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机械工程导论PPT模板

这是一个关于机械工程导论PPT模板,主要介绍计算机基础知识、微型计算机的基本组成电路、微型计算机的基本工作原理。在微型计算机中这些数制都是经常用到的,但在本书后面的内容中,二进制和十六进制更为常用,希望初学者注意。 1.1.2 为什么要用二进制 电路通常只有两种稳态:导通与阻塞、饱和与截止、高电位与低电位等。具有两个稳态的电路称为二值电路。因此,用二值电路来计数时,只能代表两个数码:0和1。如以1代表高电位,则0代表低电位,所以,采用二进制,可以利用电路进行计数工作。而用电路来组成计算机,则有运算迅速、电路简便、成本低廉等优点。 1.1.3 为什么要用十六进制 用十六进制既可简化书写,又便于记忆。如下列一些等值的数:1000(2)=8(16)(即8(10)) 1111(2)=F(16)(即15(10)) 11 0000(2)=30(16)(即48(10)) 1.1.4 数制的转换方法由于我们习惯用十进制记数,在研究问题或讨论解题的过程时,总是用十进制来考虑和书写的。当考虑成熟后,要把问题变成计算机能够“看得懂”的形式时,就得把问题中的所有十进制数转换成二进制代码。这就需要用到“十进制数转换成二进制数的方法”。在计算机运算完毕得到二进制数的结果时,又需要用到“二进制数转换为十进制数的方法”,才能把运算结果用十进制形式显示出来,欢迎点击下载机械工程导论PPT模板哦。

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微型计算机原理及应用 (第三版) 总 目 录第1章 计算机基础知识第2章 微型计算机的基本组成电路第3章 微型计算机的基本工作原理第4章 16位微处理器第5章 86系列微型计算机的指令系统第6章 微型计算机的程序设计第7章 微型计算机汇编语言及汇编程序第8章 输入/输出接口第9章 中断控制器、计数/定时控制器及DMA控制器第10章 A/D及D/A转换器 第1章 计算机基础知识 1.1 数制 1.2 逻辑电路 1.3 布尔代数 1.4 二进制数的运算及其加法电路习题 1.1 数制 数制是人们利用符号来记数的科学方法。数制可以有很多种,但在计算机的设计与使用上常使用的则为十进制、二进制、八进制和十六进制。 1.1.1 数制的基与权 数制所使用的数码的个数称为基;数制每一位所具有的值称为权。十进制(decimal system)的基为“10”,即它所使用的数码为0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,共有10个。十进制各位的权是以10为底的幂,如下面这个数: 其各位的权为个、十、百、千、万、十万,即以10为底的0幂、1幂、2幂等。故有时为了简便而顺次称其各位为0权位、1权位、2权位等。二进制(binary system)的基为“2”,即其使用的数码为0,1,共两个。二进制各位的权是以2为底的幂,如下面这个数: 其各位的权为1,2,4…,即以2为底的0次幂、1次幂、2次幂等。故有时也依次称其各位为0权位、1权位、2权位等。八进制(octave system)的基为“8”,即其数码共有8个:0,1,2,3,4,5,6,7。八进制的权为以8为底的幂,有时也顺次称其各位为0权位、1权位、2权位等。十六进制(hexadecimal system)的基为“16”,即其数码共有16个:0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F。十六进制的权为以16为底的幂,有时也称其各位的权为0权、1权、2权等。在微型计算机中这些数制都是经常用到的,但在本书后面的内容中,二进制和十六进制更为常用,希望初学者注意。 1.1.2 为什么要用二进制 电路通常只有两种稳态:导通与阻塞、饱和与截止、高电位与低电位等。具有两个稳态的电路称为二值电路。