上海工程技術(shù)大學(xué)微機原理與接口技術(shù)yp 第1章 計算機基礎(chǔ)

微機原理與接口技術(shù)Wellcome!主講：張劍1第1章計算機基礎(chǔ)知識2微機中的信息表示與運算一二三主要內(nèi)容微機系統(tǒng)的組成幾部分組成

？

微機的組成3（1）微處理器MP/CPU

（2）存儲器（3）I/O接口（4）系統(tǒng)總線①AB②DB③CB一、微機的組成所謂微型計算機是指以大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路為主要部件的微處理器為核心，配以存儲器、輸入／輸出接口電路及系統(tǒng)總線所制造出的系統(tǒng)。硬件4CPUI/O接口1I/O接口2微機的基本結(jié)構(gòu)存儲器ROM存儲器RAM數(shù)據(jù)總線DB控制總線CB地址總線AB硬盤軟驅(qū)顯示器打印機

總線結(jié)構(gòu)是微機系統(tǒng)的一大特色，正是由于采用了這一結(jié)構(gòu)才使得微機系統(tǒng)具有組態(tài)靈活、擴展方便等特點。5馮·諾依曼（VonNeumann）結(jié)構(gòu)也稱普林斯頓結(jié)構(gòu)，是一種將程序指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器并在一起的存儲器結(jié)構(gòu)。特點：程序和數(shù)據(jù)公用一個存儲空間；程序指令存儲地址和數(shù)據(jù)存儲地址指向同一個存儲器的不同物理位置；采用單一的地址及數(shù)據(jù)總線；程序指令和數(shù)據(jù)的寬度相同。處理器執(zhí)行指令時，先從儲存器中取出指令解碼，再取操作數(shù)執(zhí)行運算，即使單條指令也要耗費幾個甚至幾十個周期，在高速運算時，在傳輸通道上會出現(xiàn)瓶頸效應(yīng)。馮·諾依曼（VonNeumann）結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)（Harvard）哈佛結(jié)構(gòu)是一種將程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開的存儲器結(jié)構(gòu)，是一種并行體系結(jié)構(gòu)。特點：將程序和數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲空間中，即程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是兩個相互獨立的存儲器，每個存儲器獨立編址、獨立訪問。與兩個存儲器相對應(yīng)的是系統(tǒng)中的4套總線：程序的數(shù)據(jù)總線與地址總線，數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總線與地址總線。這種分離的程序總線和數(shù)據(jù)總線可允許在一個機器周期內(nèi)同時獲取指令字（來自程序存儲器）和操作數(shù)（來自數(shù)據(jù)存儲器），從而提高了執(zhí)行速度，使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了1倍。又由于程序和數(shù)據(jù)存儲器在兩個分開的物理空間中，因此取指和執(zhí)行能完全重疊。哈佛結(jié)構(gòu)（Harvard）(1)MP/CPU

該芯片內(nèi)集成了控制器、運算器和寄存器。運算器是計算機中加工與處理數(shù)據(jù)的功能部件，主要有兩個功能：對數(shù)據(jù)的加工處理（重要功能），通過其內(nèi)部的ALU完成。暫時存放參與運算的數(shù)據(jù)和某些中間結(jié)果，通常通過與ALU相連的寄存器組實現(xiàn)。10微處理器飛速發(fā)展8038680486奔騰奔騰2代奔騰4代802868086奔騰3代IA-64(安騰)40041971年1978年1983年1985年1989年1993年1997年1999年2000年酷睿2006年2001年11在寄存器組中，累加器是最繁忙的寄存器。控制器是控制整臺計算機各功能部件協(xié)同動作、自動執(zhí)行計算機程序的功能部件。12（2）存儲器

存放程序和數(shù)據(jù)的部件。分為主存和輔存兩類。主要由半導(dǎo)體存儲器和磁盤、光盤存儲器等構(gòu)成。造價、容量、速度有別。構(gòu)成內(nèi)存的半導(dǎo)體存儲器又分為ROM和RAM。13（3）I/O接口

