1、2022-3-201 第一章第一章 計算機硬件基礎計算機硬件基礎 1.1計算機硬件的發展概況計算機硬件的發展概況 1.2微型計算機運算基礎微型計算機運算基礎 1.3微型計算機系統微型計算機系統 1.4微型計算機基本工作原理微型計算機基本工作原理 2022-3-2021.1 計算機硬件的發展概況計算機硬件的發展概況 1946年，世界上出現第一臺數字式電子計算機年，世界上出現第一臺數字式電子計算機ENIAC（電子數字積分機和計算機）（電子數字積分機和計算機） ENIAC= Electronic Numerical Integrator and Computer（電子數字積分機和計算機）（電子數字積

2、分機和計算機） 這一龐然大物裝有這一龐然大物裝有18,800個電子管，占地個電子管，占地170平方米，總重量達平方米，總重量達30噸，耗資近噸，耗資近100萬美元，萬美元，不過它還沒有引入不過它還沒有引入CPU的概念的概念2022-3-203按性能可分為：巨型機，大型機，按性能可分為：巨型機，大型機， 中型機，小型機，微型機中型機，小型機，微型機 現代計算機的結構基礎：存儲程序控制結構現代計算機的結構基礎：存儲程序控制結構1945年，美籍匈牙利數學家年，美籍匈牙利數學家John Von Neumann提出提出, 馮馮諾依曼計算機諾依曼計算機ENIAC (1946)掌上電腦掌上電腦(2000)2

3、022-3-204諾依曼計算機的工作原理可概述為：諾依曼計算機的工作原理可概述為：“存儲程序存儲程序” + “程序控制程序控制”要點：要點：1以二進制表示數據和指令以二進制表示數據和指令(程序程序) 2. 先將程序存入存儲器中，再由控制器自動讀取并執行先將程序存入存儲器中，再由控制器自動讀取并執行輸輸入入設設備備控制器控制器輸輸出出設設備備 CPU 存儲器存儲器運算器運算器ALU2022-3-205 1. 根據使用的基本電子器件，計算機經歷了四個階段：根據使用的基本電子器件，計算機經歷了四個階段：電子管計算機電子管計算機(19461956) 晶體管計算機晶體管計算機(19571964)集成電路

4、計算機集成電路計算機(19651970)超大規模集成超大規模集成電路計算機電路計算機(1971至今至今)l 用機器語言、匯編語言編寫程序用機器語言、匯編語言編寫程序l 用于軍事和國防尖端技術用于軍事和國防尖端技術l 開始使用高級語言開始使用高級語言l 開始用于工程技術、數據處理和開始用于工程技術、數據處理和l 其它科學領域其它科學領域l 采用微程序、流水線等技術，采用微程序、流水線等技術，l 提高運行速度提高運行速度l 出現操作系統、診斷程序等軟件出現操作系統、診斷程序等軟件l 采用半導體存儲器采用半導體存儲器l 采用圖形界面操作系統采用圖形界面操作系統l 器件速度更快器件速度更快, 軟件、外

5、設更加豐富軟件、外設更加豐富 主要特點2022-3-2062計算機的兩個發展方向：計算機的兩個發展方向： 研制高速度、強功能的巨型機和大型機研制高速度、強功能的巨型機和大型機 適應軍事和尖端科學的需要。適應軍事和尖端科學的需要。 研制價格低廉的超小型機和微型機研制價格低廉的超小型機和微型機 開拓應用領域和占領更廣大的市場。開拓應用領域和占領更廣大的市場。 微型計算機是第四代計算機的典型代表。微型計算機是第四代計算機的典型代表。2022-3-2073.計算機發展趨勢計算機發展趨勢 微型化微型化 便攜式、低功耗便攜式、低功耗 巨型化巨型化 尖端科技領域的信息處理，需要超大容量、高尖端科技領域的信息

6、處理，需要超大容量、高速度速度 智能化智能化 模擬人類大腦思維和交流方式，多種處理能力模擬人類大腦思維和交流方式，多種處理能力 系列化、標準化系列化、標準化 便于各種計算機硬、軟件兼容和升級便于各種計算機硬、軟件兼容和升級 網絡化網絡化 網絡計算機和信息高速公路網絡計算機和信息高速公路 多機系統多機系統大型設備、生產流水線集中管理大型設備、生產流水線集中管理(獨立控制、獨立控制、 故障分散、資源共享故障分散、資源共享)2022-3-2081.1.1 微型計算機的發展微型計算機的發展 發展到以大規模集成電路為主要部件的第四代，發展到以大規模集成電路為主要部件的第四代，產生了微型計算機。產生了微型

7、計算機。 什么是微型計算機？什么是微型計算機？ 以大規模、超大規模集成電路為主要部件，以大規模、超大規模集成電路為主要部件，以集成了計算機主要部件以集成了計算機主要部件控制器和運算器控制器和運算器的微處理器為核心所構造出的計算機系統。的微處理器為核心所構造出的計算機系統。 微處理器（微處理器（Microprocessor）CPU 微型計算機（微型計算機（Microcomputer）2022-3-2091.1.1 微型計算機的發展微型計算機的發展 1971年，年，Intel公司設計了世界上第一個微處理器芯公司設計了世界上第一個微處理器芯片片Intel4004，開創了一個全新的計算機時代。，開創了