因此,用二值电路来计数时,只能代表两个数码:0和1。如以1代表高电位,则0代表低电位,所以,采用二进制,可以利用电路进行计数工作。而用电路来组成计算机,则有运算迅速、电路简便、成本低廉等优点。 1.1.3 为什么要用十六进制 用十六进制既可简化书写,又便于记忆。如下列一些等值的数:1000(2)=8(16)(即8(10)) 1111(2)=F(16)(即15(10)) 11 0000(2)=30(16)(即48(10)) 1.1.4 数制的转换方法由于我们习惯用十进制记数,在研究问题或讨论解题的过程时,总是用十进制来考虑和书写的。当考虑成熟后,要把问题变成计算机能够“看得懂”的形式时,就得把问题中的所有十进制数转换成二进制代码。这就需要用到“十进制数转换成二进制数的方法”。在计算机运算完毕得到二进制数的结果时,又需要用到“二进制数转换为十进制数的方法”,才能把运算结果用十进制形式显示出来。 1. 十进制数转换成二进制数的方法一般可用下列方法求一个十进制数的二进制代码:用2除该十进制数可得商数及余数,则此余数为二进制代码的最小有效位(LSB)的值。再用2除该商数,又可得商数和余数,则此余数为LSB左邻的二进制数代码。用同样的方法继续用2除下去,就可得到该十进制数的二进制代码。 【例1.1】求13的二进制代码。其过程如下: 结果为:1101。 上面是十进制整数转换成二进制数的“除2取余法”。如果十进制小数要转换成二进制小数,则要采取“乘2取整法”:一个十进制的小数乘以2之后可能有进位使整数位为1(当该小数大于0.5时),也可能没有进位,其整数位仍为零(当该小数小于0.5时)。这些整数位的结果即为二进制的小数位结果。举例如下:【例1.2】求十进制数0.625的二进制数。用乘法的竖式计算,步骤如下: 至此就不用再算下去了。如果小数位不是0.00,则还得继续乘下去,直至变成0.00为止。因此,一个十进制小数在转换为二进制小数时有可能无法准确地转换。如十进制数0.1转换为二进制数时为0.0001100110…。因此,只能近似地以0.00011001来表示。 2. 二进制数转换成十进制数的方法由二进制数各位的权乘以各位的数(0或1)再加起来就得到十进制数。【例1.3】求二进制数101011的十进制数。     1 0 1 0 1 1  权: 25 24 23 22 21 20  乘积:32 0 8 0 2 1  累加: 43  结果:43(10) 二进制小数转换为十进制时也可用同样的方法,不过二进制数小数各位的权是2-1,2-2…。【例1.4】求二进制数0.101的十进制数。     0 1  0  1  权: 20 2-1 2-2 2-3  乘积:0 0.5 0 0.125  累加: 0.625  结果:0.625(10) 由此可得出两点注意事项: (1) 一个二进制数可以准确地转换为十进制数,而一个带小数的十进制数不一定能够准确地用二进制数来表示。 (2) 带小数的十进制数在转换为二进制数时,以小数点为界,整数和小数要分别转换。此外,还有其他各种数制之间的转换,其方法和上述方法差不多,都可以从数制的定义中找到转换方法。 1.2 逻辑电路 逻辑电路由其3种基本门电路(或称判定元素)组成。图1.1是基本门电路的名称、符号及表达式。 1.3 布尔代数 布尔代数也称为开关代数或逻辑代数,和一般代数一样,可以写成下面的表达式: Y=f(A,B,C,D) 但它有两个特点: (1) 其中的变量A,B,C,D等均只有两种可能的数值:0或1。布尔代数变量的数值并无大小之意,只代表事物的两个不同性质。如用于开关,则:0代表关(断路)或低电位;1代表开(通路)或高电位。如用于逻辑推理,则:0代表错误(伪);1代表正确(真)。 (2) 函数f只有3种基本方式:“或”运算,“与”运算及“反”运算。下面分别讲述这3种运算的规律。 1.3.1 “或”运算 由于A,B只有0或1的可能取值,所以其各种可能结果如下: Y=0+0=0→Y=0  Y=0+1=1  Y=1+0=1  →Y=1  Y=1+1=1 上述第4个式子与一般的代数加法不符,这是因为Y也只能有两种数值:0或1。