微机原理与接口技术第1章.ppt

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1、微机原理与接口技术,本章主要的内容是介绍微型计算机基本知识 （1）微型计算机的功能组成及工作原理 （2）微处理器的内部组成以及指令执行过程 （3）微型计算机系统中数据的编码方式 （4）微型计算机系统中的数值运算。,第1章 微型计算机的基本知识,重点掌握和理解的知识 （1）重点掌握微处理器的组成原理和工作过程 （2）重点掌握计算机系统中数值的编码方式及相关的概念 （3）掌握微型计算机的系统组成结构，掌握相关的技术指标 （4）掌握字符的编码方法 （5）掌握计算机系统中的数的运算方法 （6）了解BCD码和溢出等基本概念,西安石油大学电子工程学院,冯诺依曼原理,采用二进制代码表示数据,程序存储,由运算

2、器存储器控制器和输出输入设备等功能单元组成,冯诺依曼原理,计算机的基本工作原理,西安石油大学电子工程学院,在计算机内部使用二进制数；即用二进制数码表示数据和指令、程序 数据、指令都必须最终转换为二进制数码 在物理上，必须使用有两个稳定物理状态的介质，存储记录二进制数码,程序存储是诺依曼原理的核心 事先确定计算机应进行的操作和该操作所需要的有关数据 将数据和处理数据的程序(指令)共同存入计算机 计算机“获得了”运算所需要的“知识”和“方法” 计算机将在该程序的控制下，“自动”地工作,冯氏体系结构的计算机基本组成,存储数据 和程序,将二进制代码转换为相应的源信息形式；输出数据信息,识别并分析指令；

3、 向相关功能组件发送操作指令； 实现程序控制； 协调各部分的工作； 是计算机的控制中心,将原始数据和程序输入到计算机内部并转换成为二进制代码,算术运算、逻辑运算 比较运算、字符运算 等等,西安石油大学电子工程学院,微型计算机的结构特点,微型计算机是计算机家族中一个特殊成员；遵从计算机的组成原理；具有三个显著特点： 微型计算机以主板作为硬件组件的“集成平台” 微型计算机采用总线结构，连接各硬件组件，传送各种数据信号 微型计算机将运算器和控制器集成在一个芯片上，称为微处理器，即CPU,西安石油大学电子工程学院,微型计算机的基本结构,西安石油大学电子工程学院,CPU的基本功能运算与控制,西安石油大学

4、电子工程学院,数据运算 根据程序要求，完成各种数据运算（包括算数及逻辑运算） 指令控制 程序是一系列的指令的有序集合；指令控制即控制程序的执行顺序 操作控制 一条指令的功能往往由若干个操作组合实现；CPU负责分析指令，并产生相应的操作信号，把操作信号送往相应的组件，控制这些组件完成相应的操作 时序控制 对各组件的操作进行时间上的定时，控制各个操作按时序协调进行,微处理器内部结构示意,西安石油大学电子工程学院,微处理器工作原理示意图,西安石油大学电子工程学院,假设程序已存储在内存单元中；程序计数器中保存着将要执行的指令的地址；控制器将程序计数器中的地址送至地址寄存器MAR，并发出读命令；存储器根

5、据此地址取出一条指令，经过数据总线送入指令寄存器IR 指令译码器对IR中的指令进行译码分析，确定该指令的操作功能 控制逻辑阵列向存储器、运算器等等部件发出操作命令，执行指令操作码规定的操作 修改程序计数器的内容，为取下一条指令做准备,微处理器基本工作过程,微处理器的基本工作过程包括 取指令 分析指令 发送操作信号，执行指令 为执行下一条指令做准备,西安石油大学电子工程学院,程序与指令的执行过程,西安石油大学电子工程学院,指令的执行过程,数据寄存器,累加器,运算器,000,001,002,003,004,005,006,007,008,A,A,B,A+B,C,A+B-C,A+B-C,A+B-C,

