微處理器原理及應用--- 第一章 微型計算機基礎

1、微型計算機原理微型計算機原理第一章第一章 微型計算機基礎微型計算機基礎 1.1 計算機中的數制與碼制計算機中的數制與碼制1.1.1 計算機中的數制計算機中的數制1、 數的位置表示法數的位置表示法設待表示的數為設待表示的數為N則則式中式中X為基數為基數ai為系數（為系數（0aiXl）m為小數位數為小數位數n為整數位數為整數位數 為什么要采用二進制數？為什么要采用二進制數？例例1-1 （1） 二進制數二進制數 10011.11B=124023022121 12012-112-2=19.75（2） 八進制數八進制數 7345.6Q=783382481580 68-1=3813.75（3） 十六進制十

2、六進制 4AC6H=41631016212161 6160 =191422、 數制之間的轉換數制之間的轉換（1）任意進制數轉換為十進制數）任意進制數轉換為十進制數 對二進制、八進制和十六進制以及任意進對二進制、八進制和十六進制以及任意進制數轉換為十進制數可采用表達式（制數轉換為十進制數可采用表達式（1.1）展開）展開求和實現。求和實現。（2）二進制、八進制和十六進制數之間轉換）二進制、八進制和十六進制數之間轉換一位八進制數相當于三位二進制教；一位十一位八進制數相當于三位二進制教；一位十六進制數相當于四位二進制數。它們之間的轉六進制數相當于四位二進制數。它們之間的轉換十分方便。換十分方便。例例1

3、-2 二進制轉換成八進制和十六進制數二進制轉換成八進制和十六進制數 1101100101100011B=154543Q= D963H（3）十進制數轉換為二進制數）十進制數轉換為二進制數當十進制數轉換為二進制數時，須將整數部分當十進制數轉換為二進制數時，須將整數部分和小數部分分開。整數常采用和小數部分分開。整數常采用“除除2取余法取余法”，而，而小數則采用小數則采用“乘乘2取整法取整法”。 1 1）十進制整數轉換為二進制整數十進制整數轉換為二進制整數轉換方法是除轉換方法是除2 2取余，直到商等于零為止，逆取余，直到商等于零為止，逆序排列余數即可。對數值比較大的十進制數進行轉序排列余數即可。對數值

4、比較大的十進制數進行轉換時，可采用先將十進制整數轉換為十六進制整數，換時，可采用先將十進制整數轉換為十六進制整數，然后再將十六進制整數轉換為二進制整數。十進制然后再將十六進制整數轉換為二進制整數。十進制整數轉換為十六進制整數的方法是除整數轉換為十六進制整數的方法是除1616取余，直到取余，直到商等于零為止，逆序排列余數。商等于零為止，逆序排列余數。 十進制小數一定能用有限的二進制小數十進制小數一定能用有限的二進制小數來精確地表示嗎？來精確地表示嗎？2）十進制小數轉換為二進制小數）十進制小數轉換為二進制小數1、原碼、原碼1.1.2 計算機中的碼制及補碼運算計算機中的碼制及補碼運算例例1-5 設機

5、器字長為設機器字長為n=8時，試求時，試求+0、+6、+127、-0、-6、-127 的原碼的原碼解：解： +0原原=00000000 -0原原=10000000 +6原原=00000110 -6原原=10000110 +127原原=01111111 -127原原=11111111正數：原碼與相應的二進制數完全相同；正數：原碼與相應的二進制數完全相同；負數：二進制數的最高位一定是負數：二進制數的最高位一定是“1”，其余各位是該，其余各位是該數的絕對值。數的絕對值。零：有正零和負零之分。零：有正零和負零之分。原碼表示法最大優(yōu)點：簡單直觀，但不便于加減運算。原碼表示法最大優(yōu)點：簡單直觀，但不便于加

