第1章　微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)概論[視頻講解]

主要內(nèi)容：

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一、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

1微型機(jī)的工作原理

馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的工作原理→存儲(chǔ)程序工作原理

（1）存儲(chǔ)程序原理

●將計(jì)算過(guò)程描述為由許多條指令按一定順序組成的程序，并放入存儲(chǔ)器保存；

●指令按其在存儲(chǔ)器中存放的順序執(zhí)行；

●由控制器控制整個(gè)程序和數(shù)據(jù)的存取以及程序的執(zhí)行。

（2）馮·諾依曼計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)

（3）馮·諾依曼機(jī)的工作過(guò)程

取一條指令的工作過(guò)程：

將指令所在地址賦給程序計(jì)數(shù)器PC；

PC內(nèi)容送到地址寄存器AR，PC自動(dòng)加1；

把AR的內(nèi)容通過(guò)地址總線送至內(nèi)存儲(chǔ)器，經(jīng)地址譯碼器譯碼，選中相應(yīng)單元；

CPU的控制器發(fā)出讀命令；

在讀命令控制下，把所選中單元的內(nèi)容（即指令操作碼）讀到數(shù)據(jù)總線DB；

把讀出的內(nèi)容經(jīng)數(shù)據(jù)總線送到數(shù)據(jù)寄存器DR；

指令譯碼；

因?yàn)槿〕龅氖侵噶畹牟僮鞔a，故數(shù)據(jù)寄存器DR把它送到指令寄存器IR，然后再送到指令譯碼器ID。

（4）馮·諾依曼機(jī)的特點(diǎn)和不足

①特點(diǎn)：程序存儲(chǔ)，共享數(shù)據(jù)，順序執(zhí)行。屬于順序處理機(jī)，適合于確定的算法和數(shù)值數(shù)據(jù)的處理。

②不足：與存儲(chǔ)器間有大量數(shù)據(jù)交互，對(duì)總線要求很高；執(zhí)行順序有程序決定，對(duì)大型復(fù)雜任務(wù)較困難；以運(yùn)算器為核心，處理效率較低；由PC控制執(zhí)行順序，難以進(jìn)行真正的并行處理。

（5）典型的非馮·諾依曼機(jī)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)

當(dāng)指令具有所需數(shù)據(jù)、且輸出端沒(méi)有數(shù)據(jù)時(shí)就可執(zhí)行。

2微機(jī)系統(tǒng)的基本組成

（1）硬件系統(tǒng)

①微處理器

微處理器簡(jiǎn)稱CPU，是計(jì)算機(jī)的核心。

主要包括：

②存儲(chǔ)器

定義：用于存放計(jì)算機(jī)工作過(guò)程中需要操作的數(shù)據(jù)和程序。

與內(nèi)存有關(guān)的幾個(gè)概念：

▲內(nèi)存單元的地址和內(nèi)容

▲內(nèi)存容量

▲內(nèi)存的操作

▲內(nèi)存的分類

▲內(nèi)存按單元組織

▲每單元都對(duì)應(yīng)一個(gè)地址，以方便對(duì)單元的尋址

內(nèi)存容量：所含存儲(chǔ)單元的個(gè)數(shù)，以字節(jié)為單位內(nèi)存容量的大小依CPU的尋址能力而定；實(shí)地址模式下為CPU地址信號(hào)線的位數(shù)。

內(nèi)存操作

讀：將內(nèi)存單元的內(nèi)容取入CPU，原單元內(nèi)容不改變。

寫：CPU將信息放入內(nèi)存單元，單元中原來(lái)的內(nèi)容被覆蓋。

內(nèi)存儲(chǔ)器的分類：

③輸入/輸出接口

接口是CPU與外部設(shè)備間的橋梁

接口的分類：

接口的功能：

數(shù)據(jù)緩沖寄存

信號(hào)電平或類型的轉(zhuǎn)換

實(shí)現(xiàn)主機(jī)與外設(shè)間的運(yùn)行匹配

④總線

基本概念

分類

工作原理

常用系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)及其主要技術(shù)指標(biāo)

（具體內(nèi)容見(jiàn)后續(xù)課程）

（2）軟件系統(tǒng)

軟件：為運(yùn)行、管理和維護(hù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或?yàn)閷?shí)現(xiàn)某一功能而編寫的各種程序的總和及其相關(guān)資料。

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二、計(jì)算機(jī)中的數(shù)制及編碼

數(shù)制和編碼的表示

各種記數(shù)制之間的相互轉(zhuǎn)換

1常用記數(shù)制

例：

234.98D或（234.98）_D

1101.11B或（1101.11）_B

ABCD.BFH或（ABCD.BF）_H

2各種數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換

（1）非十進(jìn)制數(shù)到十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換

按相應(yīng)的權(quán)值表達(dá)式展開(kāi)

