微型计算机的系统结构与工作原理(程启明).ppt

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1、计算机硬件技术,上海电力学院 自动化工程学院,2013.2,主讲教师:程启明 老师,（微机原理及其应用）,内容简介、前言（程启明编写）第1章 微机系统的基础知识（程启明编写）第2章 微处理器（楼俊君编写）第3章 存储器（楼俊君编写）第4章 指令系统（楼俊君编写）第5章 汇编语言程序设计（罗 静编写）第6章 I/O接口技术与DMA 技术（黄云峰编写）第7章 中断技术（赵永熹编写）第8章 并行接口8255与人机接口技术（王 莉编写）第9章 串行通信接口技术（黄云峰编写）第10章 定时/计数技术（甄兰兰编写）第11章 模拟接口技术（黄云峰编写）第12章 MCS-51单片机原理及程序设计基础（赵永熹编

2、写）第13章 MCS-51单片机的接口（赵永熹编写）第14章 计算机硬件系统的设计及开发实例（刘 刚编写）附录、参考文献（程启明编写）,课程内容（可根据不同课时选择讲课内容）,课程目标：计算机硬件技术是学习和掌握微机硬件知识和汇编语言程序设计的入门课程：微型计算机的基本工作原理汇编语言软件程序设计微型计算机硬件接口技术 目的：建立微型计算机系统的整体概念，形成微机系统软、硬件开发的初步能力。,课程难度：“教”与“学”都较难特点：内容多、逻辑联系少、概念抽象、记忆多、综合强（软硬结合）、入门难等。,课程情况学时安排：48/69讲课+16实验+1周课程设计（自动化/测控专业）44讲程+8实验（电气

3、或 动力专业）考试成绩：出勤率10%+作业10%+实验10%+期中、期末考试70%作业要求：每章或几章结束交作业本（准备2本）10周后发解答考试题型：选择、填空、判断、名词解释、计算、作图、编 程等考试形式：闭卷、试卷库（任1套/10套）集体统一批改、及格率5075%（含补考）,先修课程：计算机基础、C语言、电子线路等,课程地位 专业基础课，讲课3/4学分+实验1学分+课程设计1学分=5/6学分。几乎所有工科（可能是除文科外绝大部分专业）必学，电类各专业必修，自动化专业、测控仪表等专业考研（初、复试）必考。与软件技术基础课程形成硬件与软件配套。,教材及教学参考书1 程启明、黄云峰等编，计算机硬

4、件技术，中国电力出版社，2012.22 程启明、黄云峰、杨艳华编，计算机硬件技术实践指导，中国电力出版社，2013.22 冯博琴主编，微机原理与接口技术，清华大学出版社，2002.23 周明德主编,微型计算机系统原理及应用(第四版),清华大学出版社,2003.8,答疑辅导 地点：电力与自动化工程学院大楼xxx室 手机:1337189xxxx 电子邮箱,第1章 微机系统的基础知识,1.1 微机概述1.2 微机系统的结构和工作原理1.3 微机系统的工作过程1.4 PC系列微机的体系结构1.5 微机的数制与编码习题与思考题,本章要点,本章从微机系统的总体框架入手，帮助学生建立起微机系统的概念，并通过

5、掌握数据格式间的转换，为后继学习奠定基础。本章的重点是微处理器、微机、微机系统的定义和及相互关系，以及原码、补码、反码的计算。本章的难点在于对微机系统结构的理解和数据格式的转换。,1.1 微 机 概 述 计算机的发展,1946年，第一台计算机在美国诞生。60多年来，根据计算机采用的逻辑元件来分，计算机经历了电子管、晶体管、中小规模集成电路、大规模及超大规模集成电路计算机这5个阶段，如图1-1所示。,（1）第1代计算机，即电子管时代的计算机。从20世纪40年代末到50年代中期的计算机都采用电子管为主要元件。这一代计算机主要用于科学计算。（2）第2代计算机，即晶体管时代的计算机。20世纪50年代中

6、期，晶体管取代电子管，大大缩小了计算机的体积，降低了成本，同时将运算速度提高了近百倍。第2代计算机不仅用于科学计算，而且开始用于数据处理和过程控制。（3）第3代计算机。20世纪60年代中期，集成电路问世之后，出现了中、小规模集成电路构成的计算机。这一时期，实时系统和计算机通信网络有了一定的发展。（4）第4代计算机。20世纪70年代初，出现了以大规模集成电路为主体的计算机。这一代计算机的体积进一步缩小，性能进一步提高，发展了并行技术和多机系统，出现了精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer，RISC）。微型计算机（Microcomputer）也是在第4代

