《微機原理與接口技術》第3版 課件 01 計算機系統(tǒng)概述

微機原理與接口技術（第3版）1計算機系統(tǒng)概述計算機中的數(shù)據(jù)表示與編碼邏輯電路基礎計算機系統(tǒng)概述例題解析計算機最重要的功能是處理信息，如數(shù)值、文字、符號、語音、圖形和圖像等。在計算機內部，各種信息都必須采用數(shù)字化的形式被存儲、加工與傳送。1.1計算機中的數(shù)據(jù)表示與編碼1計算機系統(tǒng)概述數(shù)值數(shù)據(jù)：用于表示數(shù)量的大小，具有確定的數(shù)值；非數(shù)值數(shù)據(jù)：沒有確定的數(shù)值，它主要表示字符、漢字、邏輯數(shù)組等。1.1.1數(shù)與數(shù)制1.進位計數(shù)法與數(shù)制十進制：逢十進一，借一當十1.1計算機中的數(shù)據(jù)表示與編碼1計算機系統(tǒng)概述(234.13)10=2×102+3×101+4×100+1×10-1+3×10-2位權圖1.1十進制數(shù)的位權

2.二進制、八進制和十六進制1.1計算機中的數(shù)據(jù)表示與編碼1計算機系統(tǒng)概述二進制：(110.11)2=1×22+1×21+0×20+1×2-1+1×2-2八進制：(123.45)8=1×82+2×81+3×80+4×8-1+5×8-2十六進制：(1B.E5)16=1×161+B×160+E×16-1+5×16-2n位整數(shù)、m位小數(shù)的任意r進制數(shù)N的通式：1.1計算機中的數(shù)據(jù)表示與編碼1計算機系統(tǒng)概述十進制二進制八進制十六進制00000001000111200102230011334010044501015560110667011177810001089100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F表1.1十進制、二進制、八進制和十六進制數(shù)碼對照表

3.數(shù)制轉換

(1)r進制數(shù)轉換為十進制數(shù)

1.1計算機中的數(shù)據(jù)表示與編碼1計算機系統(tǒng)概述例1.1把二進制數(shù)101.11轉換成相應的十進制數(shù)。解(101.11)2=1×22+0×21+1×20+1×2-1+1×2-2

=4+0+1+0.5+0.25

=(5.75)10r進制數(shù)的通式：1.1計算機中的數(shù)據(jù)表示與編碼1計算機系統(tǒng)概述例1.2把八進制數(shù)123.54轉換成相應的十進制數(shù)。解(123.54)8=1×82+2×81+3×80+5×8-1+4×8-2=64+16+3+0.625+0.0625=(83.6875)101.1計算機中的數(shù)據(jù)表示與編碼1計算機系統(tǒng)概述例1.4將十進制數(shù)97轉換成十六進制數(shù)。解(97)10=(61)16(2)十進制數(shù)轉換為r進制數(shù)例1.3將十進制數(shù)25轉換成二進制數(shù)。解(25)10=(11001)21.1計算機中的數(shù)據(jù)表示與編碼1計算機系統(tǒng)概述例1.5將十進制小數(shù)0.8125轉換成二進制小數(shù)。解(0.8125)10=(0.1101)21.1計算機中的數(shù)據(jù)表示與編碼1計算機系統(tǒng)概述例1.6將十進制小數(shù)25.8125轉換成二進制數(shù)。解運算過程如下:

(25)10=(11001)2

(0.8125)10=(0.1101)2由此可得：

(25.8125)10=(11001.1101)2例1.7將二進制數(shù)(11010110.11)2轉換為八進制數(shù)。解(11010110.11)2=(326.6)81.1計算機中的數(shù)據(jù)表示與編碼1計算機系統(tǒng)概述例1.8將八進制數(shù)(25.4)8轉換為二進制數(shù)。解(25.4)8=(10101.1)2例1.9將二進制數(shù)(111101.101)2轉換為十六進制數(shù)。解(111101.101)2=(3D.A)16例1.10將十六進制數(shù)(1FC7.958)16轉換為二進制數(shù)。解(1FC7.958)16=(1111111000111.100101011)21.1計算機中的數(shù)據(jù)表示與編碼1計算機系統(tǒng)概述十進制數(shù)：D(Decimal)來表示；八進制數(shù)：O(Octal)來表示；十六進制數(shù)：H(Hexadecimal)來表示。二進制數(shù)：B(Binary)來表示；1.1.2數(shù)據(jù)格式1.定點數(shù)表示法

