微機(jī)原理01概論

1、等中山大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院1課程目標(biāo)微機(jī)原理是學(xué)習(xí)和掌握微機(jī)硬件知識和匯編語言程序設(shè)計的入門課程，包括以下幾個方面的內(nèi)容：微型計算機(jī)的基本工作原理匯編語言程序設(shè)計微型計算機(jī)接術(shù)通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)建立微型計算機(jī)系統(tǒng)的整體概念，形成微機(jī)系統(tǒng)軟硬件開發(fā)的初步能力。2課程安排第1章第2章第3章第4章第5章第6章第7章第8章緒論微處理器的結(jié)構(gòu)80 x86指令系統(tǒng)匯編語言程序設(shè)計微機(jī)總線技術(shù)系統(tǒng)輸入輸出及接口常用接術(shù)3第1章 緒論主要內(nèi)容微型計算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用微型計算機(jī)組成原理數(shù)據(jù)的表示方法41.1微型計算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用世界上第一臺電子計算機(jī)是1946年賓夕法尼亞大學(xué)設(shè)計制造的”ENIAC”。占地

2、上百平方米重量幾千噸功耗幾十千瓦5電子計算機(jī)的發(fā)展：第一代：電子管計算機(jī)（1946-1956）第二代：晶體管計算機(jī)（1957-1964）第三代：中小規(guī)模集成電路計算機(jī)（1965-1970）第四代：超大規(guī)模集成電路計算機(jī)（1971-今）6四個階段計算機(jī)的主要特點：用機(jī)器語言、匯編語言編程用于軍事和國防尖端技術(shù)電子管計算機(jī)(19461956)開始使用高級語言開始用于工程技術(shù)、數(shù)據(jù)處理和其它科學(xué)領(lǐng)域晶體管計算機(jī)(19571964)集成電路計算機(jī)(19651970)采用微程序、流水線等技術(shù)，提高運行速度出現(xiàn)操作系統(tǒng)、程序等超大規(guī)模集成電路計算機(jī)(1971至今)采用半導(dǎo)體器采用圖形界面操作系統(tǒng)器件速度更

3、快,、外設(shè)更加豐富7電子計算機(jī)按其性能分類：大型計算機(jī)/巨型計算機(jī)（Mainframe Computer）中型計算機(jī)puter）puter）小型計算機(jī)（微型計算機(jī)（單片計算機(jī)（Single-Chip微型計算機(jī)的應(yīng)用：科學(xué)計算 ；數(shù)據(jù)處理和管理 ；計算機(jī)控制 ；puter）計算機(jī)輔助設(shè)計計算機(jī)輔助制造(CAD/CAM)；智能模擬 。81.2 微型計算機(jī)的組成原理由運算器、控制器、器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部分組成9運算器和控制器集成在一塊上，稱為處理單元（Central Pros Unit，CPU），也稱為微處理器。器分為內(nèi)存和外存。內(nèi)存又分為隨機(jī)器（Random Acs Memory, RAM

4、)和只讀器(ReadOnly Memory, ROM)。RAM是易失性的，掉電后信息丟失。 ROM是非易失性的，掉電后信息不丟失。CPU和內(nèi)存在主板上。輸入設(shè)備和輸出設(shè)備通過接口與系統(tǒng)總線相連。外存也是一種外設(shè)。系統(tǒng)總線實現(xiàn)各間信息的傳輸。微機(jī)的組成原理圖如下一頁圖所示。圖11微型計算機(jī)的組成基本的微型計算機(jī)的硬件由微處理器、內(nèi)器、系統(tǒng)總線、I/O接口和外部設(shè)備等。微處理器由運算器和控制器兩部分組成，是計算機(jī)的 控制。，負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)的處理及對整個計算機(jī)的內(nèi)存用來數(shù)據(jù)、程序、運算的中間結(jié)果和最后結(jié)果。內(nèi)存按單元尋址。內(nèi)存也稱為主存。輸入/輸出接口電路將設(shè)備連接到系統(tǒng)總線上，起到主機(jī)和外設(shè)之間信息傳

5、遞時的匹配和緩沖的作用。微型計算機(jī)的系統(tǒng)總線則用來實現(xiàn)各息傳遞。間的信總線可分為數(shù)據(jù)總線（Data Bus, DB）、地址總線（Address Bus, AB）和控制總線（Control Bus,CB）。地址總線AB：用來傳送CPU輸出的地址信號，確單元、I/O端口。地址總線的條數(shù)定被的決定微處理器的尋址能力數(shù)據(jù)總線DB：用來在CPU與器、I/O接口之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。數(shù)據(jù)總線的條數(shù)決定微處理器一次最多可以傳送的數(shù)據(jù)寬度控制總線CB：用來傳送各種控制信號。計算機(jī)中的數(shù)值：位bit（b）兆位 1Mb=10241024bit=220bit千兆位 1Gb=230bit=1024Mb兆兆位 1Tb=24