例：

1011.11B＝1×2³＋0×2²＋1×2¹＋1×2⁰＋1×2^－1＋1×2^－2＝8＋2＋1＋0.5＋0.25＝11.75

5B.8H＝5×16¹＋11×16⁰＋8×16^－1＝80＋11＋0.5＝91.5

（2）十進(jìn)制到非十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換

到二進(jìn)制的轉(zhuǎn)換：

對(duì)整數(shù)：除2取余；

對(duì)小數(shù)：乘2取整。

到十六進(jìn)制的轉(zhuǎn)換：

對(duì)整數(shù)：除16取余；

對(duì)小數(shù)：乘16取整。

（3）二進(jìn)制與十六進(jìn)制間的轉(zhuǎn)換

用4位二進(jìn)制數(shù)表示1位十六進(jìn)制數(shù)

例：

25.5＝11001.1B＝19.8H

11001010.0110101B＝CA.6AH

3計(jì)算機(jī)中的編碼

BCD碼：用二進(jìn)制編碼表示的十進(jìn)制數(shù)

ASCII碼：西文字符編碼

（1）BCD碼

壓縮BCD碼

用4位二進(jìn)制碼表示一位十進(jìn)制數(shù)，每4位之間有一個(gè)空格

擴(kuò)展BCD碼

用8位二進(jìn)制碼表示一位十進(jìn)制數(shù)，每4位之間有一個(gè)空格。

BCD碼與二進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換

先轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)，再轉(zhuǎn)換二進(jìn)制數(shù)；反之同樣。

例：

（0001 0001.0010 0101）_BCD＝11.25＝（1011.01）_B

（2）ASCII碼

西文字符的編碼，一般用7位二進(jìn)制碼表示。

D₇位為校驗(yàn)位，默認(rèn)情況下為0。

要求：

理解校驗(yàn)位的作用

熟悉0～F的ASCII碼

ASCII碼的奇偶校驗(yàn)

奇校驗(yàn)：加上校驗(yàn)位后編碼中“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)。

例：

A的ASCII碼是41H（1000001B）

以奇校驗(yàn)傳送則為C1H（11000001B）

偶校驗(yàn)：加上校驗(yàn)位后編碼中“1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù)。

上例若以偶校驗(yàn)傳送，則為41H。

三、無(wú)符號(hào)二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算

主要內(nèi)容

無(wú)符號(hào)二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運(yùn)算

無(wú)符號(hào)數(shù)的表達(dá)范圍

運(yùn)算中的溢出問(wèn)題

無(wú)符號(hào)數(shù)的邏輯運(yùn)算

基本邏輯門和譯碼器

1二進(jìn)制的算術(shù)運(yùn)算

加法運(yùn)算：1＋1＝0（有進(jìn)位）

減法運(yùn)算：0－1＝1（有借位）

乘法運(yùn)算

除法運(yùn)算

乘除運(yùn)算

例：

00001011×0100＝00101100B

00001011÷0100＝00000010B

即：商＝00000010B

余數(shù)＝11B

2無(wú)符號(hào)數(shù)的表示范圍

0≤X≤2ⁿ－1

若運(yùn)算結(jié)果超出這個(gè)范圍，則產(chǎn)生溢出。

對(duì)無(wú)符號(hào)數(shù)：運(yùn)算時(shí)，當(dāng)最高位向更高位有進(jìn)位（或借位）時(shí)則產(chǎn)生溢出。

3二進(jìn)制數(shù)的邏輯運(yùn)算

與、或、非、異或

掌握：

與、或、非門邏輯符號(hào)和邏輯關(guān)系（真值表）；

與非門、或非門的應(yīng)用；

“與”、“或”運(yùn)算。

“與”運(yùn)算：任何數(shù)和“0”相“與”，結(jié)果為0。

“或”運(yùn)算：任何數(shù)和“1”相“或”，結(jié)果為1。

“非”“異或”運(yùn)算。

“非”運(yùn)算：按位求反

“異或”運(yùn)算：相同則為0，相異則為1

4譯碼器

掌握：

74LS138譯碼器

各引腳功能

輸入端與輸出端關(guān)系（真值表）

四、有符號(hào)二進(jìn)制數(shù)的表示及運(yùn)算

計(jì)算機(jī)中符號(hào)數(shù)的表示

機(jī)器數(shù)

計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)

構(gòu)成：

符號(hào)位＋真值

“0”→表示正

“1”→表示負(fù)

例：

1有符號(hào)數(shù)的表示方法

機(jī)器數(shù)的表示方法：

原碼

反碼

補(bǔ)碼

（1）原碼

最高位為符號(hào)位（用“0”表示正，用“1”表示負(fù)），其余為真值部分。

優(yōu)點(diǎn)：真值和其原碼表示之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系簡(jiǎn)單，容易理解；

