第1章微型計算機基礎知規

1.微型計算機的發展概況與應用

2.微型計算機中的數制系統

3.微型計算機組成原理

4.CPU內部結構及微機的工作過程

1.1微型計算機的發展概況與應用

微型計算機是指以大規模、超大規模集成

電路為主要部件的微處理器(CPU)為核心，配

以存儲器、輸入/輸出接口電路、系統總線及

其他支持邏輯電路組成的計算機。

七）一、微型計算機的發展概況

1、微型計算機的誕生

1946年第一臺計算機ENIAC在美國問世

以后，人們接觸最多的是微型計算機，它誕

生于20世紀70年代，其發展以微處理器的發

展為主要標志。

到目前為止，電子計算機先后經歷了四代：電

子管計算機、晶體管計算機、集成電路計算機、大

規模超大規模集成電路計算機。

按性能、價格和體積對計算機分類：巨型機、

大型機、中型機、小型機、微型機。

微型計算機的特點：①集成度高，體積小，重

量輕，價格低廉；②部件標準化，易于組裝與維修;

③高可靠性及適應性。

2、微型計算機發展概況

分代年份字長芯片的集成度軟件典型的芯片

第一代1971~19734/8位2000個管/片以機器語言、簡單匯Intel4004

上編語言Intel8008

第二代1974~19778位9000個管/片以匯編語言、高級語Intel8080>8085

上言(FORTRAN、PL/MMC6800（Motorola）

BASIC、PASCAL)Z80（Zilog公司）

操作系統

第三代1978~198416位29000個管/片以匯編語言Intel8086,8088

上高級語言MC68000

操作系統Z8000

第四代1985~199332位80486高達120萬高級語言Intel80386,80486

個管/片操作系統MC68020,Z80000

第五代1993?至今64位PentiumPro高高級語言Pentium586^PII、

達550萬個管/片操作系統Pill、PIV、

Itanium（安騰）、雙

核等

(1)4位處理器——Intel4004

1971年，Intel公司成功地把傳統的運算器和控

制器集成在一塊大規模集成電路芯片上，發布了第

一款微處理器芯片4004,如圖所示。

圖Intel4004處理器

Intel4004

(2)8位處理器----Intel8008/8080/8085

1972年，Intel公司研制出8008處理器,

字長為8位，如圖所示。1974年，研制出8008

的改進型號8080。

Intel8008處理器

(3)16位處理器——Intel8086/8088/80286

Intel8086/8088處理器

1978年，Intel公司推出了首枚16位微處

理器i8086,1979年，Intel公司開發出8088

處理器，如圖所示。

Intel8088

圖i8086處理器

Intel80286處理器

1982年，Intel推出了80286處理器，如

圖所示為Intel80286的外觀。

圖Intel80286處理器

(4)32位處理器—Intel80386/80486

Intel80386處理器

1985年，Intel發布80386DX處理器，如

圖所示。

圖Intel80386DX處理器

除Intel公司生產386芯片外，還有AMD、

Cyrix、IBM、Ti等公司也生產與80386兼容的

芯片，如圖所示。

圖其他386CPU芯片

Intel80486處理器

1989年，Intel推出了80486芯片，最初

類型是80486DX,如圖所示。

圖IM?18O486DX處理器

80486和80386一樣，也陸續出現了幾種類

型。1990年，推出了80486SX,它是一種低價

格芯片，與80486DX的區別在于它沒有數學協

處理器。其他公司也推出了與80486兼容的

CPU芯片，如圖所示。

困其他486CPU芯片

從80486開始首次出現了處理器倍頻技術,

該技術使處理器內部工作頻率為處理器外部

總線運行頻率的2倍或4倍，486DX2與

486DX4的名字便是由此而來的，如圖所示。

例如80486DX2-66,處理器的頻率是66MHz,

而主板的外頻是33MHz,即CPU內頻是外頻

的2倍。

2

Int&W

圖Intel80486DX4

(5)IntelPentium處理器

1993年，Intel公司發布了Pentium(奔騰)處理

器，如圖所示。

與PentiumMMX屬于同一級別的CPU有AMDK6與

Cyrix6x86MX等,如圖所示。

AMDH

KW；'

two*，

■

PentiumPenhumMMXSAMDK6圖Cyru:6x86MX

(6)IntelPentiumll處理器

1997年,Intel公司發布了PentiumII處理器，如

圖所示。同期，AMD公司和Cyrix公司分別推出了同檔

次的AMDK6-2和CyrixMH,如圖所示。

1998年4月,Intel推出了Celeron（賽

揚）處理器，其中最為成功的是采用Socket

370架構的Celeron333和366,如圖所示。

圖Socket370架構Celeron

(7)IntelPentiumIII處理器

1999年,Intel公司發布了Pent司mIII處理器,如

圖所示。

2000年3月，AMD公司領先于Intel公司率先推出了

1GHz的Athlon微處理器，其性能超過了PentiumIII,

如圖所示。

PentiumIIIAMDAthlon(K7)