6、0bit=1024Gb字節(jié)Byte（B）1 Byte=8bit，1KB=1024 Byte字Word：表示字長，有1bit,4bit,8bit,16bit等一般情況下為2Byte(16bit)14典型的8位微處理器的基本結(jié)構(gòu)8位微處理器主要包括運算器和控制器兩大。運算器是對數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理的，主要完成算術(shù)運算和邏輯運算；由算術(shù)邏輯單元（Arithmetical andLogicait，ALU）、累加器、寄存器組、多路轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)總線等邏輯組成?？刂破鞲鶕?jù)預(yù)先存放在器中的程序?qū)τ嬎銠C(jī)進(jìn)行控制?？刂破饕话阌芍噶罴拇嫫?、指令譯和控制電路組成，它根據(jù)程序中每一條指令的要求，對微型計算機(jī)各發(fā)出相應(yīng)的控制

7、信息，使這些定的功能。協(xié)調(diào)地工作，實現(xiàn)程序指微機(jī)主要是以CPU 的發(fā)展而升級換代。但微機(jī)的升級換代并不僅僅取決于CPU 的換代， 是由多方面技術(shù)的發(fā)展所決定的， 包括技術(shù)、總線技術(shù)、接術(shù)等。17以el公司生產(chǎn)的80 x86 微處理器的發(fā)展推出年代CPU寄存器位 數(shù)數(shù)據(jù)線寬 度地址線寬 度最大主頻MHz1971.114004440.11972.41974.480088080888814160.221978.61979.61982.28086808880286202024108161985.101989.4803868048632323232323233661993.31995.111997.51

8、999.2Pentium Pentium Pro Pentium IIPentium III32323232646464643232363610020045010008位模型機(jī)程序運行示例例：計算1+2=?匯編語言程序?qū)?yīng)的機(jī)器指令對應(yīng)的操作MOV AL, 11011000000000001000001000000001010100010000010000000000011110100將立即數(shù)1傳送到累加寄存器AL中ADD AL, 2計算兩個數(shù)的和，結(jié)果存放到AL中MOV 0008, AL將AL中的數(shù)傳送到地址單元0008HLT停機(jī)188位模型機(jī)的工作過程191.3數(shù)據(jù)的表示方法重點理解特點；

9、表示方法；相互間的轉(zhuǎn)換；二進(jìn)制運算20一、進(jìn)位計數(shù)制十進(jìn)制符合人們的二進(jìn)制便于物理實現(xiàn)十六進(jìn)制便于識別、書寫八進(jìn)制21進(jìn)位計數(shù)制的一般表示按進(jìn)位的方法進(jìn)行計數(shù)，稱為進(jìn)位計數(shù)制。在進(jìn)位制中每個數(shù)規(guī)定使用的數(shù)碼符號的數(shù)量，稱為進(jìn)位基數(shù)，用R表示。使用R為基數(shù)的計數(shù)制稱為R進(jìn)制數(shù)，常用的有十進(jìn)制數(shù)、二進(jìn)制數(shù)、十六進(jìn)制數(shù)、八進(jìn)制數(shù)等。若每位數(shù)碼用 ai來表示（下標(biāo)i指示位數(shù)），則進(jìn)位計數(shù)制表示的方法如下：N=（an-1,an-2,ai, a1, a0 ）R（數(shù)碼）Rn-1,Rn-2, ,Ri, R1,R0（權(quán)值）22進(jìn)位計數(shù)制的一般表示建立了權(quán)值的概念后，對任意一個R進(jìn)制數(shù)N都可表示為:Rn1 aRn

10、2(N ) a a R0n1n20k1 m a1 R a m Rn1 a Riii m其中：ai - N的第i位數(shù)碼，可以是R個符號中任何一個；n,m - 含義同前；R - 基數(shù)；Ri - K進(jìn)制數(shù)的權(quán)231. 十進(jìn)制(標(biāo)識：后綴D或省略)特點：以十為底，逢十進(jìn)一；共有0-9十個數(shù)字符號(數(shù)碼)表示:（權(quán)展開式）D D10n1 D10n2 D 100n1n20 D 101 D10m1mn1imD i10i242. 二進(jìn)制(標(biāo)識：后綴B)特點：以2為底，逢2進(jìn)位；只有0和1兩個數(shù)字符號表示：（權(quán)展開式）(B) B 2n1B2n2 B 20n1n220B121Bm2mn1 Bi 2iim253.

11、十六進(jìn)制(標(biāo)識：后綴H)特點：以16為底，逢16進(jìn)位；有0-9及A-F共16個數(shù)字符號注：數(shù)據(jù)以字母（AF）開頭時，須面加“0”表示：（權(quán)展開式）(H)16 Hn1 16n1 Hn2 16n2 H0 160 H1 161 Hm 16mn1 Hi 16iim26二、各進(jìn)制數(shù)間的轉(zhuǎn)換1. 非十進(jìn)制數(shù)到十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換按該數(shù)制的權(quán)表達(dá)式展開，再按十進(jìn)制求和例：10110010B =(?)1013FAH =(?)1027將基數(shù)為R的數(shù)（R進(jìn)制數(shù)）轉(zhuǎn)換成基數(shù)為10的數(shù)（十進(jìn)制數(shù)）的過程是根據(jù)下式中已知的ai求dj：nn 1ian R a R L a R L an 1i0mm 1jdm 10 d 10 L

