微机原理与接口技术第1章课件.ppt

1、第第1 1章章 微型计算机概述微型计算机概述1.1 1.1 计算机的发展及应用计算机的发展及应用1.2 1.2 微型计算机的组成微型计算机的组成1.3 1.3 计算机中数据信息的表示方法计算机中数据信息的表示方法1.4 1.4 算术运算和逻辑运算基础算术运算和逻辑运算基础1.1 1.1 计算机的发展及应用计算机的发展及应用 微型计算机是一种能自动、高速、精确地处理信息的现代微型计算机是一种能自动、高速、精确地处理信息的现代化电子设备，具有算术运算和逻辑判断能力，并能通过预先编化电子设备，具有算术运算和逻辑判断能力，并能通过预先编好的程序来自动完成数据的加工处理，因此，可以说计算机也好的程序来自

2、动完成数据的加工处理，因此，可以说计算机也是一种帮助人类从事脑力劳动的工具。对于学习计算机专业的是一种帮助人类从事脑力劳动的工具。对于学习计算机专业的学生来说，了解计算机的发展及应用领域，熟悉计算机的组成学生来说，了解计算机的发展及应用领域，熟悉计算机的组成结构和信息在计算机中表示的方法十分必要结构和信息在计算机中表示的方法十分必要。（1959-19641959-1964）晶体管计算机）晶体管计算机 （1946-19571946-1957）电子管计算机）电子管计算机（1965-19701965-1970年）中小规模集成电路计算机年）中小规模集成电路计算机大规模和超大规模集成电路计算机大规模和超

3、大规模集成电路计算机特点特点：体积大，耗电量多，发出操作命：体积大，耗电量多，发出操作命令，运行速度慢，存储容量小。令，运行速度慢，存储容量小。特点：体积减小，重量减轻，可靠性能特点：体积减小，重量减轻，可靠性能提高，运行速度每秒可达百万次。提高，运行速度每秒可达百万次。特点：体积更小、速度快、精度高、功特点：体积更小、速度快、精度高、功能强、计算机成本进一步下降。能强、计算机成本进一步下降。特点：速度更快、集成度更高、软件丰特点：速度更快、集成度更高、软件丰富、有通讯功能、软硬件密切配。富、有通讯功能、软硬件密切配。1.1.1 1.1.1 计算机的发展计算机的发展1.1.2 1.1.2 计算

4、机的分类计算机的分类 按照原理不同，可分为模拟计算机和电子数字计算机；而根据其按照原理不同，可分为模拟计算机和电子数字计算机；而根据其用途，可分为通用计算机和专用计算机等用途，可分为通用计算机和专用计算机等。目前更常用的一种分类方法是按照运算速度、字长、存储性能等目前更常用的一种分类方法是按照运算速度、字长、存储性能等综合指标，将计算机分为巨型机、小巨型机、大型机、小型机、工作综合指标，将计算机分为巨型机、小巨型机、大型机、小型机、工作站、微型计算机站、微型计算机6 6类。类。1.1.3 1.1.3 微型计算机的性能指标微型计算机的性能指标外存储器的容量外存储器的容量外存储器容量通常是指硬盘容

5、外存储器容量通常是指硬盘容量（包括内置硬盘和移动硬盘量（包括内置硬盘和移动硬盘）运算速度运算速度运算速度是衡量计算机性能的运算速度是衡量计算机性能的一项重要指标。一般说来，主一项重要指标。一般说来，主频越高，运算速度就越快。频越高，运算速度就越快。内存储器的容量内存储器的容量 内存储器，也简称主存，是内存储器，也简称主存，是 CPU可以直接访问的存储可以直接访问的存储器。器。字长字长在其他指标相同时，字长越在其他指标相同时，字长越大计算机处理数据的速度就大计算机处理数据的速度就越快。越快。评价计算机性能评价计算机性能的指标的指标1.1.4 1.1.4 微型计算机的应用微型计算机的应用科学计算科