各種外設(shè)的工作速度、驅(qū)動方式差異很大，無法與CPU直接匹配，不可能把它們簡單地連到系統(tǒng)總線上，需要通過接口電路完成信號的變換、數(shù)據(jù)的緩沖、與CPU的聯(lián)絡(luò)等工作。14傳遞信息的一組公用導(dǎo)線。AB_單向總線。DB_雙向的總線。CB_可能是輸出、輸入或雙向的總線。在一個系統(tǒng)中，除了CPU有控制總線的能力外，DMA控制器等設(shè)備也有控制總線的能力，稱為“總線主控設(shè)備”。（4）系統(tǒng)總線15微機系統(tǒng)硬件軟件微機外圍設(shè)備電源系統(tǒng)軟件程序設(shè)計語言應(yīng)用軟件微處理器存儲器I/O接口系統(tǒng)總線ALU控制器寄存器組ROMRAM串行接口并行接口輔助接口ABCBDB外部設(shè)備過程I/O接口操作系統(tǒng)診斷程序監(jiān)控程序解釋、編譯程序二、微機系統(tǒng)的組成程序包數(shù)據(jù)庫窗口軟件16I/O設(shè)備輸入設(shè)備串行通信設(shè)備軟盤、硬盤鼠標(biāo)CD－ROM鍵盤掃描儀DVD輸出設(shè)備打印機（針打、激光、噴墨）軟盤、硬盤繪圖儀顯示器17程序設(shè)計語言機器語言：0，1碼的語言匯編語言：用助記符號代替用0，1描述的某種機器的指令系統(tǒng)面向問題（過程）的程序設(shè)計語言高級語言：基于規(guī)則的語言Prolog面向?qū)ο笳Z言C++，Java

18裸機操作系統(tǒng)用戶程序各種實用程序軟件包各種語言處理程序微機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)19硬件（hardware）2021硬盤光驅(qū)顯卡網(wǎng)卡軟驅(qū)聲卡CPU2223PC機上的總線PCI總線ISA總線USB總線242526字長字長是衡量計算機處理能力的重要指標(biāo)，它是指計算機的CPU一次能直接處理的二進制數(shù)的位數(shù)，字長越大，處理能力越強。例如，8086、286的字長是16位，386、486、586（奔騰）都是32位?！钗C主要性能指標(biāo)27速度衡量計算機速度常用的有兩種指標(biāo)：①運算速度：用每秒鐘能執(zhí)行多少條指令來表示。國際上通用的指標(biāo)是每秒百萬條指令MIPS（MillionInstructionsPerSecond），通常用于較大的計算機系統(tǒng)。②

主頻：指CPU主時鐘的工作頻率（一秒鐘內(nèi)發(fā)生的同步脈沖數(shù)），主頻越高，說明CPU的速度越快，微型計算機都用主頻這個指標(biāo)。主頻的單位為赫茲(MHz)，早期的微機主頻才幾MHZ，而現(xiàn)在P4的主頻已達到3GHz以上。例如，“P4/2.4G”，“P4”表示CPU的型號（奔騰四代），“2.4G”就表示主頻是2.4G赫茲(GHz)28內(nèi)存容量通常用字節(jié)(Byte)作單位。目前，微型機的內(nèi)存儲容量已達到吉字節(jié)。內(nèi)存速度

微機內(nèi)主存完成一次讀/寫操作所需的時間稱為存儲器的存取時間，連續(xù)兩次讀/寫所需的最短時間稱為存儲器的存取周期。存取周期越短，則存取速度越快。存取周期的大小影響計算機的運算速度。29

數(shù)與數(shù)制數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換

字符的編碼表示運算

帶符號二進制的表示三、微機中信息的表示與運算30

它具有0，1這2個不同的數(shù)字符號；

逢二進一（減法為借一當(dāng)二）。（1）二進制

書寫：10011110or10011110B

or(10011110)2

2稱為二進制的基數(shù)。注意：二進制數(shù)中的任何一個0或1稱為比特(bit)1、數(shù)與數(shù)制數(shù)制：用一組統(tǒng)一的符號和規(guī)則來表示數(shù)的方法。31按權(quán)展開：

(110101)2=1×25+1×24+0×23

+1×22+0×21+1×20

再如，

(1001.101)2=1×23＋0×22＋0×21

＋1×20＋1×2-1＋0×2-2對于n位整數(shù)m位小數(shù)的任意二進制數(shù)N，按權(quán)展開如下32它具有0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F這

16個不同的數(shù)字符號；

逢十六進一（減法為借一當(dāng)十六）。

書寫：（3AB.11）16or3AB.11H16稱為十六進制的基數(shù)。（2）十六進制33任意一個n位整數(shù)m位小數(shù)十六進制數(shù)Ｎ可表示為:(N)16＝Kn-116n-1＋Kn-216n-2＋…＋K1161＋K0160＋K-116-1＋…＋K-m16–m

例如:(2D07.A)16＝2×163＋13×162＋0×161＋7×160＋10×16-1(Ki=0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F)34