為了降低成本，后來的PentiumHI都改為Socket

370架構，時鐘頻率有667MHz,733MHz,800MHz,

933MHz和1GHz等，其外觀如圖所示。

圖Socket370架構Pentium111

?2000年，Intel公司推出了簡化PentiumIII的Celeron處理

器，也采用Socket370處理器架構，其外觀如圖所示。

?同期，AMD公司推出了Athlon（速龍），如圖所示。它采

用462針的SocketA架構，時鐘頻率為700MHz?L4GHz,

內建MMX和增強型3DNow!技采。

?AMD公司還推出了Athlon（速龍）的簡化版本Duron（鉆

龍），如圖所示，也采用SocketA架箱，時鐘頻率為

600?950MHz。

圖CeleronII圖Athlon圖Duron

(8)IntelPentium4處理器

?Intel公司在2000年11月發布了Pentium4處理器，

如圖所示。

?后期的Pentium4處理器均基于Socket478架構，采

用Northwood核心，0.13即1制造工藝，集成了5500萬

個晶體管，主頻為1.8?2.4GHz,如圖所示。

la)Socket423架構(b)Socket478袈枸

圖Pentium4

?同樣，Pentium4的簡化版本Pentium4

Celeron也采用了Socket478架構，主頻頻

率為1.4GHz以上，Pentium4CeleronCPU

的外觀如圖所示。

圖Pentium4Celeron

?同留，AMD^司推出了AthlonXP（速龍XP）,如圖

所示，仍采用SocketA架構，以全面對抗Pentium

4oAthlonXP具有當時最強大的浮點單元設計和優

秀的整數計算單元。經廣泛測試顯示，Pentium4

需要多付出300?400MHz的工作頻率才可以獲得與

AthlonXP相當的性能。

圖AthlonXP3200+

?2004年6月Intel推出了SocketLGA775架構的

Pentium4、CeleronD及Pentium4EE處理器。

SocketLGA775架構Pentium4處理器的外觀，如圖

所示。后來，Intel推出了采用SocketLGA775架構

的Pentium4ExtremeEdition3.4GHz處理器。

圖SocketLGA775Pentium4

(9)64位處理器

(a)AMDAthlon64系列

對x86架構進行擴展，從而實現同時兼容32位和

64位運算，這一理念是由AMD率先提出。2003年9月，

AMD發布了桌面64位Athlon64系列處理器(也稱K8架

構)。K8在很多應用上都領先當時的IntelPentium

Do面向臺式機的AMD64位處理器分為Athlon64和

Athlon64FX,如下圖所示。

圖Athlon64困Athlon64FX

(b)IntelPentium464位系列

Intel公司于2005年2月發布了桌面64位處理

器，并冠以6xx系列的名稱。不僅Pentium46xx系

列全部具備64位技術，而且在新的Pentium45xx

系列中也引入64位技術，它們的命名方式是Pentium

45x1,以后綴為1來表示。在入門的CeleronD

中，使用LGA775封裝的產品及最新的雙核心

PentiumD處理器，也支持64位技術。

(10)雙核心處理器

(a)PentiumD和PentiumExtremeEdition

Intel在2005年4月發布了雙核心處理器，如圖

所示。

圖PentiumD

(b)Athlon64X2

2005年5月，AMD發表了面向服務器和工作站的企業級

x86雙核計算平臺---AMD雙核皓龍處理器Opteron和面向桌

面型的雙核速龍處理器Athlon64X2（包括4800+、4600+、

4400+及4200+等），采用Socket939架構，如圖所示。與

Intel雙核心PentiumD/ExtremeEdition處理器相比較，在

處理單線程應用程序方面，Athlon64X24800+的表現要遠

遠超出前者。