8、一個全新的計算機時代。 第第1代：代：4位和低檔位和低檔8位微機位微機 400440408008 第第2代：中高檔代：中高檔8位微機位微機 Z80、I8085、M6800，Apple-II微機微機 第第3代：代：16位微機位微機 8086808880286，IBM PC系列機系列機2022-3-20101.1.1 微型計算機的發展微型計算機的發展 第第4代：代：32位微機位微機 8038680486PentiumPentiumII Pentium III Pentium 4 32位位PC機、機、Macintosh機、機、PS/2機機 64位微機位微機 Itanium、64位位RISC微處理器芯

9、片、微機服微處理器芯片、微機服務器、工程務器、工程 工作站、圖形工作站工作站、圖形工作站2022-3-2011IBM PC機的發展簡史機的發展簡史名名稱稱 推推出出年年代代 采采用用CPU 特特點點 IBM PC 1981 8088 準準16位位微微機機 內內存存尋尋址址1MB DOS操操作作系系統統 IBM PC/XT 1983 8088 比比IBM PC多多一一個個10MB硬硬盤盤 IBM PC/AT 1984 80286 內內存存尋尋址址增增至至16MB 具具有有虛虛擬擬存存儲儲器器功功能能 Windows操操作作系系統統 386機機 486機機 Pentium Pentium II P

10、entium III Pentium 4 1986 1990 1993 1997 1999 2000 80386 80486 Pentium Pentium II PentiumIII Pentium 4 內內存存容容量量更更大大32MB、64MB 支支持持虛虛擬擬8086模模式式 可可執執行行多多任任務務 支支持持多多媒媒體體、網網絡絡技技術術 2022-3-20121.1.2 微型計算機的分類微型計算機的分類 單片機單片機 各功能部件（各功能部件（CPU、RAM、ROM、I/O接接口）集成在同一塊芯片上。口）集成在同一塊芯片上。 單板機單板機 CPU芯片、存儲器芯片、芯片、存儲器芯片、 I

11、/O接口芯片、接口芯片、I/O設備裝配在同一塊印刷電路板上。設備裝配在同一塊印刷電路板上。 多板機（系統機）多板機（系統機） 把微處理器芯片、存儲器芯片、各種把微處理器芯片、存儲器芯片、各種I/O接接口芯片和驅動電路、電源等裝配在不同的印口芯片和驅動電路、電源等裝配在不同的印刷電路板上，各印刷電路板插在主機箱內標刷電路板上，各印刷電路板插在主機箱內標準的總線插槽上，通過系統總線相互連接起準的總線插槽上，通過系統總線相互連接起來。來。2022-3-20131.1.3 微型計算機的應用微型計算機的應用 計算機應用通常分成如下各個領域：計算機應用通常分成如下各個領域： 科學計算，數據處理，實時控制科

12、學計算，數據處理，實時控制 計算機輔助設計，人工智能，計算機輔助設計，人工智能， 由于微型計算機具有如下特點：由于微型計算機具有如下特點： 體積小、價格低體積小、價格低 工作可靠、使用方便、通用性強工作可靠、使用方便、通用性強 所以，可以分為兩個主要應用方向：所以，可以分為兩個主要應用方向：2022-3-20141.1.3 微型計算機的應用微型計算機的應用 用于數值計算、數據處理及信息管理方向用于數值計算、數據處理及信息管理方向 通用微機，例如：通用微機，例如：PC微機微機 功能越強越好、使用越方便越好功能越強越好、使用越方便越好 用于過程控制及智能化儀器儀表方向用于過程控制及智能化儀器儀表方

13、向 專用微機，例如：單片機、工控機專用微機，例如：單片機、工控機 可靠性高、實時性強可靠性高、實時性強 程序相對簡單、處理數據量小程序相對簡單、處理數據量小 將將CPU以及其他主要部件（如以及其他主要部件（如ROM、RAM、I/O接口）都集成在接口）都集成在一個微處理器芯片中一個微處理器芯片中例如：常用的例如：常用的MCS-51、MCS-962022-3-2015嵌入式系統嵌入式系統 嵌入式系統以應用為中心，軟硬件可裁減，適應應嵌入式系統以應用為中心，軟硬件可裁減，適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴格要求的專用計算機系統。性嚴格要

14、求的專用計算機系統。 組成：組成： 嵌入式處理器嵌入式處理器 支持硬件支持硬件 嵌入式操作系統嵌入式操作系統 應用軟件系統應用軟件系統 特點：集系統的應用軟件與硬件于一體、軟件代碼特點：集系統的應用軟件與硬件于一體、軟件代碼少、高度自動化、響應速度快等。少、高度自動化、響應速度快等。2022-3-20161.2 微型計算機運算基礎微型計算機運算基礎1.2.1 概述概述1.2.2 計算機中數值數據的表示計算機中數值數據的表示 1.2.3 計算機中非數值數據的表示計算機中非數值數據的表示 1.2.4 計算機的運算計算機的運算 2022-3-2017數制數制二進制二進制 NB 由由“0”、“1”組成

15、組成, 逢二進一。逢二進一。二進制數構成的代碼是計算機唯一能識二進制數構成的代碼是計算機唯一能識別的機器語言。別的機器語言。八進制八進制No 由由“08”組成，逢八進一。組成，逢八進一。十六進制十六進制NH 由由“09”和和“AF”組成組成,逢逢十六進一。十六進一。十進制十進制ND 由由“09”組成組成,逢十進一。逢十進一。 1.2.1 概述概述2022-3-20181.2.2 計算機中數值數據的表示計算機中數值數據的表示 1. 機器數和真值機器數和真值最高位作符號位：最高位作符號位：“0”表示正表示正“+”， “1”表示負表示負“-”。機器數：把一個數在機器中的表示形式稱機器數：把一個數在機

