《微機原理與介面技術》第一章學習報告

一、本章重點

★ 微處理器、微型計算機和微型計算機系統的區別；

★ CPU的主要功能和組成部件；

★ 微型計算機的性能指標；

★ 二進制補碼運算，

二、引入部分

學習這一章內容，首先我們還是需要知道幾個重要的概念：

① CPU，微處理器，它是計算機的核心，其包括運算器、控制器、暫存器組；

② 存盤器，用于存放計算機作業程序中需要操作的資料和程式；

③ 記憶體單元的地址和內容，記憶體按單元組織，每單元都對應一個地址，以方便對單元的尋址，

④ 記憶體容量：所含存盤單元的個數，以位元組為單位，記憶體容量的大小依CPU的尋址能力而定，實地址模式下為CPU地址信號線的位數，

⑤ 記憶體操作，讀：將記憶體單元的內容取入CPU，原單元內容不改變；寫：CPU將資訊放入記憶體單元，單元中原來的內容被覆寫，

三、知識點

1、微處理器、微型計算機和微型計算機系統的關系如圖一所示，

圖一 微機系統的組成

2、微處理器CPU

（1）內部結構由算術邏輯部件、累加器和通用暫存器組、控制器組成，其中控制器又包含：指令暫存器：存盤指令；譯碼器：對指令進行譯碼、分析，并產生控制信號；時序和控制電路：提供整個系統所需要的定時和控制；中斷機構：處理例外、回應其他部件發來的中斷請求，

圖二 微型計算機的基本結構以及CPU在此的作用

其中，CPU總線是CPU和其他部件之間進行資訊傳輸的通道，

（2）CPU總線分類

• 資料總線DB(data bus)：用來傳輸資料，是雙向的，資料總線的位數（寬度）是微型計算機的一個重要指標，和微處理器的位數相對應，
• 地址總線AB(address bus)：用來傳送地址資訊，是單向的，地址總線的位數決定了CPU可直接尋址的記憶體范圍，8086CPU有16根資料線和20根地址線，所以可尋址的地址空間最大為220B＝1MB，
• 控制總線CB(control bus)：傳輸控制信號，CPU送往存盤器和輸入輸出介面電路的控制信號，（讀、寫、中斷回應信號等）；其它部件送往CPU的信號，（時鐘信號、中斷請求信號等），

（3）CPU基本功能

① 可進行算數和邏輯運算；

② 可保存較少量資料；

③ 能對指令進行譯碼并執行規定的動作；

④ 能與存盤器、外設交換資料；

⑤ 提供整個系統所需要的定時和控制；

⑥ 可以回應其他部件發來的中斷請求，

3、微型計算機的性能指標

• 總線型別與總線速度；
• 主板與芯片型別；
• 外設的配置；
• 系統軟體的配置；
• 可靠性、可用性和可維護性，

4、數制與編碼

眾所周知，計算機能識別的都是二進制數，因此下面進制的學習主要是二進制，若涉及到其他進制的，則是進制的轉換了，無需深入，

（1）進制之間的轉化

這部分學習數電的時候已經知道了，就不進行展開，如果還不清楚，可以參考微機原理的書或者數電的書，

（2）二進制數的運算方法

二進制的算數運算有加，減，乘，除，前三者我們都應該很熟悉，除法運算就拿上課舉的第一個例子做思考，如圖三所示，

圖三 二進制數除法運算

（3）二進制數的邏輯運算

其實很簡單，“0”則為“否”，“1”則為“是”，與運算中有0則運算結果就是0，都是1運算結果才是1；或運算中有1則運算結果就是1，都是0運算結果才是0；非運算中，1變0，0變1；異或運算中，相異出1，相同出0，

（4）無符號數和有符號數

所謂無符號數，通常表示一個數的絕對值，即數的各位都用來表示數值的大小；有符號數就是要看最高位，如果最高位是1，就是負數，最高位是0，就是正數，例如+18就是二進制數00010010，-18就是二進制數10010010.

（5）原碼，反碼，補碼

①原碼，在（4）中，以最高位為0表示正數，1表示負數，后面各位為其數值，這種數的表示方法為原碼表示法，例如，令X=00010010B，Y=10010010B，則[X]原=00010010B，[Y]原=10010010B，

補充：0有+0和-0之分，+0就是00000000B，-0就是10000000B，

②反碼，正數的反碼和其原碼相同，例如在①中，[X]反=[X]原=00010010B；而對于負數，則將其原碼除符號位以外各位按位取反，例如在①中[Y]反=11101101B，

③補碼，正數的補碼和其原碼相同，例如在①中，[X]補=[X]原=00010010B，最高位是符號位，其余為數值位；負數的補碼就是其反碼加1，也就是它的原碼初符號位外其余數值各取反再加1，例如在①中[Y]補=11101110B，

（6）補碼的運算

兩個用補碼表示的有符號數進行加、減運算時，其特點是把符號位上表示正、負的“0”和“1”也看成數，與數值部分一同進行運算，所得的結果也為補碼形式，

結果的符號位為“0”，表示正數；結果的符號位為“1”，表示負數，例如：

① 兩個有符號數X和Y進行相加時，先將兩個數分別轉換為補碼的形式，然后進行補碼加運算，所得的結果為和的補碼形式，即：[X+Y]補=[X]補+[Y]補，

如圖四所示即為補碼的加法運算，

圖四 補碼的相加

② 兩個有符號數相減，可通過下面的公式進行：

[X-Y]補=[X]補+[-Y]補，如果已知[Y]補，那么對[Y]補的每位（包括符號位）都按位求反，然后末位加1，結果即為[-Y]補???????，一般，稱[?Y]補為對[Y]補的“變補”，即[[Y]補]=[-Y]補，已知[Y]補求???????的[?Y]補程序稱為變補，

這樣，求兩個帶符號的二進制數之差，可以用“減數（補碼）變補與被減數（補碼）相加”來實作，這是補碼表示法的主要優點之一，我們在這里也舉一個上課PPT的例子，如圖五所示，求解96-19的程序，

圖五 二進制補碼的減法運算

（7）溢位

在學習這個概念之前，先舉個“13+7=？”例子，如圖六所示，

圖六 溢位的典例

我們發現在這個例子當中，13+7=-12，這顯然是不可能的，產生錯誤的原因是由于兩個數相加后的數值超出了加法裝置所允許位數（數值部分4位），因而從數值的最高位向符號位產生了進位，或者說這種現象是由于“溢位”而造成的，

那我們如何判斷是否產生溢位呢？這里介紹雙高位法幫助我們來判斷，雙高位法就是如果符號位和數值部分的最高位產生進位情況的異或結果是1，則產生溢位，是0則沒有產生溢位現象，我們舉兩個例子如圖七和圖八所示，

圖七 產生溢位情況

圖八 不產生溢位情況

在圖七中，數值部分的最高位（兩個1）相加產生了進位，而符號位（最前面的00）沒有產生進位，所以它們異或的結果是1，即產生了溢位，

在圖八中，數值部分最高位由于前面進位了一個1，所以相加產生了進位，進到符號位再相加，符號位也產生了進位，因此它們異或的結果是0，沒有產生溢位，

四、參考文獻

[1] 程啟明等.微機原理及應用[M].北京：中國電力出版社，2016.

[2].清華大學微機原理與介面技術課件.

[3].江蘇大學微機原理與介面技術課件.