微機(jī)原理與單片微機(jī)系統(tǒng)及應(yīng)用《微機(jī)原理與單片微機(jī)系統(tǒng)及應(yīng)用》機(jī)械工業(yè)出版社，2019.10.謝維成，楊加國西華大學(xué)第1章計算機(jī)基礎(chǔ)知識基本內(nèi)容：1、計算機(jī)的發(fā)展歷程。2、計算機(jī)硬件的基本結(jié)構(gòu)和軟件的基本組成。3、計算機(jī)中的信息及表示。學(xué)習(xí)要點(diǎn)：1、計算機(jī)和微型計算機(jī)的基本概念及組成。2、重點(diǎn)掌握十進(jìn)制和二進(jìn)制之間、二進(jìn)制和十六進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換和有符號數(shù)的補(bǔ)碼表示及補(bǔ)碼運(yùn)算。1.1概述1.1.1計算機(jī)發(fā)展歷程一、第一臺電子計算機(jī)：1946年2月美國賓夕法尼亞大學(xué)莫克利（J.Mauchly）教授ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator）二、按照采用的電子器件分為四個階段：第一代：電子管計算機(jī)時代（1945～1958年）。第二代：晶體管計算機(jī)時代（1958～1964年）。第三代：集成電路計算機(jī)時代（1964～1971年）。第四代：大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計算機(jī)時代（1971年至今）。三、微型計算機(jī)

中央處理單元CPU：運(yùn)算器和控制器集成在一塊半導(dǎo)體芯片上，這塊芯片我們把它稱為中央處理單元CPU（CentralProcessingUnit），簡稱微處理器（Microprocessor）。微型計算機(jī)：以中央處理器為核心，加上存儲器、輸入輸出設(shè)備與接口，通過總線方式連接起來形成的計算機(jī)稱為微型計算機(jī)，簡稱微機(jī)。按照微型計算機(jī)的微處理器字長和功能，微處理器、微型計算機(jī)發(fā)展經(jīng)歷了6代：第一代（1971～1973）：4位和低檔8位微處理器、微型計算機(jī)時代。第二代（1974～1977）：8位中高檔微處理器、微型計算機(jī)時代。第三代（1978～1984）：16位微處理器、微型計算機(jī)時代。第四代（1985～1992）：32位微處理器。第五代（1993～1999）：超級32位Pentium（奔騰）微處理器。第六代（2000年以后）：64位高檔微處理器。Intel和AMDIntel：1968年

桌面用CPU：Intel400480088080404080868088802868038680486奔騰（Pentium）PentiumProPentiumII賽揚(yáng)（Celeron）奔騰III（PentiumIII）奔騰4（Pentium4）奔騰4至尊版（Pentium4ExtremeEdition）賽揚(yáng)D（CeleronD）奔騰D（PentiumD）奔騰D至尊版（PentiumDExtermeEdition)酷睿雙核IntelCoreDuo酷睿2雙核IntelCore2Duo奔騰雙核Intelpentiumdual-core酷睿2至尊版IntelCore2Extreme酷睿2四核IntelCore2Quad酷睿2四核至尊版IntelCore2QuadExtreme賽揚(yáng)雙核IntelCeleronduo-core酷睿i7-四核心（8xx/9xx/38xx）/六核心（9xx、39xx）酷睿i5-雙核心（6xx）/四核心（7xx）酷睿i3-雙核心（5xx）新酷睿i7四核心（26xx）新酷睿i5四核心（23xx、25xx）新酷睿i3雙核心（21xx）筆記型電腦用：奔騰M（PentiumM）賽揚(yáng)M（CeleronM）奔騰雙核(Intelpentiumdual-core)賽揚(yáng)雙核(Intelcelerondual-core)PentiumIIIMobilePentium4Mobile區(qū)別于移動版Pentium4MobilePentium4最高至3.06GHz，區(qū)別與P4M凌動超低功耗處理器（Atom）酷睿單核（IntelCoreSolo）酷睿雙核（IntelCoreDuo）酷睿2雙核（IntelCore2Duo）酷睿2單核（IntelCore2Solo）移動式酷睿i7-雙核心（6xx）/四核心（7xx/8xx/9xx）處理器移動式酷睿i5-雙核心（4xx/5xx）處理器移動式酷睿i3-雙核心（3xx）處理器新移動式酷睿i7四核心（26xx）新移動式酷睿i5雙核心（24xx、25xx）新移動式酷睿i3雙核心（23xx）AMD（超威）1991年3月AM386、1993年4月AM486、AMD5X86(1995年)微處理器AMDK5(1997年)微處理器1997年AMD-K6、K6-2(1998年)、K6-3(1998年)1998年K71999年Athlon（速龍）2001年10月推出了K8架構(gòu)（速龍XP）處理器AMD雙核速龍(TM)64（AthlonX264）2003AMDOpteron(TM)(皓龍)處理器AMD炫龍(TM)64（Turion64）AMD閃龍(TM)（Sempron64）AMD羿龍(TM)（Phenom）AMD雷鳥(TM)（Thunderbird）處理器AMD毒龍(TM)（Duron）處理器1.1.2計算機(jī)硬件馮.諾依曼機(jī)“存儲程序，程序控制”由運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部件組成。輸入設(shè)備控制器運(yùn)算器存儲器輸出設(shè)備程序數(shù)據(jù)結(jié)果1.1.3計算機(jī)軟件