7、计算机时期产生的。（5）第5代计算机。计算机采用超大规模集成电路，在系统结构上类似人脑的神经网络，在材料上使用常温超导材料和光器件，在计算机结构上采用超并行的数据流计算等。,微机的发展 计算机有多种分类方法，按性能规模可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机和工作站。随着大规模集成电路的发展，计算机分别朝着巨型或大型机和超小型或微型机两个方向发展。以微处理器MPU（Micro Processing Unit）为核心，配上大容量的半导体存储器及功能强大的可编程接口芯片，连上外部设备及电源所组成的计算机，称作微型计算机，简称微型机或微机。,微机在系统结构和基本工作原理上，与其他计算机（巨、大、

8、中小型的计算机）并无本质差别，主要差别在于微机采用了集成度相当高的器件和部件，它的核心部分是微处理器。微处理器（或称微处理机）是指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功能的中央处理器（CPU）。以微处理器为核心的微机是计算机的第4代产品。,（1）第1代（19711973年）4位和8位低档微处理器和微机时代。典型CPU产品为Intel 4004/8008。（2）第2代（19731978年）8位中高档微处理器和微机时代。典型CPU产品为Intel 8080/8085、Motorola MC6800、Zilog Z80。（3）第3代（19781985年）16位微处理器和微机时代。典型

9、产品为Intel 8086/8088/80286、Zilog Z8000、Motorala 68000/68010。（4）第4代（19851993年）32位微机处理器和微机时代。典型产品为Intel 80386/80486和Motorola 68040。（5）第5代（19931995年）32位P5高档微处理器和微机时代。典型产品为Intel Pentium 586（奔腾）。（6）第6代（19951999年）32位P6高档微处理器和微机时代。典型产品为Intel Pentium Pro/Pentium MMX/Pentium/Pentium。（7）第7代（20002007年）是32位P4高档微处

10、理器和微机时代。典型产品为Intel Pentium 4（如5XX/6XX/7XX等）。（8）第8代（2007至今）是32/64位Core双核高档微处理器和微机时代。典型产品为Intel Core2 Duo/Core2 Quard/Core2 Extreme等。,按CPU字长位数和功能来划分，以时间来排序微处理器的发展过程分为8个阶段。,Intel 4004,Intel 8008,Intel 8080,Intel 8086,Intel 8085,Intel 80286,Intel 80386,Intel 80486,Intel Pentium,Intel Pentium MMX,Intel P

11、entium PRO,Pentium II,Pentium III,Pentium IV,Intel Itanium,AMD公司的产品,（1971-1973）主要应用于各种袖珍计算器、家电、交通灯控制等简单控制领域,（1973-1978）广泛用于数据处理、工业控制智能仪器仪表及家电等各个领域,（1978-1983）,（1984-1992）,（1993-1999）,特点：1、速度越来越快。2、容量越来越大。3、功能越来越强。,（2000年以后）,微机的特点和应用范围 一、微机的特点 由于微机是采用LSI和VLSI组成的，因此它除了具有一般计算机的运算速度快、计算精度高、记忆功能和逻辑判断力强、自

12、动工作等特点外，还有其独特的优点。（1）体积小、重量轻、功耗低。（2）可靠性高、对使用环境要求低。（3）结构简单、设计灵活、适应性强。（4）性能价格比高。,二、微机的应用范围（1）科学计算。（2）信息处理。（3）计算机辅助技术。（4）过程控制。（5）人工智能。（6）网络通信。（7）计算机仿真,1.1.4 微机的分类微机的分类方法有多种，主要有：,一、按字长分类 字长是指计算机一次可处理二进制数的最大位数，它是微机的一个重要参数。微机按字长可分为：4、8、16、32和64位机。字长与微处理器数据总线DB宽度不是同一个概念。如8088的字长16位，但DB宽度仅8位；而Pentium系列的字长32位

