微型計(jì)算機(jī)的組成與作用綜述課件

“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程主講人：羅印升

2011年9月7/24/20231

單片機(jī)原理與應(yīng)用

性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)課考核方式：考試學(xué)時(shí)：56

學(xué)分：3.57/24/20232學(xué)習(xí)參考教材：《單片微型機(jī)—原理、應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)》

編著：張友德等第五版復(fù)旦大學(xué)出版社參考書：1、《單片機(jī)原理與應(yīng)用及C51程序設(shè)計(jì)》

謝維成，清華大學(xué)出版社2、《單片微型計(jì)算機(jī)與接口技術(shù)》

李群芳等，電子工業(yè)出版社3、《單片機(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)》

馬忠梅等，北京航空航天大學(xué)出版社參考網(wǎng)址

周立功單片機(jī)4.

單片機(jī)學(xué)習(xí)網(wǎng)站7/24/20233課程目標(biāo)1.

建立起微型機(jī)、單片機(jī)的一般組成概念；2.理解單片機(jī)硬件系統(tǒng)各部分的構(gòu)成及工作原理；3.熟練掌握單片機(jī)指令系統(tǒng)、匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)方法；4.熟練掌握單片機(jī)硬件擴(kuò)展及調(diào)試方法；5.熟練掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、程序編寫與調(diào)試；6.掌握單片機(jī)的C語(yǔ)言開發(fā)與調(diào)試方法?？己朔绞狡綍r(shí)（作業(yè)、考勤和課外）、實(shí)驗(yàn)：30%期末考試： 70%7/24/20234本課程學(xué)習(xí)的幾點(diǎn)建議：

本課程是一門實(shí)踐性、應(yīng)用性很強(qiáng)的技術(shù)性課程聽(tīng)懂遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,重在實(shí)踐動(dòng)手動(dòng)腦、提高應(yīng)用能力。硬件/軟件同樣重要、不可偏廢

硬件是基礎(chǔ)，軟件是靈魂，相互配合，組成系統(tǒng)。先行基礎(chǔ)課程：電路、模擬電路、數(shù)字電路

這方面知識(shí)掌握得不夠好的同學(xué)請(qǐng)自己復(fù)習(xí)。預(yù)習(xí)、聽(tīng)課、復(fù)習(xí)思考、作業(yè)、實(shí)踐環(huán)環(huán)都重要用科學(xué)的方法學(xué)習(xí)，善于總結(jié)、歸納，提高效率。7/24/20235第1章微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)

1.1微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述

1.2計(jì)算機(jī)中的數(shù)制與編碼

1.3計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示與編碼7/24/20236本章知識(shí)點(diǎn)與要求1.理解微型計(jì)算機(jī)的組成、各部分的作用及工作原理與過(guò)程。2.了解單片機(jī)的產(chǎn)生、應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)，理解單片機(jī)的特點(diǎn)。3.掌握進(jìn)位計(jì)數(shù)制的表示及其相互轉(zhuǎn)換方法。4.掌握機(jī)器數(shù)及其表示方法和運(yùn)算。7/24/20237以控制器和運(yùn)算器為核心、以存儲(chǔ)程序原理為基礎(chǔ)運(yùn)算器輸出設(shè)備控制器輸入設(shè)備存儲(chǔ)器指令驅(qū)動(dòng)指令流控制命令數(shù)據(jù)流1.1微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)7/24/20238

1.微型計(jì)算機(jī)的組成與作用

微處理器、內(nèi)存儲(chǔ)器，總線，I/o口—主機(jī)、主機(jī)板7/24/20239

1.微型計(jì)算機(jī)的組成與作用

微型機(jī)主機(jī)板，接口7/24/202310存儲(chǔ)器I/O接口輸入設(shè)備I/O接口地址總線AB輸出設(shè)備CPU數(shù)據(jù)總線DB控制總線CBI/O接口AB:AddressBus，DB:DataBus，CB:ControlBus

運(yùn)算器、控制器合在一起稱中央處理單元(CPU)，整個(gè)cpu集成在一塊電路芯片上時(shí)稱微處理器Microprocessor）。

1.微型計(jì)算機(jī)的組成與作用

7/24/202311

1.微型計(jì)算機(jī)的組成與作用

7/24/202312

2.微型機(jī)的工作原理

(1)