6、減運算。2、反碼、反碼3、補碼、補碼減法運算變成了加法運算：減法運算變成了加法運算：3+10=1 （時針經過（時針經過12點時自動丟失一個數點時自動丟失一個數12）相當于相當于 3-2=3+(-2)=110與與-2有什么關系？有什么關系？自動丟失的一個數自動丟失的一個數12是什么？是什么？數學上把數學上把12這個數叫做這個數叫做“模?！?0是（是（2）對模）對模12的補碼的補碼在模在模12的條件下，負數就可以轉化為正數，而正負的條件下，負數就可以轉化為正數，而正負數相加也就可以轉化為正數間的相加。數相加也就可以轉化為正數間的相加。補碼的概念：補碼的概念：4、偏移碼、偏移碼 偏移碼主要用于模數轉

7、換過程中，若被轉換數偏移碼主要用于模數轉換過程中，若被轉換數需參加運算，則仍要轉換為補碼。需參加運算，則仍要轉換為補碼。 設機器字長為設機器字長為n，數，數x的移碼為的移碼為x移移，則移碼的定，則移碼的定義如下：義如下： （15）例例1-8 設機器字長為設機器字長為n=8時，試求時，試求-128、0、+127的偏的偏移碼。移碼。解：解： -128移移=00000000 0移移=10000000 +127移移=11111111 5、補碼運算、補碼運算 在計算機中帶符號二進制數通常采用補在計算機中帶符號二進制數通常采用補碼形式表示。補碼有兩個主要特點：一是可碼形式表示。補碼有兩個主要特點：一是可以

8、使符號位與數一起參加運算；二是將兩數以使符號位與數一起參加運算；二是將兩數相減變?yōu)闇p數變補后再與被減數相加來實現。相減變?yōu)闇p數變補后再與被減數相加來實現。 加法規(guī)則：加法規(guī)則： X+Y補補=X補補Y補補減法規(guī)則：減法規(guī)則： X-Y補補=X補補-Y補補其中，其中，-Y補補稱作變補運算，可以用稱作變補運算，可以用Y補補再再作一次求補運算即可得到。作一次求補運算即可得到。 例例1-9 X=64-12=52 （字長為（字長為8位）位） X補補=64補補十十-12補補 64補補=01000000B -12補補=11110100B 01000000 11110100 1 00110100 自然丟失自然丟失

9、 由于字長為由于字長為8位，最高有效位的進位自然丟失。位，最高有效位的進位自然丟失。其結果為（其結果為（52）10的補碼的補碼計算機中為什么采用補碼進行加、減運算？計算機中為什么采用補碼進行加、減運算？例l-10 X=34-98 = -64 （字長為8位） X補=34補+-98補 34補=00100010B -98補=10011110B 00100010 10011110 11000000 和的最高位是1，表示結果為負數，其結果為（-64）10的補碼。 微型機中常用的溢出判別法：雙高位判別法微型機中常用的溢出判別法：雙高位判別法Cs：如最高位（符號位）有進位，：如最高位（符號位）有進位，CS=

10、1，否則，否則，CS=0。CP：如次高位有進位，：如次高位有進位，CP=1，否則，否則，CP=0。判別法則：判別法則：無溢出：若最高位進位無溢出：若最高位進位Cs 和次高位進位和次高位進位Cp相同相同同為同為0或同為或同為1有溢出：有溢出： Cs 和和Cp相異。當相異。當CSCp=1時，表示有溢出產時，表示有溢出產生，生，否則無溢出產生否則無溢出產生正溢出：正溢出： CS=0，CP=1負溢出：負溢出： CS=1， CP=06、溢出判別、溢出判別 例1.11 試判別下列二進制補碼運算溢出的情況（字長為8位） （1） 92+105 （2） （-115）+（-87） （3） 35+55 （4） （-

11、15）+（-67） （1）解： 0 1 0 1 1 1 0 0 92 0 1 1 0 1 0 0 1 105 0 1 1 0 0 0 1 0 1 -59（結果為負數） CS=0 CP=1 正溢出，結果出錯 可見上述兩個正數相加，運算結果的數值部分有進位，即CP1，而符號位無進位，即CS=0。按上述判別方法可得，這種溢出為“正溢出”。（2）解： 1 0 0 0 1 1 0 1 -115補 1 0 1 0 1 0 0 1 -87補 1 0 0 1 1 0 1 1 0 54 CS=1 CP=0 負溢出，結果出錯 可見上述兩個負數相加，運算結果的數值部分無進位，即CP0，而符號位有進位，即CS=1。按

