微機原理和應用1.1微型計算機的發(fā)展概況

計算機的誕生

它裝有

18800個電子管、7萬個電阻器，1500個繼電器，重達30噸，占地面積150多平方米，耗電150千瓦。1943-1946電子計算機

ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorandCalculator）

在美國

誕生。1.1.1微型計算機的發(fā)展簡史第一代：電子管計算機（1946-1957年）以電子管為邏輯元件速度低、內(nèi)存容量小、體積龐大、造價昂貴計算機發(fā)展經(jīng)歷四代:第二代：晶體管計算機（1957-1964年）以晶體管為邏輯元件降低了成本和體積，提高了運算速度；1.1.1微型計算機的發(fā)展簡史第三代：集成電路計算機（1964-1972年）以集成電路為邏輯元件體積進一步縮??；配有各類操作系統(tǒng)，性能極大提高；計算機發(fā)展經(jīng)歷四代:第四代：大規(guī)模集成電路計算機（1972年至今）以超大規(guī)模集成電路為邏輯元件以微型機為典型代表；

1971年，第一臺微型計算機誕生目前又提出第五代計算機：智能計算機（非馮·諾依曼機）人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡；運算理論及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革；1.1.1微型計算機的發(fā)展簡史第一代微處理器：1971-1973年（4位和8位微處理器）微處理器是微型計算機的重要部件，其發(fā)展經(jīng)歷五代：第三代微處理器：1978-1981年（16位微處理器）第四代微處理器：1981-1992年（32位微處理器）第五代微處理器：1992年以后（64位微處理器）第二代微處理器：1973-1978年（8位微處理器）1.1.2微型計算機的應用科學計算數(shù)據(jù)處理與信息管理CAD/CAM/CAA/CAl中的應用過程控制和儀器儀表智能化軍事領域中的應用多媒體系統(tǒng)和信息高速公路家用電器和家庭自動化1.微處理器只是一個中央處理器(CPU)，由以下幾部分組成：運算器，寄存器，控制器，內(nèi)部總線。注意：微處理器不能構(gòu)成獨立的工作系統(tǒng)，也不能獨立執(zhí)行程序。需配有存儲器、輸入/輸出接口。1.2微型計算機系統(tǒng)簡介2.微型計算機的組成：CPU、存儲器（RAM,ROM）、輸入／輸出接口電路、系統(tǒng)總線注意：微型計算機具有運算功能，可獨立執(zhí)行程序。但若沒有輸入/輸出設備，則數(shù)據(jù)無法輸入，結(jié)果亦無法顯示或輸出，還是不能正常工作。1.2微型計算機系統(tǒng)簡介微型計算機3.微型計算機系統(tǒng)的構(gòu)成：微型計算機＋外部輸入／輸出設備＋軟件1.2微型計算機系統(tǒng)簡介微型計算機系統(tǒng)1.3微型計算機的數(shù)制數(shù)制數(shù)碼基數(shù)權(quán)計數(shù)規(guī)則示例十進制0,1,…,91010i逢10進17259二進制0,122i逢2進11001B八進制0,1,…,788i逢8進11576Q十六進制0,1,…,9A,B,…,F1616i逢16進13A9EH規(guī)定：以字符打頭的十六進制數(shù)前面必須加0，例如：0F789H1.3.1進位計數(shù)制進位計數(shù)制是指用數(shù)字符號排列成數(shù)位，按由低位到高位的進位方法進行計數(shù)，它涉及到數(shù)碼、位權(quán)與基數(shù)。數(shù)碼：是各數(shù)位中允許選用的數(shù)字符號；如十進制為：0,1，2，……，9，二進制為：0,1。同一個數(shù)碼在不同數(shù)位上所代表的數(shù)值不同，表示的數(shù)值等于該數(shù)碼本身乘以一個與所在數(shù)位有關的常數(shù)(即：位權(quán))。

位權(quán)：對每個數(shù)位賦予一定的位值，該數(shù)稱為位權(quán)，簡稱權(quán)。它與數(shù)制及在數(shù)中的位置有關。如二進制中的20、21、22；十進制的100、101、102等。

基數(shù)：是指計數(shù)制中所允許選用的數(shù)碼個數(shù)。如十進制的基數(shù)為10(0,1，2，……，9)，二進制的基數(shù)為2(0,1),十六進制的基數(shù)為16(0,1，2，……，9，A，……，F(xiàn))。1.3.1進位計數(shù)制Di為0~R-1中的任一個數(shù);R為基數(shù)；Ri為權(quán)值一進位計數(shù)制數(shù)可展開為：例1.1例1.1例1.1

