第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

第一章微型機(jī)概述教學(xué)內(nèi)容微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)格式重點(diǎn)和難點(diǎn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 處理器存儲(chǔ)器總線第一章微型機(jī)概述1.微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展2.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3.計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)格式1.微型機(jī)的發(fā)展計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是能夠自動(dòng)地、快速地、準(zhǔn)確地進(jìn)行信息處理的電子工具。1946年，世界上出現(xiàn)了第一臺(tái)由電子管構(gòu)成的---ENIAC電子計(jì)算機(jī)。1946年2月14日，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)莫奇來(lái)（Mauchly）博士和他的學(xué)生愛(ài)克特（Eckert）設(shè)計(jì)以真空管取代繼電器的ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorandCalculator，電子數(shù)字積分器與計(jì)算器），用來(lái)計(jì)算炮彈彈道。用了18800個(gè)真空管，長(zhǎng)50英尺，寬30英尺，占地1500平方英尺，重達(dá)30噸（大約是一間半的教室大）。它的計(jì)算速度快，每秒可從事5000次的加法運(yùn)算，運(yùn)作了九年之久。以采用的電子器件的不同來(lái)劃分的:電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路和大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)。微型計(jì)算機(jī)屬于第四代電子計(jì)算機(jī)產(chǎn)品，即大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)，是電路技術(shù)不斷發(fā)展，芯片集成度不斷提高的產(chǎn)物。主機(jī)按體積、性能和價(jià)格分:巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)和微型機(jī)五類(lèi)。微型機(jī)其工作原理，與其它幾類(lèi)計(jì)算機(jī)并沒(méi)有本質(zhì)上的差別。不同的是：采用了集成度較高的器件；組成計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的兩大核心部分—運(yùn)算器和控制器，集成在一片集成電路芯片上，顯然該芯片是整個(gè)微機(jī)系統(tǒng)的核心，稱為中央處理器CPU，或者微處理器MPU。微處理器是微機(jī)系統(tǒng)的核心部分，自70年代初出現(xiàn)第一片微處理器芯片以來(lái)，微處理器的性能和集成度幾乎每?jī)赡攴环?，其發(fā)展速度大大超過(guò)了前幾代計(jì)算機(jī)。微機(jī)系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，主要涉及到以下幾個(gè)方面：CPU、主頻、緩存、新技術(shù)。1.1微型機(jī)的幾個(gè)階段1.1.1第一代：4位及低檔8位微處理器1971年，Intel公司推出第一片4位微處理器Intel4004，以其為核心組成了一臺(tái)高級(jí)袖珍計(jì)算機(jī)。隨后出現(xiàn)的Intel4040，是第一片通用的4位微處理器。1972年，Intel8008，8位，集成度約2000管/片，時(shí)鐘頻率1MHz。1.1.2第二代：中、低檔8位微處理器1973年～1974年，Intel8008、M6800、Rockwell6502，8位，集成度5000管/片，時(shí)鐘頻率2～4MHz。這一時(shí)期，微處理器的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，組成微機(jī)系統(tǒng)的其它部件也愈來(lái)愈齊全，系統(tǒng)朝著提高集成度、提高功能與速度，減少組成系統(tǒng)所需的芯片數(shù)量的方向發(fā)展。1.1.3第三代：高、中檔8位微處理器1975年～1976年，Z-80，Intel8085，8位，時(shí)鐘頻率2～4MHz，集成度約10000管/片，還出現(xiàn)了一系列單片機(jī)。1.1.4第四代：16及低檔32位微處理器1978年，Intel首次推出16位處理器8086：

時(shí)鐘頻率4～8MHz，內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)總線都是16位，地址總線為20位，可直接訪問(wèn)1MB內(nèi)存單元。1979年，Intel又推出8086的姊妹芯片8088：

4～8MHz，集成度達(dá)到2萬(wàn)～6萬(wàn)管/片。它與8086不同的是外部數(shù)據(jù)總線為8位（地址線為20位）。1982年，Intel推出了80286（10MHz）：

16位結(jié)構(gòu)，但地址總線擴(kuò)展到24位，可訪問(wèn)16MB內(nèi)存，其工作頻率也較8086提高了許多。

80286向后兼容8086的指令集和工作模式（實(shí)模式），并增加了部分新指令和一種新的工作模式——保護(hù)模式。1985年，Intel推出了32位處理器80386（20MHZ）:

該芯片的內(nèi)外部數(shù)據(jù)線及地址總線都是32位，可訪問(wèn)4GB內(nèi)存，并支持分頁(yè)機(jī)制。除了實(shí)模式和保護(hù)模式外，80386又增加了一種“虛擬8086”的工作模式，可以在操作系統(tǒng)控制下模擬多個(gè)8086同時(shí)工作。1989年推出了80486（時(shí)鐘頻率為30～40MHz）:

集成度達(dá)到15萬(wàn)～50萬(wàn)管/片（168個(gè)腳），甚至上百萬(wàn)管/片。早期的80486相當(dāng)于把80386和完成浮點(diǎn)運(yùn)算的數(shù)學(xué)協(xié)處理器80387以及8kB的高速緩存集成到一起，這種片內(nèi)高速緩存稱為一級(jí)（L1）緩存，80486還支持主板上的二級(jí)（L2）緩存。后期推出的80486DX2首次引入了倍頻的概念，有效緩解了外部設(shè)備的制造工藝跟不上CPU主頻發(fā)展速度的矛盾。1.1.5第五代：高檔32位微處理器1993年，新一代高性能處理器Pentium（奔騰）:

Pentium最大的改進(jìn)是支持在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行一至多條指令，且一級(jí)緩存的容量增加到了16kB，這些改進(jìn)大大提升了CPU的性能，使得Pentium的速度比80486快數(shù)倍。

Pentium有良好的超頻性能，把一個(gè)低主頻CPU當(dāng)作高主頻CPU來(lái)使用，使得花費(fèi)較低的代價(jià)可獲得較高的性能。1996年，Intel公司推出了PentiumPro（高能奔騰）:

兩大特色，一是片內(nèi)封裝了與CPU同頻運(yùn)行的256kB或512kB二級(jí)緩存；二是支持動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)執(zhí)行，可以打亂程序原有指令順序，按照優(yōu)化順序同時(shí)執(zhí)行多條指令，這兩項(xiàng)改進(jìn)使得PentiumPro的性能又有了質(zhì)的飛躍。1997年初，Intel發(fā)布了Pentium的改進(jìn)型號(hào)——PentiumMMX（多能奔騰），將一級(jí)緩存提高到32kB，同時(shí)增加了57條MMX（多媒體擴(kuò)展）指令，有效地增強(qiáng)了CPU處理音頻、圖像和通信等多媒體應(yīng)用的能力。1997年推出了PⅡ。PⅡ是對(duì)PentiumPro的改進(jìn)，因?yàn)槠浜诵慕Y(jié)構(gòu)與PentiumPro類(lèi)似，但加快了16位指令的執(zhí)行速度，且支持MMX指令集。1998年推出了賽揚(yáng)（Celeron），

去掉了PⅡ的二級(jí)緩存以及其它可以省略的東西，從而將價(jià)格降了下來(lái)。1999年又推出了開(kāi)發(fā)代號(hào)為Coppermine的PⅢ，

該芯片加入了引起爭(zhēng)議的CPU序列號(hào)功能，支持SSE（StreamingSIMDExtensions，單一指令多數(shù)據(jù)流擴(kuò)展）指令集，這是針對(duì)MMX的弱點(diǎn)和3DNow!設(shè)計(jì)的70條新指令，大大加強(qiáng)CPU在三維圖像和浮點(diǎn)運(yùn)算方面的能力。2000年11月21日，Intel又推出Pentium4

。采用前端系統(tǒng)總線（FSB）；高速執(zhí)行緩存；快速執(zhí)行引擎；256KB的高速緩存（ATC）；高級(jí)動(dòng)執(zhí)行；改進(jìn)的浮運(yùn)算和多媒體單元；網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流單指令多數(shù)據(jù)擴(kuò)展(SSE2)P4處理器兩種型號(hào)：

1）Willamette

全新的Socket423插座，0.18微米，集成了256KB二級(jí)緩存，支持SSE2指令集，多達(dá)20級(jí)的超標(biāo)量流水線，搭配I850/I845芯片組，還新增了執(zhí)行單元、解碼器和增加緩存容量等。陸續(xù)推出1.4-2.0GHz的主頻。

2）Northwood

在一年后，Intel發(fā)布第二個(gè)P4，代號(hào)為Northwood，全新的Socket478插座，0.13微米制程，集成了512KB二級(jí)緩存，支持SSE2指令集。2004年，推出核心為Prescott的Pentium4E處理器：

90nm，1億個(gè)晶體管。

型號(hào)為3.40EGHz、3.20EGHz、3.00EGHz、2.80EGHzP4（“E”后綴商標(biāo)）支持超線程技術(shù)，800MHz前端總線和1MB二級(jí)緩存；

