1、第四节 微型计算机基础 1 4 1计算机中的数制及相互转换 1 4 1 1进位计数制 按进位原则进行计数的方法 称为进位计数制 1 十进制数 Decimal 两个主要特点 1 有10个不同的数字符号 0 1 2 9 2 低位向高位进位的规律是 逢十进一 因此 同一个数字符号在不同的数位所代表的数值是不同的 如555 5中4个5分别代表500 50 5和0 5 这个数可以写成555 5 5 102 5 101 5 100 5 10 1 式中的 10 称为十进制的基数10 101 100 10 1称为各数位的权 任意一个十进制数N都可以表示成按权展开的多项式 其中 di是0 9共10个数字中的任意
2、一个 m是小数点右边的位数 n是小数点左边的位数 i是数位的序数 例如 543 21可表示为543 21 5 102 4 101 3 100 2 10 1 1 10 2 一般而言 对于用R进制表示的数N 可以按权展开为 式中 ai是0 1 R 1 中的任一个 m n是正整数 R是基数 在R进制中 每个数字所表示的值是该数字与它相应的权Ri的乘积 计数原则是 逢R进一 2 二进制数 Binary 当R 2时 称为二进位计数制 简称二进制 在二进制数中 只有两个不同数码 0和1 进位规律为 逢二进一 任何一个数N 可用二进制表示为 例如 二进制数1011 01可表示为 1011 01 2 1 23
3、 0 22 1 21 1 20 0 2 1 1 2 2 3 八进制数 Octal 当R 8时 称为八进制 在八进制中 有0 1 2 7共8个不同的数码 采用 逢八进一 的原则进行计数 如 503 8可表示为 503 8 5 82 0 81 3 80 4 十六进制 Hexadecimal 当R 16时 称为十六进制 在十六进制中 有0 1 2 9 A B C D E F共16个不同的数码 进位方法是 逢十六进一 例如 3A8 0D 16可表示为 3A8 0D 16 3 162 10 161 8 160 0 16 1 13 16 2 表1 1各种进位制的对应关系 1 4 1 2不同进制间的相互转换
4、 1 十六进制转换成十进制 按权展开法 例1将数 10 101 2 46 12 8 2D A4 16转换为十进制 10 101 2 1 21 0 20 1 2 1 0 2 2 1 2 3 2 625 2D A4 16 2 161 13 160 10 16 1 4 16 2 45 64062 2 二进制与十六进制之间的相互转换 由于24 16 故可采用 合四为一 的原则 即从小数点开始分别向左 右两边各以4位为一组进行二 十六换算 若不足4位的以0补足 便可将二进制数转换为十六进制数 反之 采用 一分为四 的原则 每位十六进制数用四位二进制数表示 就可将十六进制数转换为二进制数 例2将 1101
5、01 011 2转换为十六进制数 00110101 0110 35 6 即 110101 011 2 35 6 16 例3将 4A5B 6C 16转换为二进制数 即 4A5B 6C 16 100101001011011 011011 2 3 十进制数转换成二 八 十六进制数任意十进制数N转换成R进制数 需将整数部分和小数部分分开 采用不同方法分别进行转换 然后用小数点将这两部分连接起来 1 整数部分 除基取余法 分别用基数R不断地去除N的整数 直到商为零为止 每次所得的余数依次排列即为相应进制的数码 最初得到的为最低有效数字 最后得到的为最高有效数字 例4将 168 10转换成二 八 十六进制
6、数 2 小数部分 乘基取整法 分别用基数R R 2 8或16 不断地去乘N的小数 直到积的小数部分为零 或直到所要求的位数 为止 每次乘得的整数依次排列即为相应进制的数码 最初得到的为最高有效数字 最后得到的为最低有效数字 例5 0 625D B H 1 4 2二进制数的运算 1 4 2 1二进制数的算术运算 二进制数只有0和1两个数字 其算术运算较为简单 加 减法遵循 逢二进一 借一当二 的原则 1 加法运算 规则 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 10 有进位 例1求1001B 1011B 2 减法运算 规则 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 有借位 例2求1100
7、B 111B 3 乘法运算 规则 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 例3求1011B 1101B 即10100101B 1111B 1011B 4 除法运算 规则 0 1 0 1 1 1 例4求10100101B 1111B 1 4 2 2二进制数的逻辑运算 1 与 运算 与 运算是实现 必须都有 否则就没有 这种逻辑关系的一种运算 运算符为 其运算规则如下 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 例5若X 1011B Y 1001B 求X Y 即X Y 1001B 2 或 运算 或 运算是实现 只要其中之一有 就有 这种逻辑关系的一种运算 其运算符为 或 运算规则如下 0 0
