微型計算機原理及應用技術(shù)

1、微型計算機原理及應用技術(shù),微型計算機原理及應用技術(shù),,,,,,,,,,,,,,河北科技大學,計算機基礎知識,第1章,1.1 引言 1.1.1 計算機發(fā)展概況 1.1.2 計算機的主要特點 1.1.3 計算機的分類和應用1.2 計算機中數(shù)的表示方法 1.2.1 進位計數(shù)制 1.2.2 計算機中的編碼系統(tǒng),1.2.3 帶符號數(shù)的表示 1.2.4 數(shù)的定點和浮點表示1.3 計算機系統(tǒng)的組成及其工

2、作原理 1.3.1 計算機的硬件系統(tǒng) 1.3.2 計算機的軟件系統(tǒng) 1.3.3 計算機的主要技術(shù)指標,,,,,,引言,,●采用水銀延遲線作為內(nèi)存，磁鼓作為外存。體積大、耗電多、運算速度慢。最初只能使用二進制表示的機器語言，到20世紀50年代中期才出現(xiàn)匯編語言。這個時期，計算機主要用于科學計算和軍事方面，應用很不普遍。,電子管計算機（1945~1958年）,●內(nèi)存主要采用磁芯，外存大量采用磁盤，輸入輸出設備有了較大改進。

3、體積顯著減小、可靠性提高、運算速度可達每秒百萬次。軟件方面出現(xiàn)了高級程序設計語言和編譯系統(tǒng)。計算機開始廣泛應用于以管理為目的的信息處理。,,第二代,,第一代,晶體管計算機（1958~1964年）,,1.1,1.1.1,,計算機發(fā)展概況,,,,,第三代,第四代,集成電路計算機 （1964-1971年）,●主要采用中、小規(guī)模集成電路，運算速度達每秒千萬次，可靠性大大提高，體積進一步縮小，價格大大降低。軟件方面進步很大，有了操作系統(tǒng)，開展了計

4、算機語言的標準化工作并提出了結(jié)構(gòu)化程序設計方法，出現(xiàn)了計算機網(wǎng)絡。計算機應用開始向社會化發(fā)展，其應用領域和普及程度迅速擴大。,●微型計算機的出現(xiàn)和發(fā)展是計算機發(fā)展史上的重大事件，使得計算機在存儲容量、運算速度、可靠性和性能價格比等方面都比上一代計算機有了較大突破。各種系統(tǒng)軟件、應用軟件大量推出，功能配置空前完善，充分發(fā)揮了計算機的功能，把計算機的發(fā)展和應用帶入了一個全新時代。,大規(guī)模集成電路計算機（1971年至今）,,1.1.1,,計算

5、機的發(fā)展史,,,,,,,,計算機的主要特點,,自動性,高速性,邏輯性,通用性,準確性,特點,1.1.2,計算機的分類和應用,,從原理上,數(shù)字計算機,模擬計算機,從結(jié)構(gòu)上,從用途上,,專用計算機,通用計算機,,,,,從字長上,4位、8位、16位機,32位、64位機,位片機,單片機、單板機,微機系統(tǒng)等,計算機的分類,,1.1.3,,,航空航天,科學研究,家用電器,計算機的應用,,,計算機中數(shù)的表示方法,1.2,,,一個R進制數(shù)具有以下主要特

6、點,具有R個不同數(shù)字符號：0、1、·······、R-1,逢R進一,S= an-1an-2…a1a0.a-1a-2…a-m =an-1×Rn-1 + an-2 × Rn-2 +…+a1 × R1 +a0 × R0+ … +a-m R-m,上述R進制數(shù)S可用多項式（稱為按權(quán)展開式）表示為：,1.2.1 進位計

7、數(shù)制,,十進制數(shù),,具有十個不同的數(shù)字符號，即0-9,逢十進一,特點,一個十進數(shù)可以用它的按權(quán)展開式表示。例如：,（758.75）10=7×102+5×101+8×100+7×10-1+ 5×10-2,,,1.,,二進制數(shù),,一個二進制數(shù)可以用它的按權(quán)展開式表示。例如：,(10110.101)2=1×24+0×23+1×22+1×21+0×