12、d 10 L dm 10j這一過程比較簡單，只要將Ri和ai用十進(jìn)制表示，然后作十進(jìn)制運算即要的結(jié)果。到需28例1：(1011.101)2 = 1 2 +1 2 +1 2 +1 2+1 2310-1-3=(11.625)10例2：（2A4)16=2162+10161+4=512+160+4=676292. 十進(jìn)制到非十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換十進(jìn)制 二進(jìn)制的轉(zhuǎn)換：整數(shù)部分：除2取余；小數(shù)部分：乘2取整。十進(jìn)制 十六進(jìn)制的轉(zhuǎn)換：整數(shù)部分：除16取余；小數(shù)部分：乘16取整。以小數(shù)點為起點求得整數(shù)和小數(shù)的各個位303. 二進(jìn)制與十六進(jìn)制間的轉(zhuǎn)換用4位二進(jìn)制數(shù)表示1位十六進(jìn)制數(shù)以小數(shù)點為起點分別向左(整數(shù))、向右

13、(小數(shù))進(jìn)行四位分組例： 10110001001.110B= (?)H0101 1000 1001.1100589.C左補(bǔ)0右補(bǔ)031三、二進(jìn)制數(shù)的運算算術(shù)運算無符號數(shù)邏輯運算有符號數(shù)：算術(shù)運算321、無符號數(shù)的運算（1）算術(shù)運算：加法運算減法運算乘法運算除法運算33規(guī)則加法：11=0（有進(jìn)位）, 減法：01=1（有借位）, 乘法：, 乘以2相當(dāng)于左移1位； 除法：, 除以2則相當(dāng)于右移1位。例：00101110 B0000010 B = ? 00101110 B/00000010 B = ?34例：000010110100 =00101100 B000010110100 =00000010

14、B商=00000010 B即：余數(shù)=11B35（2）無符號數(shù)的表示范圍一個n位的無符號二進(jìn)制數(shù)X （Xn-1Xn-2X1X0）其表示范圍為：0 X 2n-1若運算結(jié)果超出這個范圍，則產(chǎn)生溢出。判別方法：運算時，當(dāng)最（Xn-1）向更有進(jìn)位（或借位）時則產(chǎn)生溢出。36例：1111111100000001+100000000結(jié)果超出位（最D7有進(jìn)位），發(fā)生溢出（結(jié)果為256，超出位二進(jìn)制數(shù)所能表示的范圍0255）37（3）邏輯運算與()、或()、非() 、異或()特點：按位運算，無進(jìn)借位運算規(guī)則.38邏輯運算的運用已知：數(shù)據(jù)D(D7D6D0)與()字節(jié)操作數(shù)據(jù)清0： D00H位操作D5位清0，其它位

15、不變：D11011111B或()字節(jié)操作數(shù)據(jù)置1： D0FFH位操作D5位置1，其它位不變：D00100000 B非()字節(jié)操作數(shù)據(jù)取反： D異或() 字節(jié)操作數(shù)據(jù)取反： D0FFH位操作D5位取反，其它位不變：D00100000B392、有符號數(shù)的運算（1）計算機(jī)中有符號數(shù)的表示：把二進(jìn)制數(shù)的最定義為符號位，其余為數(shù)值位符號位為 0 表示正數(shù)，符號位為 1 表示負(fù)數(shù)連同符號位一起數(shù)值化了的數(shù)，稱為機(jī)器數(shù)機(jī)器數(shù)所表示的真實的數(shù)值，稱為真值（在以下講述中，均以位二進(jìn)制數(shù)為例）40例：真值機(jī)器數(shù)+52 =B = 00110100 B符號位數(shù)值位-52 = -0110100 B = 10110100

16、 B41有符號數(shù)的機(jī)器表示對于有符號數(shù)，機(jī)器數(shù)常用的表示方法有原碼、反碼和補(bǔ)碼三種數(shù)X（真值）的原碼記作X原反碼記作X反補(bǔ)碼記作X補(bǔ)注意：對于正數(shù)，三種表示法均相同，它們的差別僅在于對負(fù)數(shù)的表示42原碼X原定義符號位：0表示正，1表示負(fù)；數(shù)值位：真值的絕對值。二進(jìn)制數(shù)：X n 2 L X 1 X 0 0-2n 1原碼：0 43原碼的例子符號符號位真值原碼X=+18=X=-18=-0010010X原X原=0=100100100010010n位原碼表示數(shù)值的范圍是：(2n1 1) (2n1 1)對應(yīng)的原碼是1111 0111。44數(shù)0的原碼8位數(shù)0的原碼：+0 = 0 0000000- 0 = 1

17、 0000000即：數(shù)0的原碼不唯一。45反碼X反定義若X0 ，則若X0， 則X補(bǔ)= X反= X原若X0， 則X補(bǔ)= X反+1=2n+XXn2 L X1 X0二進(jìn)制數(shù)：0 -2n1補(bǔ)碼：050例：X= 52= 0110100X原 = 10110100X反 = 11001011X補(bǔ) = X反+1=11001100n位補(bǔ)碼表示數(shù)值的范圍是2n1 (2n1 1)對應(yīng)的補(bǔ)碼是1000 0111。51數(shù)0的補(bǔ)碼：+0補(bǔ)= +0原=00000000-0補(bǔ)= -0反+1=11111111+1=100000000對8位字長，進(jìn)位被舍掉+0補(bǔ)= -0補(bǔ)= 00000000即：數(shù)0的補(bǔ)碼是唯一的。52特殊數(shù)100

