第一章、微型计算机基础
第一讲：微型计算机的基本组成及各个部分的功能与作用（理解）
数字计算机，它是一种能够存储程序，能自动连续地对各种数字化信息进行算术逻辑运算的快速工具。在这一定义中包含两个重要的基本概念：信息数字化，存储程序工作方式。它们是了解计算机组成及工作机制的基本出发点。
计算机分类：数字型，模拟型，数模混合
一、基本概念
1、存储程序工作方式与冯诺依曼机
1945年，冯诺依曼在领导设计EDBAC计算机的过程中，提出了现代数字计算机的若干设计思想，后被人们称之为冯诺依曼体系
冯诺依曼体制系的核心概念----存储程序工作方式。仍是目前采用的原则。其要点是：
（1）采用二进制代码表示数据和指令
计算机是处理信息的工具，所处理的信息称为数据
计算机的具体的工作表现为执行程序，而程序的最终可执行形态是指令序列，即若干用数字代码表示的机器指令
数据和指令都采用二进制代码表示，则它们在外形上并无区别都是由0和1组成的代码序列，只是各自约定的含义不同而已
（2）采用存储程序工作方式
A、事先编制程序
B、将程序存储于计算机的存储器中
C、计算机在运行时自动地连续地从存储器中依次取出指令加以执行
（3）硬件系统由五大部分组成
计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大部件构成（填空或选择）
2、计算机系统的软硬件组成与层次结构
（1）硬件系统
计算机的硬件是指系统中可触摸到的物理设备实体
（2）软件系统
计算机软件通常是泛指各类程序和文件。由于它们在计算机中的表示是一些不能直接触摸到的二进制信息，所以被称为软件
（3）软件分类
系统软件：操作系统、语言处理程序等
应用软件：通用软件、用户程序等
二、计算机发展简史
（1）硬件
第一台计算机是1946年问世的，距今不到55年，尽管这台被命名为ENIAC（Electronic Numerical Intgerator And Calculator）的计算机现在看起来是那样“笨拙”和“低级”，可在当时却轰动了世界，它的意义在于宣告人类开始了一个新时代--------信息革命时代
50多年来，电子计算机的发展是那样的目不暇接、那样的绚丽多彩，所以计算机发展的划分就显得的困和多样化。早先，学术界常常以器件内部作为划分的标准
第一代：电子管计算机。时间1946-1957年
第二代：晶体管计算机。时间1958-1964年
第三代：中小规模集成电路（IC）计算机，时间1965-1970年
第四代：大规模集成电路（LSI）和超大规模（VLSI）计算机，时间1970-
（2）软件
计算机硬件发展的同时，软件始终伴随其步伐迅猛发展。就以计算机的语言而言，也划分了若干时代：
第一代：机器语言。每条指令用二进制编码
第二代：汇编语言。用符号编程，和具体机器指令和硬件有关
第三代：高级语言
第四代：它实际上是在高级语言的基础上集成的模块化语言，它有更强编程功能
三、计算机分类及微型计算机的特点
按计算机规模分，传统上分巨型机，大型机，中型机，小型机，微型机，单片机等。这种划分综合了计算机的运算速度，字长，存储容量，输出输入能力，价格等指标。
但由于计算机性能的日新月异地变化，划分的标准也就逐渐失去了意义
微型计算机的特点，与大、中、小型计算机的区别，就在于其中中央处理器（CPU）是集中在一块硅片上的，而大、中、小型计算机的CPU则是由相当多的电路（集成电路）组成的
第二讲：微型机的基本工作过程（理解）
第三讲：计算机中的编码、数制及其转换（掌握）
(1)二进制
二进制数的表示
二进制数仅有两个计数符号；0,1
二进制数的算术运算
加法规则：“逢2进1”
减法规则：“借1出2”
乘法规则：“逢0出0，全1出1”
十六进制数的加、减运算
加法运算：“逢16进1”
减法运算：“借1当16”
4、为什么要用十六进制