圖Athlon64X2

（11）Intel新一代Core微架構

?現在，Pentium、Pentium2、Pentium3、Pentium4、

PentiumD使用的NetBurst架構已經不能滿足性能、功耗等

方面的需求。2006年7月，Intel發布了新一代的全新的微架

構桌面處理器—Core2Duo（酷睿2）,并且正式宣布

Pentium時代結束。

?Core2Extreme>Core2Duo的產品標識，如下圖所示（其

中Core2DuoQuad是四核處理器的標識）。

圖Core2Extreme、Core2Duo和Core2Quad的標識

■2006年11月，Intel發布了的四核桌面處理器，分為兩大系

歹U：Core2Quad（酷睿2四核），以Q開頭；Core2Quad

Extreme（酷睿2四核極品版），以QX開頭。

?Core2四核系列處理器的核心代號為Kentsfield,從技術上

說，與當前的Core2Duo并沒有區別，它只不過是將兩個

Conroe核心整合到同一塊基板之上，稱為非原生四核，其結

構示意圖如圖所示。

圖IntelCore2雙核CPU（左圖）與Core2四核CPU（右圖）處理懶構示意圖

(12)AMD新一代K10微架構

?2007年11月AMD發布了基于全新K10架構的Phenom處理器系

歹是該公司第一款四核處理器。Phenom處理器的中文名

“羿龍”，取自中國古老神話“后羿射日”。

?在K6之后，AMD的K7、K8架構桌面產品都采用了Athlon品

牌，與筆記本的Turion和服務器的Opteron組成AMD的整體

產品線。而進入K10架構之后，Athlon將被廢棄，取而代

之的是新的Phenom處理器。

?Phenom處理器采用HyperTransport3.0總線技術，可提供最

高14.4GBps的系統帶寬，為1080p（1920x1080逐行掃描）高

清視頻播放和極高分辨率游戲提供帶寬。同時集成的內存控

制器最高支持DDR2-1066。AMD稱，熱設計功耗95W的Phenom

處理器在開啟節能技術后，功耗大大降低，消費級應用平均

為32W、辦公級應用平均為29肌Phenom處理器的標識，如圖

所示。

AMD口

Phenom

圖Phenom處理磊的標識

3、嵌入式計算機的分類

①嵌入式微處理器EMPU

采用“增強型”通用微處理器，目前主要有:

Aml86/188>Intel386EX>SC-400、PowerPC、

68000、MIPS、ARM系列等。

②嵌入式微控制器MCU

既單片機，可分為通用和半通用兩類：

通用：8051、P51XA、MCS-25KMCS-96系列、

68300、C166/167等。

半通用：8XC930/93KC540、C541等。

③嵌入式DSP處理器EDSP

④嵌入式片上系統SOC

二、微型計算機的應用

科學計算、數據處工業控制及智能化

理及信息管理儀器儀表

計算機輔助設計和輔計算機輔助教育和教學

助制造CAD/CAM培訓

家庭娛樂和家政事務管理人工智能及網絡通信

兀的計算、

中長期天氣

預報及導彈

.發射中的社

過程控制:

如對工業生產領域的過程控制，即對生產過

程進行監視和控制，以提高產品質量與數量，減輕

工人的勞動強度；控制飛機飛行姿態、地形回避及

導彈攔截有

數據處理:

天收集、儲存、傳遞、分類、檢測：

霹行^報表、輸出圖像等加工處理。

業生產管

■

計算機輔助系統:

④|I-DEAS.

|freeform.

福常源于英文ELECT而

思義包含兩個方面:

■電子商務指的是吵

冢3式、買賣雙方

電子商笏的真正發展是建立在INT幽共優按術±

人工智能:

計算機模擬人的高級思維活動，進行邏輯判斷

與推理。如機器人、專家系統、語音識別系統、圖

形圖像等模式識別系統。

辦公自動化:

儀器儀表:

修傳感器與計算機集

成于同一芯片上，智能傳

感器不僅具有信號檢測、

轉換功能，同時還具有記

憶、存儲、解析、統計、

處理及自診斷、自校準、

自適應等功能。

智能家電:

智能家電控制示意圖

航電話

■■拗?

