微机原理与接口技术笔记（一）—— 概述

1.1 计算机中的数据表示与编码

计算机最重要的功能式处理信息。
计算机中的数据信息可分为数值数据和非数值数据。
数值数据用于表示数量的大小，具有确定的数值；
非数值数据没有确定的数值，它主要表示字符、汉字、逻辑数组等

1.1.1 数与数制

1、进位计数法与数制
数制是人们利用符号来计数的科学方法，是以表示数值所用的数字符号个数来命名的。进位计数法是一种计数的方法，如十进制等。任意一个十进制数可以
用位权来表示。位权就是某个固定位置上的计数单位。十进制数的特点为“逢十进一，借一当十“

十进制数的位权如图所示：

2、二进制数、八进制数和十六进制数与十进制数类似，二进制数的特点为“逢二进一，借一当二“八进制数的特点为“逢八进一，借一当八“十六进制数的特点
为“逢十六进一，借一当十六“
3、数值转换
（1）r进制数转换为十进制可通过按位权展开后相加
（2）十进制数转换为r进制数:①整数部分的转换：除r取余法②小数部分的转换：乘r取整法
（3）二进制数与八进制数、十六进制数之间的转换可以根据转换表。

十进制数用D(Decimal)来表示；二进制数用B(Binary)来表示；八进制数用O(Octal)或者Q（避免O与0混淆）来表示；十六进制数用H(Hexadecimal)来表示。也可以用这些字母的小写形式来表示数制。由于计算机一般默认使用十进制，所以十进制数可以不标出进制符号。

1.1.2 数据格式

计算机中常用的数据表示格式根据计算机中一个数的小数点的位置时固定的还是浮动的分为两种：定点格式（定点数）；浮点格式（浮点数）。
定点数表示法：约定机器中所有数据的小数点位置都是固定不变的，所以小数点的位置无须被记录和存储。
浮点数表示法：一个浮点数由两个部分组成，阶码和尾数，阶码是指数部分，只能是一个带符号的整数，决定了浮点数的表示范围；尾数部分表示数值的有效
数字，是纯小数，决定了浮点数的精度。尾数的符号就是整个浮点数的符号，而阶码的符号只决定小数点的位置。

浮点数的存储格式如图所示：

1.1.3 二进制数的编码及运算

原码：对于二进制数，正数的原码就是它本身，负数的原码符号位取1，数值部分是真值的绝对值。
反码：对于二进制数，正数的反码就是它本身，负数的反码符号位取1，数值部分按位取反。按位取反就是二进制数的各位数码0变1，1变0.
补码：对于二进制数，整数的补码就是它本身，负数的补码符号位取1，数值部分按位取反后末位加1。
如果机器字长为n位，则补码能表示的整数范围为：-2^(n-1)~2(n-1)-1，使用补码表示，可以把负数 转化为正数，减法转化为加法。

注意：1）在汇编语言中，为了区别指令码和数据，规定A~F开始的数据面前必须加零。
2）二进制整数的补码数要扩展时，正数是在前面补0，负数是在前面补1；即补码数的扩展实际上是符号扩展。已知补码求真值的方法是：当机器码的最高位（符号位）为0时，表示真值是正数，其值等于其余n-1位的值；当机器数的最高位（符号位）为1时，表示真值是负数，其值等于其余n-1位按位取反末位加1的值。

补码运算
用补码表示的带符号数进行加减运算时，把符号位的0或1也看作数值，一同进行运算，所得结果也为补码形式，而且减法也可以通过加法运算器得到，无须为了负数的加减运算在配一个减法器。

二进制补码的运算规则为：

补码运算具有以下优点：
(1)进行加法运算时，把符号位和数值位一起进行运算（若符号位有进位，则丢掉），结果为两数之和的补码形式。
(2)减法运算可以转化为加法运算，这样就不必为了负数的加减运算再配一个减法器，大大简化了硬件设计。
注意：采用补码运算之后所得到的结果也是补码形式，要得到运算结果的真值，还需要转换。当运算结果超出机器数所能表示的范围时，会出现溢出。

为了判断溢出是否发生，可采用以下两种检测方法：
(1)单符号法：
当最高有效位产生进位而符号位无进位时，产生正溢出；当最高有效位无进位而符号位有进位时，产生负溢出。
(2)双符号法（变形补码或模4补码）：
在一个数的补码表示中使用两个相同的符号位表示该数的符号。任何正数，两个符号位都是0；任何负数，两个符号为都为1.
当运算之后，结果符号位出现“01“或者”10“这两种情况时，表示发生了溢出。
其中，符号位为“01“表示正溢出；符号位为”10“表示负溢出。但是，最高位符号位永远表示结果的正确符号。
注意：计算机本身总是按照补码的运算规则做运算，而不区分参与运算的是带符号数还是无符号数。

1.1.4 十进制数的编码及运算

1、BCD码
二进制编码的十进制数，简称BCD码。最常见的是8421BCD码。如图所示：

BCD码有两种格式：
压缩BCD码（组合BCD码）：一个字节中存放2位十进制数的BCD码；
非压缩BCD码（非组合BCD码）：一个字节中仅存放一位十进制数的BCD码。

2、BCD码的加减运算
BCD码是十进制数，应遵循“逢十进一“的运算规则。但是计算机计算BCD码会当作4位二进制来计算，是以”逢十六进一“的规则进行计算，可能会出错。因此，BCD码的运算需要分情况讨论，BCD码的运算规则如下：两个BCD码相加，如果和等于或小于1001，即9，则不需要修正；如果相加之和大于9，则需加6修正。

