计算机原理讲义
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 27
（ 二）ASCII码 二）ASCII码 键盘输入的都是ASCII码, 十六进制数计 算前应转变成其对应数值,例如: ‘0’ =48=30H, 30H-30H=0 ‘1’ =49=31H, 31H-30=1 ‘9’ =57=39H, 39H-30H=9 以上规律可用于数字0—9的ASCII码转变 成其对应数值。
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 10
4 ，多位二进制数的逻辑运算 拆开成一位对一位运算，没有进位。 与运算(AND)：1∧1=1，0∧x=0 例 A＝１１１１０１０１B B＝００００００１１B A∧B＝０００００００１B 该例运算结果描述： 保留A中D１D０位，其余位清零
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 11
210B=1KB,
2010-12-10
220B=1MB,
自动化系 计算机原理与应用
230 B=1GB
31
③ I/O接口 I/O接口
计算机通过接口和外部设备连接
2010-12-10
自动化系 计算机原理与应用
32
微型计算机系统硬件结构 微型计算机系统硬件结构
地址总线 AB 输 入 设 备 输 出 设 备
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 15
2、补码：正数与原码相同，负数的补码 为2n_|x|(即对其绝对值做求补运算）。 对于８位二进制数n=8（即M=2n）,x表 示原数。 计算机中带符号数默认用补码形式。 2n-1=11…1B，则2n-1-|x|为|x|的取反
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 16
教材
《微型计算机系统原理及应用》(第2版) 2004 杨素行 等 编著 清华大学出版社 内容共分为6章 《计算机原理及应用习题实验》 清华大学自动化系，2006，2007，2008年2月 版
2010-12-10
自动化系 计算机原理与应用
1
课程简介
1.内容： 计算机基本原理及系统构成 ８０×８６指令系统， 汇编语言程序设计，系统功能调用， 通用可编程接口电路及应用。 2.特点： 硬件和软件知识相结合、 多动手做题、做实验
优点：直观
2010-12-10
缺点：减法运算复杂
自动化系 计算机原理与应用 14
简化减法运算的编码方式的探讨
对一位的十进制（基为10=M）数有： 3-4=3+(10-4)=9，3-2=3+(10-2)=1 故如对负数编码为 M-|x|，即： 对 0(x0),1(x1),2(x3),….,9(x9)的10个状态资源编码为 0→x0(0)，1→x1(1)， 2→x2(2)，3→x3(3)，4→x4(4) -5→x5(5)，-4→x6(6)， -3→x7(7), -2→x8(8), -1→x9(9) 则对操作数及结果均在可表示范围内（-5~4）时， 总有：A-B=A+(M-B) (上例 9=-1)
或运算及非运算 或运算（OR)： 0∨0=0，1∨x=1 例 A＝１１１１０１０１B B＝００００００１１B A∨B＝１１１１０１１１B 该例运算结果描述： 保证A中D1D0位为１，其余位不变。 非(NOT)： Ā＝００００１０１0 B 运算结果描述：A中各位取反
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 12
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 28
‘A’ =65=41H, 41H-37H=0AH ‘F’ =70=46H, 46H-37H=0FH 以上规律可用于大写字母A--F的ASCII码 转变成其对应数值。 ‘ a’ =97=61H, 61H20H=41H=‘A’ 以上规律可用于小写字母a--f的ASCII码 转变成其对应大写字母A--F
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 25
三．编码
计算机内的二进制码除了直接表示数值，还 可以表示其它信息 （一） 压缩BCD码和非压缩BCD码 （P12表1.2） 压缩BCD码也是4位二进制一段,这一点 和十六进制类似,但是每段内只有十种编码, 段与段之间是十进位. 非压缩BCD码以一字节（8位二进制）为 一段，高4位总为0.
