微型计算机基础概论.ppt

,微型计算机原理与接口技术 主讲：吴向东,是什么？为什么？怎么办？,课程情况 微型计算机原理与接口技术是学习微型计算机基本知识和应用技能的重要课程。本课程帮助学生掌握微型计算机的硬件组成及使用；学会运用指令系统和汇编语言进行程序设计；熟悉各种类型的接口及其应用，树立起微型计算机体系结构的基本概念，为后继计算机课程的学习及应用打好基础。,教材及教学参考书1 微型计算机原理与应用，王永山等编，西安电子科技大学出版社 1991，122 所有关于“微机原理与接口技术”、“汇编语言”的资料都可作为参考。目前市面上的都大同小异。,先修课程 数电（逻辑电路）、模电（模拟电路）、高频电子线路、计算机基础（计算机的组成、各部件的工作原理）等，最好熟练掌握一门计算机语言。,课程目标 微型计算机的基本工作原理 汇编语言程序设计方法 微型计算机接口技术（输入输出和中断技术、常用数字接口电路模拟量的输入和输出）建立微型计算机系统的整体概念，初步形成基于系统级（裸机）的软硬件开发的能力,学时安排：64讲课+12实验+三周课程设计考试成绩：平时10%+实验20%+期末考试70%作业要求：每章或几章结束交作业本考试题型：选择、填空、判断、名词解释、计 算、作图、编程等考试形式：闭卷,教学内容,第1章 微型计算机基础概论第2章 微处理器与总线第3章 8086/8088 CPU的指令系统第4章 汇编语言程序设计第5章 存储器系统第6章 输入输出和中断技术第7章 常用数字接口电路第8章 模拟量的输入输出,第一章 微型计算机基础概论,教学内容：首先介绍微型计算机系统，包括微型计算机的历史，微机系统的组成几个部分的主要功能。然后介绍了计算机中常用的计数制及编码的表示方法、他们互相之间的转换、二进制数的运算、定点数和浮点数的表示等。教学目标：理解微机系统的整体结构 掌握三种常用计数制、两种编码的表示方法及其相互间的转换 掌握二进制数的算术运算和逻辑运算 深入理解补码的概念及其运算,教学重点：微型计算机硬件系统的组成 微型计算机软件系统的组成 各种数制及其相互转换 数值编码中带符号数的原码、反码、补码表示 ASCII码和BCD码,1.1 微型计算机系统1.2 计算机中的数制及编码1.3 无符号二进制数的算术运算和逻辑运算1.4 有符号二进制数的表示及运算,1.1 微型计算机系统,微型计算机的发展 微型计算机的工作过程 微机系统的构成,1.1.1 微型计算机发展,概述 计算机诞生背景：第二次世界大战 计算机诞生时间：1946年2月14日 第一台计算机的名字：ENIAC（埃尼阿克）Electronic Numerical Integrator And Computer（电子数字积分计算机）,18000多个电子管1500个继电器10000只电容和7000个电阻重量30吨占地面积170平方米耗电150千瓦运算速度每秒5万次当时价值48万美元,通过以上几幅图片，很显然这样的计算机我们是不能接受的。因为其体积太大，重量太大，功率太大，速度太慢，一个人还无法完成操作。目前，计算机正朝着巨型化、微型化、智能化、网络化等方向发展。巨型化：主要应用于高尖端科学技术微型化：满足人们个别化需要（笔记本电脑和掌上电脑）网络化：为人们提供查找和共享信息的条件，方便了人 们的交流智能化：使计算机具有人工智能（机器人）,中型机,按性能、价格、体积的不同，计算机分为六大类：,大型机,巨型机,小型机,微型机,单片机,单板机,将CPU、内存、I/O接口及其它辅 助电路 全部装在一块印刷电路板上，组成单板机。当单片机片上资源不够时，也可以扩展为单扳机。特点：结构简单、价廉 应用：过程控制、数据处理,在短短60多年中，计算机的发展已更新了四代：第一代:电子管计算机时代 第二代:晶体管计算机时代 第三代:集成电路计算机时代 IC第四代:大规模集成电路计算机时代 LSI第五代:超大规模集成电路计算机时代 VLSI第六代:“非冯.