但沒(méi)有降低功耗，使得Prescott功耗開(kāi)始走高。2005年，推出了PentiumExtremeEdition955

65nm時(shí)代。

PentiumD900系列雙核心產(chǎn)品中最高端的一款。但其TDP（ThermalDesignPower）依然為130W。2005年:IntelPentiumD

處理器首顆內(nèi)含2個(gè)處理核心的IntelPentiumD處理器登場(chǎng)，正式揭開(kāi)x86處理器多核心時(shí)代。2006年，推出45nmPenryn處理器。全新45nmPenryn家族共有7名成員，包括：雙核心桌面處理器Wolfdate、四核心桌面處理器Yorkfield、雙核心行動(dòng)處理器Penryn、雙核心XeonDP處理器WolfdateDP、四核心XeonDP處理器Harpertown、雙核心XeonMP處理器DunningtonDC四核心XeonMP處理器DunningtonQC。I時(shí)代：2008年11月17日，64位四核CPU酷睿i72009年8月i5,是Corei7的中低級(jí)版本2010年初，酷睿i3為i5的精簡(jiǎn)版2011年1月，IntelSandyBridge微架構(gòu)處理器2012年6月，IntelIvyBridge微架構(gòu)處理器發(fā)展過(guò)程(1)1971年，Intel40041972年，Intel80081974年，Intel80801978年，Intel8088,80861982年，Intel802861985年，Intel803861989年，Intel804861993年，IntelPentium1995年，IntelPentiumPro1997年，IntelPentiumII1998年，IntelCeleron1998年，IntelCeleron300A

1999年，IntelPentiumIII發(fā)展過(guò)程(2)2000年，IntelPentiumIV

2003年，IntelPentiumM2004年，IntelPentiumE2005年，IntelPentiumD

2006年，IntelCore2Duo2008年，IntelAtom2008年，IntelCorei7

2009年，IntelCorei5

2010年，IntelCorei32011年，IntelSandyBridge

2012年，IntelIvyBridge網(wǎng)絡(luò)參考資料維基百科/w/index.php?title=Pentium_D&variant=zh-cn#Pentium_Extreme_Edition/Intel_CPU40年歷史！125張大圖詮釋CPU發(fā)展簡(jiǎn)史

:

/07/0406/12/3BD7MCNS001618JV.html/1447637/845866

CPU芯片的新的發(fā)展趨勢(shì)：基因芯片、光電芯片、量子芯片1.2微型機(jī)的特點(diǎn)微型計(jì)算機(jī)廣泛采用了集成度相當(dāng)高的器件和部件，特別是把組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的兩大核心部件—運(yùn)算器和控制器集成在一起，形成了微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的中央處理器CPU，微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的下列特點(diǎn)：體積小，重量輕價(jià)格低可靠性高，結(jié)構(gòu)靈活應(yīng)用面廣功能強(qiáng)，性能優(yōu)越

第一章微型機(jī)概述1.微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展2.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3.計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)格式由CPU、內(nèi)部存儲(chǔ)器（ROM、RAM）、輸入/輸出接口電路組成。各功能部件之間通過(guò)總線有機(jī)地連接在一起。微處理器是微機(jī)的核心。2.1微機(jī)系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)微機(jī)的組成

2.1.1微機(jī)的組成

微處理器(MicroprocessingUnit)

：是指由一片或幾片大規(guī)模集成電路組成的具有運(yùn)算器和控制器功能的中央處理器部件，又稱為微處理機(jī)。它本身并不等于微型計(jì)算機(jī)，只是其中央處理器CPU(CentralProcessingUnit)。微型計(jì)算機(jī)：是指以微處理器為核心，配上存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口電路及系統(tǒng)總線所組成的計(jì)算機(jī)（又稱主機(jī)或微電腦）。當(dāng)把微處理器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口電路統(tǒng)一組裝在一塊或幾塊電路板上或集成在單個(gè)芯片上，則分別稱之為單板、多板或單片微型計(jì)算機(jī)。內(nèi)部存貯器：按照讀寫(xiě)方式的不同，分為ROM和RAM兩種類(lèi)型；輸入/輸出接口電路：外圍設(shè)備與微型計(jì)算機(jī)之間的連接電路，在兩者之間進(jìn)行信息交換的過(guò)程中，起暫存、緩沖、類(lèi)型變換及時(shí)序匹配的作用；總線：CPU與其它各功能部件之間進(jìn)行信息傳輸?shù)耐ǖ?，按所傳送信息的不同?lèi)型，總線可以分為數(shù)據(jù)總線DB、地址總線AB和控制總線CB三種類(lèi)型?！飬^(qū)別：微型機(jī)、單片機(jī)、單板機(jī)2.1.2微機(jī)系統(tǒng)的組成硬件微型計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備電源輔助電路軟件系統(tǒng)軟件