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 20
3、真值 真值：写符号的数值，常用十进制形式 （１）原码求真值 先写符号，再将数值变十进制。 （２）反、补码求真值 先变成原码，再求真值。 例：求补码11110111B的十进制真值： 先确定是负数，变为原码10001001B， 再变成十进制 - 9D。
3、反码：正数与原码相同，负数的反码 为2n-1-|x|， 对于８位二进制数n=8,x 表示原数。
从而有：负数的反码加1得该负数的补码 （一般都正确）
2010-12-10
自动化系 计算机原理与应用
17
正负数原, 正负数原,反,补码
例：４位二进制带符号数 +2的原,反,补码是0010B -2的原码： 1010B -2的反码： 1101B -2的补码： 1110B
自动化系 计算机原理与应用
5
§1.2 数制及编码
基：数制所使用的数码的个数 权：数制每一位所具有的值
一． 无符号数 1、无符号数的表示 1）十进制D: ０～９数符，10 n位权 （基为“10”，权为以10为底的幂） 2）二进制B: ０、１数符，２n位权 3）十六进制H：０～９，A、B、C、D、 E、F数符，１６n位权
占地150平米，重30,000kg，造价超$1,000,000
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 4
微型计算机
. 微型计算机
是第四代计算机的典型代表。它的特点是 将中央处理器、主存储器和输入输出接口 集中在一小块硅片上。
按字长分代：４位、８位、 １６位、３２位、６４位
2010-12-10
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 29
几个常用控制符的ASCII码 几个常用控制符的ASCII码 换行符‘LF’=0AH, 回车符‘CR’=0DH, 空格符=20H
2010-12-10
自动化系 计算机原理与应用
30
§1.3微型计算机系统 1.3微型计算机系统
一、系统的组成（ P14图1.5） 硬件（主机+外部设备）、软件 1. 主机 ① 微处理器(CPU) 逐条取指令、译码、发控制信号执行指令 ② 存储器(内存) 以二进制储存指令和数据,字节为单位,用地址管理.
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 13
二 .带符号二进制数 （一）带符号二进制数的表示方法 １、原码：最高位表示正负， 后续位表示数值（以８位为例）
D7D6D5D4D3D2D1D0
符号位：正为0， 负为1 数值部分：原数绝对值的二进制形式。
Ex. 4位带符号二进制数的 +2=0010B，-3=1011B
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 8
（3）二进制→十六进制： 每４位二进制一段，对应１位十 六进制。 例：0101﹒1010B＝5﹒AH 十六进制是二进制的缩写形式 (简化书写、便于记忆）
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 9
(两个)多位二进制数的算术运算 两个)
位(bit)：一个二进制位，是计算机中信息 表示的最小单位 而多位二进制数的算术运算则是从低位 往高位顺序计算，考虑进位（二进制）。 1+1=0(进位1)；0-1=1(有借位) 字节（Byte）：8个二进制位， 一个存储器单元的容量 D７D６D５D４D３D２D１D０ 字（Word）＝2B＝16b 双字（DW）＝4B＝32b
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 6
2 ，数制转换 （1）二进制→十进制：按２n幂展开求和 … ２3 ２2 ２1 ２0 .２-1 ２-2 ２-3 ２-4 … Ex. 101011.101B =32+0+8+0+2+1+0.5+0.25+0.125 =43.625D
2010-12-10
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 26
例. 对于压缩BCD码数的运算，20-1=19： (0010 0000)BCD - 1 = ( 0001 1001 ) BCD 对于十六进制数的运算，20H - 1=1FH （ 二）ASCII码 标准的ASCII码有5位和7位两种，IBM 的8位ASCII码表见P409,附录1.1.
