湖大微机原理及其应用-第1章.ppt

1、第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理“微机原理及其应用微机原理及其应用”是一门重要的技术基础课是一门重要的技术基础课 后续课程有：后续课程有：嵌入式系统及其应用、计算机控制技术、过程控制与仪表、软嵌入式系统及其应用、计算机控制技术、过程控制与仪表、软件技术基础件技术基础、集散控制系统、集散控制系统、可编程逻辑控制、可编程逻辑控制(PLC)、现场总线、现场总线技术及应用技术及应用、检测与转换技术、检测与转换技术、机器人控制基础、机器人控制基础、数控技术、计、数控技术、计算机网络技术、算

2、机网络技术、DSP技术及其应用、技术及其应用、Net技术及网站开发等等。技术及网站开发等等。本课程包含：微机原理与接口技术、单片机原理及其应用两部分本课程包含：微机原理与接口技术、单片机原理及其应用两部分采用教材：采用教材：微型计算机原理及其应用微型计算机原理及其应用，彭楚武、张志文等编，彭楚武、张志文等编湖南大学出版社，湖南大学出版社，2009.8 第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理本课程的考核方式：本课程的考核方式：开卷考试 评分标准：期末考试成绩占70%、实验成绩占10%、课堂考核及作业占20%。全院各专业统一命题、流水作业阅卷、统一评分课堂授课计

3、划课堂授课计划 见“微机原理及其应用教学日历-201209”第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理如何学好如何学好“微机原理及其应用微机原理及其应用”？关键在于：关键在于：勤学多练、熟能生巧；勤学多练、熟能生巧；几个要点几个要点：a.课前预习课前预习 b.课堂认真听课课堂认真听课 c.尽可能尽可能独立独立完成课外作业完成课外作业 d.重视实践教学环节（实验、课程设计、课余科技活动等）重视实践教学环节（实验、课程设计、课余科技活动等）第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理第一章 概论第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原

4、理微型计算机的系统结构与工作原理1.1.微型计算机的应用和微型计算机的应用和发展史发展史2.2.微型计算机的微型计算机的组成和特点组成和特点3.3.微型计算机中数与字符的微型计算机中数与字符的表示法表示法 第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理1.1.了解微型计算机的产生和发展过程了解微型计算机的产生和发展过程2.2.掌握微型计算机的概念和基本结构掌握微型计算机的概念和基本结构3.3.掌握掌握进位制数间的转换进位制数间的转换4.重点重点掌握掌握原码、反码与补码原码、反码与补码第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理 1.1

5、1.1 微型计算机系统概述微型计算机系统概述 微型计算机是指以微型计算机是指以大规模、超大规模大规模、超大规模集成集成电路为主要部件的电路为主要部件的微处理器微处理器为核心，配以存储为核心，配以存储器、输入器、输入/输出接口电路及系统总线所制造出输出接口电路及系统总线所制造出的计算机系统。的计算机系统。第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理1.1.1 微型计算机的发展概况微型计算机的发展概况微型计算机诞生微型计算机诞生：1946年第一台计算年第一台计算机在美国问世以后，人们接触最多的是微型机在美国问世以后，人们接触最多的是微型计算机，它诞生于计算机，它诞生于

6、20世纪世纪70年代年代，其发展以，其发展以微处理器的发展为主要标志。微处理器的发展为主要标志。第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理分 代第一代年 份字 长芯片的集成度软件典型的芯片197119724/8位2000个管/片以上机器语言、简单汇编语言Intel 4004Intel 8008第二代197319778位汇编程序高级语言、(FORTRAN PL/M等BASIC操作系统第三代1978198316位汇编语言高级语言操作系统第四代PentiumPII PIII PIV1981199232位第五代1993 199432位9000个管/片以上29000个管/

7、片以上1550万个管/片以上Intel 8080,8085MC 6800Z-80Intel 8086,8088MC 68000Z-8000Intel 80386,80486 MC 68020操作系统高级语言软件硬化操作系统高级语言软件硬化高达330万个管/片微处理器的概念与发展微处理器的概念与发展第六代19952001Pentium58664位550万个管/片操作系统高级语言软件硬化第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理1.1.2 微型计算机的特点和应用微型计算机的特点和应用 微型计算机除具有一般电子数字计算机的微型计算机除具有一般电子数字计算机的快速、精确