1.2微型計算機中的數制系統

數制也稱為進位計數制。日常生活中人們

習慣采用十進制，但計算機內部的信息則是用

二進制代碼來表示的。同時為了書寫的方便，

在編寫程序的過程中，常常使用到十六進制

（或八進制）。

微型計算機中使用的數制系統包括：二進

制、八進制、十進制、十六進制等。

^一數制系統

1,常用數制

(1)十進制數

?有十個不同的數字符號：0、1、2、…、9；

?低位向高位進、借位的規律是“逢十進一”“借一當十”

的計數原則進行計數。

任意一個十進制數ND均可以表示成如下式子：

K-1

ND=￡D>

其中：n表示整數部分的位數，m表示小數部分的位數，Dj為十

進制數字符號0—9,10i為第i位權值，10為十進制數的基數。

例如：

1234.45=1X103+2X102+3X101+4X10°+4X10-1

+5XW2

式中的中稱為十進制數的基數,10\102、101、100、

10-1、10-2稱為各數位的權。十進制數用D結尾表示，也可

以不加符號D。

(2)二進制數

只有兩個不同數碼：0和1,進位規律是“逢二進一”“借

一當二”的計數原則進行計數。二進制數用B結尾表示。

例如,二進制數nonon.oi可表示為:

(11011011.01)2==lX27+lX26+0X25+lX24+lX23+0X22

+1X21+1X2O+OX2-1+1X2-2

(3)八進制數

有0、1、2…、7八個不同數碼，采用“逢八進一”“借一

當八”的計數原則進行計數。八進制數用0或者Q結尾表示。

例如，八進制數(503.04)Q可表示為：

(503.04)Q=5X82+0X8i+3X80+0X8-1+4*8-2

(4)十六進制數

有0、1、2…、9、A、B、C、D、E、F共十六個不同的數

碼，采用“逢十六進一”“借一當十六”的計數原則進行計

數。十六進制數用H結尾表示。

例如，十六進制數(4E9.27)H可表示為

(4E9.27)H=4X162+14X161+9X160+2X16-1+7X16-2

3AB.11H=3X162+1OX161+11X160+1X16-1+1X16-2

=939,0664

2.不同數制之間的相互轉換

下表列出了二、八、十、十六進制數之間的對應關系，熟

記這些對應關系對后續內容的學習會有較大的幫助。

表1各種進位制的對應關系

十進制二進制八進制十六進制十進制二進制八進制十六進制

000091001119

111110101012A

2102211101113B

3113312110014C

41004413110115D

51015514111016E

61106615111117F

71117716100002010

8100010817100012111

(1)二、八、十六進制數轉換成為十進制數

根據各進制的定義表示方式，按權展開作十進制相加，即

可轉換為十進制數。

【例】將(10101)B,(72)Q,(49)H轉換為十進制數。

(10101)B=lX24+0X23+1X22+0X21+1X20=21

(72)Q=7X即+2X8°=58

(49)H=4X161+9X16°=73

(2)十進制數轉換為二進制數

十進制數轉換為二進制數,需要將整數部分和小數部分分開,

采用不同方法進行轉換，然后用小數點將這兩部分連接起來。

①整數部分：除2取余倒記法。

具體方法是：將要轉換的十進制數除以2,取余數；再

用商除以2,再取余數，直到商等于0為止，將每次得到的

余數按倒序的方法排列起來作為轉換的結果。

【例】將十進制數25轉換成二進制數

25余數

211

最低位

260

230

211

01最高位

所以（25）D=11001B

②小數部分：乘2取整順記法。

具體方法是：將十進制小數不斷地乘以2,直到積的小數

部分為零（或直到所要求的位數）為止，每次乘得的整數依

次排列即為相應進制的數碼。最初得到的為最高有效數位，

最后得到的為最低有效數字。

【例】將十進制數0.625轉換成二進制數。

0.625

X2

1.2501最IWJ位

X2

0.50

1.01最低位

所以(0.625)D=0.101B

【例】將十進制數25.625轉換成二進制數，只要將上例整數和小

數部分組合在一起即可，即(25.625)D=(U00L101)B

例如：將十進制193.12轉換成八進制數。

人業心0.12

8I193余數X8取整

8241最低位」。?96。最高位

03最高位X8

5.445最低位

所以(193.12)D=(301.075)Q

⑶二進制與八進制之間的相互轉換

由于23=8,故可采用“合三為一”的原則，即從小數點開

始向左、右兩邊各以3位為一組進行二-八轉換：若不足3位的

以0補足，便可以將二進制數轉換為八進制數。反之，每位八

進制數用三位二進制數表示，就可將八進制數轉換為二進制

數