该三种编码的最高位均起到符号位的作用， 即当为0时得正数，为1时得负数。
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 18
教材P9表 教材P9表1.1
８位二进制数值有256种形式， 用来表示无符号数时，数值为０～ 255。 当表示带符号数时，表的上面一半是 正数，三种码相同；下面一半是负数， 原、反、补码不同。原码和反码各有 负零，补码没有负零，且多出-128。
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 24
（２）判断溢出的方法 异号相加（同号相减）不可能溢出，其 它情况下须判断是否溢出：
① 用十进制计算，检查结果是否超范围； ② 用二进制计算检查结果的符号位是否变反 (因为同号相加不能变号) ③ 用二进制计算检查进位： 溢出标志OF＝CY ７ ∨CY6 ；（最高进位异 或次高进位）
22
减一个数等于加相反数的补码
例 3-2=1 0011 -）0010 0001
3+（-2）补 0011 +）1110 10001
进位 带符号数运算不关心最高位产生的进位， 因此认为结果正确
2010-12-10（１）溢出：补码运算结果超出当前表 示范围造成的错误． 例如８位补码表示范围 –128 ~ +127 +126+2=+128 -127+(-2)=-129 01111110 10000001 +)00000010 +)11111110 10000000 01111111 读出负128 读出正127
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用
19
二）带符号数的形式转换
１、原码→反、补码： 按定义进行，先区分正负数， 正数不变，负数才变 ２、反、补码→原码： 正数不变，负数才变 对[负数反码]求反，置符号位为１。 Ex: 对-2，1101→0010(绝对值)→1010 对[负数补码]求补(求反加1),置符号位为１。 Ex: 对-2，1110→0001→0010(绝对值)→1010
世上第一台电子计算机
名称：电子数字积分器及计算器
(Electronic Numerical Integrator Calculator, ENIAC)
时间：1946年 用途：弹道设计 制造者：美国宾夕法尼亚大学 运算速度：每秒5,000次加法运算 其它：使用了18,800个电子管和1,500个继电器，
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 21
（三）补码的运算 １、补码相加减 补码的符号位和数值位一样运算 例:-3+5=2 -3-6=-9 11111101 11111101 +）00000101 -）00000110 00000010 11110111
2010-12-10
自动化系 计算机原理与应用
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 2
第一章
微型计算机基础
数字电子计算机的发展与分代 按器件分代：
电子管计算机（1946-1956） 晶体管计算机（1957-1964） 中小规模集成电路计算机（1965-1970） 超大规模集成电路计算机（1971-2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 3
自动化系 计算机原理与应用
7
(2)十进制→二进制： 整数和小数方法不同 ①整数：连续除以２，取余数，先 得低位，后得高位，直至商零为止 例：13D＝1101B 13D 1101B ②小数：连续乘以２，取向整数的进位， 先得高位，后得低位，直至足够位数 即可：例 0.625D=0.101B ③整数带小数时分别转换,然后合并结果
异或运算(XOR) 异或运算(XOR)
1 ∨ 1=0，0 ∨ 0=0，1 ∨ 0=1，0 ∨ 1=1 例： A＝１１１１０１０１B B＝００００００１１B A ∨ B＝１１１１０１１０B 该例运算结果描述： A中D1D0取反，其余位不变。 故当B=11111111B， A∨B的运算结果为对A 各位取反，也与11111111(=28-1)-A的算术运 算结果同
（ 二）ASCII码 二）ASCII码 键盘输入的都是ASCII码, 十六进制数计 算前应转变成其对应数值,例如: ‘0’ =48=30H, 30H-30H=0 ‘1’ =49=31H, 31H-30=1 ‘9’ =57=39H, 39H-30H=9 以上规律可用于数字0—9的ASCII码转变 成其对应数值。
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 10
4 ，多位二进制数的逻辑运算 拆开成一位对一位运算，没有进位。 与运算(AND)：1∧1=1，0∧x=0 例 A＝１１１１０１０１B B＝００００００１１B A∧B＝０００００００１B 该例运算结果描述： 保留A中D１D０位，其余位清零
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 11
210B=1KB,
2010-12-10
220B=1MB,
自动化系 计算机原理与应用
230 B=1GB
31
③ I/O接口 I/O接口
计算机通过接口和外部设备连接
2010-12-10
自动化系 计算机原理与应用
32
微型计算机系统硬件结构 微型计算机系统硬件结构
地址总线 AB 输 入 设 备 输 出 设 备