8、0 0 1 1 0 1 1 1 1 例6若X 10101B Y 01101B 求X Y 101010110111101 即X Y 11101B 3 非 运算 非 运算是实现 求反 这种逻辑的一种运算 如变量A的 非 运算记作 其运算规则如下 例7若A 10101B 求 4 异或 运算 异或 运算是实现 必须不同 否则就没有 这种逻辑的一种运算 运算符为 其运算规则是 例8若X 1010B Y 0110B 求X Y 101001101100 即X Y 1100B 1 4 3带符号数的表示 1 4 3 1机器数及真值 计算机在数的运算中 不可避免地会遇到正数和负数 那么正负符号如何表示呢 由于计算
9、机只能识别0和1 因此 我们将一个二进制数的最高位用作符号位来表示这个数的正负 规定符号位用 0 表示正 用 1 表示负 例如 X 1101010B Y 1101010B 则X表示为 11101010B Y表示为01101010B 1 4 3 2数的码制 1 原码 当正数的符号位用0表示 负数的符号位用1表示 数值部分用真值的绝对值来表示的二进制机器数称为原码 用 X 原表示 设X为整数 若X Xn 2Xn 3 X1X0 则 X 原 0Xn 2Xn 3 X1X0 X 若X Xn 2Xn 3 X1X0 则 X 原 1Xn 2Xn 3 X1X0 2n 1 X 其中 X为n 1位二进制数 Xn 2
10、Xn 3 X1 X0为二进制数0或1 例如 115和 115在计算机中 设机器数的位数是8 其原码可分别表示为 115 原 01110011B 115 原 11110011B 可见 真值X与原码 X 原的关系为 值得注意的是 由于 0 原 00000000B 而 0 原 10000000B 所以数0的原码不唯一 8位二进制原码能表示的范围是 127 127 2 反码 一个正数的反码 等于该数的原码 一个负数的反码 由它的正数的原码按位取反形成 反码用 X 反表示 若X Xn 2Xn 3 X1X0 则 X 反 1Xn 2Xn 3 X1X0 例如 X 103 则 X 反 X 原 01100111B
11、 X 103 X 原 11100111B 则 X 反 10011000B 3 补码 模 是指一个计量系统的计数量程 如 时钟的模为12 任何有模的计量器 均可化减法为加法运算 仍以时钟为例 设当前时钟指向11点 而准确时间为7点 调整时间的方法有两种 一种是时钟倒拨4小时 即11 4 7 另一种是时钟正拨8小时 即11 8 12 7 7 由此可见 在以12为模的系统中 加8和减4的效果是一样的 即 4 8 mod12 对于n位计算机来说 数X的补码定义为 即正数的补码就是它本身 负数的补码是真值与模数相加而得 例如 n 8时 73 补 01001001B 73 补 10000000B 0100
12、1001B 10110111B 可见 数0的补码表示是唯一的 在用补码定义求负数补码的过程中 由于做减法不方便 一般该法不用 负数补码的求法 用原码求反码 再在数值末位加1 即 X 补 X 反 1 例如 30 补 30 反 1 30 原 1 11100001 1 11100010B 8位二进制补码能表示的范围为 128 127 若超过此范围 则为溢出 在微型计算机中 带符号数都以补码数的形式存放 1 4 4数据格式与数的表示范围8位二进制数1 无符号数 00H FFH 0 2552 带符号补码数 D7符号位 表示数的补码 00 7FH 符号位为0 正数 0 12780H FFH 符号位为1 负
13、数的补码 128 18位带符号二进制数据的表示范围是 128 127 1 4 5BCD码和ASCII码 1 4 5 1BCD码 表1 28421BCD编码表 例1写出69 25的BCD码 根据表1 2 可直接写出相应的BCD码 69 25 01101001 00100101 BCD 1 4 5 2ASCII码 表1 3ASCII码表 1 4 6微型计算机的组成及工作过程 1 4 6 1基本组成 图1 1微型计算机的基本组成 1 中央处理器CPU CPU CentralProcessingUnit 是计算机的核心部件 它由运算器和控制器组成 完成计算机的运算和控制功能 运算器又称算术逻辑部件 A