诺伊曼”计算机时代 第七代:神经计算机时代、光计算机时代、生物计算机时代,Integrated Circuit,微型计算机诞生：微型计算机诞生于20世纪 70年代 微型计算机特点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格便 宜、使用方便、软件丰富 微型计算机的核心是微处理器（CPU）每出现一个新的微处理器，就会产生新一代的微型计算机,微型计算机如果按照CPU字长和功能进行划分，经历了6代的演变：第一代（19711973年）4位和8位低档微处理器 第二代（19741977年）8位中高档微处理器 第三代（19781984年）16位微处理器 第四代（19851992年）32位微处理器 第五代（19931999年）超级32位Pentium微处理器 第六代（2000年以后）64位微处理器,第一代：4位机发展和8位机萌芽阶段 从1971年到1973年代表产品：Intel 4004 Intel 4040 Intel 8008字长：4位或8位特点：0.05MIPS，指令系统比较简单，运算功能较差，价格低廉应用：面向家电、计算器和二次仪表，使这些电器具有智能化，软件：机器语言和简单的汇编语言,Intel 4004,Intel 8008,第二代：位机发展阶段从1973年到1977年代表产品：Intel 8080/8085、Motorola MC6800、Zilog Z80字长：8位特点：0.5MIPS，指令系统比较完善，运算速度提高一个数量级，寻址能力有所增强，以具有典型计算机体系结构及中断、直接存储器存取DMA等功能。应用：面向家电、智能仪表、工业控制软件：向上兼容，BASIC、FORTTRAN等高级语言，还具有简单的操作系统,Intel 8085,第三代：16位机发展阶段 从1978年到1984年代表产品：Intel 8086/8088、80186、80286，Motorola MC6800、Zilog Z8000字长：16位特点：数据线的位数增加到16位；地址线增加到20位以上；指令系统丰富，时钟提高到5MHz-40MHz，基本指令执行时间约0.15us；采用多级中断，多种寻址方式，段式存储结构，配有功能强大的系统软件。应用：工业控制 CISC：Complex Instruction Set Computer,第四代：32位机发展阶段 从1985年到1992年 代表产品：Intel 80386、80486、Motorola MC68020、贝尔实验室 Bellmac-32A、National Semiconductor公司的16032、NEC的V70等。字长：32位特点：3-4MIPS，内存容量已达1MB以上，硬盘技术不断提高，发展了32位的总线结构，各种品牌机涌向市场，如COMPAQ、DELL等，这些微型机在性能上已赶上传统的超级小型机，可执行多任务、多用户操作。应用：办公自动化、网络环境 RISC：Reduced Instruction Set Computer,第五代：64位机产生及发展阶段 从1992年到1999 代表产品：Intel Pentium、Itanium字长：64位特点：110MIPS，外部数据线64位字长，36地址总线，工作频率60/66Hz，增加了虚拟现实等多媒体能力和通信上的应用。应用：办公自动化、网络服务器,6.第六代微处理器(P6核心结构),字长：64位特点：200MIPS，外部数据线64位字长，36地址总线，工作频率200Hz，增加了L1、L2高速缓存。,7.第六代之后的微处理器,Pentium 4 32位微处理器(非P6核心结构),Itanium 64位微处理器-采用EPIC技术、RISC技术和CISC技术-具有显式并行功能-具有断定执行功能-具有数据预装的功能-采用三级高速缓存,AMD64 64位微处理器-AMD 使用x86结构并扩展到64位来获得x86-64结构-处理器能全速高性能地运行x86和x86-64程序-64位模式不采用分段模式-具有长模式，包括64位模式和兼容模式（允许现有程序无需修改就运行在长模式下）,摩尔定律是由英特尔（Intel）创始人之一戈登摩尔（Gordon Moore）提出来的。其内容为：集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍，当价格不变时；或者说，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18个月翻两倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。,微型计算机发展趋势,1中央处理器 更小的布线宽度、更多的晶体管和更强的运算能力。目前，大部分CPU都已经采用了0.18微米技术，减小布线宽度是提升CPU速度的关键。几年之内，0.13微米技术、甚至0.07微米技术将可以普遍应用于CPU，届时CPU主频将达到5GHz，晶体管数量达到2亿个 64位CPU成为主流，更高的总线速度，有希望达到1GHz。