第一章微機(jī)原理

主講教師：張榮標(biāo)

微型計(jì)算機(jī)原理第一章微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

1.1計(jì)算機(jī)中的數(shù)制與碼制1.1.1計(jì)算機(jī)中的數(shù)制1、數(shù)的位置表示法設(shè)待表示的數(shù)為N．則式中X為基數(shù)ai為系數(shù)（0<ai<X－l）m為小數(shù)位數(shù)n為整數(shù)位數(shù)為什么要采用二進(jìn)制數(shù)？例1-1（1）二進(jìn)制數(shù)10011.11B=1×24＋0×23＋0×22＋1×21＋1×20＋1×2-1＋1×2-2=19.75（2）八進(jìn)制數(shù)7345.6Q=7×83＋3×82＋4×81＋5×80＋6×8-1=3813.75（3）十六進(jìn)制4AC6H=4×163＋10×162＋12×161＋6×160=191422、數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換（1）任意進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)

對(duì)二進(jìn)制、八進(jìn)制和十六進(jìn)制以及任意進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)可采用表達(dá)式（1.1）展開求和實(shí)現(xiàn)。（2）二進(jìn)制、八進(jìn)制和十六進(jìn)制數(shù)之間轉(zhuǎn)換一位八進(jìn)制數(shù)相當(dāng)于三位二進(jìn)制教；一位十六進(jìn)制數(shù)相當(dāng)于四位二進(jìn)制數(shù)。它們之間的轉(zhuǎn)換十分方便。例1-2二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制和十六進(jìn)制數(shù)1101100101100011B=154543Q=D963H（3）十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)當(dāng)十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)時(shí)，須將整數(shù)部分和小數(shù)部分分開。整數(shù)常采用“除2取余法”，而小數(shù)則采用“乘2取整法”。

十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換方法是除2取余，直到商等于零為止，逆序排列余數(shù)即可。對(duì)數(shù)值比較大的十進(jìn)制數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，可采用先將十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制整數(shù)，然后再將十六進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制整數(shù)。十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制整數(shù)的方法是除16取余，直到商等于零為止，逆序排列余數(shù)。

十進(jìn)制小數(shù)一定能用有限的二進(jìn)制小數(shù)來精確地表示嗎？十進(jìn)制小數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制小數(shù)1、原碼1.1.2計(jì)算機(jī)中的碼制及補(bǔ)碼運(yùn)算例1-5設(shè)機(jī)器字長(zhǎng)為n=8時(shí)，試求+0、+6、+127、-0、-6、-127的原碼解：[+0]原=00000000[-0]原=10000000[+6]原=00000110[-6]原=10000110[+127]原=01111111[-127]原=11111111正數(shù)：原碼與相應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)完全相同；負(fù)數(shù)：二進(jìn)制數(shù)的最高位一定是“1”，其余各位是該數(shù)的絕對(duì)值。零：有正零和負(fù)零之分。原碼表示法最大優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單直觀，但不便于加減運(yùn)算。2、反碼3、補(bǔ)碼減法運(yùn)算變成了加法運(yùn)算：3+10=1（時(shí)針經(jīng)過12點(diǎn)時(shí)自動(dòng)丟失一個(gè)數(shù)12）相當(dāng)于3-2=3+(-2)=110與-2有什么關(guān)系？自動(dòng)丟失的一個(gè)數(shù)12是什么？數(shù)學(xué)上把12這個(gè)數(shù)叫做“?！?0是（－2）對(duì)模12的補(bǔ)碼在模12的條件下，負(fù)數(shù)就可以轉(zhuǎn)化為正數(shù)，而正負(fù)數(shù)相加也就可以轉(zhuǎn)化為正數(shù)間的相加。補(bǔ)碼的概念：4、偏移碼偏移碼主要用于模／數(shù)轉(zhuǎn)換過程中，若被轉(zhuǎn)換數(shù)需參加運(yùn)算，則仍要轉(zhuǎn)換為補(bǔ)碼。設(shè)機(jī)器字長(zhǎng)為n，數(shù)x的移碼為[x]移，則移碼的定義如下：

（1．5）例1-8設(shè)機(jī)器字長(zhǎng)為n=8時(shí)，試求-128、0、+127的移碼。解：[-128]移=00000000[0]移=10000000[+127]移=111111115、補(bǔ)碼運(yùn)算在計(jì)算機(jī)中帶符號(hào)二進(jìn)制數(shù)通常采用補(bǔ)碼形式表示。補(bǔ)碼有兩個(gè)主要特點(diǎn)：一是可以使符號(hào)位與數(shù)一起參加運(yùn)算；二是將兩數(shù)相減變?yōu)闇p數(shù)變補(bǔ)后再與被減數(shù)相加來實(shí)現(xiàn)。加法規(guī)則：[X+Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)＋[Y]補(bǔ)減法規(guī)則：[X-Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)＋[-Y]補(bǔ)其中，[-Y]補(bǔ)稱作變補(bǔ)運(yùn)算，可以用[Y]補(bǔ)再作一次求補(bǔ)運(yùn)算即可得到。