8、和通用等许多优点外，还具有独自快速、精确和通用等许多优点外，还具有独自的特点：的特点：(1)体积小、重量轻、功耗低体积小、重量轻、功耗低(2)可靠性高、对使用环境要求低可靠性高、对使用环境要求低(3)结构简单、设计灵活、适应性强结构简单、设计灵活、适应性强(4)性能价格比高性能价格比高1.微型计算机特点微型计算机特点第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理2.微型计算机的应用领域微型计算机的应用领域科学计算科学计算过程控制过程控制信息处理信息处理人工智能人工智能网络通信网络通信计算机辅助技术计算机辅助技术第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的

9、系统结构与工作原理1.1.3 微型计算机的分类微型计算机的分类1.按处理器同时处理数据的位数或字长分：按处理器同时处理数据的位数或字长分：4位机位机、8位机、位机、16位机、位机、32位机、位机、64位机位机2.按结构类型分：按结构类型分：单片微型机、单片微型机、单板微型机单板微型机微型计算机微型计算机第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理3.按用途分：按用途分：(1)个人计算机个人计算机(PC机机)(2)工作站服务器工作站服务器(3)网络计算机网络计算机(简称简称NC)2.按体积大小分：按体积大小分：(1)台式机台式机(又称桌上型又称桌上型)(2)便携式便

10、携式(又称可移动微机、笔记本型、又称可移动微机、笔记本型、膝上型、口袋型、掌上型和钢笔型膝上型、口袋型、掌上型和钢笔型)第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理1.1.4 微型计算机的主要性能指标微型计算机的主要性能指标通常所说的计算机运算速度通常所说的计算机运算速度(平均运算速度平均运算速度)，是指每秒钟所能执行的指令条数，一般用是指每秒钟所能执行的指令条数，一般用“百百万条指令秒万条指令秒”(MIPS)来描述。来描述。1.运算速度运算速度2.字长字长第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理存储器分为内存储器和外存储器两类。

11、存储器分为内存储器和外存储器两类。内存储器也简称内存或内存储器也简称内存或主存主存，是，是CPU可以可以直接访问直接访问的存储器，内存大小反映了计算机即的存储器，内存大小反映了计算机即时存储信息的能力；时存储信息的能力；外存储器通常是指硬盘外存储器通常是指硬盘(包括内置硬盘和包括内置硬盘和移动硬盘移动硬盘)。3.存储器的容量存储器的容量以上只是一些主要性能指标，还须综合考以上只是一些主要性能指标，还须综合考虑其他因素。虑其他因素。第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理 1.2 1.2 微型计算机系统结构微型计算机系统结构 现代计算机结构仍然是在现代计算机结构

12、仍然是在冯冯诺依曼诺依曼提出提出的计算机逻辑结构和存储程序概念基础上建的计算机逻辑结构和存储程序概念基础上建立起来的。立起来的。1.2.1 计算机的基本结构和工作原理计算机的基本结构和工作原理第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理1.一系列基本操作命令一系列基本操作命令程序程序计算机的工作原理计算机的工作原理2.“机器指令机器指令”概念概念-指令的数码化表指令的数码化表示示3.计算机的存储程序控制方式的工作原理：计算机的存储程序控制方式的工作原理：一是能存储程序，二是能自动执行程序。一是能存储程序，二是能自动执行程序。这一原理决定了人们使用计算机的主这一原理

13、决定了人们使用计算机的主要方式要方式编写程序和执行程序编写程序和执行程序。第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理输入设备输入设备运算器运算器输出设备输出设备存储器存储器控制器控制器冯冯诺依曼计算机的基本结构诺依曼计算机的基本结构第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理1.2.2 微型计算机的组成与系统的层次结构微型计算机的组成与系统的层次结构微型计算机系统包括微型计算机系统包括硬件系统硬件系统和和软件系统软件系统。硬件系统硬件系统：构成计算机的实体。包括：构成计算机的实体。包括：微处理器、存储器、微处理器、存储器、I/O接口

14、、接口、系统总线、外部设备和电源。系统总线、外部设备和电源。软件系统软件系统：在计算机上运行的各种程序。：在计算机上运行的各种程序。包括：系统软件和应用软件。包括：系统软件和应用软件。一、一、微型计算机系统结构微型计算机系统结构第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理硬件系统：硬件系统：微处理器微处理器存储器存储器I/O接口接口系统总线系统总线算术逻辑单元算术逻辑单元控制器控制器寄存器寄存器ROMRAMROMEPROME2PROMSRAMDRAM并行接口并行接口串行接口串行接口辅助接口辅助接口数据总线数据总线地址总线地址总线控制总线控制总线外部设备外部设备I/