8、;20+1×2-1+0×2-2 +1×2-3 =(22.625)10,具有兩個不同的數(shù)字符號，即0和1,逢二進一,特點,,,2.,,(1AF.4)16 =1×162 +10×161 +15×160 +4×16-1 =(430.25)10,一個十六進制數(shù)可以用它的按權(quán)展開式表示。例如：,具有十六個不同的數(shù)字符號，即0-9和A-F,逢十六進一,特點,,,,,1.,十六進制

9、數(shù),表1-1,三種數(shù)制對照表,,,【例1-1】 十進制數(shù)22.625轉(zhuǎn)換為二進制數(shù),,,,22,2,,,11,2,…余0（低位）,,,5,2,…余1,,,2,2,…余1,,,1,2,…余0,0,…余1（高位）,,0.625× 21 .25 …取整數(shù)1（高位）× 20 .5 …取整數(shù)0× 21 .0 …取整數(shù)0（低位）,,,,,（0.625）10=（0.101）2,所

10、以:（22）10=(10110)2結(jié)果:（22.625）10=(10110.101)2,整數(shù)部分：,小數(shù)部分：,4.,,,各種數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換,,,,,,十進制數(shù)430.25轉(zhuǎn)換為十六進制數(shù),,,430,16,,,26,16,…余14→E（低位）,,,1,16,…余10→A,…余1(高位),整數(shù)部分：,0,小數(shù)部分：,0. 2 5× 1 64 . 0 …取整數(shù)4,,結(jié)果：（430.25）10=（1AE.4）16,,,【

11、例1-2】,,,注意,①整數(shù)部分轉(zhuǎn)換，每次只求整數(shù)商，將余數(shù)作為轉(zhuǎn)換結(jié)果的一位，重復對整數(shù)商除基數(shù)，一直除到商為0為止。②小數(shù)部分轉(zhuǎn)換，每次把乘積的整數(shù)取走作為轉(zhuǎn)換結(jié)果的一位，對剩下的小數(shù)繼續(xù)進行乘法運算。對某些數(shù)可以乘到積的小數(shù)為0（如上述兩例），這種轉(zhuǎn)換結(jié)果是精確的；對某些數(shù)（如0.3）永遠不能乘到積的小數(shù)為0，這時要根據(jù)精度要求，取適當?shù)慕Y(jié)果位數(shù)即可，這種轉(zhuǎn)換結(jié)果是不精確的。,：十六進制數(shù) 1 A

12、 E 4,,,,,0001 1010 1110 0100,即（1AE.4）16=（110101110.01）2若要將二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進制數(shù)，只要以小數(shù)點為分界，分別向左和向右每四位二進制位分為一組（若最高位或最低為不夠四位則補0），對應轉(zhuǎn)換為十六進制數(shù)即可。,例如：二進制數(shù) 110101110.01,,,0001 1010 1110 . 0100

13、,,,,,,,,,十六進制數(shù) 1 A E . 4,即（110101110.01）2=（1AE.4）16,,,,,例如,二進制數(shù)的運算,【例1-3】 10100+1101=100001 【例1-4】 100001-10100=1101 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 +

14、 1 1 0 1 - 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 1,,,【例1-5】 1101×1011=10001111 【例1-6】 11100÷101=101┅┅11 1 1 0 1

15、 1 0 1 ┅┅商 × 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0

16、 1 0 1 + 1 1 0 1 1 1 ┅┅余數(shù) 1 0 0 0 1 1 1 1,,,,,,,,,,,,5.,,計算集中的編碼系統(tǒng),1.2.2,,BCD碼是十進制數(shù)，有10個不同的數(shù)字符號，且是逢十進位的；但它的每一位是用4位二進制編碼來表示的，因此稱為二進制編碼的十進制數(shù)。BCD碼比較直觀，例如十進制數(shù)65用BCD碼

17、書寫為01100101，BCD碼01001001.0111表示的十進制數(shù)為49.7。,1.二進制編碼的十進制數(shù),雖然BCD碼是用二進制編碼方式表示的，但它與二進制之間不能直接轉(zhuǎn)換，要用十進制作為中間橋梁，即先將BCD碼轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)，然后再轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)；反之亦然。,,,,表1-2 BCD編碼表,,字母與字符的編碼,,,,,2.,另外，在計算機中，漢字編碼采用國標碼（GB18030-2000）,它采用單、雙、四字節(jié)混合編碼，每個字節(jié)的