12、上述判別方法可得，這種溢出為“負溢出”。（3）解： 0 0 1 0 0 0 1 1 35 0 0 1 1 0 1 1 1 55 0 1 0 1 1 0 1 0 90 CS=0 CP=0 無溢出 可見兩個正數相加，若和小于2n-1時，必有CS=0，CP=0，則無溢出發(fā)生。（4）解： 1 1 1 1 0 0 0 1 -15補 1 0 1 1 1 1 0 1 -67補 1 1 0 1 0 1 1 1 0 -82 （結果求補） CS=1 CP=1 可見兩個正數相加，若和的絕對值小于2n-1時，必有CS=1，CP=1，則無溢出發(fā)生。 一個正數和一個負數相加，和肯定不溢出。此時，若和為正數，則CS=1，C

13、P=1；若和為負數，則CS=0，CP=0。請讀者自己驗證。1.1.3 計算機中的小數點問題計算機中的小數點問題1、定點表示法、定點表示法小數點在數中的位置是固定不變的，通常有兩種，即定小數點在數中的位置是固定不變的，通常有兩種，即定點整數和定點小數。點整數和定點小數。2 2、 浮點表示法浮點表示法將二進制數將二進制數N N表示成如下形式：表示成如下形式：N=N=S S2 2J J （1.61.6）該表達式在計算機中表示為：該表達式在計算機中表示為：S S： 稱作尾數，表示全部的有效數字，一般以純小數表示；稱作尾數，表示全部的有效數字，一般以純小數表示； S Sf f： 尾符，即浮點數的符號；尾

14、符，即浮點數的符號； J J： 階數，它與階符一起來決定小數點的實際位置；階數，它與階符一起來決定小數點的實際位置； J Jf f 階符，即階數符號；階符，即階數符號； 例例1-12 若用一個若用一個16位二進制表示浮點數，其中階符尾符各占位二進制表示浮點數，其中階符尾符各占一一 位，階數占位，階數占5位，尾數占位，尾數占9位，試寫出位，試寫出10110.101B的的具體格式。具體格式。解：設尾數以純小數表示，則解：設尾數以純小數表示，則 10110.101B = 0.10110101可得可得 S = 101101010 Sf=0 J=00101 Jf=0在計算機中的表示形式為：在計算機中的表

15、示形式為：浮點數應用中必須注意兩個問題：浮點數應用中必須注意兩個問題： 浮點數的規(guī)格化浮點數的規(guī)格化 規(guī)格化的浮點數可以保留最多的有效數字。浮點數規(guī)格表示結規(guī)格化的浮點數可以保留最多的有效數字。浮點數規(guī)格表示結果如下：果如下：對浮點二進制正數，其尾數數字部分的最高位必須是對浮點二進制正數，其尾數數字部分的最高位必須是1 1。對浮點二進制負數，其尾數數字部分的最高位必須是對浮點二進制負數，其尾數數字部分的最高位必須是0 0。 浮點數的對價原則浮點數的對價原則 在運用浮點數進行加減時，兩數的階碼必須取得一致，否則在運用浮點數進行加減時，兩數的階碼必須取得一致，否則不能進行加減運算，對階原則如下：不

16、能進行加減運算，對階原則如下：1）以大的階碼為準對階。）以大的階碼為準對階。2）對階后數的大小不變（在精度允許范圍內），對階規(guī)則是：）對階后數的大小不變（在精度允許范圍內），對階規(guī)則是：階碼每減少階碼每減少1，尾數向左移一位，階碼每增加，尾數向左移一位，階碼每增加1，尾數向右移一，尾數向右移一位。位。定點與浮點表示法各有哪些優(yōu)缺點？定點與浮點表示法各有哪些優(yōu)缺點？1.1.4 計算機中信息的編碼計算機中信息的編碼信息編碼：十進制數的二進制編碼、字符信息的編碼和漢信息編碼：十進制數的二進制編碼、字符信息的編碼和漢字編碼。字編碼。1、十進制數的二進制編碼、十進制數的二進制編碼由四位二進制數來表示一位

