微机基础

微机概述

微机的发展概况

微机发展

• 1946年美国宾夕法尼亚大学为了弹道设计的需要设计了世界上第一台数字电子计算机ENIAC。
• 1971年，Intel研究制造了I4004微处理器芯片。该芯片能同时处理4位二进制数，集成了2300个晶体管，每秒可进行6万次运算，成本约为200美元。它是世界上第一个微处理器芯片，以它为核心组成的MCS-4计算机，标志了世界第一台微型计算机的诞生。

微机相关几个的概念

• 什么是微机br> 微机是以大规模、超大规模构成的微处理器作为核心，配以存储器、输入/输出接口电路及系统总路线所制造出的计算机。
• 划分阶段的标志： 字长 和 微处理器型
• 微机发展的特点
  • 速度 越来越快
  • 容量 越来越大
  • 功能 越来越强
• 在微机的发展过程中，最为成功也最有影响力的是IBM PC系列微机
• 微机的体系结构：
  冯.诺依曼建立的存储程序概念——冯.诺依曼结构
  • 冯·诺依曼结构也称普林斯顿结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置，因此程序指令和数据的宽度相同，如英特尔公司的8086中央处理器的程序指令和数据都是16位宽。

微机的分层存储系统

存储器可分为5层：

• 0层通常是CPU内部寄存器,离CPU最近,存取速度快,但数量有限.
• 1层存储器是高速缓冲存储器Cache
• 2层是主存储器,通常由动态RAM(DRAM)组成
• 3层是大容量的虚拟存储器(磁盘存储器)
• 4层是外存储器(光存储介质等)

软件系统的发展

常见操作系统：

• DOS
• Windows
• Linux
• UNIX/Xenix
• OS/2
• Netware

单片机

单片机是把CPU、一定容量的存储器和必要的I/O接口电路集成在一个芯片上构成的具有计算机的完整功能的一种微机。

微机的应用

1.工业控制
2.事物处理
3.计算机辅助设计和辅助制造(CAD/CAM)
4.教学培训
5.家庭娱乐和家政事务管理
6.科学和工程计算
7.人工智能

计算机中数的表示和编码

计算机中的进位计数制

进位计数制的表示法

十进制表示法

十进制数是用0，1，2，…，8，9十个不同的符 来表示数值，它采用的是“逢十进一，借一当十”的原则。

二进制表示法

基数为10的记数制叫十进制；基数为2的记数制叫做二进制。
二进制数的计算规则是“逢二进一，借一当二”。

八进制表示法

八进制数是基数为八的计数制。八进制数主要采用0，1，2，…，7这八个阿拉伯数字。
八进制数的运算规则为“逢八进一，借一当八”。
八进制表示数值方法如下：
例：

$$(467.6)_0=4 times 8^2+6 times 8^1+7 times 8^0+6 times 8^{-1}$$

十六进制表示法

基数为16，用0 – 9 、A – F 十五个字符来数值，逢十六进一。
各位的权值为 16^I
十六进制表示数值方法如下：
例：

$$(56D.3)_H=5 times 16^2+6 times 16^1+13 times 16^0+3 times 16^{-1}$$

进位计数制之间的转换

二 → 十

二进制数从低位到高位(即从右往左)计算，第0位的权值是2的0次方，第1位的权值是2的1次方，第2位的权值是2的2次方，依次递增下去，把最后的结果相加的值就是十进制的值。

八 → 十

八进制数从低位到高位(即从右往左)计算，第0位的权值是8的0次方，第1位的权值是8的1次方，第2位的权值是8的2次方，依次递增下去，把最后的结果相加的值就是十进制的值。

十六 → 十

十六进制数从低位到高位(即从右往左)计算，第0位的权值是16的0次方，第1位的权值是16的1次方，第2位的权值是16的2次方，依次递增下去，把最后的结果相加的值就是十进制的值。

十 → 二

除2取余法，即每次将整数部分除以2，余数为该位权上的数，而商继续除以2，余数又为上一个位权上的数，这个步骤一直持续下去，直到商为0为止，最后读数时候，从最后一个余数读起，一直到最前面的一个余数。

十 → 八

• 方法1
  除8取余法，即每次将整数部分除以8，余数为该位权上的数，而商继续除以8，余数又为上一个位权上的数，这个步骤一直持续下去，直到商为0为止，最后读数时候，从最后一个余数起，一直到最前面的一个余数。
• 方法2
  使用间接法，先将十进制转换成二进制，然后将二进制又转换成八进制。

十 → 十六

• 方法1
  除16取余法，即每次将整数部分除以16，余数为该位权上的数，而商继续除以16，余数又为上一个位权上的数，这个步骤一直持续下去，直到商为0为止，最后读数时候，从最后一个余数起，一直到最前面的一个余数。
• 方法2
  使用间接法，先将十进制转换成二进制，然后将二进制又转换成十六进制。

