微型计算机概论62136.pptx

微型计算机原理及接口技术微型计算机原理及接口技术 课程性质及教学目的 微型计算机原理与接口技术是工科本科一门重要的专业技术基础课程。本课程帮助学生掌握微型计算机的硬件组成及使用；学会运用汇编语言进行程序设计；树立起计算机体系结构的基本概念；掌握微机的基本组成、工作原理、接口电路及硬件的连接，建立微机系统的整机概念，具备初步开发微机系统软、硬件的能力。课程简介及要求第1页/共80页微型计算机原理及接口技术微型计算机原理及接口技术课程简介及要求课程特点:理论与实际联系非常紧密的课程,课程内容更新极快。内容多，学时少，进度快，难度大，应用广。第2页/共80页微型计算机原理及接口技术微型计算机原理及接口技术课程简介及要求抓住教学过程中的3个环节 上课时要主动参与、发现、探究 将上课时的多媒体教案从教师手中转化为自己的认知工具，主动参与、发现、探究；课堂上会布置自学内容，通过自学从而培养自学的能力；独立完成作业 同学之间相互交流，一起讨论，但一定要独立完成作业；第3页/共80页微型计算机原理及接口技术微型计算机原理及接口技术课程简介及要求 实验课前要预习，写出预习报告，做到心中有数，有的放矢；实验课后，要写实验报告，总结经验和教训；提高自己分析问题和解决问题的能力，培养一种严谨科学作风。收获与时间成正比 本课程理论联系实际非常紧密，内容更新极快。只能采用解剖麻雀方法，教师在这里只起到抛砖引玉的作用。因此同学们学习过程中，要花时间去学习、思索、实践。有机地将本专业的知识结合起来，构成一个实际系统，解决实际问题。收获与时间成正比,花时间越多，收获将越大。第4页/共80页第一章第一章 微型计算机概微型计算机概论论1 1第一台电子计算机第一台电子计算机 19461946年年2 2月，美国月，美国宾夕法尼亚大学宾夕法尼亚大学诞生了世界上第一台诞生了世界上第一台电子数字计算机：电子数字计算机：“埃尼阿克埃尼阿克”（ENIACENIAC，即，即Electronic Electronic Numerical Integrator and CalculatorNumerical Integrator and Calculator，电子数字积分计，电子数字积分计算机）。算机）。重量重量3030吨，占地吨，占地170170平方米，每小时耗电平方米，每小时耗电150150千瓦，价值千瓦，价值约约4040万美元。采用万美元。采用1800018000只电子管，只电子管，7000070000个电阻，个电阻，1000010000支支电容，研制时间近三年，运算速度为每秒电容，研制时间近三年，运算速度为每秒50005000次加减法运算。次加减法运算。ENIACENIAC的不足的不足：运算速度慢、存储容量小、全部指令没：运算速度慢、存储容量小、全部指令没有存放在存储器中、机器操作复杂、稳定性差有存放在存储器中、机器操作复杂、稳定性差 。1.1 微型计算机概述1.1.1 计算机的发展第5页/共80页2 2冯冯 诺依曼结构计算机诺依曼结构计算机 19461946年年6 6月，美籍匈牙利科学家冯月，美籍匈牙利科学家冯 诺依曼（诺依曼（Johe Johe Von NeummanVon Neumman）提出了）提出了“存储程序存储程序”的计算机设计方的计算机设计方案。案。其特点是其特点是：采用二进制数形式表示数据和计算机指令。采用二进制数形式表示数据和计算机指令。指令和数据存储在计算机内部存储器中，能自动指令和数据存储在计算机内部存储器中，能自动依次执行指令。依次执行指令。由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备备5 5大部分组成计算机硬件。大部分组成计算机硬件。工作原理的核心是工作原理的核心是“存储程序存储程序”和和“程序控制程序控制”。按照这一原理设计的计算机称为冯按照这一原理设计的计算机称为冯 诺依曼型计算诺依曼型计算机。机。冯冯 诺依曼提出的体系结构奠定了现代计算机结构诺依曼提出的体系结构奠定了现代计算机结构理论的基础，被誉为计算机发展史上的里程碑。理论的基础，被誉为计算机发展史上的里程碑。第6页/共80页冯冯诺依曼计算机结构诺依曼计算机结构运算器存储器控制器输出设备输入设备原始数据原始数据和指令和指令计算结果计算结果计算机的基本结构框图第7页/共80页冯冯诺依曼计算机结构诺依曼计算机结构数据和程序以二进制代码形式不加区别地存放在存储器中，存放位置由地址指定，地址码也为二进制。