微機原理與接口技術（第3版）1計算機系統概述計算機中的數據表示與編碼邏輯電路基礎計算機系統概述例題解析計算機最重要的功能是處理信息，如數值、文字、符號、語音、圖形和圖像等。在計算機內部，各種信息都必須采用數字化的形式被存儲、加工與傳送。1.1計算機中的數據表示與編碼1計算機系統概述數值數據：用于表示數量的大小，具有確定的數值；非數值數據：沒有確定的數值，它主要表示字符、漢字、邏輯數組等。1.1.1數與數制1.進位計數法與數制十進制：逢十進一，借一當十1.1計算機中的數據表示與編碼1計算機系統概述(234.13)10=2×102+3×101+4×100+1×10-1+3×10-2位權圖1.1十進制數的位權

2.二進制、八進制和十六進制1.1計算機中的數據表示與編碼1計算機系統概述二進制：(110.11)2=1×22+1×21+0×20+1×2-1+1×2-2八進制：(123.45)8=1×82+2×81+3×80+4×8-1+5×8-2十六進制：(1B.E5)16=1×161+B×160+E×16-1+5×16-2n位整數、m位小數的任意r進制數N的通式：1.1計算機中的數據表示與編碼1計算機系統概述十進制二進制八進制十六進制00000001000111200102230011334010044501015560110667011177810001089100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F表1.1十進制、二進制、八進制和十六進制數碼對照表

3.數制轉換

(1)r進制數轉換為十進制數

1.1計算機中的數據表示與編碼1計算機系統概述例1.1把二進制數101.11轉換成相應的十進制數。解(101.11)2=1×22+0×21+1×20+1×2-1+1×2-2

=4+0+1+0.5+0.25

=(5.75)10r進制數的通式：1.1計算機中的數據表示與編碼1計算機系統概述例1.2把八進制數123.54轉換成相應的十進制數。解(123.54)8=1×82+2×81+3×80+5×8-1+4×8-2=64+16+3+0.625+0.0625=(83.6875)101.1計算機中的數據表示與編碼1計算機系統概述例1.4將十進制數97轉換成十六進制數。解(97)10=(61)16(2)十進制數轉換為r進制數例1.3將十進制數25轉換成二進制數。解(25)10=(11001)21.1計算機中的數據表示與編碼1計算機系統概述例1.5將十進制小數0.8125轉換成二進制小數。解(0.8125)10=(0.1101)21.1計算機中的數據表示與編碼1計算機系統概述例1.6將十進制小數25.8125轉換成二進制數。解運算過程如下:

(25)10=(11001)2

(0.8125)10=(0.1101)2由此可得：

(25.8125)10=(11001.1101)2例1.7將二進制數(11010110.11)2轉換為八進制數。解(11010110.11)2=(326.6)81.1計算機中的數據表示與編碼1計算機系統概述例1.8將八進制數(25.4)8轉換為二進制數。解(25.4)8=(10101.1)2例1.9將二進制數(111101.101)2轉換為十六進制數。解(111101.101)2=(3D.A)16例1.10將十六進制數(1FC7.958)16轉換為二進制數。解(1FC7.958)16=(1111111000111.100101011)21.1計算機中的數據表示與編碼1計算機系統概述十進制數：D(Decimal)來表示；八進制數：O(Octal)來表示；十六進制數：H(Hexadecimal)來表示。二進制數：B(Binary)來表示；1.1.2數據格式1.定點數表示法

2.浮點數表示法

1.1計算機中的數據表示與編碼1計算機系統概述EsE1E2……EmMSM1M2……Mn階符階碼數符尾數01101011例：尾數為4位，階碼為2位，則二進制數x=0.1011×2+11的浮點數表示形式：1.1計算機中的數據表示與編碼1計算機系統概述31302923

220

SESEM32位浮點數64位浮點數63626152

510

SESEMIEEE754浮點數存儲格式1.1.3二進制數的編碼及運算

機器碼：一個數在機器（計算機）中的表示形式。

真值：一般書寫表示的實際數值數據。

1.1計算機中的數據表示與編碼1計算機系統概述無符號數的表示格式有符號數的表示格式符號位數值位1位n－1位數值位

n位(1)原碼

1.1計算機中的數據表示與編碼1計算機系統概述例如，當機器字長n=8時，

+1=+0000001B，則［+1］原=00000001B+127=+1111111B，則［+127］原=01111111B-1=-0000001B，則［-1］原=10000001B-127=-1111111B，則［-127］原=11111111B原碼的形式為：對于二進制數，正數的原碼就是它本身，負數的原碼符號位取1，數值部分是真值的絕對值。1.1計算機中的數據表示與編碼1計算機系統概述在原碼表示中，+0和-0的原碼不同，即0有兩種原碼表示形式：