八進制數(shù)(127.4)8中的2代表的數(shù)值是什么？整個數(shù)代表什么數(shù)值？

分析：

2處于整數(shù)部分D1

位置，因此它代表的數(shù)值為2×81=16。于是，按前面的公式展開得：(127.4)8=1×82+2×81+7×80+4×8-1=(87.5)10

1.3.2數(shù)制間的相互轉(zhuǎn)換(1)二、八、十六進制數(shù)→十進制數(shù)：按權(quán)展開例如： =1×23+1×22+0×21+1×20

+0×2-1+1×2-2+1×2-3

=8+4+0+1+0+0.25+0.125=(13.375)10

=2×82+7×81+6×80=(190)10

=10×162+3×161+15×160=(2623)10

(1101.011)2(276)8(A3F)16數(shù)制間的相互轉(zhuǎn)換(2)整數(shù)部分的轉(zhuǎn)換采用輾轉(zhuǎn)相除法小數(shù)部分的轉(zhuǎn)換采用乘基取整法輾轉(zhuǎn)相除法,就是用基數(shù)不斷去除要轉(zhuǎn)換的十進制數(shù)，直至商為0，將各次計算所得的余數(shù)，按最后的余數(shù)為最高位，第一次余數(shù)為最低位，依次排列，即得轉(zhuǎn)換結(jié)果。十進制數(shù)→二、八、十六進制數(shù)：乘基取整法,就是用基數(shù)不斷去乘要轉(zhuǎn)換的十進制數(shù)，直至滿足要求的精度或小數(shù)部分為0，取每次乘積結(jié)果的整數(shù)部分，以第一次取整為最高位，依次排列，即得轉(zhuǎn)換結(jié)果。事例輾轉(zhuǎn)相除法示例(1)例1.2將(226)10轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)。226222113562282142723210……余0……余1……余0……余0……余0……余1……余1……余1(最高位)(最低位)按箭頭方向依次排列

所以(226)10=(11100010)2商為0，轉(zhuǎn)換結(jié)束。除基取余輾轉(zhuǎn)相除法示例(2)例1.3將(226)10轉(zhuǎn)換為八進制數(shù)。2268882830……余2……余4……余3(最高位)(最低位)按箭頭方向依次排列

342所以，(226)10=(342)8商為0，轉(zhuǎn)換結(jié)束。除基取余輾轉(zhuǎn)相除法示例(3)例1.4將(226)10轉(zhuǎn)換為十六進制數(shù)。2261616140……余2……余14(最高位)(最低位)按箭頭方向依次排列

E2所以，(226)10=(E2)16商為0，轉(zhuǎn)換結(jié)束。除基取余乘基取整法示例(1)例1.5將(0.625)10轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)。0.625×21.250×20.250×20.501.0……取整1……取整0(最高位)(最低位)按箭頭方向依次排列

0.101……取整1小數(shù)部分為0，轉(zhuǎn)換結(jié)束。所以，(0.625)10=(0.101)2

乘基取整乘基取整法示例(2)例1.6將(0.625)10轉(zhuǎn)換為八進制數(shù)和十六進制數(shù)。0.625×85.000×160.62510.000……取整5，小數(shù)部分為0，轉(zhuǎn)換結(jié)束。

……取整10，小數(shù)部分為0，轉(zhuǎn)換結(jié)束。所以，(0.625)10=(0.5)8

乘基取整所以，(0.625)10=(0.A)16

例1.7例1.7求對應于(226.625)10的二進制數(shù)。

分析：本題中十進制數(shù)既有整數(shù)部分又有小數(shù)部分，應先分別加以轉(zhuǎn)換，然后再合并在一起得到最后結(jié)果。

因為，(226)10=(11100010)2(0.625)10=(0.101)2所以（226.625）10=(11100010.101)2

數(shù)制間的相互轉(zhuǎn)換(3)二進制數(shù)→八進制數(shù)：整數(shù)向左，小數(shù)向右三位合一，不足補0

二進制數(shù)→十六進制數(shù)：整數(shù)向左，小數(shù)向右四位合一，不足補0

例:

(11010111.0111101)2=11010111.0111101()2000=(327.364)8

例:

(11010111.0111101)2=11010111.0111101(0)2=(D7.7A)16

數(shù)制間的相互轉(zhuǎn)換(4)八進制數(shù)→二進制數(shù)：一擴三

(264.57)8=(十六進制數(shù)→二進制數(shù)：一擴四(7F.C4)16=(提示：整數(shù)高位0和小數(shù)低位0可省去不寫010111)2=(10110100.101111)2101100.110=(1111111.110001)2)2010011001111.01111.3.3數(shù)的表示—