計算機(jī)軟件(Software，也稱軟件)是指計算機(jī)系統(tǒng)中的程序、數(shù)據(jù)及其文檔。1.系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件是管理、監(jiān)控和維護(hù)計算機(jī)資源的軟件，包括：啟動計算機(jī)，存儲、加載和執(zhí)行應(yīng)用程序，對文件進(jìn)行排序、檢索，將程序語言翻譯成機(jī)器語言等。1）操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)是管理、控制和監(jiān)督計算機(jī)軟、硬件資源協(xié)調(diào)運(yùn)行的系統(tǒng)程序。操作系統(tǒng)的主要目的有兩個：一是方便用戶使用計算機(jī)，是用戶和計算機(jī)的接口。二是統(tǒng)一管理計算機(jī)系統(tǒng)的全部資源，合理組織計算機(jī)工作流程，以便充分、合理地發(fā)揮計算機(jī)的效率。操作系統(tǒng)軟件包括進(jìn)程管理、存儲管理、設(shè)備管理、文件管理和作業(yè)管理等五個部分。目前常用的操作系統(tǒng)有Windows、UNIX、Linux等。2）語言編譯處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)把人們用計算機(jī)程序設(shè)計語言編制的程序翻譯、編譯成計算機(jī)能夠識別的機(jī)器語言的系統(tǒng)程序。分三類，即機(jī)器語言、匯編語言和高級語言。機(jī)器語言匯編語言高級語言2.應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件是為解決某個應(yīng)用領(lǐng)域中的具體任務(wù)而編制的程序，如各種科學(xué)計算機(jī)程序、數(shù)據(jù)統(tǒng)計與處理程序、情報檢索程序、企業(yè)管理程序、生產(chǎn)過程自動控制程序等。1.2計算機(jī)中的信息及表示1.2.1計算機(jī)中的數(shù)制及轉(zhuǎn)換1．計算機(jī)中常用的計數(shù)制計數(shù)制也稱進(jìn)位計數(shù)制，是指用一組固定的符號和一定的規(guī)則進(jìn)行計數(shù)的方法。日常生活中十進(jìn)制，計算機(jī)中二進(jìn)制、八進(jìn)制和十六進(jìn)制。