18、最高位為1，并以此來區(qū)分漢字和ASCⅡ碼。,字母和字符也必須按照特定的規(guī)則，用二進制編碼才能在機器中表示。編碼可以有各種方式，目前微機中最普遍采用的是ASCⅡ碼(American Standard Code for Information Interchange,美國標準信息交換碼)。,ASCⅡ碼采用7位二進制編碼,故可表示27 =128個字符,其中包括數(shù)碼(0-9)，以及英文字母等可打印的字符。,,原碼,●正數(shù)的符號位用0表示,負數(shù)的

19、符號位用1表示,數(shù)值位保持不變。這種方法稱為原碼。原碼的定義為: 若X≥+0 則[X]原=X 若X≤-0 則[X]原= 2n-1 –X 其中n為原碼的位數(shù)。,1.2.3 帶符號數(shù)的表示,,1.,,,,,,,反碼,⑴“0”有兩種表示方法：[+0]反=00000000，[-0]反=11111111,⑵8位二進制反碼真值范圍為-127～+127；16位反碼真值范圍為-32767～+32767。,

20、⑶當一個帶符號數(shù)用反碼表示時，最高位為符號位。,,特點,2.,反碼的定義為：若X≥+0 則[X]反=X 若X≤-0 則[X]反= 2n +X-1 其中n為反碼的位數(shù)。,,,,,,,補碼,●在鐘表上，指針正撥12小時或倒撥12小時，其時間值是相等的,即在鐘表上X+12=X-12(mod 12)。,模的概念,補碼的引入,●對于n位二進制數(shù)，其計數(shù)范圍為0～（ 2n-1），在該

21、計數(shù)器上加2n或減2n結(jié)果是不變的，我們稱2n為n位計數(shù)系統(tǒng)的模。對鐘表來說，它的模為12。,●在鐘表上，如果現(xiàn)在時間是6點整，而鐘表卻指著8點整，快了2小時，校準的方法是正撥10小時或倒撥2小時，結(jié)果都正確，即：8+10=6（mod 12）順撥 ，8-2=6（mod 12） 倒撥。,,,,,,3.,,,,,,,,[+3]補=[+3]原=[+3]反=00000011[-3]補=[-3]反+1=11111100+1=11111101[

22、+0]補=[+0]原=[+0]反=00000000[-0]補=[-0]反+1=11111111+1=00000000,補碼的求法,●對n為二進制數(shù)，模為2n ，則[X]補=（ 2in +X）， MOD 2n ,i為正整數(shù)。,補碼的定義,●若X≥+0 則[X]補=X ， 若X≤ -0 則[X]補= 2n +X，其中n為補碼的位數(shù)。如果X≥0,則[X]補=（ 2in +X）MOD 2n=X,即正數(shù)的補碼為原正數(shù)不變。如果X≤0,則[X

23、]補(2n +X) MOD 2n = 2n -1+X+1=[X]反+1，即負數(shù)的補碼等于負數(shù)的反碼加1，也就是等于負數(shù)原碼除符號位外求反加1。,求法與應用,[+0]補=[-0]補==00000000，即0的補碼為0，且只有一種表示方法。,注意,,,補碼,,,,,,,⑴[+0]補=[-0]補=00000000。⑵8位二進制補碼真值范圍為-128～+127，16位補碼真值范圍為-32768 ～ +32767。⑶一個用補碼表示的二進制數(shù)，

24、最高位為符號位，當符號位為“0”即正數(shù)時，其余位即為此數(shù)的二進制值；但當符號位為“1”即負數(shù)時，其余位不是此數(shù)的二進制值，其值為后面各位按位取反，在最低位加1。,當采用補碼表示時，可以把減法運算轉(zhuǎn)換為加法運算，即[X±Y]補=[X]補+[±Y]補。,8位帶符號的補碼特點,,,,,補碼,數(shù)的表示方法,表1-3,,,,定點表示法,●約定小數(shù)點在符號位之后、數(shù)值部分最高位之前，因此數(shù)據(jù)是純小數(shù)，故又稱定點小數(shù)，其格式為：,