二 → 八

取三合一法，即从二进制的小数点为分界点，向左(向右)每三位取成一位，接着将这三位二进制按权相加，然后，按顺序进行排列，小数点的位置不变，得到的数字就是我们所求的八进制数。如果向左(向右)取三位后，取到最高(最低)位时候，如果无法凑足三位，可以在小数点最左边(最右边)，即整数的最高位(最低位)添0，凑足三位。

八 → 二

取一分三法，即将一位八进制数分解成三位二进制数，用三位二进制按权相加去凑这位八进制数，小数点位置照旧。

二 → 十六

取四合一法，即从二进制的小数点为分界点，向左(向右)每四位取成一位，接着将这四位二进制按权相加，然后，按顺序进行排列，小数点的位置不变，得到的数字就是我们所求的十六进制数。如果向左(向右)取四位后，取到最高(最低)位时候，如果无法凑足四位，可以在小数点最左边(最右边)，即整数的最高位(最低位)添0，凑足四位。

十六 → 二

取一分四法，即将一位十六进制数分解成四位二进制数，用四位二进制按权相加去凑这位十六进制数，小数点位置照旧。

十六 八

利用二进制实现转换

计算机中常用的编码

BCD码

BCD码(Binary-Coded Decimal?)，用4位二进制数来表示1位十进制数中的0~9这10个数码，是一种二进制的数字编码形式，用二进制编码的十进制代码。BCD码这种编码形式利用了四个位元来储存一个十进制的数码，使二进制和十进制之间的转换得以快捷的进行。

带符 数的表示

数的表示

数的常用表示法：原码、反码、补码

机器数和真值

• 机器数
  一个数在计算机中的二进制表示形式, 叫做这个数的机器数。机器数是带符 的，在计算机用一个数的最高位存放符 , 正数为0, 负数为1。
  比如，十进制中的数 +3 ，计算机字长为8位，转换成二进制就是00000011。如果是 -3 ，就是 10000011 。那么，这里的 00000011 和 10000011 就是机器数。
• 真值
  因为第一位是符 位，所以机器数的形式值就不等于真正的数值。例如上面的有符 数 10000011，其最高位1代表负，其真正数值是 -3 而不是形式值131(10000011转换成十进制等于131)。所以，为区别起见，将带符 位的机器数对应的真正数值称为机器数的真值。
  例：0000 0001的真值 = +000 0001 = +1，1000 0001的真值 = –000 0001 = –1

原码

原码就是符 位加上真值的绝对值, 即用第一位表示符 , 其余位表示值. 比如如果是8位二进制:

第一位是符 位. 因为第一位是符 位, 所以8位二进制数的取值范围就是:

即：

反码

反码的表示方法是:

• 正数的反码是其本身
• 负数的反码是在其原码的基础上, 符 位不变，其余各个位取反.

补码

补码的表示方法是:

• 正数的补码就是其本身
• 负数的补码是在其原码的基础上, 符 位不变, 其余各位取反,
  最后+1. (即在反码的基础上+1)

为什么使用原码反码补码

已知：计算机可以有三种编码方式表示一个数. 对于正数因为三种编码方式的结果都相同:

对于复数：

可见原码, 反码和补码完全不同。
对于计算机, 加减乘除是最基础的运算, 要设计的尽量简单。于是人将符 位也参与运算。 根据运算法则减去一个正数等于加上一个负数, 即: 1-1 = 1 + (-1) = 0 , 所以机器可以只有加法而没有减法, 这样计算机运算的设计就更简单了。
计算十进制的表达式: 1-1=0
首先看原码：

如果用原码表示, 让符 位也参与计算, 显然对于减法来说, 结果是不正确的.这也就是为何计算机内部不使用原码表示一个数.
为了解决原码做减法的问题, 出现了反码:

发现用反码计算减法, 结果的真值部分是正确的. 而唯一的问题其实就出现在”0″这个特殊的数值上. 虽然人们理解上+0和-0是一样的, 但是0带符 是没有任何意义的. 而且会有[0000 0000]原和[1000 0000]原两个编码表示0.
于是使用补码, 解决了0的符 以及两个编码的问题:

这样0用[0000 0000]表示, 而以前出现问题的-0则不存在了.而且可以用[1000 0000]表示-128:

(-1-127)的结果应该是-128, 在用补码运算的结果中, [1000 0000]补 就是-128. 但是注意因为实际上是使用以前的-0的补码来表示-128, 所以-128并没有原码和反码表示.(对-128的补码表示[1000 0000]补算出来的原码是[0000 0000]原, 这是不正确的)
使用补码, 不仅仅修复了0的符 以及存在两个编码的问题, 而且还能够多表示一个最低数. 这就是为什么8位二进制, 使用原码或反码表示的范围为[-127, +127], 而使用补码表示的范围为[-128, 127].
因为机器使用补码, 所以对于编程中常用到的32位int类型, 可以表示范围是: [-231, 231-1] 因为第一位表示的是符 位.而使用补码表示时又可以多保存一个最小值.

微机的一般概念

计算机的基本组成和工作原理

计算机的基本组成：运算器、控制器、存储器、以及输入和输出设备

微处理器(CP