简化书写，便于记忆
5、数制的转换
（1）任意进制与十进制之间的相互转换方法
任意进制转换成十进制
方法是：按权展开后相加即可（举例）
二进制：10.1B 权值：1 0 -1 基数：2
1*2^1+0*2^0+1*2^-1=2.5
（2）十进制整数转换为任意进制整数
方法是：首先用基数除十进制数可得商及余数，此余数为任意进制代码的最低位。再用基数除该商数，又可得商数和余数，则此余数为次低位的任意进制代码。用同样的方法继续用基数除下去，直到商为零为止。（举例）
十进制：3
3/2 1
1/2 1
0
3的二进制是11B
（3）十进制小数转换为任意进制小数
方法是：不断用基数去乘要转换的十进制小数，将每次所得到的整数依次记为X1,X2，若乘积的小数部分最后能为0，那么最后一次乘积的整数部分记为Xm，则书写为0，X1，X2------Xm
0.25*2 0
0.50*2 1
注意；一个十进制小数不一定能完全准确地转换成一个二进制小数。可根据精度要求取有限位表示。
十进制整数到任意进制整数的转换
1、 十进制整数转换成其它进制整数
除R取余 R为基数
书写方式： 从下往上从左往右
2、 十进制小数转换成其它进制小数
乘R取整 R为基数
书写方式； 从上往下从左往右
例：将13.75转换为二进制数
分别将整数部分和小数部分进行转换；整数部分：13=1101B
小数部分：0.75=0.11B 因此，13.75=1101.11B
（4）二进制数与十六进制数之间的转换
因为2^4=16，即可用四位二进制数表示一位十六进制数，所以可得到如下所述的二进制数与十六进制数之间的转换方法
将二进制数转换为十六进制数的方法：以小数点为界，向左（整数部分）每四位一组，高位不足4位时补0；向右（小数部分）每四位为一组低位不足4位时补0.然后分别用一个16进制数表示每一组中的4位二进制数。
将十六进制数转换为二进制数的方法：直接将每一位十六进制数写成其对应的四位二进制数
例：1101110.01011B=0110，1110，1000B=6E.58.H
2F.1BH=10 1111.0001 1011B
（5）二进制数与八进制数之间的相互转换
方法是：一位八进制数相当于三位二进制数
第四讲：无符号二进制数的算术运算和逻辑运算
（一） 无符号数的概念
逻辑代数初步
在计算机中存在着大量这样得逻辑电路，逻辑关系非常复杂。逻辑代数是研究复杂的逻辑关系的有力工具，人们也往往称之为布尔代数或开关代数
逻辑代数和一般代数不同，一般代数变量的值是连续的，而逻辑代数中变量的值只有两个：1和0.尽管在逻辑代数中某些运算规则和普通代数相同，但逻辑代数中的0和1的意义绝不是代数中的数值0和1，它只代表某种物理量的状态，因此，逻辑代数运算含义和普通代数完全不同。
布尔代数也和普通代数一样，可以写成下面表达式：Y=f（A、B、C。。。。。）
但它有两个特点：
A、B、C、D只有两种可能，即0或1
注意；布尔代数的变量只代表事物的两个不同的状态或性质。如“开”或“关”
函数f只有三种基本运算，即“与”，“或”，“非”
注意：逻辑运算都是独立的按位进行，而和其它位的运算结果无关
1、“或”运算
逻辑表达式为：
Y=A+B
上式或运算的意义是；逻辑变量A或B中，只要有一个1，则逻辑变量Y的值为1
或运算的基本规则是：
0+0=0 A+0=A
0+1=1 A+1=1
1+0=1 A+A=A
1+1=1
2、“与”运算
逻辑表达式为：
Y=A*B
上式与运算的意义是：逻辑变量A或B中，只有都为1，则逻辑变量Y的值为1.否则为0
与运算的基本规则是：
0·0=0 A·0=0
0·1=1 A·1=A
1·0=0 A·A=A
1·1=1
3、“非”（反）运算
逻辑表达式为：
Y=A-
非运算的基本规则是；
0-=1 A+A-=1
1-=0 A·A-=0
A--=A