25、,,小數(shù)點位置,定點小數(shù)法比例因子的選擇：例如有兩個數(shù)為010.01和001.100，若進行兩數(shù)相加時：010.01+001.100=（0.1001+0.0110）× 22 ，該比例因子選為22 ，而且兩數(shù)相加結(jié)果仍小于1。,1.2.4 數(shù)的定點和浮點,,一 定點小數(shù)法,,,●約定小數(shù)點的位置固定在數(shù)值部分的最低位之后，也就是把數(shù)表示為純整數(shù)，其格式如下：,,,小數(shù)點位置,定點整數(shù)表示法也有比例因子的選擇問題，例如上例兩個數(shù)

26、化為定點整數(shù)運算則為（010.01+001.100）=（01001+00110）× 2-2 ，該比例因子選為2-2。,,,,二 定點整數(shù)法,,定點表示法,,,,,,階符 階碼 數(shù)符 尾數(shù),浮點數(shù)包括兩部分：即階碼P和尾數(shù)S，它們都有各自的符號位。階碼的符號位又稱階符，用Pf表示，階碼有P1、P2…Pm位；尾數(shù)的符號位又稱數(shù)符，用Sf表示，尾數(shù)有S1、S2…Sn位。,,●在浮點表示法中，小數(shù)

27、點的位置是不固定的或者說是可浮動的。一般來說，任何一個二進制數(shù)的浮點表示格式為：,浮點表示法,由此得出：任何一個二進制數(shù)，它的浮點數(shù)可表示為：N= 2P ×S。,,,例如：二進制數(shù)N= 2+11 ×0.1011，在浮點機中的表示格式為：,,,,,階符 階碼 數(shù)符 尾數(shù),規(guī)定：當尾數(shù)滿足0.5≤︱S︱＜1時,即為規(guī)格化數(shù)。從而看出，所謂規(guī)格化數(shù)，即尾數(shù)的最高有效位是有效數(shù)字1，而不是0。

28、對定點小數(shù)來說，用選擇恰當?shù)谋壤蜃訉崿F(xiàn)規(guī)格化；對浮點表示法,需要調(diào)整階碼的數(shù)值實現(xiàn)規(guī)格化。 例如：N= 2+11 ×0.0101，這是非規(guī)格化浮點數(shù)。改寫成：N= 2+10 ×0.1010，這是規(guī)格化浮點數(shù)。,,,,浮點表示法,,,,,定點表示法與浮點表示法的比較,由于浮點數(shù)的小數(shù)點的位置是隱含于階碼之中，階碼不同的兩個尾數(shù)不能直接加減，需先把兩個數(shù)的階碼調(diào)整到一致，這稱為“對階”，然后兩個尾數(shù)才能相

29、加減。,,,數(shù)值表示范圍,假定某機器字長32位，數(shù)符占1位，尾數(shù)占31位，則：定點小數(shù)表示范圍： 2-31 ≤︱S︱≤1- 2-31,定點整數(shù)表示范圍： 1≤︱S︱≤ 231 -1,浮點數(shù)的運算比定點數(shù)的運算復雜,,計算機硬件的基本結(jié)構(gòu),圖1-1 計算機的基本硬件組成,1.3 計算機系統(tǒng)的組成及其工作原理,,1.3.1 計算機的硬件系統(tǒng),,1.,,,運算器、存儲器和控制器,●在微型機中存儲單元通常以8bit即1字節(jié)為單位。為了

30、能唯一確定并找到任一個存儲單元，計算機對每一存儲單元都指定一個唯一的編號，稱之為存儲單元的地址，地址通常從0開始順序編排。即圖1-2所示。,012...n,地址 內(nèi) 容,圖1-2 存儲單元的地址與內(nèi)容,●運算器主要包括能完成加、減、乘、除算術(shù)運算及邏輯運算的電路以及多個寄存器。在控制信號的指揮下，運算器完成諸如算術(shù)運算、邏輯運算、暫存操作數(shù)或運算結(jié)果以及數(shù)據(jù)傳送等工作。,1.3.1 計算機的硬件系統(tǒng),,2.,1.3.