缺點(diǎn)：計(jì)算機(jī)中用原碼進(jìn)行加減運(yùn)算比較困難。

0的表示不唯一。

數(shù)0的原碼

8位數(shù)0的原碼：

＋0＝0 0000000

－0＝1 0000000

即：數(shù)0的原碼不唯一。

（2）反碼

對(duì)一個(gè)機(jī)器數(shù)X：

若X＞0，則[X]_反＝[X]_原

若X＜0，則[X]_反＝對(duì)應(yīng)原碼的符號(hào)位不變，數(shù)值部分按位求反

例：

X＝－2＝－110100

[X]_原＝1 0110100

[X]_反＝1 1001011

0的反碼：

[＋0]_反＝00000000

[－0]_反＝11111111

即：數(shù)0的反碼也不是唯一的。

（3）補(bǔ)碼

定義：

若X＞0，則[X]_補(bǔ)＝[X]_反＝[X]_原

若X＜0，則[X]_補(bǔ)＝[X]_反＋1

例：

X＝－52＝－110100

[X]_原＝10110100

[X]_反＝11001011

[X]_補(bǔ)＝[X]_反＋1＝11001100

0的補(bǔ)碼：

[＋0]_補(bǔ)＝[＋0]_原＝00000000

特殊數(shù)10000000

對(duì)無(wú)符號(hào)數(shù)：（10000000）_B＝128

在原碼中定義為：－0

在反碼中定義為：－127

在補(bǔ)碼中定義為：－128

符號(hào)數(shù)的表示范圍

對(duì)8位二進(jìn)制數(shù)：

原碼：－127～＋127

反碼：－127～＋127

補(bǔ)碼：－128～＋127

2補(bǔ)碼數(shù)與十進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換

對(duì)用補(bǔ)碼表示的二進(jìn)制數(shù)：

1）求出真值

2）進(jìn)行轉(zhuǎn)換

3符號(hào)數(shù)的算術(shù)運(yùn)算

通過(guò)引進(jìn)補(bǔ)碼，可將減法運(yùn)算轉(zhuǎn)換為加法運(yùn)算。

即：[X＋Y]_補(bǔ)＝[X]_補(bǔ)＋[Y]_補(bǔ)

[X－Y]_補(bǔ)＝[X＋(－Y)]_補(bǔ)＝[X]_補(bǔ)＋[－Y]_補(bǔ)

注：運(yùn)算時(shí)符號(hào)位須對(duì)齊

例：

X＝－0110100，Y＝＋1110100，求X＋Y＝？

[X]_原＝10110100

[X]_補(bǔ)＝[X]_反＋1＝11001100

[Y]_補(bǔ)＝[Y]_原＝01110100

[X＋Y]_補(bǔ)＝[X]_補(bǔ)＋[Y]_補(bǔ)＝11001100＋01110100＝01000000

X＋Y＝＋1000000

為什么補(bǔ)碼可以把減法變成加法？

從10進(jìn)制來(lái)說(shuō)：

減一，和加99，效果相同嗎？

在100之內(nèi)，它們就是相同的。99，就是1的補(bǔ)數(shù)，100就是模。

從8位2進(jìn)制來(lái)說(shuō)：

減一，和加255，效果也是相同的。

255，就是1的補(bǔ)碼，二進(jìn)制數(shù)1 0000 0000就是模，即十進(jìn)制的256。

求出補(bǔ)碼后，就可以用“加補(bǔ)碼”完成減法運(yùn)算。原理就是上述的“同模”理論。

如果結(jié)果的數(shù)字太大，超出了256所能容納的范圍，就是溢出。溢出了，并沒(méi)有解決的辦法。

反碼＋1的方式，只是經(jīng)驗(yàn)公式而已，沒(méi)有原理。它說(shuō)明不了－128的補(bǔ)碼。因?yàn)樵?位二進(jìn)制的條件下，－128并沒(méi)有反碼。

符號(hào)數(shù)運(yùn)算中的溢出問(wèn)題

兩個(gè)帶符號(hào)二進(jìn)制數(shù)相加或相減時(shí)，若運(yùn)算結(jié)果超出可表達(dá)范圍，則產(chǎn)生溢出。

溢出的判斷方法：

最高位進(jìn)位狀態(tài)⊕次高位進(jìn)位狀態(tài)＝1，則結(jié)果溢出。

例：

若：X＝01111000，Y＝01101001

則：

次高位向最高位有進(jìn)位，而最高位向前無(wú)進(jìn)位，產(chǎn)生溢出。

（事實(shí)上，兩正數(shù)相加得出負(fù)數(shù)，結(jié)果出錯(cuò)）

第1章難點(diǎn)：補(bǔ)碼的概念及其運(yùn)算

習(xí)題：

1.3　完成下列數(shù)制的轉(zhuǎn)換。

（1）10100110B＝（166）D＝（A6）H

（2）0.11B＝（0.75）D

（3）253.25＝（11111101.01）B＝（FD.4）H

（4）1011011.101B＝（5B.A）H＝（10010001.011000100101）BCD

1.6　寫出符號(hào)數(shù)101101011B的反碼和補(bǔ)碼。