1. Chapter Two– Data Numbering & Character Encoding System in Microcomputer Principles of Microcomputers 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 1 Chapter Two Data Numbering and Character Encoding System in Microcomputer 计算机中的数制和编码 （ 1 ）

2. Chapter Two– Data Numbering & Character Encoding System in Microcomputer Principles of Microcomputers 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2 本章内容简介 计算机的基本功能是进行数据和信息的处理。数 据、信息以及为处理这些数据和信息而编写的程序 代码等都必须输入到计算机中。由于电子器件容易 实现对两种状态的表示，因此计算机中的数字、字 符和指令等一般都使用二进制编码来表示。 本章首先简要介绍无符号数的表示方法、各种数制 的相互转换以及二进制数的运算规则等；然后重点 介绍带符号数的表示方法、补码加减法运算以及运 算时溢出的判断方法；最后介绍十进制数的二进制 编码（ BCD 编码）、字符（包括字母、数字和符 号）的 ASCII 编码以及数的定点和浮点表示方法 等。

3. Chapter Two– Data Numbering & Character Encoding System in Microcomputer Principles of Microcomputers 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 3 本章主要内容 数字的表示 无符号数：十进制无符号数 二进制无符号数 十六进制无符号数 有（带）符号数： 原码表示法 反码表示法 补码表示法 机器数与真值的概念 补码运算溢出的判断方法 字符的表示 十进制数的二进制编码（ BCD 编码） 英文字符（包括字母、数字和符号）的 ASCII 编码 (America Standard Code for Information Interchange) Please see an example about the numbering system in assembly program(21.asm)

4. Chapter Two– Data Numbering & Character Encoding System in Microcomputer Principles of Microcomputers 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 4 Contents of chapter two 2.0 Chapter Overview 2.1 Numbering Systems –2.1.1 A Review of the Decimal System –2.1.2 The Binary Numbering System –2.1.3 Binary Formats 2.2 Data Organization –2.2.1 Bits -2.2.2 Nibbles -2.2.3 Bytes –2.2.4 Words -2.2.5 Double Words 2.3 The Hexadecimal Numbering System 2.4 Arithmetic Operations on Binary and Hexadecimal Numbers 2.5 Logical Operations on Bits 2.6 Logical Operations on Binary Numbers and Bit Strings 2.7 Signed and Unsigned Numbers 2.8 Sign and Zero Extension 2.9 The ASCII Character Set 2.10 Summary

5. Chapter Two– Data Numbering & Character Encoding System in Microcomputer Principles of Microcomputers 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 5 2.0 Chapter Overview This chapter discusses several important concepts: the binary and hexadecimal numbering systems; binary data organization (bits, nibbles, bytes, words, and double words); signed and unsigned numbering systems; the ASCII character set; arithmetic, logical, shift, and rotate operations on binary values These are basic and very important concepts for understanding this course’s materials

6. Chapter Two– Data Numbering & Character Encoding System in Microcomputer Principles of Microcomputers 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 6 2.1 Numbering Systems Most modern computer systems do not represent numeric values using the decimal system (WHY?). Instead, they typically use a binary or two’s complement numbering system. Example: 16d=00010000b=10h [+16] 补 =0 0010000B=10H [-16] 补 = 1 1110000B=0F0H

7. Chapter Two– Data Numbering & Character Encoding System in Microcomputer Principles of Microcomputers 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 7 2.1.1 A Review of the Decimal System You’ve been using the decimal (base 10) numbering system for so long that you probably take it for granted. When you see a number like “123”, you don’t think about the value 123; rather, you generate a mental image of how many items this value represents. In reality, however, the number 123 represents: 123=1*10 2 + 2 * 10 1 + 3*10 0 123.456=1*10 2 + 2*10 1 + 3*10 0 + 4*10 -1 + 5*10 -2 + 6*10 -3

8. Chapter Two– Data Numbering & Character Encoding System in Microcomputer Principles of Microcomputers 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 8 2.1.2 The Binary Numbering System The binary numbering system works just like the decimal numbering system, with two exceptions: binary only allows the digits 0 and 1 (rather than 0-9), and binary uses powers of two rather than powers of ten. Therefore, it is very easy to convert a binary number to decimal. For each “1” in the binary string, add in 2 n where “n” is the zero-based position of the binary digit. For example, the binary value 11001010 2 =1*2 7 +1*2 6 +0*2 5 +0*2 4 +1*2 3 +0*2 2 +1*2 1 +0*2 0 =202 10

9. Chapter Two– Data Numbering & Character Encoding System in Microcomputer Principles of Microcomputers 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 9 2.1.2 The Binary Numbering System Convert decimal to binary 整数部分：除以基数（ 2 ）取余数，先为 低位后为高位。 小数部分：乘以基数（ 2 ）取整数，先为 高位（小数点后第一位）后为低位。 例： 12.75D=?