16、器中的表示形式稱為機器數。為機器數。 在計算機中使用的、連同符號位一在計算機中使用的、連同符號位一起數字化了的數。起數字化了的數。 真值：把原來的實際數本身值叫真值真值：把原來的實際數本身值叫真值(機器數機器數真值真值)。2022-3-2019機器數真值機器數真值機器數機器數真值真值 D7 D0N1 符號位 數值位N2 符號位 數值位N1= = +18N2= -0010010 = -180 0 0 1 0 0 1 01 0 0 1 0 0 1 02022-3-2020機器數的特點機器數的特點:1. 符號數值化符號數值化 2. 有限字長數的范圍受字長限制有限字長數的范圍受字長限制 3. 約定小數

17、點的位置約定小數點的位置2022-3-2021常用術語：常用術語： 1. 位位(bit)能表示的最小數據單位，狀態能表示的最小數據單位，狀態“0”和和“1”。 2. 字節字節(Byte)一個一個8位二進制數稱為一個字節。位二進制數稱為一個字節。字節是計算機處理數據的基本單位，存儲器中字節是計算機處理數據的基本單位，存儲器中每個存儲單元的大小就是一個字節。每個存儲單元的大小就是一個字節。3. 字字(Word)一次可以處理或運算的一組二進制數，一次可以處理或運算的一組二進制數，是計算中信息的基本單元。是計算中信息的基本單元。4. 字長字長(Word Length)指字的二進制數的位數。指字的二進制

18、數的位數。2022-3-2022 一個字節一個字節8位位最高位最高位 最低位最低位微處理器微處理器 一個字一個字 高位字節高位字節 低位字節低位字節 16位位微處理器微處理器 最高位最高位 最低最低位位 一個字一個字 以以8位字長為例：位字長為例： D7為符號位，為符號位，D6D0為數字位。為數字位。若字長為若字長為16位：位：D15為符號位，為符號位，D14D0為數字位。為數字位。D7D0D15D02022-3-20232. 有符號數的機器數表示方法有符號數的機器數表示方法機器數的三種不同編碼形式，即原碼、反機器數的三種不同編碼形式，即原碼、反碼和補碼。碼和補碼。 X原、原、X反反 、X補補

19、 X原原表示機器數，表示機器數，X表示真值。表示真值。2022-3-20241） 原碼原碼最高位為符號位，最高位為符號位，0表示表示 “+”， 1表示表示 “”。數值位與真值數值位相同。數值位與真值數值位相同。設設 X=X1，X2，Xn-1，其中，其中Xi為一位二進制數，為一位二進制數， i=1,2，(n-1) 12n 112n 10 X XX (X 0)1 X XX (X 0)X 當當原2022-3-2025例例: 8位原碼機器數：位原碼機器數： 真值：真值： x1 67 x2 67 B 1000011B 機器數：機器數： x1原原 = 01000011 x2原原 = 110000110的表

20、示：即的表示：即+0和和-0（設字長為（設字長為8位）：位）：+0原原=00000000-0原原=10000000原碼表示簡單直觀，但原碼表示簡單直觀，但0的表示不唯一，加減運算復的表示不唯一，加減運算復雜。雜。2022-3-20262）反碼）反碼 設設 X=X1,X2,，Xn-1，其中，其中Xi為一位二進制數，為一位二進制數， i=1，2，（n-1）12n 10 X XX (X 0)1 2n 11 X XX (X 0)X 當反當)1( 0)0( 1 iiiXXX當當正數的反碼與原碼表示相同。正數的反碼與原碼表示相同。 負數反碼符號位為負數反碼符號位為 1，數值位為原碼數值各位取反。，數值位為

21、原碼數值各位取反。2022-3-2027例：例： 8位反碼機器數：位反碼機器數： x= +4 ： x原原= 00000100 x反反= 00000100 x= -4 ： x原原= 10000100 x反反= 11111011數數0： +0反反= 00000000 -0反反 = 111111112022-3-20283）補碼）補碼 同余的概念：同余的概念： 計算機里表示數據的位數是有限的，當結果超過字長計算機里表示數據的位數是有限的，當結果超過字長范圍時，數據將被截斷范圍時，數據將被截斷(Truncation)。 例：例：+64(0 100 0000)與與+64相加，其結果為相加，其結果為+12

22、8，用，用8位機器數表示時為位機器數表示時為0 000 0000。+128 (=28)與與0在計算機在計算機里表示是一樣的，或稱它們在以里表示是一樣的，或稱它們在以28為模時是相等的。為模時是相等的。 模：一個計量系統所能表示的最大量程。模：一個計量系統所能表示的最大量程。(8位系統：位系統： 28) 同余：若兩個數被一個模除時，其余數是相等的，稱同余：若兩個數被一個模除時，其余數是相等的，稱這兩個數在該模下是同余的，或稱在該模下是相等的。這兩個數在該模下是同余的，或稱在該模下是相等的。2022-3-2029 同余的性質：同余的性質： a+M=a (mod M)； a+nM=a (mod M)

