微機(jī)原理基本概念

問題一市場(chǎng)上常見的主流處理器結(jié)構(gòu)有ARM，POWERPC，X86，MIPS，DSP等，他們有什么不同？問題二什么是微機(jī)？按綜合性能指標(biāo)分1.巨型計(jì)算機(jī)2.大型計(jì)算機(jī)3.中型計(jì)算機(jī)4.小型計(jì)算機(jī)5.微型計(jì)算機(jī)區(qū)別:巨：同時(shí)執(zhí)行數(shù)百萬用戶的指令，一般用于國家新聞中心(E.GCCTV)，國防，軍事大：同時(shí)執(zhí)行數(shù)萬用戶的指令，一般較大網(wǎng)站的服務(wù)器屬于此類?。和瑫r(shí)執(zhí)行數(shù)百用戶的指令，一般學(xué)校，中小企業(yè)/辦公室網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器微：一般單用戶，也可執(zhí)行數(shù)用戶的指令，PC機(jī)/筆記本/工作站第一章緒論1.1概述1.2運(yùn)算基礎(chǔ)1.3微型計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)1.1概述1.1.1微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展第一階段(4/8位機(jī))是1971～1973年，微處理器有4004、4040、8008。1971年Intel公司研制出MCS4微型計(jì)算機(jī)（CPU為4040，四位機(jī)）。后來又推出以8008為核心的MCS-8型。

第二階段(8位機(jī))是1973～1977年，微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展和改進(jìn)階段。微處理器有8080、8085、M6800、Z80。初期產(chǎn)品有Intel公司的MCS一80型（CPU為8080，八位機(jī)）。后期有TRS-80型（CPU為Z80）和APPLE-II型（CPU為6502），在八十年代初期曾一度風(fēng)靡世界。

第三階段是1978～1983年，十六位微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展階段，微處理器有8086、8088、80186、80286、M68000、Z8000。微型計(jì)算機(jī)代表產(chǎn)品是IBM-PC（CPU為8086）。本階段的頂峰產(chǎn)品是APPLE公司的Macintosh(1984年)和IBM公司的PC／AT286(1986年)微型計(jì)算機(jī)。

第四階段便是從1983年開始為32位微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展階段。微處理器相繼推出80386、80486。386、486微型計(jì)算機(jī)是初期產(chǎn)品。1993年，Intel公司推出了Pentium系列的微處理器。

第五階段(64位機(jī))2003年9月，AMD公司發(fā)布了面向臺(tái)式機(jī)的64位處理器：Athlon64和Athlon64FX，標(biāo)志著64位機(jī)的到來。。

由此可見，微型計(jì)算機(jī)的性能主要取決于它的核心器件——微處理器（CPU）的性能。

1.1.2微型計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)1、體積小、重量輕、功耗低2、價(jià)格便宜3、可靠性高4、功能強(qiáng)、使用方便5、維護(hù)方便1.1.3微型計(jì)算機(jī)的字長字節(jié)字字長:CPU能同時(shí)處理的二進(jìn)制位數(shù),決定了計(jì)算機(jī)的運(yùn)算精度和運(yùn)算速度.1.2運(yùn)算基礎(chǔ)1.2.1進(jìn)位計(jì)數(shù)制進(jìn)位計(jì)數(shù)制:數(shù)制是以表示數(shù)值所用的數(shù)字符號(hào)的個(gè)數(shù)來命名的（如：10011101B1234/1234D572Q2F0AH）,凡是按進(jìn)位方式計(jì)數(shù)的數(shù)制就被稱為進(jìn)位計(jì)數(shù)制。基數(shù):進(jìn)制中允許選用的的基本數(shù)碼的個(gè)數(shù)。位權(quán):就是在某個(gè)固定位置上的計(jì)數(shù)單位。任何進(jìn)制的數(shù)可以寫成按權(quán)展開的多項(xiàng)式和的形式如123.45=1×102＋2×101＋3×100＋4×10-1＋5×10-2

1.2.2二進(jìn)制計(jì)算機(jī)內(nèi)部,采用二進(jìn)制,因?yàn)?.容易實(shí)現(xiàn).算術(shù)四則運(yùn)算規(guī)則簡(jiǎn)單.可進(jìn)行二值邏輯運(yùn)算1.2.3各進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換舉例1、任意進(jìn)制數(shù)→十進(jìn)制數(shù)例：11001B=1×24＋1×23＋0×22＋0×21＋1×100=25325.7Q=3×82＋2×81＋5×80＋7×8-1

4F5.C2H=4×162＋15×161＋5×160＋12×16-1＋2×16-22、十進(jìn)制數(shù)→任意進(jìn)制數(shù)例：將十進(jìn)制數(shù)25.625轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。