指令的執(zhí)行過(guò)程7/24/202313

2.微型機(jī)的工作原理

取指令指令譯碼取操作數(shù)執(zhí)行指令存結(jié)果問(wèn)題：1.CPU如何知道從哪里取出程序的第一條指令？——操作系統(tǒng)2.CPU如何按程序控制流執(zhí)行指令？——程序計(jì)數(shù)器3.CPU如何知道從哪里取操作數(shù)？——地址、尋址方式

(1)

指令的執(zhí)行過(guò)程7/24/202314

2.微型機(jī)的工作原理

地址寄存器AR累加器A加法器數(shù)據(jù)寄存器DR指令寄存器IR指令譯碼器ID時(shí)序邏輯電路時(shí)序控制信號(hào)（控制命令）1011000000000101000001000000100011110100內(nèi)部總線存儲(chǔ)器01234程序計(jì)數(shù)器PC地址MOVA,5ADDA,8HLT地址總線+1③地址譯碼器讀寫控制電路④輸出地址10110000⑦鎖存指令鎖存數(shù)據(jù)⑥置初值①②輸出指令地址鎖存地址②讀寫命令⑤⑧指令譯碼鎖存輸出(1)

指令的執(zhí)行過(guò)程7/24/202315

2.微型機(jī)的工作原理

bit（位，比特）1個(gè)二進(jìn)制位，信息的基本單位。bByte（字節(jié)）由相鄰的8個(gè)二進(jìn)制位組成，通常存儲(chǔ)器以字節(jié)為單位存儲(chǔ)信息。KB，MB，GB，TBWord（字）計(jì)算機(jī)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送、處理的基本單位。一個(gè)字包含的二進(jìn)制位數(shù)稱字長(zhǎng)。計(jì)算機(jī)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。一般由2個(gè)字節(jié)構(gòu)成。(2)

常用術(shù)語(yǔ)7/24/202316

3.單片微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用

單片微型計(jì)算機(jī)是SingleChipMicrocomputer的直譯，它忠實(shí)地反映了早期單片微機(jī)的形態(tài)和本質(zhì)。單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī)(SingleChipMicrocomputer)，在一塊半導(dǎo)體芯片上集成了中央處理器（CPU）、一定容量的存儲(chǔ)器（ROM和RAM）、輸入輸出（I/O）接口、定時(shí)器／計(jì)數(shù)器和中斷系統(tǒng)等微型計(jì)算機(jī)的基本部件，構(gòu)成的一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)。通常又稱微控制器（MicroControllerUnit）,或者嵌入式微控制器(Embedded

MicroController)。(1)

單片機(jī)概念7/24/202317(2)

單片機(jī)發(fā)展過(guò)程以8位機(jī)為起點(diǎn)，大體可劃分為三個(gè)階段：1947~1978）初級(jí)階段，1976IntelMCS-481978~1983）提高階段，1980IntelMCS-511983年以后、微控制器，1983IntelMCS-96

3.單片微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用

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3.單片微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用

低檔型：8021、8022MCS—48

基本型：8048、8748、8038(從1976年起)改進(jìn)型：8049、8749、80398050、

8750、8040

基本型：8051、8751、8031MCS—51

改進(jìn)型：8052、8752、8032(從1980年起)低功耗型：80C51、87C51、80C31

強(qiáng)性能型：83C252、87C252、80C252

早期產(chǎn)品：8X9X（8096）MCS—96

改進(jìn)型：8X9XBH、8X9XJF(從1983年起)新產(chǎn)品：8098（準(zhǔn)）強(qiáng)功能型：80C196、80C198（準(zhǔn)）7/24/202319

3.單片微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用

(3)51系列單片機(jī)

MCS-51的典型型號(hào)80c51、CHMOS，工業(yè)控制。隨后，Atmel、Philips等申請(qǐng)了版權(quán)，生產(chǎn)了與80c51兼容的單片機(jī)系列，AT89c51/s51/c52/s52等等，這些產(chǎn)品也稱為80c51系列，這樣把與80c51內(nèi)核相同的單片機(jī)及MCS-51系列單片機(jī)統(tǒng)稱為51系列單片機(jī)。

功能上：51系列單片機(jī)分基本型、增強(qiáng)型，分別在單片機(jī)型號(hào)的末尾數(shù)字用1和2表示。片內(nèi)ROM4KB→8KB；片內(nèi)RAM128B→256B

