第1章 微机基础知识.docx
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第1章微机基础知识
微机原理与应用
（PrincipleandApplicationofMicrocomputer）
第一章微机基础知识（foundation）
§1.1计算机的发展（development）
1．电子计算机发展
第一代：
1946~1957年，以电子管为主，每秒几千~几万次
第二代：
1958~1964年，以晶体管分立元件为主，每秒几十万次
第三代：
1965~1970年，以小规模（SSI）、中规模（MSI）集成电路为主
第四代：
1970以来，以大规模（LSI）、超大规模（VLSI）集成电路为主
第五代：
80年代中期开始，研制智能型、带知识库、有推理能力计算机
微型计算机的发展（70年代开始诞生了以微处理器为核心的微型计算机）
第一代：
1971~1973年，2000/片，4位和低档8位机，简单计算和小型控制
第二代：
1974~1977年，9000/片，8位机
第三代：
1978~1983年，10万/片，16位机（8086:
2.9万/片，80286:
10万/片）
第四代：
1983~1993年，几十万/片，32位机（80386:
27.5万/片，80486:
120万/片）
第五代：
1993年开始，64位机（80586:
300万，Pentium4:
4200万/片）
计算机的发展趋势是功能巨型化、体积微型化、网络化、智能化
2．微型计算机优点：
价格低、体积小、重量轻、功耗省、可靠性高等
§1.2数制和编码（numberrepresentationsystem&coding）
一．数制
一个数N可表示为
x基数,为常数a系数,各数位上的数字
m,n幂指数,为正整数
1．十进制：
0~9
129.87=1×102+2×101+9×100+8×10-1+7×10-2
2．二进制：
0~1
1011.101B=1×23+0×22+1×21+1×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3
3．十六进制：
0~9,A,B,C,D,E,F
1ED.8AH=1×162+14×161+13×160+8×16-1+10×16-2
一位十六进制数等于四位二进制数，有：
161=24
二．数制间的转换
1．二~十转换
10→2整数部分“除以2取余”，小数部分“乘2取整”分开计算，如：
76.6875D=1001100.1011B
整数76D=1001100B小数0.6875D=0.1011B
除数
被除数
余数
0.6875
2
76
×
2
2
38
0
低位高位
1.3750
2
19
0
×
2
2
9
1
0.7500
2
4
1
×
2
2
2
0
1.5000
2
1
0
×
2
0
1
高位低位
1.0000
小数2→10可准确，10→2有时只能近似
2→10将二进制数按位展开累加即可。
2．二~十六转换
以小数点为界限算起，整数向左，小数向右，每四位二进制数对应一位十六进制数，
如：
11111011.00111101B=FB.3DH
同样，对二~八转换有：
1101110111.10001101B=1567.432Q
三．码制
计算机中常用原码、补码、反码来表示一个数，它们把数的符号也数值化了，通常是用二进制数的最高位表示（0正1负），这种数叫做机器数。
1．原码
最高位符号（0正1负），其余位数值，如：
X=+1011100，Y=-1011100
原码表示为：
[X]原=01011100，[Y]原=11011100
00000000和10000000都代表0（正0和负0）。
计算：
X+Y=1011100+（-1011100）=0
但是：
[X]原+[Y]原=01011100+11011100≠0
01011100
+11011100
100111000——出错
必须用补码运算才能得到正确结果。
2．补码
模：
计量器的最大容量。
4位寄存器能存放0000~1111共16个数，其模为24=16，n位二进制数其模为2n。
器件进行的运算是有模运算，例如8位的运算器，运算结果超出11111111（255），超出部分自动丢失（保存在进位标志寄存器中）。
1位十进制数能表示0~9，其模为101=10
时钟以12为模，圆角度以360度为模
例，时钟从7点拨到4点，可作减3也可作加9，即7-3=4，7+9=16=4+12（丢失）
+9即为-3对12的补码
角度从120度变到40度，可用120-80=40，也可用120+280=40+360（丢失）
+280即为-80的补码
将原码变成补码的方法是：
正数：
补码等于原码
负数：
补码等于其原码符号位不变，其余各位按位取反再加1，称“取反加1”。
（亦可用模减原码数值位而得补码）
例：
11011100原码
10100011（取反）
10100100（加1）补码
求补码的简便办法是，原码符号位不变从最低位开始，直到出现第一个1都不变，其余按位取反即可
