計算機原理教案

1、計算機原理課程教案張永超本課程是計算機專業(yè)本科生的核心課程，是主干必修課。課程以闡述原理為主，講述計算機系統(tǒng)及其各功能部件的工作原理以及邏輯實現(xiàn)，計算機系統(tǒng)及其各功能部件的設(shè)計原理以及并行處理技術(shù)。設(shè)置這一課程的目的是使學(xué)生掌握計算機的基本工作原理，掌握計算機各主要部件的硬件結(jié)構(gòu)、相互聯(lián)系和作用，掌握計算機系統(tǒng)的設(shè)計原理以及軟硬件的界面，從而對整個計算機系統(tǒng)有完整的了解，為計算機專業(yè)的后繼課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。一、 本課程得主要內(nèi)容1、 計算機系統(tǒng)概論2、 數(shù)字邏輯基礎(chǔ)（復(fù)習(xí)及提高）3、 信息編碼和數(shù)據(jù)表示4、 運算方法與運算器5、中央處理器6、存儲器與存儲系統(tǒng)7、處理機設(shè)計8、輸入輸出系統(tǒng)二、

2、本課程教學(xué)重點與難點重點：信息編碼和數(shù)據(jù)表示控制器存儲系統(tǒng)輸入輸出系統(tǒng)三、教材選用計算機組織原理.外語教學(xué)與研究出版社四、教學(xué)手段：PPT+版書+實驗五、課程內(nèi)容和學(xué)時分配 （整體安排按信息表示、信息處理、信息輸出思路。）計算機系統(tǒng)概論一、教學(xué)內(nèi)容： 1、了解計算機的發(fā)展； 2、了解計算機系統(tǒng)的組成以及各部分的主要功能； 3、掌握鍵盤的使用，熟練掌握標(biāo)準(zhǔn)指法操作； 4、了解計算機中數(shù)據(jù)的表示編碼。二、教學(xué)目的使學(xué)生了解計算機基礎(chǔ)知識，掌握計算機系統(tǒng)的概念三、教學(xué)基本要求了解計算機的特點、發(fā)展史（包括微型計算機的發(fā)展史）、類型、應(yīng)用領(lǐng)域及前景；掌握計算機軟件系統(tǒng)及硬件系統(tǒng)構(gòu)成，了解微機的硬件系統(tǒng)

3、，包括掌握微機系統(tǒng)硬件組成及主要性能指標(biāo)。四、重點與難點重點：計算機的發(fā)展史和應(yīng)用領(lǐng)域，計算機軟件系統(tǒng)及硬件系統(tǒng)構(gòu)成難點：計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)五、教學(xué)方法：講授(ppt)六、教學(xué)過程：第一課時：計算機概述1、什么是計算機（概念）2、計算機發(fā)展過程階段年份物理器件軟件特征應(yīng)用范圍第一代46-58電子管機器語言、匯編語言科學(xué)計算第二代59-64晶體管高級語言科學(xué)計算、數(shù)據(jù)處理、工業(yè)控制第三代65-70小規(guī)模集成電路操作系統(tǒng)科學(xué)計算、數(shù)據(jù)處理、工業(yè)控制、文字處理、圖形處理第四代70至今大規(guī)模集成電路數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)等各個領(lǐng)域3、計算機技術(shù)發(fā)展的趨勢巨型化、高性能、開放式、多媒體化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化4、計算機

4、的分類：1）、根據(jù)規(guī)模大小分類：巨型機、大型機、中型機、小型機、微機、2）、根據(jù)用途分類：通用計算機、專用計算機5、計算機的主要應(yīng)用科學(xué)計算、數(shù)據(jù)處理、計算機控制、計算機輔助系統(tǒng)、人工智能、辦公自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用注：記住一些專用名字的縮寫詳細內(nèi)容及要求第二、三課時：計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)：是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成；兩者相輔相成，構(gòu)成計算機系統(tǒng)的統(tǒng)一體。1、計算機硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)組成由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五部分組成。1) 中央處理器CPU 運算器和控制器合稱為中央處理單元,簡稱CPU。CPU的作用是處理數(shù)據(jù)、存取數(shù)據(jù)或指令、協(xié)調(diào)各部件工作等。2) 存儲器 存儲器用于保