15、O接口接口模拟量模拟量I/O接口接口开关量接口开关量接口键盘、显示器、打印机键盘、显示器、打印机外存储器外存储器软、硬磁盘软、硬磁盘光盘光盘A/DD/A第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理操作系统操作系统 Dos,Windows,UNIX,LINUX语言处理程序语言处理程序 Turbo C 数据库系统数据库系统 FoxPro、Oracle文字处理软件文字处理软件 Wps、Word表格处理软件表格处理软件 Excel辅助设计软件辅助设计软件 Auto CAD用户编制的实际程序用户编制的实际程序软件系统：软件系统：第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微

16、型计算机的系统结构与工作原理 微型计算机系统由小到大可分为微处理器、微型微型计算机系统由小到大可分为微处理器、微型计算机、微型计算机系统计算机、微型计算机系统三个层次三个层次结构，如下图所示：结构，如下图所示：运算器运算器控制器控制器寄存器寄存器RAMROMI/O端口端口I/O端口端口微型计算机系统微型计算机系统微型计算机微型计算机微处理器微处理器电源系统电源系统软件系统软件系统I/O设备设备I/O设备设备第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理简介：简介：1.微处理器微处理器(也称微处理机，也称微处理机，Microprocessor)2.微型计算机微型计算机

17、(Microcomputer)3.微型计算机系统微型计算机系统(Microcomputer System)第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理1.2.3 微型计算机的硬件结构微型计算机的硬件结构 微型计算机由微处理器、存储器、输入微型计算机由微处理器、存储器、输入/输出接口输出接口构成，它们之间由构成，它们之间由系统总线系统总线连接。连接。ROMCPURAMI/O接口外部设备电源时钟脉冲电路ABDBCB第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理 整个微机的核心是微处理器整个微机的核心是微处理器(p,MPU)，也称，也称CPU

18、。它包含算术逻辑部件。它包含算术逻辑部件ALU、寄存器组及控制部件。、寄存器组及控制部件。ALU：算术、逻辑运算单元算术、逻辑运算单元 寄存器：寄存器：存放操作数、中间结果、地址、标志等存放操作数、中间结果、地址、标志等控制部件：控制部件：整个机器控制中心，包括：整个机器控制中心，包括：程序计数器程序计数器PC（或称为指令指针寄存器（或称为指令指针寄存器IP）指令寄存器指令寄存器IR、指令译码器、指令译码器ID、控制信息产生电路控制信息产生电路 等等。等等。第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理微机的存储器分为：微机的存储器分为：主存和辅存主存和辅存主存主存

19、(内存内存)：用于存放当前正在运行的程序和正用于存放当前正在运行的程序和正待处理数据。待处理数据。包括：包括：CPU内部内部cache，主板上的内存；，主板上的内存；造价高，速度快，存储容量小。造价高，速度快，存储容量小。辅存辅存(外存外存)：存放暂不运行的程序和数据。存放暂不运行的程序和数据。主机箱内或主机箱外，主机箱内或主机箱外，造价低，容量大，可长期保存，但速度慢。造价低，容量大，可长期保存，但速度慢。第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机常用的输入设备有键盘、鼠标、微型计算机常用的输入设备有键盘、鼠标、数字化仪、图像扫描仪、数码相机等。数字

20、化仪、图像扫描仪、数码相机等。第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机常用的输出设备有微型计算机常用的输出设备有CRT显显示器、打印机和绘图仪等。示器、打印机和绘图仪等。第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理各种外设需要有一个接口电路充当它们各种外设需要有一个接口电路充当它们和和CPU间的间的桥梁桥梁，通过该电路完成，通过该电路完成信号的变换、数据信号的变换、数据的缓冲、与的缓冲、与CPU联络联络等工作。等工作。较复杂的较复杂的I/O接口电路一般都做在电路板上，这接口电路一般都做在电路板上，这种电路板又称为种电路板

21、又称为“卡卡(Card)”，由卡的一侧，由卡的一侧 引出连接外引出连接外界的插座，另一侧界的插座，另一侧 做成插入端，做成插入端，只要将它们插入总线槽只要将它们插入总线槽(I/O(I/O通道通道)就连到了系统总线。就连到了系统总线。第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理 所谓所谓“总线总线”，是指传递信息的一组，是指传递信息的一组公用公用导线。系统总线导线。系统总线(System Bus)是指从处理器子系是指从处理器子系统引出的若干信号线，统引出的若干信号线，CPU通过它们与存储器通过它们与存储器和和I/O设备进行信息交换。系统总线一般分为三设备进行信息交换

