第1章 微型计算机基础知识 【本章重点】微型计算机的组成和各部分的作 用，以及计算机中数的表示方法。 第1章 微型计算机基础知识 【本章重点】微型计算机的组成和各部分的作 用，以及计算机中数的表示方法。 【本章难点】计算机中数的表示方法：原码、 反码、补码的关系。

§1.1 微型计算机的组成及工作原理 1.1.1 微型计算机中的基本概念 1．微处理器（Microprocessor） 2．微型计算机 §1.1 微型计算机的组成及工作原理 1.1.1 微型计算机中的基本概念 1．微处理器（Microprocessor） 2．微型计算机 （1）单片微处理机 （2）通用微型计算机 3．微型计算机系统

1.1.2 微型计算机的基本结构 微型计算机的基本组成 C P U 总线形成 电路 接口 内存 外设 系 统 总 线

1.1.3 微型计算机的基本工作过程 微型计算机的基本工作过程是执行程序的过程，也就是CPU自动从程序存放的第1个存储单元起，逐步取出指令、分析指令，并根据指令规定的操作类型和操作对象，执行指令规定的相关操作。如此重复，周而复始，直至执行完程序的所有指令，从而实现程序的基本功能，这就是微型计算机的基本工作原理。 工作过程： 取指令 分析指令 执行指令

§1.2微处理器及其发展 1.2.1 微处理器的发展历史 1971.11，Intel公司第一枚微处理器芯片4004，4位机，它总共集成了2200个晶体管。 1972年4月，Intel公司宣布另一种型号的微处理器8008研制成功。 8位机。 1975年1月，Motorola公司宣布推出它的8位微处理器6800。 1979年，Intel公司推出了Intel 8086/8088微处理器，它是最早的PC机的CPU。 1983年，Intel公司推出了Intel 80286微处理器，它是完全16位微处理器 。 1985年，Intel公司推出了Intel 80386微处理器。 1989年，Intel公司推出了Intel 80486微处理器。 1993年3月，Intel公司推出了名为Pentium（经典奔腾）的微处理 。 1995年11月Intel公司又推出了Pentium Pro（高能奔腾）。 1997年1月，Intel公司又推出了Pentium MMX（多能奔腾）。 1997年5月，Intel公司推出了PentiumⅡ（奔腾二代） 1999年2月，Intel公司推出了Pentium Ⅲ（奔腾三代） 2000年11月，Intel公司推出了Pentium4（奔腾四代）。

各代微处理器的特点 第一代 1971年～1973年 第二代 1974年～1977年 第三代 1978年～1980年 第四代 1980年以后   第一代 1971年～1973年 第二代 1974年～1977年 第三代 1978年～1980年 第四代 1980年以后 典型的微处理器芯片 Intel 4004 Intel 4040 Intel 8008 Intel 8080 M6800 Z-80 Intel 8086/8088 M68000 Z-8000 Intel 80X86 M68020 Z-80000 字长（位） 4/8 8 16 16/32 集成度（晶体管数/芯片） 1000～2000 5000～9000 20000～70000 >100000 时钟频率（MHZ） 0.5～0.8 1～4 5～10 >10 数据总线宽度（位） 地址总线宽度（位） 4～8 20～24 24～32 存储容量 ≤16KB实存 ≤64KB实存 ≤1MB实存 ≤4GB实存和64GB虚存 指令执行时间（s） 10～15 1～2 <1 <0.125 软件水平 机器语言 汇编语言 高级语言 操作系统 部分软件硬化

1.2.2 微处理器的内部结构 1．总线部件 1.2.3 Pentium系列微处理器 2．预取部件 3．译码器 4．控制器 5．运算逻辑部件 1.2.2 微处理器的内部结构 1．总线部件 2．预取部件 3．译码器 4．控制器 5．运算逻辑部件 6．存储器管理部件 1.2.3 Pentium系列微处理器 1.2.3.1 Pentium奔腾微处理器的主要特点： 1、标量体系结构 2、双流水线结构 （1）转移预测部件 （2）高性能的浮点运算 （3）存储器页面大小任选