2系统存储器 CPU集成更大的高速二级缓存；内存容量更大，速度更快；硬盘容量也更大，速度更快；,3多媒体系统 显卡的性能更高；图形技术进一步发展；大尺寸显示器成为主流；数字式音箱占领市场。4网络 利用有线电视线路的Cable Modem或利用电话线路的ADSL将会完全替代现在的56K Modem，成为主要的接入方式，将得到近8M的下行带宽。5整机 更加趋于个性化。利用红外、蓝牙等无线技术将减少机箱背后的连线，使主机与外设进行无线通信。,1.1.2 微型计算机的工作过程,莱布尼兹（Gottfriend Wilhelm von Leibniz，1646.7.1.1716.11.14.）。德国最重要的自然科学家、数学家、物理学家、历史学家和哲学家，一个举世罕见的科学天才，和牛顿同为微积分的创建人。在数学史上，他应该是第一个明确提出二进制数这个概念的科学家。约翰冯诺依曼（John Von Nouma，19031957），美藉匈牙利人。20世纪最杰出的数学家之一，“计算机之父”、“博弈论之父”，是上世纪最伟大的全才之一。,1.冯.诺依曼计算机 而计算机的工作过程就是执行程序的过程，而程序则是指令序列的集合。指令：向计算机发出的、能够被计算机所识别的命令。计算机所能够识别的所有指令的集合称为该机的指令系统。冯.诺依曼计算机的核心原理：每台计算机都拥有各种类型的机器指令，这些指令按照一定的规则存放在存储器中，在中央控制系统的统一控制下，按一定的顺序依次取出执行。即存储程序的工作原理。,冯.诺依曼计算机的主要特点：将计算过程描述为有许多条指令按一定顺序组成的程序，并存放存储器保存。程序中的指令和数据必须采用二进制编码。指令按其在存储器中的存放的顺序执行，存储器的字长固定并按顺序线性编址。用控制器控制整个程序和数据的存取以及程序的执行，以运算器为核心，所有的执行都经过运算器。,程序的执行过程,例：计算5+8汇编语言程序 机器指令 对应的操作-MOV AL,5 10110000 将立即数5传送到 00000101 累加寄存器AL中ADD AL,8 00000100 计算两个数的和，00001000 结果存放到AL中HLT 11110100 停机,一、微处理器的内部结构,运算器+控制器+内部寄存器组 1、运算器 又称为算术逻辑运算单元ALU（Arithmetic Logic Unit），用来进行算术或逻辑运算以及位移循环等操作。参加运算的两个操作数，一般情况下一个来自于累加器A（Accumulator），另一个来自内部数据总线，可以是数据寄存器DR（Data Register）中的内容，也可以是寄存器阵列RA中某个寄存器的内容。运算结果要送回累加器A暂存。,2、控制器1）指令寄存器IR（Instruction Register）：用来存放从存储器中取出的将要执行的指令。2）指令译码器ID（Instruction Decoder）：用来对指令寄存器IR中的指令进行译码，以确定指令应执行什么操作。3）定时与控制电路PLA（Programmable Logic Array可编程逻辑阵列）：用来产生取指令和执行指令所需要的各种微操作控制信号。,3、内部寄存器组1）累加器 A2）数据寄存器 DR(Data Register)3）程序计数器 PC(Program Counter)4）地址寄存器 AR(Address Register)5）标志寄存器 F(Flag Register)6）寄存器阵列 RA(Register Array),1）累加器A：在进行算术逻辑运算时，累加器具有双重功能：运算前，用来保存一个操作数；运算后，用来保存结果。2）数据寄存器DR：数据寄存器DR用来暂存数据或指令。从存储器读出时，若读出的是指令，经DR暂存的指令通过内部数据总线送到指令寄存器IR；若读出的是数据，则通过内部数据总线送到有关的寄存器或运算器。向存储器写入数据时，数据是经数据寄存器DR，再经数据总线DB写入存储器的。,3）程序计数器PC：程序计数器PC中存放着正待取出的指令的地址。根据PC中的指令地址，准备从存储器中取出将要执行的指令。一般程序按顺序逐条执行。在任何时刻，PC均指向要取出的下一个字节或下一条指令（对单字节指令而言）所在的地址。因此，PC有自动加1的功能。,4）地址寄存器AR(Address Register)：地址寄存器AR用来存放正要取出的指令的地址或操作数的地址。在取指令时，将PC中存放的指令地址送到AR，根据此地址从存储器中取出指令。