22、。系统总线一般分为三组：组：数据总线：数据总线：DB(Data Bus)地址总线：地址总线：AB(Address Bus)控制总线：控制总线：CB(Control Bus)第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理地址总线地址总线(Address Bus)：传送传送地址信息地址信息，CPU在在AB总线上输出将总线上输出将要访问的内存单元或要访问的内存单元或I/O端口地址；端口地址；地址总线的地址总线的位数决定位数决定了了CPU可以直接寻可以直接寻址的内存单元址的内存单元范围范围；该总线为该总线为单向单向。举例第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机

23、的系统结构与工作原理数据总线数据总线(Data Bus)：传送传送数据信息数据信息的总线。的总线。在在CPU进行进行读操作读操作时，内存或外设的数时，内存或外设的数据通过据通过DB总线送往总线送往CPU；在在CPU进行进行写操作写操作时，时，CPU数据通过数据通过DB总线送往内存或外设；总线送往内存或外设；所以该总线为所以该总线为双向双向总线。总线。第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理控制总线控制总线(Control Bus)：传送传送控制信息控制信息的总线。其中：的总线。其中：有些信号线将有些信号线将CPU的的控制信号控制信号送往外设；送往外设；有些信号

24、线将外设的有些信号线将外设的请求或状态信号请求或状态信号送往送往CPU；个别信号线个别信号线兼有兼有以上两种情况。以上两种情况。所以在讨论控制总线的所以在讨论控制总线的传送方向传送方向时要具体到某一时要具体到某一个信号，它们可能是个信号，它们可能是输出、输入或者双向输出、输入或者双向的。的。第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理系统总线使用特点：系统总线使用特点：(1)在某一时刻，只能由一个在某一时刻，只能由一个总线主控设总线主控设备备控制系统总线，其他总线主控设备必须放控制系统总线，其他总线主控设备必须放弃对总线的控制。弃对总线的控制。(2)在连接系统的各

25、个设备中，某一时刻在连接系统的各个设备中，某一时刻只能有一个发送者只能有一个发送者向总线发送信号，但可以向总线发送信号，但可以有多个设备从总线同时获得信号。有多个设备从总线同时获得信号。第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理 附：微型计算机的基本数据类型附：微型计算机的基本数据类型 内存单元的地址和内容简介：内存单元的地址和内容简介：内存由许多存储单元组成，每个内存单元可内存由许多存储单元组成，每个内存单元可存放存放8位二进制数位二进制数，即一个内存单元存放一个字，即一个内存单元存放一个字节的内容，节的内容，为了区分各个不同的内存单元，就给每个存为了区分各个

26、不同的内存单元，就给每个存储单元编上不同的号码，即储单元编上不同的号码，即内存地址内存地址。CPU要访问某个单元时，先要通过地址总线要访问某个单元时，先要通过地址总线送出该单元的送出该单元的地址号地址号。第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理尽管大多数存储器是尽管大多数存储器是按字节编址按字节编址的，但实际的，但实际操作中，一个操作数可以是操作中，一个操作数可以是字节字节、字字、双字节双字节、四字节四字节等各种形式。等各种形式。1.字节：计算机的字节：计算机的基本处理单位基本处理单位，一个字节，一个字节由由8位二进制位组成位二进制位组成2.字：通常微机的字长

27、有字：通常微机的字长有8位、位、16位、位、32位、位、64位，故其字数据的存放所占内存单元的个数也位，故其字数据的存放所占内存单元的个数也不一样不一样3.双字：即双字：即2个个字字4.四字：即四字：即4个个字的长度字的长度第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理 地址地址（十六进制表示）（十六进制表示）存放内容存放内容（二进制表示）（二进制表示）十六进制表示十六进制表示 的存放内容的存放内容00000H110000101100001000001HC2H18H0001001000008H12H0011010000001H34H01110000FFFFFH70H