定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2個(gè)→3個(gè)；中斷源5個(gè)→6個(gè)。7/24/202320

3.單片微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用

工藝上：51系列單片機(jī)有HMOS型和CHMOS型，前者芯片型號(hào)中無(wú)字母“C”，芯片各I/O口引腳電平與TTL電平兼容；后者在芯片型號(hào)中加字母“C”標(biāo)記，其芯片各I/O引腳既與TTL電平兼容，又與CMOS電平兼容。

片內(nèi)程序存儲(chǔ)器配置上:

有四種，即無(wú)ROM(－)、掩膜ROM、EPROM、FlashROM。根據(jù)它們的特點(diǎn)和不同的應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行選擇。

7/24/202321

在系統(tǒng)可編程:

AT89C51由Atmel1989年推出，有4KBFlashROM。AT89S51是AT89C51的改進(jìn)版，AT89S52是AT89S51的增強(qiáng)型。帶“S”的系列產(chǎn)品具有“在系統(tǒng)可編程ISP(InSystemProgramming)”功能，即用戶可以在不拔下單片機(jī)芯片時(shí)，通過(guò)下載電路直接對(duì)芯片內(nèi)的Flash在系統(tǒng)中編程的功能?？蛇M(jìn)行并行編程，也可進(jìn)行串行編程。

3.單片微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用

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3.單片微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用

(4)

單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

資源更豐富;性能更高;存儲(chǔ)容量更大;功耗更低。

(5)

單片機(jī)的應(yīng)用

①工業(yè)控制領(lǐng)域。②機(jī)電一體化產(chǎn)品。③智能化儀器儀表。④信息通信技術(shù)領(lǐng)域。⑤智能交通系統(tǒng)。⑥家用電器領(lǐng)域。7/24/202323

3.單片微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用

7/24/2023241.2.1進(jìn)位計(jì)數(shù)制及其轉(zhuǎn)換1.2.2計(jì)算機(jī)中的編碼

1.2計(jì)算機(jī)中的數(shù)制與編碼

了解各種計(jì)數(shù)制的特點(diǎn)及表示方法；掌握各種計(jì)數(shù)制之間的相互轉(zhuǎn)換。掌握碼制的概念、BCD碼和ASCII碼7/24/202325十進(jìn)制——符合人們的習(xí)慣。D，Decimal二進(jìn)制——便于物理實(shí)現(xiàn)。B，Binary十六進(jìn)制——便于識(shí)別、書寫。H，Hexadecimal

常用進(jìn)位計(jì)數(shù)制：

1.2.1進(jìn)位計(jì)數(shù)制及其轉(zhuǎn)換

我們每天都在和數(shù)字打交道，大家最熟悉的數(shù)制是十進(jìn)制數(shù)，它有0～9十個(gè)基本的數(shù)碼、逢10進(jìn)1。計(jì)算機(jī)識(shí)別、記憶0、1組成的數(shù)。二者之間如何溝通？

7/24/202326一般地，對(duì)任意一個(gè)K進(jìn)制數(shù)S都可表示為:其中：

Si

--

S的第i位數(shù)碼，可以是K個(gè)符號(hào)中任何一個(gè)；

n,m–

整數(shù)和小數(shù)的位數(shù)；

K

--

基數(shù)；

Ki

--K進(jìn)制數(shù)的權(quán)1.任意K進(jìn)制數(shù)的表示

1.2.1進(jìn)位計(jì)數(shù)制及其轉(zhuǎn)換7/24/202327

1.2.1進(jìn)位計(jì)數(shù)制及其轉(zhuǎn)換表1-1

數(shù)0～15的四種不同進(jìn)位制的表示對(duì)照十進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制數(shù)八進(jìn)制數(shù)十六進(jìn)制數(shù)十進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制數(shù)八進(jìn)制數(shù)十六進(jìn)制數(shù)00000B0Q0H81000B10Q8H10001B1Q1H91001B11Q9H20010B2Q2H101010B12QAH30011B3Q3H111011B13QBH40100B4Q4H121100B14QCH50101B5Q5H131101B15QDH60110B6Q6H141110B16QEH70111B7Q7H151111B17QFH7/24/202328非十進(jìn)制數(shù)→

十進(jìn)制數(shù)：

規(guī)則：

按相應(yīng)的權(quán)表達(dá)式展開，再按十進(jìn)制求和。例1-1：

24.AH=2×16+4×160+A×16-1=36.625注：A～F分別用10～15代入2.進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換