14、LU AithmctiealLogicUnit 主要完成对数据的算术运算和逻辑运算 控制器 Controller 是整个计算机的指挥中心 它负责从内部存储器中取出指令并对指令进行分析 判断 并根据指令发出控制信号 使计算机的有关部件及设备有条不紊地协调工作 保证计算机能自动 连续地运行 CPU中还包括若干寄存器 Register 它们的作用是存放运算过程中的各种数据 地址或其它信息 寄存器种类很多 主要有 通用寄存器 向ALU提供运算数据 或保留运算中间或最终的结果 累加器A 这是一个使用相对频繁的特殊的通用寄存器 有重复累加数据的功能 程序计数器PC 存放将要执行的指令地址 指令存储器IR
15、存放根据PC的内容从存储器中取出的指令 在微型计算机中 CPU一般集成在一块被称为微处理器 MPU MicroProcessingUnit 的芯片上 两个决定CPU性能的重要指标 1 字长字长指的是计算机一次能够并行传送 处理的二进制数的位数 例如 8位机 如51单片机CPU能够处理的二进制数是8位 bit 或一个字节 byte 16 bit机呢 字长越长 CPU的处理能力越强 2 寻址范围寻址范围决定了CPU能够寻址的最大的数据或程序空间 由地址总线的数目决定 16根地址线 寻址范围是216字节 即64KB 计算机中210 1024 1K问题 若是一计算机能寻址1MB 则其地址总线有 根地址
16、线 2 存储器M 存储器 Memory 是具有记忆功能的部件 用来存储数据和程序 存储器根据其位置不同可分为两类 内存储器和外存储器 内存储器 简称内存 和CPU直接相连 存放当前要运行的程序和数据 故也称主存储器 简称主存 它的特点是存取速度快 基本上可与CPU处理速度相匹配 但价格较贵 能存储的信息量较小 外存储器 简称外存 又称辅助存储器 主要用于保存暂时不用但又需长期保留的程序和数据 存放在外存的程序必须调入内存才能进行 外存的存取速度相对较慢 但价格较便宜 可保存的信息量大 存储器M的分类 1 随机存取存贮器 RAM RandomAccessMemory 可读可写 使用灵活 断电后
17、不能保存信息 静态动态2 只读存储器 ROM ReadOnlyMemory 存储的信息固定 不易丢失 断电后可以保持信息 不能随时写入信息 掩膜ROM 信息一次也不能改变 可编程的PROM ProgrammableROM 可写一次 用专门编程器光可擦可编程EPROM ErasablePROM 可改写 紫外线 可对整个芯片擦除和改写多次 电可擦可编程EEPROM ElectricallyEPROM 用电写入或改写 可改写一个或多个字节 可改写多次 3 输入 输出接口 I O接口 输入 输出 I O 接口由大规模集成电路组成的I O器件构成 用来连接主机和相应的I O设备 如 键盘 鼠标 显示器
18、打印机等 使得这些设备和主机之间传送的数据 信息在形式上和速度上都能匹配 不同的I O设备必须配置与其相适应的I O接口 4 总线 总线 BUS 是计算机各部件之间传送信息的公共通道 微机中有内部总线和外部总线两类 内部总线是CPU内部部件之间的连线 外部总线是指CPU与其它部件之间的连线 外部总线有三种 数据总线DB DataBus 地址总线AB AddressBus 和控制总线CB ControlBus 1 6 2计算机软件1 指令 使计算机完成某种基本操作的命令 即规定输入某个特定二进制码时 CPU发出命令完成的一个特定的操作 例 E5H20H MOVA20H CPU发出命令把地址为20
19、H的内部RAM单元中存放的内容传送到累加器A中 因为面向计算机 所以称之为机器语言或机器码 优点 计算机可直接识别 执行速度快缺点 不易记忆 容易出错 2 汇编语言用助记符 英文缩写 来代替操作数 例 MOVA 20H通过人工汇编或自动汇编为机器码执行 助记符和机器码之间一一对应 优点 比机器码容易记忆 理解 面向机器 快 缺点 通用性差 3 高级语言BASIC FORTRAN C 执行时 需编译或解释为机器语言才能被计算机识别 执行 优点 面向用户 人机界面友好 掌握容易 移植性好 缺点 占内存 执行速度比机器码慢 实时性不好 4 系统软件5 应用软件 1 4 6 3基本工作过程 根据冯 诺
20、依曼原理构成的现代计算机的工作原理可概括为 存储程序和程序控制 存储程序是指人们必须事先把计算机的执行步骤序列 即程序 及运行中所需的数据 通过一定的方式输入并存储在计算机的存储器中 程序控制是指计算机能自动地逐一取出程序中的一条条指令 加以分析并执行规定的操作 电源接通 PC 0000H ProgramCounter 1 取指1 PC值地址寄存器AR AddressRegister 2 PC 1PC3 由AR选中内存单元地址4 CPU发出读命令5 指令 代码 通过数据总线送入指令寄存译码器 2 执行指令被取出后送入指令寄存器IR InstrctionRegister 由控制器中的译码器对指令进行分析 识别不同的指令类别及各种获得操作数的方法 接着 操作进入指令执行阶段 以MOVA 20H为例 将内部RAM单元20H的内容送入A 执行完后 又开始取指 执行 直到程序结束