1.2.3.2 Pentium MMX的主要特点 Pentium MMX是在奔腾芯片基础上增加了MMX技术。MMX技术的特点主要有二项。 ①采用S1MD型指令。SIMD（Single Introduction Multi Data，单指令多数据流）是计算 机系统结构的一种。 ②拥有积和运算功能。 ③拥有饱和运算功能。 采用MMX技术后，提高了不同种类的应用性能，尤其对图形、图像、动画、音频数据处理的改进最为明显。

1.2.3.3 Pentium Pro的主要特点 1．三路超标量体系结构和14级超级流水线 2．动态执行技术 （1）数据流分析 （2）增强的转移预测 （3）推理执行 3．优化的32位代码结构和66MHz的系统总线 Pentium Pro采用优化的32位代码结构和66MHz的系统总线。

1.2.3.4 Pentium II的主要特点 PentiumⅡ是在Pentium Pro的基础上增加了MMX技术，具有以下几个特点。 ①采用了DIB（Dual independent Bus，双重独立总线）技术。PentiumⅡ可同时使用这两条总线，其中一条总线用于连接二级高速缓存，一条总线用于连接主存，这样充分提高了数据传输能力。 ②使用了SEC（Single Edge Contact，半边接触盒）技术。将512KB二级高速缓存移出CPU内核，但用一个塑料盒将CPU与二级高速缓存封装在一起，中间用高速缓存总线相连。也正同为这一点，Pentium II采用了一种新型插槽Slot 1，它与Socket 7不兼容。 ③双16KB高速缓存。即16KB的数据高速缓存和16KB的代码高速缓存。

1.2.3.5 Pentium Ⅲ的主要特点 Pentium Ⅲ采用了与PentiumⅡ相同的Slot 1结构，同样支持100MH的系统外频。PentiumⅢ针对K6-2中的3D NOW!指令，在MMX指令集基础上增加了70条新的SSE指令集，从而大大增强了3D几何运算、动画、影像、音效等功能。Pentium Ⅲ利用数字信号处理软件解决方案，实现更高效的声音采样和过滤，提高语音引擎的反应速度与准确率，使语音能力成为现实。Pentium Ⅲ可在一个场景中渲染更多的三维对象，表现更多的光源（13个光源），实现渲染反问、光影效果；Pentium Ⅲ采用并行的SIMD浮点运算架构，并特别增加了8个128位寄存器来配合新指令的运算，使其在图像、视频上有额外的表现。进行实时同步MPEG2编码与解码无需MPEG硬件卡，可获得增强的数字电视体验，若配以宽带的Modem使可视电话成为可能。

1.2.3.6 Pentium 4主要特点 Pentium 4 CPU是目前Intel公司技术最先进、功能最强大的台式机处理器，采用先进技术设计，是目前中高档的微机微处理器。它采用了HT（Hyper—Threading，超线程）技术，使一个处理器同时运行两个独立的软件线程；采用了超级流水线技术（Hyper Pipelined technology）、800／533／400MHz前端总线（FSB，Front Side Bus）、执行跟踪高速缓存和快速执行引擎；另外它还提供了许多增强特性，包括高级传输高速缓存、高级动态执行、增强浮点和多媒体单元以及SSE2（Streaming SIMD Extensions 2，SIMD流技术扩展2）等。它在网络广播、多媒体、视频剪辑、图像处理、网络视频流、语音、3D、CSD和游戏等方面的功能大大加强了。

目前流行的Pentium 4CPU可分为四代，技术特性如表 处理器 第一代 第二代 第三代 第四代 核心 S-423Willamette S-478 Norhwood 533MHZ DSB&HT 800MHZ FSB&HT 发布日期 2000年11月 2002年4月 2002年11月 2003年4月 主频（GHZ） 1.4～2.0 1.8～2.4 2.4～3.06 2.4～3.0+ 制造工艺（m） 0.18 0.13 晶体管数目 42M 55M 核心电压 1.75 1.5 1.525 1.550 一级高速缓存 8KB 二级高速缓存 256KB 512KB 外频（MHZ） 100 133 前端总线（MHZ） 400 533 800 多媒体指令集 MMX/SSE/SSE2 超线程技术 无 只有3.06GHZ有 有