在取操作数时，将操作数地址通过内部数据总线送到AR，再根据此地址从存储器中取出操作数；在向存储器存入数据时，也要先将待写入数据的地址送到AR，再根据此地址向存储器写入数据。,5）标志寄存器F(Flag Register)：标志寄存器F用来寄存执行指令时所产生的结果或状态的标志信号。关于标志位的具体设置与功能将视微处理器的型号而异。根据检测有关标志位是0或1，可以按不同条件决定程序的流向。,6）寄存器阵列RA(Register Array)：寄存器阵列RA，也称为寄存器组RS（Register Stuff），每一个寄存器相当于存储器中的一个存储单元，但它的存取速度比存储器快的多，用来存放计算过程中所需要或所得到的各种信息。通用寄存器：AX，BX，CX，DX和SI、DI、SP、BP专用寄存器：IP、F和CS、DS、SS、ES,二、微型计算机的工作过程,指令：计算机中所规定的基本操作命令 指令系统：计算机所能识别执行的指令的集合 程序：指令的有序集合 源程序：用户为解决自己的问题所编写的程序 机器语言程序：使用指令的机器码编写程序 汇编语言源程序：利用指令的助记符和符号编写的程序。例如：MOV AX,1234H,首先将第一条指令的由内存中取出 将取出的指令送指令译码器译码，以确定要进行的操作 读取相应的操作数（即执行的对象）执行指令 存放执行结果 一条指令执行完后，转入了下一条指令的取指令阶段。如此周而复始的循环，直到程序中遇到暂停指令方才结束。,图1-2 程序执行过程示意图,程序的执行过程,例：计算5+8汇编语言程序 机器指令 对应的操作-MOV AL,5 10110000 将立即数5传送到 00000101 累加寄存器AL中ADD AL,8 00000100 计算两个数的和，00001000 结果存放到AL中HLT 11110100 停机,指令执行过程(取指/译码/执行),累加器A,加法器,数据寄存器DR,指令寄存器IR,指令译码器ID,时序逻辑电路PLA,时序控制信号（控制命令）,1011 0000,0000 0101,0000 0100,0000 1000,1111 0100,内部总线,存储器,01234,程序计数器PC,地址,MOV AL,5ADD AL,8HLT,地址总线,地址译码器,读写控制电路,1011 0000,锁存,输出,地址寄存器AR,1.1.3 微机系统的构成,微型计算机（Microcomputer）是体积、重量、计算能力都相对较小的一类计算机的总称，一般供个人使用，所以也称为个人计算机（Personal Computer，PC）,图1-4 微型计算机系统的组成,图1-5 微型计算机的系统结构框图,硬件系统,硬件系统是由电子部件和机电装置所组成的计算机实体。硬件的基本功能是接受计算机程序，并在程序的控制下完成数据输入、数据处理和输出结果等任务。,1中央处理单元 中央处理单元CPU（Control Processing Unit）是微型计算机的核心部件，是整个系统的运算和指挥控制中心。不同型号的计算机，其性能差别首先在于器CPU性能的不同，而CPU性能优于它的内部结构有关。一般CPU都包含有运算器、控制器、寄存器组以及总线接口等部件的一块大规模集成电路芯片，俗称微处理器。,运算器,控制器,寄存器组,总线接口,图1-6 微处理器典型结构示意图,2存储器,主即系统中的存储器又叫内存或主存，是微型计算机的存储和记忆部件，用以存放数据（原始数据、中间结果和最终结果）和当前执行的程序。内存单元的内容：以字节为单位 内存单元的地址：存储单元的编号,内存的操作：,图1-8 存储器读、写操作示意图,内存的分类：,按工作方式不同，内存可分为两大类；随机存储器RAM（Random Access Memory）只读存储器ROM（Read Only Memory）,3+输入输出接口电路 输入/输出接口电路也称为I/O（Input/Output）电路，即通常所说的适配器、适配卡或接口卡。它是微型计算机外部设备交换信息的桥梁。3-输入/输入设备 计算机最常用的输入设备是键盘和鼠标。计算机最常用的输出设备是显示器和打印机。,4总线 总线，是由一组导线和相关控制电路组成，是各种公共信号线的集合，用于微机系统内部之间的信息传递。系统总线是CPU与其他部件之间传送数据、地址和控制信息的公共通道。根据传送内容可分成以下3种：数据总线DB（Data Bus）：用于CPU与主存储器、CPU与I/O接口之间传送数据。地址总线AB（Address Bus）：用于CPU访问主存储器和外部设备时，传送相关的地址。