上面4个式子可归纳成两句话,两者皆伪者则结果必伪,有一为真者则结果必真。这个结论也可推广至多变量,如A,B,C,D,……,各变量全伪者则结果必伪,有一为真者则结果必真。写成表达式如下: 设Y=A+B+C+D+… 则Y=0+0+…+0=0 →Y=0 Y=1+0+…+0=1 Y=0+1+…+0=1  →Y=1 ? Y=1+1+1…+1=1 这意味着,在多输入的“或”门电路中,只要其中一个输入为1,则其输出必为1。或者说只有全部输入均为0时,输出才为0。或运算有时也称为“逻辑或”。当A和B为多位二进制数时,如:  A=A1A2A3…An  B=B1B2B3…Bn 则进行“逻辑或”运算时,各对应位分别进行“或”运算: Y=A+B =(A1+B1)(A2+B2)(A3+B3)…(An+Bn) 【例1.5】设 A=10101 B=11011 则Y=A+B =(1+1)(0+1)(1+0)(0+1)(1+1) =11111 写成竖式则为       1 0 1 0 1       +)1 1 0 1 1        1 1 1 1 1 注意,1“或”1等于1,是没有进位的。 1.3.2 “与”运算 根据A和B的取值(0或1)可以写出下列各种可能的运算结果: Y=0×0=0 Y=1×0=0  →Y=0 Y=0×1=0 Y=1×1=1→Y=1 这种运算结果也可归纳成两句话:二者为真者结果必真,有一为伪者结果必伪。同样,这个结论也可推广至多变量:各变量均为真者结果必真,有一为伪者结果必伪。写成表达式如下:设Y=A×B×C×D×… 则 Y=0×0×…×0=0  Y=1×0×…×0=0   →Y=0  Y=0×1×…×0=0 ? Y=1×1×1…×1=1→Y=1 这意味着,在多输入“与”门电路中,只要其中一个输入为0,则输出必为0,或者说,只有全部输入均为1时,输出才为1。与运算有时也称为“逻辑与”。当A和B为多位二进制数时,如: A=A1A2A3…An B=B1B2B3…Bn 则进行“逻辑与”运算时,各对应位分别进行“与”运算: Y=A×B =(A1×B1)(A2×B2)(A3×B3)…(An×Bn) 【例1.6】设A=11001010  B=00001111 则Y=A×B =(1×0)(1×0)(0×0)(0×0)(1×1)(0×1)(1×1)(0×1) =00001010 写成竖式则为    1 1 0 0 1 0 1 0   ×) 0 0 0 0 1 1 1 1     0 0 0 0 1 0 1 0 由此可见,用“0”和一个数位相“与”,就是将其“抹掉”而成为“0”;用“1”和一个数位相“与”,就是将此数位“保存”下来。这种方法在计算机的程序设计中经常会用到,称为“屏蔽”。上面的B数(0000 1111)称为“屏蔽字”,它将A数的高4位屏蔽起来,使其都变成0了。 1.3.3 “反”运算 如果一件事物的性质为A,则其经过“反”运算之后,其性质必与A相反,用表达式表示为: Y=A 这实际上也是反相器的性质。所以在电路实现上,反相器是反运算的基本元件。反运算也称为“逻辑非”或“逻辑反”。当A为多位数时,如: A=A1A2A3…An 则其“逻辑反”为:Y=A1A2A3…An 【例1.7】设:A=11010000 则:Y=00101111 1. 恒等式 A·0=0  A·1=A A·A=A A+0=A  A+1=1 A+A=A A+A=1  A·A=0 A=A 2. 运算规律与普通代数一样,布尔代数也有交换律、结合律、分配律,而且它们与普通代数的规律完全相同。 (1) 交换律: A·B=B·A A+B=B+A (2) 结合律: (AB)C=A(BC)=ABC (A+B)+C=A+(B+C)=A+B+C (3) 分配律: A(B+C)=AB+AC (A+B)(C+D)=AC+AD+BC+BD 利用这些运算规律及恒等式,可以化简很多逻辑关系式。 