课程目标 本课程是学习和掌握微机硬件知识和汇编语言程序设计的入门课程, 主要内容包括 : 16 位微型计算机的基本工作原理 汇编语言程序设计 微型计算机接口技术 32 位微机的原理 目的 : 通过本课程的学习, 深入了解微型计算机的基本结构, 掌握汇编语言编程方法和接口技术的设计能力, 熟悉 16/

2015.3-2015.6 中国科学技术大学信息科学技术学院关胜晓 Email:guanxiao@ustc.edu.cn 电二楼 417(O) 423(Lab.) 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 1

课程目标 本课程是学习和掌握微机硬件知识和汇编语言程序设计的入门课程, 主要内容包括 : 16 位微型计算机的基本工作原理 汇编语言程序设计 微型计算机接口技术 32 位微机的原理 目的 : 通过本课程的学习, 深入了解微型计算机的基本结构, 掌握汇编语言编程方法和接口技术的设计能力, 熟悉 16/32 位机的原理和应用技术 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 2

教材 周荷琴冯焕清, 微型计算机原理与接口技术 ( 第 5 版 ), 中国科学技术大学出版社,2013.3 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 3

成绩评定 四部分组成 : 课堂作业 10% 课后作业 10% 实验成绩 10% 期末考试 70% 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 4

教学内容 第 1 章绪论第 2 章 8086CPU 第 3 章 8086/8088 CPU 的指令系统第 4 章汇编语言程序设计第 5 章存储器系统第 6 章 IO 接口和并行接口芯片 8255A 第 7 章可编程计数器定时器 8253 及其应用第 8 章中断和可编程中断控制器 8259A 第 9 章串行通信和可编程接口芯片 8251A 第 10 章模数 (AD) 与数模 (DA) 转换第 11 章 DMA 控制器 8237A 第 12 章总线技术第 13 章 32 位微型机的基本工作原理 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 5

第 1 章绪论 主要内容 : 微型计算机发展概况 各种常用记数制和编码以及它们相互间的转换 ; 二进制数的算术运算和逻辑运算 ; 符号数的表示及补码运算 ; 二进制数运算中的溢出问题 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 6

1.1 微型计算机发展概况 电子计算机的发展 第一台电子管计算机阿塔纳索夫 - 贝瑞计算机 (Atanasoff Berry Computer, 通常简称 ABC 计算机 ) 是世界上第一台电子数字计算设备 发明者 : 阿塔纳索夫和克利福德 贝瑞 阿塔纳索夫 - 贝瑞计算机的复制品, 位于艾奥瓦州立大学达勒姆中心 1 层 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 7

2015年3月5日星期四7时50分45秒 8

1.1 微型计算机发展概况 ABC 计算机功能 : 求解线性方程组 利用两个具有 29 个变量和一个常数项的方程, 消掉其中一个变量 John Vincent Atanasoff Clifford Berry 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 9

1.1 微型计算机发展概况 ABC 计算机专利问题 :ENIAC 与 ABC J. Presper 埃克特和约翰 莫齐利发明了 ENIAC, 是第一个电子计算设备专利的获得者 1973 年 10 月 19 日, 美国地方法院法官厄尔 拉尔森认为 ENIAC 的专利无效, 判决说 ENIAC 从阿塔纳索夫 - 贝瑞计算机上继承了很多基础思想 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 10

1.1 微型计算机发展概况 第一台通用电子计算机 ENIAC 重达 30 吨, 占地 170 平方米, 耗电 140 千瓦, 用了 18800 多个电子管, 每秒钟能做 5000 次加法 五个基本部件 : 输入器 输出器 运算器 存储器和控制器 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 11

1.1 微型计算机发展概况 电子计算机的发展 第一代 : 电子管计算机 (1939-1956) 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 12

1.1 微型计算机发展概况 电子计算机的发展 第二代 : 晶体管计算机 (1954-1964) 1954 年, 贝尔实验室使用 800 只晶体管组装了世界上第一台晶体管计算机 TRADIC 1961 年, 世界上最大的晶体管电子计算机 ATLAS 安装完毕 1964 年, 中国制成了第一台全晶体管电子计算机 441-B 型 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 13

1.1 微型计算机发展概况 电子计算机的发展 第三代 : 中小规模集成电路计算机 (1964-1970) 以 1964 年 IBM 公司研制成功的 360 系列通用计算机为标志 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 14