28、 内存单元的地址和内容示意图内存单元的地址和内容示意图第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理 1.3 微型计算机中数与字符的表示法微型计算机中数与字符的表示法 一个数值，可以用不同进制的数表示。通常用数一个数值，可以用不同进制的数表示。通常用数字后面跟一个英文字母来表示该数的数制。字后面跟一个英文字母来表示该数的数制。十进制数十进制数：D Decimal （D也可以省略省略不用）二进制数二进制数：B Binary八进制数八进制数：Q Octal十六进制数十六进制数：H Hexadecimal.例：1001B=09H=9D第一章第一章 微型计算机的系统结构与工

29、作原理微型计算机的系统结构与工作原理一般地，任意一个十进制数N都可以表示为：N=Kn-110n-1+Kn-2 10n-2+K1101+K0100 +K-110-1+K-210-2+K-m10-m =mniiiK1101.3.1 进位计数制进位计数制*基数：数制所使用的数码的个数基数：数制所使用的数码的个数*权：数制中每一位所具有的值权：数制中每一位所具有的值.1.有十个不同的数字符号：有十个不同的数字符号：0,1,2,92.2.遵循遵循“逢十进一逢十进一”原则。原则。整数部分小数部分第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理设基数用设基数用R表示：表示：则对于二

30、进制，则对于二进制，R=2,Ki为为0或或1，逢二进一逢二进一。N=八进制，八进制，R=8,Ki为为07中的任意一个，中的任意一个，逢八进一逢八进一。N=十六进制，十六进制，R=16,Ki为为09、A、B、C、D、E、F共共16个数码中的任意一个，个数码中的任意一个，逢十六进一逢十六进一。N=mniiiK12 mniiiK18 mniiiK116第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理1101.001B=123+122+021+120+02-1+02-2+12-3=13.125 1875.16216316216103.2101 HA第一章第一章 微型计算机的系

31、统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理 十进制数、二进制数、十六进制数之间的十进制数、二进制数、十六进制数之间的关系如下表所示：关系如下表所示：十进制二进制十六进制012345678012345678000000010010001101000101011001111000十进制二进制十六进制91011121314159ABCDEF1001101010111100110111101111第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理 1.3.2 进位制数间的转换进位制数间的转换 二、八、十六进制数二、八、十六进制数 十进制数十进制数第一章第一章 微型计算机的系

32、统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理2.十进制数十进制数 二、八、十六进制数二、八、十六进制数1)整数转换整数转换方法：除方法：除2取余法取余法DN125余数余数31212562215722231=K21=K31=K41=K51=K610221=K00=K10=K7第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理2)小数转换小数转换 例如：将十进制数例如：将十进制数0.81250.8125转换为二进制小数。转换为二进制小数。整个转换过程如下：整个转换过程如下：方法：方法：乘乘2取整法取整法 0.81250.8125 2 2 1.625 1.625 整数部分为

33、整数部分为1 1，K K-1-11 1 高位高位 0.6250.625 2 2 1.25 1.25 整数部分为整数部分为1 1，K K-2-21 1 0.25 0.25 2 2 0.50 0.50 整数部分为整数部分为0 0，K K-3-30 0 0.50 0.50 2 2 1.0 1.0 整数部分为整数部分为1 1，K K-4-41 1 低位低位 所以转换结果为所以转换结果为：(0.8125)10(0.1101)2 第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理 2.2.二进制数和八进制数、

34、十六进制数间的转换二进制数和八进制数、十六进制数间的转换 由于二进制的基数是2，而八进制的基数是8=23，十六进制的基数为16=24；一位八进制数字正好可以对应对应3位二进制位二进制数字；即一位十六进制数字正好对应对应4位二进制位二进制数字；因此它们之间的转换非常简便非常简便。第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理（1）二进制到八进制、十六进制的转换二进制到八进制转换采用“三位化一位”的方法；二进制到十六进制转换采用“四位化一位”的方法。第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理例例1.4 将1000110.01B分别转换为八

35、进制数和十六进制数。二进制到八进制的转换采用“三化一”的方法：1 000 110.010 1 0 6 .2 Q二进制到十六进制的转换采用“四化一”的方法：0100 0110.0100 4 6 .4 H 所以 1000110.01B=106.2Q=46.4H 应该注意的是对于小数部分的转换，不足位数不足位数的一定要在末尾补末尾补0。第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理（2）八进制、十六进制到二进制的转换 采用“一位化三(四)位”的方法：例例1.5 将八进制数3213.66Q转换成二进制数。3213.66Q=011 010 001 011.110 110B =