應(yīng)用軟件★區(qū)別：微處理器、微型機(jī)、微機(jī)系統(tǒng)2.1.3微處理器

概述微處理器外部一般采用三總線結(jié)構(gòu)；內(nèi)部則采用單總線即內(nèi)部所有單元電路都掛在內(nèi)部總線上，分時(shí)享用。典型的8位微處理器的結(jié)構(gòu)主要包括：累加器算術(shù)邏輯運(yùn)算單元(ALU)，狀態(tài)標(biāo)志寄存器，寄存器陣列，指令寄存器，指令譯碼器定時(shí)及各種控制信號(hào)的產(chǎn)生電路。

累加器和算術(shù)邏輯運(yùn)算部件累加器和算術(shù)邏輯運(yùn)算部件主要用來(lái)完成數(shù)據(jù)的算術(shù)和邏輯運(yùn)算。ALU有2個(gè)輸入端和2個(gè)輸出端，一端接收由累加器送來(lái)的一個(gè)操作數(shù)；另一端接收數(shù)據(jù)總線上的第二個(gè)操作數(shù)。參加運(yùn)算的操作數(shù)在ALU中進(jìn)行規(guī)定的操作運(yùn)算；運(yùn)算結(jié)束后，一方面將結(jié)果送至累加器操作結(jié)果的特征狀態(tài)送標(biāo)志寄存器。累加器是一個(gè)特殊的寄存器，它的字長(zhǎng)和微處理器的字長(zhǎng)相同；累加器具有輸入／輸出和移位功能，微處理器采用累加器結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化某些邏輯運(yùn)算。所有運(yùn)算的數(shù)據(jù)都要通過(guò)累加器，累加器在微處理器中占有很重要的位置。

寄存器陣列①通用寄存器組：可用戶支配，用來(lái)寄存參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)或地址信息。②地址寄存器：專門(mén)用來(lái)存放地址信息的寄存器。③指令指針I(yè)P：它的作用是指明下一條指令在存儲(chǔ)器中的地址。每取一個(gè)指令字節(jié)，IP自動(dòng)加1，如果程序需要轉(zhuǎn)移或分支，只要把轉(zhuǎn)移地址放入IP即可。④變址寄存器SI，DI：變址寄存器的作用是用來(lái)存放要修改的地址，也可以用來(lái)暫存數(shù)據(jù)。⑤堆棧指示器SP：用來(lái)指示RAM中堆棧棧頂?shù)牡刂?。SP寄存器的內(nèi)容隨著堆棧操作的進(jìn)行，自動(dòng)發(fā)生變化。

指令寄存器，指令譯碼器和定時(shí)及各種控制信號(hào)的產(chǎn)生電路①指令寄存器(InstructionRegister，IR)用來(lái)存放當(dāng)前正在執(zhí)行的指令代碼；②指令譯碼器ID(InstructionDelocler)用來(lái)對(duì)指令代碼進(jìn)行分析、譯碼，根據(jù)指令譯碼的結(jié)果，輸出相應(yīng)的控制信號(hào)；③時(shí)序邏輯產(chǎn)生出各種操作電位、不同節(jié)拍的信號(hào)、時(shí)序脈沖等執(zhí)行此條命令所需的全部控制信號(hào)。