【例】將(10100101.01011101)2轉換為八進制數。

010100101.010111010

245.272

即(10100101.01011101)8=(245.272)Q

【例】將(756.34)Q轉換為二進制數。

756.34

111101110.011100

即(756.34)Q=(111101110.0111)B

(4)二進制與十六進制之間的相互轉換

由于24=16,故可采用“合四為一”的原則，即從小數點

開始向左、右兩邊各以4位為一組進行二一十六轉換，若不足4

位的以0補足，便可以將二進制數轉換為十六進制數。反之，

每位十六進制數用四位二進制數表示，就可將十六進制數轉換

為二進制數。

【例】將(1111111000111.1001010U)B轉換為十六進制數。

0001111111000111.100101011000

1FC7.958

即(111111000111.100101011)B=(1FC7.958)H

【例】將(79BD.6C)H轉換為二進制數。

79BD.6C

0111100110111101.01101100

即(79BD.6C)H=(111100110111101.011011)B

把)二常用的信息編碼

1.二一十進制BCD碼(Binary-CodedDecimal)

二一十進制BCD碼是指每位十進制數用4位二進制數編碼表

示。由于4位二進制數可以表示16種狀態，可丟棄最后6種狀態，

而選用0000?1001來表苗0?9十個數符。這種編碼又叫做

8421BCD碼。如下表所示。

表2十進制數與BCD碼的對應關系

十進制數BCD碼十進制數BCD碼

000001000010000

100011100010001

200101200010010

300111300010011

401001400010100

501011500010101

601101600010110

701111700010111

810001800011000

910011900011001

【例】將69.25轉換成BCD碼。

69.25

01101001.00100101

結果為69?25=(0U0100L00100101)BCD

【例】將BCD碼100101111000.01010110轉換成十進制數。

100101111000.01010110

978.56

結果為(100101111000.01010110)BUCD=978.56

2.字符編碼(ASCII碼)

計算機使用最多、最普遍的是ASCH(American

StandardCodeForInformationInterchange)字符編碼，即

美國信息交換標準代碼，如下表所示。

表3七位ASCII代碼表

0d6d5d4位

d3弓2dRo位

000001010011100101110111

0000NULDELSP0@Pp

0001SOHDC1!1AQaq

■■

0010STXDC22BRbr

0011ETXDC3#3CScs

0100EOTDC4$4DTdt

0101ENQNAK%5EUeu

0110ACKSYN&6FVfV

/

0111BELETB7Gwgw

1000BSCAN(8HXhX

1001HTEM)9IYiy

1010LFSUB*:Jzjz

1011VTESC+KLk(

1100FFFS9<L\II

1101CRGS—=M]m}

1110SORS■>NTn

1111SIHS/?O<—oDEL

ASCII碼的每個字符用7位二進制數表示，其排列次序為

d6d5(i4d3d2dido，d6為高位，d°為低位。而一個字符在計算機內

實際是用8位表示。正常情況下，最高一位cl7為“0”。7位二進

制數共有128種編碼組合，可表示128個字符，其中數字10個、

大小寫英文字母52個、其他字符32個和控制字符34個。

數字0?9的ASCII碼為30H?39H。

大寫英文字母A?Z的ASCH碼為41H?5AH。

小寫英文字母a?z的ASCH碼為61H?7AH。

對于ASCII碼表中的0、A、a的ASCII碼30H、41H、61H

應盡量記住，其余的數字和字母的ASCII碼可按數字和字母的

順序以十六進制的規律寫出。

3.奇偶校驗碼

奇偶校驗碼是在傳送的代碼上附加一個校驗位，作為代碼

的比較校驗，通常將一個字節的最高位作為校驗位。

這樣在接收方，先對信息代碼按雙方的校驗規定求奇偶校

驗碼，然后再與收到的附加校驗位作比較，若相等則認為接收

的代碼是正確的，否則為錯。奇偶校驗就是鑒別代碼中有奇數

個“1,還是有偶數個“1。例如，有效信息為1011001,若采

用偶校驗碼，則有效代碼為oionooi；若采用奇校驗碼，有效

代碼則為11011001。校驗碼最高位為奇偶校驗位。當接收方收

到這組代碼后，便根據奇、偶校驗的約定和有效代碼中“1”

