第一微机系统组成及工作原理.pptx

任任务及方法及方法l学什么学什么l怎么学怎么学微机的硬件微机的硬件结构构教学内容教学内容1教材内容教材内容：教材以：教材以8086/8088作作为主主线，讲述述8086/8088微微处理器理器组成原理、体系成原理、体系结构、构、汇编语言及程序言及程序设计技技术、接口技、接口技术及及应用的有关内容。用的有关内容。2新技新技术介介绍：同：同时考考虑到学生到学生对计算机知算机知识学学习的系的系统性和完性和完整性，我整性，我们将当前高性能微机系将当前高性能微机系统采用的新技采用的新技术融合到各相关融合到各相关章章节中中进行介行介绍3软件件实验：针对本本课程的特点，配合主教材的使用。程的特点，配合主教材的使用。软件件实验由指令系由指令系统与与汇编语言程序言程序设计两部分两部分组成。从成。从简单指令入手，指令入手，逐步熟悉和掌握逐步熟悉和掌握汇编语言的言的编程方法和程方法和调试方法。方法。4教材具体内容的取舍教材具体内容的取舍，我，我们作了如下安排：淡化作了如下安排：淡化汇编语言程序言程序设计的内容；增加的内容；增加实用性的内容；介用性的内容；介绍前沿内容和流行技前沿内容和流行技术；精精选例例题和和习题。学习要求学习要求学学习方法很重要方法很重要课堂：听堂：听讲与理解、适当笔与理解、适当笔记（参与、（参与、发现）课后：后：认真真读书、完成作、完成作业（独立）（独立）实验：充充分分准准备、勇勇于于实践践（分分析析问题和和解解决决问题的能力）的能力）本课程理论联系实际非常紧密，内容更新极快。本课程理论联系实际非常紧密，内容更新极快。只只能能采采用用解解剖剖麻麻雀雀方方法法，教教师师在在这这里里只只起起到到抛抛砖砖引引玉玉的作用。的作用。老师老师:指导者指导者 同同学学们们学学习习过过程程中中，要要花花时时间间去去学学习习、思思索索、实实践践，有有机机地地将将本本专专业业的的知知识识结结合合起起来来，构构成成一一个个实实际际系统，解决实际问题。系统，解决实际问题。学生学生:主体地位主体地位收获与时间成正比收获与时间成正比,花时间越多，收获将越大花时间越多，收获将越大 收获与时间成正比收获与时间成正比第一章第一章 微型计算机系统组成微型计算机系统组成及工作原理及工作原理教学内容教学内容1.1.1.1.微机发展简史、分类微机发展简史、分类微机发展简史、分类微机发展简史、分类 2.2.2.2.微机的运算基础微机的运算基础 3.3.3.3.微机系统的硬件结构微机系统的硬件结构微机系统的硬件结构微机系统的硬件结构 4.4.4.4.微机的基本工作原理微机的基本工作原理微机的基本工作原理微机的基本工作原理 5.5.5.5.典型的微型计算机系统典型的微型计算机系统典型的微型计算机系统典型的微型计算机系统微机的微机的发展展简史、分史、分类计算机的发展简史计算机的发展简史发展简史发展简史发展简史发展简史微机系统的三个层次微机系统的三个层次微机的微机的发展展简史、分史、分类计算机的算机的发展展简史史电子管计算机电子管计算机(19461956)晶体管计算机晶体管计算机(19571964)集成电路计算机集成电路计算机(19651970)超大规模集成超大规模集成电路计算机电路计算机(1971至今至今)l 用机器语言、汇编语言编写程序用机器语言、汇编语言编写程序l 用于军事和国防尖端技术用于军事和国防尖端技术l 开始使用高级语言编写程序开始使用高级语言编写程序l 开始用于工程技术、数据处理和开始用于工程技术、数据处理和 其它科学领域其它科学领域l 采用微程序、流水线等技术，采用微程序、流水线等技术，提高运行速度提高运行速度l 出现操作系统、诊断程序等软件出现操作系统、诊断程序等软件l 采用半导体存储器采用半导体存储器l 采用图形界面操作系统采用图形界面操作系统l 器器件件速速度度更更快快,软软件件、外外设设更更加加丰丰富富 主主要要特特点点1.根据使用的基本电子器件，计算机经历了四个阶段：根据使用的基本电子器件，计算机经历了四个阶段：世界上第一台电子数字计算机世界上第一台电子数字计算机世界上第一台电子数字计算机世界上第一台电子数字计算机ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)，由美国宾夕，由美国宾夕法尼亚大学于法尼亚大学于19461946年研制成功并投入使用。年研制成功并投入使用。