控制总线CB（Control Bus）：用于传送CPU对主存储器和外部设备的控制信号。,5主机板 主机板也称为系统主板或简称主板。主机板上有CPU芯片、内存槽、扩展槽、各种跳线和一些辅助电路。6外存储器 分为软磁盘、硬磁盘、光盘存储器。磁盘存储器由磁盘、磁盘驱动器和驱动器接口电路组成，统称为磁盘机。光盘存储器由光盘、光盘驱动器和接口电路组成。,系统软件,系统软件操作系统 程序设计语言编译和解释程序 监控管理程序、调试程序、故障检查和诊断程序应用软件数据库管理系统、办公自动化软件、图形图像处理软件等,OAM：操作（Operation）管理（Administration）维护（Maintenance）,1.2 计算机中的数制及编码,计算机中的数据分为两类：（1）数：用来直接表示量的多少，有大小之分，能够进行加减等运算。（2）码：通常指代码或编码，在计算机中用来描述某种信息。,1.2.1 常用计数制,十进制符合人们的习惯 二进制便于物理实现 十六进制便于识别、书写 八进制（已很少使用，略去）注意：它们的数码、基数、权及进位规则的不同。,1.十进制 特点：以十为底，逢十进一；共有0-9十个数字符号。表示：,例：238.51D=2*102+3*101+8*100+5*10-1+1*10-2,“10”称为十进制的基数“102、101、100、10-1、10-2”称为各相应位的“权”每一位的值等于该位数字与该位权的乘积 各位值的累加和表示整个数的大小。,decimal,2.二进制特点：以2为底，逢2进位；只有0和1两个符号。表示：,例：101.01B=1*22+0*21+1*20+0*2-1+1*2-2“2”称为二进制的基数，“22、21、20、2-1、2-2”称为各位的“权”,binary,3.十六进制特点：以16为底，逢16进位；有0-9及A-F共16个数字符号。表示：,例：2AH=2*161+10*160“16”称为十六进制的基数，16的各次幂是十六进制各位的“权”,hex,计算机中常用的进位计数制 计数制 基数 数 码 进位关系二进制 2 0、1 逢二进一八进制 8 0、1、2、3、4、5、6、7 逢八进一十进制 10 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9 逢十进一十六进制 16 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9 A、B、C、D、E、F 逢十六进一,4.进位计数制的一般表示 一般地，对任意一个K进制数S都可表示为,其中：Si-S的第i位数码，可以是K个符号中任何一个；n,m 整数和小数的位数；K-基数；Ki-K进制数的权,为了区分各种计数制的数据，经常采用以下两种方法进行书写表达。（1）在数字后面加写相应的英文字母作为标识。如：B（Binary）表示二进制数；O（Octonary）表示八进制数；D（Decimal）表示十进制数，通常其后缀可以省略；H（Hexadecimal）表示十六进制数。（2）在括号外面加数字下标，此种方法比较直观。如：二进制的11010011可以写成（11010011）2。,1.2.2 各种数制间的转换,1.非十进制数到十进制数的转换 按相应进位计数制的权表达式展开，再按十进制求和。例：1101.011B=1*23+1*22+1*20+1*2-2+1*2-3=8+4+1+0.25+0.125=13.375D 64.C H=6*161+4*160+C*16-1=6*161+4*160+12*16-1=（100.75）10,2.十进制到非十进制数的转换,十进制 二进制的转换：整数部分：除2取余；小数部分：乘2取整。十进制 十六进制的转换：整数部分：除16取余；小数部分：乘16取整。,【例1】将十进制整数（105）10转换为二进制整数，采用“除2倒取余”的方法，过程如下：2 105 2 52 余数为1 2 26 余数为0 2 13 余数为0 2 6 余数为1 2 3 余数为0 2 1 余数为1 0 余数为1 所以，（105）10（1101001）2,【例2】将十进制小数（0.8125）10转换为二进制小数，采用“乘2顺取整”的方法，过程如下：0.812521.625 取整数位1 0.62521.25 取整数位1 0.2520.5 取整数位0 0.521.0 取整数位1 所以，（0.8125）10（0.1101）2 如果出现乘积的小数部分一直不为“0”，则可以根据精度的要求截取一定的位数即可。