練習(xí):(10AF.12)16=1×163+0×162+10×161+15×160+1×16-1+2×16-2

說明:

實際表示時，一個十六進制數(shù)如果最高位數(shù)字為字母(A-F)，則字母前面加一個0，以便與變量名等相區(qū)別。如：0B76H35十進制二進制十六進制十進制二進制十六進制000910019111101010A2102111011B3113121100C41004131101D51015141110E61106151111F71117161000010810008下表給出了三種數(shù)制的對應(yīng)關(guān)系。36數(shù)制小結(jié)數(shù)制：用一組統(tǒng)一的符號和規(guī)則來表示數(shù)的方法。二進制：每一位包含0、1兩個數(shù)字，例如：10010011B或（（10010011）2十進制：每一位包含10個數(shù)字0～9，例如:1200D十六進制：每一位包含數(shù)字0～9，字母A～F，例如：0A3D6H372、數(shù)制的相互轉(zhuǎn)換

（1）二、十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)

非十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)比較簡單，可先將其按權(quán)展開，再將系數(shù)及權(quán)均用十進制表示，按十進制進行乘法與加法運算，所得結(jié)果即為該數(shù)對應(yīng)的十進制數(shù)。例：將二進制數(shù)1101.101轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)。轉(zhuǎn)換過程如下：

1101.101=1×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3=8+4+1+0.5+0.125=13.625∴1101.101B=13.62538例將十六進制數(shù)2AE.4H轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)。

2AE.4H=2×162+10×161+14×160+4×16-1=512+160+14+0.25=686.25∴2AE.4H=686.25練習(xí)，二進制數(shù)101101.11換算成十進制數(shù)為(101101.11)2=45.7539（2）十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二、十六進制數(shù)

任一十進制數(shù)N轉(zhuǎn)換成q進制數(shù)，先將其分為整數(shù)部分與小數(shù)兩部分，并分別進行轉(zhuǎn)換，然后再用小數(shù)點將這兩部分連接起來。

40

1)整數(shù)部分轉(zhuǎn)換用q去除N－記余數(shù)

再用q去除得到的商－記余數(shù)

重復(fù)，直至商為零－轉(zhuǎn)換結(jié)束余數(shù)倒排41

2 391（b0） 2 191（b1）291（b2） 240（b3） 220（b4） 211（b5） 0例：39轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)

39=100111B

書寫順序432)小數(shù)部分轉(zhuǎn)換用q去乘N的純小數(shù)部分－記下積的整數(shù)部分再用q去乘上步乘積的純小數(shù)部分－記整重復(fù)－直至乘積的小數(shù)部分為零，或者達到所需要的精度位數(shù)為止順排44例:將十進制小數(shù)0.71875轉(zhuǎn)換成二進制小數(shù).

書寫順序45過程如下:

0.71875×2=1.4375整數(shù)部分10.4375×2=0.87500.875×2=1.7510.75×2=1.510.5×2=1.01

于是，得到結(jié)果為：(0.71875)10=(0.10111)2

練習(xí):將168.686轉(zhuǎn)換為二、十六進制數(shù)。

168.686≈10101000.10101B168.686≈A8.AF9DBH46

綜上所述，一個十進制整數(shù)的q進制轉(zhuǎn)換方法就是“除q取余”；而一個十進制小數(shù)的q進制轉(zhuǎn)換方法就是“乘q取整”。若一個十進制數(shù)既包含整數(shù)部分又包含小數(shù)部分，它的q進制轉(zhuǎn)換就是將它的整數(shù)部分和小數(shù)部分用上述方法分別進行轉(zhuǎn)換，最后將轉(zhuǎn)換好的兩部分結(jié)合在一起形成要轉(zhuǎn)換的q進制數(shù)。47（3）十六進制數(shù)與二進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換

由于16=24,故1位十六進制數(shù)相當(dāng)于4位二進制數(shù)。反之，4位二進制數(shù)相當(dāng)于1位十六進制這樣，十六進制數(shù)與二進制數(shù)之間的相互轉(zhuǎn)換是十分簡便的。48

二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進制數(shù)的方法：首先從小數(shù)點開始分別向左和向右把整數(shù)及小數(shù)部分每4位分成一組。若整數(shù)最高位的一組不足4位，則在其左邊加0補足4位；若小數(shù)最低位的一組不足4位，則在其右邊加0

補足4位。然后，用與每組二進制數(shù)所對應(yīng)的十六進制數(shù)取代每組的4位二進制數(shù)，即得到對應(yīng)的十六進制數(shù)。例：二進制數(shù)1011101001.110101轉(zhuǎn)換為十六進制數(shù)的方法是：