例1-9X=64-12=52（字長(zhǎng)為8位）[X]補(bǔ)=[64]補(bǔ)十[-12]補(bǔ)[64]補(bǔ)=01000000B[-12]補(bǔ)=11110100B01000000＋11110100100110100

自然丟失由于字長(zhǎng)為8位，最高有效位的進(jìn)位自然丟失。其結(jié)果為（52）10的補(bǔ)碼計(jì)算機(jī)中為什么采用補(bǔ)碼進(jìn)行加、減運(yùn)算？6、溢出判別

X=-34-98=-132（字長(zhǎng)為8位）[X]補(bǔ)=[-34]補(bǔ)+[-98]補(bǔ)[-34]補(bǔ)=11011110B[-98]補(bǔ)=10011100B11011110＋10011100101111010丟失微型機(jī)中常用的溢出判別法：雙高位判別法Cs：如最高位（符號(hào)位）有進(jìn)位，CS=1，否則，CS=0。CP：如次高位有進(jìn)位，CP=1，否則，CP=0。判別法則：無溢出：若最高位進(jìn)位Cs和次高位進(jìn)位Cp相同同為0或同為1有溢出：Cs和Cp相異。當(dāng)CS⊕Cp=1時(shí)，表示有溢出產(chǎn)生，否則無溢出產(chǎn)生正溢出：CS=0，CP=1負(fù)溢出：CS=1，CP=01.1.3計(jì)算機(jī)中的小數(shù)點(diǎn)問題1、定點(diǎn)表示法小數(shù)點(diǎn)在數(shù)中的位置是固定不變的，通常有兩種，即定點(diǎn)整數(shù)和定點(diǎn)小數(shù)。2、

浮點(diǎn)表示法將二進(jìn)制數(shù)N表示成如下形式：N=±S×2±J

（1.6）該表達(dá)式在計(jì)算機(jī)中表示為：S：稱作尾數(shù)，表示全部的有效數(shù)字，一般以純小數(shù)表示；Sf：尾符，即浮點(diǎn)數(shù)的符號(hào)；J：階數(shù)，它與階符一起來決定小數(shù)點(diǎn)的實(shí)際位置；Jf階符，即階數(shù)符號(hào)；例1-12若用一個(gè)16位二進(jìn)制表示浮點(diǎn)數(shù)，其中階符尾符各占一位，階數(shù)占5位，尾數(shù)占9位，試寫出10110.101B的具體格式。解：設(shè)尾數(shù)以純小數(shù)表示，則10110.101B=0.10110101×可得S=101101010Sf=0J=00101Jf=0在計(jì)算機(jī)中的表示形式為：浮點(diǎn)數(shù)應(yīng)用中必須注意兩個(gè)問題：⑴浮點(diǎn)數(shù)的規(guī)格化規(guī)格化的浮點(diǎn)數(shù)可以保留最多的有效數(shù)字。浮點(diǎn)數(shù)規(guī)格表示結(jié)果如下：對(duì)浮點(diǎn)二進(jìn)制正數(shù)，其尾數(shù)數(shù)字部分的最高位必須是1。對(duì)浮點(diǎn)二進(jìn)制負(fù)數(shù)，其尾數(shù)數(shù)字部分的最高位必須是0。⑵浮點(diǎn)數(shù)的對(duì)價(jià)原則在運(yùn)用浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行加減時(shí)，兩數(shù)的階碼必須取得一致，否則不能進(jìn)行加減運(yùn)算，對(duì)階原則如下：a.以大的階碼為準(zhǔn)對(duì)階。b.對(duì)階后數(shù)的大小不變（在精度允許范圍內(nèi)），對(duì)階規(guī)則是：階碼每減少1，尾數(shù)向左移一位，階碼每增加1，尾數(shù)向右移一位。定點(diǎn)與浮點(diǎn)表示法各有哪些優(yōu)缺點(diǎn)？1.1.4計(jì)算機(jī)中信息的編碼信息編碼：十進(jìn)制數(shù)的二進(jìn)制編碼、字符信息的編碼和漢字編碼。1、十進(jìn)制數(shù)的二進(jìn)制編碼由四位二進(jìn)制數(shù)來表示一位十進(jìn)制數(shù)。稱作BCD碼

（1）8421碼：四位二進(jìn)制數(shù)的權(quán)分別為8、4、2、1的BCD碼324.6對(duì)應(yīng)的8421BCD碼是001100100100.0110