31、1 計算機的硬件系統(tǒng),,2.,指令指針寄存器(IP),指令寄存器（IR）,指令譯碼器（ID）,控制信號發(fā)生器,控制器,運算器、存儲器和控制器,圖1-3 簡單計算機的硬件,1.3.1 計算機的硬件系統(tǒng),,2.運算器、存儲去和控制器,電路結(jié)構(gòu)示意圖,,,,3. 控制器設計,微程序控制器,按照其產(chǎn)生微操作控制信號的方式,傳統(tǒng)的組合邏輯控制器,,控制器,,把指令的執(zhí)行分解成若干個微操作，用微指令將這些微操作編成微程序，通過執(zhí)行微程序來完成

32、這些微操作，即執(zhí)行了指令。這就是微程序技術(shù)的基本原理。,,計算機硬件系統(tǒng),1.3.1,,,微型機的外部結(jié)構(gòu)特點,●總線是微型機中連接各功能部件并傳送信息的一組信號線，分為三類，即地址總線AB（Address Bus）、數(shù)據(jù)總線DB（Data Bus）和控制總線CB（Control Bus）?？偩€結(jié)構(gòu)是微型機的獨特結(jié)構(gòu)，如圖1-5所示。,圖1-5 微型機的外部結(jié)構(gòu)特點,1.3.1 計算機的硬件系統(tǒng),,4.,1.3.1 計算機的硬件系

33、統(tǒng),,微型計算機的組成,,,,,系統(tǒng)軟件,1.3.2 計算機的軟件系統(tǒng),,,,各種語言的匯編或解釋、編譯程序,機器的監(jiān)控管理程序、操作系統(tǒng)、調(diào)試程序、故障診斷程序,程序庫,系統(tǒng)軟件,1.,,,,,應用軟件,●計算機系統(tǒng)硬件、軟件與用戶之間的關系如圖1-7所示，軟件可看做是用戶與計算機硬件系統(tǒng)的接口。軟件之間又是逐層依賴的。,●總之，硬件建立了計算機的物質(zhì)基礎，而各種軟件則擴大了計算機的功能。硬件和軟件只有結(jié)合起來，才能完成各種功能，

34、才是一個完整的計算機系統(tǒng)。圖1-6給出了微處理器、微型計算機和微型計算機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)關系。,1.3.2 計算機的軟件系統(tǒng),,,,用戶用各種語言編制的解決各種問題的軟件統(tǒng)稱為應用軟件,財務管理軟件,銀行管理軟件等,文字處理軟件,,,,,,2.,圖1-7 計算機系統(tǒng)的功能模型,,圖1-6 微處理器、微型計算機和微型計算機系統(tǒng),1.3.2,計算機的軟件系統(tǒng),常用的名詞術(shù)語,,位,位是計算機所能表示的最基本最小的數(shù)據(jù)單位。它只有兩種狀態(tài)“0

35、”和“1”，即二進制位。,字,計算機中作為一個整體參與運算、處理和傳送的一串二進制數(shù)，是計算機中信息的基本單位。,字長,計算機中每個字所包含的二進制位數(shù)稱為字長。字長通常等于數(shù)據(jù)總線的位數(shù)和通用寄存器的位數(shù)。,字節(jié),8位二進制數(shù)稱為一個字節(jié)。,指令,指揮計算機進行基本操作的命令。,指令系統(tǒng),計算機所能執(zhí)行的全部指令的集合稱為計算機的指令系統(tǒng)。,程序,完成某一任務的指令（或語句）的有序集合稱為程序。,,,,,,,,1.,,1.3.3 計

36、算機的主要技術(shù)指標,主要技術(shù)指標,,,主要性能指標,,,,,字長,內(nèi)存儲器容量,運算速度,外部設備配備,,,,,2.,1.3.3 計算機的主要技術(shù)指標,,小結(jié),1.1 引言 1.1.1 計算機發(fā)展概況 1.1.2 計算機的主要特點 1.1.3 計算機的分類和應用1.2 計算機中數(shù)的表示方法 1.2.1 進位計數(shù)制 1.2.2 計算機中的編碼系統(tǒng),1.2.3 帶符號數(shù)的表示 1.2.4 數(shù)的定