6、学计算 数据处理数据处理过程控制过程控制计算机辅助工程计算机辅助工程人工智能人工智能数据通信与网络数据通信与网络电子商务电子商务娱乐娱乐计算机的应用计算机的应用办公自动化办公自动化1.2 1.2 微型计算机的组成微型计算机的组成 一个完整的微型计算机系统由硬件系统和软件系统两大一个完整的微型计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。硬件是计算机物质基础，硬件系统主要由主机部分组成。硬件是计算机物质基础，硬件系统主要由主机（CPUCPU、主存储器）和外部设备（输入、主存储器）和外部设备（输入/输出设备、辅存）构输出设备、辅存）构成。软件是支持计算机工作的程序，它需要人根据机器的硬成。软件是支持

7、计算机工作的程序，它需要人根据机器的硬件结构和要解决的实际问题预先编制好，并且输入到计算机件结构和要解决的实际问题预先编制好，并且输入到计算机的主存中，软件系统由系统软件和应用软件等组成。硬件和的主存中，软件系统由系统软件和应用软件等组成。硬件和软件是一个有机的整体，必须协同工作才能发挥计算机的作软件是一个有机的整体，必须协同工作才能发挥计算机的作用。用。冯冯诺依曼体系结构构成的计算机必须具有如下特征：诺依曼体系结构构成的计算机必须具有如下特征：1.2.1 1.2.1 微型计算机的基本结构微型计算机的基本结构具有完成各种算术、逻辑具有完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加运算和数据传送等数据

8、加工处理的能力。工处理的能力。程序和数据在计算机中以程序和数据在计算机中以二进制的方式执行。二进制的方式执行。必须能够记忆程序、数据、中必须能够记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果间结果及最终运算结果指令由操作码和地址码指令由操作码和地址码组成。组成。12345能够根据需要控制程序走向，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并能根据指令控制机器的各部件协调操作。件协调操作。冯冯诺依曼型计算机的基本结构诺依曼型计算机的基本结构：图图1-1 1-1 冯冯诺依曼型计算机的基本结构诺依曼型计算机的基本结构 微型计算机系统的组成由小到大可分为微处理器、微型计算微型计算机系统的组成由小到大

9、可分为微处理器、微型计算机和微型计算机系统，如图机和微型计算机系统，如图：图图1-2 1-2 微型计算机系统的层次结构微型计算机系统的层次结构1.2.2 1.2.2 微型计算机的硬件组成微型计算机的硬件组成 从大的功能部件来看从大的功能部件来看,微型计算机的硬件主要由微型计算机的硬件主要由CPUCPU、存储器、存储器、输入输入/输出接口（输出接口（I/OI/O接口）与输入接口）与输入/输出设备（输出设备（I/OI/O设备）组成，各设备）组成，各组成部分之间通过系统总线联系起来。组成部分之间通过系统总线联系起来。1.1.微处理器组成：控制器、运算器、寄存器组。微处理器组成：控制器、运算器、寄存器

10、组。2.2.系统总线包括：地址总线、数据总线、控制总线。系统总线包括：地址总线、数据总线、控制总线。图图1-3 1-3 微型计算机的硬件结构框图微型计算机的硬件结构框图1.2.3 1.2.3 微型计算机的软件系统微型计算机的软件系统图图1-4 1-4 计算机系统的软件分类计算机系统的软件分类1.3 1.3 计算机中数据信息的表示方法计算机中数据信息的表示方法 计算机只能处理二进制的计算机只能处理二进制的0 0和和1 1，因此必须将数值、字符、，因此必须将数值、字符、声音、图形和图像、视频等各种信息转换成为计算机能够接声音、图形和图像、视频等各种信息转换成为计算机能够接受和处理的二进制数据。计算

11、机可处理的数值、文字、图、受和处理的二进制数据。计算机可处理的数值、文字、图、声音、视频，甚至各种模拟信息量等数据，在计算机系统内声音、视频，甚至各种模拟信息量等数据，在计算机系统内部，主要表示成定点数、浮点数、逻辑数、字符、字符串等部，主要表示成定点数、浮点数、逻辑数、字符、字符串等形式，并且都必须采用数字化编码。形式，并且都必须采用数字化编码。1.3.1 1.3.1 进位计数制及其转换进位计数制及其转换 数制即表示数的方法，按进位的原则进行计数的数制称为进位计数制即表示数的方法，按进位的原则进行计数的数制称为进位计数制，简称数制，简称“进制进制”。在计算机的数制中，要掌握在计算机的数制中，