1.2.1進(jìn)位計(jì)數(shù)制及其轉(zhuǎn)換例1-2：1011101B轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。7/24/202329十進(jìn)制→二進(jìn)制：規(guī)則：整數(shù)：除以2、取余數(shù)，余數(shù)逆序排列；小數(shù)：乘以2、取整數(shù)，整數(shù)順序排列。十進(jìn)制

→

十六進(jìn)制：規(guī)則：整數(shù)：除以16、取余數(shù)，余數(shù)逆序排列；小數(shù)：乘以16、取整數(shù)，整數(shù)順序排列。以小數(shù)點(diǎn)為起點(diǎn)求得整數(shù)和小數(shù)的每一位。

1.2.1進(jìn)位計(jì)數(shù)制及其轉(zhuǎn)換注：十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成任意K進(jìn)制數(shù)與上類似，整：除以

K取余，小數(shù)：乘K取整。2.進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換7/24/2023302.進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換

1.2.1進(jìn)位計(jì)數(shù)制及其轉(zhuǎn)換【例題1-3】

將十進(jìn)制數(shù)123.375轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。解：依照上述基本方法有

整數(shù)部分小數(shù)部分—————————————————————

123/2=61余數(shù)=10.375×2=0.75整數(shù)部分=061/2=30余數(shù)=10.75×2=1.5整數(shù)部分=130/2=15余數(shù)=00.5×2=1.0整數(shù)部分=115/2=7余數(shù)=17/2=3余數(shù)=13/2=1余數(shù)=11/2=0余數(shù)=1

最終轉(zhuǎn)換結(jié)果（123.375）10=(1111011.011)2

7/24/202331

1.2.1進(jìn)位計(jì)數(shù)制及其轉(zhuǎn)換【例題1-4】

將十進(jìn)制數(shù)455.65625轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)。解：整數(shù)部分小數(shù)部分

—————————————————————455/16=28余數(shù)=70.65625×16=10.50000整數(shù)部分=10(A)28/16=1余數(shù)=C0.5×16=8.00000整數(shù)部分=81/16=0余數(shù)=1最終轉(zhuǎn)換結(jié)果（455.65625）10=(1C7.A8)16

2.進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換

7/24/202332

1.2.1進(jìn)位計(jì)數(shù)制及其轉(zhuǎn)換2.進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換

二進(jìn)制數(shù)與十六進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換1位十六進(jìn)制數(shù)可用4位二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示，這樣二進(jìn)制數(shù)與十六進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換就很方便。二進(jìn)制數(shù)→十六進(jìn)制數(shù)方法是：從小數(shù)點(diǎn)開始，向左和向右把整數(shù)和小數(shù)部分每4位分為一組。整數(shù)部分最高位的一組不足4位，在其左邊補(bǔ)0到4位；小數(shù)部分最低位的一組不足4位，在其右邊補(bǔ)0到4位。然后將每組二進(jìn)制數(shù)用對(duì)應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)代替，即得到轉(zhuǎn)換結(jié)果。十六進(jìn)制數(shù)→二進(jìn)制數(shù)方法與二進(jìn)制數(shù)到十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程相反，將每一位十六進(jìn)制數(shù)用對(duì)應(yīng)的4位二進(jìn)制數(shù)取代即可。7/24/202333

1.2.2碼制字符、符號(hào)和十進(jìn)制數(shù)最終都必須轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制格式的代碼，即信息和數(shù)據(jù)的二進(jìn)制編碼。根據(jù)信息對(duì)象的不同，計(jì)算機(jī)中的編碼方式（碼制）也不同，常見(jiàn)的碼制有BCD碼和ASCII碼。1.二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)

二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)是對(duì)十進(jìn)制數(shù)采用二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行編碼，即十進(jìn)制數(shù)的二進(jìn)制編碼。這種編碼既具有二進(jìn)制數(shù)的形式（由0和1組成），又有十進(jìn)制數(shù)的特點(diǎn)（逢十進(jìn)一），我們稱它為二—十進(jìn)制碼（Bianry—CodedDecimal，BCD），也稱BCD碼。BCD碼有8421碼、5421碼、2421碼、余3碼等。最常用的一種BCD碼即8421碼。

7/24/202334（1）BCD碼與十進(jìn)制數(shù)、二進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換