【例1.8】A+AB=A(1+B)=A A+AB=A+AB+AB=A+(A+A)B=A+B 【例1.9】如果原设计继电器线路如图1.3(a),现用逻辑关系,化简线路。 首先,把图1.3(a)中触点(如同开关)和灯的关系用布尔代数表示如下: Y=(A+AB)·B 其中A与A是同一继电器的常开与常闭触点。一般把常开触点定为变量A,B,则相应的常闭触点为A,B。下面,用布尔代数进行简化: Y=(A+AB)·B =AB+AB·B =AB+0 =AB 因此可以用图1.3(b)中的电路,代替原设计的图1.3(a)的电路。电路大大简化了,但能起到同样的作用。 1.3.5 摩根定理 A·B·C…=A+B+C+… 至于多变量的摩根定理,用相同的方法同样可以得到证明。这个定理可以用一句话来记忆:头上切一刀,下面变个号。【例1.10】 A·B=A+B=A+B A+B+C=A·B·C 1.3.6 真值表及布尔代数式的关系 当人们遇到一个因果问题时,常常把各种因素全部考虑进去,然后再研究结果。真值表也就是这种方法的一种表格形式。例如,考虑两个一位的二进制数A和B相加,其本位的和S及向高一位进位C的结果如何? 全面考虑两个一位二进制数,可能出现四种情况:或A=0,B=0;或A=0,B=1;或A=1,B=0;或A=1,B=1(一般n个因素可有2n种情况)。这实质是两个一位数(可为零,也可为1)的排列。然后,对每一种情况进行分析。当A和B都为0时,S为0,进位C也为0;当A为0且B为1时,S为1,进位C为0;当A为1且B为0时,S为1,进位C为0;当A为1且B也为1时,由于S是一位数所以为0,而有进位C=1。 对于C,因为只有A与B都为1时,它才为1,所以经过分析即可知C=A·B。对于S,因为在表中第2行或第3行都可能为1,而第2行要求A=0与B=1,在写布尔代数式时要使S为1,显然只有A×B=0×1=1。所以第2行布尔代数式就是A·B。对于第3行要求A=1与B=0,在写布尔代数式时要使S为1,显然只有A×B=1×0=1。所以第3行布尔代数式就是A·B。从而我们可以写出S和A,B的关系式为S=AB+AB。这种从真值表写出布尔代数式的方法可以用下面两段话来描述: (1) 写布尔代数式先看真值表中结果为1的项,有几项就有几个“或”项。 (2) 每一项各因素之间是“与”关系。写该项时每个因素都写上,然后加“反”。至于哪个因素要加“反”(上横线)要看该因素在这项里是否为“0”状态,是“0”状态则加“反”,否则不加“反”。写出布尔代数式后,要反过来去检查写得对不对。例如,将第1项A=0和B=0代入式S=AB+AB,则S=0·0+0·0=0;将表中第2项A=0和B=1代入式S=AB+AB则S=0·1+0·1=1+0=1;依次类推地代入检查。如果4项都对,则式子S=AB+AB确实代表了真值表中S和A,B之间的逻辑关系。通常,用真值表描述问题,不仅全面,而且通过它来写布尔代数式也很简便。 1.4 二进制数的运算及其加法电路 众所周知,算术的基本运算共有4种:加、减、乘和除。在微型计算机中常常只有加法电路,这是为了使硬件结构简单而成本较低。不过,只要有了加法电路,也能完成算术的4种基本运算。 1.4.1二进制数的相加两个二进制数相加的几个例子:【例1.11】 (1)       (2)    1  A      0 1 A  +) 1  B    +) 1 0 B   1 0  S      1 1 S 进位   (3)         (4)                 1 1  C      1 1  A       0 1 1 A    +) 1 1  B      +) 0 1 1 B    1 1 0  S        1 1 0 S 进位 进位例1.11(1)中,加数A和被加数B都是1位数,其和S变成2位数,这是因为相加结果产生进位之故。例1.11(2)中,A和B都是2位数,相加结果S也是2位数,因为相加结果不产生进位。例1.11(3)中,A和B都是2位数,相加结果S是3位数,这也是产生了进位之故。 