2.浮點數(shù)表示法

1.1計算機中的數(shù)據(jù)表示與編碼1計算機系統(tǒng)概述EsE1E2……EmMSM1M2……Mn階符階碼數(shù)符尾數(shù)01101011例：尾數(shù)為4位，階碼為2位，則二進制數(shù)x=0.1011×2+11的浮點數(shù)表示形式：1.1計算機中的數(shù)據(jù)表示與編碼1計算機系統(tǒng)概述31302923

220

SESEM32位浮點數(shù)64位浮點數(shù)63626152

510

SESEMIEEE754浮點數(shù)存儲格式1.1.3二進制數(shù)的編碼及運算

機器碼：一個數(shù)在機器（計算機）中的表示形式。

真值：一般書寫表示的實際數(shù)值數(shù)據(jù)。

1.1計算機中的數(shù)據(jù)表示與編碼1計算機系統(tǒng)概述無符號數(shù)的表示格式有符號數(shù)的表示格式符號位數(shù)值位1位n－1位數(shù)值位

n位(1)原碼

1.1計算機中的數(shù)據(jù)表示與編碼1計算機系統(tǒng)概述例如，當機器字長n=8時，

+1=+0000001B，則［+1］原=00000001B+127=+1111111B，則［+127］原=01111111B-1=-0000001B，則［-1］原=10000001B-127=-1111111B，則［-127］原=11111111B原碼的形式為：對于二進制數(shù)，正數(shù)的原碼就是它本身，負數(shù)的原碼符號位取1，數(shù)值部分是真值的絕對值。1.1計算機中的數(shù)據(jù)表示與編碼1計算機系統(tǒng)概述在原碼表示中，+0和-0的原碼不同，即0有兩種原碼表示形式：

+0=+0000000B，則［+0］原=00000000B

-0=-0000000B，則［-0］原=10000000B原碼表示法簡單易懂，但它的最大缺點是加減運算復雜。1.1計算機中的數(shù)據(jù)表示與編碼1計算機系統(tǒng)概述(2)反碼對于二進制數(shù)，正數(shù)的反碼就是它本身，負數(shù)的反碼符號位取1，數(shù)值部分按位取反。

例如，當機器字長n=8時，+1=+0000001B，則［+1］反=00000001B+127=+1111111B，則［+127］反=01111111B-1=-0000001B，則［-1］反=11111110B-127=-1111111B，則［-127］反=10000000B在反碼表示中，+0和-0的反碼不同，即0有兩種反碼表示形式：+0=+0000000B，則［+0］反=00000000B-0=-0000000B，則［-0］反=11111111B(3)補碼

1.1計算機中的數(shù)據(jù)表示與編碼1計算機系統(tǒng)概述鐘表的形式為：-3=+9(mod12)用補碼表示時，可以把負數(shù)轉化為正數(shù)，減法轉化為加法。補碼可定義為：

對于二進制數(shù)，正數(shù)的補碼就是它本身，負數(shù)的補碼符號位取1,數(shù)值部分按位取反后末位加1。1.1計算機中的數(shù)據(jù)表示與編碼1計算機系統(tǒng)概述例如，當機器字長n=8時，+1=+0000001B，則［+1］補=00000001B+127=+1111111B，則［+127］補=01111111B-1=-0000001B，則［-1］補=11111111B-127=-1111111B，則［-127］補=10000001B

