第1章計(jì)算機(jī)概述

第1章概述本章講述以下五部分的內(nèi)容：1.180x86系列的概要?dú)v史1.2計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)1.3計(jì)算機(jī)的硬件和軟件1.4微型計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)1.5多媒體計(jì)算機(jī)第一節(jié)介紹x86系列處理器的發(fā)展概史。第二節(jié)介紹計(jì)算機(jī)的基本原理和主要的概念及術(shù)語。第三節(jié)介紹什么是微型計(jì)算機(jī)的硬件和軟件以及軟件的主要種類。第四節(jié)介紹微型計(jì)算機(jī)的內(nèi)部和外部結(jié)構(gòu)。第五節(jié)介紹多媒體計(jì)算機(jī)主要功能和組成。1.1x86系列結(jié)構(gòu)的概要?dú)v史1971年Intel400470年代中期Intel8080、808580年代初Intel8086、8088從8086（8088）到80286、80386、80486、奔騰（也稱為80586）、奔騰MMX、奔騰PRO（也稱為80686）、奔騰Ⅱ、奔騰Ⅲ，直至最新的奔騰4，形成了IA（IntelArchitecture）-32結(jié)構(gòu)。1.1.18086 x86系列結(jié)構(gòu)的最新版本的發(fā)展能追溯到Intel8086。在x86系列結(jié)構(gòu)系統(tǒng)引進(jìn)32位處理器之前，是16位的處理器，包括8086處理器和隨后很快開發(fā)的80186與80286。從歷史的觀點(diǎn)來看，x86系列結(jié)構(gòu)同時(shí)包括了16位處理器和32位處理器。在現(xiàn)在，32位x86系列結(jié)構(gòu)對(duì)于許多操作系統(tǒng)和十分廣泛的應(yīng)用程序來說是最流行的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)。 x86系列結(jié)構(gòu)的最重要的成就之一是，從1978開始的那些處理器上建立的目標(biāo)程序仍能在x86系列結(jié)構(gòu)系列的最新的處理器上執(zhí)行。 8086有16位寄存器和16位外部數(shù)據(jù)總線，具有20位地址總線，可尋址1M字節(jié)地址空間。1.1.280386 Intel386處理器是x86系列結(jié)構(gòu)系列中的第一個(gè)32位處理器。它在結(jié)構(gòu)中引入了32寄存器，用于容納操作數(shù)和地址。每個(gè)32位寄存器的后一半保留兩個(gè)早期處理器版本（8086和80286）的16位寄存器的特性，以提供完全的后向兼容。Intel386還提供了一種新的虛擬8086方式，以在新的32位處理器上最有效地執(zhí)行為8086處理器建立的程序。 Intel386處理器有32位地址總線，能支持多至4G字節(jié)的物理存儲(chǔ)器。32位結(jié)構(gòu)為每個(gè)軟件進(jìn)程提供邏輯地址空間。32位結(jié)構(gòu)同時(shí)支持分段的存儲(chǔ)模式和“平面（flat）”存儲(chǔ)模式。在“平面”存儲(chǔ)模式中，段寄存器指向相同地址，且每個(gè)段中的所有4G字節(jié)可尋址空間對(duì)于軟件程序員是可訪問的。 原始的16位指令用新的32位操作數(shù)和新的尋址方式得到增強(qiáng)，并提供了一些新的指令，包括那些位操作指令。 Intel386處理器把分頁引進(jìn)了x86系列結(jié)構(gòu)，用4K字節(jié)固定尺寸的頁提供一種虛擬存儲(chǔ)管理方法，它比分段更為優(yōu)越。分頁對(duì)于操作系統(tǒng)更為有效，且對(duì)應(yīng)用程序完全透明，對(duì)執(zhí)行速度沒有明顯影響。4G字節(jié)虛擬地址空間的支持能力、存儲(chǔ)保護(hù)與分頁支持一起，使x86系列結(jié)構(gòu)成為高級(jí)操作系統(tǒng)和廣泛的應(yīng)用程序的最流行的選擇。1.1.380486 Intel486處理器把Intel386處理器的指令譯碼和執(zhí)行單元擴(kuò)展為五個(gè)流水線段，增加了更多的并行執(zhí)行能力，其中每個(gè)段（當(dāng)需要時(shí)）與其它的并行操作最多可在不同段上同時(shí)執(zhí)行五條指令。