的個數形成校驗碼，然后與接收的校驗位作比較。比較相等的

話，說明接受的信息正確；反之則認為出現了錯誤。

笆月三、計算機數值數據表單運算

(-)二進制數在計算機內的表示

1.機器數與真值

在計算機中，因為只有“0”和“I”兩種形式，

所以數的正、負號，也必須以“0”和“1”表示。通

常把一個數的最高位定義為符號位，用0表示正，I表

示負，稱為數符：其余位仍表示數值。把在機器內存

放的正、負號數碼化的數稱為機器數，把機器數所代

表的數值大小稱為機器數的真值。

【例】真值為(?010U00)B的機器數為10101100,存放在機

器中，如下圖所示。

10101100

符號位

圖真值B在機器中的存放

要注意的是，機器數表示的范圍受到字長和數據類型的

限制。字長和數據類型定了，機器數能表示的數值范圍也就

定了。

例如，若表示一個整數，字長為8位，則最大的正數為

01111111,最高位為符號位，即最大值為127。若數值超出

127,就要“溢出”。最小負數為10000000,最高位為符號

位，即最小值為?128。

例題：寫出Xl=+42,X2=-42,X3=+例,X4=-例的真值和機

器數。

解：真值為：

[Xl1真二+101010B=+42

[X2][=-101010B=-42

[X3]]=+10H011B=+91

[X4]^-1011011B=-91

當機器字去為8位時，機器數為：

XI：00101010BX2：10101010B

X3：01011011BX2：110U011B

當機器字長為16位時，機器數為：

XI：0000000000101010B

X2：1000000000101010B

X3：0000000001011011B

X4：1000000001011011B

2.數的定點和浮點表示

計算機內的數，主要分成定點小數、定點整數與浮點數三

種類型。

(1)定點小數的表示法

定點小數是指小數點準確固定在數據某一個位置上的小

數。一般把小數點固定在最高數據位的左邊，小數點前邊再設

一位符號位。按此規則，任何一個小數都可以寫成：

N=NSN_1N_2??-N_M,Ns為符號位

(2)整數的表示法

整數所表示的數據的最小單位為1,可以認為它是小數點

定在數值最低位右面的一種表示法。整數分為帶符號和不帶符

號兩類。對帶符號的整數，符號位放在最高位。可以寫成：

N=NsNnNn-i???%NiNo,%為符號位

定點數表示的范圍和精度都較小，在數值計算時，大多數

采用浮點數。

⑶浮點數的表示方法

浮點表示法對應于科學（指數）計數法，如數110.011可表示為:

N=110.011=1.10011X2+1°=11001.1X2lo=O.llOOllX2+n

在計算機中一個浮點數由兩部分構成：階碼和尾數，階碼

是指數，尾數是純小數。其存儲格式如下圖所示。

階符階碼尾符尾數

圖存儲格式

【例】設尾數為4位，階碼為2位，則二進制數N=2UX1011

的浮點數表示形式為：

01101011

r

階階數尾

符碼符數

應當注意：浮點數的正、負是由尾數的數符確定，而階碼

的正、負只決定小數點的位置，即決定浮點數的絕對值大小。

3.帶符號數的表示

在計算機中，帶符號數可以用不同方法表示，常用的有原

碼、反碼和補碼。

(1)原碼

【例】當機器字長n=8時：

［+1］原=00000001,卜1］原=10000001

［+127］原=01111111,b127］原=11111111

在原碼表示法中：最高位為符號位，正數為0,負

數為1,其余n-1位表示數的絕對值。

在原碼表示中，零有兩種表示形式，即：

[+0]=00000000,[-0]=10000000。

設機器字長為n,則數X的原碼為：

X0<XW2〃々-1

[X]原=1

[2-X=2+|X|-(2-l)WX<0

原碼表示范圍為：

字長8位:-127—+127

字長16位：-32767—+32767

(2)反碼

【例】當機器字長n二8時：

[+1]反=00000001,[T]反=11111110

[+127]反=oninn,[-127]反=10000000

在反碼表示中：正數的反碼與原碼相同，負數的反碼只需

保持符號位不變，其余各位按位求反即可得到。

反碼表示范圍為：

字長8位:-127—+127

字長16位：-32767—+32767

‘X-1

[X]反二，1

(2〃-1)+X=(2〃T)-|X|-(2-l)WXW0

機器數的最高位是符號位，。代表正號，1代表負號。

反碼表示方式中，零有兩種表示方法：

[+0]反=00000000,

[-0]反=11111111。

(3)補碼

【例】當機器字長n=8時，

[+1]補=00000001,[-1]補=innni

[+127]補=01111111,[-127]補=10000001

在補碼表示中：正數的補碼與原碼、反碼相同，負數的補

碼等于它的反碼加1。

機器數的最高位是符號位，。代表正號，1代表負號。

在補碼表示中，0有唯一的編碼：

[+0]補=[—0]補=00000000。

補碼的運算方便，二進制的減法可用補碼的加法實現，使

用較廣泛。

對于字長為n位的二進制計數系統，補碼的定義如下：

[X0WX<2〃T-1

[X]補=2〃+X

2"+X=ln~\X|-2WXWO

由上式可知，求一個負數的補碼，可用模減去該負數的

絕對值。當n=8時，模為256(逢256進1),既模為100H

(256),故T的補碼為100H-1=FFH；-10的補碼為100H-

OAH=F6H；-128的補碼為100H-80H=80H,這種方法可以使求補

碼的計算速度加快。

補碼表示范圍為：

字長8位:-128—+127

字長16位：-32768—+32767

【例】假定計算機字長為8位，試寫出122的原碼、反碼和補碼。

[122]M=[122]^=[122]#=01111010B

【例】假定計算機字長為8位，試寫出一45的原碼、反碼和補碼。

[―45]原=ioionoiB

[一45]反=11010010B

[-45]^F=H010011B

對于用補碼表示的負數，需對該補碼再求一次補碼，從而得

到其原碼，依據原碼求得該補碼數的大小。即：

[[X]補]補二[X]原

例如，已知補碼數（iinoon）B,對其求補碼后得到該數的

原碼為：10001101B,故其大小為（-13）D。

【例】試寫出補碼數uonooi的真值。

[11011001]M=10100111B=-39D

(二)補碼數的運算

在微處理機中，使用補碼進行運算使同一個微處理機中

既能運算帶符號數又能運算無符號數。而且，在采用補碼表

示帶符號數的情況下，兩個數的減法可以用加法來實現。

在進行帶符號數的加減運算時，應把參與運算的數據轉

換成補碼形式進行運算。當使用8位二進制數表示帶符號的數

時，它所能表示的數值范圍在(T28)I。?(+127)I。之間，如果

相加結果超出了這個范圍，就會導致錯誤發生。

［X+Y］補=［X］補+［Y］補

［X-Y］補二［X］補+［-Y］補

【例】兩個帶符號的數(01000001)2與(01000011)2相加

01000001

+01000011

10000100

例中兩個正數相加，但結果卻是一個負數——符號位為1。

顯然，這個結果是錯誤的，出現這種錯誤的原因就在于這兩個

數相加的結果超過了8位二進制帶符號數所能表示的數值范圍。

【例】兩個負數(10001000)2和(11101110)2的相加情況。

10001000

+11101110

H01110110

由于采用8位二進制數來表示帶符號的數，故作為進位

位的第九位自然丟失。8位二進制負數相加的結果為一個正

數。很明顯，結果是錯誤的，產生了溢出。

【例】兩個無符號數(iinnoi)2和(oooooon)2相加:

11111101

+00000011

□00000000

從相加計算的結果來看，如果微處理機只有8位，也就是

用8位二進制數來解釋運算的結果，則將出現錯誤。因此，

在微處理機中設有專門的一位，稱為進位位，它將用于保存

第九位以防丟失信息。

（三）邏輯運算

1.“與”運算。“與”運算的運算規則是：

OAO=OOA1=O

1AO=O1A1=1

【例】二進制數0101U01B和11010101B相與。

01011101

Z\11010101

01010101

2.“或”運算。“或”運算的運算規則是:

Ov0=0Ovl=l

lvO=llvl=l

【例】二進制數10101101和01010000相或。

10101101

\/01010000

11111101

3.“異或”運算。“異或”運算的運算規則是:

0十0二00十1二1

1十0二11十1二0

【例】二進制數loionoi和onoino相異或。

10101101

④oiiomo

11000011

匕，四、微型計算機的主要性能指標

1.運算速度

通常所說的計算機運算速度（平均運算速度）,

是指每秒鐘所能執行的指令條數，一般用“百

萬條指令/秒”（MIPS）來描述。

2.字長

計算機的字長決定了計算機內部一次可以

處理的二進制代碼的位數。有1、4、8、16、

32位等多種。

3.存儲器的容量

存儲器分為內存儲器和外存儲器兩類。內

存儲器也簡稱內存或主存，是CPU可以直接訪

問的存儲器，內存大小反映了計算機即時存儲

信息的能力；外存儲器通常是指硬盤（包括內

置硬盤和移動硬盤）。

4.指令系統

一般來說，指令的條數越多，其功能就越強。

5.外設配置

允許配置的外設數量越多，其功能就越強。

6.總線的性能

在CPU、內存與外設確定的情況下，總線速

率成為制約計算機整體性能的關鍵因素。

以上只是一些主要性能指標，還須綜合考慮其

他因素。

1.3J微型計算機組成原理0

/-----

二，一、計算機的基本結構

現代計算機結構仍然是在馮?諾依曼提出

的計算機邏輯結構和存儲程序概念基礎上建

立起來的。硬件系統包括：運算器、控制器、

存儲器、輸入設備、輸出設備。

1946年，馮?諾依曼提出EDVAC計算機方案，體

現了五部分的計算設計思想。

馮?諾依曼思想：存儲程序與程序控制原理

?用二進制表示數據和指令；

?程序與數據事先存儲在內存儲器中；

?運算器、存儲器、控制器、輸入與輸出

設備組成硬件系統，它是計算機連續工

作的基礎。

輸入設備運算器輸出設備

▲

存儲器

控制器

馮?諾依曼計算機的基本結構

主機

程序或數據

主存儲器

指

數

令

據

流

流

V

控制

器

輸入設備輸出設備

算

運

器

U

CP

圖計算機硬件組成框圖

1.一系列基本操作命令一程序

2.“機器指令”的概念

3.計算機的存儲程序控制方式的工作原理:

一是能存儲程序，二是能自動執行程序。

這一原理決定了人們使用計算機的主要

方式編寫程序和執行程序。

二，二、微型計算機系統的組成

微型計算機系統包括硬件系統和軟件系統O

硬件系統：構成計算機的硬件實體。它包括

微處理器、存儲器、I/O接口、系

統總線、外部設備和電源等。

軟件系統：在計算機上運行的各種程序，包

括系統軟件和應用軟件。

「算術邏輯單元

硬件系統:，微處理器I控制器

寄存：ROM

cROM?EPROM

2

微型計算機存儲器4JEPROM

LRAM{SRAM

（單片、單板）IDRAM

r并行接口

I/O接口{串行接口

〔輔助接口

r數據總線

I系統總線」地址總線

硬件L控制總線

鍵盤、顯示器、打印機等

「外部設一軟、硬磁盤

外存儲器d

I光盤

外圍設備Y

「A/D

r模擬量I/O接口

I/O接口i開關量接口ID/A

電源

軟件系統:

「操作系統Dos,Windows,UNIX,LINUX

4n語言處理程序TurboC

「系統軟件j:

L數據庫系統FoxPro、Oracle

軟件分類J

了字處理軟件Wps、Word

J表格處理軟件Excel

應用軟件輔助設計軟件AutoCAD

/戶編制的實際程序

微型計算機系統從小到大可分為微處理器、

微型計算機、微型計算機系統三個層次結構，如

圖所示

微型計算機系統

」三、微型計算機的硬件結構

微型計算機由微處理器、存儲器、輸入/輸出

接口構成，它們之間由系統總線連接。

1.微處理器

整個微機的核心是微處理器(up,MPU),也稱

CPUo它包含算術邏輯部件ALU、寄存器組及控

制部件。

ALU:算術運算、邏輯運算

寄存器：存放操作數、中間結果、地址、標

志等信息

控制部件：整個機器控制中心，包括程序計數

器PC、指令寄存器IR、指令譯

碼器ID、控制信息產生電路等。

y

2.存儲器

微機的存儲器分為：主存和輔存

主存（內存）:用于存放當前正在運行的程序和正

待處理的數據。（CPU內部cache,

lu

主板上的內存，造價高，速度快，

存儲容量小）

輔存（外存）:存放暫不運行的程序和輸入處理的

數據，（主機箱內民主機箱外，造

價低，容量大，可長期保存，但

速度慢）

內存單元的地址和內容簡介：

內存由許多存儲單元組成，每個內存單元可存放

一組二進制數。在微機中規定每個內存單元可存放8

位二進制數，即一個內存單元存放一個字節的內容，

為了區分各個不同的內存單元，就給每個存寤單元編

上不同的號碼，即內存地址。CPU要訪問某個津元時,

先要通過地址總線送出該單元的地址號。

實際操作中，一個操作數可以是字節、字、雙字

節、十字節等各種形式。

1.字節：計算機的基本處理單位，一個字節由8

位二進制位組成

2.字：通常微機的字長有8位、16位、32位、64

位，故其字數據的存放所占內存單元的個數也不一

樣

3.雙字：即2個字

4.四字：即4個字的長度，共8個字節。

地址總線16位，內存容量為216個單元，即64KB。

地址總線20位，內存容量為22。個單元，即1MB。

表示存儲器容量的最小單位為bit（二進制位），

表示存儲器容量的基本單位為Byte（字節）。通