江西財經大學信息管理學院

計算機原理

程序設計課程組

江西財經大學信息管理學院計算機原理與匯編語言

;“：一?；二：,_______二；..…

計算機原理與匯編語言

第1章計算機基不山我口識

第2章微型計算機的基本組成部分

第3章微型計算機的基本工作原理

第4章16位微處理器概述

第5章86系列微型計算機的指令系統

第6章微型計算機的程序設計

第7章微型計算機匯編語言及匯編程序

第8章輸入/輸出接口

第9章中斷控制器、計數/定時控制器及DMA控制器

第10章32位微處理器

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第一章計算機基礎知識

第一節數制

第二節邏輯電路

第三節布爾代數

第四節二進制運算及加法電路

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第一章計算機基礎知識

1.1數制

?信息：數值、文字、語言、圖形和圖象

?信息必須數字化編碼，才能傳送、存儲和處理

■任何數，包括數字、字符、漢字、圖形和圖象、聲

音等都以二進制形式表示

?為什么采用二進制？

-物理上最容易實現，用高、低兩個電位表示“1”

和“0”

-二進制其編碼、記數、加減運算規則簡單

-便于邏輯量“是”和“否”的表示

?為什么采用十六進制和八進制？

-便于書寫和記憶

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lo進位計數制

十進制（D）二進制（B）八進制（0）十六進制（H）

0000

1111

21022

31133

410044

510155

611066

711177

81000108

91001119

10101012A

11101113B

12110014C

13110115D

14111016E

15mi17F

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2、不同進制之間的轉換

(1)P進制轉換成十進制

只要將各位數碼乘以各自的權值累加即可

(^n■,,■a-m)r

=anxpn+...aoxp°+a.i*p」+...+a.mxp"

42

(10101)B=2+2+2°=21

212

(101.11)B=2+2°+2-+2-=5.75

2

(301)O=3X8+8°=193

1

(71)0=7x8+8°=57

31

(101A)H=1X16+1x16+10x16°=4122

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2、不同進制之間的轉換

■(2)十進制轉換成P進制數

■整數部分不斷除以P取余數，直到商為0.余數從右到左排列，首次取得的余數最右。

■小數部分不斷乘以P取整數，所得的整數從小數點自左到右排列，取有效精度。

■例：(100.345)D0.345

2|100x2

2|5000.690

x2(100)D=(1100100)B

2I2501.380

2|121(0.345b%(0.01011)B

x2

(100.345)"(1100100.01011)

2|600.760DB

x2

2|30

1.520

2|11x2

011.040

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2、不同進制之間的轉換

(3)八/十六進制轉換成二進制

■每一位八進制數用三位二進制數表示

■每一位十六進制數用四位二進制數表示

■注意：整數前的高位零和小數后的低位零可以取消

■(7123)0=(111Q01_010011)B

■7123

■(144)o=(00l100100)B

■144

■(2C1D)H=(0010110000011101)B

■2C1D

■(64)H=(01100100)B

■64

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2、不同進制之間的轉換

(4)二進制轉換成八/十六進制數

以小數點為中心整數部分自右向左進行分組，小數部

分自左向右進行分組。轉換成八進制數三位為一組，轉換

成十六進制數四位為一組，不足時(整數高位，小數低位

)補零。

(1101101110.110101)D=(1556.65)o

155665

(1101101110,110101)D=(36F.D4)H

36FD4

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3、數值數據的表示

(1)機器數

在計算機中，只有“0”和“1”兩種形式，為了表示數

的正、負號，也必須用“0”和“1”來表示。通常把一個數

的最高位定義為符號位，用0表示正，1表示負，稱為數符；

其余位仍表示數值。若一個數占8位，表示形式見下圖。

把在機器中存放的正負號數碼化的數稱為機器數，把機

器外部由正負號表示的數稱為真值數。

例如：真值數(-ooionoo)2,其機器數為loioiioo,

存放在機器中如下圖。|一n|一n|I||n|

數符

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3、數值數據的表示

(2)定點數和浮點數

在機器中，難以表示小數點，故在機器中對小數點

的位置加以規定。因此，又有整數、定點小數和浮點數

之分。

1)整數

整數所表示的最小數據單位為1,可以認為它是小數

點定在數值最低位右邊的一種數據。

整數分為帶符號和不帶符號兩類。

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帶符號整數，符號位被放在最高位。可以寫成：

N-±綜-1&n-2…&2&1&0

/%?14?2%?3匹-4%5徹d

▲

數符小數點

帶符號的整數

對于用n+1位二進表示的帶符號的二進制整數，其值的范圍為：

|N|<2n-l

對于不帶符號的整數，所有的n+1位均看成數值。此數值數據表示的范圍為:

0<N<2n+1-1

知41-141-2^n-3an-4^n-5...a1聞

不帶符號的整數

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3、數值數據的表示

2）定點小數

是指小數點固定在數據某一位置上的小數。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。見圖4,稱為定點小數。按此規則，任一小數都可以

寫成如下的形式：

N一,&-m

a.ia-m

八

數符小數點

對于用m+1個二進制位表示的小數來說，其值范圍為:

|N|<l-2-m

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3、數值數據的表示

3）浮點數的表示方法

任何一個二進制浮點數可表示為：

N=±Sx2±j

其中j稱為N的階碼，j前面的正負號稱階符，S稱為N

的尾數，S前面的正負號稱為數符。在浮點表示法中，小

數點的位置是浮動的，階碼j可取不同的數值。如二進制

數no.on可表示為：

N=110.011=1.10011X2+2=11001.1X2-2=0.110011X2+3

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3、數值數據的表示

為了在計算機中存放的方便和提高精度，必須用規格化

形式唯一地表示一個浮點數。規格化形式規定的尾數值的最

高位為L對上述數no.on,其規格化浮點數形式唯一地表

示為：0.110011x2-3,一般浮點數的存放形式如下圖。

階符階碼數符尾數

浮點數存儲格式

在浮點表示中，數符和階符都各占一位，階碼是定點整

數，階碼的位數決定了表示數的范圍，尾數是定點小數，尾

數的位數決定了數的精度。

如二進制N=-0.1011x2n,在機器中表示為：

0ll11011

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3、數值數據的表示

（3）機器數的表示（原碼、反碼和補碼）

我們以整數為例，假定字長為8位。

1）原碼

用機器數的最高位代表符號，其余各位給出數值和絕對值。

例如:[+1]^=00000001[+127]原=01111111

[-1]原=10000001[-127]原=11111111

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3、數值數據的表示

3）補碼

對于正數與原碼相同；對于負數，數符位為1,其數值

位的絕對值取反最右加1。

例如:[+1]補=00000001[+127]補=01111111

[-1[-127]補=10000001

補碼的運算方便，二進制的減法可用補碼加法實現，所

以使用較廣泛。

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第一章計算機基礎知識

1.2邏輯電路

邏輯電路由三種基本電路組成。

二

非IJA1r\____V

個（反相器）4---------1°

基

本

門A------

Y

或門B>1----

電

路

A

與門YY^AB

B

二*

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1.2邏輯電路

A.

或非門Y=A+B

aD

71~

與非門Y^AXB

B.■—■■■■

其

它

異或門4-------

門MMMMMaaawy=4@B

（異門）B-------

^AB^AB

電

路/彳飛）

異或非門A-------'z

（同門）5,■■1.Y=V十//—'-—，

=AB+W

X-e’

緩沖器4

（變阻器）AYY=A

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第一章計算機基礎知識

1.3布爾代數

y=/U,B,C,D）

兩個特點：

第一，其中的變量A,5,C,。…等均只有兩種可能的數值：o或lo

布爾代數變量的數值并無大小之意，只代表事物的兩個不同性質，如

用于開關上，則,

0代表關（斷路）或低電位

1代表開（通路）或高電位

如用于邏輯推理，則：

0代表錯誤（偽）

1代表正確（真）

第二，函數f只有三種基本方式:“或”運算，“與”運算及“反”運算。

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1.3邏輯電路

1.3.1“或”運算（Y=A+B）

由于A與5只有0或1的可能取值,

所以可以將其各種可能結果列寫如下：

y=O+O=OT=O

y=o+i="

y=l+O=lf丫=1

V=I+I=L

y也只能有兩種數值：o或1。

歸納：兩者皆偽者則結果必偽，

有一為真者則結果必真。

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1.3邏輯電路

推廣至多變量：A,5,。,。…，

各變量全偽者則結果必偽，有一為真者則結果必真

設y=a+B+C+O+…

貝!|y=o+OH---FO=O-*y=O

V=1+OH---1-0=1'

y=o+i+???+o=i

-y=l

y=i+i+i…+1=1，

在多輸入的“或”門電路中，

只要其中一個輸入為1,則其輸出必為io

只有全部輸入均為o時，輸出才為o0

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當A和5為多位二進制數時，如

A=AA2A3…4

B=B1B?B3…Bn

則進行“邏輯或”運算時，各對應位分別進行“或”運算；

Y=A+6

=(41+51)(4+82)(4+53)…(4+瓦)