6、西安石油大学电子工程学院,微型计算机系统, 以微型计算机为主体，配上系统 软件和外部设备以后，就构成完整 的微型计算机系统 微型计算机系统包括：,西安石油大学电子工程学院,微型计算机系统的主要性能指标,字与字长： 计算机在同一时间内能够处理的一组二进制数称为一个计算机的“字”； 这组二进制数的位数就称为“字长” ； 在其他指标相同时，字长越长计算机处理数据的速度就越快 反映了CPU在一次操作中能够处理数据的最大能力,以人为例：若计算56，则立即可以得到答案是30；但对于5566，就不容易立即得到正确的答案，这就是说55或66已超出了人脑的“字长” 这时为了得出结果，就必须把复杂的问题分解成易于

7、处理的问题（将5566可分解为5060，506，560，56），然后再综合起来，得出结果,西安石油大学电子工程学院,微型计算机系统的主要性能指标,主存容量：主存贮器所能存贮的信息总量为主存容量； 一般表示存容量有两种方法： 用字节数表示；如64KB；1MB 用存储单元数字长表示：128K*8；256M*16,西安石油大学电子工程学院,微型计算机系统的主要性能指标,主频：主时钟信号的频率称为计算机主频，用于协调各硬件组件操作；决定着计算机的处理速度，频率越高，处理速度越快；一般用MHz或GHz来描述 运算速度(平均运算速度)：指每秒钟所能执行的指令条数；一般用“百万条指令/秒”来描述,西安石油大

8、学电子工程学院,计算机中的数制及其编码,内容介绍 计算机中的常用数制及特点 计算机中数据的编码 计算机中数值型数据的表示方法,西安石油大学电子工程学院,数制的意义,按进位的原则进行计数，称为进位计数制，简称“数制” 数制的三要素及意义 进位基数R：逢R进一 数码(或称为数符)：使用那些字符表示数 位权：一个数字在某个固定位置时的值,基数R的意义: 数码有R种可能的取值 “逢R进一” 小数点右移一位相当于乘R 反之相当于除以R,西安石油大学电子工程学院,数的展开式,N：第i，j位上的数码 K：第i，j位上的数码的数权,重要约定： 整数部分的最低为称为第0位,123456.123 1*105 +2

9、*104 +3*103 +4*102 +5*101+6*100 +1*101 +2*102 +3*103,西安石油大学电子工程学院,计算机中常用进制数,1A4E2F.1C8H 1*165 +A*164 +4*163 +E*162 +2*161+F*160 +1*161 +C*162 +8*163,西安石油大学电子工程学院,不同数制下数值转换,十进制数,二进制数,八进制数,十六进制数,整数：连续地除2取余 小数：连续地乘2取整,按权展开相加,三位幷一位,一位拆三位,四位幷一位,一位拆四位,按权展开相加,按权展开相加,西安石油大学电子工程学院,数的书写问题,西安石油大学电子工程学院,二进制的运算规

10、则,西安石油大学电子工程学院,二进制数算术运算举例,西安石油大学电子工程学院,二进制数逻辑运算举例,例如：a = 1100，b = 0110 进行运算：ab、ab、 a、 ab 1100 1100 1100 1100 0110 0110 逻辑非为 0110 1110 0100 0011 1010,逻辑运算按位进行，不同位之间不存在任何联系 而算术运算中位之间可能有进位或借位,西安石油大学电子工程学院,数据在计算机中的表示,西安石油大学电子工程学院,按冯氏原理，在计算机中，非二进制形式的数据信息必须转换为二进制代码形式 不同类型的数据信息的表示方法不同 非数值型数据转换为-ASCII码 其中的数

11、字字符还可以转换为- BCD码 数值型数据转换为-二进制数值,ASCII码的规则,西安石油大学电子工程学院,用8位二进制代码表示一个字符，即用一个字节存储一个字符 最高为取0；后7位为编码值 余下的7位可给出128个二进制编码 即0000 0000-0111 1111 可以表示128个字符 构成标准ASCII码字符集,128个字符包括： 95个对应于键盘上能输入并可显示输出的95个字符；编码值为32126） 33个(031 和 127) 表示操作控制码,ASCII码的规则,控制字符的编码是0000 00000001 1111(31)和0111 1111(127) 0010 0000(32)为空