,【例3】将十进制整数（2347）10转换为十六进制整数，采用“除16倒取余”的方法，过程如下：16 2347 16 146 余数为11（十六进制数为B）16 9 余数为2 0 余数为9 所以，（2347）10（92B）16,【例4】将十进制小数（0.8129）10转换为十六进制小数。按照转换规律，采用“乘16顺取整”的方法，过程如下：0.81291613.0064 取整数位13（十六进制数为D）0.0064160.1024 取整数位0 0.1024161.6384取整数位10.63841610.2144取整数位10（十六进制数为A）取数据的计算精度为小数点后4位数。所以,（0.8129）10（0.D01A）16,【例5】将十进制整数（1685）10转换为八进制整数。按照转换规律，采用“除8倒取余”的方法，过程如下：8 1685 8 210 余数为5 8 26 余数为2 8 3 余数为2 0 余数为3所以，（1685）10（3225）8,【例6】将十进制小数（0.7125）10转换为八进制小数。按照转换规律，采用“乘8顺取整”的方法，过程如下：0.712585.7 取整数位50.785.6 取整数位5 0.684.8 取整数位40.886.4 取整数位6若数据的计算精度取小数点后4位数，则其后的数可以不再计算。所以，（0.7125）10（0.5546）8,【例7】将二进制数（1011001.101）2 转换为十进制数。采用按位权展开求和的方法，过程如下：（1011001.101）2 126124123120121123 6416810.50.125（89.625）10,如果是8进制？16进制呢？如何转换？,3.二进制与十六进制间的转换,24=161 4位二进制数表示1位十六进制数 例：101 1000 1001.110B=(?)H 0101 1000 1001.1100 5 8 9.C 注意：以小数点为中心4位一分，位数不够时要补0。,数制转换（1）十进制整数转换为二进制整数 采用基数2连续去除该十进制整数，直至商等于“0”为止，然后逆序排列余数。（2）十进制小数转化为二进制小数 连续用基数2去乘以该十进制小数，直至乘积的小数部分等于“0”，然后顺序排列每次乘积的整数部分。（3）十进制整数转换为八进制整数或十六进制整数 采用基数8或基数16连续去除该十进制整数，直至商等于“0”为止，然后逆序排列所得到的余数。,（4）十进制小数转换为八进制小数或十六进制小数 连续用基数8或基数16去乘以该十进制小数，直至乘积的小数部分等于“0”，然后顺序排列每次乘积的整数部分。（5）二、八、十六进制数转换为十进制数 用其各位所对应的系数，按“位权展开求和”的方法就可以得到。其基数分别为2、8、16。（6）二进制数转换为八进制数 从小数点开始分别向左或向右，将每3位二进制数分成1组，不足3位数的补0，然后将每组用1位八进制数表示即可。,（7）八进制数转换为二进制数 将每位八进制数用3位二进制数表示即可。（8）二进制数转换为十六进制数 从小数点开始分别向左或向右，将每4位二进制数分成1 组，不足4位的补0，然后将每组用一位十六进制数表示即可。（9）十六进制数转换为二进制数 将每位十六进制数用4位二进制数表示即可。,1.2.3 计算机中二进制数表示,数值一般有两个属性：表数范围和表数精度。表数范围是指一种类型的数据所能表示的最大值和最小值；表数精度通常用实数值给出的有效数字的位数表示。在计算机中，表数范围和表数精度的大小与用多少个二进制位表示某类数据及怎样对某些位编码有关。,定点小数的表示,整数的表示,浮点数的表示,1.定点数表示方法在定点数中，小数点的位置一旦约定，就不再改变。目前常用的有两种：定点整数，即小数点位置约定在最低数值位的后面，用于表示整数。定点小数，即小数点位置约定在最高数值位的前面，用于表示小于1的纯小数。N=NsN-1N-2NN-(m-1)N-m,Ns：符号位，0表示正，1表示负 数值部分,|N|=1-2-m,定点数表示十进制小数0.6876,定点小数,N=NsNn-1Nn-2N1N0,Ns：符号位，0表示正，1表示负 数值部分,|N|=2n-1,定点整数,0=N=2n+1-1,2.浮点数表示方法浮点数表示方法来源于数学中的指数表示形式：例如，十进制数193可以写作0.193103；类似地，二进制数11000001可以写作0.1100000128等。由此可见，每个浮点数包括两部分，即尾数、基数、阶码。