1.1 微型计算机发展概况 电子计算机的发展 第四代 : 大规模 超大规模集成电路计算机 (1971- 今 ) 以 Intel 公司研制的第一代微处理器 Intel 4004 为标志, 这个时期的计算机最为显著的特征是使用了大规模和超大规模集成电路 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 15

1.1 微型计算机发展概况 电子计算机的发展 第四代 : 大规模 超大规模集成电路计算机 (1971- 今 ) 经历了四个阶段 : 第一阶段, 是 1971~1973 年, 微处理器有 4004 4040 8008 第二阶段, 是 1973~1977 年, 微型计算机的发展和改进阶段 微处理器有 8080 8085 M6800 Z80 第三阶段, 是 1978~1983 年, 十六位微型计算机的发展阶段, 微处理器有 8086 8088 80186 80286 M68000 Z8000 第四阶段, 是从 1983 年开始为 32 位微型计算机的发展阶段 微处理器相继推出 80386 80486 386 486 微型计算机是初期产品 1993 年, Intel 公司推出了 Pentium 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 16

1.1 微型计算机发展概况 电子计算机按其性能分类 大中型计算机 / 巨型计算机 (Mainframe Computer) 小型计算机 (Minicomputer) 微型计算机 (Microcomputer) 单片计算机 (Single-Chip Microcomputer), 嵌入式计算机 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 17

1.1 微型计算机发展概况 电子计算机发展趋势 智能化 模拟人类大脑思维和交流方式, 多种处理能力 系列化 标准化 便于各种计算机硬 软件兼容和升级 网络化 网络计算机和信息高速公路 多机系统 大型设备 生产流水线集中管理 ( 独立控制 故障分散 资源共享 ) 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 18

1.1 微型计算机发展概况 微型计算机时代 微型计算机的核心 : 微处理器 ( 中央处理器 CPU) 微型计算机历程 1974 年, 罗伯茨用 8080 微处理器装配了一种专供业余爱好者试验用的计算机 牛郎星 (Altair 8800) 1976 年, 乔布斯和沃兹尼克设计成功了他们的第一台微型计算机 ( 后追认为 Apple I) 1977 年, 第一台真正的个人计算机 Apple II 第一代微机,PC 机, 以 IBM 公司的 IBM PC/XT 机为代表,CPU 是 8088, 诞生于 1981 年 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 19

1.1 微型计算机发展概况 第二代微机 IBM 公司于 1985 年推出的 IBM PC/AT, 采用 80286 为 CPU, 其数据处理和存储管理能力都大大提高第三代微机 1987 年,Intel 公司推出了 80386 微处理器 该档次的微机, 如 386DX 第四代微机 1989 年,Intel 公司推出了 80486 微处理器 486 也分为 SX 和 DX 两档, 即 486SX 486DX 第五代微机 1993 年 Intel 公司推出了第五代微处理器 Pentium( 中文名 奔腾 ) Pentium 实际上应该称为 80586, 但 Intel 公司出于宣传竞争方面的考虑, 改变了 x86 传统的命名方法 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 20

1.1 微型计算机发展概况 第六代微机 1998 年 Intel 公司推出了 Pentium II Celeron, 后来推出了 Pentium Ⅲ Pentium 4, 主要用于高档微机 其他公司也推出了相同档次的 CPU, 如 K6 Athlon XP VIA C3 等第七代微机 面向台式机的 64 位处理器的出现, 标志着 64 位微机的到来 如 LGA 775 奔腾 4 处理器 酷睿至尊 酷睿 i7 酷睿 i5 酷睿 i3 等,AMD 的 APU A10 APU A8 APU A6 等 Intel CPU 的发展见下页表 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 21

代 发表年份 字长 (bits) 型号 线宽 (m) 晶体管数 ( 万个 ) 时钟频率 (MHz) 速度 (MIPS) 一 1971 1972 4 8 4004 8008 50 0.2 0.3 <1 0.05 二 1974 8 8080 20 0.5 2-4 0.5 三 四 1978 1982 1985 1989 16 32 8086/8088 80286 80386 80486 2-3 1-2 2.9 13 27.5 120 4.77-10 8-20 12-33 25-66 <1 1-2 6-12 20-40 五 1993 32 Pentium 0.6-0.8 330 60-200 100-200 六 七 1995 1996 1997 1999 2001 2002? 32 64 P/Pro P/MMX PII PIII P4 Itanium? 0.6 0.6 0.35.25-.13.18-.13 0.08 550 450 750 850 3000 CPU:2.5K Cache:30K 133-200 166-233 233-450 450-1200 1300-3000 800(20 条指令 / 时钟周期 ) >300 >3000 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 22