機器數(shù)與真值機器數(shù)就是一個數(shù)在計算機中的表示形式，即二進制代碼。如10010、等。一個機器數(shù)所表示的數(shù)值稱為真值。如+10、-29H、+1011B等?？梢允歉鞣N進制數(shù)。一個數(shù)可以是有符號數(shù)，也可以是無符號數(shù)。對于一個二進制無符號數(shù)來說，機器數(shù)與真值相同，此時計算機的全部有效位都用來存放數(shù)據(jù)。對于n位字長的計算機來說，整數(shù)范圍為0～2n-1。機器數(shù)與真值(續(xù))對于一個二進制有符號數(shù)來說，數(shù)的最高位是符號位：0表示正數(shù)，1表示負數(shù)。在有符號數(shù)中，符號數(shù)字化后的數(shù)稱為機器數(shù)，而用+或-表示的數(shù)值稱為真值，真值可以用二進制數(shù)或十進制數(shù)表示。對于n位字長的計算機來說，有符號數(shù)的整數(shù)范圍為-(2n-1-1)～(+2n-1-1)。有符號數(shù)與無符號數(shù)在計算機中的表示形式相同，須預先約定或由指令決定。有符號數(shù)的表示—

原碼有符號二進制數(shù)可以采用原碼、補碼和反碼三種不同的編碼形式表示。進行算術運算的有符號數(shù)通常以補碼形式表示。

將數(shù)真值形式中的+/-號用0/1表示，而數(shù)據(jù)本身不變的機器數(shù)叫做數(shù)的原碼形式，簡稱原碼。

當字長為n時，其數(shù)據(jù)范圍為-(2n-1-1)～+(2n-1-1)。數(shù)-2n-1的原碼不存在。數(shù)0有兩種表示形式，即+0和-0?？磶讉€例子吧!原碼舉例如：00000000B=+0；10000000B=–011111111B=–127；01111111B=+127又如：10010表示真值–2；0101表示真值+5等。

例1.10：設字長為8，X的十進制數(shù)為+85，Y的十進制數(shù)為-85，求X、Y的原碼。解：十進制數(shù)85轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)，所以[X]原=01010101[Y]原=11010101原碼的概念掌握了吧？有符號數(shù)的表示—

反碼對負數(shù)的原碼除符號位外，其余位按位求反，得到的另一種表示形式，即反碼形式。正數(shù)的反碼與原碼具有相同的形式。當字長為n時，其數(shù)據(jù)范圍為–(2n-1-1）～+（2n-1-1）。數(shù)-2n-1的反碼不存在。數(shù)0有兩種反碼形式?？磶讉€例子吧!反碼舉例例1.11：有反碼00000000B和10000000B，求其真值。解：根據(jù)反碼的定義，最高位為符號位，后面即為數(shù)據(jù)的絕對值數(shù)據(jù)的反碼。

00000000B=+(0000000)2=+0；

10000000B=-(1111111)2=-127=-(28-1-1)。例1.12：有8位字長反碼11111111B和01111111B，求其真值。解：11111111B=-(0000000)=-001111111B=+(1111111)2=+127=+(28-1-1)求例1.10中的兩個數(shù)的反碼形式。[+85]反=[+85]原=01010101[-85]反=10101010反碼的概念掌握了吧？有符號數(shù)的表示—

補碼負數(shù)的補碼等于其反碼加1(求反加一)，也等于0減去其真值的絕對值。正數(shù)的補碼與原碼具有相同的形式。在補碼中，數(shù)0只有一種表示形式，數(shù)-2n-1的補碼存在。當字長為n時，數(shù)據(jù)范圍為-2n-1～+(2n-1-1)。使用補碼可以用加法代替減法，消除加減法運算的區(qū)別，簡化了運算器；而且運算時符號位和數(shù)值部分一起參加運算，簡化了處理過程，故在計算機運算中廣泛使用?？磶讉€例子吧!補碼舉例例1.13：有補碼00000000B和10000000B，求其真值。解：根據(jù)補碼的定義，最高位為符號位，后面即為數(shù)據(jù)的絕對值或數(shù)據(jù)的求反加一。

00000000B=+(0000000)2=+0；

10000000B=-(10000000)2=-128=-28-1。例1.14：有8位字長補碼11111111B和01111111B，求其真值。解：11111111B=-(0000001)=-101111111B=+(1111111)2=+127=+(28-1-1)求例1.10中的兩個數(shù)的補碼形式。[+85]補=[+85]原=01010101[－85]補=[-85]反