1101110010100100
用补码运算的目的，是要把减法运算变为加法运算。
（符号位也参与运算）
上述原码[X]原=01011100，[Y]原=11011100，其补码
[X]补=01011100，[Y]补=10100100
现在来计算X+Y（用补码运算）
01011100
+10100100
100000000结果为0（注意，其结果还是补码）
（进位丢失）
另外：
补码的补码等于原码。
例
原码11011100，求其补码10100100，再求补11011100等于原码。
·[X+Y]补=[X]补+[Y]补
·[X-Y]补=[X]补+[-Y]补
3．反码
正数：
反码等于原码
负数：
反码等于其原码符号位不变，其余各位按位取反
反码的反码等于原码，例：
原码11010100，取反后为10101011，再取反11010100等于原码
对8位二进制数，范围为00000000~11111111
无符号时：
0~255，即00H~FFH（0~2n-1）
原码：
-127~+127，即FFH~7FH（-2n-1+1~2n-1-1）
（-127~-0，FFH~80H；0~127，00H~7FH）
补码：
-128~+127，即80H~7FH（-2n-1~2n-1-1）
（-128~-1，80H~FFH；0~127，00H~7FH）
反码：
-127~+127，即80H~7FH（-2n-1+1~2n-1-1）
（-127~-0，80H~FFH；0~127，00H~7FH）
四．编码
1．二进制码的十进制数（BCD码──BinaryCodedDecimal）
用四位二进制数来表示一位十进制数，十进制数之间仍保持十进关系。
常用的是8421BCD码（还有5421、2421、6311、余3码等），如：
（1001100001110110）BCD=9876D
大于1001的数为非法码，因此在BCD码运算中，出现：
①半进位（高低4位有进位）②非法码
必须进行十进制调整，即加法作加6调整，减法作减6调整。
如：
48+79=127
01001000
+01111001
11000001──出错（有半进位，高位非法）
+01100110
100100111──127
2．字母和字符的编码
字母和字符普遍采用ASCII码表示（美国标准信息交换码）
（ASCII──AmericanStandardCodeforInformationInterchange）
LSD
MSD
0
000
1
001
2
010
3
011
4
100
5
101
6
110
7
111
0
1
2
3
4
5
0000
0001
0010
0011
0100
0101
NUL
SOH
STX
ETX
EOT
ENQ
DLE
DC1
DC2
DC3
DC4
NAK
SP
!
#
$
%
0
1
2
3
4
5
@
A
B
C
D
E
P
Q
R
S
T
U
`
a
b
c
d
e
p
q
r
s
t
u
6
7
8
9
A
0110
0111
1000
1001
1010
ACK
BEL
BS
HT
LF
SYN
ETB
CAN
EM
SUB
&
（
）
*
6
7
8
9
:
F
G
H
I
J
V
W
X
Y
Z
f
g
h
I
J
v
w
x
y
z
B
C
D
E
F
1011
1100
1101
1110
1111
VT
FF
CR
SO
SI
ESC
FS
GS
RS
VS
+
.
/
;
<
=
>
?
K
L
M
N
O
[
\
]
k
l
m
n
o
{
|
}
~
DEL
它用7位二进制数（D6~D0）表示128个字符，其中20H~7EH是可打印字符，其余为非打印字符。
（最高位D7可用来作奇偶校验位）
在微机中，最高位（D7）作0处理。
（D7=1则为扩展ASCII码）
3．汉字编码
用二字节编码代表一个汉字（每字节只用低7位，最高位补0，这样可代表214个汉字和字符，实际上每字节定义域为21H~7EH，即94×94=8836）
国标码字符集汉字6763个（一级3755个，二级3008个），符号682个，共7445个。
国标码的内码是把汉字编码的二字节最高位都置1。
§1.3二进制数运算（binaryoperation）
一．加减法
1．减法
用补码的办法运算，用一个加法器就可实现加减法运算，所以把减法化成补码的加法来运算，如
73–56=73+（-56）=17，（-56）用补码表示
⑴二进制数减法为：
01001001
-00111000
00010001──17
⑵补码加法运算为：
01001001
+11001000──（10111000的补码）
100010001──17（补=原）
进位丢失
2．加法
分析：
（1）-34+（-45）=-79
原码：
10100010求补11011110
10101101+11010011
110110001──-79（正确）
（2）21+（-117）=-96
原码：
00010101求补00010101
11110101+10001011