1）數(shù)制的多項(xiàng)式展開：①ai為數(shù)碼，數(shù)碼用進(jìn)位計數(shù)制的相應(yīng)數(shù)字符號來表示。二進(jìn)制有2個數(shù)碼：0，1；十進(jìn)制有10個數(shù)碼：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9；八進(jìn)制有8個數(shù)碼：0、1、2、3、4、5、6、7；十六進(jìn)制有16個數(shù)碼：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F（字母不區(qū)分大小寫）；②i為數(shù)位，數(shù)位是指數(shù)碼在一個數(shù)中所處的位置。例如：十進(jìn)制數(shù)34.56從左到右的數(shù)位分別為：2、1、-1和-2；③r為基或基數(shù)，基數(shù)等于計數(shù)制中所使用數(shù)碼符號的個數(shù)。二進(jìn)制基數(shù)為2，十進(jìn)制基數(shù)為10，八進(jìn)制基數(shù)為8，十六進(jìn)制基數(shù)為16。④ri為權(quán)，是指數(shù)位上單位數(shù)字的值。權(quán)為基數(shù)的冪，不同的進(jìn)位計數(shù)制，基數(shù)不同權(quán)值不同，對于某種進(jìn)位計數(shù)制，不同數(shù)位權(quán)值也不相同。2）進(jìn)位計數(shù)制的基本運(yùn)算規(guī)則是：“逢r進(jìn)1,借1當(dāng)r”。3）計數(shù)制的表示：①下標(biāo)法：用括號將數(shù)字括起，在括號右下角加數(shù)字下標(biāo)，此種方法比較直觀。如：二進(jìn)制的11010011可以寫成(11010011)2。②字母后綴法：在數(shù)字后面加寫相應(yīng)的英文字母后綴作為標(biāo)識。二進(jìn)制數(shù)后綴字母為B（Binary），十進(jìn)制數(shù)后綴字母為D（Decimal）或省略，八進(jìn)制數(shù)后綴字母為O（Octonary）或Q，十六進(jìn)制數(shù)后綴字母為H（Hexadecimal）計數(shù)制基數(shù)數(shù)碼運(yùn)算規(guī)則后綴字母二進(jìn)制20、1逢2進(jìn)1，借1當(dāng)2B八進(jìn)制80、1、2、3、4、5、6、7逢8進(jìn)1，借1當(dāng)8O或Q十進(jìn)制100、1、2、3、4、5、6、7、8、9逢10進(jìn)1，借1當(dāng)10D或省略十六進(jìn)制160、1、2、3、4、5、6、78、9、A、B、C、D、E、F逢16進(jìn)1，借1當(dāng)16H2．?dāng)?shù)制之間的轉(zhuǎn)換（1）其他進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)-------采用按權(quán)多項(xiàng)式展開式求和實(shí)現(xiàn)?！纠?-1】將1010.101B、34.5Q、和5F6.AH轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。解：1010.101B=1×23+0×22+1×21+1×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3

=10.625D34.5Q=3×81+4×80+5×8-1=28.625D5F6.AH=5×162+15×161+6×160+10×16-1=1526.625（2）十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為其他進(jìn)制數(shù)----乘除法和降冪法1）乘除法整數(shù)部分和小數(shù)部分分別進(jìn)行轉(zhuǎn)換。方法：整數(shù)部分采用“除基數(shù)倒取余”法；小數(shù)部分采用“乘基數(shù)順取整”法。【例1-2】將十進(jìn)制數(shù)25.625分別轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制、八進(jìn)制和十六進(jìn)制數(shù)。解：①十進(jìn)制數(shù)25.625轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)過程如下，整數(shù)部分除2取余倒寫，小數(shù)部分乘2取整順寫：整數(shù)部分：商余數(shù) 小數(shù)部分： 積 整數(shù) 25÷2=12→1 低位 0.625×2=1.25 →1 高位 12÷2=6→0 0.25×2=0.5 →0 6÷2=3→0 0.5×2=1.0 →1 低位 3÷2=1→1 1÷2=0→1 高位即：整數(shù)部分25=(11001)2。 即：小數(shù)部分0.625=(0.101)2。所以：25.625=(11001.101)2=11001.101B。②十進(jìn)制數(shù)25.625轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制數(shù)過程如下：整數(shù)部分：商 余數(shù) 小數(shù)部分： 積 整數(shù) 25÷8=3 →1 低位 0.625×8=5.0→5 3÷8 =0 →3 高位 即：整數(shù)部分25=(31)8。 即：小數(shù)部分0.625=(0.5)8。所以：25.625=(31.5)8=31.5Q。③十進(jìn)制數(shù)25.625轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)過程如下： 整數(shù)部分：商 余數(shù) 小數(shù)部分： 積 整數(shù) 25÷16 =1 →9 低位 0.625×16= 10.0 →10（A） 1÷16 =0 →1 高位 即：整數(shù)部分25=(19)16。 即：小數(shù)部分0.625=(0.A)16。所以：25.625=(19.A)16=19.AH。2）降冪法假定要轉(zhuǎn)換的十進(jìn)制數(shù)為N，降冪法轉(zhuǎn)換過程如下：①找出最接近于N并小于等于N的r進(jìn)制的位權(quán)值ri；②找到滿足0≤C<r的最大數(shù)C，使得N-C×ri<ri，C即為轉(zhuǎn)換結(jié)果（r進(jìn)制數(shù)）第i位的數(shù)碼ai；③計算N-C×ri，并用它作為新的N值，即N←N-C×ri;④i←i-1，轉(zhuǎn)第2步求取下一位的數(shù)碼；重復(fù)②到④步，直到N為0或轉(zhuǎn)換結(jié)果達(dá)到所需要的精度。轉(zhuǎn)換中如果某位的位權(quán)值小于當(dāng)前的N值，則該位的數(shù)碼取值為0。【例1-3】將十進(jìn)制數(shù)117.375分別轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。解：小于117.375的位權(quán)值有：64（26）、32（25）、16（24）、8（23）、4（22）、2（21）、1（20）、0.5（2-1）、0.25（2-2）、0.125（2-3）等。轉(zhuǎn)換過程如下： N C ri ai