一般來說，如果機器字長為n位，則補碼能表示的整數(shù)范圍是：-2n-1～2n-1-1在補碼表示中，+0和-0的補碼形式相同，即0只有一種補碼表示形式：+0=+0000000B，則[+0]補=00000000B-0=-0000000B，則[-0]補=11111111+1=00000000B對于10000000這個補碼編碼，其十進制真值被定義為-128。1.1計算機中的數(shù)據(jù)表示與編碼1計算機系統(tǒng)概述例1.11機器字長n=8位，x=+56，求［x］補，結果用十六進制表示。解+56=+0111000B，則［+56］補=00111000B=38H例1.12機器字長n=8位，x=-56，求［x］補，結果用十六進制表示。解-56=-0111000B，則［-56］補=11001000B=0C8H在匯編語言中，為了區(qū)別指令碼和數(shù)據(jù)，規(guī)定A～F開始的數(shù)據(jù)前面必須加零。1.1計算機中的數(shù)據(jù)表示與編碼1計算機系統(tǒng)概述例1.13機器字長n=16位，x=+56，求［x］補，結果用十六進制表示。解+56=+111000B=+000000000111000，［+56］補=0000000000111000B=0038H例1.14機器字長n=16位，x=-56，求［x］補，結果用十六進制表示。解-56=-111000B=-000000000111000，［-56］補=1111111111001000B=0FFC8H1.1計算機中的數(shù)據(jù)表示與編碼1計算機系統(tǒng)概述已知補碼求真值的方法:當機器碼的最高位(符號位)為0時，表示真值是正數(shù)，其值等于其余n-1位的值;當機器數(shù)的最高位(符號位)為1時，表示真值是負數(shù)，其值等于其余n-1位按位取反末位加1的值。例如：若［x］補=01111111，則x=+1111111B=+127若［x］補=11111111，則x=-0000001B=-11.1計算機中的數(shù)據(jù)表示與編碼1計算機系統(tǒng)概述二進制編碼無符號數(shù)原碼反碼補碼000000000+0+0+0000000011+1+1+1000000102+2+2+2┇┇┇┇┇01111110126+126+126+12601111111127+127+127+12710000000128-0-127-12810000001129-1-126-12710000010130-2-125-126┇┇┇┇┇11111110254-126-1-21111111255-127-0-13.補碼運算

1.1計算機中的數(shù)據(jù)表示與編碼1計算機系統(tǒng)概述二進制補碼的運算規(guī)則：［X+Y］補=［X］補+［Y］補［X-Y］補=［X］補+［-Y］補進行加法運算時，把符號位和數(shù)值位一起進行運算(若符號位有進位，則丟掉)，結果為兩數(shù)之和的補碼形式。減法運算可以轉化為加法運。1.1計算機中的數(shù)據(jù)表示與編碼1計算機系統(tǒng)概述例1.15補碼進行下列運算:①(+33)+(+15);②(-33)+(+15);③(+33)+(-15);④(-33)+(-15)。解： +33=+0100001B， ［+33］補=00100001+15=+0001111B， ［+15］補=00001111-33=-0100001B， ［-33］補=11011111-15=-0001111B， ［-15］補=11110001

1.1計算機中的數(shù)據(jù)表示與編碼1計算機系統(tǒng)概述例1.16用補碼進行下列運算:①(+33)-(+15);②(-33)-(+15);③(+33)-(-15);④(-33)-(-15)。解： +33=+0100001B， ［+33］補=00100001+15=+0001111B， ［+15］補=00001111-33=-0100001B， ［-33］補=11011111-15=-0001111B， ［-15］補=11110001

根據(jù)補碼減法公式，可以得到:[(+33)-(+15)]補=[+33]補+[-15]補，[(-33)-(+15)]補=[-33]補+[-15]補[(+33)-(-15)]補=[+33]補+[+15]補，[(-33)-(-15)]補=[-33]補+[+15]補

1.1計算機中的數(shù)據(jù)表示與編碼1計算機系統(tǒng)概述計算過程如下：1.1計算機中的數(shù)據(jù)表示與編碼1計算機系統(tǒng)概述例1.17設x=+64，y=+10，用補碼計算x-y，結果用十進制形式表示。解