18、00000該數(shù)在原碼中定義為： -0在反碼中定義為： -127在補(bǔ)碼中定義為： -128對無符號數(shù)：(10000000) = 128538位有符號數(shù)的表示范圍：對8位二進(jìn)制數(shù)：原碼： -127 +127反碼： -127 +127補(bǔ)碼： -128 +127：16位有符號數(shù)的表示范圍是多想少？54（2） 有符號二進(jìn)制數(shù)與十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換對用補(bǔ)碼表示的二進(jìn)制數(shù)：求出真值進(jìn)行轉(zhuǎn)換55例：將一個用補(bǔ)碼表示的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)1)X補(bǔ) = 0 0101110B正數(shù)所以：X=+46X補(bǔ) = 1 1010010B負(fù)數(shù)X = X補(bǔ)補(bǔ) = 11010010補(bǔ)= - 0101110B所以：X = - 46B真值為：

19、2)56（3）補(bǔ)碼加減法的運算規(guī)則通過引進(jìn)補(bǔ)碼，可將減法運算轉(zhuǎn)換為加法運算。規(guī)則如下：X+Y補(bǔ)=X補(bǔ)+Y補(bǔ)X-Y補(bǔ)=X補(bǔ)- Y補(bǔ)或 X-Y補(bǔ)=X補(bǔ)+ -Y補(bǔ)和：差:其中X，Y為正負(fù)數(shù)均可，符號位參與運算57補(bǔ)碼的運算原理模（module ） 就是一個計數(shù)系統(tǒng)的最大容量，其大小等于以進(jìn)位計數(shù)制基數(shù)為底，以位數(shù)為指數(shù)的冪。凡是用器件進(jìn)行的運算都是有模運算，運算結(jié)果超過模的部分被運算器自動丟棄。因此，當(dāng)器件為n位時，有:X=2n+X(mod 2n)不難驗證，X補(bǔ)=2n+X(mod 2n)因此，XY補(bǔ)= 2n+ (XY)(mod 2n)= (2n+ X)+ (2n+ X)= X補(bǔ)+ Y補(bǔ)(mod 2n

20、)58例：X=-0110100，Y=X原=10110100X補(bǔ)= X反+1=11001100Y補(bǔ)= Y原=01110100，求X+Y補(bǔ)所以： X+Y補(bǔ)= X補(bǔ)+ Y補(bǔ)=11001100=0100000059（4）有符號數(shù)運算中的溢出問題進(jìn)(借)位在加法過程中，符號位向更在減法過程中，符號位向更產(chǎn)生進(jìn)位；產(chǎn)生借位。溢出運算結(jié)果超出運算器所能表示的符號數(shù)范圍60溢出的判斷方法方法：同號相減或異號相加不會溢出。同號相加或異號相減可能溢出：兩種情況：同號相加時，結(jié)果符號與加數(shù)符號相反溢出；異號相減時，結(jié)果符號與減數(shù)符號相同溢出。方法：兩個帶符號二進(jìn)制數(shù)相加或相減時，若C7C61，則結(jié)果產(chǎn)生溢出。C7為

21、最的進(jìn)(借)位；C為次的進(jìn)(借)位。61例：有符號數(shù)運算，有溢出表示結(jié)果是錯誤的無符號數(shù)運算，有進(jìn)位表示結(jié)果超出范圍CASE1:1 0 1 1 0 1 0 1CASE2:0 1 0 0 0 0 1 0+ 1 0 0 0 1 1 1 11 0 1 0 0 0 1 0 0+ 0 1 1 0 0 0 1 11 0 1 0 0 1 0CASE3:+ 1 1 0 0 1 1 0 11 0 0 0 0 1 1 1 1四、十進(jìn)制數(shù)的運算1、十進(jìn)制數(shù)的機(jī)器表示BCD碼用4位二進(jìn)制數(shù)表示一位十進(jìn)制數(shù)。有兩種表示法：壓縮BCD碼和非壓縮BCD碼。壓縮BCD碼的每一位用4位二進(jìn)制表示， 00001001表示09，一

22、個字節(jié)表示兩位十進(jìn)制數(shù)。非壓縮BCD碼用一個字節(jié)表示一位十進(jìn)制數(shù)，高4位總是0000，低4位的 00001001表示09。632、BCD碼運算無論十進(jìn)制數(shù)采用什么樣的機(jī)器編碼方式，計算機(jī)自動按照二進(jìn)制運算，須編程對結(jié)果進(jìn)行十進(jìn)制調(diào)整（有的CPU直接提供十進(jìn)制運算指令，自動完成調(diào)整）BCD碼加法調(diào)整方法：當(dāng)?shù)停ɑ蚋撸?位數(shù)值超過9或向前有進(jìn)位（或借位）時，該4位數(shù)值補(bǔ)（加）664十進(jìn)制0二進(jìn)制001101110010111011110001001101010111100110111101111八進(jìn)制012345671011121314151617十六進(jìn)制0123456789A B C D EFB