u由由运运算算器器、控控制制器器、存存储储器器、输输入入设设备备和和输输出出设设备备五部分五部分组成。组成。u控控制制器器是是根根据据存存放放在在存存储储器器中中的的指指令令序序列列即即程程序序来来工工作作的的，并并由由一一个个程程序序计计数数器器（即即指指令令地地址址计计数数器器）控控制制指指令令的的执执行行。控控制制器器具具有有判判断断能能力力，能根据指令，选择不同的动作流程。能根据指令，选择不同的动作流程。u微处理器微处理器包括运算器和控制器。以其为核心，通过包括运算器和控制器。以其为核心，通过地址地址(AB)(AB)、数据、数据(DB)(DB)、控制、控制(CB)(CB)三总线连接存储器、三总线连接存储器、输入输入/输出接口，进而输入设备和输出设备。输出接口，进而输入设备和输出设备。第8页/共80页1.1.2 微型计算机的分类及主要性能指标1.1.微型计算机的分类微型计算机的分类(1)按照CPU的字长来分类 有4位、8位、16位、32位、64位微型计算机等。(2)按照微处理器器件的工艺来分类 可分成MOS工艺、双极型TTL工艺的微处理器。(3)按照微型计算机的利用形态来分类 有单片机、单板机、位片机、微机系统等。第9页/共80页(4)(4)按计算机的用途分类按计算机的用途分类个人计算机：面向个人或家庭使用的低档微型计算机。工作站：介于PC机和小型机之间的高档微型机。小型计算机：结构简单、成本较低、易维护和使用。其规模和设置可以满足一个中小型部门的工作需要。主机：具有大容量存储器，多种类型的I/O通道，能同时支持批处理和分时处理等多种工作方式。其规模和配置可以满足一个大中型部门的工作需要。小巨型计算机：也称为桌上型超级计算机。最大的特点是价格便宜，并且具有较好的性能价格比。巨型计算机：也称为超级计算机。具有极高的性能和极大的规模，价格昂贵，多用于尖端科技领域。第10页/共80页2.2.微型计算机的性能指标介绍微型计算机的性能指标介绍 位：这是计算机中所表示的最基本、最小的数据单元。字长：是计算机在交换、加工和存放信息时的最基本的长度。字节（Byte）：是计算机中通用的基本单元，由8个二进制位组成。字：是计算机内部进行数据处理的基本单位。主频：也称时钟频率，是指计算机中时钟脉冲发生器所产生的频率。访存空间：是该微处理器构成的系统所能访问的存储单元数。指令数：构成微型计算机的操作命令数。基本指令执行时间：计算机执行程序所花的时间。可靠性：指计算机在规定时间和条件下正常工作不发生故障的概率。兼容性：指计算机硬件设备和软件程序可用于其他多种系统的性能。性能价格比：是衡量计算机产品优劣的综合性指标。第11页/共80页微机系统的主要性能指标微机系统的主要性能指标字长计算机内部一次可处理的二进制数的位数。取决于微处理器内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度。字长越长，则表示的数据精度越高，完成相同精度的数据运算速度越快。u运算速度运算速度常用常用平均运算速度平均运算速度MIPS(Millions of Instruction MIPS(Millions of Instruction Per Second)Per Second)和和CPUCPU的主频的主频表示。表示。主频主频：微处理器运行的时钟频率。：微处理器运行的时钟频率。外频外频：微处理器外：微处理器外部总线的频率。早期微处理器的主频与外部总线的频部总线的频率。早期微处理器的主频与外部总线的频率相同，从率相同，从80486DX280486DX2开始，主频开始，主频=外部总线频率外部总线频率 倍频倍频系数。系数。第12页/共80页微机系统的主要性能指标微机系统的主要性能指标存储器容量：内存和外存，通常以字节为单位。内存：微处理器的寻址空间和实际配置的存储器容量(内存条容量)。外存：硬盘容量。1K=210=1024；1M=220=1024K；1G=230=1024M；1T=240=1024Gu外设扩展能力计算机系统配接各种外部设备的可能性、灵活计算机系统配接各种外部设备的可能性、灵活性和适应性。性和适应性。第13页/共80页1.1.3 微型计算机的发展微型计算机的发展1 1按逻辑部件化分的计算机发展阶段按逻辑部件化分的计算机发展阶段按电子部件的演变经历了按电子部件的演变经历了四代四代：（1 1）第一代（）第一代（19461946年年 -1958-1958年）：年）：电子管计算机电子管计算机 特点：体积大、耗电多、运算速度慢，存储容量小。