1.2.4微处理器的发展趋势 歌登.摩尔（Gordon Moore）是Intel公司奠基者之一，他在1964年提出一个摩尔定理，摩尔定理说每18个月半导体集成电路里面晶体管的个数会翻一倍，也就是集成度提升一倍，每隔18个月其性能会提升一倍。这个非常著名的摩尔定理，从1964年提出以来（尽管当时计算机集成电路芯片还没有出现），到1971年Intel公司首次做出第一块CPU 4004芯片，再到现在，发展了大概三十多年。可以发现，CPU一直是遵循摩尔定理在发展的，后来到1995年歌登·摩尔对摩尔定理稍微修改了一下，原来是每一年半（18个月）后来改成两年，也就是说每两年芯片的集成度会提升一倍，特性提升一倍，但价格不变。 对Intel而言，IA-64是其下—个10~15年的架构。新的IA-64将使Intel摆脱x86架构的限制，从而设计出超越所有现有RISC CPU和x86CPU的新型处理器。IA-64处理器，具有64位寻址能力和64位宽的寄存器，所以被称为64位CPU。

1.3 数制与编码 1.3.1 数制的表示 1.常用数制 （1）十进制数 我们熟悉的十进制数有两个主要特点： 例如： 1.3 数制与编码 1.3.1 数制的表示 1.常用数制 （1）十进制数 我们熟悉的十进制数有两个主要特点：  有十个不同的数字符号：0、1、2、…、9；  低位向高位进、借位的规律是“逢十进一”“借一当十”的计数原则进行计数。 例如： 1234.45=1×103＋2×102＋3×101＋4×100＋4×10-15×10-2 式中的10称为十进制数的基数, 103、102、101、100、10-1称为各数位的权。十进制数用D结尾表示。

在二进制中只有两个不同数码：0和1，进位规律是“逢二进一”“借一当二”的计数原则进行计数。二进制数用B结尾表示。 （2）二进制数 在二进制中只有两个不同数码：0和1，进位规律是“逢二进一”“借一当二”的计数原则进行计数。二进制数用B结尾表示。 例如，二进制数11011011.01可表示为： (11011011.01)2==1×27＋1×26＋0×25＋1×24＋1×23＋0×22＋1×21＋1×20＋0×2-1＋1×2-2 （3）八进制数 在八进制中有0、1、2…、7八个不同数码，采用“逢八进一”“借一当八”的计数原则进行计数。八进制数用Q结尾表示。 例如，八进制数（503.04）Q可表示为： （503.04）Q=5×82+0×81+3×80+0×8-1+4×8-2

（4）十六进制数 在十六进制中有0、1、2…、9、A、B、C、D、E、F共十六个不同的数码，采用“逢十六进一”“借一当十六”的计数原则进行计数。十六进制数用H结尾表示。 例如，十六进制数（4E9.27）H可表示为 （4E9.27）H=4×162＋14×161＋9×160＋2×16-1＋7×16-2 2．不同进制数之间的相互转换 表1-4列出了二、八、十、十六进制数之间的对应关系，熟记这些对应关系对后续内容的学习会有较大的帮助。

表1-3 各种进位制的对应关系 十进制 二进制 八进制 十六进制 9 1001 11 1 10 1010 12 A 2 1011 13 B 9 1001 11 1 10 1010 12 A 2 1011 13 B 3 1100 14 C 4 100 1101 15 D 5 101 1110 16 E 6 110 1111 17 F 7 111 10000 20 8 1000 10001 21

（1）二、八、十六进制数转换成为十进制数 根据各进制的定义表示方式，按权展开相加，即可转换为十进制数。 【例1-1】将（10101）B，(72)Q，（49）H转换为十进制数。 (10101)B=1×24＋0×23＋1×22＋0×21＋1×20=37 (72)Q=7×81+2×80=58 (49)H=4×161＋9×160=73 （2）十进制数转换为二进制数 十进制数转换二进制数,需要将整数部分和小数部分分开,采用不同方法进行转换,然后用小数点将这两部分连接起来。

①整数部分：除2取余法。 具体方法是：将要转换的十进制数除以2，取余数；再用商除以2，再取余数，直到商等于0为止，将每次得到的余数按倒序的方法排列起来作为结果。 【例1-2】将十进制数25转换成二进制数 所以（25）D=11001B