+0=+0000000B，則［+0］原=00000000B

-0=-0000000B，則［-0］原=10000000B原碼表示法簡單易懂，但它的最大缺點是加減運算復雜。1.1計算機中的數據表示與編碼1計算機系統概述(2)反碼對于二進制數，正數的反碼就是它本身，負數的反碼符號位取1，數值部分按位取反。

例如，當機器字長n=8時，+1=+0000001B，則［+1］反=00000001B+127=+1111111B，則［+127］反=01111111B-1=-0000001B，則［-1］反=11111110B-127=-1111111B，則［-127］反=10000000B在反碼表示中，+0和-0的反碼不同，即0有兩種反碼表示形式：+0=+0000000B，則［+0］反=00000000B-0=-0000000B，則［-0］反=11111111B(3)補碼

1.1計算機中的數據表示與編碼1計算機系統概述鐘表的形式為：-3=+9(mod12)用補碼表示時，可以把負數轉化為正數，減法轉化為加法。補碼可定義為：

對于二進制數，正數的補碼就是它本身，負數的補碼符號位取1,數值部分按位取反后末位加1。1.1計算機中的數據表示與編碼1計算機系統概述例如，當機器字長n=8時，+1=+0000001B，則［+1］補=00000001B+127=+1111111B，則［+127］補=01111111B-1=-0000001B，則［-1］補=11111111B-127=-1111111B，則［-127］補=10000001B

一般來說，如果機器字長為n位，則補碼能表示的整數范圍是：-2n-1～2n-1-1在補碼表示中，+0和-0的補碼形式相同，即0只有一種補碼表示形式：+0=+0000000B，則[+0]補=00000000B-0=-0000000B，則[-0]補=11111111+1=00000000B對于10000000這個補碼編碼，其十進制真值被定義為-128。1.1計算機中的數據表示與編碼1計算機系統概述例1.11機器字長n=8位，x=+56，求［x］補，結果用十六進制表示。解+56=+0111000B，則［+56］補=00111000B=38H例1.12機器字長n=8位，x=-56，求［x］補，結果用十六進制表示。解-56=-0111000B，則［-56］補=11001000B=0C8H在匯編語言中，為了區別指令碼和數據，規定A～F開始的數據前面必須加零。1.1計算機中的數據表示與編碼1計算機系統概述例1.13機器字長n=16位，x=+56，求［x］補，結果用十六進制表示。解+56=+111000B=+000000000111000，［+56］補=0000000000111000B=0038H例1.14機器字長n=16位，x=-56，求［x］補，結果用十六進制表示。解-56=-111000B=-000000000111000，［-56］補=1111111111001000B=0FFC8H1.1計算機中的數據表示與編碼1計算機系統概述已知補碼求真值的方法:當機器碼的最高位(符號位)為0時，表示真值是正數，其值等于其余n-1位的值;當機器數的最高位(符號位)為1時，表示真值是負數，其值等于其余n-1位按位取反末位加1的值。例如：若［x］補=01111111，則x=+1111111B=+127若［x］補=11111111，則x=-0000001B=-11.1計算機中的數據表示與編碼1計算機系統概述二進制編碼無符號數原碼反碼補碼000000000+0+0+0000000011+1+1+1000000102+2+2+2┇┇┇┇┇01111110126+126+126+12601111111127+127+127+12710000000128-0-127-12810000001129-1-126-12710000010130-2-125-126┇┇┇┇┇11111110254-126-1-21111111255-127-0-13.補碼運算

1.1計算機中的數據表示與編碼1計算機系統概述二進制補碼的運算規則：［X+Y］補=［X］補+［Y］補［X-Y］補=［X］補+［-Y］補進行加法運算時，把符號位和數值位一起進行運算(若符號位有進位，則丟掉)，結果為兩數之和的補碼形式。減法運算可以轉化為加法運。1.1計算機中的數據表示與編碼1計算機系統概述例1.15補碼進行下列運算:①(+33)+(+15);②(-33)+(+15);③(+33)+(-15);④(-33)+(-15)。解： +33=+0100001B， ［+33］補=00100001+15=+0001111B， ［+15］補=00001111-33=-0100001B， ［-33］補=11011111-15=-0001111B， ［-15］補=11110001