12、格键的编码 数字09的编码是0011 0000(48)0011 1001(57)，它们的高4位均是0011 英文字母AZ的ASCII码从0100 0001(41H)开始顺序递增，字母az的ASCII码从0110 0001(61H)开始顺序递增 其他为标点及运算符号的编码,西安石油大学电子工程学院,记住0的ASCII码四48 (30H) (0011 0000) 记住A的ASCII码是65 (41H) (0100 0001) 记住a的ASCII码是 97 (61H) (0110 0001) 记住大小字母之间包含6个其他符号,西安石油大学电子工程学院,ASCII编码表,BCD码十进制数字字符编码,西

13、安石油大学电子工程学院,十进制的数字字符可以表示为ASCII码，也可以特殊的表示为BCD码 用4位二进制数表示一位十进制数；该4位二进制数码的值与所表示的十进制数的值相同 例： 5-0101；9-1001；2-0010 根据4位二进制数码的位权值，又称为8421码,BCD码的特殊意义,西安石油大学电子工程学院,在计算机中,一组二进制的代码一般可分为两种意义 一种是某字符的编码(称为码) 一种是某个数的数值(称为值) 值是可以进行运算的,而码则无此意义 BCD码既是码表示阿拉伯数字字符 BCD码也是值表示十进制的数值,可运算,BCD码运算例,23+22=45 0001 0111+0001 011

14、0=0010 1101 17H+16H=2DH BCD码方式 0010 0011 23 +0010 0010 22 0100 0101 45,西安石油大学电子工程学院,BCD码运算例,56+55=111 0011 1000 +0011 0111=0110 1111 38H+37H=6FH BCD码方式 0101 0110 0101 0101 1010 1011 这显然是错误,错误发生在：当计算结果大于9而需要低四位BCD码向高四位BCD码进位时 原因：4位2进制数的进位规则是16进1；而BCD码要求是10进1 修正：当有进位时（即大于9时），在实际结果中加6,西安石油大学电子工程学院,数值的二

15、进制表示方法,在计算机中，数值的表示比较复杂 数值有正数和负数之分 将涉及如何表示正负号的问题 原码、反码和补码 数值有整数和实数之分 将涉及小数点的表示问题 定点数与浮点数,西安石油大学电子工程学院,数值的二进制表示问题,数值,真值,机器数,无符号数,带符号数,原码,反码,补码,西安石油大学电子工程学院,数值在计算机中的表示形式称为“机器数”真值的符号位被符号化以后就成为“机器数”,数值本身的实际值称为“真数”,+52 = +0110100 = 0 0110100 符号位数值位（绝对值） -52 = -0110100 = 1 0110100,真值,机器数,真值与机器数的例子,西安石油大学电子

16、工程学院,无符号数与带符号数,西安石油大学电子工程学院,一般用若干位二进制数的最高位表示符号，其余的表示数值的大小，则称为带符号数。 如将全部有效位都用来表示数值的大小，则称为无符号数的表示方法，所表示的数就称为无符号数。,机器数 1100 1011 无符号数，其真值为 203 带符号数，则真值为 -75,无符号数与带符号数的例子,西安石油大学电子工程学院,带符号数的表示形式,在计算机技术中，带符号数可具有三种不同的表示形式 原码 反码 补码,西安石油大学电子工程学院,原码的意义,最高位为符号位，0表示正数，1表示负数；剩余位为数值位 其数值位与其对应真值的绝对值数值位相同 例：真值 x1 =

17、 +1010100B x2=1010100B 机器数： x1原 = 01010100 x2原 = 11010100 特点： 表示简单、直观 加减运算复杂,西安石油大学电子工程学院,原码运算的复杂化问题,西安石油大学电子工程学院,计算：(+19)+(+22) 0001 0011 + 0001 0110 可以直接进行计算 ！ 但是若计算：(-19)+(+22) 1001 0011 + 0001 0110 不能直接计算 ！ 要保证计算的正确性，需要判断符号是否相同： 如果相同，结果符号不变，并进行绝对值相加 如果不同，结果取绝对值大的数的符号，并进行绝对值相减,原码运算的复杂化问题,西安石油大学电子