（2）2421碼：四位二進(jìn)制數(shù)的權(quán)分別為2、4、2、1的BCD碼，724.6對(duì)應(yīng)的2421BCD碼是110100100100.1100（3）余3碼：將8421碼加上0011。余3碼也是一種自補(bǔ)碼，對(duì)各位取反就得到它的9補(bǔ)碼。825.7對(duì)應(yīng)的余3碼是101101011000.10102、字符信息的編碼字母、數(shù)字和符號(hào)等各種字符按特定的規(guī)則用二進(jìn)制編碼在計(jì)算機(jī)中的表示。在微型機(jī)中表示字符的常用碼制是ASCII碼，它是美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)碼（AmericanStandardCodeforInformationInterchange）它能用6位、7位或8位二進(jìn)制數(shù)對(duì)字符編碼。7位ASCII碼可表示128種字符，它包括52個(gè)大、小寫字母、0—9十個(gè)數(shù)字和控制符號(hào)8位ASCII碼是在7位ASCII碼基礎(chǔ)上加一個(gè)奇偶校驗(yàn)位而構(gòu)成。奇偶校驗(yàn)碼，是對(duì)每一組二進(jìn)制編碼配置一個(gè)二進(jìn)制位（稱為奇偶校驗(yàn)位），通過將該位置“0”或置“1”而使每組二進(jìn)制編碼中“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)（即形成奇校驗(yàn)碼）或偶數(shù)（即形成偶校驗(yàn)碼）。奇偶校驗(yàn)碼中，校驗(yàn)位只用來使每組二進(jìn)制編碼“1”的個(gè)數(shù)具有奇偶性3、漢字編碼漢字編碼的類型有四種：外部碼、內(nèi)部碼、交換碼和輸出碼。（1）外部碼每個(gè)漢字對(duì)應(yīng)一個(gè)外部碼。對(duì)同一個(gè)漢字不同的輸入方法其外部碼也不相同。目前外部碼大致可分為四種類型：數(shù)字碼、音碼、形碼和音形碼。（2）內(nèi)部碼每個(gè)漢字對(duì)應(yīng)一個(gè)內(nèi)部碼。同一漢字的內(nèi)部碼是唯一的。內(nèi)部碼通常反映了漢字在字庫中的位置。（3）交換碼用于計(jì)算機(jī)之間或計(jì)算機(jī)與終端之間交換信息。該標(biāo)準(zhǔn)編碼字符集共收錄漢字和圖形符號(hào)7445個(gè)。（4）輸出碼同一漢字的輸出碼因選擇點(diǎn)陣的不同而異。目前常用的漢字點(diǎn)陣有：16×16、24×24、32×32、40×40、48×48、64×64、72×72、96×96、108×108等。1.2微型計(jì)算機(jī)的組成

1.2.1微型計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)微處理器、微型計(jì)算機(jī)、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的含義和它們之間的關(guān)系。

算邏運(yùn)算器累加器寄存器控制器內(nèi)部總線內(nèi)外存儲(chǔ)器系統(tǒng)總線I/O接口微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)微處理器外圍備設(shè)系統(tǒng)軟件微型計(jì)算機(jī)圖1.1微處理器、微型計(jì)算機(jī)和微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)三者關(guān)系1、微處理器CPU：算術(shù)與邏輯運(yùn)算部件、控制器部件、累加器與寄存器和內(nèi)部總線4部分組成圖1.2微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖ALU通用寄存器堆累加器指令寄存器指令譯碼器定時(shí)與控制電路I/O信號(hào)……存儲(chǔ)器寫存儲(chǔ)器讀等待中斷請(qǐng)求時(shí)鐘復(fù)位I/O寫I/O讀堆棧指示器程序計(jì)數(shù)器地址寄存器地址緩沖器地址總線內(nèi)部總線數(shù)據(jù)總線標(biāo)志寄存器數(shù)據(jù)鎖存器／緩沖器2、微型計(jì)算機(jī) 微型計(jì)算機(jī)：CPU、存儲(chǔ)器、輸入和輸出接口電路和系統(tǒng)總線AB地址總線DB數(shù)據(jù)總線CB控制總線3、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)、系統(tǒng)軟件和外設(shè)

存儲(chǔ)器I/O接口CPU圖1.3微型計(jì)算機(jī)