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 15
2、补码：正数与原码相同，负数的补码 为2n_|x|(即对其绝对值做求补运算）。 对于８位二进制数n=8（即M=2n）,x表 示原数。 计算机中带符号数默认用补码形式。 2n-1=11…1B，则2n-1-|x|为|x|的取反
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 16
教材
《微型计算机系统原理及应用》(第2版) 2004 杨素行 等 编著 清华大学出版社 内容共分为6章 《计算机原理及应用习题实验》 清华大学自动化系，2006，2007，2008年2月 版
2010-12-10
自动化系 计算机原理与应用
1
课程简介
1.内容： 计算机基本原理及系统构成 ８０×８６指令系统， 汇编语言程序设计，系统功能调用， 通用可编程接口电路及应用。 2.特点： 硬件和软件知识相结合、 多动手做题、做实验
优点：直观
2010-12-10
缺点：减法运算复杂
自动化系 计算机原理与应用 14
简化减法运算的编码方式的探讨
对一位的十进制（基为10=M）数有： 3-4=3+(10-4)=9，3-2=3+(10-2)=1 故如对负数编码为 M-|x|，即： 对 0(x0),1(x1),2(x3),….,9(x9)的10个状态资源编码为 0→x0(0)，1→x1(1)， 2→x2(2)，3→x3(3)，4→x4(4) -5→x5(5)，-4→x6(6)， -3→x7(7), -2→x8(8), -1→x9(9) 则对操作数及结果均在可表示范围内（-5~4）时， 总有：A-B=A+(M-B) (上例 9=-1)
或运算及非运算 或运算（OR)： 0∨0=0，1∨x=1 例 A＝１１１１０１０１B B＝００００００１１B A∨B＝１１１１０１１１B 该例运算结果描述： 保证A中D1D0位为１，其余位不变。 非(NOT)： Ā＝００００１０１0 B 运算结果描述：A中各位取反
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 12
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 28
‘A’ =65=41H, 41H-37H=0AH ‘F’ =70=46H, 46H-37H=0FH 以上规律可用于大写字母A--F的ASCII码 转变成其对应数值。 ‘ a’ =97=61H, 61H20H=41H=‘A’ 以上规律可用于小写字母a--f的ASCII码 转变成其对应大写字母A--F
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 25
三．编码
计算机内的二进制码除了直接表示数值，还 可以表示其它信息 （一） 压缩BCD码和非压缩BCD码 （P12表1.2） 压缩BCD码也是4位二进制一段,这一点 和十六进制类似,但是每段内只有十种编码, 段与段之间是十进位. 非压缩BCD码以一字节（8位二进制）为 一段，高4位总为0.
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 20
3、真值 真值：写符号的数值，常用十进制形式 （１）原码求真值 先写符号，再将数值变十进制。 （２）反、补码求真值 先变成原码，再求真值。 例：求补码11110111B的十进制真值： 先确定是负数，变为原码10001001B， 再变成十进制 - 9D。
3、反码：正数与原码相同，负数的反码 为2n-1-|x|， 对于８位二进制数n=8,x 表示原数。
从而有：负数的反码加1得该负数的补码 （一般都正确）
2010-12-10
自动化系 计算机原理与应用
17
正负数原, 正负数原,反,补码
例：４位二进制带符号数 +2的原,反,补码是0010B -2的原码： 1010B -2的反码： 1101B -2的补码： 1110B
自动化系 计算机原理与应用
5
§1.2 数制及编码
基：数制所使用的数码的个数 权：数制每一位所具有的值
一． 无符号数 1、无符号数的表示 1）十进制D: ０～９数符，10 n位权 （基为“10”，权为以10为底的幂） 2）二进制B: ０、１数符，２n位权 3）十六进制H：０～９，A、B、C、D、 E、F数符，１６n位权
占地150平米，重30,000kg，造价超$1,000,000
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 4
微型计算机
. 微型计算机
是第四代计算机的典型代表。它的特点是 将中央处理器、主存储器和输入输出接口 集中在一小块硅片上。
按字长分代：４位、８位、 １６位、３２位、６４位
2010-12-10
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 29
几个常用控制符的ASCII码 几个常用控制符的ASCII码 换行符‘LF’=0AH, 回车符‘CR’=0DH, 空格符=20H
2010-12-10
自动化系 计算机原理与应用
30
§1.3微型计算机系统 1.3微型计算机系统
一、系统的组成（ P14图1.5） 硬件（主机+外部设备）、软件 1. 主机 ① 微处理器(CPU) 逐条取指令、译码、发控制信号执行指令 ② 存储器(内存) 以二进制储存指令和数据,字节为单位,用地址管理.