18、工程学院,即对于两个带符号数进行减运算（异号相加）问题时，如果简单地直接相减，或处理不当，就可能出现计算错误；而加运算（同号相加）则一般不会出现类似的问题 在计算机运算中，除原码之外，又引入了“补码”和“反码” 补码的意义非同寻常 通过补码运算，可以把减法运算变成加法运算；而乘法可以用加法来做，除法可以转变成减法 可将符号位一起参与运算,反码的意义,正数的反码与原码相同；符号位为0 负数的反码的符号位为1，数值位为原码的数值位“按位取反” +4原=+4反=0000 0100 -4原 = 1000 0100 -4反 = 1111 1011,西安石油大学电子工程学院,补码的例子,假设一个计数系统可

19、以表示的数的范围为100 则 100-80=20 我们就称：20和80关于100是互补的 减运算就可转换为加运算 100是数的最大范围(量程)；称为“模” 对于钟表而言，从4点起，逆时针拨动3个刻度与顺时针拨动9个刻度的效果是一样的，都到1点 我们就称：3和9关于12是互补的,西安石油大学电子工程学院,补码的定义,数的补码与“模”有关 ;“模”:计数系统的量程 X补= MX (mod M) 当X0，M丢掉, X补=X 当X0， X补= M+X=M -X 8位二进制数的模为： 28 = 256 当X0，X补= 28 -X,一个数的补码等于其真值加模,对于正数，补码就等于其真值,对于负数，补码等于

20、模减其真值的绝对值,西安石油大学电子工程学院,补码的计算,当X0，X补=X 当X0，X补= 28 -X = 256 -X= 255 -X+1 因为对于负数： X反 =255 -X 于是得到：正数的补码与其原码相同； 负数的补码符号位为1，数值位为反码数值加1,西安石油大学电子工程学院,原码、反码和补码,西安石油大学电子工程学院,正数：原码、反码、补码相同 符号位为0，数值为对应的二进制数 109=01101101原 = 01101101反 = 01101101补 负数： 原码符号位为1，数值位为绝对值的二进制数 109 =11101101原 反码符号位为1，数值位为绝对值的二进制数各位变反 1

21、09 =10010010反 补码符号位为1，数值位为绝对值的二进制数各位变反加1 109 =10010011补,负数的补码的计算问题,方法1：已知原码，将表示数值绝对值的二进制数各位变反加1 方法2：从原码的最低位起，到第一个1（含）以前(指低位方向)的原码中的各位数字不变；之后(指高位方向)的各位数字取反；符号位不变 例 已知原码 1111 0000；两种方法均可得到其补码为 1001 0000,西安石油大学电子工程学院,由补码求原码的计算问题,对于已知的补码，按照求补计算过程的逆过程，可计算得到该补码的原码 还可以证明 X补补=X原 例已知补码为 1011 1101，两种方法都可以得到其原

22、码为 1100 0011,西安石油大学电子工程学院,8位补码例,x=+4 x原=x反=x补=00000100 x=-4 x原 = 10000100 x反 = 11111011 x补 = 11111100,西安石油大学电子工程学院,8位补码例,x=+73 x原=x反=x补=0100 1001 x=-73 x原 = 1100 1001 x反 = 1011 0110 x补 = 1011 0111,西安石油大学电子工程学院,计算机中的数值运算,在计算机中，带符号数的运算均以补码形式进行 运算形式均为补码的加运算 得到的结果当然也是补码 需要输出时，将转换为原码，最后求出其真值,A+B补= A补+B补,