13、，但DB宽度64位。二、按结构类型分类（1）单片机 又称微控制器或嵌入式控制器，它将CPU、存储器、定时器计数器、中断控制，I/O接口等集成在一片芯片上。如MCS-51系列单片机8031、8051、8751等。（2）单板机 将CPU、内存储器、I/O接口组装在一块印刷电路板上的微型计算机，如SDK-86和TP86单板机。（3）多板机（PC机）由一块主板（包含CPU、内存储、I/O总线插槽）和多块外部设备控制器插板组装而成的微型机。如IBM-PC微机及其兼容机。三、按用途分类（1）个人计算机（2）工作站/服务器。（3）网络计算机四、按体积或外形分类（1）台式机（也称桌上型）（2）便携机（也称可移

14、动微机）,微机系统的主要性能指标（1）字长 计算机能直接处理的二进制数据的位数。（2）运算速度 微处理器执行指令的速率，单位:百万条指令/秒(MIPS)（3）存储容量 反映了计算机存储信息的能力。（4）存取速度 存储器完成一次读/写操作所需的时间。（5）指令系统 微处理器具有的不同指令总和。（6）总线类型与总线速度 系统总线和外部总线的类型；处理器、系统的总线速度（7）主板与芯片组类型 不同类型的主板有不同的芯片组，其性能差异很大。（8）外设的配置 容许或实际挂接的外设数量越多,微机功能就越强。（9）系统软件的配置 微机系统配置的操作系统及其它系统软件和实用程序等。（10）可靠性、可用性和可维

15、护性。此外，还有一些评价计算机的综合指标，例如，系统的兼容性、完整性和安全性以及性能价格比。各项指标之间也不是彼此孤立的，在实际应用时，应该把它们综合起来考虑。,1.2 微机系统的结构和工作原理1.2.1 微机系统的组成,区别3个概念,微机系统的组成由小到大可分为微处理器、微型计算机、微型计算机系统三个层次结构，如上图1-2所示。,（1）微处理器。微处理器（Microprocessor，简称P或MP）是指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功能的中央处理器部件，又称为微处理机。它只是其中央处理器。有时为区别大、中、小型中央处理器CPU（Central Processing Uni

16、t）与微处理器，而称后者为MPU（Microprocessing Unit）。（2）微型计算机。微型计算机（Microcomputer，简称C或MC）是指以微处理器为核心，配上存储器、输入/输出接口电路及系统总线所组成的计算机。当把微处理器、存储器、输入/输出接口电路统一组装在一块或几块电路板上或集成在单个芯片上，则分别称之为单板、多板或单片微型计算机。（3）微型计算机系统。微型计算机系统（Microcomputer System，简称CS或MCS）是指以微型计算机为核心，配以相应的外部设备、电源和辅助电路以及软件系统所构成的系统。只装有硬件的计算机称为裸机，只有当将其配上系统软件时才成为真正

17、可使用的计算机系统。,1.2.2 微处理器的内部结构与基本功能 一、概述 微处理器CPU外部一般采用上述三总线结构；内部则采用单总线即内部所有单元电路都挂在内部总线上，分时享用。典型的8位微处理器结构如图1-3所示。,CPU由算术逻辑运算单元（ALU）、控制单元（CU）、寄存器组（Rs）三部分组成。,二、算术逻辑运算部件ALU和累加器A、标志寄存器F 算术逻辑运算部件（Arithmetic Logic Unit，ALU）主要用来完成数据的算术和逻辑运算。,三、控制单元CU CU负责控制与指挥计算机内各功能部件协同动作，完成计算机程序功能。它由指令寄存器（IR）、指令译码器（ID）和定时及各种控

18、制信号的产生电路（PLA）等组成。,四、寄存器组 寄存器组是CPU内部的若干个存储单元，用来存放参加运算的二进制数据以及保存运算结果。,五、内部总线和总线缓冲器 内部总线把CPU内各寄存器和ALU连接起来，以实现各单元之间的信息传送。缓冲器用来暂时存放信息（数据或地址），它具有驱动放大能力。,1.2.3 微机系统硬件的组成及结构 图1-3为微型计算机系统硬件的组成及结构。微型计算机的硬件主要由微处理器CPU、存储器M、输入/输出接口（I/O接口）和外部设备（外设）等组成。各组成部分之间通过系统总线联系起来。,（b）微机系统的硬件结构,总线(BUS)定义：一组导线和相关的控制、驱动电路的集合。计