②小数部分：乘2取整法。 具体方法是：将十进制小数不断地乘以2，直到积的小数部分为零（或直到所要求的位数）为止，每次乘得的整数依次排列即为相应进制的数码。最初得到的为最高有效数位，最后得到的为最低有效数字。 【例1-3】将十进制数0.625转换成二进制数。 所以（0.625）D=0.101B

【例1-4】将十进制数25.625转换成二进制数，只要将上例整数和小数部分组合在一起即可，即(25.625)D=(11001.101)B 例如：将十进制193.12转换成八进制数。 所以（193.12）D  (301.075)Q

(3) 二进制与八进制之间的相互转换 由于23=8，故可采用“合三为一”的原则，即从小数点开始向左、右两边各以3位为一组进行二-八转换：若不足3位的以0补足，便可以将二进制数转换为八进制数。反之，每位八进制数用三位二进制数表示，就可将八进制数转换为二进制数。 【例1-5】将（10100101.01011101）2转换为八进制数。 010 100 101.010 111 010 2 4 5 . 2 7 2 即 (10100101.01011101)B =(245.272)Q

【例1-6】将(756.34)Q转换为二进制数。 7 5 6 . 3 4 111 101 110 . 011 100 即 (756.34)Q=(111101110.0111)B (4) 二进制与十六进制之间的相互转换 由于24=16，故可采用“合四为一”的原则，即从小数点开始向左、右两边各以4位为一组进行二—十六转换，若不足4位的以0补足，便可以将二进制数转换为十六进制数。反之，每位十六进制数用四位二进制数表示，就可将十六进制数转换为二进制数。

1.3.2 常用的信息编码 【例1-7】将(1111111000111.100101011)B转换为十六进制数。 0001 1111 1100 0111 . 1001 0101 1000 1 F C 7 . 9 5 8 即 (111111000111.100101011)B =(1FC7.958)H 【例1-8】将(79BD.6C)H转换为二进制数。 7 9 B D . 6 C 0111 1001 1011 1101 . 0110 1100 即 (79BD.6C)H=(111100110111101.011011)B 1.3.2 常用的信息编码 二—十进制BCD码（Binary-Coded Decimal） 二—十进制BCD码是指每位十进制数用4位二进制数编码表示。由于4位二进制数可以表示16种状态，可丢弃最后6种状态，而选用0000～1001来表示0～9十个数符。这种编码又叫做8421码。见表1-5所示。

表1-4 十进制数与BCD码的对应关系 十进制数 BCD码 0000 10 00010000 1 0001 11 00010001 2 0000 10 00010000 1 0001 11 00010001 2 0010 12 00010010 3 0011 13 00010011 4 0100 14 00010100 5 0101 15 00010101 6 0110 16 00010110 7 0111 17 00010111 8 1000 18 00011000 9 1001 19 00011001

【例1-9】将69.25转换成BCD码。 6 9 . 2 5 0110 1001 . 0010 0101 结果为69.25=(01101001.00100101)BCD 【例1-10】将BCD码100101111000.01010110转换成十进制数。 1001 0111 1000 . 0101 0110 9 7 8 . 5 6 结果为（100101111000.01010110）BCD=978.56 2. 字符编码（ASCII码） 计算机使用最多、最普遍的是ASCII（American Standard Code For Information Interchange）字符编码，即美国信息交换标准代码，如表1.6所示。

表1-5 七位ASCII代码表 d3 d2 d1d0位 0 d6 d5d4位 000 001 010 011 100 101 110 111 0000 NUL DEL SP ＠ P ｀ p 0001 SOH DC1 ！ 1 A Q a q 0010 STX DC2 ″ 2 B R b r 0011 ETX DC3 ＃ 3 C S c s 0100 EOT DC4 ﹩ 4 D T d t 0101 ENQ NAK ％ 5 E U e u 0110 ACK SYN ﹠ 6 F V f v 0111 BEL ETB ＇ 7 G W g w 1000 BS CAN ﹙ 8 H X h x 1001 HT EM ﹚ 9 I Y i y 1010 LF SUB ﹡ ： J Z j z 1011 VT ESC ＋ ﹔ K ［ k ﹛ 1100 FF FS ， ＜ L ＼ l ｜ 1101 CR GS － ＝ M ］ m ｝ 1110 SO RS · ＞ N ↑ n ～ 1111 SI HS ／ ﹖ O ← o