將十進(jìn)制數(shù)的每一位用對(duì)應(yīng)的BCD碼來(lái)代替，即可完成十進(jìn)制數(shù)到BCD碼的轉(zhuǎn)換。反之，即可完成由BCD碼到十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換?！纠}1-5】將十進(jìn)制數(shù)125.26用BCD碼表示解：(125.26)10=(000100100110.00100110)BCDBCD碼與二進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換要稍微麻煩些，需要借助十進(jìn)制數(shù)作為中間橋梁進(jìn)行轉(zhuǎn)換。【例題1-6】將BCD碼(00100011.000100100101)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)解：(00100011.000100100101)BCD=(23.125)10=(10111.001)2

1.2.2碼制7/24/202335（2）BCD碼在計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)方式

計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)單元通常以字節(jié)（8位二進(jìn)制數(shù)）為單位，在一個(gè)字節(jié)中如何存放BCD碼有兩種方式，即壓縮的BCD碼和非壓縮的BCD碼。

一個(gè)BCD碼有4個(gè)二進(jìn)制位，所以在一個(gè)字節(jié)中可存放2個(gè)BCD碼，這種存儲(chǔ)方式稱為壓縮BCD碼表示法。以壓縮BCD碼表示十進(jìn)制數(shù)時(shí)，一個(gè)字節(jié)表示2位十進(jìn)制數(shù)。在一個(gè)字節(jié)中若低4位為BCD碼，高4位全為0，這種存放形式稱為非壓縮的BCD碼形式。

1.2.2碼制7/24/202336（3）BCD碼的運(yùn)算

BCD碼的加法運(yùn)算：BCD碼的低位與高位之間是“逢十進(jìn)一”，而4位二進(jìn)制數(shù)（即十六進(jìn)制）是“逢十六進(jìn)一”。因此，用二進(jìn)制加法器進(jìn)行BCD碼加法運(yùn)算時(shí)，若BCD碼的各位之和在0～9之間，則其加法運(yùn)算和二進(jìn)制運(yùn)算規(guī)則一致，即結(jié)果是正確的；若BCD碼的各位之和大于9或者產(chǎn)生進(jìn)位，則此位需要“加6修正”。【注意】多位BCD碼運(yùn)算時(shí)，每一位均需要按上述方法修正。

BCD碼的減法運(yùn)算：BCD碼的低位向高位借位是“借一當(dāng)十”，而4位二進(jìn)制數(shù)（即十六進(jìn)制）是“借一當(dāng)十六”。因此，進(jìn)行BCD碼減法運(yùn)算時(shí)，若某位有借位時(shí)，則此位需要“減6修正”。

1.2.2碼制7/24/202337

1.2.2碼制【例題1-7】

設(shè)有兩個(gè)BCD碼，X=01010010(52D)，

Y=01111001(79D)，求X+Y=?

解：

高位

低位進(jìn)位

向高位進(jìn)位↓

X=0101↓

0010+）

Y=01111001————————————————————中間結(jié)果

0110001011（雖無(wú)進(jìn)位，結(jié)果均大于9）修正

+）

01100110———————————————————————

10011[1]0001結(jié)果=131D7/24/2023382.字符的編碼

目前在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中普遍采用的字符編碼系統(tǒng)是制定于1963年的美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼，簡(jiǎn)稱ASCII碼（AmericanStandardCodedforInformationInterchange，ASCII）。

ASCII碼是用7位二進(jìn)制數(shù)編碼來(lái)表示128個(gè)字符和符號(hào)，一個(gè)ASCII碼存放在一個(gè)字節(jié)的低7位，字節(jié)的最高位為0。

1.2.2碼制

ASCII碼表中：96個(gè)是圖形字符，可以在字符印刷或顯示設(shè)備上打印出來(lái)或顯示出來(lái)。包括10個(gè)數(shù)字符號(hào)0～9（ASCII碼是30H～39H）、26個(gè)英文大寫字母A～Z(ASCII碼是41H～5AH)、26個(gè)英文小寫字母a～z(ASCII碼是61H～7AH)。