浮点数的尾数为小于1的小数，表示方法与定点小数相似，其长度将影响数的精度，其符号将决定数的符号。,图1-9 典型的浮点数格式,N REM,M（mantissa）：浮点数的尾数，或称有效数字，通常是纯小数。R（radix）：阶码的基数，表示阶码采用的数制。E（exponent）：阶码，即是指数值，为带符号整数。ES：阶符，阶码的符号，即指数的符号，决定浮点数范围的大小。MS：尾符，尾数的符号位，安排在最高位。它也是整个浮点数的符号位，表示该浮点数的正负.,15,14,12,11,10,0,阶符,阶码,尾符,尾码,小数点位置,浮点数的具体格式随不同机器而有所区别。例如，假设有一台16位机，其浮点数组成为阶码4位，尾数12位，则浮点数格式如下：,-0.1122,0.112-5,假定一个浮点数用4个字节来表示，其中尾数占3个字节，阶码占1个字节，且每一部分的第一位用于表示该部分的符号，则浮点数的精度可达到小数点后的第七位(223107)；数的表示范围可达到1038(2128)，远远大于4字节定点整数的表示范围(231=0.211010)。,1.2.4 二进制编码,1.二进制编码的十进制数 二进制编码表示的十进制数，称为二-十进制码，简称BCD(Binary Coded Decimal)码。专门解决用二进制数表示十进数的问题。最常用的是8421编码，其方法是用4位二进制数表示1位十进制数，自左至右每一位对应的位权是8、4、2、1。,8421码BCD码与十进制数、二进制数的转换计算机中BCD码的存储方式,+1压缩BCD码 每一位数采用4位二进制数来表示，即一个字节表示2位十进制数。例如：二进制数10001001B，采用压缩BCD码表示为十进制数89D。-2非压缩BCD码 每一位数采用8位二进制数来表示，即一个字节表示1位十进制数。而且只用每个字节的低4位来表示09，高4位为0。例如：十进制数89D，采用非压缩BCD码表示为二进制数是：00001000 00001001B,字符的编码,ASCII（American Standard Code for Information Interchange）码：是美国信息交换标准代码的简称，用于给西文字符编码；包括英文字母的大小写、数字、专用字符、控制字符等；这种编码由7位二进制数组合而成，可以表示128种字符；在ASCII码中，按其作用可分为：34个控制字符；NUL ACK 10个阿拉伯数字 1-9 52个英文大小写字母；a-z A-Z 32个专用符号,.(),微机原理,位（bit）：计算机处理的最小数据单位，只能为“0”或“1”，缩写b千位（Kilobit）：代表210位，即1024位，缩写Kb兆位（Megabit）：代表220位，即10241024位，缩写Mb 千兆位（Gigabit）：代表230位，即1024 Mb，缩写Gb兆兆位（Terabit）：代表240位，即1024 Gb，缩写Tb,常用术语解释,字节（byte）：计算机中存储器容量的基本单位，一个字节由8位二进制数据组成，byte通常缩写B，同样有KB、MB、GB、TB字（Word）：不同的场合有不同的含义，软件上通常指2个字节，硬件上一般指处理器外部数据总线的宽度字长：计算机运算部件直接能处理的二进制数据的位数。字长愈长，计算机的处理能力愈强，运算精度愈高，指令功能愈强，可寻址的存储空间也愈大主频：主时钟的频率，主频愈高，微型计算机的速度愈快,1.3 无符号二进制数的算术运算和逻辑运算,二进制数在表示上可分为无符号数和有符号数两种。二进制数的算术运算包括：加、减、乘、除四则运算。,1.二进制数的加法,二进制的算术运算,2.二进制数的减法,3.二进制的乘法,4.二进制的除法,二进制数的除法运算和十进制数的除法类似。,例：,无符号数的表示范围 一个n位的无符号二进制数X，其表示范围为 0 X 2n-1(当n=8时,00000000B11111111B 即在0255之间)无符号二进制数的溢出判断 若运算结果超出这个范围，则产生溢出。（或者说运算结果超出n位，则产生溢出）判别方法：运算时，当最高位向更高位有进位（或借位）时则产生溢出。,1.3.3 二进制逻辑运算,逻辑运算是计算机运算的一个重要组成部分。计算机使用实现各种逻辑功能的电路，利用逻辑代数的规则进行各种逻辑判断，从而使计算机具有逻辑判断能力。逻辑代数又叫布尔代数，它利用符号来表达和演算事物内部的逻辑关系。在逻辑代数中，使用变量来表示逻辑事件，逻辑变量的取值为“真”或“假”，用以表示逻辑事件是否成立。