23、； 例：以例：以16為模，為模，-4+16=-4 (mod 16) 12= -4 (mod 16)我們稱我們稱12與與-4對模對模16來說互為補數。來說互為補數。 小結：小結： 通過補數，將負數變成正數通過補數，將負數變成正數(減法變成加法減法變成加法) 計算機字長為計算機字長為n時，其模為時，其模為2n (1 0000) 計算機的序數是從計算機的序數是從0開始的，故開始的，故2n在在n位系統中是無位系統中是無法表示的，它的表示形式與法表示的，它的表示形式與0的表示形式是一樣的。的表示形式是一樣的。2022-3-2030數的補碼與數的補碼與“模模”有關有關“模模”即計數系統的量程。即計數系統的

24、量程。當當X0，X補補= 模模-X。舉例：鐘表對時。舉例：鐘表對時。設時鐘系統設時鐘系統“模模”為為12，標準時間為，標準時間為7點整。點整。8位二進制數的模為：位二進制數的模為： 28 = 256當當X0，X補補= 28 -X = 256 -X= 255 -X+1 = X反碼反碼 + 1 9+-29+-2補補 = 9+10 = 7+12 = 7( = 9+10 = 7+12 = 7(舍棄模舍棄模) )2022-3-2031(2) 補碼求法補碼求法設設X=X1,X2,Xn-1, 其中其中Xi為一位二進制數為一位二進制數, i=1,2,(n-1)n1X 0X2X nn1n2 X 2X0(mod2

25、 )當補或當12n 1 0 X XX XX(X0)12n 11 X XX1 X1 (X0)X 反原反當補當2022-3-2032（1）正數）正數:X原原=X反反=X補補 例：例：+127原原=+127反反=+127補補=01111111 （2）負數）負數: X補補=X反反+1 例：設例：設X= -25= - 0011001X反反=11100110 + 1 X補補=111001112022-3-2033（3）數）數0:+0補補=00000000-0補補=-0反反+1=11111111+1=00000000即：數即：數0的補碼僅有一種形式的補碼僅有一種形式+0補補=-0補補=000（n 位）位）（

26、4）8位補碼中的一個特殊數位補碼中的一個特殊數100000008位補碼中定義為：位補碼中定義為：-1288位數的補碼范圍：位數的補碼范圍：-128+1272022-3-2034數的表示方法數的表示方法十進制數十進制數二進制數二進制數原碼原碼反碼反碼補碼補碼+0+0000000000000000000000000000000+1+0000001000000010000000100000001+2+0000010000000100000001000000010+127+1111111011111110111111101111111-0-0000000100000001111111100000000

27、-1-0000001100000011111110111111111-126-1111110111111101000000110000010-127-1111111111111111000000010000001-128-10000000無法表示無法表示無法表示無法表示100000002022-3-2035（5）由數的補碼，求對應的真值：）由數的補碼，求對應的真值：X補補補補=X原原 例：設例：設X補補=00101110 X原原=00101110 X= =+46 X補補=10010111 11101000 + 1 11101001 X原原=11101001， X=-1101001=-105.

28、2022-3-2036機器數與真值之間的轉換機器數與真值之間的轉換 1)X1=+127，X2=-127，求，求X原原 、X補補 X1原原=X1補補=01111111= 7FH X2原原=11111111= FFH X2補補=10000001= 81H 2)X1=+255，X2=-255 ，求，求X原原 、X補補 X1原原=X1補補=0000000011111111= 00FFH X2原原=1000000011111111= 80FFH X2補補=1111111100000001= FF01H 1. 真值真值機器數機器數2022-3-2037 機器數與真值之間的轉換機器數與真值之間的轉換 1)

29、X1原原= 59H，X2原原= D9H，求真值？，求真值？ X1原原=X2原原=2. 機器數機器數真值真值 注意機器數表示（原碼、補碼）注意機器數表示（原碼、補碼） 注意機器數符號位注意機器數符號位0101100101011001 11011001 X1= B=+89 X2= -1011001B =-89 2) X1補= 59H， X2補= D9H，求真值？ X1= B =+89 X2=-0100111B =-392022-3-2038 小結小結 1. 三種編碼的最高位都是表示符號位。三種編碼的最高位都是表示符號位。2. 對正數，三種編碼都是一樣的，即對正數，三種編碼都是一樣的，即X原原=X反

30、反=X補補 對負數，三種編碼是不同的。對負數，三種編碼是不同的。符號位符號位其余位其余位0真值真值1原碼原碼反碼反碼補碼補碼真值真值按位取反按位取反按位取反按位取反+12022-3-20393. 八位二進制數，不同碼的數值范圍不同：八位二進制數，不同碼的數值范圍不同：4. 計算機采用的碼制不同，則運算器和控制器的結構將不同。小型計算機和微型計算機大都為補碼機。數的范圍數的范圍0的表示的表示原碼原碼-127+127兩種兩種原碼機原碼機反碼反碼-127+127兩種兩種反碼機反碼機補碼補碼-128+127一種一種補碼機補碼機2022-3-20403. 數的定點和浮點表示數的定點和浮點表示定點表示法定

31、點表示法就是小數點在數中的位置固就是小數點在數中的位置固定不變。定不變。浮點表示法浮點表示法就是小數點在數中的位置是就是小數點在數中的位置是浮動的。浮動的。一個二進制數可以表示為：一個二進制數可以表示為：X=2JS S尾數，尾數，J階碼階碼2022-3-20411) 定點數定點數定點純整數定點純整數 當當J=0，且尾數，且尾數S為純整數，定點數只能表示為純整數，定點數只能表示整數。整數。 小數點隱含在最低數值位后。小數點隱含在最低數值位后。定點純小數定點純小數當當J=0，且尾數，且尾數S為純小數，定點數只能表示為純小數，定點數只能表示純小數。純小數。 小數點隱含在最高數值位前。小數點隱含在最高