二進制數(shù)

001011101001.11010100十六進制數(shù)

2E9.D449

十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)的方法是：用相應(yīng)的4位二進制數(shù)取代每1位十六進制數(shù)。例：十六進制數(shù)5C7A.3B轉(zhuǎn)換為二進制的方法是：十六進制數(shù)

5C7A.3B二進制數(shù)

0101

110001111010.00111011∴5C7A.3BH=101110001111010.00111011B相反50

3、十進制數(shù)與字符的編碼表示

由于計算機只能識別二進制數(shù)，因此，輸入的信息（如數(shù)字、字母、符號）都以特定的二進制碼來表示，這就是二進制編碼。

例如在鍵盤上輸入字母A，

存入計算機的A的編碼為01000001，它不代表數(shù)字值，而是一個文字信息。51（2）ASCII碼

ASCII（AmericanStandardCodeforInformationInterchange）碼是美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼的簡稱。是現(xiàn)在各國所廣泛采用的字母、數(shù)字和符號的信息編碼。是將數(shù)字、字母、通用符號、控制符號等，按國際上常用的一種標(biāo)準(zhǔn)二進制編碼方式進行編碼。52

ASCII碼是一種8位代碼，規(guī)定二進制最高位（D7）為0，一個字節(jié)中的其余7位對字符進行編碼，用7位碼來代表字符信息，共可表示128（27）個字符，其中包括數(shù)字（0～9）、英文大小寫字母和控制符號（見下表)。53ASCII碼如表所示。ASCII碼表

54ASCII碼是由一個4位組（表中的行）和一個3位組（表中的列）構(gòu)成的，形成7位二進制編碼，其格式為65432104位組

3位組

55

所以根據(jù)ASCII碼表和ASCII碼的構(gòu)成格式，可以很方便地從ASCII表查出每一個字符或特殊控制功能的編碼。例如，大寫英文字母A，從表中查出其3位組為(100)2，4位組為(0001)2，故構(gòu)成字母A的ASCII編碼為(01000001)2或41H。56記住常用ASCII碼：數(shù)字：0～930H～39H大寫字母：A~41H~小寫字母：a~61H~空格：20H回車：0DH換行：0AH574、運算---算術(shù)和邏輯運算

（1）算術(shù)運算二進制加法二進制加法與十進制加法相類似，所不同的是，其加、減法法則遵循“逢2進1”、“借1當(dāng)2”的原則。

0+0=01+0=10+1=1

1+1=0

并進位58例：1010110101B+1111B。加法過程如下：被加數(shù)10110101

加數(shù)00001111

進位+）111111

和1100010059二進制減法在二進制減法中，同樣有如下法則：

0-0=01-0=11-1=0

0-1=1有借位當(dāng)不夠減時需要借位，高位的1等于下一位的2，即“借一當(dāng)二”。例如，兩個二進制數(shù)相減：

101

101

00-0101011101011101

60二進制乘法

二進制乘法與十進制乘法是一樣的。但因為二進制數(shù)只由0和1構(gòu)成，因此，二進制乘法更簡單。其法則如下：

0×0=01×0=00×1=01×1=161

例如，二進制數(shù)1101.1與101.1相乘：

1101.1被乘數(shù)(13.5)10×101.1

乘數(shù)(5.5)10

110111101100000+110111001010.01乘積(74.25)10

62例:100110B÷110B,除法過程如下：

110

110111

∴100110B÷110B=110B余10B

11010二進制除法

其方法與十進制除法是一樣的，而且二進制數(shù)僅由0，1構(gòu)成，做起來更簡單。63（2）二進制數(shù)的邏輯運算

二進制數(shù)的邏輯運算常用的有“與”、“或”、“異或”及“非”運算等四種。在組成表達式時，可分別用符號“AND”、“OR”、“XOR”及“NOT”作為運算符，有時也用“∧”、“∨”、“∨,⊕”作為“與”、“或”、“異或”的運算符，用數(shù)字上面加橫線“-”表示對該數(shù)進行非運算。二進制數(shù)的邏輯運算只按位進行運算。641位二進制數(shù)運算規(guī)則如下：“與”運算的規(guī)則為：1AND0=00AND1=00AND0=01AND1=1“或”運算的規(guī)則為：0OR0=01OR0=10OR1=11OR1=165“異或”運算的規(guī)則為：0XOR0=01XOR0=10XOR1=11XOR1=0