23、CD 0110111001011101111000100110000100011001010011101001010110110123456789101112131415。11111111。255377FF10,0101,010165五、非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示計算機(jī)中除了能夠處理數(shù)值數(shù)據(jù)以外，還可以處理文字、語音、圖像等各種信息，這些信息統(tǒng)稱為非數(shù)值數(shù)據(jù)。非數(shù)值數(shù)據(jù)在計算機(jī)中也必須以二進(jìn)制形式表示，非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示本質(zhì)上是編碼的過程。66ASCII碼標(biāo)準(zhǔn)信息交換代碼ASCII 字符表注：H 表示高 3 位，L 表示低 4 位。67HL0000010100111001011101110000NULDL

24、ESP0Pp0001SOHDC1!1AQaq0010STXDC22BRbr0011ETXDC3#3CScs0100EOTDC4$4DTdt0101ENGNAK%5EUeu0110ACKSYN&6FVfv0111BELETB7GWgw1000BSCAN(8HXhx1001HTEM)9IYiy1010LFSUB*:JZjz1011VTESC+;Kk1100FFFS,Nn1111SIUS/?OASCII碼采用7位二進(jìn)制代碼對字符進(jìn)行編碼數(shù)字09的編碼是01100000111001（30H39H），它們的高3位均是011，后4位正好與其對應(yīng)的二進(jìn)制代碼（BCD碼）相符。英文字母AZ的ASCII碼從10

25、00001（41H）開始順序遞增，字母az的ASCII碼從1100001（61H）開始順序遞增，這樣的排列對信息檢索十分有利。通?？倿?，有時也用作奇偶校驗位。最68漢字編碼ASCII碼是計算機(jī)處理英文字符的編碼系統(tǒng)，如果想要計算機(jī)處理漢字信息，則要對漢字進(jìn)行編碼。顯然像字符那樣用8位編碼來表示漢字是不夠的，在計算機(jī)上輸入、處理漢字信息要采用不同的編碼方式。漢字編碼分為內(nèi)碼與外碼。外碼包括的輸入碼、打印碼、顯示碼等。輸入碼常用的有區(qū)位碼、拼音碼、五筆字型碼、自然碼等。內(nèi)碼是計算機(jī)處理漢字使用的編信息交換用的字符編碼GB碼，目前主要使用231280，稱為國標(biāo)碼。這個標(biāo)準(zhǔn)字符集共收錄漢字和圖形符號

26、7 445個。國標(biāo)碼中的字符采用兩個7位的字節(jié)表示（在計算機(jī)中采用兩個8位字節(jié)，每個字節(jié)最用0表示）。課程目標(biāo)微機(jī)原理是學(xué)習(xí)和掌握微機(jī)硬件知識和匯編語言程序設(shè)計的入門課程，包括以下幾個方面的內(nèi)容：微型計算機(jī)的基本工作原理匯編語言程序設(shè)計微型計算機(jī)接術(shù)建立微型計算機(jī)系統(tǒng)的整體概念，形成微機(jī)系統(tǒng)軟硬件開發(fā)的初步能力70課程安排第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章緒論微處理器體系與結(jié)構(gòu)80 x86指令系統(tǒng)80 x86匯編語言程序設(shè)計微處理器總線操作與時序半導(dǎo)體器輸入和輸出中斷計數(shù)器和定時器電路并行輸入輸出接口8255A第十一章第十二章第十三章串行通信及接口電路模/數(shù)、數(shù)/模接

27、Pentium微處理器術(shù)與編程71第1章 基礎(chǔ)知識主要內(nèi)容：微機(jī)計算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用；數(shù)據(jù)的表示方法；微型計算機(jī)結(jié)構(gòu)概述；721.1微機(jī)計算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用世界上第一臺現(xiàn)代意義的電子計算機(jī)是1946年賓夕法尼亞大學(xué)設(shè)計制造的”ENIAC”占地上百平方米重量幾千噸功耗幾十千瓦731.1微機(jī)計算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用電子計算機(jī)的發(fā)展：第一代：電子管計算機(jī)（1946-1956）第二代：晶體管計算機(jī)（1957-1964）第三代：中小規(guī)模集成電路計算機(jī)（1965-1970）第四代：超大規(guī)模集成電路計算機(jī)（1971-今）電子計算機(jī)按其性能分類：大型計算機(jī)/巨型計算機(jī)（Mainframe Computer）中型計算機(jī)p

28、uter）puter）小型計算機(jī)（微型計算機(jī)（單片計算機(jī)（Single-Chipputer）74二、計算機(jī)發(fā)展簡史使用的基本電子器件，計算機(jī)經(jīng)歷了四個階段：用機(jī)器語言、匯編語言編寫程用于軍事和國防尖端技術(shù)電子管計算機(jī)(19461956)開始使用高級語言開始用于工程技術(shù)、數(shù)據(jù)處理和其它科學(xué)領(lǐng)域晶體管計算機(jī)(19571964)主要特點采用微程序、流水線等技術(shù)，提高運行速度集成電路計算機(jī)(19651970) 出現(xiàn)操作系統(tǒng)、程序等采用半導(dǎo)體器超大規(guī)模集成電路計算機(jī)(1971至今)采用圖形界面操作系統(tǒng)器件速度更快,、外設(shè)更加豐富751. 根據(jù)1.1微機(jī)計算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用微型計算機(jī)的應(yīng)用：科學(xué)計算 ；數(shù)據(jù)

