微型計(jì)算機(jī)概述

第1章微型計(jì)算機(jī)概述

主要內(nèi)容

?1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用

■?2微型計(jì)算機(jī)的組成

■L3計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)信息的表示方法

o1.4算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算基礎(chǔ)

2011年8月30日星期二

微型計(jì)算機(jī)是一種能自動、高速、精確地處理信息的現(xiàn)代

化電子設(shè)備，具有算術(shù)運(yùn)算和邏輯判斷能力，并能通過預(yù)先編

好的程序來自動完成數(shù)據(jù)的加工處理，因此，可以說計(jì)算機(jī)也

是一種幫助人類從事腦力勞動的工具。對于學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)專業(yè)的

學(xué)生來說，了解計(jì)算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用領(lǐng)域，熟悉計(jì)算機(jī)的組成

結(jié)構(gòu)和信息在計(jì)算機(jī)中表示的方法十分必要。

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1.1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展

(1946-1957)電子管計(jì)算機(jī)

特點(diǎn)：體積大，耗電量多，發(fā)出操作命

令，運(yùn)行速度慢，存儲容量小。

(1959-1964)晶體管計(jì)算機(jī)

特點(diǎn)：體積減小，重量減輕，可靠性能

提高，運(yùn)行速度每秒可達(dá)百萬次。

(1965-1970年)中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)

/L特點(diǎn)：體積更小、速度快、精度高、功

能強(qiáng)、計(jì)算機(jī)成本進(jìn)一步下降。

大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)

特點(diǎn)：速度更快、集成度更高、軟件豐

富、有通訊功能、軟硬件密切配。

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k----------------------

，LL2計(jì)算機(jī)的分類

按照原理不同，可分為模擬計(jì)算機(jī)和電子數(shù)字計(jì)算機(jī)；而根據(jù)其

用途，可分為通用計(jì)算機(jī)和專用計(jì)算機(jī)等。

目前更常用的一種分類方法是按照運(yùn)算速度、字長、存儲性能等

綜合指標(biāo)，將計(jì)算機(jī)分為巨型機(jī)、小巨型機(jī)、大型機(jī)、小型機(jī)、工作

站、微型計(jì)算機(jī)6類。

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運(yùn)算速度字長

運(yùn)算速度是衡量計(jì)算機(jī)性能的在其他指標(biāo)相同時(shí)，字長越］

一項(xiàng)重要指標(biāo)。一般說來，主大計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的速度就［

頻越高，運(yùn)算速度就越快。越快。I

評價(jià)計(jì)算機(jī)性

的指標(biāo)

外存儲器的容量內(nèi)存儲器的容量

內(nèi)存儲器，也簡稱主存，是［

外存儲器容量通常是指硬盤容CPU可以直接訪問的存儲］

量（包括內(nèi)置硬盤和移動硬盤久J

）

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.1.4微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用

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1.2微型計(jì)算機(jī)的組成

一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大

部分組成。硬件是計(jì)算機(jī)物質(zhì)基礎(chǔ)，硬件系統(tǒng)主要由主機(jī)

（CPU、主存儲器）和外部設(shè)備（輸入/輸出設(shè)備、輔存）構(gòu)

成。軟件是支持計(jì)算機(jī)工作的程序，它需要人根據(jù)機(jī)器的硬

件結(jié)構(gòu)和要解決的實(shí)際問題預(yù)先編制好，并且輸入到計(jì)算機(jī)

的主存中，軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件等組成。硬件和

軟件是一個(gè)有機(jī)的整體，必須協(xié)同工作才能發(fā)揮計(jì)算機(jī)的作

用。

1.2.1微型計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)構(gòu)成的計(jì)算機(jī)必須具有如下特征:

必須能夠記憶程序、數(shù)據(jù)、中曰七一十夕正的會、吧爐

同件里后導(dǎo)線:云留線里具有兀成各種算術(shù)、邏輯

I」一口果及取-L"中果運(yùn)算和數(shù)據(jù)傳送等數(shù)據(jù)加

「工處理的能力。

程序和數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中以

二進(jìn)制的方式執(zhí)行。

4

-指令由操作碼和地址碼

能夠根據(jù)需要控制程序走向；組成。

并能根據(jù)指令控制機(jī)器的各部

件協(xié)調(diào)操作。

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微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成由小到大可分為微處理器、微型計(jì)算