32、數值位前。2022-3-2042例例1：有如下二個：有如下二個8位二進制數位二進制數 例例2：有例：有例1中同樣兩個數，小數點位置不同中同樣兩個數，小數點位置不同 01 01 01 0 010 10 11 0 0N1:N2:N1=+84N2=-840 1 0 1 01 0 01 0 1 0 11 0 0N1:N2:N1=+0.65625N2=0.656252022-3-20432) 浮點表示法浮點表示法 X=2JS 階碼階碼J可變整數，用補碼表示可變整數，用補碼表示 尾數尾數S可為正、負數，用補碼可為正、負數，用補碼 (或原碼或原碼)表示表示浮點數在機器中表示形式：浮點數在機器中表示形式： 階

33、符 階碼 尾符 尾數規格化表示規格化表示 S Y。 設定設定X=122，Y=37，字長，字長n=8。解解: 十進制計算十進制計算二進制補碼計算二進制補碼計算 122 01111010 - 37 =-37補補 85 1 01010101求真值：正數求真值：正數(01010101)2=852022-3-2059例例3: 計算計算X-Y，X，Y均為正數，且均為正數，且XY。 設定設定 X=64，Y=65，字長，字長n=8。 解解: 十進制計算十進制計算 二進制補碼計算二進制補碼計算64 01000000-65 + 10111111=-65補補- 1 11111111求真值求真值: (11111111

34、)補補=10000001=-12022-3-2060補碼表示的優點：補碼表示的優點： (1) 負數的補碼與對應正數的補碼之間的轉換負數的補碼與對應正數的補碼之間的轉換可用同一方法可用同一方法求補運算實現，因而可簡求補運算實現，因而可簡化硬件。化硬件。 (2) 減法變為加法運算，省去減法器。減法變為加法運算，省去減法器。 (3) 有符號數和無符號數的加法運算可用同一有符號數和無符號數的加法運算可用同一加法器電路完成，結果都是正確的。加法器電路完成，結果都是正確的。2022-3-2061例例4: 計算計算X+Y, X，Y均為正數。均為正數。設定設定X=64,Y=65，字長，字長n=8。解解:十進制

35、計算十進制計算 二進制補碼計算二進制補碼計算6401000000+65+01000001 12910000001此時兩個正數相加，得出負數，顯然是錯此時兩個正數相加，得出負數，顯然是錯誤的。這種情況稱為溢出誤的。這種情況稱為溢出(overflow)。2022-3-2062 3. 3.溢出及判斷溢出及判斷溢出判斷溢出判斷符號位和最高數值位的進位是否相同。符號位和最高數值位的進位是否相同。 運算過程中數據超出允許表示范圍運算過程中數據超出允許表示范圍計算機設置溢出標志位計算機設置溢出標志位 OF 判斷補碼溢出。判斷補碼溢出。2022-3-2063 3. 3.溢出溢出例例 X1=-5, Y1=-2

36、X1=-5, Y1=-2，X2=-105,Y2=-91,X2=-105,Y2=-91,求求X1+Y1X1+Y1、X2+Y2X2+Y21111101111111011-5-5補補1001011110010111-105-105補補 + 11111110 + 11111110 -2-2補補 + 10100101 + 10100101 - 91- 91補補 1 11111001 1 11111001-7-7補補 1 00111100 1 00111100 + + 補補正確，無溢出正確，無溢出正數，有溢出。正數，有溢出。負數相加，同時有進位：負數相加，同時有進位：C1 =1C1 =1、C2=1C2=1

37、，則無溢出；，則無溢出；不同時有進位，則有溢出，結果出錯。不同時有進位，則有溢出，結果出錯。2022-3-2064解：X1補=2DH，Y1補=2EH，X2補=5AH，Y2補=6BH00101101+45補01011010+ 90補 + 00101110 +46補 + 01101011 +107補 0 01011011 +91補 0 11000101 - 補正確，無溢出負數，有溢出正數相加，同時無進位：C1 =0、C2=0，則無溢出；不同時有進位，則有溢出，結果出錯。例例 X1=+45，Y1=+46，X2=+90，Y2=+107，求，求X1+Y1、X2+Y22022-3-2065小結：小結： 1

38、. 補碼運算，參加運算的兩個數和結果均為補補碼運算，參加運算的兩個數和結果均為補碼。碼。 由補碼，求真值：由補碼，求真值：2. 運算時（運算時（1）符號位與數值位一起運算。）符號位與數值位一起運算。 （2）符號位進位自然丟失。）符號位進位自然丟失。 （3）運算條件：結果不溢出）運算條件：結果不溢出 0 0 1 XXXXX補求反加補2022-3-2066例例1：求：求BCD碼的碼的4+3？ 0100 + 0011 0111 結果正確結果正確 例例2：求：求BCD碼的碼的85？ 1000 + 0101 1101 非法非法BCD 8+5 =(00010011)BCD2. BCD碼運算及其十進制調整碼

39、運算及其十進制調整2022-3-2067十進制調整十進制調整-對二進制運算結果進行調整對二進制運算結果進行調整,符合十進制運算和進位的規律。符合十進制運算和進位的規律。 調整規則調整規則:1. 若兩個若兩個BCD數相加結果大于數相加結果大于9(1001)時，則時，則應作加應作加6(0110)修正。修正。 2. 若兩個若兩個BCD數相加結果在本位上并不大于數相加結果在本位上并不大于9，但卻產生了進位，相當于十進制運算大于，但卻產生了進位，相當于十進制運算大于等于等于16，則也應加，則也應加6修正。修正。2022-3-2068例例3: 求求BCD碼的碼的54+48 =?0101 0100 + 01