12、要掌握3 3个概念，即数码、个概念，即数码、基数和位权。基数和位权。1 1.数码数码 数码是指一个数制中表示基本数值大小的不同数字的记数符号。数码是指一个数制中表示基本数值大小的不同数字的记数符号。2.2.基数基数 基数是指一个数制所使用数码的个数。基数是指一个数制所使用数码的个数。3.3.位权位权 位权是指一个数制中某一位上的位权是指一个数制中某一位上的1 1所表示数值的大小。所表示数值的大小。4.4.进制之间的转换进制之间的转换 不同数进制之间进行转换应遵循转换原则。转换原则是：不同数进制之间进行转换应遵循转换原则。转换原则是：两个有理数如果相等，则有理数的整数部分和分数部分一定分两个有理

13、数如果相等，则有理数的整数部分和分数部分一定分别相等。也就是说，若转换前两数相等，转换后仍必须相等。别相等。也就是说，若转换前两数相等，转换后仍必须相等。1 1）二进制、八进制、十六进制数转换为十进制数二进制、八进制、十六进制数转换为十进制数 按权相乘相加，即各数位与相应位权值相乘以后再相加即按权相乘相加，即各数位与相应位权值相乘以后再相加即为对应的十进制数为对应的十进制数。二进制转化成十进制：二进制转化成十进制：举例：举例：（11001.111001.1）2 2=1=12 24 4+1+12 23 3+0+02 22 2+0+02 21 1+1+12 20 0+1+12 2-1-1=16+8

14、+0+0+1+0.5=16+8+0+0+1+0.5=（25.525.5）1010八进制数转换为十进制数八进制数转换为十进制数：举例：举例：（305.13305.13）8 8=3=38 82 2+0+08 81 1+5+58 80 0+1+18 8-1-1+3+38 8-2-2=192+0+5+0.125+0.046875=192+0+5+0.125+0.046875=（197.171875197.171875）1010 十六进制数转换为十进制数十六进制数转换为十进制数举例：举例：（10B.E510B.E5）16 16=1=116162 2+0+016161 1+11+1116160 0+14+

15、141616-1-1+5+51616-2-2 =256+0+11+0.875+0.01953125 =256+0+11+0.875+0.01953125 =（267.89453125267.89453125）10102 2）十进制数转换为二进制数十进制数转换为二进制数举例：举例：（75.45375.453）10 10=（1001011.01111001011.0111）2 2算法如下所示：算法如下所示：其他进制之间的转换：其他进制之间的转换：八进制转换为二进制数。八进制数转换成二进制数所使用八进制转换为二进制数。八进制数转换成二进制数所使用的转换原则是的转换原则是“一位拆三位一位拆三位”，即把

16、一位八进制数对应于三位，即把一位八进制数对应于三位二进制数，然后按顺序连接即可二进制数，然后按顺序连接即可 二进制数转换成八进制数。二进制数转换成八进制数可概二进制数转换成八进制数。二进制数转换成八进制数可概括为括为“三位并一位三位并一位”，即从小数点开始向左右两边以每三位为，即从小数点开始向左右两边以每三位为一组，不足三位时补一组，不足三位时补0 0，然后每组改成等值的一位八进制数即可。，然后每组改成等值的一位八进制数即可。二进制数转换成十六进制数。二进制数转换成十六进制数的二进制数转换成十六进制数。二进制数转换成十六进制数的转换原则是转换原则是“四位并一位四位并一位”，即以小数点为界，整数

17、部分从右向，即以小数点为界，整数部分从右向左每左每4 4位为一组，若最后一组不足位为一组，若最后一组不足4 4位，则在最高位前面添位，则在最高位前面添0 0补足补足4 4位，然后从左边第一组起，将每组中的二进制数按权数相加得到位，然后从左边第一组起，将每组中的二进制数按权数相加得到对应的十六进制数，并依次写出即可；小数部分从左向右每对应的十六进制数，并依次写出即可；小数部分从左向右每4 4位位为一组，最后一组不足为一组，最后一组不足4 4位时，尾部用位时，尾部用0 0补足补足4 4位，然后按顺序写位，然后按顺序写出每组二进制数对应的十六进制数。出每组二进制数对应的十六进制数。十六进制数转换成二