內(nèi)部總線和總線緩沖器內(nèi)部總線：把CPU內(nèi)各寄存器和ALU連接起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)各單元之間的信息傳送。分為：內(nèi)部數(shù)據(jù)總線和地址總線通過(guò)數(shù)據(jù)緩沖器和地址緩沖器與芯片外的系統(tǒng)總線相連。緩沖器：用來(lái)暫時(shí)存放信息(數(shù)據(jù)或地址)，它具有驅(qū)動(dòng)放大能力。2.1.4存儲(chǔ)器1.存儲(chǔ)容量8086有20根地址總線，可以直接尋址的存儲(chǔ)器單元數(shù)為220=1Mbyte2.物理地址8086可直接尋址1Mbyte的存儲(chǔ)空間，地址區(qū)域：00000H—FFFFFH，與存儲(chǔ)單元一一對(duì)應(yīng)的20位地址，稱之為存儲(chǔ)單元的物理地址。連續(xù)排列，非常靈活。3.存儲(chǔ)器的分段及段地址CPU內(nèi)部寄存器都是16位的，為了能夠提供20位的物理地址，系統(tǒng)中采用了存儲(chǔ)器分段的方法。規(guī)定：存儲(chǔ)器的一個(gè)段為64KB，段寄存器確定存儲(chǔ)單元的段地址，指令提供該單元相對(duì)于相應(yīng)段起始地址的16位偏移量。整個(gè)存儲(chǔ)空間可分為16個(gè)互不重疊的邏輯段。存儲(chǔ)器的每個(gè)段的容量為64KB，并允許在整個(gè)存儲(chǔ)空間內(nèi)浮動(dòng)，即段與段之間可以部分重疊、完全重疊、連續(xù)排列，非常靈活。4.偏移地址偏移地址是某存儲(chǔ)單元相對(duì)其所在段起始位置的偏移字節(jié)數(shù)，或簡(jiǎn)稱偏移量。偏移地址是16位的地址，根據(jù)指令不同，它可以來(lái)自于CPU中不同的16位寄存器存放（例如：IP、SP、BP、SI、DI、BX等）。5.物理地址的形成物理地址是由段地址與偏移地址共同決定的，段地址來(lái)自于段寄存器（CS、DS、ES、SS），是十六位地址，由段地址及偏移地址計(jì)算物理地址的表達(dá)式如下：

物理地址=段地址×16+偏移地址【例如】：系統(tǒng)啟動(dòng)后，指令的物理地址由CS的內(nèi)容與IP的內(nèi)容共同決定系統(tǒng)啟動(dòng)的CS=0FFFFH，IP=0000H，初始指令的物理地址為0FFFF0H，我們可在0FFFF0H單元開(kāi)始的幾個(gè)單元中，固化一條無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令的代碼，即轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)初始化程序部分。6.存儲(chǔ)器分段組織帶來(lái)存儲(chǔ)器管理的新特點(diǎn)首先，在程序代碼量、數(shù)據(jù)量不是太大的情況下，可使它們處于同一段內(nèi)，即使它們?cè)?4Kbyte的范圍內(nèi)，這樣可以減少指令的長(zhǎng)度，提高指令運(yùn)行的速度；其次，內(nèi)存分段為程序的浮動(dòng)分配創(chuàng)造了條件；第三，物理地址與形式地址并不是一一對(duì)應(yīng)的，舉例：6832H：1280H，物理地址為695A0H。第四，各個(gè)分段之間可以重疊7.特殊的內(nèi)存區(qū)域

8088/8086系統(tǒng)中，有些內(nèi)存區(qū)域的作用是固定的，用戶不能隨便使用，中斷矢量區(qū)：00000H—003FFH共1K字節(jié)，用以存放256種中斷類(lèi)型的中斷矢量，每個(gè)中斷矢量占用4個(gè)字節(jié)，共256×4=1024=1K顯示緩沖區(qū)：B0000H—B0F9FH約4000（25×80×2）字節(jié)，是單色顯示器的顯示緩沖區(qū)，存放文本方式下，所顯示字符的ASCII碼及屬性碼；B8000H—BBF3FH約16K字節(jié)，是彩色顯示器的顯示緩沖區(qū)，存放圖形方式下，屏幕顯示象素的代碼。啟動(dòng)區(qū)：FFFF0H—FFFFFH共16個(gè)單元，用以存放一條無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令的代碼，轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)的初始化部分。2.1.5I/O接口I/O接口電路擁有CPU（或存儲(chǔ)器）與外設(shè)之間的信息交換。采用接口的原因：設(shè)備與CPU之間的速度不匹配信號(hào)電平不同數(shù)據(jù)格式不同2.1.5I/O接口主要的接口芯片有：鎖存芯片74LS373，緩存芯片74LS245，可編程中斷控制器8259A，可編程計(jì)數(shù)/定時(shí)器8253、8254，可編程并行/串行接口8255/8251A，可編程DMA控制器8237A，數(shù)/模,模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。2.1.6總線1.總線的標(biāo)準(zhǔn)特性物理特性物理連接方式功能特性總線的功能電器特性信號(hào)的傳遞方向和有效電平范圍時(shí)間特性信號(hào)在什么時(shí)間有效2.總線的分類(lèi)根據(jù)不同使用層次劃分（1）內(nèi)部總線是微處理器內(nèi)部各個(gè)部件之間傳送信息的通路（2）元件級(jí)總線連接計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中兩個(gè)主要部件的總線。（3）系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線（或板級(jí)總線）：連接各模塊、板之間的總線。（4）外部總線用于微機(jī)系統(tǒng)與系統(tǒng)之間，系統(tǒng)與外部設(shè)備之間的信息通路。3.總線的結(jié)構(gòu)（1）單總線結(jié)構(gòu)內(nèi)部存儲(chǔ)器和I/O接口均掛在單總線上（2）面向CPU的雙總線結(jié)構(gòu)CPU與主存儲(chǔ)器之間，CPU與I/O設(shè)備之間分別設(shè)置一組總線；（3）面向主存儲(chǔ)器的雙總線結(jié)構(gòu)CPU與所有I/O設(shè)備均掛在總線上，同時(shí)又在CPU與主存儲(chǔ)器之間增加了一組高速存儲(chǔ)總線。2.2微機(jī)系統(tǒng)的工作過(guò)程討論微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作過(guò)程，是本課程的核心內(nèi)容。1.程序存儲(chǔ)及程序控制的基本概念