特点：体积大、耗电多、运算速度慢，存储容量小。（2 2）第二代（）第二代（19591959年年 -1964-1964年）：年）：晶体管计算机晶体管计算机 特点：体积减小，重量轻、省电、寿命长、可靠性提特点：体积减小，重量轻、省电、寿命长、可靠性提 高，运算速度可达每秒百万次。高，运算速度可达每秒百万次。（3 3）第三代（）第三代（19651965年年 -1970-1970年）：年）：中小规模集成电路计算机中小规模集成电路计算机 特点：存储容量特点：存储容量1-41-4兆字节。运算速度每秒几百万至千兆字节。运算速度每秒几百万至千万次，可靠性有较大提高，体积进一步缩小，成本进一步降低，万次，可靠性有较大提高，体积进一步缩小，成本进一步降低，出现了向大型化和小型化发展的趋势。出现了向大型化和小型化发展的趋势。第14页/共80页（4）第四代（1971年-）：大规模和超大规模集成电路计算机 大规模集成电路使计算机发生了巨大的变化，半导体存储器的集成度越来越高。Intel公司推出了微处理器，诞生了微型计算机，使计算机的存储容量、运算速度、可靠性、性能价格比等方面都比上一代计算机有较大突破。第15页/共80页（1）超、大、中、小型计算机阶段（1946年-1980年）采用计算机来代替人的脑力劳动，提高了工作效率，能够解决较复杂的数学计算和数据处理。（2）微型计算机阶段（1981年-1990年）微型计算机大量普及，几乎应用于所有领域，对世界科技和经济的发展起到了重要的推动作用。（3）计算机网络阶段（1991年至今）计算机网络为人类实现资源共享提供了有力的帮助，从而促进了信息化社会的到来，实现了遍及全球的信息资源共享。2按计算机应用划分的计算机发展阶段第16页/共80页3.3.按微处理器的产生和发展按微处理器的产生和发展按照计算机CPU、字长和功能划分，经历了5代的演变:第一代（1971年1973年）：4位和8位低档微处理器；第二代（1974年1978年）：8位中高档微处理器；第三代（1978年1980年）：16位微处理器；第四代（1981年1992年）：32位微处理器；第五代（1993年以后）：全新高性能奔腾系列微处理器。将传统计算机的运算器和控制器集成在一块大规模集成电将传统计算机的运算器和控制器集成在一块大规模集成电路芯片上作为中央处理部件，简称为路芯片上作为中央处理部件，简称为微处理器微处理器（MicroprocessorMicroprocessor）。）。微型计算机微型计算机是以微处理器为核心，再配是以微处理器为核心，再配上存储器、接口电路等芯片构成的。上存储器、接口电路等芯片构成的。第17页/共80页微处理器的发展微处理器的发展一阶段19711971年年Intel 4004Intel 40044 4位位23002300108KHz 108KHz 每秒每秒6 6万次万次19721972年年Intel 8008Intel 80088 8位位35003500基本指令周期为基本指令周期为202050s50s第二阶段19741974年年Intel 8080Intel 80808 8位位600060002MHz2MHzMC6800MC68008 8位位6800680019761976年年Z80Z808 8位位10000100002.5MHz2.5MHz三阶段19781978年年Intel 8086Intel 80861616位位29000290005MHz5MHz基本指令周期基本指令周期0.5 s0.5 s19821982年年Intel Intel 80286802861616位位13.413.4万万基本指令周期基本指令周期0.2 s0.2 s四阶段19851985年年 1010月月80386803863232位位27.527.5万万 16-33MHz16-33MHz3-4 MIPS 3-4 MIPS 19891989年年4 4月月 80486804863232位位120120万万33-120MHz/41-54 MIPS33-120MHz/41-54 MIPS五阶段1993.3.221993.3.22PentiumPentium3232位位310310万万 75-133M Hz 0.6 m75-133M Hz 0.6 m1995.11.81995.11.8Pentium Pentium propro3232位位550550万万200MHz/400 MIPS 200MHz/400 MIPS 