ASCII码的每个字符用7位二进制数表示，其排列次序为d6d5d4d3d2d1d0, d6为高位，d0为低位。而一个字符在计算机内实际是用8位表示。正常情况下，最高一位d7为“0”。7位二进制数共有128种编码组合，可表示128个字符，其中数字10个、大小写英文字母52个、其他字符32个和控制字符34个。 数字0～9的ASCII码为30H～39H。 大写英文字母A～Z的ASCII码为41H～5AH。 小写英文字母a～z的ASCII码为61H～7AH。 对于ASCII码表中的0、A、a的ASCII码30H、41H、61H应尽量记住，其余的数字和字母的ASCII码可按数字和字母的顺序以十六进制的规律写出。

3. 奇偶校验码 奇偶校验码是在传送的代码上附加一个校验位，作为代码的比较校验。这样在接收方，先对信息代码按双方的校验规定求奇偶校验码，然后再与收到的附加校验位作比较，若相等则认为接收的代码是正确的，否则为错。奇偶校验就是鉴别代码中有奇数个“1，还是有偶数个“1。例如，有效信息为1011001，若采用偶校验码记为“0”的话，则有效代码为1011001 0；采用奇校验码记为“1”的话，有效代码则为1011001 1。有效代码的最后的那个数位，就是奇偶校验位。当接受方收到这组代码后，便根据奇、偶校验的约定和有效代码中“1”的个数形成校验码，然后再与接收的校验位作比较。比较相等的话，说明接受的信息正确；反之，则认为出现了错误。

1.4 计算机数值数据表示与运算 1.4.1 二进制数在计算机内的表示 1.机器数 1.4 计算机数值数据表示与运算 1.4.1 二进制数在计算机内的表示 1.机器数 在计算机中，因为只有“0”和“1”两种形式，所以数的正、负号，也必须以“0”和“1”表示。通常把一个数的最高位定义为符号位，用0表示正，1表示负，称为数符：其余位仍表示数值。把在机器内存放的正、负号数码化的数称为机器数，把机器外部由正、负号表示的数称为真值数。

【例1-11】真值为(-0101100)B的机器数为10101100，存放在机器中，如图1.3所示。 要注意的是，机器数表示的范围受到字长和数据的类型的限制。字长和数据类型定了，机器数能表示的数值范围也就定了。 例如，若表示一个整数，字长为8位，则最大的正数为01111111，最高位为符号位，即最大值为127。若数值超出127，就要“溢出”。最小负数为10000000，最高位为符号位，即最小值为-128。

2. 数的定点和浮点表示 计算机内表示的数，主要分成定点小数、定点整数与浮点数三种类型。 （1）定点小数的表示法 定点小数是指小数点准确固定在数据某一个位置上的小数。一般把小数点固定在最高数据位的左边，小数点前边再设一位符号位。按此规则，任何一个小数都可以写成： N=NSN－1N－2···N－M， NS为符号位 （2）整数的表示法 整数所表示的数据的最小单位为1，可以认为它是小数点定在数值最低位右面的一种表示法。整数分为带符号和不带符号两类。对带符号的整数，符号位放在最高位。可以写成： N=NSNnNn－1···N2 N1 N0， NS为符号位

一般定点数表示的范围和精度都较小，在数值计算时，大多数采用浮点数。 (3)浮点数的表示方法 浮点表示法对应于科学(指数)计数法，如数110.011可表示为： N=110.011=1.10011×2+10=11001.1×2－10=0.110011×2+11 在计算机机中一个浮点数由两部分构成：阶码和尾数，阶码是指数，尾数是纯小数。其存储格式如图1.4所示。 阶符 阶码 数符 尾数 图1.4 存储格式 【例1-12】设尾数为4位，阶码为2位，则二进制数N=211×l011的浮点数表示形式为：