17、十進制數。稱作由四位二進制數來表示一位十進制數。稱作BCDBCD碼碼 1 1） 84218421碼：碼：四位二進制數的權分別為四位二進制數的權分別為8 8、4 4、2 2、1 1的的BCDBCD碼碼 324.6 324.6 對應的對應的8421BCD8421BCD碼是碼是 0011 0010 0100. 01100011 0010 0100. 0110 2 2） 24212421碼：碼：四位二進制數的權分別為四位二進制數的權分別為2 2、4 4、2 2、1 1的的BCDBCD碼碼 724.6 724.6 對應的對應的2421BCD2421BCD碼是碼是 1101 0010 0100. 1100

18、1101 0010 0100. 1100 3 3）余）余 3 3碼：碼：將將 84218421碼加上碼加上 00110011。余余3 3碼也是一種自補碼，碼也是一種自補碼， 對各位取反就得到它的對各位取反就得到它的9 9補碼。補碼。 825.7 825.7 對應的余對應的余 3 3碼是碼是 1011 0101 1000. 10101011 0101 1000. 10102、字符信息的編碼、字符信息的編碼字母、數字和符號等各種字符按特定的規(guī)則用二進制編碼字母、數字和符號等各種字符按特定的規(guī)則用二進制編碼在計算機中的表示。在計算機中的表示。在微型機中表示字符的常用碼制是在微型機中表示字符的常用碼制

19、是ASCII碼，它是美國信碼，它是美國信息交換標準碼（息交換標準碼（American Standard Code for Information Interchange）它能用它能用6位、位、7位或位或8位二進制數對字符編碼。位二進制數對字符編碼。7位位ASCII碼可表示碼可表示128種字符，它包括種字符，它包括52個大、小寫字個大、小寫字母、母、09十個數字和控制符號十個數字和控制符號8位位ASCII碼是在碼是在7位位ASCII碼基礎上加一個奇偶校驗位而碼基礎上加一個奇偶校驗位而構成。構成。奇偶校驗碼，是對每一組二進制編碼配置一個二進制位奇偶校驗碼，是對每一組二進制編碼配置一個二進制位（稱為

20、奇偶校驗位），通過將該位置（稱為奇偶校驗位），通過將該位置“0”或置或置“1”而使每組二而使每組二進進制編碼中制編碼中“1”的個數為奇數（即形成奇校驗碼）或偶數（即的個數為奇數（即形成奇校驗碼）或偶數（即形成偶校驗碼）。形成偶校驗碼）。奇偶校驗碼中，校驗位只用來使每組二進制編碼奇偶校驗碼中，校驗位只用來使每組二進制編碼“1”的個的個數具有奇偶性數具有奇偶性3、漢字編碼、漢字編碼 漢字編碼的類型有四種：漢字編碼的類型有四種：外部碼、內部碼、交換碼和輸出碼。外部碼、內部碼、交換碼和輸出碼。 （1） 外部碼外部碼每個漢字對應一個外部碼。對同一個漢字不同的輸入方每個漢字對應一個外部碼。對同一個漢字不同

21、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：數法其外部碼也不相同。目前外部碼大致可分為四種類型：數字碼、音碼、形碼和音形碼。字碼、音碼、形碼和音形碼。 （2）內部碼）內部碼每個漢字對應一個內部碼。同一漢字的內部碼是唯一的。每個漢字對應一個內部碼。同一漢字的內部碼是唯一的。內部碼通常反映了漢字在字庫中的位置。內部碼通常反映了漢字在字庫中的位置。（3）交換碼）交換碼 用于計算機之間或計算機與終端之間交換信息。該標準編用于計算機之間或計算機與終端之間交換信息。該標準編碼字符集共收錄漢字和圖形符號碼字符集共收錄漢字和圖形符號7445個。個。（4）輸出碼）輸出碼 同一漢字的輸出碼因選擇點陣