x=+1000000B，［x］補=01000000

y=+0001010B，［-y］補=11110110

-33=-0100001B，［-33］補=11011111

-15=-0001111B，［-15］補=11110001

[x-y]補 =00110110

x-y=+0110110B=+54D

1.1計算機中的數(shù)據(jù)表示與編碼1計算機系統(tǒng)概述1.1.4十進制數(shù)的編碼及運算1.BCD碼

BCD碼(BinaryCodedDecimal)：是二進制編碼的十進制數(shù)。十進制數(shù)8421碼十進制數(shù)8421碼000005010110001601102001070111300118100040100910011.1計算機中的數(shù)據(jù)表示與編碼1計算機系統(tǒng)概述例1.18求十進制數(shù)57.3的BCD碼。 57.301010111.0011所以，(57.3)10=(01010111.0011)BCD例1.19求BCD碼10000011.0111所對應的十進制數(shù)。1000 0011 .01118 3.7所以，(10000011.0111)BCD=(83.7)101.1計算機中的數(shù)據(jù)表示與編碼1計算機系統(tǒng)概述BCD碼的兩種格式：壓縮BCD碼（組合BCD碼）：1個字節(jié)中存放2位十進制數(shù)的BCD碼；非壓縮BCD碼（非組合BCD碼）：1個字節(jié)中僅存放1位十進制數(shù)的BCD碼；十進制數(shù)4用非壓縮的BCD碼表示為××××0100。十進制數(shù)43用非壓縮的BCD碼表示為××××0100××××0011。例：十進制數(shù)43用壓縮的BCD碼表示為01000011。1.1計算機中的數(shù)據(jù)表示與編碼1計算機系統(tǒng)概述

2.BCD碼的加減運算例1.20利用BCD碼計算：①4+5；②5+7；③8+9解 ①(4)BCD=0100，(5)BCD=0101

②(5)BCD=0101，(7)BCD=0111

1.1計算機中的數(shù)據(jù)表示與編碼1計算機系統(tǒng)概述③(8)BCD=1000，(9)BCD=10011.1計算機中的數(shù)據(jù)表示與編碼1計算機系統(tǒng)概述例1.21利用BCD碼計算：①35+21；②25+37

①(35)BCD=00110101，(21)BCD=00100001②(25)BCD=00100101，(37)BCD=00110111 1.1計算機中的數(shù)據(jù)表示與編碼1計算機系統(tǒng)概述1.1.5ASCII碼(AmericanStandardCodeForInformationInterchange)7位二進制碼，共可以表示128個字符。B6B5B4B3B2B1B00000010100111001011101110000NULDLESP0@P`p0001SOHDC1!1AQaq0010STXDC2″2BRbr0011ETXDC3#3CScs0100EOTDC4$4DTdt0101ENQNAK%5EUeu0110ACKSYN&6FVfv0111BELETB?7GWgw1000BSCAN(8HXhx1001HTEM)9IYiy1010LFSUB*:JZjz1011VTESC+;K[k{1100FFFS,<L\l|1101CRGS-=M]m}1110SORS.>N↑n～1111SIUS/?O-oDEL1.1計算機中的數(shù)據(jù)表示與編碼1計算機系統(tǒng)概述ASCII碼包括：⑴32個控制字符。⑵空格字符SP，編碼值為32。⑶刪除控制碼DEL，編碼值為127。⑷94個可印刷字符(或稱有形字符)。1.2邏輯電路基礎1計算機系統(tǒng)概述邏輯電路：是實現(xiàn)輸入信號與輸出信號之間邏輯關系的電路。小規(guī)模集成電路（SSI）：是器件的集成，如門電路或觸發(fā)器等；中規(guī)模集成電路（MSI）：是邏輯構建的集成，如多路選擇器、加法器等；大規(guī)模集成電路（LSI）和超大規(guī)模集成電路（VLSI）：是一個數(shù)字子系統(tǒng)或整個數(shù)字系統(tǒng)的集成。1.2邏輯電路基礎1計算機系統(tǒng)概述邏輯門電路：可組成各種功能的邏輯電路，這些邏輯電路按其結構可分為組合邏輯電路和時序邏輯電路。組合邏輯電路：由各種門電路組合而成且無反饋的邏輯電路，簡稱組合邏輯，如譯碼器。時序電路：邏輯電路的輸出狀態(tài)不僅和當時的輸入狀態(tài)有關，而且還與電路在此前的輸出狀態(tài)有關，則這種電路稱為時序電路，如觸發(fā)器及各類寄存器等。1.2.1基本邏輯門電路1.2邏輯電路基礎1計算機系統(tǒng)概述1.2邏輯電路基礎1計算機系統(tǒng)概述1.2.2譯碼器1.2邏輯電路基礎1計算機系統(tǒng)概述1.2邏輯電路基礎1計算機系統(tǒng)概述G1CBA譯碼輸出1000000=0，余為11000011=0，余為11000102=0，余為11000113=0，余為11001004=0，余為11001015=0，余為11001106=0，余為11001117=0，余為1其他×××0～7