40、00 10001001 1100 加6修正 +01101010 0010 高4位加6修正 + 0110 0001 0000 0010 1 0 2 2022-3-2069例例4: 求求BCD碼的碼的9+8=?0000 1001 + 0000 10000001 0001 產生進位,加6修正 +01100001 0111 1 72022-3-20701.3 微型計算機系統微型計算機系統 在物理結構上，計算機裝置由：在物理結構上，計算機裝置由：運算器、控制器、存儲器以及輸入和輸出設備運算器、控制器、存儲器以及輸入和輸出設備五個部分組成。五個部分組成。輸入設備存儲器運算器輸出設備控制器2022-3-20

41、711.3.1 微型計算機系統的組成微型計算機系統的組成通用微型計算機的硬件由五個部分組成：通用微型計算機的硬件由五個部分組成： 中央處理器中央處理器 (CPU) 內存儲器內存儲器 (RAM,ROM) 外存儲器外存儲器 (磁盤系統磁盤系統) 輸入輸入/輸出設備輸出設備 總線總線 (BUS)2022-3-2072微型計算機組成結構微型計算機組成結構微型計算機系統微型計算機系統硬件硬件微型計算機微型計算機（主機）（主機）微處理器微處理器 (CPU) (CPU)軟件軟件外圍設備外圍設備運算器運算器控制器控制器存儲器存儲器 ( (內存內存) )RAMRAMROMROM外部設備外部設備輔助設備輔助設備

42、輸入設備輸入設備( (鍵盤、掃描儀、語音識別儀鍵盤、掃描儀、語音識別儀) 輸出設備輸出設備( (顯示器、打印機、繪圖儀、顯示器、打印機、繪圖儀、) 輔助存儲器輔助存儲器( (磁帶、磁盤、光盤磁帶、磁盤、光盤) )輸入輸入/ /輸出接口輸出接口(PIO(PIO、SIOSIO、CTCCTC、ADCADC、DAC)DAC) (I/O (I/O接口接口) ) 總線總線 (AB (AB、DBDB、CB)CB)系統軟件系統軟件( (操作系統，編輯、編譯程序，故障診斷操作系統，編輯、編譯程序，故障診斷, ,監控程序監控程序)應用軟件應用軟件( (科學計算，工業控制，數據處理科學計算，工業控制，數據處理)程序

43、設計語言程序設計語言( (機器語言、匯編語言、高級語言機器語言、匯編語言、高級語言) )電源電路電源電路時鐘電路時鐘電路2022-3-2073運算器運算器 控制器控制器 寄存器組寄存器組 內存儲器內存儲器 總線總線 輸入輸出輸出輸入輸出輸出 接口電路接口電路外部設備外部設備 軟件軟件微處理器微處理器微型計算機微型計算機微型計算機系統微型計算機系統區別區別3個概念個概念2022-3-2074微型計算機系統的三個層次：微型計算機系統的三個層次：微處理器微處理器微型計算機微型計算機 微型計算機系統微型計算機系統系統軟件應用軟件微處理器微處理器存儲器存儲器I/OI/O接口接口總線總線 硬硬 件件軟軟

44、件件微微 型型計算機計算機系系 統統微微 型型計算機計算機外外 設設ALUALU寄存器寄存器控制部件控制部件鍵盤、鼠標鍵盤、鼠標顯示器顯示器軟驅、硬盤、光驅軟驅、硬盤、光驅 打印機、掃描儀打印機、掃描儀2022-3-20751.3.2 微型計算機的硬件基本結構及功能微型計算機的硬件基本結構及功能簡介簡介 1) 構成部件構成部件 ; 2) 工作過程工作過程存存儲儲器器I/O接接口口輸輸入入設設備備I/O接接口口數據總線數據總線 DB控制總線控制總線 CB地址總線地址總線 AB輸輸出出設設備備C PU2022-3-2076地址總線地址總線 AB存存儲儲器器I/O接接口口輸輸入入設設備備I/O接接口

45、口數據總線數據總線 DB控制總線控制總線 CB輸輸出出設設備備C PU微機的硬件由微機的硬件由CPU、存儲器、輸入、存儲器、輸入/輸出設備構成；輸出設備構成；輸入輸入/輸出設備通過輸入輸出設備通過輸入/輸出接口與系統相連；輸出接口與系統相連； ( 輸入輸入/輸出接口簡稱輸出接口簡稱I/O接口接口 )各部件通過總線連接。各部件通過總線連接。構構成成部部件件2022-3-20771. 微處理器微處理器CPUl 計算機的核心部件計算機的核心部件l 用來實現指令的自動裝入和自動執行，用來實現指令的自動裝入和自動執行，l 實現計算機本身的自動化。實現計算機本身的自動化。存存儲儲器器I/O接接口口輸輸入入

46、設設備備I/O接接口口數據總線數據總線 DB控制總線控制總線 CB地址總線地址總線 AB輸輸出出設設備備C PU2022-3-2078微處理器微處理器 CPU的組成的組成算術邏輯單元ALU運算器累加器ACC程序計數器PCCPU控制器 指令寄存器IR 指令譯碼器ID 控制信號發生電路 狀態寄存器FR寄存器組寄存器組RS2022-3-2079微處理器組成示意圖微處理器組成示意圖2022-3-20801.算術邏輯單元算術邏輯單元ALU：運算部分核心：運算部分核心功能：算術和邏輯運算。（功能：算術和邏輯運算。（+,-,x,/, .) 2.累加器累加器ACC：特殊功能的寄存器：特殊功能的寄存器功能：傳輸