機(jī)和微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，如圖：

微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

圖12微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

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出接口（I/O接口）與輸入/輸出設(shè)備（I/O設(shè)備）組成，各組成部分之間通

過系統(tǒng)總線聯(lián)系起來。

1.微處理器組成：控制器、運(yùn)算器、寄存器組。

2.系統(tǒng)總線包括：地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線。

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計(jì)算機(jī)只能處理二進(jìn)制的0和1,因此必須將數(shù)值、字符、

聲音、圖形和圖像、視頻等各種信息轉(zhuǎn)換成為計(jì)算機(jī)能夠接

受和處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)可處理的數(shù)值、文字、圖、

聲音、視頻，甚至各種模擬信息量等數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)

部，主要表示成定點(diǎn)數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)、邏輯數(shù)、字符、字符串等

形式，并且都必須采用數(shù)字化編碼。

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.3.1進(jìn)位計(jì)數(shù)制及其轉(zhuǎn)換

數(shù)制即表示數(shù)的方法，按進(jìn)位的原則進(jìn)行計(jì)數(shù)的數(shù)制稱為進(jìn)位計(jì)

數(shù)制，簡稱“進(jìn)制”。在計(jì)算機(jī)的數(shù)制中，要掌握3個(gè)概念，即數(shù)碼、

基數(shù)和位權(quán)。

1.數(shù)碼

數(shù)碼是指一個(gè)數(shù)制中表示基本數(shù)值大小的不同數(shù)字的記數(shù)符號。

2.基數(shù)

基數(shù)是指一個(gè)數(shù)制所使用數(shù)碼的個(gè)數(shù)。

3.位權(quán)

位權(quán)是指一個(gè)數(shù)制中某一位上的1所表示數(shù)值的大小。

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不同數(shù)進(jìn)制之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換應(yīng)遵循轉(zhuǎn)換原則。轉(zhuǎn)換原則是：兩個(gè)有

理數(shù)如果相等，則有理數(shù)的整數(shù)部分和分?jǐn)?shù)部分一定分別相等。也就

是說，若轉(zhuǎn)換前兩數(shù)相等，轉(zhuǎn)換后仍必須相等。

1）二進(jìn)制、八進(jìn)制、十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)

按權(quán)相乘相加，即各數(shù)位與相應(yīng)位權(quán)值相乘以后再相加即為對應(yīng)

的十進(jìn)制數(shù)。

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二進(jìn)制轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制:

舉例:

32

(11001.1)2=1X24+1X2+0X2+0X21+1X2°+1X2一】

=16+8+0+0+1+0.5

=(25.5)10

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八進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù):

舉例:

(305.13)8=3X82+0義8】+5X80+lX8T+3X8-2

=192+0+5+0.125+0.046875

=(197.171875)10

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十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)

舉例:

(10B.E5)16=1X162+0X16i+HX16°+14X16T+5X16一2

=256+0+11+0.875+0.01953125

=(267.89453125)10

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，+講制海轉(zhuǎn)換為一講制.

y2)十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為一進(jìn)制數(shù)

舉例：(75.453)=(1001011.0111)

1.0乙2

算法如下所示：

整數(shù)部分小數(shù)部分

275取余數(shù)0.453取整數(shù)

低X2

2371

2181▲0.906

2￥02

2T11.812

20X2

2T0-1.624

X2

01高

1，248

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其他進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換：

八進(jìn)制轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。八進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)所使用

的轉(zhuǎn)換原則是“一位拆三位”，即把一位八進(jìn)制數(shù)對應(yīng)于三位

二進(jìn)制數(shù)，然后按順序連接即可

二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)。二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)可概

括為“三位并一位”，即從小數(shù)點(diǎn)開始向左右兩邊以每三位為

一組，不足三位時(shí)補(bǔ)0,然后每組改成等值的一位八進(jìn)制數(shù)即可。

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二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)。二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)的

轉(zhuǎn)換原則是“四位并一位”，即以小數(shù)點(diǎn)為界，整數(shù)部分從右向

左每4位為一組，若最后一組不足4位，則在最高位前面添0補(bǔ)足4

位，然后從左邊第一組起，將每組中的二進(jìn)制數(shù)按權(quán)數(shù)相加得到

對應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)，并依次寫出即可；小數(shù)部分從左向右每4位