19、算机系统各部件之间传输地址、数据和控制信息的公共通道。,地址总线（AB）数据总线（DB）控制总线（CB）,总线结构的优点：简化系统设计（模块化）、提高兼容性、便于扩充升级、便于维修、减低生产成本。,总线分类：,CPU总线：CPU 其他部件系统总线：主机I/O接口外部总线：微机外设,片内总线片外总线,按相对CPU的位置,按层次 结构,控制总线的部件（总线主控设备）：CPU 和 DMA 控制器。被总线控制的部件（总线控制设备）：存储器 和 I/O设备。,总线的使用特点：1、在某一时刻，只能由一个总线主控设备来控制总线，其它总线主控设备此时必须放弃对总线的控制。2、在连接系统的各个设备中，在某一时刻

20、只能有一发送者发送信号，但可以有多个设备从总线上同时获得信号。3、通过总线插槽来接口板连接。,一个计算机系统包含多种类型总线，按所处位置可分为：1.内部总线 位于CPU芯片内，用于连接片内各功能部件的总线内部总线的对外引线叫做CPU总线。2.局部总线 位于主机板上，用于连接主机板上各个主要部件，并通过扩展槽连接各种适配器（显卡、网卡、声卡）。常见的有ISA、EISA、PCI总线ISA Industry Standard ArchitectureEISA Extension Industry Standard ArchitecturePCI Peripheral Component Interc

21、onnect3.系统总线 位于机箱底板，多个CPU插件板以此互相连接在PC机中，一般不用，常见的有MULTIBUS、VME等。4.外部总线 微机与外部设备之间或几个微机系统之间的通信总线，如：IDE(Integrated Drive Electronic)总线，专用于连接硬盘SCSI(Small Computer System Interface)，专用于连接硬盘Centronics总线，用于与并行打印机连接USB(Universal Serial Bus)总线，用于连接USB设备,系统总线,CPU,协处理器,二级Cache,PCI总线控制器（PCI桥）,主存储器,高速图形卡,显示器,PCI转

22、换桥PCI-ISA/EISA,PCI总线控制器,PCI卡,PCI卡,PCI卡,PCI卡,ISA卡,ISA卡,EISA卡,CPU总线,PCI总线,AGP,PCI总线,ISA/EISA总线,CPU总线：CPU芯片内部总线的对外引线，连接与CPU最密切、速度最快的部件，如二级Cache,系统总线可分为数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB三种类型。AB、DB和CB分别是用来传送地址、数据和控制信息的信号线。微机采用三总线结构，这可使微机系统的结构简单、维护容易、灵活性大和可扩展性好。,微机中总线一般有内部总线、系统总线和外部总线。（1）内部总线是微机内部各外围芯片与处理器CPU之间的总线，用于芯片

23、一级的互联；（2）外部总线则是微机和外部设备之间的总线，微机通过该总线和其他设备进行信息与数据交换，它用于设备一级的互联；（3）系统总线是微机中各插件板与系统板之间的总线，用于插件板一级的互联，它一般也是采用AB、DB和CB三总线形式。,目前系统总线的标准主要有ISA、EISA、VESA、PCI、Compact PCI等。,地址总线AB：用来传送CPU输出的地址信号，确定被访问的存储单元、I/O端口。地址线的根数决定了CPU的寻址范围。CPU的寻址范围=2n，n-地址线根数。数据总线DB：在CPU与存储器、I/O接口之间数据传送的公共通路。数据总线的条数(字长)决定CPU一次最多可以传送的数据

24、宽度。控制总线CB：用来传送各种控制信号,如读、写等,存储器 功能：存放程序和数据。,存储器,内存（主存）,外存（辅存）,RAM,ROM,SRAM,DRAM,ROM,EPROM,E2PROM,软盘硬盘光盘,1.2.4 内存的组成与操作 内存的作用是存放指令和数据，并能由中央处理器（CPU）直接随机存取。内存是按地址存放信息的，存取速度一般与地址无关。按照读写方式的不同，内存可分为ROM和RAM两种类型。内存的性能指标有存储速度、存储容量等。,一、内存的结构 内存通常由存储体、地址译码驱动电路、I/O和读写电路等部分组成，其组成框图如图1-4所示。,1 0 1 1 0 1 1 0,38F04H,

25、内存单元地址,内存单元内容,.,.,Bit 7 6 5 4 3 2 1 0,0 1 0 1 1 0 0 0,*内存单元有时又称为地址单元,二、内存的操作过程 RAM型内存的操作主要有读、写两种。图1-5为内存读、写操作过程示意图。,（a）内存读操作过程示意图（b）内存写操作过程示意图,1.2.5 输入/输出接口,简写为I/O接口，是CPU与外部设备间的桥梁。,CPU,I/O接口,I/O设备（简称 外设）,I/O接口的功能：,1）提供驱动外设的电压或电流；2）匹配计算机与外设之间的信号电平、速度、信号类型、数据格式等；3）缓存CPU发给外设的数据、控制命令和外设提供的运行状态信息；4）提供两者间