“非”運算的規(guī)則為：NOT0=1NOT1=066

異或運算通常用符號“⊕”表示，它的運算規(guī)則為：0⊕0=0，讀成“0同0異或結(jié)果為0”0⊕1=1，讀成“0同1異或結(jié)果為1”1⊕0=1，讀成“1同0異或結(jié)果為1”1⊕1=0，讀成“1同1異或結(jié)果為0”

強調(diào)：記憶：相同為0，不同為167

例：二進制數(shù)10010111和00111000的“與”、“或”及“異或”。運算結(jié)果分別為：

10010111

與)001110000001000010010111或)00111000

1011111110010111異或)00111000

1010111168

!!!

數(shù)學(xué)中用正負號表示數(shù)的正負，而計算機不能識別正負號，因此計算機將正、負等符號數(shù)字化，以便運算時識別。通常，在數(shù)的前面加一位，用作符號位。符號位為0表示正數(shù)，為1表示負數(shù)。連同符號位一起表示的數(shù)稱為機器數(shù)一個帶符號的數(shù)在計算機中可以有原碼、反碼和補碼三種表示方法。在微機中，凡是帶符號的數(shù)都用補碼表示，運算結(jié)果自然也是補碼。69

（1）3種表示法:原碼、反碼、補碼

正數(shù)：原碼＝反碼＝補碼，就是機器數(shù)負數(shù)：原碼其符號位為1，

數(shù)值位不變反碼其符號位為1，數(shù)值位逐位求反

補碼其符號位為1，數(shù)值位逐位求反，并在末位加1。5、帶符號二進制的表示70

原碼法正數(shù)的符號“＋”用0表示，負數(shù)的符號“-”用1表示的機器數(shù)稱為原碼。X1=+1010101，則［X1］原=01010101符號位數(shù)值對負數(shù)X2=-1011101，則［X2］原=110111011/0

D7符號數(shù)值部分D6~D071反碼法

正數(shù)的反碼表示與原碼相同，而負數(shù)的反碼為：表示為其符號位不變（1），其余各位“按位求反”。例如：對負數(shù)X2=-1011101，則［X2］反=10100010取反的含義就是即0變?yōu)?，1變?yōu)?。721/0

D7符號數(shù)值部分D6~D0補碼法

正數(shù)的補碼與原碼法相同；負數(shù)的補碼為符號位不變，在反碼基礎(chǔ)上最低位（末位）加1。例如，

對負數(shù)：X2=-1011101，

則［X2］補＝［X2］反＋1

=10100011［X2］反=10100010731/0

D7符號數(shù)值部分D6~D0機器數(shù)：符號數(shù)值化了的數(shù)真值：帶符號的機器數(shù)對應(yīng)的數(shù)值原碼機器數(shù)反碼補碼

數(shù)值：表示數(shù)量的多少

74+0110111B-0110111B00110111B10110111B

機器數(shù)（原碼）機器數(shù)真值真值機器數(shù)原碼反碼補碼

補碼

75正數(shù)：原碼=反碼=補碼X=+0110111B[X]原

=[X]反

=[X]補

=00110111B負數(shù)：X=-0110111B[X]原

=10110111B[X]反

=11001000B[X]補

=[X]反

+1（符號位除外）=11001000B+1=11001001B76X=-0110111B[X]補

=11001001B采用補碼的好處：符號位參加運算減法運算轉(zhuǎn)換成加法運算772500011001[X]補+32+00100000[Y]補

57001110013200100000[X]補+(-25)+11100111[Y]補

7000001111補碼加法規(guī)則：[X+Y]補＝[X]補＋[Y]補78（2）補碼的運算帶符號數(shù)用其補碼表示后，運算方法同于二進制運算，即補碼的加減運算:符號位與數(shù)值位一起參與運算，而且自動獲得結(jié)果（包括符號位與數(shù)值位）。

但會出現(xiàn)溢出問題。特別說明：補碼再求補碼是原碼，所以微機運算都用補碼算79其按補碼在求補得到：X+Y=-3480

帶符號數(shù)運算問題－－－－溢出可見，帶符號數(shù)用其補碼表示后，運算方法同于二進制運算，但會出現(xiàn)溢出問題。

01011110+5EH+00110111+37H

10010101+95H例：(+5EH)+(+37H)。數(shù)值（次高）位有進位符號（最高）位無進位溢出，結(jié)果出錯符號位變181例：(-62H)+(-3BH)。

10011110-62H+11000101-3BH［1］01100011-9DH

無進位有進位