23、西安石油大学电子工程学院,数值运算的例,西安石油大学电子工程学院,计算（-70+55） 解： -70原=11000110 -70补=10111010 55原= 00110111 55补= 00110111 -70补+55补 =10111010+ 00110111= 11110001 因符号位为“1”，需要对补码相加结果11110001的数值部分 “求反加1” 得计算结果的原码：10001111 所以：-70+5515,数值运算的例,西安石油大学电子工程学院,计算 (-70)+(-55) 解： -70原=11000110 -70补=10111010 -55原= 10110111 -55补= 11

24、001001 -70补+-55补 =10111010+11001001= 1(1000 0011) 因符号位为“1”，需要对补码相加结果10000011的数值部分 “求反加1”得原码：1111 1101 所以：-70+(-55)-125,数的表示范围,西安石油大学电子工程学院,无符号数 一个n位的无符号二进制数X，其表示范围为 0 X 2n-1 0 X 28-1=255 带符号数 一个8位的带符号二进制数，其表示范围为 原码： -127 +127 -(28-1-1) X +28-1-1 反码： -127 +127 -(28-1-1) X +28-1-1 补码： -128 +127 -28-1

25、X +28-1-1,溢出的意义,计算机所能表示的数值的大小受表示数值的二进制数码的位数限制 无论无符号数还是带符号数，只要数的绝对值超过机器数所能表示的最大值，就会产生“溢出” 一旦出现“溢出”，就表示运算结果出错，必须处理,西安石油大学电子工程学院,带符号数运算的溢出问题,同号相减或异号相加不会溢出 同号相加或异号相减可能溢出： 对于8位机而言 两个正数相加之和大于127，将溢出 两个负数相加其绝对值之和大于128，将溢出,西安石油大学电子工程学院,计算机判断溢出的方法,两个8位带符号二进制数相加或相减时，若 C7C61，则结果产生溢出 C7 为最高位的有进(借)位 C为次高位的有进(借)位

26、 如果是16位数据的运算，则判断 C15 和C14,西安石油大学电子工程学院,举例说明,90-107 (转换为90+(-107) 0101 1010 + 1001 0101 1110 1111 C7=0 C6=0 则无溢出 结果为(1110 1111) (1110 1110) (1001 0001) =-17,西安石油大学电子工程学院,举例说明,107-90 (转换为107+(-90) 0110 1011 + 1010 0110 1 0001 0001 C7=1 C6=1 符号位有进位，是正确的，将被自然丢失，无溢出错误 结果为 (0001 0001) =17,西安石油大学电子工程学院,举例说

27、明,90+107 0101 1010 + 0110 1011 1100 0101 C7=0 但 C6=1 则有溢出,(-110)+(-92) 1001 0010 + 1010 0100 1 0011 0110 C7=1 但 C6=0 则有溢出,西安石油大学电子工程学院,溢出问题的解决,扩充数的表示位数，即扩大数的表示范围 但必须注意扩充的原则：数位的扩展不能改变数值的大小，只能改变数的表示位数 正数扩展：高位全部加0 负数扩展：补码和反码高位全部加1 -70 (10111010)补 (1111111110111010)补,西安石油大学电子工程学院,数的表示位数的扩充例,x=+73： x原=x反

28、=x补=0100 1001 扩充为16位后为：0000 0000 0100 1001 x=73： x原 = 1100 1001，扩充为16位后为：1000 0000 0100 1001 x反 = 1011 0110，扩充为16位后为：1111 1111 1011 0110 x补 = 1011 0111，扩充为16位后为：1111 1111 1011 0111,西安石油大学电子工程学院,总结计算机中数的运算问题, 将参加运算的操作数用补码表示 进行加法得到两数和的补码；符号位作为数的一部分也参加运算 判断是否溢出；若没有溢出，则可进一步求和的真值： 和为正数，可直接求出 和为负数，则再次求补，最

29、后得到真值,西安石油大学电子工程学院,实数问题的讨论,以上的讨论都以整数为对象 实数的问题将更加复杂 数值的一般表示形式 N=(-1)J*S*2P 当阶码P为固定值时，称为定点数 当阶码P为非固定数值时，称为浮点数 浮点数的表示方法和计算问题都将更加复杂,西安石油大学电子工程学院,定点数表示,参与运算的数的小数点位置固定不变 小数点位固定在最后一位之后称为定点整数 小数点固定在最高位之后称为定点小数 对于有符号数，小数点在符号位与有效位之间 由于小数点位置固定，故运算中可不再考虑小数问题,西安石油大学电子工程学院,定点整数,小数点位固定在最后一位之后称为定点整数 若机器字长为n+1位，对于有符