26、数据传递控制方式:DMA、中断、查询、无条件。,I/O设备和I/O接口（1）I/O设备(外设)：微机配备的输入设备、输出设备、外存设备（外设）。标准输入/输出设备（控制台）：键盘和显示器（CRT）。,I/O设备,输入设备,输出设备,键盘,鼠标,扫描仪、数码相机,显示器,打印机,绘图仪,（2）I/O接口：连接外设备和系统总线，完成信号转换、数据缓冲、与CPU进行信号联络等工作。显示器卡：完成显示器与总线的连接。声卡：完成声音的输入/输出。网卡：完成网络数据的转换。扫描卡：连接扫描仪到计算机。调制解调器卡：模拟信号与数字信号相互转换。键盘接口、打印机接口等。232接口：串行数据接口。USB接口：通

27、用串行接口。,外存设备,1.2.6 微机系统的软件结构 计算机软件系统是指为运行、管理、应用、维护计算机所编制的所有程序及文档的总和。计算机软件通常分为系统软件和应用软件两大类。,软件系统,系统软件,应用软件,操作系统,语言处理程序,汇编程序,编译程序,解释程序,实用程序,应用程序,应用软件包,通用应用工具软件,1.3 微机系统的工作过程 程序存储及程序控制的基本概念 1946年美籍匈牙利著名的数学家冯诺依曼（Von.Neumann）提出了计算机基本结构、程序存储及程序控制等概念，这些基本概念奠定了现代计算机的基本框架。冯诺依曼体制的基本要点是：（1）计算机硬件系统应由运算器、控制器、存储器、

28、输入和输出设备五部分基本结构组成。（2）任何复杂的运算和操作都可转换成一系列用二进制代码表示的指令，程序就是完成既定任务的一组指令序列；各种数据也可用二进制代码来表示。把执行一项信息处理任务的程序代码和数据，以字节为单位，按顺序存放在存储器的一段连续的存储区域内，这就是“程序存储”概念。（3）计算机工作时，计算机自动地按照规定的流程，依次执行一条条的指令，不但能按照指令的存储顺序，依次读取并执行指令，而且还能根据指令执行结果进行程序的灵活转移，从而完成各种复杂的运算操作，最终完成程序所要实现目标，这就是“程序控制”概念。计算机采取“程序存储与程序控制”的工作方式，即事先把程序加载到计算机的存储

29、器中，当启动运行后，计算机便会自动按照程序的指示进行工作。,控制器按预先存放在计算机存储器中的程序的流程自动地连续取出指令并执行之。,运算器,输出设备,控制器,输入设备,存储器,指令流,控制命令,数据流,存储程序计算机的工作原理,计算机每执行一条指令，都包含着两个基本的步骤，即取指令和执行指令。,冯诺依曼,1.3.2 微机程序执行的一般过程,PC,1.CPU如何知道从哪里取出程序的第一条指令？操作系统OS2.CPU如何按程序控制流执行指令？程序计数器PC3.CPU如何知道从哪里取操作数？地址、寻址方式,1.3.3 简单程序执行过程举例,计算机如何具体计算 3+2=？,（1）用助记符号指令编写源

30、程序 MOV A,3;A3 ADD A,2;AA+2 HLT;暂停,（2）需要翻译（汇编）成机器语言指令。MOV A,3 1011 0000B=B0H;操作码(MOV A,n）0000 0011B=03H;操作数(3)ADD A,2 0000 0100B=04H;操作码(ADD A,m)0000 0010B=02H;操作数（2）HLT 1111 0100B=F4H;操作码(HLT),（3）将数据和程序通过输入设备送至存储器中存放,（4）当程序存入存储器后，就可以介绍微机内部执行程序的具体操作过程了。,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

31、ID,时序逻辑电路,时序控制信号（控制命令）,1011 0000,0000 0011,0000 0100,0000 0010,1111 0100,内部总线,存储器,01234,程序计数器PC,地址,MOV A,3ADD A,2HLT,地址总线AB,地址译码器,读写控制电路,1011 0000,锁存,输出,地址寄存器AR,数字总线DB,M,CPU,一、第一条指令的执行过程（1）取指令阶段,（2）执行指令阶段,二、第二条指令的执行过程,（1）取指令阶段,（2）执行指令阶段,按上述类似的过程取出第三条指令，经译码后就停机。这样，微计算机就完成了人们事先编制的程序所规定的全部操作要求。,1.4 PC系