117.375?1×64 =53.375 （a6=1） 53.375?1×32 =21.375 （a5=1） 21.375?1×16

=5.375

（a4=1） 5.375 ?0×8 =5.375

（a3=0） 5.375 ?1×4 =1.375

（a2=1） 1.375 ?0×2 =1.375

（a1=0） 1.375 ?1×1

=0.375

（a0=1） 0.375 ?0×0.5 =0.375

（a-1=0） 0.375 ?1×0.25 =0.125

（a-2=1） 0.125 ?1×0.125 =0

（a-3=1）所以117.375=(1110101.011)2=1110101.011B。（2）二進(jìn)制、八進(jìn)制和十六進(jìn)制數(shù)之間轉(zhuǎn)換①二進(jìn)制數(shù)與八進(jìn)制數(shù)之間轉(zhuǎn)換由于23=8，所以3位二進(jìn)制數(shù)對應(yīng)1位八進(jìn)制數(shù)表示；二進(jìn)制000001010011100101110111八進(jìn)制01234567②二進(jìn)制數(shù)與十六進(jìn)制數(shù)之間轉(zhuǎn)換由于24=16，所以4位二進(jìn)制數(shù)對應(yīng)1位十六進(jìn)制數(shù)表示二進(jìn)制00000001001000110100010101100111十六進(jìn)制01234567二進(jìn)制10001001101010111100110111101111十六進(jìn)制89ABCDEF【例1-4】將二進(jìn)制數(shù)11010110.01011轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制和十六進(jìn)制數(shù)。解：011

010

110.010

110B=326.26Q32626

1101

0110.0101

1000B=0B6.58HB658【例1-5】將八進(jìn)制數(shù)47.3Q、十六進(jìn)制數(shù)56.78H轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制。解： 47.3Q=100

111.011B=100111.011B 56.78H=0101

0110.0111

1000B=1010110.01111B1.2.2數(shù)在計算機(jī)中的表示1.無符號數(shù)的表示直接用它對應(yīng)的二進(jìn)制形式表示例如，假設(shè)機(jī)器字長為8位，無符號數(shù)156在計算機(jī)中表示是10011100B；45在計算機(jī)中表示是00101101B。2.帶符號數(shù)的表示機(jī)器數(shù)表示：正、負(fù)號數(shù)字化，用二進(jìn)制數(shù)字表示。機(jī)器數(shù)先后有3種表示法：原碼、反碼和補(bǔ)碼。（1）原碼最高位為符號位，正數(shù)用0表示，負(fù)數(shù)用1表示，其余的位用于表示數(shù)的絕對值。說明：對于一個n位的二進(jìn)制數(shù)，其原碼表示范圍為-(2n-1-1)～+(2n-1-1)。-0和+0的編碼不一樣。假設(shè)機(jī)器字長為8位，-0的編碼為10000000B，+0的編碼為00000000B。（2）反碼