5、存數(shù)據(jù)和程序。 存儲器分為內(nèi)部存儲器和外部存儲器 內(nèi)存又分為只讀存儲器（ROM）和隨機存儲器(RAM) 外存分為軟盤、硬盤、光盤、磁帶 它們的特點和缺點存儲器的有關(guān)術(shù)語簡述如下：*位（Bit）：存放一位二進制數(shù)即0或1。位是計算機中存儲信息的最小單位。*字節(jié)（Byte）：8個二進制位為一個字節(jié)。為了便于衡量存儲器的大小，統(tǒng)一以字節(jié)（Byte簡寫為B）為單位。字節(jié)是計算機中存儲信息的基本單位*地址：整個內(nèi)存被分成若干個存儲單元，每個存儲單元一般可存放8位二進制（字節(jié)編址）。每個存儲單元可以存放數(shù)據(jù)或程序代碼。為了能有效地存取該單元內(nèi)的內(nèi)容，每個單元必須有唯一的編號（稱為地址）來標(biāo)識。*讀操作（R

6、ead）：按地址從存儲器中取出信息，不破壞原有的內(nèi)容，稱為對存儲器進行“讀”操作。*寫操作（Write）：把信息寫入存儲器，原來的內(nèi)容被覆蓋，稱為對存儲器進行“寫”操作。*主頻 主頻是衡量CPU運行速度的重要指標(biāo)。它是指系統(tǒng)時鐘脈沖發(fā)生器輸出周期性脈沖的頻率。通常以赫茲（Hz）為單位。目前的奔騰微處理器的主頻已高達1.5GHz、2.2GHz。*字長 字長是CPU可以同時處理的二進制數(shù)據(jù)位數(shù)。如64位微處理器，一次能夠處理64位二進制數(shù)據(jù)。常用的有16位、32位、64位微處理器。3）輸入設(shè)備輸入設(shè)備用來接受用戶輸入的原始數(shù)據(jù)和程序，并將它們轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C可以識別的二進制形式存放到內(nèi)存中。常用的輸入

7、設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀、光筆、數(shù)字化儀、麥克風(fēng)等。4）輸出設(shè)備輸出設(shè)備用于將存放在內(nèi)存中由計算機處理的結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)槿藗兯芙邮艿男问?。常用的輸出設(shè)備有：顯示器、打印機、繪圖儀、音箱等。2、軟件系統(tǒng)分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件1）. 系統(tǒng)軟件 （1）操作系統(tǒng) （2）語言處理程序（3）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) （4）網(wǎng)絡(luò)管理軟件 （5）常用的服務(wù)程序2）應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件是在計算機硬件和系統(tǒng)軟件的支持下，為解決各類專業(yè)和實際問題而設(shè)計開發(fā)的一類軟件。如文字處理、電子表格、多媒體制作工具、各種工程設(shè)計和數(shù)學(xué)計算軟件、模擬過程、輔助設(shè)計和管理程序等。（1）操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)：是管理和控制計算機的全部硬件、軟件資源的程序

8、。 主要功能有：用戶與計算機硬件的接口、硬件功能的擴充、計算機系統(tǒng)的控制及管理等。（2) 語言處理程序 機器語言 匯編語言 高級語言：Basic語言、Pascal語言、 C語言、 Java語言等。 （3）實用程序 一些公用的工具性程序，如：編輯程序EDIT，調(diào)試程序DEBUG，診斷程序等。 4）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)按數(shù)據(jù)模型的不同分為三種類型：層次型、網(wǎng)狀型、關(guān)系型。目前比較流行的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)有 FoxPro、Oracle、SQL等。教學(xué)小結(jié)：這一節(jié)最為重要的內(nèi)容是掌握計算機系統(tǒng)的概念，這一點在教學(xué)過程中要注意強調(diào)；對于上機實驗的第一節(jié)課，要注意強調(diào)正確的指法操作。第二章 數(shù)字邏輯基礎(chǔ)本講目的：掌握數(shù)字邏

9、輯的基礎(chǔ)本講要求：掌握邏輯運算、組合邏輯電路、常用時序電路本講重點：邏輯代數(shù)運算本講難點：常用時序電路授課內(nèi)容一、邏輯代數(shù)的基本概念建立邏輯代數(shù)的概念，以區(qū)別普通代數(shù)，不能簡單地把普通代數(shù)的規(guī)律照搬到邏輯代數(shù)中來。邏輯變量 邏輯代數(shù)中也用字母代表變量，但通常用一個字母代表一個變量。邏輯變量的取值只能是“0”或“1”，代表的是事物矛盾著的雙方；判斷事件的“真?zhèn)巍焙汀笆欠恰?，無大小和正負之分。在數(shù)字系統(tǒng)中，代表開關(guān)的接通現(xiàn)斷開，晶體管的導(dǎo)通與截止，電壓的高(5V)低(0V)，信號的有無等。邏輯運算三種基本的邏輯運算：“或” 、“與”、 “非”。“或” 運算概念：著重因果關(guān)系。“或” 運算關(guān)系表達式