32、列微机的体系结构,1.4.1 8088 PC/XT机体系结构,图1-13 PC/XT机体系结构,1.4.2 80286 PC/AT机体系结构,图1-14 80286 PC/AT机体系结构,1.4.3 80386/80486的基本结构,图1-15 80386/80486的基本结构,1.4.5 Pentium ISA/PCI南北桥,图1-16 80486 EISA总线体系结构,1.4.5 Pentium ISA/PCI南北桥,图1-17 Pentium ISA/PCI体系结构,1.4.6 Pentium II ISA/PCI/AGP南北桥,图1-18 Pentium II ISA/PCI/AGP体

33、系结构,1.4.7 Pentium III中心结构,图1-19 Pentium III 中心结构,1.4.8 Pentium 4中心结构,图1-20 Pentium 4中心结构,CPU,北桥,南桥,RAM,Cache,AGP,CRT,BIOS,KBD，Mouse串行/并行接口HDD/CDROM(IDE)FDDUSB,前端总线/CPU总线,接口卡,外设,总线扩展槽,微型计算机的物理结构（主板）,1CPU插座2芯片组（南北桥)3加速中心(HUB）4内存插槽5高速缓存（现已 集成到CPU内部）6系统BIOS，硬件 控制7CMOS，存放硬件 配置参数、系统 自检及引导程序8总线扩展槽(PCI、ISA)

34、9串行、USB、并行 接口10软/硬盘、光驱插 座,主板的主要硬件构成,1.4.9 Intel Core微体系结构,1.4.10 PCI Express系统架构,图1-21 PCI Express 系统架构,1.5 微机的数制与编码1.5.1 计算机常用的数制及其转换1.5.1.1 进位计数制,一、十进制数主要特点（1）有十个不同的数字符号：0，1，2，9。（2）遵循“逢十进一”原则。一般地，任意一个十进制数N都可采用按权展开表示为,二、二、八、十六进制数主要特点对于二进制，R=2，K为0或1，逢二进一。,对于八进制，R=8，K为07中的任意一个，逢八进一。,对于十六进制，R=16，K为09、

35、A、B、C、D、E、F共16个数码中的任意一个，逢十六进一。,综上可见，上述几种进位制有以下共同点：（1）每种进位制都有一个确定的基数R，每一位的系数K有R种可能的取值。（2）按“逢R进一”方式计数，在混合小数中，小数点左移一位相当于乘以R，右移一位相当于除以R。,1.5.1.2 数制间的转换三种数制间的转换方法示意图如图1-22所示。,一、二、八、十六进制数转换为十进制数 这种转换只需将二、八、十六进制数按权展开。例如：(110.01)2=122+121+020+02-1+12-2=(6.25)10(175)8=182+781+580=(125)10(B2C)16=11162+2161+12

36、160=(2860)10,二、十进制数转换成二、八、十六进制数,十进制数转换成二、八、十六进制数时，需要把整数部分与小数部分分别转换，然后拼接起来。例如，把十进制数125、0.8125、125.8125转换为二进制数方法如下：,图1-23 整数部分的转换示意图,（1）整数的转换。(125)10=(Kn-1K1K0)2 按权展开为(125)10=Kn-12n-1K121+K020 将上式两边同时除以2，得到(124+1)/2=Kn-12n-2+K120+K0/2 由于等式两边整数与小数必须对应相等，因此整数部分：62=Kn-12n-2+K120 小数部分：1/2=K0/2 因此,K0=1，而1正

37、好是125/2的余数。将62继续除以2，可得(62+0)/2=Kn-12n-3+K220+K1/2,所以K1=0。用类似的方法继续除以2，可将Kn-1K0都确定下来。因而转换结果为(125)10=(11111101)2。整数部分（125）的转换示意图如图1-23所示。,（2）小数的转换。设(0.8125)10=(0.K-1K-2K-m)2，展开为(0.8125)10=K-12-1+K-22-2+K-m2-m 将上式两边同乘以2，得到 1.625=K-1+K-22-1+Km2-m+1 由于等式两边相等，因此其整数部分与小数部分对应相等。所以 整数：1=K-1 小数：0.625=K-22-1+K-