第四代第四代计算机中算机中微微处理器的理器的发展：展：Intel4004l1971年年1月，月，Intel公司的霍夫研制成功世界上第一公司的霍夫研制成功世界上第一块4位位芯片芯片Intel4004，标志着志着第一代微第一代微处理器理器问世，微世，微处理器理器和微机和微机时代从此开始。代从此开始。l1971年年11月，月，Intel推出推出MCS-4微型微型计算机系算机系统（包括（包括4001ROM芯片、芯片、4002RAM芯片、芯片、4003移位寄存器芯片移位寄存器芯片和和4004微微处理器）理器）400440044004包含包含23002300个晶体管，尺寸规格为个晶体管，尺寸规格为3mm4mm3mm4mm，计，计算性能远远超过当年的算性能远远超过当年的ENIACENIAC，最初售价为，最初售价为200200美元。美元。80081972年4月，霍夫等人开发出第一个8位微处理器Intel 8008。由于8008采用的是P沟道MOS微处理器，因此仍属第一代微处理器。8080第二代微处理器 1973年8月，霍夫等人研制出8位微处理器Intel 8080，以N沟道MOS电路取代了P沟道，第二代微处理器就此诞生。主频2MHz的8080芯片运算速度比8008快10倍，可存取64KB存储器，使用了基于6微米技术的6000个晶体管，处理速度为0.64MIPS。Intel8086第三代微第三代微处理器理器l1978年年6月，月，Intel推出推出4.77MHz的的8086微微处理器，理器，标志着志着第三代微第三代微处理器理器问世。它采用世。它采用16位寄存器、位寄存器、16位数据位数据总线和和29000个个3微米技微米技术的晶体管，售价的晶体管，售价360美元。美元。Z80微微处理器理器 lZilog公司于公司于1976年开年开发的的Z80微微处理器，广泛用于微型理器，广泛用于微型计算机和工算机和工业自自动控制控制设备。当。当时，zilog、Motorola和和Intel在微在微处理器理器领域三足鼎立。域三足鼎立。第一台微型计算机：Altair8800l1975年年4月，月，MITS发布第一个通用型布第一个通用型Altair8800，售价，售价375美美元，元，带有有1KB存存储器。器。这是世界上第一台微型是世界上第一台微型计算机。算机。lAltair定位在青年定位在青年电脑迷市迷市场 lPaulAllen和和BillGates在三周内在三周内为Altair开开发出出BASIC语言，言，MITS成成为两个未来富翁的第一个客两个未来富翁的第一个客户 Applel1976年年3月，月，SteveWozniak和和SteveJobs开开发出微型出微型计算算机机AppleI，4月月1日愚人日愚人节这天，两个天，两个Steve成立了成立了Apple计算机公司。算机公司。lAppleII是第一个是第一个带有彩色有彩色图形的个人形的个人计算机，售价算机，售价为1300美元。美元。AppleII及其系列改及其系列改进机型机型风靡一靡一时，这使使Apple成成为微型机微型机时代最成功的代最成功的计算机公司。算机公司。1981-PC元年元年l早在早在1980年年7月，一个月，一个负责“跳棋跳棋计划划”的的13人小人小组秘密来到佛秘密来到佛罗里里达州波克达州波克罗顿镇的的IBM研究研究发展中心，开始开展中心，开始开发后来被称后来被称为IBMPC的的产品。一年后的品。一年后的8月月12日，日，IBM公司在公司在纽约宣布第一台宣布第一台IBMPC诞生，生，这个开个开创计算机算机历史新篇章的史新篇章的时刻。刻。l第一台第一台IBMPC采用了主采用了主频为4.77MHz的的Intel8088l操作系操作系统是是Microsoft提供的提供的MS-DOSlIBM将其命名将其命名为“个人个人电脑（PersonalComputer）计算机的算机的发展日新月异展日新月异从计算机的规模，运算速度上看，巨型机、大型机、中型机、小型机、巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机、单片机微型机、单片机从CPU的发展来看 400440048008-8086-8088-80186-8008-8086-8088-80186-80286-80386-80486-586-80286-80386-80486-586-pentium-PII-PIII-P4pentium-PII-PIII-P4我国我国计算机技算机技术的的发展展l1953年开始研究，1958年研究出第一台计算机，103型通用计算机l50年来相继研究出了第二代，第三代计算机。