10、：F=A+B 或者 F=AB?！盎颉?運算口訣：“有1出1”和“都0出0”?！芭c” 運算概念：著重因果關(guān)系?！芭c” 運算關(guān)系表達式：F=A·B，或者 F=AB ，或者 F=AB?！盎颉?運算口訣：“有0出0”和“都1出1”?！胺恰?運算概念：著重因果關(guān)系?！胺恰?運算關(guān)系表達式：F=，或者 F= A。“非” 運算口訣：“反0出1”和“反1出0”。二、觸發(fā)器的基本概念1. 觸發(fā)器特點觸發(fā)器與組合邏輯電路不同，觸發(fā)器的輸出不僅與輸入信號有關(guān)，而且還與觸發(fā)器原來的狀態(tài)有關(guān)。觸發(fā)器具有記憶功能，是構(gòu)成時序電路的基本單元電路。觸發(fā)器具有兩個穩(wěn)定的狀態(tài)0和1。在不同的輸入信號作用下，觸發(fā)器可以置

11、成0，也可以置成1。當(dāng)輸入信號消失后，觸發(fā)器能保持其狀態(tài)不變。2. 觸發(fā)器控制信號觸發(fā)器的外部控制信號分為三類：（1）置位信號、復(fù)位信號：置位信號和復(fù)位信號有高有效或低有效、同步或異步之分。置位信號和復(fù)位信號是低有效的異步信號，當(dāng)信號有效時，觸發(fā)器置1或清零，和不能同時有效。（2）時鐘脈沖信號：時鐘脈沖信號為觸發(fā)器的控制端，決定觸發(fā)器的狀態(tài)何時轉(zhuǎn)換。（3）外部激勵信號：外部激勵信號在CP脈沖作用下控制觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。3. 觸發(fā)器類型觸發(fā)器有不同的分類方法，按觸發(fā)方式分類，有：電位觸發(fā)方式、主從觸發(fā)方式和邊沿觸發(fā)方式。按邏輯功能分類，有：RS觸發(fā)器、D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器和T觸發(fā)器等。4. 觸發(fā)

12、器邏輯功能描述方法觸發(fā)器的邏輯功能是指觸發(fā)器的次態(tài)與現(xiàn)態(tài)以及輸入信號之間的邏輯關(guān)系。描述觸發(fā)器的邏輯功能常用方法有：（1）狀態(tài)轉(zhuǎn)換表與激勵表（2）特征方程（3）狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖（4）時序圖（二）觸發(fā)器的基本類型1. 基本RS觸發(fā)器基本RS觸發(fā)器沒有同步觸發(fā)脈沖，輸入信號直接控制輸出端的狀態(tài)。只要輸入變化，輸出立即變化。基本RS觸發(fā)器的特征方程為：2. 同步RS觸發(fā)器同步RS觸發(fā)器在時鐘脈沖CP有效時，如CP=1期間，觸發(fā)器的輸出隨輸入信號的變化而改變。在時鐘脈沖有效期間，其特征表、特征方程與基本RS觸發(fā)器完全相同。同步RS觸發(fā)器為電平觸發(fā)方式，特點是在CP=1整個時間內(nèi)，觸發(fā)器輸出都會隨輸入信號的變

13、化而變化。這種現(xiàn)象稱為“空翻”。3. 主從RS觸發(fā)器主從RS觸發(fā)器由主觸發(fā)器和從觸發(fā)器兩部分組成，主從RS觸發(fā)器在CP=1期間把輸入信號送入主觸發(fā)器，整個觸發(fā)器的狀態(tài)并不改變。當(dāng)CP下降沿到來時再將觸發(fā)器的狀態(tài)傳入從觸發(fā)器，觸發(fā)器的狀態(tài)才可能翻轉(zhuǎn)。主從RS觸發(fā)器克服了同步RS觸發(fā)器的“空翻”現(xiàn)象。主從RS觸發(fā)器在時鐘脈沖CP下降沿時，其特征表、特征方程與基本RS觸發(fā)器完全相同。4. 主從JK觸發(fā)器主從JK觸發(fā)器的工作過程與主從RS觸發(fā)器相同，分為 兩步：CP=1期間，接收J(rèn)、K端的外部信號并存入主觸發(fā)器，從觸發(fā)器狀態(tài)不變；在CP由1變?yōu)?時，主觸發(fā)器狀態(tài)不變，從觸發(fā)器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)；CP=0期間，主