225余數(shù)整數(shù)212K0=10.625×2=1.25k-1=126K1=01.25×2=0.5k-2=023K2=00.5×2=1k-3=121K3=10K4=1故25.625對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)為11001.101B3、十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制,十六進(jìn)制的方法同十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制,/16或/8或*16或*8。4、二進(jìn)制、八進(jìn)制、十六進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換例：1100010.1101111B=142.674Q1100010.1101111B=62.DEH142.674Q=001100010.110111100B4F5.C2H=010011110101.11000010B1.2.4計(jì)算機(jī)中帶符號(hào)數(shù)的表示方法幾個(gè)概念:無符號(hào)數(shù)帶符號(hào)數(shù)機(jī)器數(shù)真值機(jī)器數(shù)是帶符號(hào)位和數(shù)值位一起用二進(jìn)制編碼來表示的數(shù)，它的數(shù)值稱為機(jī)器數(shù)的真值。機(jī)器數(shù)的三種表示方法:

原碼表示法

反碼表示法

補(bǔ)碼表示法一、原碼表示法

數(shù)的最高位表示數(shù)的符號(hào)，數(shù)值部分是數(shù)的絕對(duì)值，也稱真值，這種表示法稱為原碼表示法。

1．對(duì)于正數(shù)：符號(hào)位用0表示，數(shù)字位同真值。2．對(duì)于負(fù)數(shù)：符號(hào)位用1表示，數(shù)字位同真值。

例x＝+91＝+10l1011B[x]原=01011011B

例y＝-91＝-1011011B[y]原=11011011B

“0”的表示：[+0]原=00000000B[-0]原=10000000B對(duì)于8位機(jī)，原碼可表示的數(shù)的范圍：-127～+127二、反碼表示法

數(shù)的最高位表示數(shù)的符號(hào)，數(shù)值部分對(duì)于正數(shù)同真值，對(duì)于負(fù)數(shù)是真值各位取反，這種表示法就叫反碼表示法。1．對(duì)于正數(shù)：符號(hào)位用0表示，數(shù)字位同真值。2．對(duì)于負(fù)數(shù)：符號(hào)位用1表示，數(shù)字位為真值按位取反。例x＝+91＝+10l1011B[x]反=01011011B

例y＝-91＝-1011011B[y]反=10100100B

“0”的表示：[+0]反=00000000B[-0]反=11111111B對(duì)于8位機(jī)，反碼可表示的數(shù)的范圍：-127～+127三、補(bǔ)碼表示法

1．對(duì)于正數(shù)：符號(hào)位用0表示，數(shù)字位同真值。2．對(duì)于負(fù)數(shù)：符號(hào)位用1表示，數(shù)字位為它的反碼末位加1。例x＝+91＝+10l1011B[x]補(bǔ)=01011011B

例y＝-91＝-1011011B[y]補(bǔ)=10100100B+1=10100101B例x＝+8＝+0001000B[x]補(bǔ)=00001000B

例y＝-8＝-0001000B[y]補(bǔ)=11110111B+1=11111000B

從這兩個(gè)例子中得到如下規(guī)律：對(duì)一個(gè)數(shù)的補(bǔ)碼連同符號(hào)位在內(nèi)求反加1，即為其相反數(shù)的補(bǔ)碼。例已知[+X]補(bǔ)=01000110B，則[-X]補(bǔ)=?

[-X]補(bǔ)=10111010B

“0”的表示：[+0]補(bǔ)=00000000B[-0]補(bǔ)=00000000B對(duì)于8位機(jī)，補(bǔ)碼可表示的數(shù)的范圍：-128～+127使用機(jī)器數(shù)要注意:

機(jī)器數(shù)是二進(jìn)制數(shù)，由于符號(hào)位占據(jù)一位，因此有符號(hào)的數(shù)的形式值不等于真正的數(shù)值。特別對(duì)于負(fù)數(shù)的表示形式，原碼形式最高位的1表示負(fù)號(hào)，不是數(shù)，數(shù)值部分是數(shù)的真正值；而反碼和補(bǔ)碼就連數(shù)值部分也不是數(shù)本身了。所以，若要計(jì)算一個(gè)負(fù)數(shù)的機(jī)器數(shù)為十進(jìn)制的多少時(shí)，只有負(fù)數(shù)的原碼的數(shù)值部分才可展開按權(quán)相加。

四、計(jì)算機(jī)引入補(bǔ)碼的好處

引入補(bǔ)碼,可以使減法運(yùn)算轉(zhuǎn)化為加法運(yùn)算，簡(jiǎn)化了運(yùn)算器的線路設(shè)計(jì)。在計(jì)算機(jī)中，減法可以通過加補(bǔ)碼來實(shí)現(xiàn)；乘法可以通過一系列移位相加來實(shí)現(xiàn)；除法則可以通過一系列移位加補(bǔ)碼來實(shí)現(xiàn)。

因此，計(jì)算機(jī)中只需要一個(gè)加法器就可完成運(yùn)算。五、補(bǔ)碼運(yùn)算

（１）補(bǔ)碼加法規(guī)則：[X+Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[Y]補(bǔ)