每個(gè)段以能在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令的方式工作，所以，Intel486處理器能在每個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令。 80486的一個(gè)重大改進(jìn)是在x86系列處理器的芯片中引入了緩存。在芯片上增加了一8K字節(jié)的一級(jí)緩存（cache），大大增加了每個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令的百分比，包括操作數(shù)在一級(jí)cache中的存儲(chǔ)器訪問指令。 Intel486處理器也是第一次把x87FPU（浮點(diǎn)處理單元）集成到處理器上并增加了新的引腳、位和指令，以支持更復(fù)雜和更強(qiáng)有力的系統(tǒng)（二級(jí)cache支持和多處理器支持）。 直至Intel486處理器這一代，Intel把設(shè)計(jì)以支持電源保存和別的系統(tǒng)功能加入至X86系列主流結(jié)構(gòu)和Intel486SL增強(qiáng)的處理器中。這些特性是在Intel386SL和Intel486SL處理器中開發(fā)的，是特別為快速增長的用電池操作的筆記本PC市場(chǎng)提供的。這些特性包括新的用專用的中斷腳觸發(fā)的系統(tǒng)管理模式，允許復(fù)雜的系統(tǒng)管理特性（例如在PC內(nèi)的各種子系統(tǒng)的電源管理），透明地加至主操作系統(tǒng)和所有的應(yīng)用程序中。停止時(shí)鐘（StopClock）和自動(dòng)暫停電源下降（AutoHaltPowerdown）特性允許處理器在減慢的時(shí)鐘速率下執(zhí)行，以節(jié)省電源或關(guān)閉（保留狀態(tài)），以進(jìn)一步節(jié)省電源。1.1.4奔騰（Pentium） Intel奔騰（Pentium）處理器增加了第二個(gè)執(zhí)行流水線以達(dá)到超標(biāo)量性能（兩個(gè)已知的流水線u和v，一起工作能實(shí)現(xiàn)每個(gè)時(shí)鐘執(zhí)行兩條指令）。 芯片上的一級(jí)cache也加倍了，8K字節(jié)用于代碼，另8K字節(jié)用于數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)cache使用MESI協(xié)議，以支持更有效的回寫方式，以及由Intel486處理器使用的寫通方式。加入的分支預(yù)測(cè)和芯片上的分支表增加了循環(huán)結(jié)構(gòu)中的性能。 加入了擴(kuò)展以使虛擬8086方式更有效，并像允許4K字節(jié)頁一樣允許4M字節(jié)頁。主要的寄存器仍是32位，但內(nèi)部數(shù)據(jù)通路是128和256位以加速內(nèi)部數(shù)據(jù)傳送，且猝發(fā)的外部數(shù)據(jù)總線已經(jīng)增加至64位。增加了高級(jí)的可編程中斷控制器（AdvancedProgrammableInterruptController（APIC））以支持多奔騰處理器系統(tǒng)，新的引腳和特殊的方式（雙處理）設(shè)計(jì)以支持無連接的兩個(gè)處理器系統(tǒng)。 奔騰系列的最后一個(gè)處理器（具有MMX技術(shù)的奔騰處理器）把IntelMMX技術(shù)引入IA-32結(jié)構(gòu)。IntelMMX技術(shù)用單指令多數(shù)據(jù)（SIMD）執(zhí)行方式在包含64位MMX寄存器中的包裝的整型數(shù)據(jù)上執(zhí)行并行計(jì)算。此技術(shù)在高級(jí)媒體、影像處理和數(shù)據(jù)壓縮應(yīng)用程序上極大地增強(qiáng)了IA-32處理器的性能。1.1.5P6系列處理器 在1995年，Intel引入了P6系列處理器。此處理器系列是基于新的超標(biāo)量微結(jié)構(gòu)上的，它建立了新的性能標(biāo)準(zhǔn)。P6系列微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目的之一是在仍使用相同的0.6微米、四層金屬BICMOS制造過程的情況下使處理器的性能明顯地超過奔騰處理器，用與奔騰處理器同樣的制造過程要提高性能只能在微結(jié)構(gòu)上有實(shí)質(zhì)上的改進(jìn)。 