例1.11(4)中,是例1.11(3)的另一种写法,以便看出“进位”究竟是什么意义。第1位(或称0权位)是不可能有进位的,要求参与运算的就只有两个数A0和B0,其结果为S0。第2位(或称1权位)就是3个数A1,B1及C1参与运算了。其中C1是由于第1位相加的结果产生的进位。此3个数相加的结果其总和为S1=1,同时又产生进位C2,送入下一位(第3位)。第3位(或称2权位)也是3个数A2,B2及C2参加运算。由于A2及B2都是0,所以C2即等于第3位的相加结果S2。从以上几例的分析可得出下列结论: (1) 两个二进制数相加时,可以逐位相加。如二进制数可以写成: A=A3A2A1A0 B=B3B2B1B0 则从最右边第1位(即0权位)开始,逐位相加,其结果可以写成: S=S3S2S1S0 其中各位是分别求出的: S0=A0+B0→进位C1 S1=A1+B1+C1→进位C2 S2=A2+B2+C2→进位C3 S3=A3+B3+C3→进位C4 最后所得的和是: C4S3S2S1S0=A+B (2) 右边第1位相加的电路要求:输入量为两个,即A0及B0;输出量为两个,即S0及C1。这样的一个二进制位相加的电路称为半加器(half adder)。 (3) 从右边第2位开始,各位可以对应相加。各位对应相加时的电路要求:输入量为3个,即Ai,Bi,Ci;输出量为两个,即Si,Ci+1。其中i=1,2,3,…,n。这样的一个二进制位相加的电路称为全加器(full adder)。 1.4.2 半加器电路 即只有当A0及B0二者相异时,才起到或的作用;二者相同时,则其结果为0。因此,可以用“与门”及“异或门”(或称“异门”)来实现真值表的要求。图1.4就是这个真值表及半加器的电路图。 1.4.3 全加器电路 全加器电路的要求是:有3个输入端,以输入Ai,Bi和Ci,有两个输出端,即Si及Ci+1。其真值表可以写成如图1.5所示。由此表分析可见,其总和Si可用“异或门”来实现,而其进位Ci+1则可以用3个“与门”及一个“或门”来实现,其电路图也画在图1.5中。 这里遇到了3个输入的“异或门”的问题。如何判断多输入的“异或门”的输入与输出的关系呢?判断的方法是:多输入A,B,C,D,…中为“1”的输入量的个数为零及偶数时,输出为0;为奇数时,输出为1。 1.4.4 半加器及全加器符号图1.6(a)为半加器符号,图1.6(b)为全加器符号。 1.4.5 二进制数的加法电路设A=1010=10(10) B=1011=11(10) 则可安排如图1.7所示的加法电路。 A与B相加,写成竖式算法如下: A:1 0 1 0  B:1 0 1 1 (+  S:10 1 0 1 即其相加结果为S=10101。从加法电路,可看到同样的结果: S=C4S3S2S1S0  =10101 1.4.6 二进制数的减法运算 在微型计算机中,没有专用的减法器,而是将减法运算改变为加法运算。其原理是:将减数B变成其补码后,再与被减数A相加,其和(如有进位的话,则舍去进位)就是两数之差。补码是什么呢?对于二进制数来说,简言之,可用下式来表示:补码=反码+1 这就是说,如有一个二进制数为A,这就是原码,则其反码为,于是补码A′可以写成: A′=A+1 补码并非只有二进制数才有。在十进制、十六进制等各种进制中都是存在的。如在十进制中原码为6的补码是4,原码为64的补码是36,原码为642的补码是358等。由此可见:原码+补码的结果如下: 6+4=10  64+36=100  642+358=1000 即原码与补码互相补充而能得到一个进位数: 1位数的原码加补码得到的是2位数10; 2位数的原码加补码得到的是3位数100; 3位数的原码加补码得到的是4位数1000。 在做十进制减法时,也可以利用补码而将减法运算变成加法运算。例如73-15,可利用15的补码85而使减法变成加法:73+85=158,把进位位1去掉,58即为73与15之差。不过在十进制中用电路由原码求补码不十分方便,所以没有人用这个规律去算减法。在二进制中,将原码每位变反,可得反码。