(1)．計(jì)算機(jī)工作過(guò)程的實(shí)質(zhì)計(jì)算機(jī)之所以能在沒(méi)有人直接干預(yù)的情況下，自動(dòng)地完成各種信息處理任務(wù)，是因?yàn)槿藗兪孪葹樗幹屏烁鞣N工作程序，計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程，就是執(zhí)行程序的過(guò)程。(2)．程序存儲(chǔ)程序是由一條條指令組合而成的，指令是以二進(jìn)制代碼的形式出現(xiàn)的把執(zhí)行一項(xiàng)信息處理任務(wù)的程序代碼，以字節(jié)為單位，按順序存放在存儲(chǔ)器的一段連續(xù)的存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)，這就是程序存儲(chǔ)的概念。(3)．程序控制計(jì)算機(jī)工作時(shí)，CPU中的控制器部分，按照程序指定的順序（由碼段寄存器CS及指令指針寄存器IP指引），到存放程序代碼的內(nèi)存區(qū)域中去取指令代碼，在CPU中完成對(duì)代碼的分析，然后，由CPU的控制器部分依據(jù)對(duì)指令代碼的分析結(jié)果，適時(shí)地向各個(gè)部件發(fā)出完成該指令功能的所有控制信號(hào)，上述就是程序控制的概念。(4)．馮．諾依曼概念程序存儲(chǔ)及程序控制的概念，是由美籍匈牙利人馮．諾依曼提出的，因此又稱為馮．諾依曼概念。補(bǔ)充：哈佛結(jié)構(gòu)思想：將程序指令儲(chǔ)存和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存分開(kāi)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。CPU首先到程序指令儲(chǔ)存器中讀取程序指令內(nèi)容，解碼后得到數(shù)據(jù)地址，再到相應(yīng)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器中讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行下一步的操作（通常是執(zhí)行）。2.微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作過(guò)程是:

取指令(代碼)→分析指令(譯碼)→執(zhí)行指令；不斷循環(huán)上述過(guò)程。第一章微型機(jī)概述1.微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展2.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3.計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)格式(略講)3.1數(shù)制3.1.1數(shù)制的基本概念1.數(shù)制是人們利用符號(hào)來(lái)記數(shù)的科學(xué)方法，計(jì)算機(jī)中常用的數(shù)制有十進(jìn)制、二進(jìn)制、八進(jìn)制和十六進(jìn)制。（1）十進(jìn)制(decimalsystem):

有十個(gè)數(shù)碼0～9、逢十進(jìn)一。十進(jìn)制是人們最熟悉的計(jì)數(shù)體制。（2）二進(jìn)制(binarysystem):

兩個(gè)數(shù)碼:0、1,逢二進(jìn)一。二進(jìn)制為計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)表示形式。（3）八進(jìn)制(octavesystem)有八個(gè)數(shù)碼0～7、逢八進(jìn)一。（4）十六進(jìn)制(hexadecimalsystem)十六個(gè)數(shù)碼:0～9,A～F,逢十六進(jìn)一。2.不同進(jìn)位制數(shù)以下標(biāo)或后綴區(qū)別,十進(jìn)制數(shù)可不帶下標(biāo)。如:101、101D、101B、101O、101H對(duì)于用R進(jìn)制表示的數(shù)N,可以按權(quán)展開(kāi)為：（1011.01）2=1×23+0×22+1×21+1×20+0×2-1+1×2-2