l80年代研究出了每秒亿次的巨型机，银河I,II,其他如曙光天演(清华BBS,学校高性能计算中心)。1985年6月，中国第一台自行研制的微机长城0520研制成功，其广告词是：“一台我们自己制造的能够处理中文的电脑”。l在高性能计算，并行计算上已紧跟国际先进水平，但计算机的核心部件CPU技术还远远落后。l中科院研究开发的龙芯GODSON微机的微机的发展展简史、分史、分类计算机的算机的发展展简史史2.计算机的两个方向发展：计算机的两个方向发展：l 研制高速度、强功能的巨型机和大型机研制高速度、强功能的巨型机和大型机 适应军事和尖端科学的需要。适应军事和尖端科学的需要。l 研制价格低廉的超小型机和微型机研制价格低廉的超小型机和微型机 开拓应用领域和占领更广大的市场。开拓应用领域和占领更广大的市场。微型计算机微型计算机是第四代计算机的典型代表。是第四代计算机的典型代表。MicrocomputerMicrocomputer：以大规模、超大规模集成电路为主要部：以大规模、超大规模集成电路为主要部件，以集成了计算机主要部件件，以集成了计算机主要部件控制器和运算器的微处控制器和运算器的微处理器为核心所构造出的计算机系统理器为核心所构造出的计算机系统微机的微机的发展展简史、分史、分类微机系微机系统的三个的三个层次次ALU寄存器组寄存器组控制部件控制部件系统软件：系统软件：DOS、Windows 2000/XP Vista应用软件：应用软件：Word、Photoshop、Flash微微 处处 理理 器器 CPU 存储器存储器(RAM,ROM)I/O接口接口总线总线 硬硬 件件软软 件件微微 型型计算机计算机系系 统统微微 型型计算机计算机(主机主机)外外 设设键盘、鼠标键盘、鼠标显示器显示器软驱、硬盘、光驱软驱、硬盘、光驱 打印机、扫描仪打印机、扫描仪计算机算机发展的理展的理论基基础和和规律律1、逻辑代数代数2、图灵机：灵机：英国数学家图灵证明理想的通用数字计算机是可以制造出来的。现代通用数字计算机的数学模型3、冯.诺依曼依曼计算机原理：算机原理：二进制存储程序并按地址顺序执行(程序控制）4、Moore定律：定律：微处理器内晶体管数每18个月翻一番5、Bell定律：定律：如果保持计算能力不变，微处理器的价格每18个月减少一半6、Gilder定定律律：未来25年（1996年预言）里，主干网的带宽将每6个月增加一倍7、Metcalfe定律：定律：网络价值同网络用户数的平方成正比8、半、半导体存体存储器器发展展规律：律：DRAM密度每年增加60%，每三年翻四倍9、硬、硬盘存存储技技术发展展规律：律：硬盘的密度每年增加约一倍计算机算机发展的展的趋势总趋势：速度越来越快，体积越来越小，总趋势：速度越来越快，体积越来越小，成本越来越低，功耗越来越低成本越来越低，功耗越来越低1、微型计算机已迈入、微型计算机已迈入64位的新时代位的新时代2、精减指令计算机（、精减指令计算机（RISC）正在逐步取代复杂指令计算机）正在逐步取代复杂指令计算机（CISC）3、多媒体计算机技术、网络存储技术正在推广使用、多媒体计算机技术、网络存储技术正在推广使用4、大规模并行处理系统（、大规模并行处理系统（MPP）的处理速度已达到）的处理速度已达到TFLOPS（每秒（每秒1012条浮点指令条浮点指令,万亿）级万亿）级5、超立方体计算机、神经网络计算机等高性能计算机正在、超立方体计算机、神经网络计算机等高性能计算机正在加紧研究、试制之中。加紧研究、试制之中。随着电子器件速度极限的逼近人们又开始了全新随着电子器件速度极限的逼近人们又开始了全新时代计算机的研究时代计算机的研究二十一世二十一世纪的的计算机算机光计算机：光能够像电一样传送信息，其抗干扰能力强，传输速度快，并且光学器件的能耗非常低。尤为重要的是，光的独立性使得大规模的并行计算成为可能。生物生物计算机：算机：生物系统的信息处理过程是基于分子的计算与通讯过程，生物计算不是按照传统的确定算法来解决问题，而是通过竞争优化的方式来求解问题。生物计算的主要形式是学习和记忆。生物系统在解决复杂图形和多重模式判定方面有独特的优势。量子量子计算机：算机：量子计算的概念远比光子计算和生物计算出现得晚，但却具有更大的革命潜力。信息存信息存储器器 目前，在室温下能够制造出单电子内存，在大约7平方纳米大小的位元上，每一平方纳米就能存储250GB的信息。