18、进制数。十六进制数转换成二进制数的十六进制数转换成二进制数。十六进制数转换成二进制数的转换原则是转换原则是“一位拆四位一位拆四位”，即把，即把1 1位十六进制数写成对应的位十六进制数写成对应的4 4位位二进制数，然后按顺序连接即可。二进制数，然后按顺序连接即可。1.3.2 1.3.2 带符号数的表示带符号数的表示 在计算机中参加运算的数有正负之分，通常在计算机在计算机中参加运算的数有正负之分，通常在计算机中用中用X=XX=X0 0X X1 1X X2 2XXn-1n-1来表示一个二进制数，并规定当来表示一个二进制数，并规定当X X0 0=0=0时时X X为正数，为正数，X X0 0=1=1时时

19、X X为负数。机器数可以有不同的表示方为负数。机器数可以有不同的表示方法。对有符号数，机器数常用的表示方法有原码、反码和法。对有符号数，机器数常用的表示方法有原码、反码和补码。补码。1 1.原码原码 最高位表示符号、数值位用二进制绝对值表示的方法，最高位表示符号、数值位用二进制绝对值表示的方法，便为原码表示方法。便为原码表示方法。原码的定义为：原码的定义为：2 2.反码反码 正数的反码表示与原码相同；负数的反码是将其对应的正数各位正数的反码表示与原码相同；负数的反码是将其对应的正数各位（连同符号位）取反得到，或将其原码除符号位各位取反得到。（连同符号位）取反得到，或将其原码除符号位各位取反得到

20、。反码的定义为：反码的定义为：3 3.补码补码 正数的补码表示与原码相同；负数的补码是将对应的正数各位正数的补码表示与原码相同；负数的补码是将对应的正数各位（连同符号位）取反加（连同符号位）取反加1 1（最低位加（最低位加1 1）而得到的，或将其原码除符号）而得到的，或将其原码除符号位外各位取反加位外各位取反加1 1而得到。而得到。补码的定义为：补码的定义为：1.3.3 1.3.3 定点表示与浮点表示定点表示与浮点表示 定点表示就是小数点在数中的位置是固定不变的；而浮点则是表定点表示就是小数点在数中的位置是固定不变的；而浮点则是表示小数点的位置是浮动的。示小数点的位置是浮动的。1.1.定点表示

21、定点表示 任何一个二进制数都可以表示成一个纯整数或纯小数与一个任何一个二进制数都可以表示成一个纯整数或纯小数与一个2 2的的正数次幂的乘积的形式：正数次幂的乘积的形式：N=2N=2p pS S 其中：其中：S S表示全部有效数字，称为表示全部有效数字，称为N N的尾数；的尾数；P P称为称为N N的阶码，它指的阶码，它指明了小数点的位置；明了小数点的位置；2 2称为阶码的底。称为阶码的底。P P和和S S均为用二进制表示的数。均为用二进制表示的数。1 1）定点整数）定点整数 当当P P0 0且尾数为纯整数时，定点数只能表示整数。形式为：且尾数为纯整数时，定点数只能表示整数。形式为：通常数符通常

22、数符0 0表示正数，表示正数，1 1表示负数，尾数常以原码表示。表示负数，尾数常以原码表示。2 2）定点小数）定点小数 当当P P0 0且尾数为纯小数时，定点数只能表示纯小数。形式为：且尾数为纯小数时，定点数只能表示纯小数。形式为：2.2.浮点表示浮点表示 如果阶码如果阶码P P不为不为0 0，且可以在一定范围内取值，这样的数称为浮，且可以在一定范围内取值，这样的数称为浮点数。形式为：点数。形式为：阶符阶符PfPSfS阶码阶码数符数符尾数尾数 阶码常用补码表示法，尾数常为原码表示的纯小数。浮点数的格式、阶码常用补码表示法，尾数常为原码表示的纯小数。浮点数的格式、字长因机器而异。对于一个浮点数，