30、号数，数值表示为： X=X0X1X2.Xn 其中Xi=0,1,0in 即 (-1)X0 * (X1*2(n-1) + X2*2(n-2) + . + Xn-1*21 + Xn*20 ) 数值范围是 -2(n-1)X2(n-1) 例如：1111表示-7,西安石油大学电子工程学院,定点整数,若机器字长为n+1位，对于无符号数，数值表示为： X=X0X1X2.Xn 其中Xi=0,1, 0=i=n 即 X0*2n + X1*2(n-1) + X2*2(n-2) + . + Xn-1*2 + Xn 数值范围是 0X2(n+1) - 1 例如：1111表示15,西安石油大学电子工程学院,定点小数,小数点固

31、定在最高位之后称为定点小数 若机器字长为n+1位，对于有符号数，数值表示为： X=X0.X1X2.Xn，其中Xi=0,1,0in X0不表示数字，只表示符号 X0=0，则代表 X=0.X1X2.Xn X0=1，则代表 X=-0.X1X2.Xn) 即 (-1)X0 * (X1*2(-1) + X2*2(-2) + . + Xn-1*2(-n+1) + Xn*2(-n) 数值范围是 -(1-2(-n)X1-2(-n) 例如：1111表示-0.875,西安石油大学电子工程学院,定点小数,若机器字长为n位，对于无符号数，数值表示为： X=0.X1X2.Xn Xi=0,1,1in 即 X1*2(-1)

32、+ X2*2(-2) + . + Xn-1*2(-n+1) + Xn*2(-n) 数值范围是 0X1-2(-n) 例如：111表示0.875,西安石油大学电子工程学院,浮点数表示,浮点数中小数点的位置是不固定的 需要用数符、阶码和尾数共同表示一个数 尾数为定点小数，表示有效数字 阶码为定点整数，表示小数点的位置 数符表示数的正负性质 N= 数符尾数2阶码 尾数的位数决定数的精度 阶码的位数决定数的范围,阶码,数符,尾数,定点整数,定点小数,西安石油大学电子工程学院,单精度与双精度浮点数,单精度浮点型(float) 使用32位二进制数码表示数 阶码8位；数符1位；尾数23位 双精度浮点型 (do

33、uble) 使用64位二进制数码表示数 阶码11；数符1位；尾数52位,西安石油大学电子工程学院,单精度浮点数的例子,西安石油大学电子工程学院,计算机实际存储的数据为 0 01111110 1100110 01100110 01100110 符号位：(最左侧1位) S=0，表示是个正数 指数: (左侧第2-9位) E=01111110=(126)10 所以 e=E-127=-1 尾数; (最后的23位) M=1100110 01100110 01100110 m=(1.M)2=(1.7999999523162841796875)10 实际值: N=1.799999952316284179687

34、5*2-1 =0.89999997615814208984375（实际是0.9）,按照统一的规则标准( IEEE754 ) 实际的幂指数e为阶码E减去127 实际的尾数默认有一个1，即m=(1.M),浮点数与定点数,西安石油大学电子工程学院,数值的表示范围 ：浮点表示法所能表示的数值范围将远远大于定点表示法 精度 ：对于字长相同的定点数与浮点数来说，浮点数虽然扩大了数的表示范围，但这是以降低精度为代价的，也就是数轴上各点的排列更稀疏了 数的运算 ：浮点运算要比定点运算复杂 溢出处理 ：定点运算时，当运算结果超出数的表示范围，就发生溢出；而在浮点运算时，运算结果超出尾数的表示范围却并不一定溢出，只有当阶码也超出所能表示的范围时，才发生溢出,作业,西安石油大学电子工程学院,习题 1（P17）,