第六阶段19971997年年Pentium Pentium 3232位位700700万万 266MHz/400 MIPS 266MHz/400 MIPS 1999.2.261999.2.26Pentium Pentium 3232位位28002800万万450MHz450MHz1999.2.241999.2.24AMD-K6-AMD-K6-3232位位21302130万万450MHz 0.25 m450MHz 0.25 m七阶段2000.11.242000.11.24Pentium 4Pentium 43232位位42004200万万1.4GHz 0.18 m1.4GHz 0.18 m第18页/共80页CPU性能每18个月增加一倍晶体管数目每两年增加一倍后面是什么?Itanium733/800MHzIA-64架构McKinleyIA-64架构MadisonIA-64架构DeerfieldIA-64架构Pentium Pentium MMXPentium Pro80486DX280386DX802868086第19页/共80页摩尔定律 晶体管数目每两年增加一倍第20页/共80页摩尔定律 CPU性能每18个月增加一倍 第21页/共80页朝着微型计算机和巨型计算机两级方向发展。当前开发和研究的热点是多媒体计算机。未来计算机发展的总趋势是智能化计算机。今后计算机应用的主流是计算机与通信相结合的网络技术。非冯诺依曼型体系结构的计算机是提高现代计算机性能的另一个研究焦点。4未来计算机的发展趋势第22页/共80页神经网络计算机：建立在人工神经网络研究的基础上，从内部基本结构来模拟人脑的神经系统。用简单的数据处理单元模拟人脑的神经元，并利用神经元节点的分布式存储和相互关联来模拟人脑的活动。生物计算机：使用由生物工程技术产生的蛋白分子为材料的“生物芯片”，不仅具有巨大的存储能力，而且能以波的形式传播信息。由于它具备生物体的某些机能，所以更易于模拟人脑的机制。光子计算机：用光子代替电子，用光互连代替导线互连，用光硬件代替电子硬件，用光运算代替电子运算。5新型计算机第23页/共80页1.2 1.2 计算机的基本结构计算机的基本结构1.2.1 计算机的基本结构第24页/共80页各部分的主要功能：（1）输入设备：用于输入原始信息和处理信息的程序。如键盘、鼠标器和扫描仪等。（2）输出设备：用来输出计算机的处理结果及程序清单。如显示器和打印机。（3）存储器：用来存放程序和数据。在控制器的控制下，可与输入设备、输出设备、运算器、控制器交换信息，是计算机中各种信息存储和交流的中心。（4）运算器：用来对信息及数据进行处理和计算。也称为算术逻辑部件ALU（Arithmetic and Logic Unit）。（5）控制器：是整个计算机的指挥中心，用来指挥计算机各部件的操作，使其协调一致地工作。计算机中的两类信息：一类是采用双线表示的数据信息流，它包括原始数据、中间结果、计算结果和程序中的指令；另一类是采用单线表示的控制信息流，它是控制器发出的各种操作命令。第25页/共80页1.2.2 1.2.2 计算机的工作原理计算机的工作原理 1存储程序原理 把事先编制好的由计算机指令组成的程序存放到存储器内，计算机在运算时依次取出指令，根据指令的功能进行相应的运算，这就是存储程序原理。2程序的自动执行 程序在执行前先装入内存储器，CPU负责从内存中逐条取出指令，分析识别指令，最后执行指令，从而完成一条指令的执行周期。程序的执行流程：取指令 分析指令 执行指令。第26页/共80页1.2.3 1.2.3 微型计算机系统的组成微型计算机系统的组成 微型计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成：硬件微计算机外围设备微处理器内存储器I/O接口电路系统总线外部设备过程I/O通道1.1.微型计算机系统的一般结构微型计算机系统的一般结构第27页/共80页软件系统软件程序设计语言应用软件：软件包，数据库机器语言汇编语言高级语言监控程序操作系统编辑程序解释程序编译程序诊断程序第28页/共80页硬件系统是由电子部件和机电装置所组成的计算机实体。硬件的基本功能是接受计算机程序，并在程序的控制下完成数据输入、数据处理和输出结果等任务。软件系统是指为计算机运行工作服务的全部技术资料和各种程序。软件系统基本功能保证计算机硬件的功能得以充分发挥，并为用户提供一个宽松的工作环境。计算机的硬件和软件二者缺一不可，否则不能正常工作。