14、觸發(fā)器不接收J(rèn)、K端的外部信號，觸發(fā)器的狀態(tài)不變。在一個時鐘周期內(nèi)，主從JK觸發(fā)器狀態(tài)只在CP下降沿發(fā)生一次變換。在CP=1期間，如果J、K端的信號發(fā)生變化，主觸發(fā)器的狀態(tài)能夠也只能夠變化一次，稱為主從JK觸發(fā)器的一次變化。JK觸發(fā)器的特征方程為：5. 邊沿JK觸發(fā)器邊沿JK觸發(fā)器在時鐘脈沖的下降沿觸發(fā)翻轉(zhuǎn)。要求J、K信號在時鐘脈沖CP的下降沿之前一段時間到來。在CP=1、CP=0及CP上升沿期間，J、K信號的任何變化都不會影響觸發(fā)器的輸出結(jié)果，因此，電路具有更強的抗干擾能力。其特征方程、激勵表與主從JK觸發(fā)器完全一樣。6. 維持阻塞D觸發(fā)器維持阻塞D觸發(fā)器為邊沿觸發(fā)器。在CP脈沖上升沿狀態(tài)翻

15、轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)結(jié)果取決于CP上升沿到達瞬間輸入信號D的狀態(tài)。D觸發(fā)器的特征方程為：（三）時序電路的基本概念數(shù)字邏輯電路可分為兩大類：組合邏輯電路和時序邏輯電路，前者簡稱組合電路，后者簡稱時序電路。在邏輯電路中，如果任一時刻的輸出信號不僅取決于該時刻輸入信號，而且還與電路原來的狀態(tài)有關(guān)，或者說與電路原來的輸入信號有關(guān)，具備這種功能的電路被稱為時序邏輯電路。1. 時序電路的特點時序電路具有記憶能力，能保存電路原來的輸入狀態(tài)；時序電路含有存儲電路，這些存儲電路多數(shù)由觸發(fā)器構(gòu)成。時序電路有兩大類：同步時序電路和異步時序電路。2. 時序電路與組合電路的區(qū)別時序電路在某一時刻的輸出不僅取決于該時刻電路的輸入，還

16、取決于該電路原來的狀態(tài)，也就是說與電路原來的輸入有關(guān)。而組合電路在某一時刻的輸出僅僅取決于該時刻電路的輸入。3. 同步時序電路電路中有一個統(tǒng)一的時鐘脈沖源，存儲電路里所有觸發(fā)器的狀態(tài)變化都與同一個時鐘脈沖同步。在電路結(jié)構(gòu)上，存儲電路中各觸發(fā)器的時鐘脈沖端接同一個時鐘脈沖源。4. 異步時序電路電路中沒有統(tǒng)一的時鐘脈沖，觸發(fā)器狀態(tài)的變化不與時鐘脈沖同步。（四）同步時序電路的分析與設(shè)計l. 同步時序電路的分析時序電路完成的邏輯功能不同，組成結(jié)構(gòu)不同，其分析步驟也有所不同。對具體電路分析時，應(yīng)能做到靈活應(yīng)用。同步時序電路分析的一般步驟如下：（1）根據(jù)給定的同步時序電路列寫方程：時序電路的輸出方程，各觸

17、發(fā)器的驅(qū)動方程。（2）將觸發(fā)器的驅(qū)動方程代入對應(yīng)觸發(fā)器的特征方程，求出時序電路的狀態(tài)方程。（3）根據(jù)時序電路的輸出方程和狀態(tài)方程，計算時序電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表、畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖或時序圖。狀態(tài)轉(zhuǎn)換表、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖或時序圖三種形式之間可以互相轉(zhuǎn)換。（4）根據(jù)上述分析結(jié)果，用文字描述給定同步時序電路的邏輯功能。2. 同步時序電路的設(shè)計設(shè)計是根據(jù)給定具體的邏輯問題，給出符合其功能要求的時序電路。設(shè)計是分析的逆過程，設(shè)計又稱為綜合。這里只給出用小規(guī)模集成電路進行設(shè)計的步驟，設(shè)計的基本思想是用最少的觸發(fā)器和門電路實現(xiàn)符合要求的時序電路。（1）根據(jù)給定的邏輯功能建立原始狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖分析給定的邏輯問題，定義輸入變量、輸

18、出變量以及電路的狀態(tài)。根據(jù)實際的邏輯問題，分析每一種輸入情況下的狀態(tài)變化和相應(yīng)的輸出，從而構(gòu)成原始狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖或原始狀態(tài)轉(zhuǎn)換表。（2）狀態(tài)化簡原始狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖可能包含多余的狀態(tài)，狀態(tài)數(shù)目越多，設(shè)計的電路越復(fù)雜。狀態(tài)化簡，消去多余的狀態(tài)，求出最小化的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖或狀態(tài)轉(zhuǎn)換表。（3）狀態(tài)編碼對簡化后的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表中每一個狀態(tài)用一個二進制代碼來表示，即進行狀態(tài)編碼，也叫做狀態(tài)分配。狀態(tài)編碼的方案不同，所得到的電路結(jié)構(gòu)及其復(fù)雜程度不同，狀態(tài)編碼應(yīng)當(dāng)以有利于觸發(fā)器驅(qū)動方程的簡化為原則。（4）選擇觸發(fā)器選擇不同類型的觸發(fā)器，設(shè)計出的電路不同。利用編碼后的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，根據(jù)選定觸發(fā)器的類型，求驅(qū)動方程和輸出方程。（5