和普通代数一样，逻辑代数也有类似的运算法则，如逻辑代数同样适用于交换律，结合律和分配律三种运算法则
4、摩根定理
除了以上定律外，逻辑代数中还有自己的一些特殊定律。例如：摩根定律。在电路设计中，人们手边有时没有“与”门，而只有“或”和“非”门。或者只有“与”门和“非”门，没有“或”门，利用摩根定律可以帮助你解决元件互换问题
A+B=A·B
A·B=A+B
四、逻辑电路
最基本的逻辑电路有三种：与门电路，或门电路和非门电路
非门 1 o
或门 >=1
与门 &
真值表：当人们遇到一个问题时，常常把各种因素全部考虑进去，然后研究结果，真值表也就是这种考虑问题的方法的一种表格形式。
与门电路真值表
| A |
B |
Y |
| 0 |
0 |
0 |
| 0 |
1 |
0 |
| 0 |
0 |
0 |
| 1 |
1 |
1 |
或门电路真值表
| A |
B |
Y |
| 0 |
0 |
0 |
| 0 |
1 |
1 |
| 1 |
0 |
1 |
| 1 |
1 |
1 |
非门电路真值表
| A |
Y |
| 0 |
1 |
| 1 |
0 |
第五讲：运算中的溢出
溢出概念及检测方法
在计算机中，若采用定点小数，数的表示范围为|X|<1，如果出现运算结果超出数的表示范围的现象，就称为溢出。
两个正数相加，结果为负（即：大于机器所能表示的最大正数），称为上溢
两个负数相加，结果为正（即：小于机器所能表示的最小负数），称为下溢
运算出现溢出，结果就是错误的
例：x=+0.1011，y=+0.1001，求x+y。
解：
[x]补=0.1011，[y]补=0.1001
[x]补 0.1011
+ [y]补 0.1001
[x+y]补 1.0100
两数相加，结果为负，显然是错误。
--运算中出现了“上溢”
检测方法；
1、 双符号位法（变形补码法）
用两个相同的符号位表示一个数的符号，左边第一位为第一符号位，是结果的真正符号位，相邻的位第二符号位。定义双符号位的含义为：00表示正号，11表示负号，01表示产生正向溢出，10表示负向溢出。
已知；x=0.1011,y=0.0111,求x+y=？
解：
[x]补=00.1011,[y]补=00.0111
[x]补=00.1011
+[y]补=00.0111
[x+y]补=01.0010
2、 单符号位操作检测方法
当操作数中的加数与被加数符号相同时，若运算结果的符号与操作数的符号不一致，表示溢出；否则，表示没有溢出。而当加数和被加数符号不同时，相加预算的结果是绝对不会溢出的
第六讲：机器数的表示及运算
一、数据与字符的机内表示
数值数据的表示
真值与机器数
真值：正、负符号加二进制绝对值
例：-0010011B、+1011001B
机器数：在机器中使用的连同数符一起数码化的数
例：10010011B、01011001B
数学计算中，数有不同的类型（如整数，小数，实数，复数），数也有不同的取值范围，有不同的数值精度要求。那么，在计算机中要表示一个机器数，也应考虑一些的因素，现在我们提炼出三个主要因素：
1.机器数的范围
字长为8位，无符号整数的最大值是（111111111）B=（255）D
此时机器数的范围是0-255
字长为16位，无符号整数的最大值是(111111111111111)B=(FFFF)H=(65535)D 此时机器数的范围是0-65535
2.机器数的符号
在算术运算中，数据是有正有负的，将这类数据称为带符号数
为了在计算机中正确地表示带符号数，通常规定每个字长的最高位为符号位，并用0表示正数，用1表示负数
3.机器数中小数点的位置
在机器中，小数点的位置通常有两种约定：
一种规定小数点的位置固定不变，这时的机器数被称为定点数
另一种规定小数的位置可以浮动，这时的机器数被称为浮点数
（1）定点小数