29、處理和管理 ；計算機(jī)控制 ；計算機(jī)輔助設(shè)計計算機(jī)輔助制造(CAD/CAM)；智能模擬 ；761.1微機(jī)計算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用77代年份字長(bits)型號線寬 (m)晶體管數(shù) (萬個)時鐘頻率 (MHz)速度 (MIPS)一197119724840048008500.20.310.05二0.52-40.5三19781982168086/8088802862-32.913.44.77-108-16300七2002？64Itanium0.13CPU:2.5KCache:30K800(20條指令/時鐘周期)3000el公司生產(chǎn)的80 x86為例：以78推出CPU寄存器位 數(shù)數(shù)據(jù)線寬 度地址線寬 度最大主

30、頻MHz代年1971.114004440.11972.41974.480088080888814160.221978.61979.61982.28086808880286202024108161985.101989.4803868048632323232323233661993.31995.111997.51999.2Pentium Pentium Pro Pentium IIPentium III32323232646464643232363610020045010001.2數(shù)據(jù)的表示方法重點理解特點；表示方法；相互間的轉(zhuǎn)換。79一、進(jìn)位計數(shù)制十進(jìn)制符合人們的二進(jìn)制便于物理實現(xiàn)十六進(jìn)制便于識

31、別、書寫八進(jìn)制801. 十進(jìn)制(標(biāo)識：后綴D或省略)特點：以十為底，逢十進(jìn)一；共有0-9十個數(shù)字符號(數(shù)碼)表示:（權(quán)展開式）D D10n1 D10n2 D 100n1n20 D 101 D10m1mn1imD i10i812. 二進(jìn)制(標(biāo)識：后綴B)特點：以2為底，逢2進(jìn)位；只有0和1兩個數(shù)字符號表示：（權(quán)展開式）(B) B 2n1B2n2 B 20n1n220B121Bm2mn1 Bi 2iim823. 十六進(jìn)制(標(biāo)識：后綴H)特點：以16為底，逢16進(jìn)位；有0-9及A-F共16個數(shù)字符號注：數(shù)據(jù)以字母（AF）開頭時，須面加“0”表示：（權(quán)展開式）(H)16 Hn1 16n1 Hn2 16

32、n2 H0 160 H1 161 Hm 16mn1 Hi 16iim83進(jìn)位計數(shù)制的一般表示按進(jìn)位的方法進(jìn)行計數(shù)，稱為進(jìn)位計數(shù)制。在進(jìn)位制中每個數(shù)規(guī)定使用的數(shù)碼符號的數(shù)量，稱為進(jìn)位基數(shù)，用R表示。使用R為基數(shù)的計數(shù)制稱為R進(jìn)制數(shù)，常用的有十進(jìn)制數(shù)、二進(jìn)制數(shù)、十六進(jìn)制數(shù)、八進(jìn)制數(shù)等。若每位數(shù)碼用 ai來表示（下標(biāo)i指示位數(shù)），則進(jìn)位計數(shù)制表示的方法如下：N=（an-1,an-2,ai, a1, a0 ）R（數(shù)碼）Rn-1,Rn-2, ,Ri, R1,R0（權(quán)值）84進(jìn)位計數(shù)制的一般表示建立了權(quán)值的概念后，對任意一個R進(jìn)制數(shù)N都可表示為:Rn1 aRn2(N ) a a R0n1n20k1 m a

33、1 R a m Rn1 a Riii m其中：ai - N的第i位數(shù)碼，可以是R個符號中任何一個；n,m - 含義同前；R - 基數(shù)；Ri - K進(jìn)制數(shù)的權(quán)85二、各進(jìn)制數(shù)間的轉(zhuǎn)換1. 非十進(jìn)制數(shù)到十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換按該數(shù)制的權(quán)表達(dá)式展開，再按十進(jìn)制求和例：10110010B =(?)1013FAH =(?)1086非十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)將基數(shù)為R的數(shù)（R進(jìn)制數(shù)）轉(zhuǎn)換成基數(shù)為10的數(shù)（十進(jìn)制數(shù)）的過程是根據(jù)下式中已知的ai求dj：a Rn aRn1L a R L a in1ni0mm1jdm 10 d10L d 10 L dm1j0這一過程比較簡單，只要將Ri和ai用十進(jìn)制表示，然后作十進(jìn)制運算

34、即要的結(jié)果。到需87非十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)例1： (1011.101)2 = 1 2 +1 2 +1 2 +1 2 +1 2310-1-3=(11.625)10例2： (2A4)16=2 162+4= 512+160+4= (676)10882. 十進(jìn)制到非十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換十進(jìn)制 二進(jìn)制的轉(zhuǎn)換：整數(shù)部分：除2取余；小數(shù)部分：乘2取整。十進(jìn)制 十六進(jìn)制的轉(zhuǎn)換：整數(shù)部分：除16取余；小數(shù)部分：乘16取整。以小數(shù)點為起點求得整數(shù)和小數(shù)的各個位893. 二進(jìn)制與十六進(jìn)制間的轉(zhuǎn)換用4位二進(jìn)制數(shù)表示1位十六進(jìn)制數(shù)以小數(shù)點為起點分別向左(整數(shù))、向右(小數(shù))進(jìn)行四位分組例： 10110001001.110B