+1=補碼的概念一定要掌握!=0-[+85]原原碼、反碼、補碼小結(jié)數(shù)據(jù)范圍0的形式(n=8時)-2n-1表示形式原碼-(2n-1-1)～+(2n-1-1)+0:00000000B-0:10000000B不存在“+/-”→0/1加上數(shù)據(jù)位反碼–(2n-1-1）～+（2n-1-1）+0:00000000B-0:11111111B不存在原碼數(shù)據(jù)位按位求反補碼-2n-1～+(2n-1-1)00000000B存在反碼加1或0減數(shù)據(jù)位符號位+數(shù)據(jù)位。正數(shù)的三種碼形式相同。定點數(shù)與浮點數(shù)定點數(shù)就是小數(shù)點在數(shù)中的位置固定不變；浮點數(shù)是指小數(shù)點在數(shù)中的位置是浮動的，可以發(fā)生變化。小數(shù)點固定位置的兩種簡單約定：(1)在最高數(shù)位之前，符號位之后是純小數(shù)；(2)在最低位之后是純整數(shù)。任何一個數(shù)N的二進制浮點形式可表示為N=2j×S,其中S稱為尾數(shù)，j稱為階碼。這種表示格式由階符（1位，表示階碼的正負號）、階碼（一般為純整數(shù)，決定數(shù)的范圍）、數(shù)符（1位，表示尾數(shù)的正負號）、尾數(shù)（一般為純小數(shù)，決定有效數(shù)字的精度）四個部分組成。為充分利用其有效位，常對其規(guī)格化，使0.5≤|S|<1看個例子看幾個例子吧!定點數(shù)示例例1.15：有二進制碼1101B，試求小數(shù)點在最低位和最高位時的值。解：小數(shù)點在最低位時，即為純整數(shù)，所以

1101B=(1101)2=23+22+20=(13)10

小數(shù)點在最高位時，即為純小數(shù)，所以

1101B=(0.1101)2=2-1+2-2+2-4=(0.8125)10

定點數(shù)好理解的啦!浮點數(shù)示例例如，二進制數(shù)1011.101可以寫成如下的浮點形式：0.001011101×26，0.01011101×25，0.1011101×24，1.011101×23，10.11101×22，101.1101×21，10111.01×2-1，101110.1×2-2等等。規(guī)格化數(shù)以上幾種浮點形式中，只有前三種的尾數(shù)為純小數(shù)。如果用8位來表示此二進制數(shù)，其中階符階碼為4位，尾符及尾數(shù)為4位，均用原碼表示，則這三種形式對應的浮點數(shù)分別為：01100001，01010010，01000101，可以看出，最后一種的精度最高。1.4計算機中常用編碼計算機中數(shù)、字母、符號等均用二進制數(shù)表示，用若干位二進制數(shù)的組合表示字符的編碼稱為二進制編碼。常用的二進制編碼有BCD碼和ASCII碼。BCD碼（BinaryCodedDecimal），即二—十進制編碼方式，用四位二進制數(shù)表示一位十進制數(shù)。ASCII碼（AmericanStandardCodeforInformationInterchange）是一種美國標準，稱為“信息交換標準代碼”，用7位二進制數(shù)編碼，可以表示128個字符。GB2312-80漢字編碼，即國標碼，用兩個字節(jié)表示一個漢字，兩字節(jié)最高位均置“1”后形成機內(nèi)碼。BCD碼8421BCD碼（簡稱BCD碼），即將1位十進制數(shù)0~9分別用4位二進制編碼來表示，而這四位的權(quán)從高位到低位依次是8，4，2，1。

十進制數(shù)8421BCD碼十進制數(shù)8421BCD碼012345670000000100100011010001010110011189101112131415100010010001000000010001000100100001001100010100000101011.5計算機運算基礎算術運算，包括加減乘除。其中，加減法運算是基本運算，利用加減法運算可以實現(xiàn)乘除法運算。邏輯運算主要包括“與”（∧）、“或”（∨）、“非”和“異或”（⊕）等。1.5.1無符號數(shù)的算術運算運算規(guī)則實現(xiàn)方法示例加0+0=0,0+1=1,1+1=0進1,1+1+1=1進1手工計算例1.19減0-0=0,1-1=0,1-0=1,0-1=1借1,0-1-1=0借1手工計算例1.20乘00=0,01=0,10=0,11=1手工計算例1.21除乘法的逆運算手工計算例1.22例1.19例1.19：計算10011010+00110111=？被加數(shù)10011010加數(shù)

+00110111和進位因此，10011010+00110111=110100011111101001011要加進位例1.20例1.20：計算10011=？被減數(shù)10011010減數(shù)

-00110111差借位因此，10011=011000111111111000110要減借位例1.21例1.21：二進制數(shù)1101.1與101.1相乘。1101．1(13.5)

×101．1(5.5)110111101111011100000+111111進位積(74.25)10010100.與十進制乘法類似例1.22例1.22：求二進制數(shù)100111除以110的商。

1110111111011