1.1計算機中的數據表示與編碼1計算機系統概述例1.16用補碼進行下列運算:①(+33)-(+15);②(-33)-(+15);③(+33)-(-15);④(-33)-(-15)。解： +33=+0100001B， ［+33］補=00100001+15=+0001111B， ［+15］補=00001111-33=-0100001B， ［-33］補=11011111-15=-0001111B， ［-15］補=11110001

根據補碼減法公式，可以得到:[(+33)-(+15)]補=[+33]補+[-15]補，[(-33)-(+15)]補=[-33]補+[-15]補[(+33)-(-15)]補=[+33]補+[+15]補，[(-33)-(-15)]補=[-33]補+[+15]補

1.1計算機中的數據表示與編碼1計算機系統概述計算過程如下：1.1計算機中的數據表示與編碼1計算機系統概述例1.17設x=+64，y=+10，用補碼計算x-y，結果用十進制形式表示。解

x=+1000000B，［x］補=01000000

y=+0001010B，［-y］補=11110110

-33=-0100001B，［-33］補=11011111

-15=-0001111B，［-15］補=11110001

[x-y]補 =00110110

x-y=+0110110B=+54D

1.1計算機中的數據表示與編碼1計算機系統概述1.1.4十進制數的編碼及運算1.BCD碼

BCD碼(BinaryCodedDecimal)：是二進制編碼的十進制數。十進制數8421碼十進制數8421碼000005010110001601102001070111300118100040100910011.1計算機中的數據表示與編碼1計算機系統概述例1.18求十進制數57.3的BCD碼。 57.301010111.0011所以，(57.3)10=(01010111.0011)BCD例1.19求BCD碼10000011.0111所對應的十進制數。1000 0011 .01118 3.7所以，(10000011.0111)BCD=(83.7)101.1計算機中的數據表示與編碼1計算機系統概述BCD碼的兩種格式：壓縮BCD碼（組合BCD碼）：1個字節中存放2位十進制數的BCD碼；非壓縮BCD碼（非組合BCD碼）：1個字節中僅存放1位十進制數的BCD碼；十進制數4用非壓縮的BCD碼表示為××××0100。十進制數43用非壓縮的BCD碼表示為××××0100××××0011。例：十進制數43用壓縮的BCD碼表示為01000011。1.1計算機中的數據表示與編碼1計算機系統概述

2.BCD碼的加減運算例1.20利用BCD碼計算：①4+5；②5+7；③8+9解 ①(4)BCD=0100，(5)BCD=0101

②(5)BCD=0101，(7)BCD=0111

1.1計算機中的數據表示與編碼1計算機系統概述③(8)BCD=1000，(9)BCD=10011.1計算機中的數據表示與編碼1計算機系統概述例1.21利用BCD碼計算：①35+21；②25+37