當(dāng)兩個(gè)帶符號(hào)數(shù)采用補(bǔ)碼形式進(jìn)行加法運(yùn)算時(shí)，把符號(hào)和數(shù)值一起運(yùn)算（若有進(jìn)位丟掉），結(jié)果為兩數(shù)之和的補(bǔ)碼

（２）補(bǔ)碼減法規(guī)則：[X-Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[-Y]補(bǔ)例：已知[X]補(bǔ)=11101011B，[Y]補(bǔ)=11001010B，求[X+Y]補(bǔ)和[X-Y]補(bǔ)解：[-Y]補(bǔ)=00110110B[X+Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[Y]補(bǔ)=11101011B+11001010B=10110101B[X-Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[-Y]補(bǔ)=11101011B+00110110B=00100001B

[X+Y]補(bǔ)和[X-Y]補(bǔ)均無溢出.判斷是否溢出的方法:正負(fù)判斷法與雙高法

六、溢出及判斷（１）運(yùn)算結(jié)果不能超出機(jī)器數(shù)所能表示的范圍，否則運(yùn)算結(jié)果不正確，按溢出處理。（２）溢出的判斷：異號(hào)相加不會(huì)出現(xiàn)溢出同號(hào)相減不會(huì)出現(xiàn)溢出負(fù)加負(fù)和應(yīng)該為負(fù)，若為正溢出正加正和應(yīng)該為正，若為負(fù)溢出1.2.5計(jì)算機(jī)中數(shù)的小數(shù)點(diǎn)表示方法

一個(gè)二進(jìn)制數(shù)1010.01B可表示為:1010.01B=24×0.101001B

那么,任意一個(gè)二進(jìn)制數(shù)N,可表示為:N=2j×S

j----階碼,指明小數(shù)點(diǎn)的位置。

s----尾數(shù),表示數(shù)N的全部有效數(shù)字。（1/2≤S＜1）對(duì)任何一個(gè)數(shù)，若階碼j總是固定不變的，則把這種表示法稱為數(shù)的定點(diǎn)表示。如果階碼j可以取不同的值，則把這種表示稱為數(shù)的浮點(diǎn)表示。

1.定點(diǎn)表示若定點(diǎn)計(jì)算機(jī)的階碼j＝0，則該定點(diǎn)數(shù)只能是小數(shù)，其表示的格式為:

數(shù)符.數(shù)值小數(shù)點(diǎn)的位置在符號(hào)位與尾數(shù)部分最高位之間。若為8位機(jī),其能表示的數(shù)的范圍:－0.1111111B～＋0.1111111B即－(1-2－7)≤X≤1-2－7還以8位機(jī)為例,若定點(diǎn)計(jì)算機(jī)的階碼j＝7，則該定點(diǎn)數(shù)只能是整數(shù)，其表示的格式為:

數(shù)符

數(shù)值.小數(shù)點(diǎn)的位置在符號(hào)位與數(shù)值位之后。8位機(jī)能表示的數(shù)的范圍:－1111111B～＋1111111B即－(27－1)≤X≤27－12.浮點(diǎn)表示階符階碼數(shù)符.數(shù)碼

若浮點(diǎn)計(jì)算機(jī)的字長為13位，階符為1位，階碼為3位，數(shù)符為1位，數(shù)碼為8位，則所能表示數(shù)的范圍是：

01111．11111111～01110．1111llll即－27×（1-2－8）～＋27×（1-2－8）若階符1位、階碼m位、數(shù)符1位、數(shù)碼n位，則表示范圍：211…1×(－0.111…1)～211…1×(＋0.111…1)m個(gè)1n個(gè)1m個(gè)1n個(gè)1應(yīng)當(dāng)注意，浮點(diǎn)數(shù)的正負(fù)號(hào)是由尾數(shù)的正負(fù)號(hào)決定的，而階碼的正負(fù)號(hào)只決定小數(shù)點(diǎn)的位置，即決定浮點(diǎn)數(shù)的絕對(duì)值大小。1.2.6常用的二進(jìn)制編碼一、BCD碼（二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)）

每一位十進(jìn)制數(shù)用4位二進(jìn)制編碼來表示。如：(12)BCD=00010010B*BCD碼不是二進(jìn)制數(shù)，比如12=00001100B二、ASCII碼（二進(jìn)制編碼的符號(hào)）

采用7位二進(jìn)制碼對(duì)一個(gè)字符進(jìn)行編碼，可表示128個(gè)字符，每個(gè)ASCII碼在機(jī)器中占1個(gè)字節(jié)，最高位常為0。當(dāng)作符號(hào)的數(shù)字0～9的ASCII碼：30H～39H字母A～Z的ASCII碼：41H～5AH字母a～z的ASCII碼：61H～7AH

三、國標(biāo)碼