22、的不同而異。目前常用的同一漢字的輸出碼因選擇點陣的不同而異。目前常用的漢字點陣有：漢字點陣有：1616、2424、3232、4040、4848、6464、7272、9696、108108等。等。1.2 微型計算機的組成微型計算機的組成 1.2.1 微型計算機的結構微型計算機的結構微處理器、微型計算機、微型計算機系統(tǒng)的含義和它們之間的關系。微處理器、微型計算機、微型計算機系統(tǒng)的含義和它們之間的關系。 算邏運算器算邏運算器累加器寄存器累加器寄存器控制器控制器內部總線內部總線內外存儲器內外存儲器系系統(tǒng)統(tǒng)總總線線I/O接接口口微型計算機系統(tǒng)微型計算機系統(tǒng)微處理器微處理器外外圍圍備備設設系系統(tǒng)統(tǒng)軟軟件件

23、微型計算機微型計算機圖圖1-1 微處理器、微型計算機和微型計算機系統(tǒng)三者關系微處理器、微型計算機和微型計算機系統(tǒng)三者關系1 1、微處理器、微處理器CPUCPU：算術與邏輯運算部件、控制器部件、累加器與寄存器：算術與邏輯運算部件、控制器部件、累加器與寄存器 和內部總線和內部總線4 4部分組成部分組成圖圖1-2 微處理器內部結構框圖微處理器內部結構框圖ALU通用通用寄存器堆寄存器堆累加器累加器指令寄存器指令寄存器指令譯碼器指令譯碼器定時與控制電路定時與控制電路I/O信號信號存儲器寫存儲器寫存儲器讀存儲器讀等待等待中斷請求中斷請求時鐘時鐘復位復位I/O寫寫I/O讀讀堆棧指示器堆棧指示器程序計數器程序

24、計數器地址寄存器地址寄存器地址緩沖器地址緩沖器地址總線地址總線內部內部總線總線數據總線數據總線標志標志寄存器寄存器數數據據鎖鎖存存器器緩緩沖沖器器2 2、微型計算機、微型計算機 微型計算機：微型計算機：CPUCPU、存儲器、輸入和輸出接口電路和系統(tǒng)總線、存儲器、輸入和輸出接口電路和系統(tǒng)總線CB控制總線控制總線3 3、微型計算機系統(tǒng)、微型計算機系統(tǒng) 微型計算機、系統(tǒng)軟件和外設微型計算機、系統(tǒng)軟件和外設圖圖1-3 微型計算機微型計算機AB地址總線地址總線DB數據總線數據總線 存儲器存儲器I/O接口接口CPU1.2.2 1.2.2 個人臺式計算機的硬件構成實例個人臺式計算機的硬件構成實例圖圖1-4

25、1-4 個人臺式計算機的外觀組成個人臺式計算機的外觀組成圖圖1-5 主機的內部組成主機的內部組成圖圖1-6 主板的組成主板的組成1 1、主板、主板2 2、中央處理器、中央處理器CPUCPU圖圖1-7 CPU 3 3、內存儲器、內存儲器圖圖1-8 1-8 內存條內存條 4 4、外存儲器、外存儲器外存儲器包括硬盤、軟盤、光驅等設備。外存儲器包括硬盤、軟盤、光驅等設備。（1 1） 硬盤硬盤圖圖1-9 硬盤硬盤（2 2） 軟盤軟盤圖圖1-10 1-10 軟盤驅動器軟盤驅動器 （3 3）光盤存儲器）光盤存儲器 圖圖1-11 1-11 光盤驅動器光盤驅動器 5 5、顯示卡、聲卡、網卡、顯示卡、聲卡、網卡圖

26、1.12 顯示卡圖圖1-12 1-12 顯示卡顯示卡 6、顯示器、鼠標、鍵盤、機箱 1.3 1.3 計算機的基本工作原理計算機的基本工作原理 1.3.1 1.3.1 模型計算機模型計算機1 1、 模型計算機模型計算機CPUCPU的結構的結構圖圖1-13 1-13 模型計算機的模型計算機的CPUCPU結構結構 J J2 2I I2 2ALUALUF F內內部部數數據據總總線線A AB BPCPCARARPLAPLAIDIDDRDRCPUCPU3E3E48485F5F87876A6AC5C51212 3E 3E0000ABAB5E5EE6E6ABABDBDB存儲器存儲器IRIR2 2、 模型計算機