1.1 微机系统概述1.1.1 1.1.1 微机系统的三个层次微机系统的三个层次1.1.2 1.1.2 微机系统的主要性能指标微机系统的主要性能指标微机系统从局部到全局存在三个层次：微机系统从局部到全局存在三个层次：1.1.微处理器微处理器2.2.微型计算机微型计算机3.3.微型计算机系统微型计算机系统 1.1.1 1.1.1 微机微机系统的三个层次系统的三个层次 1.1.1 1.1.1 微机系统的三个层次微机系统的三个层次1.1.微处理器微处理器 微处理器本身不是计算机，不能独立工作，它是微型计微处理器本身不是计算机，不能独立工作，它是微型计算机的核心部件，包括算术逻辑部件算机的核心部件，包括算术逻辑部件ALU,ALU,控制部件和寄存器控制部件和寄存器组三个基本部分。组三个基本部分。1.1.1 1.1.1 微机系统的三个层次微机系统的三个层次2.2.微型计算机微型计算机 是是以以微微处处理理器器为为核核心心，加加上上由由大大规规模模集集成成电电路路制制作作的的存存储储器器(ROMROM和和RAM)RAM)、输输入入/输输出出接接口口和和系系统统总总线线组组成成的的。它它不不是是完完整整的的计计算算系系统统，也也不不能能独立工作。独立工作。BIOS ROMBIOS ROMCPUCPU插槽插槽总线插槽总线插槽RAMRAM插槽插槽3.3.微型计算机系统微型计算机系统 微型计算机系统是以微型计算机为核心，再配以相微型计算机系统是以微型计算机为核心，再配以相应的外围设备、电源、辅助电路和控制微型计算机工作应的外围设备、电源、辅助电路和控制微型计算机工作的软件而构成的完整计算系统。它可以独立工作，有实的软件而构成的完整计算系统。它可以独立工作，有实用意义。用意义。1.1.1 1.1.1 微机系统的三个层次微机系统的三个层次q 字长字长q 存储器容量存储器容量q 运算速度运算速度q 外设扩展能力外设扩展能力q 软件配置情况软件配置情况 字长字长是计算机内部一次可是计算机内部一次可以处理的二进制数码的位数。以处理的二进制数码的位数。决定于计算机决定于计算机通用寄存器、通用寄存器、内存储器、内存储器、ALU ALU 的位数和数的位数和数据总线的宽度。据总线的宽度。字长越长，一个字所能表字长越长，一个字所能表示的数据精度就越高；在完示的数据精度就越高；在完成同样精度的运算时，则数成同样精度的运算时，则数据的处理速度越高。据的处理速度越高。存储器容量存储器容量是衡量是衡量计算机存储二进制信计算机存储二进制信息量大小的一个重要息量大小的一个重要指标。包括：指标。包括：内存容量内存容量 外存容量外存容量 计算机计算机运算速度运算速度一一般用每秒钟所能执行般用每秒钟所能执行的指令条数来表示。的指令条数来表示。一台计算机允许配接一台计算机允许配接多少外部设备，对于系多少外部设备，对于系统接口和软件研制都有统接口和软件研制都有重大影响。重大影响。软件软件是计算机系统必不是计算机系统必不可少的重要组成部分，它可少的重要组成部分，它配置是否齐全，直接关系配置是否齐全，直接关系到计算机性能的好坏和效到计算机性能的好坏和效率的高低。率的高低。1.1.2 1.1.2 微机系统的主要性能指标微机系统的主要性能指标 1.2.1 1.2.1 三总线结构及分类三总线结构及分类 1.2.2 1.2.2 微机各大组成部分的基本结构及功能微机各大组成部分的基本结构及功能 1.2 1.2 微型计算机系统的硬件结构微型计算机系统的硬件结构 目前各种微机系统采用的基本上是计算机的经典结构目前各种微机系统采用的基本上是计算机的经典结构-冯冯诺依曼结构诺依曼结构。结构特点是：。结构特点是：p 硬硬件件上上由由运运算算器器、控控制制器器、存存储储器器、输输入入设设备备和输出设备五大部分组成；和输出设备五大部分组成；p 数数据据和和程程序序以以二二进进制制代代码码的的形形式式不不加加区区别别地地存存放放在在存存储储器器中中，存存放放位位置置由由地地址址指指定定，地地址址码码也也为二进制形式；为二进制形式；p 控控制制器器根根据据存存放放在在存存储储器器中中的的指指令令序序列列，即即程程序序来来工工作作,并并由由一一个个程程序序计计数数器器控控制制指指令令的的执执行行。控控制制器器具具有有判判断断能能力力，能能根根据据计计算算结结果果选选择择不不同同的动作流程。的动作流程。1.2.1 1.2.1 三总线结构及分类三总线结构及分类 1.1.