【例】設4=10101

6=11011

貝！1Y=A+B

=(1+1)(0+1)(1+0)(0+1)(1+1)

=11111

寫成豎式則為：

10101

+)11011

r-i""1i~~~

注意，1“或”i等于1,是沒有進位的。

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1.3邏輯電路

1.3.2“與”運算（Y=AxB）

根據A和2的可能取值（0或1）

可以列寫出下列各種可能的運算結果:

y=oxo=o]

y=ixo=o

y=oxi=oJ

y=ixi=1-y=i

歸納：二者為真者結果必真，

有一為偽者結果必偽。

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1.3邏輯電路

推廣至多變量:各變量均為真者結果必真,

有一為偽者結果必偽。

設Y^AXBXCXDX???

貝］y=oxox…X0=0、

y=ixox…xo=o

=0

y=oxix…xo=o

y=ixix!???x1=1-y=i

在多輸入“與''門電路中，

只要其中一個輸入為0,則輸出必為0,

只有全部輸入均為1時，輸出才為lo

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當A和月為多位二進制數時，如

A=A1A2A3***An

B=B1B2B3***B?

則進行“邏輯與”運算時，各對應位分別進行“與”運算：

y=AXB

=(AiXB\)(A?X)(A3XB3)???(A”XBn)

【例】設＞1=11001010

5=00001111

貝ljY=AXB

=(1X0)(IX0X0X0)(OX0)(1XI)(OX1)(1XI)(0X1)

=00001010

寫成豎式則為11001010

義)00001111

0000~1010

用“0”去和一個數位相“與”，就是將其“抹掉”而成為“0”，

用“1”去和一個數位相“與”，就是將此數位“保存”下來。

這種方法在計算機的程序設計中經常會用到而稱為“屏蔽”。

B數(00001111)則稱為“屏蔽字”，它將A數的高4位給

屏蔽起來而都變成0了。

School26

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!!,!；-：--

1.3邏輯電路

1.3.3"反''運算（Y=A）

Y=A

當A為多位數時，如

A=A42A3…4

則其“邏輯反"為…4

【例】設4=11010000

則y=ooiomi

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1.3.4布爾代數的基本運算規律

1.恒等式

A?0=0A,1=月A?A=A

A+O=AA+l=lA+A=A

==e

A+A=lA?A—0A=A

2.運算規律

與普通代數一樣，布爾代數也有交換律、結合律、分配律,

而且它們與普通代數的規律完全相同。

交換律A?B—B?A

A+B=B+A

結合律(AB)C=A(BC)=ABC

(A+B)+C=A+(B+C)=A+B+C

分配律A(B+C)=AB+AC

(4+6)(C+JD)=AC+AD+BC+BD

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利用運算規律及恒等式，化簡邏輯關系式。

【例1】A+AB=AC1+B)=A

A+AB=A+AB+AB=A+(A+A)B=A+B

【例2】如果原設計繼電器線路如圖，現用邏輯關系，化簡線路。

(a)(b)

用布爾代數化簡繼電器線路

把圖中觸點(如同開關)和燈的關系用布爾代數表達出來:

Y=CA+AB)?B

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第一章計算機基礎知識

1.4二進制的運算及其加法電路

1.4.1二進制數的相加

S)

(a)

1A01A

十)1B+)1oB

10S11S

進位

(c)(d)

IItI

?1::1:c

11A011A

+)11B=>+)011B

110S110S

進位進位

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(1)兩個二進制數相加時，可以逐位相加。如二進制數可以寫成:

A.=A^A，2.A.\A.Q

B=B3B2B1B0

則從最右邊第一位(即0權位)開始，逐位相加，其結果可以寫成:

S=S3S2Si?So

其中各位是分別求出的：

So=A°+及一進位G

S】=Ai+B+G—進位C2

S2=Az+B+C2-進位C3

S3=4+B3+C3一進位C4

而最后所得的和就是:

C4s3s2sls0=4+5

(2)右邊第一位相加的電路要求：

輸入量為兩個，即A。及5。

輸出量為兩個，即S。及C1

這樣的一個二進制位相加的電路稱為半加器(HalfAdder)0

(3)右邊第二位開始,各位可以對應相加。各位對應相加時的電路要求：

輸入量為三個，即4,B,G

輸出量為兩個，即Si,G+1

其中，=1,2,3,…這樣的一個二進制位相加的電路稱為全加器(FullAdder)o

School31

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要求:有兩個輸入端，以供兩個代表數字04。,8。）的電位輸入；

有兩個輸出端，用以輸出總和S。及進位

G與4及3。之關系，是“與”的關系，即：

2Ci=AQXBo

S。與月。及其之關系，是“異或”的關系，即：

半So

=240石0+40^）

加

即只有當Ao及Bo二者相異時，才起到或的作用;二者相同時，則其結果為0。

用“與門”及“異或門”（或稱“異門”）來實現真值表的要求。

器

電

路

半加器的真值表及電路

■I-4-.

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■*―i--}|-計算機原理與匯編語言

1.4.3全加器電路

要求：有二個輸入端，以輸入Ai>Bi和C,有兩個輸出端，即Si及C,+io

普產f“簟分析可見，其總和S,可用“異或門，，來實現，而其進位°二則。

可以用二個“與門”及一個“或門”來實現。口…川

如何判斷多輸入的“異或門”的輸入與輸出的關系呢？

則輸意暨六晨奉鬻二念…中為T的輸入量的個數為零及偶數時，

貝」輸出為0；為奇數時，則輸出為1。

真值表

s.

AiBCtC+iAtBiCi

oo000

ooi01

01001

Oil10

10001

10110

1101

k

11111

先“與”

“異或”

后“或”

全加器的真值表及電路

A一?一…一七？''

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_______________________________________

1.4.4半加器及全加器符號

半加器及全加器的符號

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1.4.5二進制的加法電路

設A=1O1O=1O(IO

5=1011=11(10)

則可安排如下的加法電路

4位的二進制加法電路

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!!,!；-：--

1.4.6二進制數的減法運算

【例1】求y=8（io）—4（io）=?

解:因為A=8（IO）=1OO（\2）

-B=4（io）=0100（2）

則Br=1011+1=1100⑵

于是y=A—5

=A+B'

=1000+1100

0100

—進位,應舍去

=0100⑵=4（10）

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!!,!；-：--

【例2】求y=F（H）—A（H）=?（即求15減10之差）

設A=F（H）=1111（B）==15（D）

B=4（H）=1010（B）=10（D）

則B'=0101+1=0110?

:.Y=1111+0110

=11\0101

=—進位，舍去

―0101（B）（結果為5）

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1.4.7可控反相器及加法/減法電路

利用補碼可將減法變為加法來運算，因此需要有這么一個電路，它能將原碼

變成反碼，并使其最小位加1。Bo

可控反相器就是為了使原碼變為反碼而設計的。

將SUB端看作控制端，則當在SUB端加上低電位時，

=1

y端的電平就和耳端的電平相同。在SUB端加上高電平，

則y端的電平和風端的電平相反。Yo

可控反相器

SUBBoYy與&的關系

00y與&相同同

0

相

11y與風相同

01y與國相反反

1

相

10丫與以相反

38

當SUB=O時，電路作加法運算:A+B

當SUB=1時，電路作減法運算:A—B

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第二微型計算機的基本組成電路

第一節算術邏輯運算單元

第二節觸發器

第三節寄存器

第四節三態輸出電路

第五節總線結構

第六節存儲器

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第二章微型計算機的基本組成電路

2.1算術邏輯單元（ALU）

二進制數的運算電路只能算加法。增加可控反相器后，又能進行減法，所以

二進制補碼加法器/減法器就是最簡單的算術部件。

利用適當的軟件配合，乘法也可以變成加法運算，除法也可變成減法運算。

如果在這個基礎上，增加一些門電路，也可使簡單的ALU進行邏輯運算。

所謂邏輯運算就是指“與”運算和“或”運算。

A￡

UUA和B為兩個二進制數

ALUControlS為其運算結果

Control為控制信號

ALU的符號

SchoolofInformationTechnology,JiangxiUniversityofFinance&Economics41

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