47、、臨時存儲功能：傳輸、臨時存儲ALU運算結果和其它數據，左移、右移。運算結果和其它數據，左移、右移。 3.寄存器組寄存器組RS：功能：在數據運算和傳輸中臨時存儲數據，以加快運算和處理速度。功能：在數據運算和傳輸中臨時存儲數據，以加快運算和處理速度。 專用：專用：SP、PC、FR 通用：通用：AX、BX、 2022-3-2081 4.狀態寄存器狀態寄存器FR： 功能：指示運算結果狀態和控制工作條件。功能：指示運算結果狀態和控制工作條件。 “狀態狀態”：溢出、結果為：溢出、結果為0、進位等、進位等 “工作條件工作條件”：設置中斷屏蔽標志等：設置中斷屏蔽標志等 5. 堆棧和堆棧指針堆棧和堆棧指針SP

48、：功能：作為信息的一種存取方式，是一組寄存功能：作為信息的一種存取方式，是一組寄存器或一片存儲器。器或一片存儲器。 堆棧指針堆棧指針SP：指向棧頂：指向棧頂 6.程序計數器程序計數器PC：功能：記住當前要執行的指令地址碼。功能：記住當前要執行的指令地址碼。 不可缺少不可缺少2022-3-2082 7. 指令寄存器指令寄存器IR、指令譯碼器、指令譯碼器ID和控制信號發生和控制信號發生器：器：功能：功能：IR保存當前正在執行的一條指令保存當前正在執行的一條指令 ID譯碼后向控制器發出具體操作譯碼后向控制器發出具體操作 的特定信號的特定信號 控制信號發生器向具體的部分發控制信號發生器向具體的部分發

49、出控制信號出控制信號2022-3-20832. 內存儲器內存儲器 內存是存儲程序和數據的部件，內存是存儲程序和數據的部件， 由地址譯碼器、內存單元等構成。由地址譯碼器、內存單元等構成。n根根CPU地址線地址線AB數據線數據線DB控制線控制線CB地地址址譯譯碼碼器器1100110000110011101010101111000010001000地址地址00.0000地址地址00.0001地址地址00.0010地址地址00.0011地址地址111111內存結構示意圖內存結構示意圖2022-3-2084l 內存單元內存單元 l 內存單元的地址內存單元的地址l 內存單元的內容內存單元的內容l 對內存的

50、讀對內存的讀/寫操作寫操作2022-3-2085l 內存單元內存單元l 存儲信息的基本單元。存儲信息的基本單元。l 每片內存芯片有若干個內存單元。每片內存芯片有若干個內存單元。l 每個單元可存儲每個單元可存儲8位二進制數。位二進制數。n根根CPU地址線地址線AB數據線數據線DB控制線控制線CB地地址址譯譯碼碼器器1100110000110011101010101111000010001000地址地址00.0000地址地址00.0001地址地址00.0010地址地址00.0011地址地址1111112022-3-2086l 內存單元的地址內存單元的地址l 為區分各內存單元，每個內存單元對應有一個

51、地址。為區分各內存單元，每個內存單元對應有一個地址。l 地址線上的數據經譯碼后只有唯一的內存單元被選中。地址線上的數據經譯碼后只有唯一的內存單元被選中。n根根CPU地址線地址線AB數據線數據線DB控制線控制線CB地地址址譯譯碼碼器器1100110000110011101010101111000010001000地址地址00.0000地址地址00.0001地址地址00.0010地址地址00.0011地址地址1111112022-3-2087l 內存單元的內容內存單元的內容l 每個內存單元所存儲的二進制數據。每個內存單元所存儲的二進制數據。n根根CPU地址線地址線AB數據線數據線DB控制線控制線C

52、B地地址址譯譯碼碼器器1100110000110011101010101111000010001000地址地址00.0000地址地址00.0001地址地址00.0010地址地址00.0011地址地址111111l注意：內存單元的地址和內存單元的內容是兩個完注意：內存單元的地址和內存單元的內容是兩個完全不同的概念全不同的概念2022-3-2088l 對內存的讀對內存的讀/寫操作寫操作l CPU發出地址信號，選中相應的內存單元。發出地址信號，選中相應的內存單元。l 若是讀操作，若是讀操作，CPU發出內存讀控制信號，發出內存讀控制信號，l 被選中的內存單元將其內容經數據總線送入被選中的內存單元將其內

53、容經數據總線送入CPU。l 若是寫操作，若是寫操作，CPU發出內存寫控制信號，發出內存寫控制信號，l CPU將欲寫的內容經數據總線，寫入被選中的內存單元。將欲寫的內容經數據總線，寫入被選中的內存單元。n根根CPU地址線地址線AB控制線控制線CB地地址址譯譯碼碼器器1100110000110011101010101111000010001000地址地址00.0000地址地址00.0001地址地址00.0010地址地址00.0011地址地址111111數據線數據線DB2022-3-2089地址譯碼器地址寄存器數 據 寄 存 器控 制 電 路10110110地 址 碼MAR0003存儲體存儲單元集合

