计算机原理

,计算机原理,什么是计算机,计算机是一个信息处理装置。 可以是一个复杂的数字电路系统（主流） 也可以是机械的 甚至是生化的 在这些装置的背后，一定存在某种原理性的东西。,帕斯卡和加法器,霍列瑞斯和第一台制表机,阿德勒曼博士和DNA计算机,计算机,做音乐盒的老师父：我事先根据乐曲的音符作出不同长度的铜片，再按一定的顺序将它们固定 图灵：计算机是一张纸，一支笔。我事先将规则写在纸上，笔可以按照纸上的规则，在纸上写下新的内容 冯.诺依曼：计算机可以存储程序，通过程序控制计算机由Bus 、CPU、Memory 、IO Interface、IO device构成,1946年由美国宾夕法尼亚大学研制 ENIAC（Electronic Numerical Integrator And calculator），运算速度 5000次/秒，功耗150kw，占地170m2 ，造价100万美元。,计算机的发展,大型化,小型化,计算机功能部件,1、总线 2、CPU 3、存储器 4、输入/输出,课程安排,第1阶段：预备知识、基本技能和模型机 目标：通过大量的实验来学习模型机，理解计算机的基本工作原理 数字电路基础：数字钟、ALU、寄存器、存储器 模型机：以教材第一章 1.2 计算机基础为蓝本，用数字电路中的器件搭建模型机 工具软件： proteus ： （硬件设计）一种电路仿真软件 第2阶段：51单片机基础 目标：通过单片机来掌握汇编语言、计算机的组成原理、总线、中断、定时 单片机基础：参考教材单片微型计算机原理及运用第2、3章（重点）和4、5、6章部分内容。 工具软件： proteus ： （硬件设计）一种电路仿真软件 Keil C 51：（软件设计）一种进行单片机软件设计的集成环境IDE（Integrated Development Environment ） 面包板、实际电路板。 第3阶段：8086系统 目标：通过另一种机型来巩固和深化前面所学的知识，同时为考究的同学做准备。 CPU结构、指令集、汇编、总线、中断、定时。,预备知识、基本技能,信息表示基础 数 制 二进制数的运算 信息在数字系统中的表示 数字电路基础（proteus） 组合逻辑电路 38译码器 加法器、ALU 时序逻辑电路 数字钟 寄存器通路 综合实验 运算器的控制 半导体存储器控制实验 运算器与存储器的数据通路实验,数 制（怎样表示一个数）,数 数值：数的大小。 数码：表示数值的最基本符号（有限性、方便性） 数符：由数码构成的一个排列（数码序列）。 计数制（简称数制）：多位数符的构成方法，以及数符所表示的数值（数的大小）的计算方法。 基:数码的个数，由此决定计数规则：逢几进几 权:由数码所在位置所决定的一个常数。 计算方法：每个数码代表的数值×这个数码所在位置的权的总和。,十进制,数码：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9 基：10 权： 10的幂 数符：1999 计数规则：逢十进一 数值：,例：（1999）10 =（1×103+9×102+9×101+9×100）10,二进制,数码：0、1 计数规则：逢二进一 基数：2 权：2的幂,一般形式为： （N）2 =（bn-1bn-2b 1b0）2= (bn-1×2n-1bn-2×2n-2b1×21b0×20)10,例：（1011101）2 = （1×26+0×25+1×24+1×23+1×22+0×21+1×20）10=（64+0+16+8+4+0+1）10=（93）10,数值越大，位数越多，读写不方便，容易出错！,八进制,数码：07 计数规则：逢八进一 基数：8 权：8的幂,例： （128）8=（1×82+2×81+8×80）10=（64+16+8）10=（88）10,十六进制,数码：09、A、B、C、D、E、F 计数规则：逢十六进一 基数：16 权：16的幂,例： （5D）16=（5×161+13×160）10=（80+13）10=（93）10,DIY,数码：、 基数：3 权：3的幂 计数规则：逢三进一 将 表示为十进制, 1×330×32 2×31 1×3034, ,二进制与八进制、十六进制之间的转换,（1）二进制与八进制之间的转换三位二进制数对应一位八进制数。,（101011100101）2 =（101，011，100，101）2=（5345）8,（6574）8 =（110，101，111，100）2=（110101111100）2,二进制与十六进制之间的转换,例如： （9A7E）16 =（1001 1010 0111 1110）2=（1001101001111110）2,四位二进制数对应一位十六进制数。,（10111010110）2 =（0101 1101 0110）2=（5D6）16,十进制数转换成二进制,整数部分的转换：除2取余法。,例：求（217）10 =（ ）2 解： 2217 余1 b02108 余0 b1254 余0 b2 227 余1 b3213 余1 b426 余0 b523 余1 b621 余1 b7 0,（217）10 =（11011001）2,例：求（0.3125）10 =（ ）2 解： 0.3125 × 2 = 0.625 整数为0 b- 1 0.625 × 2 = 1.25 整数为1 b- 20.25 × 2 = 0. 