10. Chapter Two– Data Numbering & Character Encoding System in Microcomputer Principles of Microcomputers 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 10 2.2 Data Organization Bits Bytes Words Double Words

11. Chapter Two– Data Numbering & Character Encoding System in Microcomputer Principles of Microcomputers 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 11 2.2 Data Organization Bits Nibbles:A nibble is a collection of four bits. It wouldn’t be a particularly interesting data structure except for two items: BCD (binary coded decimal) numbers and hexadecimal numbers.It takes four bits to represent a single BCD or hexadecimal digit. With a nibble, we can represent up to 16 distinct values. In the case of hexadecimal numbers, the values 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, and F are represented with four bits (see “The Hexadecimal Numbering System” on page 17). BCD uses ten different digits (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9) and requires four bits. In fact, any sixteen distinct values can be represented with a nibble, but hexadecimal and BCD digits are the primary items we can represent with a single nibble.

12. Chapter Two– Data Numbering & Character Encoding System in Microcomputer Principles of Microcomputers 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 12 2.2 Data Organization Bytes: Without question, the most important data structure used by the 80x86 microprocessor is the byte. A byte consists of eight bits and is the smallest addressable datum (data item) on the 80x86 microprocessor. Main memory and I/O addresses on the 80x86 are all byte addresses. This means that the smallest item that can be individually accessed by an 80x86 program is an eight-bit value. To access anything smaller requires that you read the byte containing the data and mask out the unwanted bits. The bits in a byte are normally numbered from zero to seven using the convention in Figure 2.1.( see the Text Book) Bit 0 is the low order bit or least significant bit, bit 7 is the high order bit or most significant bit of the byte. We’ll refer to all other bits by their number.

13. Chapter Two– Data Numbering & Character Encoding System in Microcomputer Principles of Microcomputers 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 13 2.2 Data Organization Words A word is a group of 16 bits. We’ll number the bits in a word starting from zero on up to fifteen. The bit numbering appears in the following Figure

14. Chapter Two– Data Numbering & Character Encoding System in Microcomputer Principles of Microcomputers 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 14 2.2 Data Organization Words

15. Chapter Two– Data Numbering & Character Encoding System in Microcomputer Principles of Microcomputers 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 15 2.2 Data Organization Double Words A double word is exactly what its name implies, a pair of words. Therefore, a double word quantity is 32 bits long as shown in the following Figure

16. Chapter Two– Data Numbering & Character Encoding System in Microcomputer Principles of Microcomputers 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 16 2.2 Data Organization Double Words

17. Chapter Two– Data Numbering & Character Encoding System in Microcomputer Principles of Microcomputers 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 17 2.3 The Hexadecimal Numbering System A big problem with the binary system is verbosity. ------The hexadecimal (base 16) numbering system can solve this problem. Hexadecimal numbers offer the two features we’re looking for: they’re very compact, And it’s simple to convert them to binary and vice versa.

18. Chapter Two– Data Numbering & Character Encoding System in Microcomputer Principles of Microcomputers 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 18 2.3 The Hexadecimal Numbering System All hexadecimal values end with the letter “h”, e.g., 123A4h. All binary values end with the letter “b”. Decimal numbers may have a “d” suffix, which can also be omitted Examples of valid hexadecimal numbers: 1234h 0DEADh 0BEEFh 0AFBh 0FEEDh 0DEAFh Examples of valid binary numbers: 10101000.111B 1011b Examples of valid decimal numbers: 1234d 1234

19. Chapter Two– Data Numbering & Character Encoding System in Microcomputer Principles of Microcomputers 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 19 2.3 The Hexadecimal Numbering System Table: Binary/Hex Conversion Binary Hexadecimal 0000 0 0001 1 0010 2 0011 3 0100 4 0101 5 0110 6 0111 7 1000 8 1001 9 1010 A 1011 B 1100 C 1101 D 1110 E 1111 F

