微机原理与接口技术素材-牟琦-贾建萍-清华大学出版

－1－目录上页下页结束第1章绪论－2－目录上页下页结束1.1概述1.2计算机中的数据表示与编码1.3微型计算机的逻辑电路基础1.4微型计算机基本结构与工作原理1.5例题解析第1章绪论－3－目录上页下页结束1.1概述计算机系统是一个由硬件、软件组成的复杂的电子装置，它能够存储程序和原始数据、中间结果和最终运算结果，并自动完成运算，是一种能对各种数字化信息进行处理的“信息处理机”。目前人们所说的计算机都是指电子数字计算机，曾经出现过的机械的、模拟的计算机已经逐渐消失。利用计算机不仅能够完成数学运算，而且还可以进行逻辑运算，同时还具有推理判断的能力。因此，人们又称它为“电脑”。现在，科学家们正在研究具有“思维能力”的智能计算机。随着科学技术的发展，人们对计算机能力的认识也在不断地深入。－4－目录上页下页结束1.1.1微型计算机及其发展概况1946年，世界上出现第一台数字式电子计算机ENIAC（电子数据积分器）发展到以大规模集成电路为主要部件的第四代，产生了微型计算机1971年，Intel公司设计了世界上第一个微处理器芯片Intel4004，开创了一个全新的计算机时代－5－目录上页下页结束1.微型计算机微处理器（Microprocessor），简称µP或MP，是由一片或几片大规模集成电路组成的具有运算器和控制器的中央处理机部件，即CPU（CertalProcessingUnit）。微处理器本身并不等于微型计算机，它仅仅是微型计算机中央处理器，有时为了区别大、中、小型中央处理器（CPU）与微处理器，把前者称为CPU，后者称为MPU（MicroprocessingUnit）。微型计算机（Microcomputer），简称µC或MC，是指以微处理器为核心，配上由大规模集成电路制作的存储器、输入/输出接口电路及系统总线所组成的计算机微型计算机系统（MicrocomputerSystem），简称µCS或MCS，是指以微型计算机为中心，以相应的外围设备、电源、辅助电路以及控制微型计算机工作的系统软件所构成的计算机系统。－6－目录上页下页结束2.微型计算机系统的主要性能指标⑴字长⑵内存容量⑶指令系统⑷运算速度⑸容许配置的外设数量⑹系统软件的配置－7－目录上页下页结束3.微型计算机的发展简史第1代：4位和低档8位微机I4004→I4040→I8008第2代：中高档8位微机M6800、I8080、Z80、I8085Apple-II微机、MCS-48、MCS-51系列第3代：16位微机M68000、Z8000I8086/8088→80286，IBMPC系列机－8－目录上页下页结束第4代：32位微机I80386→80486→Pentium→PentiumII→PentiumIII→Pentium4第5代：64位微机Titanium、64位RISC微处理器芯片3.微型计算机的新技术⑴流水线技术⑵芯片上存储管理技术⑶虚拟存储管理技术⑷并行处理的哈佛结构⑸RISC结构⑹整片集成技术⑺多媒体技术－10－目录上页下页结束1.1.2微型计算机的特点1.功能强2.可靠性高3.价格低廉4.适应性强，系统设计灵活5.周期短、见效快6.体积小、重量轻、耗电省7.维护方便－11－目录上页下页结束1.2计算机中的数据表示与编码所谓编码，就是用少量、简单的基本符号，选用一定的组合规则，来表示大量复杂多样的信息。基本符号的种类和这些符号的组合规则构成编码的两大要素。例如，用10个阿拉伯数字表示数值，用26个英文字母构成英文词汇，就是现实生活中编码的典型例子。在计算机中，广泛采用的是仅用“0”和“1”两个基本符号组成的基2码，亦称为二进制码。这是由于以下三个原因：①基2码在物理上最容易实现。②基2码用来表示二进制数，其编码、加减运算规则简单。③基2码的两个符号“1”和“0”正好与逻辑数据“真”与“假”相对应，为计算机实现逻辑运算带来了方便。因此，不论是什么信息，在输入计算机内部时，都必须用基2码编码表示，以方便存储、传送和处理。－12－目录上页下页结束1.2.1数和数制1.数制与进位记数法十进制:逢十进一0,1,…,9,10二进制:逢二进一0,1,10八进制:逢八进一0,1,…,7,10十六进制：逢十六进一0,1,…,9,A,B,C,D,E,F,10例:(892)10或(892)D例:(10010)2或(10010)B例:(71)8或(71)O例:(3A)16或(3A)H－13－目录上页下页结束2.数制转换二、八、十六进制→十进制十进制→二、八、十六进制二进制→八、十六进制八、十六进制→二进制－14－目录上页下页结束(1)二(八、十六)进制→十进制:按权展开相加二进制：2n……23222120.2-12-2……2-m八进制：8n……83828180.8-18-2……8-m十六进制：16n……163162161160.16-116-2……16-m各种进制位权如下:－15－目录上页下页结束(1101.1)2=1×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1=(13.5)10(371.2)8=3×82+7×81+1×80+2×8-1=192+56+1+0.25=(249.25)10(4E.8)16=4×161+14×160+8×16-1=64+14+0.5=(78.5)10－16－目录上页下页结束整数部分:除2(8,16)取余小数部分:乘2(8,16)取整(2).十进制→二、八、十六进制例(77.25)10=(1001101.01)2=(115.2)8=(4D.4)16－17－目录上页下页结束770.25×20.50×21.001001101.01(77.25)10=()2余数238(1192(029(124(122(021(020(1－18－目录上页下页结束77115.0.25×82.002(77.25)10=()8余数89(581(180(1－19－目录上页下页结束4D.0.25×164.004(77.25)10=()16余数77164(13160(4－20－目录上页下页结束(3).