36、11010001011.11011B例例1.6 将B6.8H转换为二进制数。B6.8H=1011 0110.1000B=10110110.1B第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理 例例1.7 将1011011110.101B转换为十进制数。方法1：按位权位权展开。1011011110.101B=29+27+26+24+23+22+21+2-1+2-3 =512+128+64+16+8+4+2+0.5+0.125 =734.625方法2：先转换为16进制进制，再由16进制转换为十进制。1011011110.101B=2DE.AH =2162+1316+14+

37、1016-1 =512+208+14+0.625 =734.625第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理1.3.3 定点数与浮点数定点数与浮点数 根据R进制数表示公式：NR=SRE 式中：S数N的尾数，E数N的阶码，R阶码的底 对于同一个十进制数265.78，还可以有多种表示形式，如：2657.810-1、0.26578103、2.6578102 等。同样，对于同一个二进制数101101.11可以表示为 1011.0111210、1011011.12-1 等。第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理 阶码E的取值与小数点的位

38、置小数点的位置有关。当E为常数常数时，小数点的位置也就相应固定，这种表示方法称为数的定点表示法定点表示法；当E值可以改变可以改变时，表示小数点的位置不固定，可以根据需要（保持最大数据精度）移动，这种表示方法称为数的浮点表示法浮点表示法。在在 NR=SRE中中，显然：第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理1.定点数表示法 符号位一般用一位二进制数来表示：0表示正号，表示正号，1表示负号表示负号。小数点的表示则不占位数不占位数，而是采用人为约定的方法。根据约定的小数点的位置不同，有两种定点数：定点整数定点整数和定点小数定点小数。第一章第一章 微型计算机的系统结构

39、与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理（1）定点整数）定点整数 小数点在数值位的最低位之后，计算机中所表示的数一律为整数。定点整数又被划分为带符号和不带符号的两类。带符号整数：其最高位为符号位，其他位为数值部分，n位带符号二进制数可表示的数值范围为：|N|2n-1-1。例如：例如：8位定点数可表示数值范围为位定点数可表示数值范围为-127127（原码）（原码）16位定点数可表示数值范围为位定点数可表示数值范围为-3276832767（补码）（补码）第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理无符号整数：所有的数位都用来表示数值，无符号位，n位无符号数可表示的数值

40、范围为：0N2n-1 例如，16位无符号定点数可表示数值范围为：065535。第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理(2)定点小数 最高位表示符号，其他位表示数值部分，将小数点定在数值部分的最高位左边最高位左边，因此任何一个小数可以表示为：Nf Nn-2 Nn-3 N2 N1 N0 则n位二进制数所表示的数值范围为|N|1-2-(n-1)例如，例如，8位定点小数可表示数值范围为：位定点小数可表示数值范围为：-0.11111110.1111111（原码）（原码）定点小数的表示范围（1N-1）与位数无关位数无关，定点小数的长度只与其精度只与其精度有关。第一章第一

41、章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理 定点表示法主要用在早期的计算机中，可以：节省硬件节省硬件，简化简化运算器的设计设计。但程序员在编程时，必须选择合适的比例因子比例因子，来表示超出定点数表示范围的数据。与浮点数相比，数的表示范围和精度有限表示范围和精度有限。第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理2.浮点数表示法浮点数表示法浮点数是指小数点在数据中的位置可以左右移动的数据。通常可表示成：N=S*RE 典型的浮点数格式为：阶符Ef为阶码的符号位；阶码E和阶符一起指出小数点的位置小数点的位置；数符Sf为数值的符号位符号位；尾数S决定了

42、数值的精度精度，即有效位数。Ef(一位)E(m位)Sf(一位)S(n位)阶 符 阶 码数 符尾 数第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理 阶码的底R:一般选择与尾数的基数相同。对于同一种系统，R是隐含的约定常数，并不直接表示在浮点数表示中。为了便于理解且与二进制表示一致，约定R=2，并规定浮点数的尾数部分用定点小数表示，阶码部分用定点整数来表示。因此:一个浮点数实际由两个定点数组成一个浮点数实际由两个定点数组成：阶码是定点整数，尾数是定点小数，它相当于将数值规范为定点小数S乘以比例因子RE。第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工