38、32-2+K-m2-m+1 上式继续乘以2，有1.25=K-2+K-32-1+K-m2-m+2 整数：1=K-2 小数：0.25=K-32-1+K-m2-m+2 以此类推，可逐个求出K-1K-2K-m的值。所以转换结果为(0.8125)10=(0.1101)2。小数部分（0.8125）的转换示意图如图1-24所示。,图1-24 小数部分的转换示意图,（3）含整数和小数两部分的数转换。如果一个数既有小数又有整数，则应将整数部分与小数部分分别进行转换，然后用小数点将两部分连起来，即为转换结果。例如(125.8125)10=(125)10+(0.8125)10(11111101)2(0.1101)2

39、 则(125.8125)10=(11111101.1101)2,三、二进制与八进制、十六进制的相互转换 由于8=23，16=24 因此，八进制或十六进制要转换成二进制，只需将八进制数或十六进制数分别用对应的三位或四位二进制数表示即可。,例如(101101.101001)2=(55.51)8=55.51Q(00101101.10100100)2=(2D.A4)16=2D.A4H,1.5.2 计算机中带符号数的表示1.5.2.1 机器数与真值,机器数是一个数在计算机中的表示形式，一个机器数所表示的数值称为真值。对于无符号数，机器数与真值相同。对于n位字长的计算机来说，表示无符号的整数范围为02n-

40、1，例如，8位二进制无符号数表示的范围为00000000B11111111B（即0255）。对于带符号的数，在计算机中，通常将一个数的最高位作为符号位，最高位为0，表示符号位为正；最高位为1，表示符号位为负。例如 真值 机器数（原码）+18=0 0010010 B 18=1 0010010 B1.5.2.2 带符号数机器数的3种表示方法 对于带符号数，机器数常用的表示方法有原码、反码、补码3种。,一、原码 上述以最高位为0表示正数，1表示负数，后面各位为其数值，这种数的表示法称为原码表示法。换言之，设机器数位长为n，则数X的原码可定义为,原码的特点：（1）表示简单、直观，与真值间转换方便，数值

41、部分即为该带符号数的二进制值。（2）8位二进制原码能表示的数值范围为1 1111111 B0 1111111 B，即127+127；对于n位字长的计算机来说，其原码表示的数值范围为(2n11)2n11，它对应于原码的1111B0111B。（3）0有+0和0两种表示方法。由于“0”有+0和0之分，若字长为8位，则数0的原码的两种不同形式为+0原=0 0000000 B，0原=1 0000000 B。（4）用它作加减法运算不方便。若两个异号数相加或两个同号数相减时，必须作减法。,二、反码 对于正数，其反码形式与其原码相同，最高位0表示正数，其余位为数值位；但对于负数，将其原码除符号位以外其余各位按

42、位取反，即可得到其反码表示形式。可见，n位二进制反码的定义可表示为,例如，若字长为8位，则对于正数，+5原=+5反=0 0000101B，+127原=+127反=0 1111111 B；对于负数，5原=1 0000101 B，5反=1 1111010 B，127原=1 1111111，127反=1 0000000 B。反码的特点：（1）表示较复杂，与真值间转换不太方便。将反码还原为真值的方法是：反码原码真值，即。即当反码的最高位为0时，后面的二进制序列值即为真值，且为正；最高位为1时，则为负数，后面的数值位要按位求反才为真值。,例如：X反=10101010 B，它是一个负数，其中后7位为010

43、1010，取反得1010101，所以负数 X=(126+124+122.+120)=85。,（2）数0的反码也有两种形式。0也有+0和0之分，若字长为8位，则+0原=+0反=0 000000；0原=1 0000000,0反=1 1111111。（3）8位二进制反码所能表示的数值范围为1 0000000 B0 1111111 B，即-127+127；n位字长的反码表示的数值范围为(2n-11)2n11，它对应于原码的1 000B0 111B。（4）用它作加减法运算也不方便。若两个异号数相加或两个同号数相减时，也必须作减法。,三、补码 正数的补码与其原码相同，最高位为符号位，其余为数值位。负数的补