（503）8=5×82+0×81+3×80

（3A8.0D）16=3×162+10×161+8×160+0×16-1+13×16-2

（543.21）10=5×102+4×101+3×100+2×10-1+1×10-2表1各種進(jìn)位制的對(duì)應(yīng)關(guān)系十進(jìn)制二進(jìn)制八進(jìn)制十六進(jìn)制十進(jìn)制二進(jìn)制八進(jìn)制十六進(jìn)制000091001119111110101012A2102211101113B3113312110014C41004413110115D51015514111016E61106615111117F71117716100002010810001083.1.2不同進(jìn)制間的相互轉(zhuǎn)換1.二、八、十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制

例1：將數(shù)(10.101)2,(46.12)8,(2D.A4)16轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制。

(10.101)2=1×21+0×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3=2.625(46.12)8=4×81+6×80+1×8-1+2×8-2=38.15625(2D.A4)16=2×161+13×160+10×16-1+4×16-2=45.64062

2.十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二、八、十六進(jìn)制數(shù)任意十進(jìn)制數(shù)N轉(zhuǎn)換成R進(jìn)制數(shù),需將整數(shù)部分和小數(shù)部分分開(kāi),采用不同方法分別進(jìn)行轉(zhuǎn)換,然后用小數(shù)點(diǎn)將這兩部分連接起來(lái)。

(1)整數(shù)部分:除基取余法。分別用基數(shù)R不斷地去除N的整數(shù),直到商為零為止,每次所得的余數(shù)依次排列即為相應(yīng)進(jìn)制的數(shù)碼。最初得到的為最低有效數(shù)字,最后得到的為最高有效數(shù)字。例2：將（168)10轉(zhuǎn)換成二、八、十六進(jìn)制數(shù)。

(2)小數(shù)部分:乘基取整法。分別用基數(shù)R(R=2、8或16）不斷地去乘N的小數(shù),直到積的小數(shù)部分為零（或直到所要求的位數(shù)）為止,每次乘得的整數(shù)依次排列即為相應(yīng)進(jìn)制的數(shù)碼。最初得到的為最高有效數(shù)字,最后得到的為最低有效數(shù)字。故：(0.645)10=(0.10100)2=(0.51217)8=(0.A51EB)16

例4：將（168.645)10轉(zhuǎn)換成二、八、十六進(jìn)制數(shù)。根據(jù)例2、例3可得（168.645)10=(10101000.10100)2

=(250.51217)8 =(A8.A51EB)163.二進(jìn)制與八進(jìn)制之間的相互轉(zhuǎn)換由于23=8,故可采用“合三為一”的原則,即從小數(shù)點(diǎn)開(kāi)始分別向左、右兩邊各以3位為一組進(jìn)行二—八換算:若不足3位的以0補(bǔ)足,便可將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制數(shù)。反之,采用“一分為三”的原則,每位八進(jìn)制數(shù)用三位二進(jìn)制數(shù)表示,就可將八進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。例5將（101011.01101)2轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制數(shù)。101011.01101053.32即（101011.01101)2=(53.32)8

例6將(123.45)8轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)。123.45001010011.100101即（123.45)8=(1010011.100101)4.二進(jìn)制與十六進(jìn)制之間的相互轉(zhuǎn)換采用“合四為一”的原則,即從小數(shù)點(diǎn)開(kāi)始分別向左、右兩邊各以4位為一組進(jìn)行二—十六換算:若不足4位的以0補(bǔ)足,便可將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)。反之,采用“一分為四”的原則,每位十六進(jìn)制數(shù)用三位二進(jìn)制數(shù)表示,就可將十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。例7將（110101.011)2轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)。00110101.011035.6即（110101.011)2=(35.6)16

例8將（4A5B.6C)16轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。4A5B.6C0100101001011011.01101100即（4A5B.6C)16=(100101001011011.011011)2

3.2二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算

3.2.1二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運(yùn)算二進(jìn)制數(shù)只有0和1兩個(gè)數(shù)字,其算術(shù)運(yùn)算較為簡(jiǎn)單,加、減法遵循“逢二進(jìn)一”、“借一當(dāng)二”的原則。1.加法運(yùn)算規(guī)則:0+0=0;0+1=1;1+0=1;1+1=10(有進(jìn)位)例1求1001B+1011B。2.減法運(yùn)算規(guī)則:0-0=0;1-1=0;1-0=1;0-1=1(有借位)例2求1100B-111B。3.乘法運(yùn)算規(guī)則:0×0=0;0×1=1×0=0;1×1=1例3求1011B×1101B。即10100101B/1111B=1011B4.除法運(yùn)算規(guī)則:0/1=0;1/1=1例4求10100101B/1111B3.2.2二進(jìn)制數(shù)的邏輯運(yùn)算1.“與”運(yùn)算