19、）畫邏輯電路圖（6）畫全狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖全狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖指的是包含觸發(fā)器所有狀態(tài)組合的轉(zhuǎn)換圖。檢查電路是否符合設(shè)計要求，符合要求，則設(shè)計完畢。否則，需修改設(shè)計。（五）異步時序電路同步時序電路中有統(tǒng)一的時鐘信號，異步時序電路沒有統(tǒng)一的時鐘信號。因此，異步時序電路的分析與設(shè)計與同步時序電路有所不同。1. 異步時序電路的分析（1）分析電路，列寫各觸發(fā)器的驅(qū)動方程和時鐘方程；（2）根據(jù)觸發(fā)器的特征方程，求出電路的狀態(tài)方程；（3）求狀態(tài)轉(zhuǎn)換表；求解狀態(tài)轉(zhuǎn)換表時，首先分析觸發(fā)器有無時鐘信號，在有時鐘信號的前提下，再計算狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。（4）確定電路的邏輯功能。2. 異步時序電路的設(shè)計（1）根據(jù)設(shè)計要求，確定狀態(tài)數(shù)目、選

20、擇狀態(tài)編碼，列寫狀態(tài)轉(zhuǎn)換表。（2）確定觸發(fā)器類型，選擇每個觸發(fā)器的時鐘信號，求時鐘方程、驅(qū)動方程和輸出方程； （3）畫出邏輯電路圖或波形圖。第三章 計算機中的信息表示本講目的：了解計算機中數(shù)的表示本講要求：掌握二進制、十六進制和帶符號數(shù)的表示以及BCD碼、ASCII碼本講重點：十六進制數(shù)和補碼本講難點：負數(shù)的補碼表示授課內(nèi)容一、數(shù)與數(shù)制1、十進制記數(shù)法在十進制記數(shù)中，用0，1，2，9這10個符號來表示數(shù)量，無論多大的數(shù)，都是用這10個符號的組合來表示的。 例如，十進制數(shù)3758可用上面的法則來表示： (3758)10=3×103+7×102+5×101+8

21、5;100根據(jù)同樣的法則，也可以表示十進制小數(shù)，小數(shù)點的右邊各位的權(quán)為10-1,10-2,10-3,。例如，十進制數(shù)275.368可以用上述法則寫成： (275.368)10=2×102+7×101+5×100+3×10-1+6×10-2+8×10-32、二進制記數(shù)法二進制記數(shù)法用來表示數(shù)量的符號只有兩個，就是0和1。二進制數(shù)中的任何一個0或1稱為比特(bit)。例如，二進制數(shù)110101可以表示為 (110101)2=1×25+1×24+0×23+1×22+0×21+1×2

22、03、二進制數(shù)與十進制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換 二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)如上所述，只要將二進制數(shù)的每一位乘上它的權(quán)然后加起來就可以求得二進制數(shù)的十進制數(shù)值。例如，二進制數(shù)101101.11換算成十進制數(shù)為：(101101.11)2 =1×25+0×24+1×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1+1×2-2=(45.75)10 十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制數(shù) 十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)的方法分兩步進行。 例如，欲將十進制數(shù)175.71875轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)，其過程如下： 第一步： 175÷2=87 - 余數(shù)為 - 1 87&

23、#247;2=43 - 1 43÷2=21 - 1 21÷2=10 - 1 10÷2=5 - 0 5÷2=2 - 1 2÷2=1 - 0 1÷2=0 - 1得到結(jié)果：(175)10=(10101111)2。第二步：將十進制小數(shù)0.71875轉(zhuǎn)換成二進制小數(shù)，其過程如下： 0.71875×2=1.4375 - 取整數(shù)部分 - 1 0.4375×2=0.875 - 0 0.875×2=1.75 - 1 0.75×2=1.5 - 1 0.5×2=1.0 - 1 得到結(jié)果：(0.71875)1

24、0=(0.10111)2。綜上所述，一個十進制整數(shù)的二進制轉(zhuǎn)換方法就是“除2取余”；而一個十進制小數(shù)的二進制轉(zhuǎn)換方法就是“乘2取整”。若一個十進制數(shù)既包含整數(shù)部分又包含小數(shù)部分，它的二進制轉(zhuǎn)換就是將它的整數(shù)部分和小數(shù)部分用上述方法分別進行轉(zhuǎn)換，最后將轉(zhuǎn)換好的兩部分結(jié)合在一起形成要轉(zhuǎn)換的二進制數(shù)，例如， (175.71875)10=(10101111.10111)24、八進制記數(shù)法 例如，八進制數(shù)372.01，根據(jù)各位的權(quán)不同可以寫成：(372.01)8=3×82+7×81+2×80+0×8-1+1×8-2將上式中各位與其權(quán)相乘而后加到一起，就可