二进制→八进制:3位合并成1位十六进制:4位合并成1位例:(1001101.01)25112(1001101.01)2D44=()8115.2=()164D.4－21－目录上页下页结束例:八进制十六进制→二进制1位拆分为3位1位拆分为4位(115.2)8=()21001101.010(4D.4)16=()21001101.0100(4).－22－目录上页下页结束1.2.2计算机中带符号数的表示方法1.机器码：数值在计算机中的表示形式(二进制)。例：10011100－23－目录上页下页结束机器数的特点：•表示的数的范围受计算机字长的限制；例计算机字长为8位时,无符号数的范围是00000000——11111111（0~255）•符号位被数字化（正号：0负号：1）•小数点处于约定的位置例计算机字长为8位时,有符号数的范围是11111111——01111111（-127~+127）定点数：小数点的位置固定不变。浮点数：小数点的位置允许浮动。－24－目录上页下页结束原码反码补码机器数的三种表示－25－目录上页下页结束原码•表示方法符号位用0或1表示，数值部分不变例:(设机器字长为8位)13的原码为00001101-13的原码为10001101•0的原码表示(两种方法)[+0]原=00000000[-0]原=10000000－26－目录上页下页结束反码•表示方法•0的反码表示(两种方法)X0时，[X]反=[X]原X0时，[X]反=将原码除符号位外逐位取反[+0]反=00000000[-0]反=11111111－27－目录上页下页结束补码•表示方法•0的补码表示(一种方法)X0时，[X]补=[X]原X0时，[X]补=[X]反+1[+0]补=00000000[-0]补=11111111+1=00000000－28－目录上页下页结束例1.11机器字长n=8位，x=+56D，求[x]补，结果用十六进制表示。解:因为机器字长是8位，其中符号占了1位，所以数值部分应占7位：+56D=+0111000B，则[+56]补=00111000B=38H例1.12机器字长n=8位，x=-56D，求[x]补，结果用十六进制表示。解:因为机器字长是8位，其中符号占了1位，所以数值部分应占7位：-56D=-0111000B，则[-56]补=11001000B=0C8H注意：汇编语言中，为了区别指令码和数据，规定A～F开始的数据前面加零。例1.13机器字长n=16位，x=+56D，求[x]补，结果用十六进制表示。解:因为机器字长是16位，其中符号占了1位，所以数值部分应占15位：+56D=+111000B=+000000000111000，则[+56]补=0000000000111000B=0038H例1.14解:机器字长n=16位，x=-56D，求[x]补，结果用十六进制表示。因为机器字长是16位，其中符号占了1位，所以数值部分应占15位：-56D=-111000B=-000000000111000，则[-56]补=1111111111001000B=0FFC8H－29－目录上页下页结束①补码加法[X+Y]补=[X]补+[Y]补（mod2n）②补码减法[X-Y]补=[X]补+[-Y]补二进制数补码的运算000110001001+）000110001001+）－30－目录上页下页结束000110001001+）000110001001+）例1.15用补码进行下列运算：(+33)+(+15)；(-33)+(+15)；(+33)+(-15)；(-33)+(-15)。解+33D=+0100001B，[+33]补=00100001+15D=+0001111B，[+15]补=00001111-33D=-0100001B，[-33]补=11011111-15D=-0001111B，[-15]补=1111000100100001[+33]补11011111[-33]补+00001111[+15]补+00001111[+15]补00110000[+48]补11101110[-18]补00100001[+33]补11011111[-33]补+11110001[-15]补+11110001[-15]补(1)00010010[+18]补(1)11010000[-48]补进位，丢掉进位，丢掉－31－目录上页下页结束000110001001+）进位，丢掉例1.17设x=+64D，y=+10D，用补码计算x-y，结果用十进制形式表示。解x=+1000000B，[x]补=01000000y=+0001010B，[-y]补=1111011001000000[x]补+11110110[-y]补(1)00110110[x-y]补[x-y]补=00110110所以x-y=+0110110B=+54D－32－目录上页下页结束(1)定点纯整数：小数点的位置在所有数字之后(2)定点纯小数：小数点的位置在所有数字之前1.2.3定点数与浮点数－33－目录上页下页结束阶符阶码数符尾数定点纯整数定点纯小数0或1(3).浮点数－34－目录上页下页结束1.BCD码(二—十进制码)是一种用二进制编码表示十进制数的编码方法最常用的BCD码是8421码.用4位二进制编码表示1位十进制数.例如:(529)10=(010100101001)BCD1.2.4十进制数的编码－35－目录上页下页结束2.BCD码的加减运算BCD码的运算规则：当两个BCD码相加，如果和等于或小于1001，即9H，不需要修正；如果相加之和在1010到1111即0AH～0FH之间，则需加6H加以修正；如果相加时本位产生了进位，则需加6H加以修正。－36－目录上页下页结束000110001001+）000110001001+）000110001001+）例1.20利用BCD码计算4+5。解(4)BCD=0100，(5)BCD=0101运