Intel 第一块 CPU 4004,4 位主理器, 主频 108kHz, 运算速度 0.06MIPs(Million Instructions Per Second, 每秒百万条指令 ), 集成晶体管 2,300 个,10 微米制造工艺, 最大寻址内存 640 bytes, 生产曰期 1971 年 11 月 8085,8 位主理器, 主频 5M, 运算速度 0.37MIPs, 集成晶体管 6,500 个,3 微米制造工艺, 最大寻址内存 64KB, 生产曰期 1976 年 8086,16 位主理器, 主频 4.77/8/10MHZ, 运算速度 0.75MIPs, 集成晶体管 29,000 个,3 微米制造工艺, 最大寻址内存 1MB, 生产曰期 1978 年 6 月 80486DX,DX2,DX4,32 位主理器, 主频 25/33/50/66/75/100MHZ, 总线频率 33/50/66MHZ, 运算速度 20~60MIPs, 集成晶体管 1.2M 个,1 微米制造工艺,168 针 PGA, 最大寻址内存 4GB, 缓存 8/16/32/64KB, 生产曰期 1989 年 4 月 Celeron 一代, 主频 266/300MHZ(266/300MHz w/o L2 cache, Covington 芯心 (Klamath based),300a/333/366/400/433/466/500/533mhz w/128kb L2 cache, Mendocino 核心 (Deschutes-based), 总线频率 66MHz,0.25 微米制造工艺, 生产曰期 1998 年 4 月 ) Pentium 4 (478 针 ), 至今分为三种核心 :Willamette 核心 ( 主频 1.5G 起,FSB400MHZ,0.18 微米制造工艺 ),Northwood 核心 ( 主频 1.6G~3.0G,FSB533MHZ,0.13 微米制造工艺, 二级缓存 512K),Prescott 核心 ( 主频 2.8G 起,FSB800MHZ,0.09 微米制造工艺,1M 二级缓存,13 条全新指令集 SSE3), 生产曰期 2001 年 7 月 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 23

Intel Core i7 3970X Extreme Edition 64 位处理器 : 是 i7-3970x 依然保持 SNB-E 架构接口类型 :LGA 2011 生产工艺 :32 纳米核心数量 : 六核主频 :3.5GHz Turb: 支持三级缓存 :15M 显示核心 : 无支持内存 :DDR3 1333MHz,DDR3 1600MHz 工作功率 :150W 2014 年初参考价格 : 7999 CineBench R11.5 3D 渲染测试 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 24

1.2 微型计算机系统 主要了解 系统的体系结构 ; 微处理器 微型计算机 微型计算机系统等不同概念的区分 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 25

微型计算机系统结构微微处理器 (CPU) 运算器控制器 型计算机系统硬件 软件 微型计算机 ( 主机 ) 外围设备 存储器 ( 内存 ) 外部设备 辅助设备 RAM ROM 输入 / 输出接口 (PIO SIO CTC ADC DAC ) (I/O 接口 ) 系统总线 (AB DB CB) 输入设备 ( 键盘 扫描仪 语音识别仪 ) 输出设备 ( 显示器 打印机 绘图仪 ) 辅助存储器 ( 磁带 磁盘 光盘 ) 电源电路时钟电路 系统软件 ( 操作系统, 编辑 编译程序, 故障诊断, 监控程序 ) 应用软件 ( 科学计算, 工业控制, 数据处理 ) 程序设计语言 ( 机器语言 汇编语言 高级语言 ) 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 26

主板 2015年3月5日星期四7时50分45秒 微型计算机系统 27

嵌入式系统 嵌入式系统, 是将计算机主机 (CPU 内存和 I/O 接口 ) 集成在一小块硅片上的微型机 为工业测控而设计的, 被称为微控制器 MCU 具有: 集成度高 可靠性高 性价比高等优势 主要应用于工业检测与控制 计算机外设 智能仪器仪表 通讯设备 家用电器等 特别适合于嵌入式微型机应用系统 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 28

加深概念 控制器 CPU 微型计算机主机微型计算机硬件系统微型计算机软件系统微型计算机系统字长 :CPU 并行处理二进制的数据位数 ( 内部直接处理数据的寄存器位数 ) 8 位机 16 位机 32 位机和 64 位机 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 29

