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。

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1 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。

2 §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 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

3 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

4 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

5 §1.2微处理器及其发展 微处理器的发展历史 ，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）。

6 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

7 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
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 Pentium系列微处理器 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

8 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。

9 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。

10 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。

11 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。

12 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。

13 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

14 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。

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16 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 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： =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。

17 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 可表示为： ( )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

18 （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。

19 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

20 （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。

21 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

22 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

23 【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  ( )Q

24 (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（ ）2转换为八进制数。 即 ( )B =( )Q

25 【例1-6】将(756.34)Q转换为二进制数。 即 (756.34)Q=( )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。

26 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。
F C 即 ( )B =(1FC7.958)H 【例1-8】将(79BD.6C)H转换为二进制数。 B D C 即 (79BD.6C)H=( )B 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。

27 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 1 0001 11 2 0010 12 3 0011 13 4 0100 14 5 0101 15 6 0110 16 7 0111 17 8 1000 18 9 1001 19

28 【例1-9】将69.25转换成BCD码。 结果为69.25=( )BCD 【例1-10】将BCD码 转换成十进制数。 结果为（ ）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。

29 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

30 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。

31 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 ，若采用偶校验码记为“0”的话，则有效代码为 ；采用奇校验码记为“1”的话，有效代码则为 。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。

32 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 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。

33 【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 ，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 ，最高位为符号位，即最小值为-128。

34 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

35 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 可表示为： N= = ×2+10= ×2－10= ×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 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：

36 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＝ ， [-1]原＝ [+127]原＝ ， [-127]原＝ l

37 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]＝ ， [-0]＝ 。 (2)反码 【例1-14】当机器字长n=8时： [+1]反＝ ， [-1]反＝ [+127]反＝ ， [-127]反＝ 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。

38 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＝ ， [-0]反＝ 。 （3）补码 【例1-15】当机器字长n＝8时， [+1]补＝ ， [-1]补＝ [+127]补＝ ， [-127]补＝ 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＝ 。 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。

39 【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＝ B 【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＝ B 　　　　　[－45]反＝ B 　　　　　[－45]补＝ B 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( )B是一个负数，求该数的补码为( )B，该数相应的十进制数为13，故求出( )B为(－13)D。 【例1-18】试写出原码 的真值。 （原码）补＝（原码）反＋1＝ B＝－39

40 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

41 【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( )2和( )2的相加情况。

42 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( )2和( )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。

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

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