第29页/共80页微处理器CPU存储器RAM接口电路时钟外存I/O设备接口电路存储器ROM数据总线（双向）地址总线（单向）控制总线1.2.4 1.2.4 微型计算机的硬件结构微型计算机的硬件结构 第30页/共80页 微型计算机（Micro Computer）是计算机的微型化，简称微机，它由CPU、存储器、输入接口和输出接口以及总线组成。该层次就是已安装了CPU和内存条的主板。微型计算机的硬件结构如图所示第31页/共80页 1中央处理单元 中央处理单元CPU（Control Processing Unit）是微型计算机的核心部件，是包含有运算器、控制器、寄存器组以及总线接口等部件的一块大规模集成电路芯片，俗称微处理器。各组成模块及其功能：各组成模块及其功能：微处理器（微处理器（MicroprocessorMicroprocessor）简称）简称 P P或或MPMP，或，或MPUMPU（Microprocessing UnitMicroprocessing Unit）。）。MPUMPU是采用大规模和超大规模是采用大规模和超大规模集成电路技术将算术逻辑部件集成电路技术将算术逻辑部件ALUALU（Arithmetic Logic UnitArithmetic Logic Unit）、）、控制部件控制部件CUCU（Control UnitControl Unit）和寄存器组）和寄存器组R R（RegistersRegisters）三个）三个基本部分以及内部总线集成在一块半导体芯片上构成的电子器基本部分以及内部总线集成在一块半导体芯片上构成的电子器件。又称为件。又称为“中央处理单元中央处理单元”（Central Processor UnitCentral Processor Unit），），简称简称CPUCPU。微处理器是微型计算机的核心，它的性能决定了整个微型机的各项关键指标。第32页/共80页u按读写方式可分为两种，一种是随机存取存储按读写方式可分为两种，一种是随机存取存储器器RAMRAM（Random Access Random Access MemoryMemory），），RAMRAM又分为静态存储器又分为静态存储器SRAMSRAM和动态和动态存储器存储器DRAMDRAM，在，在PCPC机中，前者用作高速缓存，机中，前者用作高速缓存，后者用作内存条，可随时将信息写入后者用作内存条，可随时将信息写入RAMRAM，也，也可随时从可随时从RAMRAM中读出信息。另一种是只读存储中读出信息。另一种是只读存储器器ROMROM（Read Only Read Only MemoryMemory），），CPUCPU只能从只能从ROMROM中读出预先写入的信中读出预先写入的信息。息。u存储器均按字节编址。存储器均按字节编址。2存储器(用于存放程序与数据的半导体器件)第33页/共80页数据总线DB（Data Bus）：用于CPU与主存储器、CPU与I/O接口之间传送数据。地址总线AB（Address Bus）：用于CPU访问主存储器和外部设备时，传送相关的地址。控制总线CB（Control Bus）：用于传送CPU对主存储器和外部设备的控制信号。3 3系统总线系统总线 总线（总线（BUSBUS）包括地址总线、数据总线和控制总线三种。）包括地址总线、数据总线和控制总线三种。所谓总线，它将多个功能部件连接起来，并提供传送信息的公所谓总线，它将多个功能部件连接起来，并提供传送信息的公共通道，能为多个功能部件分时共享，总线上能同时传送二进共通道，能为多个功能部件分时共享，总线上能同时传送二进制信息的位数称为总线的宽度。制信息的位数称为总线的宽度。CPUCPU通过三种总线连接存储器和通过三种总线连接存储器和I/OI/O接口，构成了微型计算接口，构成了微型计算机。机。第34页/共80页 （1）地址总线AB（Address Bus）微处理器微处理器数据总线宽度数据总线宽度地址总线宽度地址总线宽度最大存储器容量最大存储器容量80868086161620201MB1MB808880888 820201MB1MB8018680186161620201MB1MB80286802861616242416MB16MB80386SX80386SX1616242416MB16MB80386DX80386DX323232324GB4GB8048680486323232324GB4GBPentiumPentium646432324GB4GBPentium ProPentium Pro6464363664GB64GBPentium Pentium 6464363664GB64GBPentium Pentium 6464363664GB64GBPentium Pentium 6464363664GB64GB第35页/共80页（2 2）数据总线）数据总线DBDB（Data BusData Bus）数据总线是数据总线是CPUCPU和存储器、和存储器、CPUCPU和和I/OI/O接口之间传送信息的数据接口之间传送信息的数据通路，数据总线传输的方向为双向传输。