反碼表示時，最高位為符號位，正數(shù)用0表示，負(fù)數(shù)用1表示。正數(shù)的反碼與原碼相同，而負(fù)數(shù)的反碼可在原碼的基礎(chǔ)之上，符號位不變，其余位取反得到。說明：對于一個n位的二進(jìn)制數(shù)，其反碼表示范圍為-(2n-1-1)～+(2n-1-1)。-0和+0的編碼不一樣。假設(shè)機(jī)器字長為8位，-0的編碼為11111111B，+0的編碼為00000000B。【例1-6】求+69、-35的原碼(機(jī)器字長8位)。解：因?yàn)?/p>

+69=69=1000101B -35=35=100011B所以 [+69]原=01000101B [-35]原=10100011B【例1-7】求+69、-35的反碼(機(jī)器字長8位)。解：因?yàn)?[+69]原=01000101B [-35]原=10100011B所以 [+69]反=01000101B [-35]反=11011100B（3）補(bǔ)碼

補(bǔ)碼表示時，最高位為符號位，正數(shù)用0表示，負(fù)數(shù)用1表示。正數(shù)的補(bǔ)碼與原碼相同，而負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼可在原碼的基礎(chǔ)之上，符號位不變，其余位取反，末位加1得到?！纠?-8】求+69、-35的補(bǔ)碼(機(jī)器字長8位)。解：因?yàn)?[+69]原=01000101B [-35]原=10100011B所以 [+69]補(bǔ)=01000101B [-35]補(bǔ)=11011101B求補(bǔ)運(yùn)算：一個二進(jìn)制數(shù)，符號位和數(shù)值位一起取反，末位加1。求補(bǔ)運(yùn)算具有以下特點(diǎn)：對于一個數(shù)X [X]補(bǔ)[-X]補(bǔ)

【例1-9】已知+35的補(bǔ)碼為00100011B，用求補(bǔ)運(yùn)算求-35的補(bǔ)碼。解：因?yàn)?[35]補(bǔ)

[-35]補(bǔ)

所以[-35]補(bǔ)=11011100+1=11011101B對于一個n位的二進(jìn)制數(shù)，其補(bǔ)碼的表示范圍為-(2n-1)～+(2n-1-1)。補(bǔ)碼表示時，對于-0和+0來講其補(bǔ)碼是相同的，假設(shè)機(jī)器字長為8位，則0的補(bǔ)碼為00000000B。（4）補(bǔ)碼的加減運(yùn)算補(bǔ)碼的加、減法運(yùn)算規(guī)則如下： [X+Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[Y]補(bǔ) [X-Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)-[Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[-Y]補(bǔ)【例1-10】假設(shè)計算機(jī)字長為8位，完成下列補(bǔ)碼運(yùn)算。① (+69)+(-35)解：因?yàn)?[+69]補(bǔ)=01000101B[-35]補(bǔ)=11011101B [+69]補(bǔ)= 01000101+ [-35]補(bǔ)= 11011101 1 00100010所以[(+69)+(-35)]補(bǔ)=[+69]補(bǔ)+[-35]補(bǔ)=00100010B=[+34]補(bǔ)② (+69)-(-35)解：因?yàn)閇+69]補(bǔ)=01000101B[-35]補(bǔ)=11011101B [+35]補(bǔ)=00100011B [+69]補(bǔ)= 01000101

- [-35]補(bǔ)= 11011101 01101000

[+69]補(bǔ)= 01000101+ [+35]補(bǔ)= 00100011 01101000所以[(+69)-(-35)]補(bǔ)=[+69]補(bǔ)-[-35]補(bǔ)=[+69]補(bǔ)+[+35]補(bǔ)

=01