性能指标 主频字长内存容量存取周期运算速度内核数目高速缓存 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 30

1.3 计算机中的数制 了解 特点 ; 表示方法 ; 相互间的转换 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 31

一 常用记数制 十进制 符合人们的习惯二进制 便于物理实现十六进制 便于识别 书写八进制 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 32

2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 33 1. 十进制特点 : 以十为底, 逢十进一 ; 共有 0-9 十个数字符号 表示 : 1 1 1 0 1 1 1 0 2 1 10 10 10 10 10 10 ) ( n m i i i m m o n n m n n k k k k k k k k k k D

2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 34 2. 二进制特点 : 以 2 为底, 逢 2 进位 ; 只有 0 和 1 两个符号 表示 : 1 1 1 0 1 1 1 0 2 1 2 2 2 2 2 2 ) ( n m i i i m m o n n m n n k k k k k k k k k k D

2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 35 3. 十六进制特点 : 以 16 为底, 逢 16 进位 ; 有 0-9 及 A-F 共 16 个数字符号 ( 数码 ) 表示 : 1 1 1 0 1 1 1 0 2 1 16 16 16 16 16 16 ) ( n m i i i m m o n n m n n k k k k k k k k k k N

2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 36 进位计数制的一般表示一般地, 对任意一个 N 进制数 S 都可表示为其中 : k i -- 第 i 位数码, 可以是 N 个符号中任何一个 ; n,m 整数和小数的位数 ; N -- 基数 ; N i -- N 进制数的权 1 1 1 0 1 1 1 0 2 1 ) ( n m i i i m m o n n m n n N N k N k N k N k N k k k k k k D

区分不同进制数字的标识 在数字后面加一个字母进行区分 : 二进制 : 数字后面加 B, 如 1001B 八进制 : 数字后面加 O, 如 1001O 十进制 : 一般不加, 如 1001 十六进制 : 数字后面加 H, 如 1001H 在明显可以区分其记数制的情况下, 可以省略数字后面的字母 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 37

不同进制的数码表示 十进制 二进制 十六进制 十进制 二进制 十六进制 0 0000 0 8 1000 8 1 0001 1 9 1001 9 2 0010 2 10 1010 A 3 0011 3 11 1011 B 4 0100 4 12 1100 C 5 0101 5 13 1101 D 6 0110 6 14 1110 E 7 0111 7 15 1111 F 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 38

二 各种数制间的转换 1. 非十进制数到十进制数的转换 按相应进位计数制的权表达式展开, 再按十进制求和 例 :10110010B = (?) 10 13FAH = (?) 10 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 39

2. 十进制到非十进制数的转换 十进制 二进制的转换 : 整数部分 : 除 2 取余 ; 小数部分 : 乘 2 取整 十进制 十六进制的转换 : 整数部分 : 除 16 取余 ; 小数部分 : 乘 16 取整 以小数点为起点求得整数和小数的各个位 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 40

2. 十进制到非十进制数的转换 例 :39 转换成二进制数 39 =100111B 2 39 1 ( b 0 ) 2 19 1 ( b 1 ) 2 9 1 ( b 2 ) 2 4 0 ( b 3 ) 2 2 0 ( b 4 ) 2 1 1 ( b 5 ) 0 例 :208 转换成十六进制数 208 = D0H 16 208 余 0 16 13 余 13 = DH 0 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 41

2. 十进制到非十进制数的转换 1) 0.625 转换成二进制数 0.625 2 = 1.250 1 (b -1 ) 0.25 2 = 0.50 0 (b -2 ) 0.5 2= 1.0 1 (b -3 ) 0.625 = 0.101B 2) 0.625 转换成十六进制数 0.625 16 = 10.0 0.625 = 0.AH 3)208.625 转换成十六进制数 208.625 = 0D0.AH 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 42

3. 二进制与十六进制间的转换 用 4 位二进制数表示 1 位十六进制数 例 : 10110001001.110 = (?)H 0101 1000 1001.1100 5 8 9. C 注意 : 位数不够时要补 0 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 43

1.4 无符号二进制数的运算 无符号数 算术运算 有符号数 逻辑运算 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 44

一 无符号数的运算 算术运算包括 : 加法运算减法运算乘法运算除法运算 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 45