25、以得到八進制數(shù)372.01的十進制數(shù)為： (372.01)8=(250.015625)10這也表明了八進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)的過程。十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為八進制數(shù)的方法是：對于十進制整數(shù)采用“除8取余”的方法轉(zhuǎn)換為八進制整數(shù)；對于十進制小數(shù)則采用“乘8取整”的方法轉(zhuǎn)換為八進制小數(shù)。例如，將十進制數(shù)194.46875轉(zhuǎn)換成八進制數(shù)時，應(yīng)將整數(shù)部分和小數(shù)部分分別轉(zhuǎn)換，最后再合到一起就得到要轉(zhuǎn)換的八進制數(shù)：194÷8=24 余數(shù)為 2 0.46875×8=3.75 整數(shù)部分 3 24÷8=3 0 0.75×8=6.0 6 3÷8=0 3 所以，(194.468

26、75)10=(302.36)8 二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成八進制數(shù)的方法就是從小數(shù)點起，把二進制數(shù)每三位分成一組，然后寫出每一組的等值八進制數(shù)，順序排列起來就得到所要求的八進制數(shù)。例如，將二進制數(shù)11101111010.1011轉(zhuǎn)換為八進制數(shù)： (011 101 111 010 . 101 100)2 (3 5 7 2 . 5 4)8 依據(jù)同樣的思想，即一位八進制數(shù)用三位二進制數(shù)表示，就可以直接將八進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)。例如，將八進制數(shù)712.46轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)，其過程如下： ( 7 1 2 . 4 6)8 (111 001 010 . 100 110)2 5、十六進制記數(shù)法 十六進制記數(shù)法中，09的表示

27、與十進制相同，用A表示10、B表示11、C表示12、D表示13、E表示14、F表示15。“逢16進1”。例如，十六進制數(shù)E5D7.A3可以表示為： (E5D7.A3)16 =E×16 3+5×16 2+D×16 1+7×16 0+A×16 -1+3×16 -2 又如，將(47632.78125)10轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù)，其過程如下：整數(shù)部分： 47632÷16=2977 余數(shù) 016進制數(shù) 0 2977÷16=186 1 1 18÷16=11 10 A 11÷16=0 11 B小數(shù)部分： 0.781

28、25×16=12.5 整數(shù) 12 C 0.5×16=8.0 8 8最后得到(47632.78125)10=(BA10.C8)16 。 由于一位十六進制數(shù)可以用四位二進制數(shù)來表示，因此二進制數(shù)與十六進制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換就比較容易。二進制數(shù)到十六進制數(shù)的轉(zhuǎn)換是由小數(shù)點開始，每四位二進制數(shù)為一組，將每一組用相應(yīng)的一位十六進制數(shù)來表示，即可得到正確的十六進制數(shù)，例如： (1 1101 0100 1011 0111 . 0101 1110 1010)2 (1 D 4 B 7 . 5 E A )16二、十進制數(shù)與字符的編碼表示1、BCD碼把十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為其等值的二進制數(shù)稱之為BCD編碼（如

29、表1.1所示）。表1.1 BCD碼與其它數(shù)制的對應(yīng)關(guān)系十進制數(shù) 8 4 2 1 B C D 碼 純二進制數(shù) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 0 0 0 1 0 3 0 0 1 1 0 0 1 1 4 0 1 0 0 0 1 0 0 5 0 1 0 1 0 1 0 1 6 0 1 1 0 0 1 1 0 7 0 1 1 1 0 1 1 1 8 1 0 0 0 1 0 0 0 9 1 0 0 1 1 0 0 1 10 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 11 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 12 0 0 0 1 0

30、 0 1 0 1 1 0 0 13 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 14 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 15 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 根據(jù)上述說明，一個十進制數(shù)，能夠很方便地用BCD碼來表示。例如，十進制數(shù)859用BCD碼表示為：(859)10=(1000 0101 1001)BCD 只要熟記十進制數(shù)09與BCD碼的對應(yīng)關(guān)系，則它們之間的相互轉(zhuǎn)換是十分方便的。例如：(0110 1001 0101 . 0010 0111 1001) BCD =(695.279) 102、ASCII碼 ASCII碼是美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼的簡稱，現(xiàn)在為各國所廣