数据总线的宽度越宽通路，数据总线传输的方向为双向传输。数据总线的宽度越宽，CPUCPU传输数据信息的速度越快，传输数据信息的速度越快，8086 8086 CPUCPU数据总线为数据总线为1616位，位，Pentium ProPentium Pro的数据总线的数据总线6464位，见表位，见表1-1-1 1，分别表示，分别表示CPUCPU一次可与存储器或一次可与存储器或I/OI/O接口传送接口传送1616位和位和6464位二位二进制信息。进制信息。（3 3）控制总线）控制总线CBCB（Control BusControl Bus）CPU的控制总线按照传输方向分为两种，一种是由CPU发出的控制信号，用以对其他部件的读控制、写控制等，另一种则是其他部件发向CPU的，反过来实现对CPU的控制，在两种方向的控制信号中前者多于后者。第36页/共80页5主机板 主机板也称为系统主板或简称主板。主机板上有CPU芯片、内存槽、扩展槽、各种跳线和一些辅助电路。6外存储器 分为软磁盘、硬磁盘、光盘存储器。磁盘存储器由磁盘、磁盘驱动器和驱动器接口电路组成，统称为磁盘机。光盘存储器是由光盘、光盘驱动器和接口电路组成。7输入/输入设备 计算机最常用的输入设备是键盘和鼠标。计算机最常用的输出设备是显示器和打印机。4 4输入输出接口电路输入输出接口电路 输输入入/输输出出接接口口电电路路也也称称为为I/OI/O（Input Input/Output/Output）电电路路，即即通通常常所所说说的的适适配配器器、适适配配卡卡或或接接口口卡卡。它它是是微微型型计计算算机机外外部部设备交换信息的桥梁。设备交换信息的桥梁。第37页/共80页1.2.5 1.2.5 微型计算机的软件系统微型计算机的软件系统 计算机软件是指支持计算机运行的各种程序，以及开发、使用和维护这些程序的各种技术资料的总称。软件系统由系统软件和应用软件组成，它们形成层次关系。处在内层的软件要向外层软件提供服务，外层软件必须在内层软件支持下才能运行。系统软件的主要功能是简化计算机操作，充分发挥硬件功能，支持应用软件的运行并提供服务。应用软件处于软件系统的最外层，直接面向用户，为用户服务。应用软件是为了解决各类应用问题而编写的程序，包括用户编写的特定程序，以及商品化的应用软件和套装软件。计算机语言也称为程序设计语言，是人机交流信息的一种特定语言。在编写程序时用指定的符号来表达语义。第38页/共80页1.3 1.3 微型计算机的基础知识微型计算机的基础知识 1.3.1 基本概念 在计算机内部表示二进制数的方法称为数值编码，把一个数及其符号在机器中的表示加以数值化，称为机器数。机器数所代表的数称为数的真值。表示一个机器数，应考虑以下三个因素：1机器数的范围 字长为8位，无符号整数的最大值是（11111111）B=（255）D，此时机器数的范围是0-255。字长为16位，无符号整数的最大值是 （1111111111111111）B=（FFFF）H=（65535）D，此时机器数的范围是0-65535。第39页/共80页2机器数的符号 在算术运算中，数据是有正有负的，将这类数据称为带符号数。为了在计算机中正确地表示带符号数，通常规定每个字长的最高位为符号位，并用0表示正数，用1表示负数。3机器数中小数点的位置 在机器中，小数点的位置通常有两种约定：一种规定小数点的位置固定不变，这时的机器数称为 “定点数”。另一种规定小数点的位置可以浮动，这时的机器数称 为“浮点数”。第40页/共80页 在计算机中，约定数据小数点的位置固定在某在计算机中，约定数据小数点的位置固定在某一位，原理上讲，小数点的位置固定在哪一位都行，一位，原理上讲，小数点的位置固定在哪一位都行，但是，通常有两种定点格式，一是将小数点固定在但是，通常有两种定点格式，一是将小数点固定在数的最左边（即纯小数），二是固定在数的最右边数的最左边（即纯小数），二是固定在数的最右边（即纯整数）。