IntelPentiumPro處理器是基于P6微結(jié)構(gòu)的第一個(gè)處理器。P6處理器系統(tǒng)隨后的成員是IntelPentiumII、IntelPentiumIIXeon（至強(qiáng)）、IntelCeleron（賽揚(yáng)）、IntelPentiumIII和IntelPentiumIIIXeon（至強(qiáng)）處理器。1.1.6奔騰II IntelPentiumII處理器把MMX技術(shù)加至P6系列處理器，并具有新的包裝和若干硬件增強(qiáng)。處理器核心包裝在了SECC上，這使其更具有了靈活的母板結(jié)構(gòu)。第一級(jí)數(shù)據(jù)和指令caches每個(gè)擴(kuò)展至16K字節(jié)，支持二級(jí)cache的尺寸為256K字節(jié)、512K字節(jié)和1M字節(jié)。 PentiumIIXeon（至強(qiáng)）處理器組合Intel處理器前一代的若干額外特性，例如4way、8way（最高）可伸縮性和運(yùn)行在“全時(shí)鐘速度”后沿總線上的2M字節(jié)二級(jí)cache，以滿足中等和高性能服務(wù)器與工作站的要求。1.1.7奔騰III PentiumIII處理器引進(jìn)流SIMD擴(kuò)展（SSE）至X86系列結(jié)構(gòu)。SSE擴(kuò)展把由IntelMMX引進(jìn)的SIMD執(zhí)行模式擴(kuò)展為新的128位寄存器和能在包裝的單精度浮點(diǎn)數(shù)上執(zhí)行SIMD操作。 PentiumIIIXeon處理器用Intel的0.18μm處理技術(shù)的全速高級(jí)傳送緩存（AdvancedTransferCache）擴(kuò)展了IA-32處理器的性能級(jí)。1.1.8IntelPentium4處理器 IntelPentium4處理器是2000年推出的ia-32處理器，并是第一個(gè)基于IntelNetBurst微結(jié)構(gòu)的處理器。IntelNetBurst微結(jié)構(gòu)是新的32bit微結(jié)構(gòu)，它允許處理器能在比以前的IA-32處理器更高的時(shí)鐘速度和性能等級(jí)上進(jìn)行操作。IntelPentium4處理器有以下高級(jí)特性： （1）IntelNetBurst微結(jié)構(gòu)的第一個(gè)實(shí)現(xiàn)。 —快速的執(zhí)行引擎。 —Hyper流水線技術(shù)。 —高級(jí)的動(dòng)態(tài)執(zhí)行。 —?jiǎng)?chuàng)新的新cache子系統(tǒng)。 （2）流SIMD擴(kuò)展2（SSE2）： —用144條新指令擴(kuò)展IntelMMX技術(shù)和SSE擴(kuò)展，它包括支持： ?128位SIMD整數(shù)算術(shù)操作。 ?128位SIMD雙精度浮點(diǎn)操作。 ?Cache和存儲(chǔ)管理操作。 —進(jìn)一步增強(qiáng)和加速了視頻、語音、加密、影像和照片處理。 （3）400MHzIntelNetBurst微結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總線。 —提供每秒3.2G字節(jié)的吞吐率（比PentiumIII處理器快三倍）。 —四倍100MHz可伸縮總線時(shí)鐘，以達(dá)到400MHz有效速度。 —分開的交易，深度流水線。 —128字節(jié)線具有64字節(jié)訪問。 （4）與在IntelX86系列結(jié)構(gòu)處理器上所寫和運(yùn)行的已存在的應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)兼容。1.1.9Intel超線程處理器 Intel公司于2002年推出了具有超線程技術(shù)的IA-32列處理器。超線程（Hyper-ThreadingHT）技術(shù)允許單個(gè)物理處理器用共享的執(zhí)行資源并發(fā)地執(zhí)行兩個(gè)或多個(gè)分別的代碼流（線程）。以提高X86系列處理器執(zhí)行多線程操作系統(tǒng)與應(yīng)用程序代碼的性能。 從體系結(jié)構(gòu)上說，支持HT技術(shù)的IA-32處理器，在一個(gè)物理處理器核中由兩個(gè)或多個(gè)邏輯處理器構(gòu)成，每個(gè)邏輯處理器有它自己擁有的IA-32體系結(jié)構(gòu)狀態(tài)。