23、如字长因机器而异。对于一个浮点数，如N N2 210100.10010.1001，它在计算机中，它在计算机中的表示形式为：的表示形式为：阶符阶符010阶码阶码101001数符数符尾数尾数0 由于在浮点法中，小数点的位置不是固定的，因此在要求数值由于在浮点法中，小数点的位置不是固定的，因此在要求数值不变的情况下，小数点往左移一位，相应阶码加不变的情况下，小数点往左移一位，相应阶码加1 1。2.2.浮点表示浮点表示 如果阶码如果阶码P P不为不为0 0，且可以在一定范围内取值，这样的数称为浮，且可以在一定范围内取值，这样的数称为浮点数。形式为：点数。形式为：阶符阶符PfPSfS阶码阶码数符数符尾数

24、尾数1.4 1.4 算术运算和逻辑运算基础算术运算和逻辑运算基础1.4.1 1.4.1 补码加减运算补码加减运算补码的加减法运算规则：补码的加减法运算规则：X XY Y补补=X X补补+Y Y补补其中，其中，X X、Y Y为正、负数均可。该式说明，无论加法还是减法运算，都可由补为正、负数均可。该式说明，无论加法还是减法运算，都可由补码的加法运算实现，运算结果（和或差）也以补码表示。若运算结果不产生码的加法运算实现，运算结果（和或差）也以补码表示。若运算结果不产生溢出，且最高位（符号位）为溢出，且最高位（符号位）为0 0，则表示结果为正数；最高位为，则表示结果为正数；最高位为1 1，则结果为，则

25、结果为负数。负数。1.1.补码加法补码加法 运算公式为：运算公式为：X+YX+Y补补=X X补补+Y Y补补2.2.补码减法补码减法 运算公式为：运算公式为：X X补补-Y Y补补=X-YX-Y补补 通过通过Y Y补补求得求得-Y-Y补补，可以将减法运算转化为补码的加法运算，运，可以将减法运算转化为补码的加法运算，运算公式为：算公式为：X-YX-Y补补=X X补补+-Y-Y补补3.3.溢出判断溢出判断 运算过程中，运算结果超出了数的表示范围的现象称为溢出。若运算过程中，运算结果超出了数的表示范围的现象称为溢出。若运算结果为正，绝对值超过表示范围时，称为正溢；运算结果为负，运算结果为正，绝对值超

26、过表示范围时，称为正溢；运算结果为负，绝对值超过表示范围时，称为负溢。绝对值超过表示范围时，称为负溢。（1 1）对于加法，只有正数加正数和负数加负数两种情况下才会产）对于加法，只有正数加正数和负数加负数两种情况下才会产生溢出，符号不同的两个数相加不会产生溢出。生溢出，符号不同的两个数相加不会产生溢出。（2 2）对于减法，只有正数减负数和负数减正数两种情况下才会产）对于减法，只有正数减负数和负数减正数两种情况下才会产生溢出，符号相同的两个数相减不会产生溢出。生溢出，符号相同的两个数相减不会产生溢出。因此，在判断溢出时，可以根据参加运算的两个数据和结果的符号进因此，在判断溢出时，可以根据参加运算的

27、两个数据和结果的符号进行。判断溢出常采用的方法之一是用双符号位进行运算。行。判断溢出常采用的方法之一是用双符号位进行运算。计算机的逻辑运算主要是与、或、非、异或等运算。计算机的逻辑运算主要是与、或、非、异或等运算。1.“1.“与与”运算运算(AND)(AND)“与与”运算又称逻辑乘，用符号运算又称逻辑乘，用符号“”或或“”“”来表示。运算规则如下：来表示。运算规则如下：00=0 01=0 10=0 11=1 00=0 01=0 10=0 11=1 即当两个参与运算的数中有一个数为即当两个参与运算的数中有一个数为0 0，则运算结果为，则运算结果为0 0，都为，都为1 1结果为结果为1 1。2.“

28、2.“或或”运算运算(OR)(OR)“或或”运算又称逻辑加，用符号运算又称逻辑加，用符号“+”+”或或“”“”表示。运算规则如下：表示。运算规则如下：00=0 01=1 10=1 11=1 00=0 01=1 10=1 11=1 即当两个参与运算的数中有一个数为即当两个参与运算的数中有一个数为1 1，则运算结果为，则运算结果为1 1，都为，都为0 0结果为结果为0 0。3.“3.“非非”运算运算(NOT)(NOT)非运算非运算NOTNOT由符号由符号“”表示。如果数值为表示。如果数值为1 1，则它的非运算结果为，则它的非运算结果为0 0；如果数；如果数值为值为0 0，则它的非运算结果为，则它的