逻辑事件之间的逻辑关系用逻辑变量和逻辑运算来表示，逻辑代数中有三种基本的逻辑运算“与”、“或”、“非”。在计算机中，用“1”和“0”来代表逻辑变量的值，“1”为真、“0”为假。因此，计算机的逻辑运算也是以二进制数为基础的。,1.逻辑“与(AND)”运算,“与”运算又叫逻辑乘，用符号“”、“”或“”来表示。逻辑“与”的运算规则：010 100 000 111逻辑“与”表示两个简单事件A和B构成逻辑相乘的复杂事件，只有当两个事件同时为真时结果才为真，否则，结果为假。例如：10101010 11010101 10000000,2.逻辑“或(OR)”运算,“或”运算又叫逻辑加，用符号“”或“”或“OR”表示。逻辑“或”的运算规则：000 0l1 101 111逻辑“或”表示两个简单事件A和B构成逻辑相加的复杂事件，只有当两个事件同时为假时结果才为假，否则，结果为真。例如：10101000 11010101 11111101,3逻辑“非”运算,“非”运算又叫逻辑反，用变量上加横线或变量前加符号“”或“NOT”表示。逻辑“非”的运算规则：01 10逻辑“非”表示与原事件含义相反，即非假为真，非真为假。例如：10101010 01010101,1.4 带符号二进制数的表示与运算,计算机中的带符号二进制数把二进制数的最高位定义为符号位。符号位为 0 表示正数，符号位为 1 表示负数连同符号位一起数值化了的数，称为机器数。机器数所表示的真实的数值，称为真值。,定点和浮点表示都是用数据的第一位表示数的符号，用其后的各位表示数(包括尾数与阶码)的绝对值。这种方法简明易懂，称为“原码”编码方式。但因运算器既要能做加法，又要能做减法，操作数中既有正数，又有负数，所以原码运算时常伴随许多判断。例如两数相加，若符号不同，实际要做减法；两数相减，若符号相异，实际要做加法等。其结果是，第一将增加运算器的复杂性，第二会增加运算的时间。为了克服上述缺点，人们又提出了“补码”、“反码”等编码方法。补码运算的主要优点是通过对负数的适当处理，把减法转化为加法。不论求和求差，也不论操作数为正为负，运算时一律只做加法，从而大大简化加减运算。所以对算术运算的完整讨论不仅应包括数值，还应该包括码制(原、反、补码等)。,1.符号数的表示,对于符号数，机器数常用的表示方法有原码、反码和补码三种。数X(真值)的原码记作X原，反码记作X反，补码记作X补。注意：对正数，三种表示法均相同。它们的差别在于对负数的表示。,n位带符号位数的原码X原,定义符号位：0表示正，1表示负；数值位：真值的绝对值。,即当X为正数和零(+0)时,即当X为负数和零(-0)时,例,n位原码表示数值的范围是对应的原码是1111 0111。(当n=8时,1 1111111B0 1111111B,即-127127之间),8位数0的原码：+0=0 0000000-0=1 0000000 即：数0的原码不唯一,反码X,定义 若X 0，则 X反=X原 若X 0，则 X反=对应原码的符号位不 变，数值部分按位求反,即当X为正数和零(+0)时,即当X为负数和零(-0)时,=(2n-1)-|X|,例,n位反码表示数值的范围是 对应的反码是1000 0111。(当n=8时,1 0000000B0 1111111B,即-127127之间),0的反码：+0反=00000000-0反=11111111即：数0的反码也不是唯一的。,补码,定义：若X 0，则X补=X反=X原若X 0，则X补=X反+1,即当X为正数和零(+0)时,即当X为负数和零(-0)时,例X=52=0110100 X原=10110100 X反=11001011 X补=X反+1=11001100,n位补码表示数值的范围是对应的补码是1000 0111。(当n=8时,1 0000000B0 1111111B,即-128127之间),0的补码：+0补=+0原=00000000-0补=-0反+1=11111111+1=1 00000000 对8位字长，进位被舍掉+0补=-0补=00000000数0的补码是唯一,特殊数1000 0000该数在原码中定义为：-0在反码中定义为：-127在补码中定义为：-128对无符号数：(1000 0000)=128,对8位二进制数：原码：-127+127反码：-127+127补码：-128+127,8位有符号数的表示范围：,2.补码数与十进制数之间的的转换,正数的补码就等于它的原码，即真值就是它的数值部分，也就是说，除符号位之外的其余数值位