每個(gè)邏輯處理器由全部的IA-32數(shù)據(jù)寄存器、段寄存器、控制寄存器與大部分的MSR構(gòu)成。 從體系結(jié)構(gòu)上說，支持HT技術(shù)的IA-32處理器，在一個(gè)物理處理器核中由兩個(gè)或多個(gè)邏輯處理器構(gòu)成，每個(gè)邏輯處理器有它自己擁有的IA-32體系結(jié)構(gòu)狀態(tài)。每個(gè)邏輯處理器由全部的IA-32數(shù)據(jù)寄存器、段寄存器、控制寄存器與大部分的MSR構(gòu)成。 圖1-1顯示支持HT技術(shù)（用兩個(gè)邏輯處理器實(shí)現(xiàn)的）的IA-32處理器與傳統(tǒng)的雙處理器系統(tǒng)的比較。 不像用兩個(gè)或多個(gè)分別的IA-32物理處理器的傳統(tǒng)的MP系統(tǒng)配置，在支持HT技術(shù)的IA-32處理器中的邏輯處理器共享物理處理器的核心資源。這包括執(zhí)行引擎和系統(tǒng)總線接口。在上電和初始化以后，每個(gè)邏輯處理器能獨(dú)立地直接執(zhí)行規(guī)定的線程、中斷或暫停。 HT技術(shù)由在單個(gè)芯片上提供兩個(gè)或多個(gè)邏輯處理器支持在現(xiàn)代操作系統(tǒng)和高性能應(yīng)用程序中找到的進(jìn)程與線程級(jí)并行。以在每個(gè)時(shí)鐘周期期間最大地使用執(zhí)行單元。而提高了處理器的性能。1.1.10Intel雙核技術(shù)處理器 雙核技術(shù)是在IA-32處理器系列中硬件多線程能力的另一種形式。雙核技術(shù)由用在單個(gè)物理包中有兩個(gè)分別的執(zhí)行核心提供硬件多線程能力。因此，IntelPentium處理器極品版在一個(gè)物理包中提供四個(gè)邏輯處理器（每個(gè)處理器核有兩個(gè)邏輯處理器）。 IntelPentiumD處理器也以雙核技術(shù)為特色。此處理器用雙核技術(shù)提供硬件多線程支持，但它不提供超線程技術(shù)。因此，IntelPentiumD處理器在一個(gè)物理包中提供兩個(gè)邏輯處理器，每個(gè)邏輯處理器擁有處理器核的執(zhí)行資源，如圖1-2所示。 Intel奔騰處理器極品版中引入了Intel擴(kuò)展的存儲(chǔ)器技術(shù)（IntelEM64T）對(duì)于軟件增加線性地址空間至64位與支持物理地址空間至40位。此技術(shù)也引進(jìn)了稱為IA-32e模式的新的操作模式。 AMD公司是x86系列處理器的另一重要供應(yīng)商。它于1969年成立。于1991年推出了AM386系列，1993年推出了AM486，1997年推出了AMD-K6（相當(dāng)于具有MMX技術(shù)的奔騰處理器），2001年推出了AMDAthlon(速龍)MP雙處理器，2003年推出AMD速龍?64FX處理器，具有64位的x86-64內(nèi)核。直至最近推出了雙核的64位處理器。1.2計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

1.2.1計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

上述的CPU、主板、內(nèi)存條、硬盤、軟盤、顯示卡、顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)等。這些都是計(jì)算機(jī)的部件，雖然這些部件的功能與性能都有了巨大的發(fā)展，但是計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)未變，如圖1-7所示。計(jì)算機(jī)最早是作為運(yùn)算工具出現(xiàn)的。顯然，它首先要有能進(jìn)行運(yùn)算的部件，稱為運(yùn)算器；其次要有能記憶原始題目、原始數(shù)據(jù)和中間結(jié)果以及為了使機(jī)器能自動(dòng)進(jìn)行運(yùn)算而編制的各種命令的器件，這種器件就稱為存儲(chǔ)器；再次，要有能代替人的控制作用的控制器，它能根據(jù)事先給定的命令發(fā)出各種控制信息，使整個(gè)計(jì)算過程能一步步地自動(dòng)進(jìn)行。但是光有運(yùn)算器、控制器和存儲(chǔ)器還不夠，原始的數(shù)據(jù)與命令要輸入，所以需要有輸入設(shè)備；而計(jì)算的結(jié)果(或中間過程)需要輸出，就要有輸出設(shè)備。