冯冯诺依曼结构诺依曼结构微微型型计计算算机机系系统统硬件硬件软件软件运算器运算器控制器控制器存储器存储器输入输入/输出设备输出设备系统软件系统软件应用软件应用软件各部分间通过三条各部分间通过三条总线相连，故这种总线相连，故这种系统结构也称为系统结构也称为三三总线结构。总线结构。2.2.三总线结构三总线结构MPURAM外设外设ABDBCBROMI/O接口接口三总线三总线 模块间的模块间的双向依赖关系双向依赖关系变为各模块变为各模块面向总线面向总线的单向依赖关系的单向依赖关系，简化了微机的结构。使微机系，简化了微机的结构。使微机系统易于扩充和维护。统易于扩充和维护。微型计算机三总线结构示意图微型计算机三总线结构示意图:p 单总线结构单总线结构p 双总线结构双总线结构p 多层总线结构多层总线结构1.2.1 1.2.1 三总线结构及分类三总线结构及分类3.3.总线结构分类总线结构分类 根据总线组织方法的不同，总线结构可分根据总线组织方法的不同，总线结构可分为以下三类：为以下三类：特点：特点：MPUMPU对对M M和和I/OI/O的读写只能分时进行。的读写只能分时进行。优点：逻辑结构简单，成本低，实现容易。优点：逻辑结构简单，成本低，实现容易。MPUMI/OI/O接口接口外外设设 单总线单总线 结结 构构 双总线双总线 结结 构构 多层总多层总 线结构线结构特点：特点：MPUMPU可分别在两套总线上同时与可分别在两套总线上同时与M M 和和I/OI/O口交换信息。口交换信息。优点：展宽了总线带宽，提高了数据传优点：展宽了总线带宽，提高了数据传 输速率。输速率。存储总线存储总线I/OI/O总线总线I/O接口M外外设设MPU 单总线单总线 结结 构构 双总线双总线 结结 构构 多层总多层总 线结构线结构DMADMA控制器控制器全局总线全局总线全全局局M全全局局I/OMPU总线控总线控制逻辑制逻辑局部局部I/OI/O局部局部M M缓冲器缓冲器局局部部总总线线 真正实现了多层总线上的并行工作。真正实现了多层总线上的并行工作。这对等效总线带宽的增加，系统数据处理这对等效总线带宽的增加，系统数据处理和数据传输效率的提高，效果更明显。和数据传输效率的提高，效果更明显。单总线单总线 结结 构构 双总线双总线 结结 构构 多层总多层总 线结构线结构 (以双层以双层 为例）为例）微机的运算基微机的运算基础数制及其转换数制及其转换有符号数有符号数的机器数的机器数表示方法表示方法计算机中小数点问题计算机中小数点问题无符号数的机器数表示方法无符号数的机器数表示方法计算机的运算计算机的运算微机微机微机微机运算基础运算基础运算基础运算基础微机的运算基微机的运算基础数制及其数制及其转换l二二进制：制：计算机使用二算机使用二进制表示数据和指令制表示数据和指令仅包含数字包含数字“0”和和“1”思考思考:计算机由算机由电路路组成。成。Andwhatisthemostfundamentalstatementyoucanmakeaboutelectricity？电路2种状态：开/关Maybe1：on0：off二进制2种状态on/offyes/noabsent/presentpositivecharge/negativecharge计算机是计算机是0101的世界，即计算机中的任何事物都用的世界，即计算机中的任何事物都用0101表示。如字母表示。如字母“W W”用电子信号用电子信号0101011101010111表示表示 微机的运算基微机的运算基础数制及其数制及其转换l还有哪些有哪些进制？制？最常用的：十最常用的：十进制制Decimal为了能方便的与二了能方便的与二进制制转换,使用了十六使用了十六进制制HexadecimalHexadecimal八八进制制 Octal二二进制（制（B）：）：0、1十十进制（制（D）：）：09八八进制（制（Q）：）：07十六十六进制（制（H）：）：09，AF微机的运算基微机的运算基础数制及其数制及其转换ln进制数最多是由制数最多是由n个数个数码组成成09,0、1,07,09、AFln进制数的基数或底数制数的基数或底数为n，算，算术运算运算时，有如下特点：，有如下特点：低位向相低位向相邻高位的高位的进位是逢位是逢n进1（加法）（加法）低位向相低位向相邻高位的借位是以高位的借位是以1当本位当本位n（减法）（减法）0010+101011001.任意进制数的共同特点任意进制数的共同特点微机的运算基微机的运算基础数制及其数制及其转换2.