7/24/202339

1.2.2碼制

在通信中常在7位ASCII碼的最高位之前加上1位作奇偶校驗(yàn)位，以確定數(shù)據(jù)傳輸是否正確。

奇偶校驗(yàn)有奇校驗(yàn)和偶校驗(yàn)。偶校驗(yàn)的含義是，包括校驗(yàn)位在內(nèi)的所有為1的位數(shù)之和為偶數(shù)。例如字母A的ASCII碼1000001B的偶校驗(yàn)碼是01000001B；同理，奇校驗(yàn)的含義是包括校驗(yàn)位在內(nèi)的所有為1的位數(shù)之和為奇數(shù)。

7/24/202340

1.3計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示與運(yùn)算

計(jì)算機(jī)中的數(shù)按數(shù)的性質(zhì)分:有整數(shù)(無(wú)符號(hào)整數(shù)、有符號(hào)整數(shù))和小數(shù)（定點(diǎn)數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)）；按符號(hào)來(lái)分：有符號(hào)數(shù)（正數(shù)、負(fù)數(shù)）和無(wú)符號(hào)數(shù)。主要介紹二進(jìn)制有符號(hào)數(shù)的表示、運(yùn)算和無(wú)符號(hào)數(shù)的運(yùn)算。1.3.1機(jī)器數(shù)及其表示方法

1.

無(wú)符號(hào)數(shù)的表示及范圍用來(lái)表示數(shù)的符號(hào)的數(shù)位稱為符號(hào)位。無(wú)符號(hào)數(shù)沒(méi)有符號(hào)位，數(shù)的所有數(shù)位Dn-1~D0均為數(shù)值位。其表示形式為：

Dn-1Dn-2D0

n位的無(wú)符號(hào)二進(jìn)制數(shù)X

，它可以表示的數(shù)的范圍為

。若結(jié)果超出了數(shù)的可表示范圍，則會(huì)產(chǎn)生溢出，出錯(cuò)。7/24/202341

1.3計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示與運(yùn)算

2.有符號(hào)數(shù)的表示有符號(hào)數(shù)由符號(hào)位和數(shù)值位兩部分組成，如下圖所示。數(shù)學(xué)中的正、負(fù)用符號(hào)“+”、“－”來(lái)表示，在計(jì)算機(jī)中規(guī)定：用“0”表示“+”、用“1”表示“－”。這樣數(shù)的符號(hào)位在計(jì)算機(jī)中已經(jīng)數(shù)碼化了。符號(hào)位被數(shù)碼化了的數(shù)就稱為機(jī)器數(shù)，把原來(lái)的數(shù)值稱為機(jī)器數(shù)的真值。如：一個(gè)字節(jié)的數(shù)

00000111、10000011就是機(jī)器數(shù)，而+0000111、－0000011就是機(jī)器數(shù)的真值。

Dn-1Dn-2D0符號(hào)位數(shù)值…部分

圖有符號(hào)數(shù)的表示形式計(jì)算機(jī)中的有符號(hào)數(shù)或者說(shuō)機(jī)器數(shù)有三種表示形式，即原碼、反碼和補(bǔ)碼。

7/24/202342

1.3計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示與運(yùn)算

對(duì)于符號(hào)數(shù)、機(jī)器數(shù)，數(shù)X的原碼記作[X]原，反碼記作[X]反，補(bǔ)碼記作[X]補(bǔ)。

注意：對(duì)正數(shù)，三種表示法均相同。它們的差別在于對(duì)負(fù)數(shù)的表示。最高位為符號(hào)位，用“0”表示正，用“1”表示負(fù)；數(shù)值部分照原樣寫出即可。

0的表示不唯一。數(shù)X的原碼[X]原定義7/24/202343

1.3計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示與運(yùn)算

n位原碼表示數(shù)值的范圍是：

對(duì)應(yīng)的原碼是1111～0111真值：X=+18=+0010010X=-18=-0010010原碼：[X]原

=00010010[X]原

=10010010符號(hào)位符號(hào)位2.有符號(hào)數(shù)的表示7/24/2023442.有符號(hào)數(shù)的表示[X]反對(duì)一個(gè)數(shù)X：若X>0，則[X]反=[X]原若X<0，則[X]反=對(duì)應(yīng)原碼的符號(hào)位不變，數(shù)值部分按位求反。X=-52D=-0110100B[X]原=10110100[X]反=11001011[X]反=

n位反碼表示數(shù)值范圍

1.3計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示與運(yùn)算

7/24/2023452.有符號(hào)數(shù)的表示[X]補(bǔ)定義：若X>=0，則[X]補(bǔ)=[X]反=[X]原若X<=0，則[X]補(bǔ)=[X]反+1