29、非运算结果为1 1。4.“4.“异或异或”运算运算(XOR)(XOR)异或运算通常用符号异或运算通常用符号“”“”表示。表示。“异或异或”运算的规则如下：运算的规则如下：00=0 01=1 10=1 11=0 00=0 01=1 10=1 11=0 即当两个参与运算的数取值相异时，运算结果为即当两个参与运算的数取值相异时，运算结果为1 1，否则为，否则为0 0。1.4.2 1.4.2 逻辑运算逻辑运算移位运算包含有逻辑移位、算术移位和循环移位移位运算包含有逻辑移位、算术移位和循环移位3 3种类型。种类型。1.1.逻辑移位运算逻辑移位运算1 1）逻辑左移）逻辑左移 逻辑左移是把数据向左逐位移动逻

30、辑左移是把数据向左逐位移动N N次，每次逐位移动后，最低位次，每次逐位移动后，最低位用用0 0来补充，最高位丢失。例如：来补充，最高位丢失。例如：1111000011110000逻辑左移逻辑左移1 1次（次（N=1N=1）后，结果为：）后，结果为：1110000011100000。2 2）逻辑右移）逻辑右移 逻辑右移是把数据向右逐位移动逻辑右移是把数据向右逐位移动N N次，每次逐位移动后，最高位次，每次逐位移动后，最高位用用0 0来补充，最低位丢失。例如：来补充，最低位丢失。例如：1111000011110000逻辑右移逻辑右移1 1次（次（N=1N=1）后，结果为：）后，结果为：011110

31、0001111000。1.4.3 1.4.3 移位运算移位运算2.2.算术移位运算算术移位运算1 1）算术左移）算术左移 算术左移是把数据向左逐位移动算术左移是把数据向左逐位移动N N次，每次逐位移动后，最高位还次，每次逐位移动后，最高位还用原来的符号位来补充，最低位用用原来的符号位来补充，最低位用0 0来补充。例如：来补充。例如：1111000011110000算术左移算术左移1 1次（次（N=1N=1）后，结果为：）后，结果为：1110000011100000。2 2）算术右移）算术右移 算术右移是把数据向右逐位移动算术右移是把数据向右逐位移动N N次，每次逐位移动后，最高位还次，每次逐位

32、移动后，最高位还用原来的符号位来补充，最低位丢失。例如：用原来的符号位来补充，最低位丢失。例如：1111000011110000算术右移算术右移1 1次（次（N=1N=1）后，结果为：）后，结果为：1111100011111000。3.3.循环移位运算循环移位运算1 1）循环左移）循环左移 循环左移是把指定的寄存器或存储器操作数向左循环移动所循环左移是把指定的寄存器或存储器操作数向左循环移动所指定的次数，每左移一次，把最高位移入操作数最低位。例如：指定的次数，每左移一次，把最高位移入操作数最低位。例如：1111000011110000循环左移循环左移1 1次（次（N=1N=1）后，结果为：）后

33、，结果为：1110000111100001。2 2）循环右移）循环右移 循环右移是把指定的寄存器或存储器操作数向右循环移动所循环右移是把指定的寄存器或存储器操作数向右循环移动所指定的次数，每右移一次，把最低位移入操作数最高位。例如：指定的次数，每右移一次，把最低位移入操作数最高位。例如：1111000011110000循环右移循环右移1 1次（次（N=1N=1）后，结果为：）后，结果为：0111100001111000。本章介绍了计算机的发展的过程、计算机的应用领域和性本章介绍了计算机的发展的过程、计算机的应用领域和性能指标、计算机系统的组成、不同进制之间数据转换、数据能指标、计算机系统的组成、不同进制之间数据转换、数据在计算机中的表示以及算术逻辑运算等知识。在计算机中的表示以及算术逻辑运算等知识。本章重点是掌握计算机硬件系统和软件系统的组成以及本章重点是掌握计算机硬件系统和软件系统的组成以及数制转换、数据在计算机中的表示等内容。学习过程中应注数制转换、数据在计算机中的表示等内容。学习过程中应注重基础知识的理解和掌握重基础知识的理解和掌握。本章小结本章小结