数制的位置表示法数制的位置表示法l用一用一组数字表示数数字表示数时，每个数字表示的量不但决定于数字，每个数字表示的量不但决定于数字本身，而且决定于它所在的位置本身，而且决定于它所在的位置例：例：32.3Dl权：对每一个数位每一个数位赋以一定的位以一定的位值，如，如100、101l各位数各位数码在在n进制数中所制数中所处位置的不同，所位置的不同，所对应的的权也不也不同，以小数点同，以小数点为分界点：分界点：向左（整数部分）：各位数向左（整数部分）：各位数码所所对应的的权依次是依次是n0、n1、n2，向右（小数部分）：各位数向右（小数部分）：各位数码所所对应的的权依次是依次是n-1、n-2、n-3，n进制数制数 n=2、nnn如：如：1101.101B整数部分整数部分小数部分小数部分微机的运算基微机的运算基础数制及其数制及其转换2.数制的位置表示法数制的位置表示法l非十非十进制数制数十十进制数制数 转换方法：按位方法：按位权展开求和展开求和 例：例：1101.101B=D67.2Q=D3AB.E6H=D3.数制的转换数制的转换微机的运算基微机的运算基础数制及其数制及其转换l十十进制数制数非十非十进制数制数 转换方法：分成小数和整数分方法：分成小数和整数分别转换 整数部分：除整数部分：除n取余，直至商取余，直至商为0，先得余数低位；，先得余数低位；小数部分：乘小数部分：乘n取整，先得的整数取整，先得的整数为高位高位 例：例：17.6875D=B3.数制的转换数制的转换微机的运算基微机的运算基础数制及其数制及其转换l非十非十进制数之制数之间 二二进制与八制与八进制之制之间：一位八一位八进制数，相当于三位二制数，相当于三位二进制数（制数（23=8）例：例：467.532Q=B1010010.10111B=Q=H二二进制与十六制与十六进制之制之间：一位十六一位十六进制数，相当于四位二制数，相当于四位二进制数制数（24=16）3.数制的转换数制的转换微机的运算基微机的运算基础数制及其数制及其转换微机的运算基微机的运算基础机器数：机器数：数数值在在计算机中的表示形式算机中的表示形式有符号数：有符号数：数数值有正有正负之分之分,如何表示符号？如何表示符号？计算机就用一个数的最高位存放符号算机就用一个数的最高位存放符号(0为正正,1为负)真真值：机器数所表示的真机器数所表示的真实值有符号数的机器数表示方法有符号数的机器数表示方法计算机是计算机是0101世界世界微机的运算基微机的运算基础l定定义 最高位用最高位用0、1表示正表示正负，数，数值一般用二一般用二进制形式表示制形式表示l表示范表示范围 8位（）：位（）：(-127-0+0127)共共256个个 最大最大值为01111111，真，真值(127)10最小最小值为11111111，真，真值(-127)10l的表示的表示+0原原=+0000000原原=00000000-0原原=-0000000原原=10000000有符号数最有符号数最简单的的编码方式方式有符号数的机器数表示方法有符号数的机器数表示方法1.原码表示方法原码表示方法原原码的的问题l原原码不能直接参加运算，可能会出不能直接参加运算，可能会出错例如：例如：1+（-1）=000000001+10000001=10000010出出错符号位和数符号位和数值位无法位无法统一一处理理微机的运算基微机的运算基础l定定义 机器数是正数，机器数是正数，该机器数的反机器数的反码与原与原码一一样；机器数是机器数是负数，数，该机器数的反机器数的反码由其原由其原码(符符号位除外）各位取反而得到号位除外）各位取反而得到 l表示范表示范围：同原：同原码l的表示的表示+0反反=+0000000反反=00000000-0反反=-0000000反反=11111111有符号数的表示方法有符号数的表示方法反码的问题：的问题反码的问题：的问题2.反码表示方法反码表示方法微机的运算基微机的运算基础l定定义 机器数是正数，机器数是正数，该机器数的机器数的补码与原与原码一一样；机器数是机器数是负数，数，该机器数的机器数的补码由其原由其原码除符号位外除符号位外各位取反加得到各位取反加得到 l的表示的表示+0补=+0000000补=00000000-0补=-0000000补=00000000l表示范表示范围 最大最大为01111111，其真，其真值为(127)10最小最小为10000000，其真，其真值为(-128)10有符号数的表示方法有符号数的表示方法运算的基础运算的基础3.补码表示方法补码表示方法模的概念一个计量单位称之为模或模数。