5 整数为0 b- 3 0. 5 × 2 = 1.0 整数为1 b- 4,说明：有时可能无法得到0的结果，这时应根据转换精度的要求适当取一定位数。,小数部分的转换：乘2取整法。,（0.3125）10 =（0.0101）2,几种计数进制数的对照表,二进制数的运算,二进制数的算术运算(加、减、乘、除) 1 位二进制数算术运算 多位二进制数算术运算,二进制加法,1 位二进制数的加法规则为:000 011 101 110 (有进位) 多位二进制数的加法:,例1: 求11001010B11101B。解: 被加数 11001010加数 11101进位 ) 00110000和 11100111则11001010B11101B11100111B。由此可见,两个二进制数相加时,每1位有3个数参与运算(本位被加数、加数、低位进位),从而得到本位和以及向高位的进位。,1位二进制数减法规则为:101 110 000 011 (有借位) 多位二进制数的减法,二进制减法,二进制乘法,1 位二进制乘法规则为:0×00 0×10 1×00 1×11多 位二进制乘法:,二进制除法的运算过程类似于十进制除法的运算过程。例4: 求 100100B÷101B。解: 000111101 100100101 1000101110 101 1,二进制除法,二进制数的逻辑运算1.“与”运算(AND)“与”运算又称逻辑乘,运算符为·或。“与”运算的规则如下:0·00 0·11·00 1·11例5: 若二进制数X10101111B,Y01011110B,求X·Y。10101111 0101111000001110 则X·Y00001110B。,2. “或”运算(OR)“或”运算又称逻辑加,运算符为或。“或”运算的规则如下:000 01101 111例6: 若二进制数X10101111B,Y01011110B,求XY。10101111 0101111011111111 则XY11111111B。,3.“非”运算(NOT)“非”运算又称逻辑非,如变量A的“非”运算记作 。“非”运算的规则如下:例7: 若二进制数A10101111B,求 。 01010000B由此可见,逻辑“非”可使A中各位结果均发生反变化,即0变1,1变0。,4.“异或”运算(XOR)“异或”运算的运算符为或,其运算规则如下:0 00 0 11 01 1 10例8: 若二进制数X10101111B,Y01011110B,求X Y。10101111 0101111011110001 则X Y11110001B。,信息在数字系统中的表示,外部世界的信息 数 有符号数、无符号数 整数、小数 文字（各种形状） 中文、藏文、英文、俄文、阿拉伯文。 7段码 图象（静态、动态） 声音 数字系统能处理的信息 0、1 信息的表示 怎样用0和1对上述的信息进行编码,数 值（怎样用0和1表示数的值）,2进制编码表示 整数 无符号数 带符号数 原码 反码 补码 小数 定点数 浮点数 BCD编码表示 8421码 5421码 余3码,带符号数,符号的表示 表示符号的位 表示数值的位,例如:N11011, N2-1011在计算机中用8位二进制数可分别表示为:D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,符号,数值部分,原码、补码与反码,1.原码正数的符号位用0表示,负数的符号位用1表示,数值部分用真值的绝对值来表示的二进制机器数称之为原码,用X原表示。 正数的原码 (设机器字长为8位) +115原01110011B； 负数的原码 -115原11110011B 零的原码 +0原00000 -0原 10000,补码,补数的概念（做个加法游戏） 加法器 刻度：表示数。 动作：进行运算 顺时针拨动指针：加 逆时针拨动指针：减 计算21？ 9-3=？ 936 99？ 9918126 6 (mod12 自然丢掉) 3的补数是9例如: 1171154 (mod12),0,3,6,9,能作减法，但结果不能为负数,钟坏了，只能顺时针拨动指针,并重新标注刻度 求22 求21 求23,问题,1.在模为12加法器的系统中，有多少个状态？ 2. 能表示的数有哪些？ 3.在2进制中，8位能表示多少个状态？ 4.用8位2进制能表示哪些数？,怎样求补码,正数的补码与其原码相同,即X补X原； 零的补码为零,+0补-0补00000； 负数才有求补码的问题。 计算出该数绝对值的原码，对原码取反，再对整个数加1（绝对值取反加1） -5补 11111011 |-5| 原00000101 |-5| 原反11111010 |-5| 原反+111111011,反码,反码 一个正数的反码,等于该数的原码； 一个负数的反码,等于该负数绝对值的原码按位求反(即0变1,1变0) 零的反码:+0反00000-0反11111,+5反00000101,5反11111010,例子,例1: 假设X1+83, X2-76,当用8位二进制数表示一个数时,求X1、X2的原码、反码及补码。 解: X1原X1反X1补01010011BX2原11001100B,