应当注意：浮点数的正、负是由尾数的数符确定，而阶码的正、负只决定小数点的位置，即决定浮点数的绝对值大小。 带符号数的表示 在计算机中，带符号数可以用不同方法表示，常用的有原码、反码和补码。 (1)原码 【例1-13】当机器字长n=8时： [+1]原＝0 0000001， [-1]原＝1 0000001 [+127]原＝0 1111111， [-127]原＝1 111111l

由此可以看出，在原码表示法中： 最高位为符号位，正数为0，负数为1，其余n-1位表示数的绝对值。 在原码表示中，零有两种表示形式，即： [+0]＝00000000， [-0]＝10000000。 (2)反码 【例1-14】当机器字长n=8时： [+1]反＝00000001， [-1]反＝11111110 [+127]反＝01111111， [-127]反＝10000000 由此看出，在反码表示中： 正数的反码与原码相同，负数的反码只需将其对应的正数按位求反即可得到。

机器数最高位为符号位，0代表正号，1代表负号。 反码表示方式中，零有两种表示方法： [+0]反＝00000000， [-0]反＝11111111。 （3）补码 【例1-15】当机器字长n＝8时， [+1]补＝00000001， [-1]补＝11111111 [+127]补＝01111111， [-127]补＝10000001 由此看出，在补码表示中： 正数的补码与原码、反码相同，负数的补码等于它的反码加l。 机器数的最高位是符号位，0代表正号，1代表负号。 在补码表示中，0有唯一的编码： [＋0]补＝[－0]补＝00000000。 补码的运算方便，二进制的减法可用补码的加法实现，使用较广泛。

【例1-16】假定计算机字长为8位，试写出122的原码、反码和补码。 [122]原＝[122]反＝[122]补＝01111010B 【例1-17】假定计算机字长为8位，试写出－45的原码、反码和补码。 　　　　 [－45]原＝10101101B 　　　　　[－45]反＝11010010B 　　　　　[－45]补＝11010011B 对于用补码表示的负数，首先认定它是负数，而后用求它的补码的方法可得到它的绝对值，即可求得该负数的值。例如，补码数(11110011)B是一个负数，求该数的补码为(00001101)B，该数相应的十进制数为13，故求出(11110011)B为(－13)D。 【例1-18】试写出原码11011001的真值。 （原码）补＝（原码）反＋1＝10100111B＝－39

1.4.2 补码的运算 在微处理机中，使用补码进行运算是十分方便的，它使同一个微处理机中既能运算带符号数又能运算不带符号的数。而且，在采用补码表示带符号数的情况下，两个数的减法可以用加法来实现。下面我们将会看到这一点。 在进行带符号数的加减运算时，应把参与运算的数据转换成补码形式进行运算。当使用8位二进制数表示带符号的数时，它所能表示的数值范围在(-128)10～(+127)10之间，如果相加结果超出了这个范围，就会导致错误发生。 [X+Y]补=[X]补+[Y]补　　 [X-Y]补=[X]补+[-Y]补

【例1-20】两个带符号的数(01000001)2(十进制数+65)与(01000011)2(十进制数+67) 例中是两个正数相加，但结果却是一个负数——符号位为1。显然，这个结果是错误的，出现这种错误的原因就在于这两个数相加的结果超过了8位二进制带符号数所能表示的数值范围。 【例1-21】两个负数(10001000)2和(11101110)2的相加情况。

由于规定用8位二进制数来表示带符号的数，故忽略作为进位位的第九位。按8位二进制数来解释这两个符号数的相加，其结果为一个正数。很明显，结果是错误的。 【例1-22】两个无符号数(11111101)2和(00000011)2相加： 从相加计算的结果来看，如果微处理机只有8位，也就是用8位二进制数来解释运算的结果，则将出现错误。因此，在微处理机中设有专门的一位，称为进位位，它将用于保存第九位以防丢失信息。

1.4.3 逻辑运算 （1）“与”运算。“与”运算的运算规则是： 00=0 01=0 10=0 11=1 【例1-23】 二进制数01011101B和11010101B相与。 （2）“或”运算。“或”运算的运算规则是： 0 0=0 01=1 10=1 11=1

【例1-24】二进制数10101101和01010000相或。 （3）“异或”运算。“异或”运算的运算规则是： 00=0 01=1 10=1 11=0 【例1-25】二进制数10101101和01101110相异或。