定点小数是纯小数，是将小数点固定在符号位d0之后，数值最高位d1之前，这就是定点小数形式。其格式如下所示
| d0 |
d1 |
d2 |
…… |
dn |
·隐含小数点的位置
（2）定点整数
定点整数是纯整数，是将小数点固定在数的最低位之后，这就是定点整数形式。其格式如下：
| d0 |
d1 |
d2 |
…… |
dn |
·隐含小数点位置
例：
X=+1010110à纯整数：X=01010110
正数，符号位取0
Y=-1101001à纯整数；Y=11101001（原码）
负数，符号位取1
X=+0.11011à纯小数；X=0.11011
符号位取0
Y=-0.10101à纯小数：Y=1.10101
符号位取1
非常大和非常小数
如何用定点数来表示非常大（e.g.太阳的质量2*10^+33克）的数和非常小（e.g.电子的质量9*10^-28克）的数？
用科学计数法计数时，我们会引入比例因子10^34和10^-27，使其数值部分绝对值小于1，即:
2*10^+33=0.2*10^34
9*10^-28=0.9*10^-27
浮点表示法
浮点表示法与数学中的科学计数法相似，是指计算机中的小数点位置不是固定的，或者说是“浮动”的。对于任何一个二进制数N都可表示为：
N=2^+-E*（+-M）
式中，M称为N的尾数，是一个纯小数，E是数N的阶码，是一个整数
例：1110001B=2^+7*0.1110001
0.001110001B=2^-2*0.1110001
计算机中机器浮点数由以下部分组成：
| Es |
E1……En |
Ms |
D1……Dn |
| 阶符 |
阶码值 |
数符 |
尾数值 |
1110001B=2^+7*0.1110001
现忽略机器字长，且设阶码为3位
则有机器浮点数：011101110001
浮点数的规格化
例：156.78 =15.678*10^1
=1.5678*10^2
=0.15678*10^3=R^E*M
多种数据形式，那么，计算机中究竟采用哪种数据形式？
对于二进制数
1011.1101 =0.10111101*2^+4
=10.111101*2^+2
二进制数=1.0111101*2^3（规格化表示法）=1.0111101*2^+11（规格化表示法）
=R^E*M
二、数的机器码表示------有符号数的表示方法
数有正、负之分，在计算机中，采用数的符号和数值一起编码的方法来表示数据
常用的表示方法：原码表示法，反码表示法，补码表示法和移码表示法
（1）原码
正数的符号位为0，负数的符号位为1，其它位按照一般的方法来表示数的绝对值。用这样的表示方法得到的就是数的原码
例：当机器字长为8位二进制数时；
X=+1011011 [X]原码=01011011
Y=-1011011 [y]原码=11011011
注意：0使用原码有两种表达形式
[+0]原=00000000
[-0]原=10000000
[+0]反=00000000
[-0]反=11111111
[+0]补=00000000
[-0]补=100000000 1以溢出等于00000000
（2）反码
对于一个带符号数来说，正数的反码与其原码相同，负数的反码与其原码除符号以外的各位按位取反
例:当机器字长位8位二进制数时：
X=+1011011 [X]原码=01011011
[X]反码=01011011
Y=-1011011 [Y]原码=11011011
[Y]反码=10100100
（3）补码
正数的补码与其原码是相同的，负数的补码为其反码最低位加1
例：(1)X=+1011011 (2)Y=-1011011
X原=01011011 Y原=11011011
X反=01011011 Y反=10100100
X补=01011011 Y补=10100101
（4）移码