1. 规则 加法 :1+1=0( 有进位 ), 减法 :0-1=1( 有借位 ), 乘除法 : 一个数乘以 2 相当于该数左移一位 ; 除以 2 则相当于该数右移 1 位 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 46

例 00001011 0100=00101100B 00001011 0100=00000010B 11B 即 : 商 =00000010B 余数 =00000011B 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 47

2. 无符号数的表示范围 一个 n 位的无符号二进制数 X, 其表示范围为 0 X 2 n -1 若运算结果超出这个范围, 则产生溢出 ( 或者说运算结果超出 n 位, 则产生溢出 ) 判别方法 : 运算时, 当最高位向更高位有进位 ( 或借位 ) 时则产生溢出 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 48

例 1111 1111 + 0000 0001 1 0000 0000 结果超出 8 位 ( 最高位有进位 ), 发生溢出 ( 结果为 256, 超出 8 位二进制数所能表示的范围 0-255) 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 49

3. 逻辑运算 与 (.) 或(+) 非( ' ) 异或( ) 特点 : 按位运算, 无进借位 运算规则.. 例 :A=1011 0110, B=0110 1011 求 :AB, A+B, A B 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 50

4. 逻辑门 逻辑门 : 完成逻辑运算的电路掌握 : 与 或 非门逻辑符号和逻辑关系 ( 真值表 ); 与非门 或非门的应用 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 51

与门 (AND Gate) A B & Y A B Y 0 0 0 0 1 0 Y = AB 1 0 0 1 1 1 注 : 基本门电路仅完成 1 位二进制数的运算 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 52

或门 (OR Gate) A B 1 Y = A+B Y A B Y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 53

非门 (NOT Gate) A 1 Y A Y 0 1 Y = A' 1 0 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 54

异或门 (exclusive OR Gate) A B =1 Y = A B Y A B Y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 55

5. 译码器 74LS138 译码器 : G1 Y0 译码使能 译码输入 G2A G2B C B 译码输出 A Y7 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 56

74LS138 真值表 使能端输入端输出端 G 1 #G 2A #G 2B C B A #Y 0 #Y 1 #Y 2 #Y 3 #Y 4 #Y 5 #Y 6 #Y 7 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 57

1.5 带符号二进制数的运算 计算机中的带符号二进制数 将二进制数的最高位定义为符号位 符号位为 0 表示正数, 符号位为 1 表示负数 连同符号位一起数值化了的数, 称为机器数 机器数所表示的真实的数值, 称为真值 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 58

1.5 带符号二进制数的运算 举例 : 一个 8 位机器数与它的真值对应关系如下 : 真值 : X1=+84=+101 0100B X2= -84= -101 0100B 机器数 : [X1] 机 = 0101 0100 [X2] 机 = 1101 0100 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 59

[ 例 ] 真值 机器数 +52 = +0110100 = 0 0110100 符号位 数值位 -52 = -0110100 = 1 0110100 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 60

1. 符号数的表示方法 对于符号数, 机器数常用的表示方法有原码 反码和补码三种 数 X 的原码记作 X, 反码记作原 X, 补码记作 X 补 反 注意 : 对正数, 三种表示法均相同 它们的差别在于对负数的表示 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 61

原码 X 原 定义符号位 :0 表示正,1 表示负 ; 数值位 : 真值的绝对值 X 原 X 2 n1 X 2 n1 0 X X 0 2 n1 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 62

原码的例子 符号 真值 X=+18= + 001 0010 X=-18= - 001 0010 符号位 原码 X 原 = 0 001 0010 X 原 = 1 001 0010 n 位原码表示数值的范围是 - (2 n-1-1) ~ + (2 n-1-1) 对应的原码是 1111~ 0111 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 63

数 0 的原码 8 位数 0 的原码 :+0 = 0 0000000-0 = 1 0000000 即 : 数 0 的原码不唯一 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 64

反码 X 反 定义 若 X 0, 则 X 反 =X 原若 X 0, 则 X 反 = 对应原码的符号位不变, 数值部分按位求反 X 反 X 2-1 n X 2 n1 0 X X 0 2 n1 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 65

[ 例 ] X= - 52 = -011 0100 X 原 = 1011 0100 X 反 = 1100 1011 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 66

反码的例子 符号 真值 X=+18= +001 0010 X= -18= -001 0010 符号位 反码 X 反 =0 001 0010 X 反 =1 110 1101 n 位反码表示数值的范围是 - (2 n-1-1) ~ + (2 n-1-1) 对应的反码是 1000~ 0111 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 67