這樣就構(gòu)成了一個(gè)基本的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。在計(jì)算機(jī)中，基本上有兩種信息在流動(dòng)。一種信息為數(shù)據(jù)，即各種原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、程序等。這些數(shù)據(jù)要由輸入設(shè)備輸入，存于存儲(chǔ)器中。在運(yùn)算處理過程中，數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器讀入運(yùn)算器進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算的中間結(jié)果要存入存儲(chǔ)器中，或最后由運(yùn)算器經(jīng)輸出設(shè)備輸出。人們給計(jì)算機(jī)的各種命令(即程序)，也以數(shù)據(jù)的形式由輸入設(shè)備存至存儲(chǔ)器中。在運(yùn)行時(shí)從存儲(chǔ)器中取出送入控制器，由控制器經(jīng)過譯碼后變?yōu)楦鞣N控制信號(hào)。這就是計(jì)算機(jī)中的另一種信息流即控制命令，由控制器控制輸入裝置的啟動(dòng)或停止?？刂七\(yùn)算器按規(guī)定一步步地進(jìn)行各種運(yùn)算和處理，控制存儲(chǔ)器的讀和寫，控制輸出設(shè)備輸出結(jié)果等等。圖1-7中的各個(gè)部分構(gòu)成了計(jì)算機(jī)的硬件(Hardware)。在上述的計(jì)算機(jī)硬件中，往往把運(yùn)算器、控制器和存儲(chǔ)器合在一起稱為計(jì)算機(jī)的主機(jī)；而把各種輸入輸出設(shè)備統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)的外圍設(shè)備或外部設(shè)備（Peripheral）。在主機(jī)部分中，又把運(yùn)算器和控制器合在一起稱為中央處理單元CPU(CentralProcessingUnit)。隨著半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的發(fā)展，可以把整個(gè)CPU集成在一個(gè)集成電路芯片上，就把它稱為微處理器(Microprocessor)。人們把以微處理器為核心構(gòu)成的計(jì)算機(jī)，稱為微型計(jì)算機(jī)，最典型的就是上述的PC機(jī)。若內(nèi)存的容量較小，輸入輸出設(shè)備少，整個(gè)計(jì)算機(jī)可以只安裝在一塊印刷電路板上，這樣的計(jì)算機(jī)就稱為單板計(jì)算機(jī)。若能把整個(gè)計(jì)算機(jī)集成在一個(gè)芯片上，就稱為單片機(jī)。但不論計(jì)算機(jī)的規(guī)模大小，CPU只是計(jì)算機(jī)的一個(gè)部件。必須同時(shí)具有CPU、存儲(chǔ)器和輸入輸出設(shè)備，才能構(gòu)成一臺(tái)計(jì)算機(jī)。1.2.2常用的名詞術(shù)語和二進(jìn)制編碼位、字節(jié)、字及字長位、字節(jié)、字及字長是計(jì)算機(jī)常用的名詞術(shù)語。(1)位(Bit)“位”是指一個(gè)二進(jìn)制位。它是計(jì)算機(jī)中信息存儲(chǔ)的最小單位，一般用b表示。(2)字節(jié)(Byte)“字節(jié)”是指相鄰的8個(gè)二進(jìn)制位。(3)字(Word)和字長“字”是計(jì)算機(jī)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞、處理的基本單位。通常它與計(jì)算機(jī)內(nèi)部的寄存器、運(yùn)算裝置、總線寬度相一致。一個(gè)字所包含的二進(jìn)制位數(shù)稱為字長。常見的微型計(jì)算機(jī)的字長有8位、16位、32位和64位。數(shù)字編碼 計(jì)算機(jī)中的數(shù)用二進(jìn)制表示。計(jì)算機(jī)中的十進(jìn)制數(shù)的每一位用若干位二進(jìn)制表示，這就是二進(jìn)制編碼。即十進(jìn)制數(shù)的二進(jìn)制編碼，簡(jiǎn)稱二-十進(jìn)制編碼(BCD)。3.