54、（）MDR輔助電路包括：輔助電路包括： 地址寄存器地址寄存器(MAR) 地址譯碼器地址譯碼器 數據寄存器數據寄存器(MDR) 控制電路控制電路2022-3-2090 要求要求: 存儲數據的速度快存儲數據的速度快 存儲容量大存儲容量大 成本低成本低2022-3-2091 類型：類型：微機存儲器通常有兩類微機存儲器通常有兩類: 讀讀/寫存儲器寫存儲器RAM(Read Access Memory) -可擦寫可擦寫 只讀存儲器只讀存儲器ROM(Read Only Memory) -不能改寫不能改寫2022-3-2092外存儲器外存儲器內存的缺點：容量不宜太大內存的缺點：容量不宜太大 信息易失性信息易失

55、性外存儲器一般屬于外部設備，它不能直接外存儲器一般屬于外部設備，它不能直接和和CPU交換數據，要通過接口電路才能將信交換數據，要通過接口電路才能將信息送到內存儲器中。息送到內存儲器中。種類：種類： 磁盤存儲器，包括軟盤，硬盤磁盤存儲器，包括軟盤，硬盤 磁帶存儲器磁帶存儲器 (激激)光盤存儲器光盤存儲器2022-3-2093 3. 輸入輸入/輸出設備及接口輸出設備及接口 輸入設備：鍵盤、鼠標、掃描儀、卡片輸入輸入設備：鍵盤、鼠標、掃描儀、卡片輸入 機、條形碼識別裝置等機、條形碼識別裝置等輸出設備：輸出設備：LED顯示器、顯示器、CRT、打印機、繪、打印機、繪 圖儀等圖儀等特點：特點： 速度慢速度

56、慢 工作電平不標準工作電平不標準 信息處理多樣信息處理多樣2022-3-2094外設和輸入外設和輸入/輸出接口（輸出接口（I/O接口）接口） 外設的電信號、運行速度與外設的電信號、運行速度與CPU不匹配，不匹配， 不能與不能與CPU直接相連，必須通過直接相連，必須通過I/O接口與接口與CPU相連。相連。 存存儲儲器器I/O接接口口輸輸入入設設備備I/O接接口口數據總線數據總線 DB控制總線控制總線 CB地址總線地址總線 AB輸輸出出設設備備C PU2022-3-2095鍵鍵 盤盤 鍵盤接口鍵盤接口 顯示器顯示器 顯示卡顯示卡鼠鼠 標標 串行接口串行接口 網網 絡絡 網卡網卡 打印機打印機 并行

57、接口并行接口 音箱、麥可風音箱、麥可風 聲卡聲卡IDE2Pentium III北橋北橋440BX南橋南橋PIIX4ECMOS & RTCUSB超級超級I/OIDE1COM1COM2LPT1L1CacheL2CachePCI 插槽插槽ISA 插槽插槽內存條內存條ROM BIOS顯顯示示器器硬盤硬盤光驅光驅軟驅軟驅鍵盤鼠標鍵盤鼠標打印機打印機MODEM顯卡顯卡2022-3-20964. 總線（總線（BUS）l 總線是連接多個功能部件的一組公共信號線總線是連接多個功能部件的一組公共信號線l 微機中各功能部件之間的信息是通過總線傳輸微機中各功能部件之間的信息是通過總線傳輸總線總線 BUS存存儲

58、儲器器I/O接接口口輸輸入入設設備備I/O接接口口輸輸出出設設備備C PU2022-3-2097l 按信號的作用，總線分為三類：按信號的作用，總線分為三類：l 地址總線、數據總線、控制總線地址總線、數據總線、控制總線 存存儲儲器器I/O接接口口輸輸入入設設備備I/O接接口口數據總線數據總線 DB控制總線控制總線 CB地址總線地址總線 AB輸輸出出設設備備C PU2022-3-2098地址總線地址總線 AB ( Address Bus) ：單向：單向用來傳送用來傳送CPU輸出的地址信號，輸出的地址信號，確定被訪問的存儲單元、確定被訪問的存儲單元、I/O端口。端口。存存儲儲器器I/O接接口口輸輸入

59、入設設備備I/O接接口口數據總線數據總線 DB控制總線控制總線 CB地址總線地址總線 AB輸輸出出設設備備C PU2022-3-2099地址總線的條數地址總線的條數 決定決定CPU的尋址能力。的尋址能力。10根根 210 1024 1K 20根根 220 1024K 1M32根根 232 22 230 4G36根根 236 26 230 64G2022-3-20100數據總線數據總線 DB ( Data Bus )：雙向：雙向 用來在用來在CPU與存儲器、與存儲器、I/O接口之間進行數據傳送。接口之間進行數據傳送。存存儲儲器器I/O接接口口輸輸入入設設備備I/O接接口口數據總線數據總線 DB控

60、制總線控制總線 CB地址總線地址總線 AB輸輸出出設設備備C PU2022-3-20101數據總線的條數決定一次可最多傳送數據的寬度。數據總線的條數決定一次可最多傳送數據的寬度。 8 根根 一次傳送一次傳送 8位位16 根根 一次傳送一次傳送 16位位 32 根根 一次傳送一次傳送 32位位 64 根根 一次傳送一次傳送 64位位2022-3-20102控制總線控制總線CB ( Control Bus ) ： 用于傳送各種控制信號。用于傳送各種控制信號。存存儲儲器器I/O接接口口輸輸入入設設備備I/O接接口口數據總線數據總線 DB控制總線控制總線 CB地址總線地址總線 AB輸輸出出設設備備C PU 有的是有的