0 的反码 : +0 反 = 0000 0000-0 反 = 1111 1111 即 : 数 0 的反码不唯一 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 68

补码 定义 : 若 X 0, 则 X 补 = X 反 = X 原 若 X 0, 则 X 补 = X 反 +1 X X 2 n X 2 n1 0 X X 0 2 n1 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 69

[ 例 ] X= 52= 011 0100 X 原 = 1011 0100 X 反 = 1100 1011 X 补 = X 反 +1=1100 1100 n 位补码表示数值的范围是 - 2 n-1 ~ + (2 n-1-1) 对应的补码是 1000~ 0111 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 70

0 的补码 : +0 = +0 =0000 0000 补原 -0 = -0 +1=1111 1111+1 补反 =1 0000 0000 对 8 位字长, 进位被舍掉 +0 补 = -0 补 = 0000 0000 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 71

特殊数 1000 0000 该数在原码中定义为 : -0 在反码中定义为 : -127 在补码中定义为 : -128 对无符号数 :(1000 0000) 2 = 128 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 72

8 位有符号数的表示范围 : 对 8 位二进制数 : 原码 : -127 ~ +127 反码 : -127 ~ +127 补码 : -128 ~ +127 思考 :16 位有符号数的表示范围是多少? 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 73

2. 有符号二进制数与十进制的转换 对用补码表示的二进制数 : 1) 求出真值 2) 进行转换 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 74

例 将一个用补码表示的二进制数转换为十进制数 1) X 补 = 0 010 1110B 真值为 :+ 010 1110B 正数 所以 :X=+46 2) X 补 = 1 101 0010B 负数 X = [[X] 补 ] 补 = [1101 0010] 补 = - 010 1110B 所以 :X = - 46 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 75

3. 补码加减法的运算规则 通过引进补码, 可将减法运算转换为 加法运算 规则如下 : [X+Y] 补 =[X] 补 +[Y] 补 [X-Y] 补 =[X] 补 + [-Y] 补 其中 X Y 为正负数均可, 符号位参与运算 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 76

* 补码的运算原理 模 (module) 就是一个计数系统的最大容量 例如, 钟表的模为 12,8 位二进制数的模为 2 8 凡是用器件进行的运算都是有模运算, 运算结果超过模的部分会被运算器自动丢弃 因此, 当器件为 n 位时, 有 X=2 n +X (mod 2 n ) 不难验证, [X] 补 =2 n +X (mod 2 n ) 因此, [XY] 补 = 2 n + (XY) (mod 2 n ) = (2 n +X) + (2 n Y) (mod 2 n ) = [X] 补 + [Y] 补 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 77

例 X=-011 0100,Y=+111 0100, 求 [X+Y] 补 [X] 原 =1011 0100 [X] 补 = [X] 反 +1=1100 1100 [Y] 补 = [Y] 原 =0111 0100 所以 : [X+Y] 补 = [X] 补 + [Y] 补 =1100 1100+0111 0100 =1 0100 0000 舍弃 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 78

4. 符号数运算中的溢出问题 进 ( 借 ) 位 在加法过程中, 符号位向更高位产生进位 ; 在减法过程中, 符号位向更高位产生借位 溢出 运算结果超出运算器所能表示的范围 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 79

溢出的判断方法 方法 1: 同号相减或异号相加 不会溢出 同号相加或异号相减 可能溢出 : 两种情况 : 同号相加时, 结果符号与加数符号相反 溢出 ; 异号相减时, 结果符号与减数符号相同 溢出 方法 2: 对于两个 n 位有符号二进制数相加或相减时, 若异或 : C n-1 C n-2 =1 则结果产生溢出 C n-1 为最高位的进 ( 借 ) 位 ;C n-2 为次高位的进 ( 借 ) 位 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 80

有符号数运算, 有溢出, 表示结果错误 ; 无符号数运算, 有进位, 表示结果错误 例 1: 1 0 1 1 0 1 0 1 + 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 进位符号位结论 : 若为无符号数, 则因为最高位产生进位, 故溢出 ; 若为有符号数, 最高位为符号位, 均为负数, 所得结果产生相反的符号 (+), 故也溢出 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 81

例 2: 0 1 0 0 0 0 1 0 + 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 结论 : 若为无符号数, 相加后没有产生进位, 即没有超出无符号数的表达范围, 故无溢出 ; 若为有符号数, 两个正数相加, 结果也应该为正, 由于 C 7 =0,C 6 =1, 故 C 7 C 6 =1, 则溢出 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 82