20. Chapter Two– Data Numbering & Character Encoding System in Microcomputer Principles of Microcomputers 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 20 2.3 The Hexadecimal Numbering System 例：十六进制数转化为十进制数 1A7BH=1*16 3 +10*16 2 +7*16 1 +11*16 0 =10526843D 例 ：十进制转化为十六进制 125.5 125=7Dh 0.5=0.8h 125.5=7D.8H 二 进制转换为十六进制 1111 1001 1101 0011.0111 1110=0F9D3.7EH 十 六进制转换为二进制 8A.8H=1000 1010.1bB

21. Chapter Two– Data Numbering & Character Encoding System in Microcomputer Principles of Microcomputers 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 21 2.4 Arithmetic Operations on Binary and Hexadecimal Numbers 9h 10h + 1h - 1h 10h ? 9h ? Even if the two problems above don’t bother you, in a stressful situation your brain will switch back into decimal mode while you’re thinking about something else and you’ll produce the incorrect result. You should never perform binary arithmetic computations.

22. Chapter Two– Data Numbering & Character Encoding System in Microcomputer Principles of Microcomputers 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 22 2.5 Logical Operations on Bits AND OR XOR (exclusive-or) NOT

23. Chapter Two– Data Numbering & Character Encoding System in Microcomputer Principles of Microcomputers 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 23 2.6 Logical Operations on Binary Numbers and Bit Strings For example, if you want to compute the logical AND of the following two eight- bit numbers, you would perform the logical AND operation on each column independently of the others. 10111110 ^ 11100110 10100110

24. Chapter Two– Data Numbering & Character Encoding System in Microcomputer Principles of Microcomputers 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 24 2.7 Signed and Unsigned Numbers For 16-bit numbers: 8000h is negative because the H.O. bit is one. 100h is positive because the H.O. bit is zero. 7FFFh is positive. 0FFFFh is negative. 0FFFh is positive.

25. Chapter Two– Data Numbering & Character Encoding System in Microcomputer Principles of Microcomputers 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 25 2.7 Signed and Unsigned Numbers If the H.O. bit is zero, then the number is positive and is stored as a standard binary value. If the H.O. bit is one, then the number is negative and is stored in the two’s complement form. To convert a positive number to its negative, two’s complement form, you use the following algorithm: 1) Invert all the bits in the number, i.e., apply the logical NOT function. 2) Add one to the inverted result. For example, to compute the eight bit equivalent of -5: 0000 0101 Five (in binary). 1111 1010 Invert all the bits. 1111 1011 Add one to obtain result.

26. Chapter Two– Data Numbering & Character Encoding System in Microcomputer Principles of Microcomputers 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 26 2.7 Signed and Unsigned Numbers why the two ’ s complement system is used in the computer For example, suppose you were to perform the addition 5+(-5). The result is zero. Consider what happens when we add these two values in the two’s complement system: 0000 0101 + 1111 1011 1 0000 0000 We end up with a carry into the ninth bit and all other bits are zero. As it turns out, if we ignore the carry out of the H.O. bit, adding two signed values always produces the correct result when using the two’s complement numbering system. This means we can use the same hardware for signed and unsigned addition and subtraction. This wouldn’t be the case with some other numbering systems.

27. Chapter Two– Data Numbering & Character Encoding System in Microcomputer Principles of Microcomputers 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 27 2.7 Signed and Unsigned Numbers why the two ’ s complement system is used in the computer 计算机中带符号数用补码表示时有如下优点： ① 可以将减法运算变为加法运算，因此可使用同一个 运算器实现加法和减法运算，简化了电路。 补码加法运算规则： 补码加法运算规则： [x] 补 +[y] 补 =[x+y] 补 [x] 补 +[y] 补 =[x+y] 补 补码减法运算规则： 补码减法运算规则： [x] 补 -[y] 补 =[x] 补 +[-y] 补 =[x-y] 补 [x] 补 -[y] 补 =[x] 补 +[-y] 补 =[x-y] 补

28. Chapter Two– Data Numbering & Character Encoding System in Microcomputer Principles of Microcomputers 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 2015年10月22日 28 2.7 Signed and Unsigned Numbers why the two ’ s complement system is used in the computer [+66] 补 +[+51] 补 =? [+66] 补 −[+51] 补 =? 解： [+66] 补 0100 0010B + [+51] 补 + 0011 0011B [+117] 补 0111 0101B = [66+51] 补 [+66] 补 0100 0010B + [-51] 补 + 1100 1101B [+15] 补 1 0000 1111B = [66-51] 补