如10100的反码为01011,用2位电路很容易做到,而原码与反码相加正好差1而未有进位(无溢出)。如上例:   原码:10100    反码:01011    原码+反码=11111 如果反码加1后再去与原码相加就得:   原码+(反码+1)=10100+01100 所以,在二进制中,常用反码加1的方法来获得补码。这在计算机中非常方便,因为二进制电路由原码求反码是很容易的,这在下面就会看到。有了补码,就可以将减法变成加法来运算了。请看下面的例子。【例1.12】求Y=8(10)-4(10)=? 解:因为 A=8(10)=1000(2)      B=4(10)=0100(2) 则    B′=1011+1=1100(2) 于是   Y=A-B       =A+B′       =1000+1100       =1  0100             进位,应舍去      =0100(2)=4(10) 【例1.13】求Y=F(H)-A(H)=?(即求15减10之差) 设  A=F(H)=1111(B)=15(D)    B=A(H)=1010(B)=10(D) 则  B′=0101+1=0110(B) 所以 Y=1111+0110   = 1  0101   =      进位,舍去  = 0101(B)(结果为5) 1.4.7 可控反相器及加法/减法电路利用补码可将减法变为加法来运算,因此需要有这么一个电路,它能将原码变成反码,并使其最小位加1。图1.8的可控反相器就是为了使原码变为反码而设计的。这实际上是一个异或门(异门),两输入端的异或门的特点是:两者相同则输出为0,两者不同则输出为1。 利用这个特点,在图1.7的4位二进制数加法电路上增加4个可控反相器并将最低位的半加器也改用全加器,就可以得到如图1.9的4位二进制数加法器/减法器电路了,因为这个电路既可以作为加法器电路(当SUB=0),又可以作为减法器电路(当SUB=1)。 如果有下面两个二进制数: A=A3A2A1A0 B=B3B2B1B0 则可将这两个数的各位分别送入该电路的对应端,于是:当SUB=0时,电路作加法运算:A+B。当SUB=1时,电路作减法运算:A-B。图1.9电路的原理如下:当SUB=0时,各位的可控反相器的输出与B的各位同相,所以图1.9和图1.7的原理完全一样,各位均按位相加。结果S=S3S2S1S0,而其和为:C3S=C4S3S2S1S0。 当SUB=1时,各位的反相器的输出与B的各位反相。注意,最右边第一位(即S0位)也是用全加器,其进位输入端与SUB端相连,因此其C0=SUB=1。所以此位相加即为: A0+B0+1 其他各位为: A1+B1+C1 A2+B2+C2 A3+B3+C3 因此其总和输出S=S3S2S1S0,即:  S=A+B+1    =A3A2A1A0+B3B2B1B0+1    =A+B′    =A-B 当然,此时C4如不等于0,则要被舍去。 习题 1.1 将下列各二进制数转换为十进制数。 (1) 1101(2) (2) 11010(2) (3) 110100(2) (4) 10101001(2) 1.2 将1.1题的各二进制数转换为十六进制数。 1.3 简述3个门电路的基本元素在电路中对电平高低的作用。 1.4 布尔代数有哪两个特点? 1.5 布尔代数的“或运算”结果可用哪两句话来归纳?其“与运算”结果又可归纳成哪两句话? 1.6 什么叫原码、反码及补码? 1.7 为什么需要半加器和全加器,它们之间的主要区别是什么? 1.8 用补码法写出下列减法的步骤: (1) 1111(2)-1010(2)=?(2)=?(10) (2) 1100(2)-0011(2)=?(2)=?(10) 1.9 做出101011(2)+011110(2)的门电路图并求其相加的结果。 1.10 做出第1.9题中两数相减的门电路图并求其相减的结果。o2Z红软基地

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