27、的存儲器結構及其操作模型計算機的存儲器結構及其操作 地址寄存器地址寄存器ARAR定為定為8 8位，可尋址位，可尋址256256個單元，模型計算機存?zhèn)€單元，模型計算機存儲器由儲器由256256個單元組成。個單元組成。 圖圖1-14 1-14 模型計算機的存儲器結構模型計算機的存儲器結構 地地址址譯譯碼碼器器0000單元單元0101單元單元0202單元單元FFFF單元單元000001010202FFFF地址地址單元內容單元內容ABABCBCBDBDBI/OI/O緩沖緩沖器器控控 制制 邏邏 輯輯 存儲器中的兩種操作：讀操作和寫操作。存儲器中的兩種操作：讀操作和寫操作。 （1 1）讀操作）讀操作 圖

28、圖1-15 1-15 存儲器讀操作示意圖存儲器讀操作示意圖 地地址址譯譯碼碼器器0 0單元內容單元內容3EH3EHFFFF單元內容單元內容0202控控 制制 邏邏 輯輯地址地址單元內容單元內容ABAB讀信號讀信號DBDB02023EH3EHI/OI/O緩沖緩沖器器（2 2）寫操作）寫操作 圖圖1-16 1-16 存儲器寫操作示意圖存儲器寫操作示意圖 寫信號寫信號地地址址譯譯碼碼器器0 0單元內容單元內容FFFF單元內容單元內容I/OI/O緩沖緩沖器器0303地址地址單元內容單元內容ABABDBDB03030FH0FH0FH0FH控控 制制 邏邏 輯輯3 3、總線、總線4 4、模型計算機的指令與

29、指令系統(tǒng)、模型計算機的指令與指令系統(tǒng)指令：計算機能實現的各種基本操作，我們把每一種基本操作指令：計算機能實現的各種基本操作，我們把每一種基本操作 用命令的形式來表示。用命令的形式來表示。指令系統(tǒng)：計算機所能執(zhí)行的全部指令。指令系統(tǒng)：計算機所能執(zhí)行的全部指令。程序：把人的操作意圖經分解后，用對應于所規(guī)定的指令系統(tǒng)程序：把人的操作意圖經分解后，用對應于所規(guī)定的指令系統(tǒng) 的一串指令序列來描述。的一串指令序列來描述。指令通常分成操作碼（指令通常分成操作碼（OpcodeOpcode，即，即Operation codeOperation code）和）和操作數（操作數（OperandOperand）兩大部

30、分。）兩大部分。操作碼：表示計算機執(zhí)行什么操作；操作碼：表示計算機執(zhí)行什么操作；操作數：指明參加操作的數本身或操作數所在的地址。操作數：指明參加操作的數本身或操作數所在的地址。 1.3.2 1.3.2 程序運行過程程序運行過程1 1、 程序的編寫與存放程序的編寫與存放用模型計算機來完成一個簡單的計算，假設要把用模型計算機來完成一個簡單的計算，假設要把15H15H與與25H25H相相加，運算結果送到加，運算結果送到16H16H存儲單元，然后停機。存儲單元，然后停機。首先用助記符進行編程首先用助記符進行編程MOV BMOV B，15H15HMOV AMOV A，25H25HADD AADD A，B

31、 BMOV 16HMOV 16H，A AHLTHLT2 2、程序的運行過程、程序的運行過程CPUCPU的執(zhí)行過程的執(zhí)行過程取出指令取出指令執(zhí)行指令執(zhí)行指令兩個階段的循環(huán)兩個階段的循環(huán)在開始執(zhí)行程序時，在開始執(zhí)行程序時，PCPC自動設置為自動設置為00H00H，這樣就自然地進入程，這樣就自然地進入程序第一條指令的取指階段，具體過程如下：序第一條指令的取指階段，具體過程如下：（1 1）第一條指令的取指階段）第一條指令的取指階段J J2 2I I2 2ALUALUF F內內部部數數據據總總線線A AB B0000PLAPLAIDID01H01H01H01HCPUCPU 01H 01H 15H 15H 00H 00H 25H 25H 03H 03H 02H 02H 16H 16H 3E 3E 04H 04H DBDB存儲器存儲器PCPC0000+1+1ARARDRDRIRIR AB AB 讀讀圖圖1-18 1-18 取第一條指令的操作示意圖取第一條指令的操作示意圖