模或者模數(shù)（Module）的概念，把一個(gè)計(jì)量器的容量，稱為?；蛘吣?shù)，記為M或者modM。

一個(gè)n位的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器（或者存儲(chǔ)單元或者寄存器），它的容量為2n，即它的模為2n（可以表示2n個(gè)不同的數(shù)，）字長(zhǎng)為n的計(jì)算機(jī)中，數(shù)2n和0的表示形式一樣。

1.3計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示與運(yùn)算

7/24/202346

1.3計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示與運(yùn)算

X=–52D=–0110100B[X]原=10110100[X]反=11001011[X]補(bǔ)=[X]反+1=11001100

[+0]補(bǔ)=[+0]原=00000000[-0]補(bǔ)=[-0]反+1=11111111+1=100000000

n位補(bǔ)碼表示數(shù)值的范圍是7/24/202347

1.3計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示與運(yùn)算

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：-128對(duì)無(wú)符號(hào)數(shù)，（10000000）B=1287/24/202348

1.3計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示與運(yùn)算

定點(diǎn)數(shù)：小數(shù)點(diǎn)位置固定不變的數(shù)。小數(shù)點(diǎn)的位置：純小數(shù)純整數(shù)3.定點(diǎn)數(shù)的表示…符號(hào)Xn-1Xn-2X1小數(shù)點(diǎn)位置符號(hào)Xn-1Xn-2X1小數(shù)點(diǎn)位置……7/24/202349

1.3計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示與運(yùn)算

一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)的表示由階碼和尾數(shù)兩部分組成，尾數(shù)是純小數(shù)，其格式如下圖所示。以二進(jìn)制數(shù)為例N=±S×2±j，S稱為N的尾數(shù)，表示N的全部有效數(shù)字，決定N的精度；j稱為數(shù)N的階碼、為整數(shù)，指明小數(shù)點(diǎn)的位置，決定數(shù)N的大小范圍。Dn-1Dn-2D0階碼的符號(hào)位階碼數(shù)值部分尾數(shù)的符號(hào)位尾數(shù)數(shù)值部分4.浮點(diǎn)數(shù)的表示7/24/202350

1.3計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示與運(yùn)算

1.3.2計(jì)算機(jī)中數(shù)的運(yùn)算

1.無(wú)符號(hào)數(shù)的運(yùn)算

無(wú)符號(hào)二進(jìn)制數(shù)的溢出判斷

兩個(gè)無(wú)符號(hào)二進(jìn)制數(shù)加法（或減法）時(shí)，若最高有效位產(chǎn)生進(jìn)位（或借位），則產(chǎn)生溢出。也就是結(jié)果超出了數(shù)的可表示范圍。

加、減、乘、除運(yùn)算7/24/202351

1.3計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示與運(yùn)算

2.有符號(hào)數(shù)的運(yùn)算

通過(guò)引進(jìn)補(bǔ)碼，可將減法運(yùn)算轉(zhuǎn)換為加法運(yùn)算。即：[X+Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[Y]補(bǔ)

[X-Y]補(bǔ)=[X+(-Y)]補(bǔ)

=[X]補(bǔ)+[-Y]補(bǔ)其中：X，Y為正負(fù)數(shù)均可，符號(hào)位參與運(yùn)算。[XY]補(bǔ)=

2n+

2n+(XY)(mod2n) =(2n+X)+(2nY)(mod2n) =[X]補(bǔ)+[Y]補(bǔ)7/24/202352

1.3計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示與運(yùn)算

2.有符號(hào)數(shù)的運(yùn)算

【例題1-8】

已知X=+50，Y=+64

求[X－Y]補(bǔ)=？解：先求[X]補(bǔ)和[－Y]補(bǔ)

X=＋50=00110010B[X]補(bǔ)=00110010B

―Y=―64=11000000B[－Y]補(bǔ)=11000000B

[X]補(bǔ)＋[－Y]補(bǔ)=00110010

＋

11000000__________________11110010B[X－Y]補(bǔ)=11110010B=－14，50－64=―14，說(shuō)明減法運(yùn)算的結(jié)果和用補(bǔ)碼做加法運(yùn)算的結(jié)果一致。7/24/202353

1.3計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示與運(yùn)算

3.有符號(hào)數(shù)的運(yùn)算溢