43、作原理（1）规格化浮点数 规格化浮点数是指尾数部分满足0.5|S|1的数。规格化浮点数的特征是：对于原码表示的尾数，数值位的最高位应为1，规格化的意义在于尾数的有效位被充分利用，使得表示的数值精度尽可能高。一个浮点数的非规格化表示可以有多种多种，但其规格化表示是唯一唯一的。第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理 对不满足规格化表示的浮点数，要通过左移或右移尾数并修改阶码（减或加）的方法将其化为规格化表示格式，对浮点数的这种处理称为浮点数的规格化操作。例如：对于二进制数0.0001111，其规格化操作为：尾数左移3次，阶码减3，则有规格化的结果为：0.1111

44、2-3。第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理（2）数值精度与范围 浮点数实际由两个定点数组成，示意如下：数符数符 阶码阶码E（m位）位）尾数（尾数（n位）位）阶码是一个定点整数，用于指出小数点在数据中的位置位置，它的位数m决定了浮点数的表示范围表示范围。尾数一般为定点小数，它的长度n决定了浮点数的精度，即有效数字的位数有效数字的位数。为了既保证足够大的数值范围，又要保证所要求的精度，合理地选择合理地选择m和和n的值是十分必要的的值是十分必要的。第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理（3）机器零）机器零 任何有限位数的浮点

45、数，只能表示实数的一个子集，而且所表示的相对精度也是有限的；因此规定：对一个浮点数，当尾数为0时，不论其阶码为何值，或者当阶码的值比它所能表示的最小值还小时，不管尾数的值如何，这两种情况计算机都把它看作0，称作“机器零机器零”第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理结论：结论：同样位数的二进制数位，采用浮点表示法比定点表示法所表示的数值范围和精度都要大。随着硬件成本的下降，大多数计算机系统，包括微机都提供了浮点数表示和运算功能。第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理1.3.4 机器数与真值机器数与真值 第一章第一章 微型计算

46、机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理机器数的特点为：(1)数的符号用二进制数码化二进制数码化，0代表+，1代表-，符号位通常放在数据的最高位最高位。(2)小数点本身是隐含的，不占用不占用储存空间。(3)每个机器数所占的二进制位数受机器硬件规模的限制限制，超过机器字长的数值要舍去舍去。第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理1.3.5 1.3.5 原码、反码与补码原码、反码与补码 1.原码、反码和补码的表示方法原码、反码和补码的表示方法（1 1）原码）原码 对字长为对字长为

47、n n位的原码数有：位的原码数有：最高位为符号位0 正数1 负数+4原=0 000 0100B4原=1 000 0100B后面后面n-1 1位是其数值。位是其数值。八位原码数的举例：八位原码数的举例：第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理原码的特点：原码的特点：(1)数值部分即为该带符号数的二进制值。(2)“0”有+0和-0之分，若字长为八位，则：(+0)原0 0000000，(0)原1 0000000(3)8位二进制原码能表示的数值范围为：0111111111111111，即+127127。第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与

48、工作原理（2）反码反码+5原=+5反=0 000 0101B5原=1 000 0101B正数的反码与其原码相同。正数的反码与其原码相同。负数的反码除符号位外将原码求反。负数的反码除符号位外将原码求反。5反=1 111 1010B第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理反码的特点：反码的特点：(1)+0+0反反=00000000B -0=00000000B -0反反=11111111B=11111111B (2)8位二进制反码所能表示的数值范围为：+127127，（0111111110000000）一般地，对于n位字长的计算机来说，其反码表示的数值范围为2 2n

49、-1n-1-1-1-2-2n-1n-1+1+1。(3)8位带符号数用反码表示时：若最高位为“0”，则后面的7位即为数值；若最高位为“1”，必须把它们按位取反按位取反，才是该负数的二进制值。第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理（3）补码补码 模和同余的概念模和同余的概念 ：*一个计量器的容量或一个计量单位，叫做 模或模数，计作M（Mode）。例：时钟的模为：12一个N位二进制计数器的模为：2n第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理 *如果两个整数a、b，用某一整数M去除，所得 余数余数相同，则称a、b对模M是同余同余的，此

50、时称 a、b在以以M为模时是相等为模时是相等的。记作：a=b (mod M)例：例：13=1 (mod 12)第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理*由同余的概念可以得出若干性质性质：)a+M=a (mod M)a+nM=a (mod M，n为整数)即即有：有：M M0 当a为负数时，利用上式，负数就可化为化为正数了。第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理 例：a=-3 在以12为模时，则有：-3+12=-3（mod 12）即：9=-3（mod 12）对此，我们称-3的补码为+9（mod 12）第一章第一章 微型计算机的系