全為174LS138譯碼器功能表1.2.3觸發(fā)器1.2.4寄存器

1.緩沖寄存器（Buffer）：分為數(shù)據(jù)緩沖寄存器和地址緩沖寄存器。2.移位寄存器（ShiftingRegister）：具有數(shù)據(jù)存儲和移位兩個功能。1.2邏輯電路基礎1計算機系統(tǒng)概述3.計數(shù)器（Counter）：是由若干個觸發(fā)器組成的寄存器，當一個計數(shù)脈沖到達時，它會按二進制數(shù)的規(guī)律累計脈沖數(shù)，使存儲在其中的數(shù)字加1。4.累加器(Accumulator)：是一個由多個觸發(fā)器組成的多位寄存器，用于暫存每次在ALU中計算的中間結果。1.2邏輯電路基礎1計算機系統(tǒng)概述1.2.5三態(tài)電路1.2邏輯電路基礎1計算機系統(tǒng)概述三態(tài)輸出電路EAB00高阻01高阻100111三態(tài)輸出電路功能表1.2邏輯電路基礎1計算機系統(tǒng)概述4位緩沖寄存器計算機系統(tǒng)是一個由硬件、軟件組成的復雜的電子裝置。它能夠存儲程序和原始數(shù)據(jù)、中間結果和最終運算結果，并自動完成運算，是一種能對各種數(shù)字化信息進行處理的信息處理機。1.3計算機系統(tǒng)概述1計算機系統(tǒng)概述1.3.1計算機的分類及發(fā)展1.計算機的分類

目前人們所說的計算機，都是電子數(shù)字計算機已經(jīng)出現(xiàn)過的機械的、模擬的計算機已經(jīng)逐漸消失。計算機按用途可分為專用計算機和通用計算機。1.3計算機系統(tǒng)概述1計算機系統(tǒng)概述按計算機的使用方式分類嵌入式計算機桌面計算機服務器按計算機的結構分類馮?諾依曼結構非馮?諾依曼結構按規(guī)模分超級計算機、大型機、服務器、微型機、單片機1.3計算機系統(tǒng)概述1計算機系統(tǒng)概述

2.計算機的發(fā)展

類型時期主要器件重要特征第1代1946-1957電子管機器語言，匯編語言。速度低，體積大，價格昂貴，可靠性差，用于科學計算。速度達幾千次到幾萬次第2代1958-1964晶體管算法語言，操作系統(tǒng)。體積縮小，可靠性提高。從科學計算到數(shù)據(jù)處理、工業(yè)控制。每秒幾萬次到幾十萬次第3代1964-1971中小規(guī)模集成電路體積小，可靠性大大提高，速度達幾百萬次，軟件技術和外設發(fā)展迅速應用領域不斷擴大，出現(xiàn)小型計算機。第4代1971-1992大/超大規(guī)模集成電路速度提高至幾千次到億次出現(xiàn)微型計算機第5代1991-巨大規(guī)模集成電路速度提高至幾億次乃至上百億次。出現(xiàn)單片機摩爾定律：每18個月，集成度將翻一番，速度將提高一倍，而其價格將降低一半。1.3計算機系統(tǒng)概述1計算機系統(tǒng)概述1.3.2計算機系統(tǒng)的組成

計算機系統(tǒng)是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成的。1.馮·諾依曼計算機

⑴計算機（指硬件）由運算器、存儲器、控制器、輸入設備和輸出設備五大基本部件組成。⑵指令和數(shù)據(jù)均以二進制編碼表示，采用二進制運算。⑶采用存儲程序的方式，程序和數(shù)據(jù)存放在同一存儲器中。⑷指令在存儲器中按其執(zhí)行順序存放，由程序計數(shù)器指明