点数与浮点数数值的二进制表示问题数值真值机器数无符号数带符号数原码反码补码数值在计算机中的表示形式称为“机器数”真数的符号位被符号化以后就成为“机器数”数值本身的实际值称为“真数”+52=+0110100=00110100符号位数值位（绝对值）-52=-0110100=10110100真值机器数真值与机器数例无符号数与带符号数用二进制数的最高位表示符号，其余的表示数值的大小，则称为带符号数的表示方法；所表示的数就称为带符号数如将全部有效位都用来表示数值的大小，则称为无符号数的表示方法，所表示的数就称为无符号数机器数11001011无符号数，其真值为203带符号数，则真值为-75无符号数与带符号数例带符号数的表示形式在计算机技术中，带符号数可具有三种不同的表示形式原码反码补码原码的意义最高位为符号位，0表示正数，1表示负数；剩余位为数值位其数值位与其对应真值的绝对值数值位相同例：真值：x1=+1010100Bx2=－1010100B机器数：[x1]原=01010100[x2]原=11010100特点：表示简单、直观加减运算复杂原码运算的复杂化问题计算：(+19)+([phone]+00010110可以直接进行计算！但是若计算：(-19)+([phone]+00010110不能直接计算！要保证计算的正确性，需要判断符号是否相同：如果相同，结果符号不变，并进行绝对值相加如果不同，结果取绝对值大的数的符号，并进行绝对值相减原码运算的复杂化问题除原码之外，又引入了“补码”和“反码”的意义补码的意义非同寻常通过补码运算，可以把减法运算变成加法运算；而乘法可以用加法来做，除法可以转变成减法可将符号位一起参与运算原码、反码和补码正数：原码、反码、补码相同符号位为0，数值为对应的二进制数＋109=[01101101]原=[01101101]反=[01101101]补负数：原码符号位为1，数值为绝对值的二进制数－109=[11101101]原反码在原码的基础上，符号位不变，其它各位变反－109=[10010010]反补码在反码的基础上，末位加1－109=[10010011]补数的表示范围◆无符号数一个n位的无符号二进制数X，其表示范围为0≤X≤2n-1一个8位的无符号二进制数，其表示范围为（用十进制表示）0≤X≤28-1=255◆带符号数一个8位的带符号二进制数，其表示范围为原码：-127~+127-(28-1-1)≤X≤+28-1-1反码：-127~+127-(28-1-1)≤X≤+28-1-1补码：-128~+127-28-1≤X≤+28-1-1溢出的意义计算机所能表示的数值的大小受表示数值的二进制数码的位数限制无论无符号数还是带符号数，只要数的绝对值超过机器数所能表示的最大值，就会产生“溢出”一旦出现“溢出”，就表示运算结果出错，必须处理实数问题的讨论以上的讨论都以整数为对象实数的问题将更加复杂数值的一般表示形式N=(-1)J*S*2P当阶码P为固定值时，称为定点数当阶码P为非固定数值时，称为浮点数浮点数的表示方法和计算问题都将更加复杂