31、泛采用。 通常，ASCII碼由7位二進制編碼來表示，用于微處理機與它的外部設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)交換以及通過無線或有線進行數(shù)據(jù)傳送。代表上述字符或控制功能的ASCII碼是由一個4位組和一個3位組構(gòu)成的，形成7位二進制編碼，其格式為： 4位組 01234563位組根據(jù)ASCII碼的構(gòu)成格式，可以很方便地從附錄A中ASCII表查出每一個字符或特殊控制功能的編碼。例如，大寫英文字母A，從表中查出其3位組為(100)2,4位組為(0001)2，故構(gòu)成字母A的ASCII編碼為(1000001)2或(41)16。 三、二進制算術(shù)運算 1、二進制加法 二進制加法與十進制加法相類似，所不同的是，二進制加法中是“逢二

32、進一”，其法則為：0+0=0； 1+0=1； 0+1=1； 1+1=0 并進位 例如，兩個二進制數(shù)相加： 10110101 + 10001110 101000011 2、二進制減法 在二進制減法中，同樣有如下法則： 0-0=0； 1-0=1； 1-1=0； 0-1=1 有借位當(dāng)不夠減時需要借位，高位的1等于下一位的2，即“借一當(dāng)二”。例如，兩個二進制數(shù)相減： 10110100 - 01010111 01011101 3、二進制乘法 二進制乘法與十進制乘法是一樣的。但因為二進制數(shù)只由0和1構(gòu)成，因此，二進制乘法更簡單。其法則如下： 0×0=0； 1×0=0； 0×1

33、=0； 1×1=1例如，二進制數(shù)1101.1與101.1相乘： 1101.1 被乘數(shù)(13.5) 10 × 101.1 乘數(shù)(5.5) 10 1101 1 11011 00000 + 11011 1001010.01 乘積 (74.25) 10 再看下面的例子：(1011)2×(1101)2 1011 被乘數(shù)(11) 10 × 1101 乘數(shù)(13) 10 1011 0000 1011 + 1011 10001111 乘積(143) 4、二進制除法二進制除法是乘法的逆運算，其方法與十進制除法是一樣的，而且二進制數(shù)僅由0，1構(gòu)成，做起來更簡單。例如，求二進

34、制數(shù)100111除以110的商的方法如下： 110.1 110 100111 110 111 110 110 110 0四、符號數(shù)的表示及其運算1、符號數(shù)的表示方法 表示一個帶符號的二進制數(shù)有3種方法。 原碼法 例如，8位二進制符號數(shù)(45) 10和(45) 10，可以按如下寫出： (45) 10=( 0 0101101) 2 符號位 數(shù)值位(45) 10=( 1 0101101) 2 符號位 數(shù)值位 反碼法 在計算機的早期，曾采用反碼法來表示帶符號的數(shù)。對于正數(shù)，其反碼與其原碼相同。 例如，(45) 10=(00101101) 2也就是說正數(shù)用符號位與數(shù)值湊到一起來表示。對于負數(shù)，用相應(yīng)正數(shù)

35、的原碼各位取反來表示，包括將符號位取反，取反的含義就是將0變?yōu)?，將1變?yōu)?。例如，(45)10的反碼表示就是將上面(45) 10的二進制數(shù)各位取反： (45) 10=(11010010) 2同樣，可以寫出如下幾個數(shù)的反碼表示，以便讀者對照： (+4) 10=(00000100) 2 (-4) 10=(11111011) 2 (+7) 10=(00000111) 2 (-7) 10=(11111000) 2 (+122) 10=(01111010) 2 (-122) 10=(10000101) 2 補碼法 在微處理機中，符號數(shù)是用補碼(對2的補碼)來表示的。用補碼法表示帶符號數(shù)的法則是：正數(shù)的

36、表示方法與原碼法和反碼法一樣；負數(shù)的表示方法為該負數(shù)的反碼表示加1。例如，(+4)10的補碼表示為(00000100) 2，而(-4) 10用補碼表示時，可先求其反碼表示(11111011) 2，而后再在其最低位加1，變?yōu)?11111100) 2。這就是(-4) 10的補碼表示，即(-4) 10=(11111100)2。同樣，我們把前面提到的幾個數(shù)的補碼表示如下： (+7) 10=(00000111) 2 (-7) 10=(11111001) 2 (+122) 10=(01111010) 2 (-122) 10=(10000110) 2 2、補碼的運算 例如，有兩個二進制數(shù)10000100和0

37、0001110，當(dāng)規(guī)定它們是不帶符號的數(shù)時，則它們分別表示(132) 10和(14) 10。將這兩個二進制數(shù)相加： 10000100 + 00001110 10010010 當(dāng)遇到兩個數(shù)相減時，處理器就自動地將減數(shù)取補，而后將被減數(shù)和減數(shù)的補碼相加來完成減法運算。例如(69)10(26)10=?可以寫成(69)10+(26)10。利用(69)10的原碼和(26)10的補碼相加，即可以得到正確的結(jié)果。例如，兩個帶符號的數(shù)(01000001)2(十進制數(shù)+65)與(01000011)2(十進制數(shù)+67)相加： 01000001 + 01000011 10000100 （結(jié)果有溢出） 再來看兩個負數(shù)