為一組，最后一組不足4位時(shí)，尾部用0補(bǔ)足4位，然后按順序?qū)?/p>

出每組二進(jìn)制數(shù)對應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)。

十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)。十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)的

轉(zhuǎn)換原則是“一位拆四位”，即把1位十六進(jìn)制數(shù)寫成對應(yīng)的4位

二進(jìn)制數(shù)，然后按順序連接即可。

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在計(jì)算機(jī)中參加運(yùn)算的數(shù)有正負(fù)之分，通常在計(jì)算機(jī)

中用戶乂0乂/2''力『1來表示一個(gè)二進(jìn)制數(shù)，并規(guī)定當(dāng)Xo=O

時(shí)X為正數(shù)，X°=l時(shí)X為負(fù)數(shù)。機(jī)器數(shù)可以有不同的表示方

法。對有符號數(shù)，機(jī)器數(shù)常用的表示方法有原碼、反碼和

補(bǔ)碼。

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1.原碼

最高位表示符號、數(shù)值位用二進(jìn)制絕對值表示的方法,

便為原碼表示方法。

原碼的定義為：

=IX0<

X原一團(tuán)

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2.反碼

正數(shù)的反碼表示與原碼相同；負(fù)數(shù)的反碼是將其對應(yīng)的正數(shù)各

位（連同符號位）取反得到，或?qū)⑵湓a除符號位各位取反得到。

反碼的定義為：

X0<7<2?1'1

2機(jī)】-1-因-2N-1</<0

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3.補(bǔ)碼

正數(shù)的補(bǔ)碼表示與原碼相同；負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼是將對應(yīng)的正數(shù)各位

（連同符號位）取反加1（最低位加1）而得到的，或?qū)⑵湓a除符號

位外各位取反加1而得到。

補(bǔ)碼的定義為：

X0</<2"-1

八=

2"“-團(tuán)

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.3.3定點(diǎn)表示與浮點(diǎn)表示

定點(diǎn)表示就是小數(shù)點(diǎn)在數(shù)中的位置是固定不變的；而浮點(diǎn)則是表

示小數(shù)點(diǎn)的位置是浮動的。

1.定點(diǎn)表示

任何一個(gè)二進(jìn)制數(shù)都可以表示成一個(gè)純整數(shù)或純小數(shù)與一個(gè)2的

正數(shù)次幕的乘積的形式：

N=2Pxs

其中：S表示全部有效數(shù)字，稱為N的尾數(shù)；P稱為N的階碼，它指

明了小數(shù)點(diǎn)的位置；2稱為階碼的底。P和S均為用二進(jìn)制表示的數(shù)。

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1）定點(diǎn)整數(shù)

當(dāng)p=0且尾數(shù)為純整數(shù)時(shí)，定點(diǎn)數(shù)只能表示整數(shù)。形式為:

SfS

數(shù)符尾數(shù)S為純整數(shù)小數(shù)點(diǎn)在最低位后

通常數(shù)符0表示正數(shù)，I表示負(fù)數(shù)，尾數(shù)常以原碼表示。

2）定點(diǎn)小數(shù)

當(dāng)P=0且尾數(shù)為純小數(shù)時(shí)，定點(diǎn)數(shù)只能表示純小數(shù)。形式為:

Sfs

數(shù)符小數(shù)點(diǎn)在數(shù)值位的最前面尾數(shù)S為純小數(shù)

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2.浮點(diǎn)表示

如果階碼P不為0,且可以在一定范圍內(nèi)取值，這樣的數(shù)稱為浮

點(diǎn)數(shù)。形式為：

PfPsfs

iffr

階符階碼數(shù)符尾數(shù)

階碼常用補(bǔ)碼表示法，尾數(shù)常為原碼表示的純小數(shù)。浮點(diǎn)數(shù)的格式、

字長因機(jī)器而異。對于一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)，如N=2i0X0.1001,它在計(jì)算機(jī)中

的表示形式為：

階符階碼數(shù)符尾數(shù)