“與”運(yùn)算是實(shí)現(xiàn)“必須都有,否則就沒(méi)有”這種邏輯關(guān)系的一種運(yùn)算。運(yùn)算符為“·

”,其運(yùn)算規(guī)則如下:0·0=0,0·1=1·0=0,1·1=1

例5若X=1011B,Y=1001B,求X·Y。.即X·Y=1001B2.“或”運(yùn)算

“或”運(yùn)算是實(shí)現(xiàn)“只要其中之一有,就有”這種邏輯關(guān)系的一種運(yùn)算,其運(yùn)算符為“+”?！盎颉边\(yùn)算規(guī)則如下:0+0=0,0+1=1+0=1,1+1=1

例6若X=10101B,Y=01101B,求X+Y。101010110111101+即X+Y=11101B3.“非”運(yùn)算

“非”運(yùn)算是實(shí)現(xiàn)“求反”這種邏輯的一種運(yùn)算，如變量A的“非”運(yùn)算記作。其運(yùn)算規(guī)則如下:A例7若A=10101B,求。A4.“異或”運(yùn)算

“異或”運(yùn)算是實(shí)現(xiàn)“必須不同,否則就沒(méi)有”這種邏輯的一種運(yùn)算,運(yùn)算符為“

”。其運(yùn)算規(guī)則是:例8若X=1010B,Y=0110B,求XY。101001101100即XY=1100B

計(jì)算機(jī)在數(shù)的運(yùn)算中,不可避免地會(huì)遇到正數(shù)和負(fù)數(shù),那么正負(fù)符號(hào)如何表示呢？由于計(jì)算機(jī)只能識(shí)別0和1,因此,我們將一個(gè)二進(jìn)制數(shù)的最高位用作符號(hào)位來(lái)表示這個(gè)數(shù)的正負(fù)。規(guī)定符號(hào)位用“0”表示正,用“1”表示負(fù)。例如,X=-1101010B,Y=+1101010B,則X表示為:11101010B,Y表示為01101010B。3.3.1機(jī)器數(shù)及真值1.原碼、補(bǔ)碼、反碼補(bǔ)碼機(jī)器數(shù)（符號(hào)數(shù)）：正數(shù)：符號(hào)0＋絕對(duì)值負(fù)數(shù)：符號(hào)1＋2n－|X|2.BCD數(shù)壓縮BCD：1字節(jié)存儲(chǔ)1位BCD數(shù)非壓縮BCD：1字節(jié)存儲(chǔ)2位BCD數(shù)3.ASCII碼4.數(shù)據(jù)類(lèi)型5.浮點(diǎn)數(shù)3.3.2數(shù)的碼制1.原碼

當(dāng)正數(shù)的符號(hào)位用0表示,負(fù)數(shù)的符號(hào)位用1表示,數(shù)值部分用真值的絕對(duì)值來(lái)表示的二進(jìn)制機(jī)器數(shù)稱為原碼,用［X］原表示,設(shè)X為整數(shù)。若X=+Xn-2Xn-3…X1X0,則［X］原=0Xn-2Xn-3…X1X0=X;

若X=-Xn-2Xn-3…X1X0,則［X］原=1Xn-2Xn-3…X1X0=2n-1-X。其中,X為n-1位二進(jìn)制數(shù),Xn-2、Xn-3、…、X1、X0為二進(jìn)制數(shù)0或1。例如+115和-115在計(jì)算機(jī)中（設(shè)機(jī)器數(shù)的位數(shù)是8）其原碼可分別表示為［+115］原=01110011B;［-115］原=11110011B可見(jiàn),真值X與原碼［X］原的關(guān)系為

值得注意的是,由于［+0］原=00000000B,而［-0］原=10000000B,所以數(shù)0的原碼不唯一。

8位二進(jìn)制原碼能表示的范圍是:-127~+127。［+115］原=01110011B;［-115］原=11110011B2.反碼一個(gè)正數(shù)的反碼,等于該數(shù)的原碼;一個(gè)負(fù)數(shù)的反碼,由它的正數(shù)的原碼按位取反形成。反碼用［X］反表示。若X=-Xn-2Xn-3…X1X0,則［X］反=1Xn-2Xn-3…X1X0。例如:X=+103,則［X］反=［X］原=01100111B;X=-103,［X］原=11100111B,則［X］反=10011000B。3.補(bǔ)碼

正數(shù)的補(bǔ)碼就是它本身,

負(fù)數(shù)補(bǔ)碼的求法:用原碼求反碼,再在數(shù)值末位加1,

即:［X］補(bǔ)=［X］反+1。

8