①(35)BCD=00110101，(21)BCD=00100001②(25)BCD=00100101，(37)BCD=00110111 1.1計算機中的數據表示與編碼1計算機系統概述1.1.5ASCII碼(AmericanStandardCodeForInformationInterchange)7位二進制碼，共可以表示128個字符。B6B5B4B3B2B1B00000010100111001011101110000NULDLESP0@P`p0001SOHDC1!1AQaq0010STXDC2″2BRbr0011ETXDC3#3CScs0100EOTDC4$4DTdt0101ENQNAK%5EUeu0110ACKSYN&6FVfv0111BELETB?7GWgw1000BSCAN(8HXhx1001HTEM)9IYiy1010LFSUB*:JZjz1011VTESC+;K[k{1100FFFS,<L\l|1101CRGS-=M]m}1110SORS.>N↑n～1111SIUS/?O-oDEL1.1計算機中的數據表示與編碼1計算機系統概述ASCII碼包括：⑴32個控制字符。⑵空格字符SP，編碼值為32。⑶刪除控制碼DEL，編碼值為127。⑷94個可印刷字符(或稱有形字符)。1.2邏輯電路基礎1計算機系統概述邏輯電路：是實現輸入信號與輸出信號之間邏輯關系的電路。小規模集成電路（SSI）：是器件的集成，如門電路或觸發器等；中規模集成電路（MSI）：是邏輯構建的集成，如多路選擇器、加法器等；大規模集成電路（LSI）和超大規模集成電路（VLSI）：是一個數字子系統或整個數字系統的集成。1.2邏輯電路基礎1計算機系統概述邏輯門電路：可組成各種功能的邏輯電路，這些邏輯電路按其結構可分為組合邏輯電路和時序邏輯電路。組合邏輯電路：由各種門電路組合而成且無反饋的邏輯電路，簡稱組合邏輯，如譯碼器。時序電路：邏輯電路的輸出狀態不僅和當時的輸入狀態有關，而且還與電路在此前的輸出狀態有關，則這種電路稱為時序電路，如觸發器及各類寄存器等。1.2.1基本邏輯門電路1.2邏輯電路基礎1計算機系統概述1.2邏輯電路基礎1計算機系統概述1.2.2譯碼器1.2邏輯電路基礎1計算機系統概述1.2邏輯電路基礎1計算機系統概述G1CBA譯碼輸出1000000=0，余為11000011=0，余為11000102=0，余為11000113=0，余為11001004=0，余為11001015=0，余為11001106=0，余為11001117=0，余為1其他×××0～7

全為174LS138譯碼器功能表1.2.3觸發器1.2.4寄存器

1.緩沖寄存器（Buffer）：分為數據緩沖寄存器和地址緩沖寄存器。2.移位寄存器（ShiftingRegister）：具有數據存儲和移位兩個功能。1.2邏輯電路基礎1計算機系統概述3.計數器（Counter）：是由若干個觸發器組成的寄存器，當一個計數脈沖到達時，它會按二進制數的規律累計脈沖數，使存儲在其中的數字加1。4.累加器(Accumulator)：是一個由多個觸發器組成的多位寄存器，用于暫存每次在ALU中計算的中間結果。1.2邏輯電路基礎1計算機系統概述1.2.5三態電路1.2邏輯電路基礎1計算機系統概述三態輸出電路EAB00高阻01高阻100111三態輸出電路功能表1.2邏輯電路基礎1計算機系統概述4位緩沖寄存器計算機系統是一個由硬件、軟件組成的復雜的電子裝置。它能夠存儲程序和原始數據、中間結果和最終運算結果，并自動完成運算，是一種能對各種數字化信息進行處理的信息處理機。1.3計算機系統概述1計算機系統概述1.3.1計算機的分類及發展1.計算機的分類

目前人們所說的計算機，都是電子數字計算機已經出現過的機械的、模擬的計算機已經逐漸消失。計算機按用途可分為專用計算機和通用計算機。1.3計算機系統概述1計算機系統概述按計算機的使用方式分類嵌入式計算機桌面計算機服務器按計算機的結構分類馮?諾依曼結構非馮?諾依曼結構按規模分超級計算機、大型機、服務器、微型機、單片機1.3計算機系統概述1計算機系統概述

2.計算機的發展

類型時期主要器件重要特征第1代1946-1957電子管機器語言，匯編語言。速度低，體積大，價格昂貴，可靠性差，用于科學計算。速度達幾千次到幾萬次第2代1958-1964晶體管算法語言，操作系統。體積縮小，可靠性提高。從科學計算到數據處理、工業控制。每秒幾萬次到幾十萬次第3代1964-1971中小規模集成電路體積小，可靠性大大提高，速度達幾百萬次，軟件技術和外設發展迅速應用領域不斷擴大，出現小型計算機。第4代1971-1992大/超大規模集成電路速度提高至幾千次到億次出現微型計算機第5代1991-巨大規模集成電路速度提高至幾億次乃至上百億次。出現單片機摩爾定律：每18個月，集成度將翻一番，速度將提高一倍，而其價格將降低一半。1.3計算機系統概述1計算機系統概述1.3.2計算機系統的組成

計算機系統是由硬件系統和軟件系統兩部分組成的。1.馮·諾依曼計算機

⑴計算機（指硬件）由運算器、存儲器、控制器、輸入設備和輸出設備五大基本部件組成。⑵指令和數據均以二進制編碼表示，采用二進制運算。⑶采用存儲程序的方式，程序和數據存放在同一存儲器中。⑷指令在存儲器中按其執行順序存放，由程序計數器指明