1.1.5 ASCII字符代码

1.2 逻辑电路基础

1. 逻辑电路是实现输入信号与输出信号之间逻辑关系的电路，微型计算机就是由若干典型电路通过精心设计而组成的，因此逻辑电路是计算机的硬件基础。
2. 组合逻辑电路：由各种们电路组合而成且无反馈的逻辑电路。如译码器。时序逻辑电路：逻辑电路的输出状态不仅和当时的输入状态有关，而且还与
   电路在此前的输出状态有关，如触发器及各类寄存器等。

1.2.1 基本逻辑门电路

逻辑门电路是最基本的逻辑器件，可组成各种功能的逻辑电路，这些逻辑电路可分为组合逻辑电路与时序逻辑电路。

基本逻辑门电路的符号及表达式如图所示：

1.2.2 译码器

编码：将一个信号或事件、一段文字或数字等用数字代码来表示。
译码：将数字代码翻译成它代表的文字、数字或人名等的过程。完成译码功能的电路或装置称为译码器。

1.2.3 触发器

在计算机中使用触发器来存储数据，一个触发器存储一位二进制数。
触发器可以组成寄存器，寄存器可以组成存储器。
触发器按时钟控制方式可分为电位触发、边沿触发、主从触发等。

1.2.4 寄存器

1、寄存器在计算机中用于暂存数据、指令等。有以下几种类型：

(1)缓冲寄存器：用于暂存某个数据或地址，以便在适当的时间节拍和给定的计算步骤将数据输入或输出到其他记忆元件。根据存放的内容，分为:数据缓冲
寄存器和地址缓冲寄存器。
(2)移位寄存器：具有数据存储和移位两个功能。具有单向移位功能的移位寄存器称为单向移位寄存器；能够左移和右移的寄存器称为双向寄存器。
(3)计数器：是由若干个触发器组成的寄存器。当一个计数脉冲到达时，它会按二进制数的规律累计脉冲数，使存储在其中的数字加1。按计数器的功能，可
分为加法、减法和可逆计数器。按进位基数，可分为二进制、十进制和任意进制计数器；按计数器的进位方式，可分为同步（并行）和异步计数器（串
行）。计数器所能累计计数脉冲的最大数目称为该计数器的模。
(4)累加器：是一个由多个触发器组成的多位寄存器，用于暂存每次在ALU中计算的中间结果。

1.2.5 三态电路

三态电路的符号与输出电路功能表如图所示：

1. 当选通端E为高电平时，A的两种可能的电平（0和1）都可以顺利地通到B端去，即E=1时，B=A。当选通端E为低电平时，A端与B端是不相通的，即它们之间
   存在高阻状态。
2. 三态输出电路电路（三态门）能够使得一条信号传输线既能与一个触发器接通，也能与其断开，而与另外一个触发器接通，实现一条信号传输线可以传输
   任意多个触发器的信息。

1.3 计算机系统概述

1.3.1 计算机分类

1.3.2 计算机系统的组成

1、任何一个计算机系统都是由硬件系统和软件系统两部分组成的。

2、冯诺依曼计算机和现代计算机系统的介绍
(1)冯诺依曼计算机
①存储程序控制报告

a.计算机（硬件）由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备组成；
b.指令和数据均以二进制编码表示并采用二进制计算；
c.采用存储程序的方式，程序和数据存放在同一个存储器中；指令在存储器中按其执行顺序存放，由程序计数器指明要执行的指令地址，自动从存储器中取出 指令并执行；
d.计算机是以运算器为中心的，输入/输出设备与存储器之间的数据传输都要通过计算机。

冯诺依曼贡献在于提出了“存储程序控制”：采用存储程序的方式，程序和数据存放在同一个存储器中。

②冯诺依曼结构的计算机是以运算器为中心的。

（2）现代计算机系统
现代计算机是以存储器为中心的，采用总线结构，在系统总线上配置一定容量的存储器和一定数目的I/O接口电路，以及相应的I/O设备而构成的。

①总线：系统总线是构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路，通过系统总线可以是的各部件通过总线交换信息而不必直接连线，并且可以轻易扩展部件。

②I/O接口：
又称为适配器，外围设备通过I/O接口连接到总线上，保证外围设备采用计算机系统所要求的形式发送和接受信息。在通用可编程接口中，可以通过对接口芯片编程，使得同一接口芯片适应多种使用场所。

③存储系统：三级存储系统

为什么使用三级存储系统？

依据为程序的局部性原理，计算机主存由于成本和工艺的原因,主存的存储容量受到了限制,另一方面系统程序,应用程序及各种信息量要求主存容量越来越大就产生了容量,速度和价格的矛盾，主存-辅存层次容量大成本低、依靠软硬件结合完成，cache-主存层次速度快成本低且纯硬件完成，采用cache-主存-辅存可以解决容量,速度和价格的矛盾。

1.3.3 计算机系统的主要性能指标

1、字长

位 ：计算机内部数据存储的最小单位，bit；
字节：最基本的存储单元，计算机数据处理的基本单位，Byte，1Byte=8bit；
字 ：计算机进行数据处理时，一次存取、加工和传送的数据长度。计算机的字长越大，其性能越优秀。

2、内存容量

内存储器（内存）是存储程序和数据的地方，内存容量就是以字节为单位来计算的。其中1KB=1024B,1MB=1024KB。内存容量越大，可同时运行的软件就越多且速度越快。

3、运算速度

运算速度：处理器执行指令的速度。
最短指令法：以执行时间最短的指令或某条特定指令为标准来计算度，如传送指令、加法指令等。
平均速度 ：根据不同类型指令在计算过程中出现的频率，乘以不同的系数，求得统计平均值。

4、时钟频率

主频：指微处理器在单位时间（秒）内发出的时钟脉冲数。

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written by SCUTer
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