（即纯整数）。(1)定点数的表示法第41页/共80页 例如，用宽度为n+1位的字来表示定点数X，其中X0表示数的符号，例如1代表负数，0代表正数，其余位代表它的数位，对于任意定点数X=X0X1X2Xn，在定点计算机中可表示为：如果X为纯小数，小数点固定在X0与X1之间，数X的表示范围为：0|X|1-2-n 如果X为纯整数，小数点固定在Xn的右边，数X的表示范围为：0|X|2n-1 第42页/共80页(2)(2)浮点数的表示法（浮点数的表示法（1 1）任意一个十进制数N可以写成 N=10EM （1-3）任意一个二进制数N可以写成 N=2em （1-4）例如，N=101.1101=200110.1011101同样，在计算机中一个任意进制数N可以写成：N=ReM 其中，m为浮点数的尾数，是一个纯小数，e是比例因子的指数，称为浮点数的指数，是一个纯整数，比例因子的基数R是一个常数，一般R取值为2，也有取值为8、16两种情况。第43页/共80页（2）浮点数的表示法（）浮点数的表示法（2）在计算机中存放一个完整的浮点数，应该包括阶码、阶符、尾数以及尾数的符号（数符）共4部分，即：E ES SE E1 1E E2 2E Em mM MS SM M1 1M M2 2M Mn n阶符阶符阶码阶码数符数符尾数尾数 一般按照一般按照IEEE754IEEE754标准，采用标准，采用3232位浮点数和位浮点数和6464位位浮点数两种标准格式。浮点数两种标准格式。第44页/共80页 32位浮点数标准格式如下：32 32位浮点数标准格式位浮点数标准格式 在在3232位浮点数中，约定基数位浮点数中，约定基数R=2R=2，S S是尾数的符号位，是尾数的符号位，即浮点数的即浮点数的符号位符号位，它占一位，安排在最高位，它占一位，安排在最高位，0 0表示正数，表示正数，1 1表示负数，表示负数，尾数尾数M M占占2323位，放在低位部分，当然是纯小数。位，放在低位部分，当然是纯小数。E E是是阶码阶码，占，占8 8位。位。64 64位浮点数格式位浮点数格式 它与32位浮点数的组成原理相同，约定基数R=2，尾数符号位S占一位，置于最高位，规格化的尾数M占52位，最左边一位1已被隐藏。第45页/共80页1.3.2 1.3.2 原码、反码与补码原码、反码与补码1.机器数与真值 机器数：带符号的二进制数称之为机器数。二进制数最高位作为符号位：1表示负数，0表示正数例：取8位字长时：10001111B则可以代表-1500001111B则可以代表+15真值：机器数所能表示的值。在微机中，机器数有三种表示方法，即原码、反码与补码第46页/共80页2.2.原码表示法原码表示法 若定点整数的原码形式为X0X1X2Xn，则原码表示的定义是 X 2n X0 X原=2n-X=2n+X 0X-2n (1-8)X0为符号位，若n=7，即字长8位，则 X取值范围：-127+127 +0原=00000000 -0原=10000000第47页/共80页原码 正数的符号位为0，负数的符号位为1，其它位按照一般的方法来表示数的绝对值。用这样的表示方法得到的就是数的原码。【例】当机器字长为8位二进制数时：X1011011 X原码01011011 Y1011011 Y原码11011011 1原码00000001 1原码10000001 127原码01111111 127原码11111111 原码表示的整数范围是：（2n-11）（2n-11），其中n为机器字长。则：8位二进制原码表示的整数范围是127 127；16位 二 进 制 原 码 表 示 的 整 数 范 围 是 32767 32767。第48页/共80页 采用原码表示法简单易懂，但它最大缺点是加法运算电路复杂，不容易实现。第49页/共80页3.反码表示法反码表示法 对于定点整数，反码表示的定义是：X 2n X0 X反=(2n+1-1)+X 0X-2n (1-9)同样n取7，即字长8位，那么 X取值范围：-127+127 +0反=00000000 -0反=11111111 第50页/共80页反码 对于一个带符号的数来说，正数的反码与其原码相同，负数的反码为其原码除符号位以外的各位按位取反。【例】当机器字长为8位二进制数时：X 1011011 X原 码 01011011 X反 码01011011 Y 1011011 Y原 码 11011011 Y反 码10100100 1反码00000001 1反码11111110 127反码01111111 127反码10000000 负数的反码与负数的原码有很大的区别，反码通常用作求补码过程中的中间形式。