35、= (?)H0101 1000 1001.1100左補(bǔ)0右補(bǔ)0589.C901.3二進(jìn)制數(shù)的運算無符號數(shù)算術(shù)運算有符號數(shù)邏輯運算91一、無符號數(shù)的運算算術(shù)運算包括：加法運算減法運算乘法運算除法運算921. 規(guī)則加法：11=0（有進(jìn)位）, 減法：01=1（有借位）, 乘法：, 乘以2相當(dāng)于左移1位； 除法：, 除以2則相當(dāng)于右移1位。例：00101110 B0000010 B = ? 00101110 B/00000010 B = ?93例：000010110100 =00101100 B000010110100 =00000010 B商=00000010 B即：余數(shù)=11B942. 無符號數(shù)的

36、表示范圍一個n位的無符號二進(jìn)制數(shù)X （Xn-1Xn-2X1X0）其表示范圍為：0 X 2n-1若運算結(jié)果超出這個范圍，則產(chǎn)生溢出。判別方法：運算時，當(dāng)最（Xn-1）向更有進(jìn)位（或借位）時則產(chǎn)生溢出。95例：1111111100000001+100000000結(jié)果超出位（最D7有進(jìn)位），發(fā)生溢出（結(jié)果為256，超出位二進(jìn)制數(shù)所能表示的范圍0255）963.邏輯運算與()、或()、非() 、異或()特點：按位運算，無進(jìn)借位運算規(guī)則.97邏輯運算的運用已知：數(shù)據(jù)D(D7D6D0)與()字節(jié)操作數(shù)據(jù)清0： D00H位操作D5位清0，其它位不變：D11011111B或()字節(jié)操作數(shù)據(jù)置1： D0FFH位

37、操作D5位置1，其它位不變：D00100000 B非()字節(jié)操作數(shù)據(jù)取反： D異或() 字節(jié)操作數(shù)據(jù)取反： D0FFH位操作D5位取反，其它位不變：D00100000B98二、有符號數(shù)計算機(jī)中有符號數(shù)的表示：把二進(jìn)制數(shù)的最定義為符號位，其余為數(shù)值位符號位為 0 表示正數(shù)，符號位為 1 表示負(fù)數(shù)連同符號位一起數(shù)值化了的數(shù)，稱為機(jī)器數(shù)機(jī)器數(shù)所表示的真實的數(shù)值，稱為真值（在以下講述中，均以位二進(jìn)制數(shù)為例）99例：真值機(jī)器數(shù)+52 =B = 00110100 B符號位數(shù)值位-52 = -0110100 B = 10110100 B1001.有符號數(shù)的表示對于有符號數(shù)，機(jī)器數(shù)常用的表示方法有原碼、反碼和

38、補(bǔ)碼三種數(shù)X（真值）的原碼記作X原反碼記作X反補(bǔ)碼記作X補(bǔ)注意：對于正數(shù)，三種表示法均相同，它們的差別僅在于對負(fù)數(shù)的表示101原碼X原定義符號位：0表示正，1表示負(fù)；數(shù)值位：真值的絕對值。Xn2 L X1 X0二進(jìn)制數(shù)：0 -2n1原碼：0 X102原碼的例子符號符號位真值原碼X=+18=X=-18=-0010010X原X原=0=100100100010010n位原碼表示數(shù)值的范圍是：(2n1 1) (2n1 1)對應(yīng)的原碼是1111 0111。103數(shù)0的原碼8位數(shù)0的原碼：+0 = 0 0000000- 0 = 1 0000000即：數(shù)0的原碼不唯一。104反碼X反定義若X0 ，則若X0，

39、 則X補(bǔ)= X反= X原若X0， 則X補(bǔ)= X反+1Xn2 L X1 X0二進(jìn)制數(shù)：0 -2n1補(bǔ)碼：0109例：X= 52= 0110100X原 = 10110100X反 = 11001011X補(bǔ) = X反+1=11001100n位補(bǔ)碼表示數(shù)值的范圍是2n1 (2n1 1)對應(yīng)的補(bǔ)碼是1000 0111。110數(shù)0的補(bǔ)碼：+0補(bǔ)= +0原=00000000-0補(bǔ)= -0反+1=11111111+1=100000000對8位字長，進(jìn)位被舍掉+0補(bǔ)= -0補(bǔ)= 00000000即：數(shù)0的補(bǔ)碼是唯一的。111特殊數(shù)10000000該數(shù)在原碼中定義為： -0在反碼中定義為： -127在補(bǔ)碼中定義為：