10100000──-96（正确）
（3）90+107=197
原码=补码01011010
+01101011
11000101──-59（错误）
（4）-110+（-92）=-202
原码：
11101110求补10010010
11011100+10100100
100110110──54（错误）
8位二进制补码所能表示的数的范围为–128~+127,超出则溢出,因此
两数同号相减或异号相加不会溢出
两数同号相加或异号相减可能溢出
判别法：
V=CY7CY6，V=0正确，V=1溢出
000
011溢出
101
110
对16位补码运算，V=CY15CY14
二．乘除法
（1）乘法
通常与十进制运算一样，如
11011010=10000010
1101被乘数
1010乘数
0000
1101部分积
0000
1101
10000010乘积
计算机采用边乘边累加来实现，下面是部分积右移法
1101
1010
0000部分积
0000部分积右移一位
+1101被乘数与乘数上一位积
11010部分积
11010部分积右移一位
+0000·
011010·
011010·
+1101
10000010乘积
（2）除法
与十进制运算一样，如1101商
除数1101001110被除数
110
111
110
110
110
0
三．小数点
定点表示法
①纯小数定点法：
数符.尾数>-1，<1，（小数）
②整数定点法：
数符尾数.≥0，<0（整数）
浮点表示法
阶符阶码尾符尾数
设阶码的值=P
阶符为0时小数点后移P位，为1时小数点前移P位
尾符为0时尾数正，为1时尾数负
例：
N=100.1B=230.100101101001
阶符阶码尾符尾数
四．几个计算机常用名词
1．位（Bit）（BinaryDigit）
计算机所能表示的最小的数据单位，0和1
2．字（Word）
cpu与输入/输出设备及存储器之间传送数据的基本单位，
数据总线的宽度（条数），即字长，有
1位，4位，8位，16位，32位等等
3．字节（Byte）
1字节=8位（8Bit）
4．K和KB
K=210=1024，M=210K=220，G=210M=220K=230
KB=1024Byte
MB=1024KB=1048576Byte
GB=1024MB=1048576KB=1073741824Byte
5．指令：
规定计算机进行某种操作的命令
6．指令系统：
一台计算机所能执行的全部指令
7．程序：
为完成某种任务而编制的一系列指令
§1.4逻辑运算和逻辑电路（logicaloperation&logicalcircuit）
一．布尔代数
又叫开关代数、逻辑代数
Y=f（A.B.C.D）
特点：
①变量A.B.C.D.…均只有二种可能数值0和1
②函数f只有“与”、“或”、“非”三种基本运算方式。
1．“与”运算：
Y=A•••••B•C•D•…
其结果变量中有“0”时Y必然为“0”
2．“或”运算：
Y=A+B+C+…
其结果变量中有“1”时Y必然为“1”
3．“非”（反码）：
Y=A，A是A的反码
有A=A
4．摩根定理
①A+B=A•••••BA+B+C+D+…=A•••••B•C•D•…
②A•••••B=A+BA•••••B•C•D•…=A+B+C+D+…
二．三个基本门电路
1．与门
Y=A•••••B
控信
ABY
000
010关
100开
111
2．或门
Y=A+B
控信
ABY
000
011开
101关
111
3．非门
Y=A
AY
01
10
三．异或门
Y=A⊕B=A•B+A•B
控信
ABY
000
011直通
101取反
110
其组成为：
四．触发器
一种存储元件，以高低电平方式存储一位二进制数码，常用的有
R-S触发器、D触发器、JK触发器
R-S触发器：
D触发器：
JK触发器：
五．寄存器
1、缓冲寄存器
2、移位寄存器
3、计数器
寄存器用于传送信息，主要有三大类，即地址寄存器、数据寄存器和控制寄存器
标志寄存器用于保留指令执行后的状态
六．译码器
用来将输出的代码变成控制信号，如2-4译码器
七．三态门（三态缓冲器）
三个输出态，即“0”、“1”和高阻态
例：
双向传输电路，这种接法A、B之间没有高阻态
三态缓冲器：
常用来作为微处理机数据总线的输入缓冲，被选通时才允许输入设备将数据送到系统数据总线上，未选通的设备与总线隔离，三态缓冲器对经它传送的数据还起驱动放大作用
锁存器：
CPU把数据送给输出设备时在总线上停留时间很短，必须利用数据锁存器及时把它锁存起来，让总线得以他用，以便较慢的外设有足够的时间接收和处理数据
八．运算电路
1．一位二进制数加法与半加法器（HalfAdder）
真值表：
AB
S（和）C（进位）
00
01
10
11
00
10
10
01
逻辑：
S=A⊕B
C=A·B
电路：
2．全加法器（FullAdder）
真值表：
AiBiCi
SiCi+1
000
001
010
011
100
101
110
111
00
10
10