移码也叫增码，它常以整形式用在计算机浮点数的阶码（表示指数）中。若纯整数X为n位（包括符号位），则共移码定义为：
[X]移=2^n-1+[X]补 2^n-1<=X<=2^n-1-1
求移码的方法：
根据定义
将该数补码的符号位求反即得该数的移码
即：移码与补码的形式相同，只是符号位相反
（5）BCD码
BCD（Binary Coded Decimal）码又称为“二一十进制编码”，专门解决用二进制数表示十进制数的问题。最常用的是8421编码，其方法是用4位二进制数表示1位十进制数，自左至右每一位对应的位权是8、4、2、1，如果按位权求和，和数或等于该数码所对应的十进制数。
例：二进制数10001001B
采用BCD码表示为十进制数89D
（6）非数值数据在机内的表示
字符的编码
在计算机中除了数值之外，还有一类非常重要的数据，那就是字符，如英文的大小写字母（A,B,C……,a,b,c…），数字字符（0,1,2……9）以及其它常用符号（如：?、=、%、+等）。在计算机中，这些符号都是用二进制编码的形式表示，即每一个字符被赋予一个惟一固定的二进制编码，为了统一，人们制定了编码标准。目前，一般都是采用美国标准信息交换码，他使用七位二进制编码来表示一个符号，通常把它称为ASCLL码，由于用七位码来表示一个符号，故该编码方案中共有128个符号（2^7=128），编码从（0000000）2到（1111111）2
（7）汉字的编码
计算机要处理汉字信息，就必须首先解决汉字的表示问题，同英文字符一样，汉字的表示也只能采用二进制编码形式，目前使用比较普遍的是我国指定的汉字编码标准GB2312-80,该标准共博包含一、二级汉字6763个，其他符号682个，每个符号都是用14位（两个7位）二进制数进行编码，通常叫做国际标码。如“啊”的国标码为1110000，1100001.新的国标汉字库已包括两万多个汉字和字符
三、定点加法、减法运算
（1）补码加法运算
补码运算的优点；可将减法运算转化为加法运算，从而简化机器内部硬件电路的结构
补码运算的特点；符号位和数值位一起参加运算，只要结果不发生溢出，得到的就是本次运算结果
补码的加法运算规则：
公式：[x]补+[y]补=[x+y]补
即：任意两个数的补码之和等于该两个数之和的补码
例：x=0.1001,y=0.0101,求x+y
[x]补=0.1001，[y]补=0.0101
[x]补 0.1001
+ [y]补 0.0101
[x+y]补 0.1110
所以 x+y=+0.1110
（2）补码的减法运算
公式：[x]补-[y]补=[x-y]补=[x+（-y）]补=[x]+[-y]补
即；两数相减可化为被减数的补码与减数补码取补的加法运算
例：已知机器字长8位，x=44D，y=53D，求x-y=？
解：x=00101100，y=00110101
[x]补=00101100 [-y]补=11001011
[x]补=00101100
+ [-y]补=11001011
[x-y]补=11110111
补码=反码+1
[x-y]反码=11110110
[x-y]原-0001001
（x-y）2=-0001001，x-y=-9
第七讲：基本的逻辑门及常用逻辑部件
逻辑电路
最基本的逻辑电路有三种：与门电路、或门电路和非门电路
非门（反相器） Y=A-
或门 Y=A+B
与门 Y=AB
真值表：。。。。。
在三个基本门 电路的基础上还可以发展成其他电路。其中缓冲器的作用是改变输出电阻，以提高带负载能力
异或门（异门）
异或非（同门）
缓冲器（变阻器）
真值表：。。。。。。
1、 半加器电路：由以上逻辑关系式可得到一个一位半加器
2、 全加器；由以上逻辑关系式可得到一个一位全加器
3、 半加器及全加器
进A0 B0 进A1 B1
出C1 HA 出CI+1 FA 进C1
出S0 出S1
半加器不需要考虑进位 全加器需要考虑进位