例如，时钟是以12进制进行计数循环的，即以12为模。在时钟上，时针加上（正拨）12的整数位或减去（反拨）12的整数位，时针的位置不变。14点钟在舍去模12后，成为（下午）2点钟（14=14-12=2）。从0点出发逆时针拨10格即减去10小时，也可看成从0点出发顺时针拨2格（加上2小时），即2点（0-10=-10=-10+12=2）。因此，在模12的前提下，-10可映射为+2。由此可见，对于一个模数为12的循环系统来说，加2和减10的效果是一样的；因此，在以12为模的系统中，凡是减10的运算都可以用加2来代替，这就把减法问题转化成加法问题了（注：计算机的硬件结构中只有加法器，所以大部分的运算都必须最终转换为加法）。10和2对模12而言互为补数。同理，同理，计算机的运算部件与寄存器都有一定算机的运算部件与寄存器都有一定字字长的限制（假的限制（假设字字长为8），因此它的运算也是），因此它的运算也是一种模运算。当一种模运算。当计数器数器计满8位也就是位也就是256个数后个数后会会产生溢出，又从生溢出，又从头开始开始计数。数。产生溢出的量就生溢出的量就是是计数器的模，数器的模，显然，然，8位二位二进制数，它的模数制数，它的模数为28=256。在在计算中，两个互算中，两个互补的数称的数称为“补码”。微机的运算基微机的运算基础l正数：正数的正数：正数的补码和原和原码相同。相同。l负数：数：负数的数的补码则是符号位是符号位为“1”，数，数值部部分按位取反后再在末位（最低位）加分按位取反后再在末位（最低位）加1。也就是。也就是“反反码+1”。例如：例如：符号位符号位数数值位位+7补=00000111B-7补=11111001B有符号数的表示方法有符号数的表示方法3.补码表示方法补码表示方法注意注意 la.采用采用补码后，可以方便地将减法运算后，可以方便地将减法运算转化成加化成加法运算，运算法运算，运算过程得到程得到简化。正数的化。正数的补码即是它即是它所表示的数的真所表示的数的真值，而，而负数的数的补码的数的数值部份却部份却不是它所表示的数的真不是它所表示的数的真值。采用。采用补码进行运算，行运算，所得所得结果仍果仍为补码。lb.与原与原码、反、反码不同，数不同，数值0的的补码只有一个，只有一个，即即 0补=00000000B。lc.若字若字长为8位，位，则补码所表示的范所表示的范围为-128+127；进行行补码运算运算时，应注意所得注意所得结果不果不应超超过补码所能表示数的范所能表示数的范围。原原码、反、反码和和补码之之间的的转换 l（1）已知原已知原码，求，求补码。l例：已知某数例：已知某数X的原的原码为10110100B，试求求X的的补码和反和反码。l解：由解：由X原原=10110100B知，知，X为负数。求数。求其反其反码时，符号位不，符号位不变，数，数值部分按位求反；求部分按位求反；求其其补码时，再在其反，再在其反码的末位加的末位加1。l10110100原原码l11001011反反码，符号位不，符号位不变，数，数值位取位取反反l11001100补码l故：故：X补=11001100B，X反反=11001011B。有符号数有符号数运算运算时的溢出的溢出问题 l1）（）（+72）+（+98）=？01001000B+72+01100010B+9810101010B-42两两负数相加怎么会得出正数？数相加怎么会得出正数？l2）（）（-83）+（-80）=？10101101B-83+10110000B-8001011101B+93l思考：思考：这两个两个题目，按照正常的法目，按照正常的法则来运算，但来运算，但结果果显然不正确，然不正确，这是怎么回事呢？是怎么回事呢？微机的运算基微机的运算基础l补码溢出判溢出判别 溢出溢出:指运算指运算结果超出数所能表示的范果超出数所能表示的范围进位位:指最高位向更高位的指最高位向更高位的进位位带符号数所能表示的范符号数所能表示的范围：（若用：（若用n位二位二进制数制数码表示）表示）原原码：-（2n-1-1）X2n-1-1反反码：-（2n-1-1）X2n-1-1补码：-2n-1X2n-1-1计算机的运算计算机的运算1.1.补码运算补码运算微机的运算基微机的运算基础l补码溢出判溢出判别 补码溢出溢出:结果超出果超出补码所表示的数所表示的数值范范围 对于于8位位补码，两两数数相相加加之之和和127,或或9,加加6修正修正2、两两个个一一位位BCD相相加加结果果本本位位不不大大于于9，但但产生生进位，本位加位，本位加6修正。