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 13
二 .带符号二进制数 （一）带符号二进制数的表示方法 １、原码：最高位表示正负， 后续位表示数值（以８位为例）
D7D6D5D4D3D2D1D0
符号位：正为0， 负为1 数值部分：原数绝对值的二进制形式。
Ex. 4位带符号二进制数的 +2=0010B，-3=1011B
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 8
（3）二进制→十六进制： 每４位二进制一段，对应１位十 六进制。 例：0101﹒1010B＝5﹒AH 十六进制是二进制的缩写形式 (简化书写、便于记忆）
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 9
(两个)多位二进制数的算术运算 两个)
位(bit)：一个二进制位，是计算机中信息 表示的最小单位 而多位二进制数的算术运算则是从低位 往高位顺序计算，考虑进位（二进制）。 1+1=0(进位1)；0-1=1(有借位) 字节（Byte）：8个二进制位， 一个存储器单元的容量 D７D６D５D４D３D２D１D０ 字（Word）＝2B＝16b 双字（DW）＝4B＝32b
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 6
2 ，数制转换 （1）二进制→十进制：按２n幂展开求和 … ２3 ２2 ２1 ２0 .２-1 ２-2 ２-3 ２-4 … Ex. 101011.101B =32+0+8+0+2+1+0.5+0.25+0.125 =43.625D
2010-12-10
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 26
例. 对于压缩BCD码数的运算，20-1=19： (0010 0000)BCD - 1 = ( 0001 1001 ) BCD 对于十六进制数的运算，20H - 1=1FH （ 二）ASCII码 标准的ASCII码有5位和7位两种，IBM 的8位ASCII码表见P409,附录1.1.
该三种编码的最高位均起到符号位的作用， 即当为0时得正数，为1时得负数。
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 18
教材P9表 教材P9表1.1
８位二进制数值有256种形式， 用来表示无符号数时，数值为０～ 255。 当表示带符号数时，表的上面一半是 正数，三种码相同；下面一半是负数， 原、反、补码不同。原码和反码各有 负零，补码没有负零，且多出-128。
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 24
（２）判断溢出的方法 异号相加（同号相减）不可能溢出，其 它情况下须判断是否溢出：
① 用十进制计算，检查结果是否超范围； ② 用二进制计算检查结果的符号位是否变反 (因为同号相加不能变号) ③ 用二进制计算检查进位： 溢出标志OF＝CY ７ ∨CY6 ；（最高进位异 或次高进位）
22
减一个数等于加相反数的补码
例 3-2=1 0011 -）0010 0001
3+（-2）补 0011 +）1110 10001
进位 带符号数运算不关心最高位产生的进位， 因此认为结果正确
2010-12-10（１）溢出：补码运算结果超出当前表 示范围造成的错误． 例如８位补码表示范围 –128 ~ +127 +126+2=+128 -127+(-2)=-129 01111110 10000001 +)00000010 +)11111110 10000000 01111111 读出负128 读出正127
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用
19
二）带符号数的形式转换
１、原码→反、补码： 按定义进行，先区分正负数， 正数不变，负数才变 ２、反、补码→原码： 正数不变，负数才变 对[负数反码]求反，置符号位为１。 Ex: 对-2，1101→0010(绝对值)→1010 对[负数补码]求补(求反加1),置符号位为１。 Ex: 对-2，1110→0001→0010(绝对值)→1010
世上第一台电子计算机
名称：电子数字积分器及计算器
(Electronic Numerical Integrator Calculator, ENIAC)
时间：1946年 用途：弹道设计 制造者：美国宾夕法尼亚大学 运算速度：每秒5,000次加法运算 其它：使用了18,800个电子管和1,500个继电器，
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 21
（三）补码的运算 １、补码相加减 补码的符号位和数值位一样运算 例:-3+5=2 -3-6=-9 11111101 11111101 +）00000101 -）00000110 00000010 11110111
2010-12-10
自动化系 计算机原理与应用
2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 2
第一章
微型计算机基础
数字电子计算机的发展与分代 按器件分代：
电子管计算机（1946-1956） 晶体管计算机（1957-1964） 中小规模集成电路计算机（1965-1970） 超大规模集成电路计算机（1971-2010-12-10 自动化系 计算机原理与应用 3
自动化系 计算机原理与应用
7
(2)十进制→二进制： 整数和小数方法不同 ①整数：连续除以２，取余数，先 得低位，后得高位，直至商零为止 例：13D＝1101B 13D 1101B ②小数：连续乘以２，取向整数的进位， 先得高位，后得低位，直至足够位数 即可：例 0.625D=0.101B ③整数带小数时分别转换,然后合并结果
异或运算(XOR) 异或运算(XOR)
1 ∨ 1=0，0 ∨ 0=0，1 ∨ 0=1，0 ∨ 1=1 例： A＝１１１１０１０１B B＝００００００１１B A ∨ B＝１１１１０１１０B 该例运算结果描述： A中D1D0取反，其余位不变。 故当B=11111111B， A∨B的运算结果为对A 各位取反，也与11111111(=28-1)-A的算术运 算结果同