例 3: 0 1 0 0 0 0 1 0 + 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 +66 + (-51) + 15 结论 : 若为无符号数, 相加后产生进位, 即超出无符号数的表达范围, 故溢出 ; 若为有符号数, 一个正数与一个负数相加 由于 C 7 =1,C 6 =1, 故 C 7 C 6 =0, 则无溢出 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 83

1.6 二进制编码 一 十进制数的表示 BCD 码 用 4 位二进制数表示一位十进制数 有两种表示法 : 压缩 BCD 码和非压缩 BCD 码 压缩 BCD 码的每一位用 4 位二进制表示, 0000 ~ 1001 表示 0~9, 一个字节表示两位十进制数 非压缩 BCD 码用一个字节表示一位十进制数, 高 4 位总是 0000, 低 4 位的 0000~1001 表示 0~9 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 84

二 非数值数据的表示 计算机中除了能够处理数值数据以外, 还可以处理文字 语音 图像等各种信息, 这些信息统称为非数值数据 非数值数据在计算机中也必须以二进制形式表示, 非数值数据的表示本质上是编码的过程 最常用的数据编码 : 美国标准信息交换代码 (American Standard Code for Information Interchange, ASCII 码 ) ( 见下页 ASCII 编码表, 教材中的附录 A) 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 85

ASCII 码 美国标准信息交换代码 L H ASCII 字符表 000 001 010 011 100 101 110 111 0000 NUL DLE SP 0 @ P ` p 0001 SOH DC1! 1 A Q a q 0010 STX DC2 " 2 B R b r 0011 ETX DC3 # 3 C S c s 0100 EOT DC4 $ 4 D T d t 0101 ENG NAK % 5 E U e u 0110 ACK SYN & 6 F V f v 0111 BEL ETB ' 7 G W g w 1000 BS CAN ( 8 H X h x 1001 HT EM ) 9 I Y i y 1010 LF SUB * : J Z j z 1011 VT ESC + ; K [ k { 1100 FF FS, < L \ l 1101 CR GS - = M ] m } 1110 SO RS. > N n ~ 1111 SI US /? O o DEL 注 :H 表示高 3 位,L 表示低 4 位 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 86

ASCII 码 采用 7 位二进制代码对字符进行编码 数字 0~9 的编码是 0110000~0111001, 它们的高 3 位均是 011, 后 4 位正好与其对应的二进制代码 (BCD 码 ) 相符 英文字母 A~Z 的 ASCII 码从 1000001(41H) 开始顺序递增, 字母 a~z 的 ASCII 码从 1100001(61H) 开始顺序递增, 这样的排列对信息检索十分有利 最高位通常总为 0, 有时也用作奇偶校验位 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 87

汉字编码 国家标准信息交换用汉字编码 (GB2312-80 标准 ), 简称国标码 用两个七位二进制数编码表示一个汉字 例如 巧 字的代码是 39H 41H 保 字的国标码为 31H 23H 汉字内码 : 在计算机内表示汉字的代码是汉字机内码, 汉字机内码由国标码演化而来, 把表示国标码的两个字节的最高位分别加 1, 就变成汉字机内码 例如, 巧 字的机内码是 0B9H 0C1H 保 字的机内码就是 0B1H 0A3H 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 88

1.7 计算机中常用数据单位 bit 1Mb=10241024bit=2 20 bit 1Gb=2 30 bit=1024mb 1Tb=2 40 bit=1024gb Byte 1 Byte=8bit,1KB=1024 Byte, Word 表示字长, 有 1bit, 4bit, 8bit, 16bit 等, 一般情况下为 2Byte(16bit) 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 89

第 1 章难点 补码的概念及其运算 有符号数运算的溢出问题 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 90

课堂练习 1 请写出数据 +37 和 -37 的原码 反码和补码表示形式 (8 位机器数 ) 2 8 位机器数 46H, 在作为无符号数 补码有符号数 BCD 码以及 ASCII 时分别表示什么真值或含义? 3 用 8 位二进制补码列算式计算 : 75+28 75-28 -75+28-75-28 并判断结果是否产生溢出? 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 91

本章结束 作业 :PP.20~21 3 6 7 11 13 2015 年 3 月 5 日星期四 7 时 50 分 45 秒 92