修正。计算机的运算计算机的运算2.2.BCDBCD码加法运算调整规则码加法运算调整规则微机的运算基微机的运算基础9+81001+100010001本位本位0001不大于不大于9，但有，但有进位，位，调整整+0110加加6修正修正00010111结果正确果正确17计算机的运算计算机的运算2.2.BCDBCD码运算及其调整码运算及其调整微机的运算基微机的运算基础57+6501010111+0110010110111100 个位十位均大于个位十位均大于9，调整整+01100110两位分两位分别加加6修正修正000100100010结果正确果正确122计算机的运算计算机的运算2.2.BCDBCD码运算及其调整码运算及其调整微机的运算基微机的运算基础1、两两个个BCD数数相相减减，若若出出现本本位位差差超超过9，本本位位减减6修正修正2、两两个个BCD数数相相减减，本本位位差差不不超超过9，但但向向高高位位有借位，本位减有借位，本位减6修正修正计算机的运算计算机的运算2.2.BCDBCD码减法运算调整规则码减法运算调整规则微机的运算基微机的运算基础52-3801010010-0011100000011010 个位数大于个位数大于9，调整整-0110个位减个位减6修正修正00010100结果正确果正确14计算机的运算计算机的运算2.2.BCDBCD码运算及其调整码运算及其调整微机的运算基微机的运算基础71-2901110001-0010100101001000 个位数不超个位数不超过9，但有借位，但有借位-0110个位作减个位作减6修正修正01000010结果正确果正确42计算机的运算计算机的运算2.2.BCDBCD码运算及其调整码运算及其调整微机的运算基微机的运算基础l机器数：在机器数：在计算机中的表示形式（二算机中的表示形式（二进制）；制）；是是摆在在计算算机寄存器或存机寄存器或存储器或器或I/O端口中的数；端口中的数；l真真值：机器数：机器数对应于某一确定的于某一确定的码制就有唯一确定的制就有唯一确定的值。l例：例：机器数机器数34H：为原原码时真真值为+52；反；反码时真真值为+52；补码时真真值为+52；为BCD码真真值为34；为ASCII码时真真值为4。+52原原=+52反反=+52补=34H34BCD=34H4ASCII=34H机器数机器数97H：为原原码时真真值为-23；反；反码时真真值为-104；补码时真真值为-105；为BCD码时真真值为97；为ASCII码时表示表示为ETB。强调：机器数与真值强调：机器数与真值微机的运算基微机的运算基础8位数位数11011011B可表示可表示。A）无符号数）无符号数219B）-37的的补码C）-36的的补码D)-36的反的反码E）91的原的原码F）-91的原的原码?习题与思考习题与思考微机的硬件微机的硬件结构构微机的体系结构微机的体系结构总线总线内存内存外设和输入外设和输入/出接口出接口微处理器微处理器微机系统的微机系统的微机系统的微机系统的硬件结构硬件结构硬件结构硬件结构微机的硬件微机的硬件结构构微机系微机系统的三个的三个层次次运算器运算器 控制器控制器 寄存器组寄存器组 内存储器内存储器 总线总线输入输出输入输出接口电路接口电路外部设备外部设备 软件软件微处理器微处理器微型计算机微型计算机微型计算机系统微型计算机系统微机的硬件微机的硬件结构构现代代计算机的体系算机的体系结构：构：冯.诺依曼依曼结构构现代代计算机的算机的结构基构基础：存存储程序程序+程序控制程序控制冯诺依曼理论的要点是：数字计算机的数制采用二进制；计算机应该按照程序顺序执行。人们把冯诺依曼的这个理论称为冯诺依曼体系结构。从ENIAC到当前最先进的计算机都采用的是冯诺依曼体系结构。所以冯诺依曼是当之无愧的数字计算机之父微机的体系结构微机的体系结构微机的硬件微机的硬件结构构 微机的体系结构微机的体系结构 根据冯诺依曼体系结构构成的计算机，必须具有如下功能：把需要的程序和数据送至计算机中。（输入设备）必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力。（存储器）能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力。（运算器）能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部