40、 -128對無符號數(shù)：(10000000) = 1281128位有符號數(shù)的表示范圍：對8位二進(jìn)制數(shù)：原碼： -127 +127反碼： -127 +127補(bǔ)碼： -128 +127：16位有符號數(shù)的表示范圍是多想少？1132. 有符號二進(jìn)制數(shù)與十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換對用補(bǔ)碼表示的二進(jìn)制數(shù)：求出真值進(jìn)行轉(zhuǎn)換114例：將一個用補(bǔ)碼表示的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)1)X補(bǔ) = 0 0101110B正數(shù)所以：X=+46X補(bǔ) = 1 1010010B負(fù)數(shù)X = X補(bǔ)補(bǔ) = 11010010補(bǔ)= - 0101110B所以：X = - 46B真值為：2)1153.補(bǔ)碼加減法的運算規(guī)則通過引進(jìn)補(bǔ)碼，可將減法運算轉(zhuǎn)換為加法運算

41、。規(guī)則如下：X+Y補(bǔ)=X補(bǔ)+Y補(bǔ)X-Y補(bǔ)=X補(bǔ)- Y補(bǔ)或 X-Y補(bǔ)=X補(bǔ)+ -Y補(bǔ)和：差:其中X，Y為正負(fù)數(shù)均可，符號位參與運算116補(bǔ)碼的運算原理模（module ） 就是一個計數(shù)系統(tǒng)的最大容量，其大小等于以進(jìn)位計數(shù)制基數(shù)為底，以位數(shù)為指數(shù)的冪。凡是用器件進(jìn)行的運算都是有模運算，運算結(jié)果超過模的部分被運算器自動丟棄。因此，當(dāng)器件為n位時，有:X=2n+X不難驗證，(mod 2n)X補(bǔ)=2n+X(mod 2n)因此，XY補(bǔ)= 2n+ (XY)(mod 2n)= (2n+ X)+ (2n+ X)= X補(bǔ)+ Y補(bǔ)(mod 2n)117例：X=-0110100，Y=X原=10110100X補(bǔ)= X反

42、+1=11001100Y補(bǔ)= Y原=01110100，求X+Y補(bǔ)所以： X+Y補(bǔ)= X補(bǔ)+ Y補(bǔ)=11001100=010000001184.符號數(shù)運算中的溢出問題進(jìn)(借)位在加法過程中，符號位向更在減法過程中，符號位向更產(chǎn)生進(jìn)位；產(chǎn)生借位。溢出運算結(jié)果超出運算器所能表示的符號數(shù)范圍119溢出的判斷方法方法：同號相減或異號相加不會溢出。同號相加或異號相減可能溢出：兩種情況：同號相加時，結(jié)果符號與加數(shù)符號相反溢出；異號相減時，結(jié)果符號與減數(shù)符號相同溢出。方法：兩個帶符號二進(jìn)制數(shù)相加或相減時，若C7C61，則結(jié)果產(chǎn)生溢出。C7為最的進(jìn)(借)位；C為次的進(jìn)(借)位。120例：有符號數(shù)運算，有溢出表示

43、結(jié)果是錯誤的無符號數(shù)運算，有進(jìn)位表示結(jié)果是錯誤的CASE1:1 0 1 1 0 1 0 1+ 1 0 0 0 1 1 1 11 0 1 0 0 0 1 0 0CASE2:0 1 0 0 0 0 1 0+ 0 1 1 0 0 0 1 11 0 1 0 0 1 0 1CASE3:0 1 0 0 0 0 1 0+ 1 1 0 0 1 1 0 11 0 0 0 0 1 1 1 1121運算電路與運算器BEAALA CLKEvCN NLB CLK122BW0 W6 W7US十進(jìn)制數(shù)的表示BCD碼用4位二進(jìn)制數(shù)表示一位十進(jìn)制數(shù)。有兩種表示法：壓縮BCD碼和非壓縮BCD碼。壓縮BCD碼的每一位用4位二進(jìn)制表

44、示， 00001001表示09，一個字節(jié)表示兩位十進(jìn)制數(shù)。非壓縮BCD碼用一個字節(jié)表示一位十進(jìn)制數(shù)，高4位總是0000，低4位的 00001001表示09。123BCD碼運算無論二進(jìn)制數(shù)采用什么樣的編碼方式，計算機(jī)自動按照二進(jìn)制運算，須編程對結(jié)果進(jìn)行十進(jìn)制調(diào)整（有的CPU直接提供十進(jìn)制運算指令，自動完成調(diào)整）BCD碼加法調(diào)整方法：當(dāng)?shù)停ɑ蚋撸?位數(shù)值超過9或向前有進(jìn)位（或借位）時，該4位數(shù)值補(bǔ)（加）6124十進(jìn)制0123456789101112131415二進(jìn)制001101110010111011110001001101010111100110111101111八進(jìn)制0123456710111

45、21314151617十六進(jìn)制0123456789A B C D EFBCD 0110111001011101111000100110000100011001010011101001010110110。(10,0101,0101)BCD。(255)D。11111111B。377Q1112。FFH非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示計算機(jī)中除了能夠處理數(shù)值數(shù)據(jù)以外，還可以處理文字、語音、圖像等各種信息，這些信息統(tǒng)稱為非數(shù)值數(shù)據(jù)。非數(shù)值數(shù)據(jù)在計算機(jī)中也必須以二進(jìn)制形式表示，非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示本質(zhì)上是編碼的過程。126ASCII碼標(biāo)準(zhǔn)信息交換代碼ASCII 字符表注：H 表示高 3 位，L 表示低 4 位。127HL0000010100111001011101110