01
10
01
01
11
逻辑：
Si=Ci⊕（Ai⊕Bi）
Ci+1=（Ai·Bi）+[Ci·（Ai⊕Bi）]
或：
Si=Ai⊕Bi⊕Ci
Ci+1=Ai·Bi+Bi·Ci+Ci·Ai
电路：
四位全加法器组成：
3．二进制补码加法器/减法器
4．算术逻辑单元ALU（ArithmeticLogicUnit）
算术加法：
1+1=10有进位
逻辑加法：
1+1=1无进位
§1.5计算机的基本结构与原理（basicstructure&principleofcomputer）
一．计算机的组成原理
人工：
运算工具记录人脑
计算机：
运算器存储器控制器输入设备输出设备
1．基本硬件组成
注：
双线表示数据信息，单线表示控制信息，箭头表示传递方向
①主机：
由运算器、控制器、主存储器组成
②中央处理器CPU（CentralProcessingUnit）:
由运算器、控制器组成
③外设：
主机以外的各种I/O、外存储器统称之
2．软件
①系统软件：
一般由厂家提供，是生成、准备和执行其他程序所需的一组程序
操作系统：
用来组织计算机的工作流程，管理调度各种软硬件资源，检查程序和机器故障等
解释程序：
把某种语言程序翻译成机器语言程序，逐条翻译逐条执行
编译程序：
把高级语言源程序编译成某种中间语言或机器语言的目标程序
汇编程序：
把用汇编语言编写的源程序翻译成机器语言目标程序
诊断程序：
检查程序的错误和计算机的故障并指示出错点等
程序设计语言
机器语言：
用二进制代码0和1形式表示的计算机能够识别和执行的语言
汇编语言：
用助记符表示的面向机器的程序设计语言，是一种初级语言
高级语言：
又称算法语言、编译语言，是一种面向过程而独立于计算机硬件结构的通用语言
②应用软件、软件包、数据库
应用软件：
为解决某个应用领域的具体任务而编制的程序
软件包：
按功能不同组成的标准化、模块化的应用软件
数据库：
按一定形式和规律加以组织建立起来的方便于使用、检索、处理的数据
二．微型计算机系统的组成（见P1，F1-1）
有微处理器（CPU）、存储器（ROM、RAM）和输入/输出接口电路，通过接口电路与外部设备相连接，硬件各部分通过三组总线（地址总线、数据总线、控制总线）连接
微处理器（CPU）：
包括运算器、控制器和寄存器阵列等
存储器：
最小单位是一位二进制代码，若干个最小单位（如8位）组成一个存储单元，许多存储单元组成一个存储器，每个单元一个编号，称地址，N个单元其地址号从0到N-1
只读存储器ROM存储信息不因断电而丢失
随机存储器RAM可随时读写，但掉电后信息丢失
I/O外设
总线
微型计算机由运算器、控制器、存储器、输入/输出设备、总线构成
三．CPU结构特点
1．运算器（算术逻辑单元）
作算术运算：
加、减、乘、除
逻辑运算：
与、或、非、异或等
2．寄存器
①通用寄存器组，存放操作数和运算结果
②标志寄存器，反映运算结果的标志状态位
③程序计数器，也叫指令指针，提供程序中指令的地址
④堆栈指示器，指示堆栈区最新存放地址
3．指令寄存器
寄存指令的操作码
4．指令译码器和CPU控制逻辑
指令译码器将寄存器的指令操作码译码后送CPU控制器进行各种控制
四．总线结构
一组传输信息的导线，它把微机各部分连接起来作为传输信息的公共通道
分时使用例：
双向4位数据总线：
内部总线：
CPU内部传送信息的通道
系统总线：
是指从处理器引出的用以和存储器及I/O设备进行信息交换的信号线，有地址总线，数据总线和控制总线。
其使用特点是：
1.某一时刻只能由一个总线主控设备来控制系统总线
2.某一时刻只能有一个发送者向总线发送信号，但可有多个设备从总线同时获得信号。
地址总线，单向，由CPU发向存储器或I/O接口电路
数据总线，双向，数据总线的条数即为CPU的字长
控制总线，与CPU连接的一组控制线，单向或双向，如WR、
RD、M/IO、INTR等
五．IBMPC/XT结构
IBMPC/XT由主机、键盘、显示器等组成
Intel8088CPU工作于最大模式，系统时钟4.77MHZ（14.31818MHZ÷3）
1．中央处理器：
8088CPU，配8284时钟发生器、8237DMA控制器、8253定时/计数器、8259中断控制器、8255并行接口
2．只读存储器：
板上有64KBROM空间，实际安装40KB（8KBBIOS，32KBBASIC）
3．随机存储器：
板上有256KB，可扩充
4．I/O适配器：
用于接收键盘串行数据，初始化键盘，控制、驱动扬声器
5．I/O通道：
8个（PC5个）插脚相连的扩充槽
另外，板上有8位DIP开关提供系统配置信息，20位存储器地址，10位I/O端口地址
六．微机系统性能指标
1．字长，直接影响计算机精度、功能和速度
2．存储容量，计算机可以处理的数据量和程序大小
一般8位机内存64KB，16位机大于1MB
3．运算速度，用平均运算速度、每秒执行指令条数、指令
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