微型計(jì)算機(jī)的總線可分為兩級(jí)：①內(nèi)總線微處理器芯片內(nèi)部的總線，由它實(shí)現(xiàn)微處理器內(nèi)部各功能單元電路之間的相互聯(lián)接。②外總線三總線結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線數(shù)據(jù)總線DB用來在CPU和其它部件間傳送信息。三態(tài)、雙向。地址總線AB用于傳送CPU要訪問的存儲(chǔ)單元或I/O接口的地址信號(hào)。單向、三態(tài)?？刂瓶偩€CBCPU向其它部件傳送控制信號(hào)，以及其它部件向CPU傳送狀態(tài)信號(hào)及請(qǐng)求信號(hào)的一組通信線。

1.2.2個(gè)人臺(tái)式計(jì)算機(jī)的硬件構(gòu)成實(shí)例圖1.4個(gè)人臺(tái)式計(jì)算機(jī)的外觀組成

圖1.5主機(jī)的內(nèi)部組成圖1.6主板的組成1、主板2、中央處理器CPU圖1.7CPU

3、內(nèi)存儲(chǔ)器圖1.8內(nèi)存條

4、外存儲(chǔ)器外存儲(chǔ)器包括硬盤、軟盤、光驅(qū)等設(shè)備。（1）硬盤圖1.9硬盤（2）軟盤圖1.10軟盤驅(qū)動(dòng)器

（3）光盤存儲(chǔ)器

圖1.11光盤驅(qū)動(dòng)器

5、顯示卡、聲卡、網(wǎng)卡圖1.12顯示卡圖1.12顯示卡

6、顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤、機(jī)箱1.3計(jì)算機(jī)的基本工作原理

1.3.1模型計(jì)算機(jī)1、模型計(jì)算機(jī)CPU的結(jié)構(gòu)圖1.13模型計(jì)算機(jī)的CPU結(jié)構(gòu)

J2I2ALUF內(nèi)部數(shù)據(jù)總線ABPCARPLAIDDRCPU3E485F876AC5123E00AB5EE6ABDB存儲(chǔ)器IR2、模型計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)及其操作

地址寄存器AR定為8位，可尋址256個(gè)單元，模型計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器由256個(gè)單元組成。圖1.14模型計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

地址譯碼器00單元01單元02單元┇┇FF單元000102FF地址單元內(nèi)容ABCBDBI/O緩沖器控制邏輯

存儲(chǔ)器中的兩種操作：讀操作和寫操作。

（1）讀操作

圖1.15存儲(chǔ)器讀操作示意圖

地址譯碼器0單元內(nèi)容3EH┇┇FF單元內(nèi)容02控制邏輯地址單元內(nèi)容AB讀信號(hào)DB023EHI/O緩沖器（2）寫操作

圖1.16存儲(chǔ)器寫操作示意圖

寫信號(hào)地址譯碼器0單元內(nèi)容┇┇FF單元內(nèi)容I/O緩沖器03地址單元內(nèi)容ABDB030FH0FH控制邏輯3、總線4、模型計(jì)算機(jī)的指令與指令系統(tǒng)指令：計(jì)算機(jī)能實(shí)現(xiàn)的各種基本操作，我們把每一種基本操作用命令的形式來表示。指令系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)所能執(zhí)行的全部指令。程序：把人的操作意圖經(jīng)分解后，用對(duì)應(yīng)于所規(guī)定的指令系統(tǒng)的一串指令序列來描述。指令通常分成操作碼（Opcode，即Operationcode）和操作數(shù)（Operand）兩大部分。操作碼：表示計(jì)算機(jī)執(zhí)行什么操作；操作數(shù)：指明參加操作的數(shù)本身或操作數(shù)所在的地址。1.3.2程序運(yùn)行過程1、程序的編寫與存放

用模型計(jì)算機(jī)來完成一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算，假設(shè)要把15H與25H相加，運(yùn)算結(jié)果送到16H存儲(chǔ)單元，然后停機(jī)。首先用助記符進(jìn)行編程MOVB，15HMOVA，25HADDA，BMOV[16H]，AHLT2、程序的運(yùn)行過程CPU的執(zhí)行過程取出指令執(zhí)行指令兩個(gè)階段的循環(huán)在開始執(zhí)行程序時(shí)，PC自動(dòng)設(shè)置為00H，這樣就自然地進(jìn)入程序第一條指令的取指階段，具體過程如下：1）第一條指令的取指階段J2I2ALUF內(nèi)部數(shù)據(jù)總線AB00PLAID01H01HCPU01H15H00H25H03H02H16H3E04H

DB存儲(chǔ)器PC00+1AR……DRIR②①AB③④⑤⑥⑦

讀圖1.18取第一條指令的操作示意圖

2）第一條指令的執(zhí)行階段J2I2ALUF內(nèi)部數(shù)據(jù)總線A15H01PLAIDIR15HCPU01H15H00H25H03H02H16H3E04H

DB存儲(chǔ)器PC01+1AR……DR②①AB④⑤⑥⑦③B

讀圖