反码表示的整数范围与原码相同。第51页/共80页4.4.补码表示法补码表示法 对于定点整数，补码表示的定义是：X 2n X0 X补=2n+1+X=2n+1-X 0X-2n (1-10)同样如果n取7，即字长8位，那么 X取值范围：-128+127 +0补=-0补=00000000 -10000000补=10000000 X补补=X，对已知的一个补码通过再一次求其补，便可还原出真值第52页/共80页补码 正数的补码与其原码相同，负数的补码为其反码在最低位加1。【例】（1）X1011011 （2）Y1011011（1）根据定义有：X原码01011011 X补码01011011（2）根据定义有：Y原码11011011 Y反码10100100 Y补码10100101 补码表示的整数范围是2n-1 （2n-11），其中n为机器字长。则：8位二进制补码表示的整数范围是128 127 16位二进制补码表示的整数范围是32768 32767 当运算结果超出这个范围时，就不能正确表示数了，此时称为溢出。第53页/共80页例 若字长8位，X=126，Y=-126,求 X原，X反，X补和Y原，Y反，Y补。解：X原=X反=X补=01111110 Y原=11111110 Y反=10000001 Y补=10000010第54页/共80页5.5.补码的加减法运算及溢出的判断补码的加减法运算及溢出的判断 (1)补码加法运算 规则：X补+Y补=X+Y补 条件：X、Y以及X+Y在定义域内 特点：符号位参与运算；以2n+1为模进行加法，最高位相加产生的进位自然丢掉。根据运算后结果的符号位，对结果求补，即 X+Y补补=X+Y，便可还原出真值。第55页/共80页在下面所有例子的运算过程中，假定字长均是在下面所有例子的运算过程中，假定字长均是8 8位。位。例例 X=+00001111X=+00001111，Y=+01000000Y=+01000000，求，求X+YX+Y。解：解：XX补补=00001111 Y=00001111 Y补补=01000000=01000000 00001111 00001111 +01000000 +01000000 01001111=X+Y 01001111=X+Y补补=X+Y=X+Y，结果正确。，结果正确。例例 X=-00001111X=-00001111，Y=01000000Y=01000000，求，求X+YX+Y解：解：XX补补=11110001 Y=11110001 Y补补=01000000=01000000 11110001 11110001 +01000000 +01000000 1 00110001=X+Y 1 00110001=X+Y补补=X+Y=X+Y，结果正确。，结果正确。第56页/共80页(2)(2)溢出的判断溢出的判断若参与操作的两数在定义域内，但运算结果超出了字长范围内补码所能允许表示的值，所计算出的结果产生了错误，称之为溢出。例如字长8位，补码表示数的范围是：-128x+127，若字长n位，补码所能表示数的范围是-2n-1x2n-1-1，当运算结果超出这个范围时，便产生溢出，两个正数相加可能产生正的溢出，两个负数相加可能会产生负的溢出，正负两数相加不会产生溢出。第57页/共80页 例 计算 64+65 D7D6 0 1 0 0 0 0 0 0 +64 +0 1 0 0 0 0 0 1 +65 1 0 0 0 0 0 0 1 +129+127，结果错误，产生了溢出 两个正数相加，结果为负数形式，这是由于+129+127的原因，从上式可看出D7=1，D6=0，OF=D7D6=10=1，溢出标志OF=1，表示有溢出。第58页/共80页 例 计算-128-1 D7D6 -128补=1 0 0 0 0 0 0 0 +-1补 =1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 两个负数相加，结果为正数形式，这是由于-128-1=-129-128的原因，从上式可看出D7=0，D6=1，OF=D7D6=01=1，表示有溢出。第59页/共80页 例 计算64-1 D7D6 +64补=0 1 0 0 0 0 0 0 +-1补=1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 运算结果正确。D7