44、码即为它的反码在最低位加上1，也就是将其原码除符号位外各位取反加1。因此，补码的定义可用表达式表示为,例如，若字长为8位，则对于正数，+5原=+5补=0 0000101B，+127原=+127补=0 1111111B；对于负数，5原=1 0000101 B，5补=1 1111011 B，127原=1 1111111 B，127补=1 0000001 B，128补=1 0000000 B。,补码的特点：（1）表示也较复杂，与真值间转换也不太方便。将补码还原为真值的方法是：补码原码真值，而X原=X补补，即若补码的符号位为0，则其后的数值即为真值，且为正；若符号位为1，则应将其后的数值位按位取反加1

45、，所得结果才是真值，且为负。（2）数0的补码是唯一的。无+0和-0之分，若字长为8位，则+0补=-0补=00000000 B。（3）8位二进制补码所能表示的数值范围为1 0000000 B0 1111111 B，即-128+127；n位字长的补码表示的数值范围为-2n-12n-1-1，它对应于原码的1 000B0 111B。注意，原码、反码和补码三者中只有补码可以表示-2n-1。（4）可把减法运算化为加法运算。在计算机机器内部，为了避免作减法，可把减法运算统一转换为加法运算，即用一个加法器来完成加减法运算，引入补码可实现这一目的。,综上所述，可以得出以下结论：（1）原码、反码、补码的最高位都是

46、表示符号位。符号位为0时，表示真值为正数，其余位是真值；符号位为1时，表示真值为负，其余位除原码外不再是真值。对于反码，需按位取反才是真值；对于补码，则需按位取反加1才是真值。（2）对于正数，三种编码都是一样的，即；,对于负数，三种编码互不相同。所以，原码、反码、补码本质上是用来解决负数在机器中表示的三种不同的编码方法。（3）二进制位数相同的原码、反码、补码所能表示的数值范围不完全相同。对于8位二进制带符号数，它们表示的真值、机器数范围分别为：原码：真值为-127+127，机器数为11111111B 01111111B(即FFH7FH)反码：真值为-127+127，机器数为10000000B0

47、1111111B(即80H7FH)补码：真值为-128+127，机器数为10000000B01111111B(即80H7FH)而8位二进制无符号数的真值、机器数范围分别为：真值为 0255,机器数为 00000000B11111111B（即00HFFH）（4）微机基本上都是以补码作为机器码，其原因是补码的加减法运算简单，减法运算可变为加法运算，可省掉减法器电路；而且它是符号位与数值位一起参加运算，运算后能自动获得正确结果。,数0的原码、反码与补码,8位数0的原码:+0 原=0 0000000-0原=1 0000000 即：数0的原码不唯一。,8位数0的反码：,+0反=00000000-0反=1

48、1111111 即：数0的反码也不唯一。,+0补=+0原=00000000-0补=-0反+1=11111111+1=1 00000000 对8位字长，进位被舍+0补=-0补=00000000 即：数0的补码是唯一。,8位数0的补码：,特殊数10000000表示的数值,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：(10000000)=128,16位有符号数的表示范围：,原码：真值为-32767+32767，机器数为（即FFFFH7FFFH）反码：真值为-32767+32767，机器数为（即8000H7FFFH）补码：真值为32768+32767，机器数为（即8

49、000H7FFFH）,16位二进制无符号数的真值、机器数范围：真值为065535，机器数为0000000000000000B（即0000HFFFFH）,原码定义：（-127）原反码定义：（-0）反补码定义：（-1）补无符号数：(11111111)=255,特殊数11111111B表示的数值,二进制数的运算,算术运算 无符号数 逻辑运算 有符号数 算术运算,加法运算 减法运算 乘法运算 除法运算,算术运算,逻辑运算,与()或()非()异或(),算术运算规则,加法：0+0=0,0+1=1,1+0=1,1+1=0（有进位）减法：0-0=0,1-0=1,1-1=0,0-1=1（有借位）乘法：00=0,

50、01=0,10=0,11=1 可转换为:加法+左移位除法：乘法的逆运算,可转换为:减法+右移位 注意:一个数乘以2相当于该数左移一位；除以2则相当于该数右移1位。,1.5.2.3 二进制数的加减运算 计算机把机器数均当作无符号数进行运算，即符号位也参与运算。运算的结果要根据符号标志位（如进位和溢出等）来判别正确与否。,一、无符号数的运算及进位概念,（1）两个无符号数相加。若两个加数的和超过其位数所允许的最大值（上限）时，最高位就会产生进位，CY=1；否则，无进位，CY=0，结果正确。例如：下面两个8位无符号二进制数相加。127+16=7F H+10 H 127+160=7F H+A0H 011