38、(10001000)2和(11101110)2的相加情況。 10001000 + 11101110 1 01110110 （結(jié)果有溢出）此外，在微處理機中還會遇到不帶符號數(shù)的運算。例如，兩個無符號數(shù)(11111101)2和(00000011)2相加： 11111101 + 00000011 1 00000000 （最高位有進位）五、數(shù)的定點表示和浮點表示1、數(shù)的定點表示法當(dāng)小數(shù)點固定在最高有效位的前面時，定點數(shù)為純小數(shù)，其格式為：符 號 MSB LSB 數(shù) 碼 小數(shù)點 當(dāng)小數(shù)點固定在數(shù)的末尾時，定點數(shù)為整數(shù)。2、數(shù)的浮點表示法在十進制中，一個數(shù)可以寫成多種表示形式。例如，83.125可寫成：1

39、02×0.83125，103×0.083125, 104×0.0083125等等。同樣，一個二進制數(shù)，也可以寫成多種表示形式。例如，二進制數(shù)1011.10101可以寫成：24×0.101110101, 25×0.0101110101, 26×0.00101110101等等?？梢钥闯觯粋€二進制數(shù)能夠用一種普遍的形式來表示： ×F 其中E稱為階碼，F(xiàn)叫做尾數(shù)。我們把用階碼和尾數(shù)表示的數(shù)叫做浮點數(shù)，這種表示數(shù)的方法稱為浮點表示法。在浮點表示法中，階碼通常為帶符號的整數(shù)，尾數(shù)為帶符號的純小數(shù)。浮點數(shù)的表示格式如下：符 號 階 碼

40、符 號 尾 數(shù) 小數(shù)點很明顯，浮點數(shù)的表示不是唯一的。當(dāng)小數(shù)點的位置改變時，階碼也隨著相應(yīng)改變，可以用多種形式來表示同一數(shù)。若浮點數(shù)的表示格式為：符 號 階 碼 符 號 尾 數(shù) 1位 R位 1位 P位則可以看到，用這種編碼所能表示的數(shù)的數(shù)值范圍為： 數(shù)值 前面的二進制數(shù)1011.10101可以用包括符號在內(nèi)的8位階碼，16位尾數(shù)的規(guī)格化形式表示如下： 0 0000100 0 101110101000000 階碼 尾數(shù)階符 尾符 小數(shù)點六、小結(jié)1、 數(shù)制、BCD碼和ASCII碼。2、 補碼表示法及其運算。第四章 運算方法及運算器教學(xué)目的:學(xué)習(xí)運算方法與運算器的基礎(chǔ)知識教學(xué)要求：1、掌握運算方法與

41、運算器的基礎(chǔ)知識教學(xué)重點：1、數(shù)據(jù)與文字的表示方法；2、定點運算方法與運算器組成；3、浮點運算方法與運算器組成。教學(xué)難點：1、定點運算方法與運算器組成；2、浮點運算方法與運算器組成。定點加法減法運算補碼加法補碼加法的公式：補補補 （mod 2n+1）例如：P27 例11，例12補碼減法補碼減法的公式：補補補補補溢出概念與檢測方法溢出：在運算過程中，運算結(jié)果超出了計算機能表示的范圍。包括：Ø 正溢（上溢）：兩個正數(shù)相加,結(jié)果大于機器所能表示的最大正數(shù)。Ø 負溢（下溢）：兩個負數(shù)相加,結(jié)果小于機器所能表示的最小負數(shù)。檢測方法：方法1：變形補碼（雙符號位法）正數(shù)符號位為00，負數(shù)

42、符號位為11注意：Ø 結(jié)果的兩符號位如果相異，則表示產(chǎn)生了溢出。Ø 最高符號位始終為正確符號位。方法2：單符號位法Ø 最高有效位產(chǎn)生進位，而符號位無進位，則正溢。Ø 最高有效位無進位，而符號位產(chǎn)生進位，則負溢。基本的二進制加法/減法器1. 原理：X補Y補XY補XY補X補Y補=2. 一位全加器：真值表：邏輯表達式如下：可得，電路圖為：記為：n個一位全加器串聯(lián)可構(gòu)成多位加法器。3. n位行波進位的補碼加法/減法器掌握以下幾點：Ø 方式控制M如何實現(xiàn)加法/減法控制的。Ø 如何判斷溢出的。4. n位行波進位的補碼加法/減法器的時間延遲延遲時間：從產(chǎn)生輸入到得到穩(wěn)定輸出的最長時間。一般以一個“與非”門或“或非”門的時間延遲作為度量單位，記為T