由于在浮點(diǎn)法中，小數(shù)點(diǎn)的位置不是固定的，因此在要求數(shù)值

不變的情況下，小數(shù)點(diǎn)往左移一位，相應(yīng)階碼加1。

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1.4算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算基礎(chǔ)

1.4.1補(bǔ)碼加減運(yùn)算

補(bǔ)碼的加減法運(yùn)算規(guī)則：

［X士Y］補(bǔ)=［X］補(bǔ)+［土Y］補(bǔ)

其中，X、Y為正、負(fù)數(shù)均可。該式說明，無論加法還是減法運(yùn)算，都可由補(bǔ)

碼的加法運(yùn)算實(shí)現(xiàn)，運(yùn)算結(jié)果（和或差）也以補(bǔ)碼表示。若運(yùn)算結(jié)果不產(chǎn)生

溢出，且最高位（符號位）為0,則表示結(jié)果為正數(shù)；最高位為L則結(jié)果為

負(fù)數(shù)。

1.補(bǔ)碼加法

運(yùn)算公式為：

［X+Y］補(bǔ)=［X］補(bǔ)+［Y］補(bǔ)

2.補(bǔ)碼減法

運(yùn)算公式為：

［X］補(bǔ)-［Y］補(bǔ)=［X_Y］補(bǔ)

通過［Y］補(bǔ)求得［-Y］補(bǔ)，可以將減法運(yùn)算轉(zhuǎn)化為補(bǔ)碼的加法運(yùn)算，運(yùn)

算公式為：

［X-Y］補(bǔ)=［X］補(bǔ)+［-Y］補(bǔ)

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運(yùn)算過程中，運(yùn)算結(jié)果超出了數(shù)的表示范圍的現(xiàn)象稱為溢出。若

運(yùn)算結(jié)果為正，絕對值超過表示范圍時(shí)，稱為正溢；運(yùn)算結(jié)果為負(fù)，

絕對值超過表示范圍時(shí)'稱為負(fù)溢。

(1)對于加法，只有正數(shù)加正數(shù)和負(fù)數(shù)加負(fù)數(shù)兩種情況下才會產(chǎn)

生溢出，符號不同的兩個(gè)數(shù)相加不會產(chǎn)生溢出。

(2)對于減法，只有正數(shù)減負(fù)數(shù)和負(fù)數(shù)減正數(shù)兩種情況下才會產(chǎn)

生溢出，符號相同的兩個(gè)數(shù)相減不會產(chǎn)生溢出。

因此，在判斷溢出時(shí)，可以根據(jù)參加運(yùn)算的兩個(gè)數(shù)據(jù)和結(jié)果的符號進(jìn)

行。判斷溢出常采用的方法之一是用雙符號位進(jìn)行運(yùn)算。

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.4.2邏輯運(yùn)算

計(jì)算機(jī)的邏輯運(yùn)算主要是與、或、非、異或等運(yùn)算。

L"與”運(yùn)算(AND)

“與”運(yùn)算又稱邏輯乘，用符號“?”或“八”來表示。運(yùn)算規(guī)則如下：

0A0=0OA1=O1A0=01Al=l

即當(dāng)兩個(gè)參與運(yùn)算的數(shù)中有一個(gè)數(shù)為0,則運(yùn)算結(jié)果為0,都為1結(jié)果為1。

2.“或”運(yùn)算(0R)

“或”運(yùn)算又稱邏輯加，用符號“+”或“V”表示。運(yùn)算規(guī)則如下：

0V0=0OV1=11VO=11V1=1

即當(dāng)兩個(gè)參與運(yùn)算的數(shù)中有一個(gè)數(shù)為1,則運(yùn)算結(jié)果為1,都為0結(jié)果為0。

3.“非”運(yùn)算(NOT)

非運(yùn)算NOT由符號表示。如果數(shù)值為1,則它的非運(yùn)算結(jié)果為0；如果數(shù)

值為0,則它的非運(yùn)算結(jié)果為1。

4.“異或”運(yùn)算(XOR)

異或運(yùn)算通常用符號“十”表示?！爱惢颉边\(yùn)算的規(guī)則如下：

0十0二00十1二11十0二11十1二0

即當(dāng)兩個(gè)參與運(yùn)算的數(shù)取值相異時(shí)，運(yùn)算結(jié)果為1,否則為0。

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移位運(yùn)算包含有邏