字符編碼同樣，字母、數(shù)字、符號(hào)等各種字符也必須按照特定的規(guī)則用二進(jìn)制編碼才能在計(jì)算機(jī)中表示。字符編碼的方式很多，世界上最普遍采用的一種字符編碼是ASCII碼（美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)碼）。ASCII碼用7位二進(jìn)制編碼，它有128種組合，可以表示128種字符。包括0～9，十個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字字符，大、小寫英文字母（72個(gè)），常用標(biāo)點(diǎn)符號(hào)和各種控制字符。 在計(jì)算機(jī)中用一個(gè)字節(jié)表示一個(gè)ASCII碼字符，即在7位ASCII前最高位置為0。例如，00110000～00111001(即30H~39H)是數(shù)字0~9的ASCII碼，而01000001～01011010(即41H~5AH)是大寫英文字母A~Z的ASCII碼。詳見ASCII字符表。4.漢字編碼用計(jì)算機(jī)處理漢字，每個(gè)漢字必須用代碼表示。鍵盤輸入漢字是輸入漢字的外部碼。外部碼必須轉(zhuǎn)換為內(nèi)部碼才能在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。為了將漢字以點(diǎn)陣的形式輸出，還要將內(nèi)部碼轉(zhuǎn)換為字形碼。不同的漢字處理系統(tǒng)之間交換信息采用交換碼。(1)外部碼 漢字主要是從鍵盤輸入，每個(gè)漢字對(duì)應(yīng)一個(gè)外部碼，外部碼是計(jì)算機(jī)輸入漢字的代碼，是代表某一個(gè)漢字的一組鍵盤符號(hào)。外部碼也叫輸入碼。漢字的輸入方法不同，同一個(gè)漢字的外部碼可能不一樣。(2)內(nèi)部碼 漢字內(nèi)部碼也稱漢字內(nèi)碼或漢字機(jī)內(nèi)碼。在不同的漢字輸入方案中，同一漢字的外部碼不同，但同一漢字的內(nèi)部碼是惟一的。內(nèi)部碼通常是用其在漢字字庫中的物理位置表示，可以用漢字在漢字字庫中的序號(hào)或者用漢字在漢字字庫中的存儲(chǔ)位置表示。漢字在計(jì)算機(jī)中至少要用兩個(gè)字節(jié)表示(有用三字節(jié)、四字節(jié)表示的)，在微型計(jì)算機(jī)中常用的是兩字節(jié)漢字內(nèi)碼。(3)交換碼 計(jì)算機(jī)之間或計(jì)算機(jī)與終端之間交換信息時(shí)，要求其間傳送的漢字代碼信息要完全一致。為此，國家根據(jù)漢字的常用程度定出了一級(jí)和二級(jí)漢字字符集，并規(guī)定了編碼，這就是國標(biāo)GB2312-80《信息交換用漢字編碼字符集基本集》，GB231280中漢字的編碼即國標(biāo)碼。該標(biāo)準(zhǔn)編碼字符集共收錄漢字和圖形符號(hào)7445個(gè)。(4)輸出碼 漢字輸出碼又稱漢字字形碼或漢字發(fā)生器的編碼。眾所周知，漢字無論字形有多少變化，也無論筆劃有多有少，都可以寫在一個(gè)方塊中；一個(gè)方塊可以看作m行n列的矩陣，稱為點(diǎn)陣。一個(gè)m行n列的點(diǎn)陣共有m×n個(gè)點(diǎn)。例如16×16點(diǎn)陣的漢字，共有256個(gè)點(diǎn)。每個(gè)點(diǎn)可以是黑點(diǎn)或者非黑點(diǎn)，凡是筆劃經(jīng)過的點(diǎn)用黑點(diǎn)，于是利用點(diǎn)陣描繪出了漢字字形，漢字的點(diǎn)陣字形在計(jì)算機(jī)中稱為字模。如圖1-8表示漢字“中”的16×16點(diǎn)陣字模。1.2.3指令、程序和指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的幾個(gè)主要部件構(gòu)成了計(jì)算機(jī)的硬件的基礎(chǔ)。但是，光有硬件，還只是具有了計(jì)算的可能。計(jì)算機(jī)要真正能夠進(jìn)行計(jì)算還必須要有軟件的配合,首先是各種程序(Program)。計(jì)算機(jī)所以能脫離人的直接干預(yù)，自動(dòng)地進(jìn)行計(jì)算，這是由于人把實(shí)現(xiàn)計(jì)算的一步步操作用命令的形式——即一條條指令(Instruction)預(yù)先輸入到存儲(chǔ)器中，在執(zhí)行時(shí)，機(jī)器把這些指令一條條地取出來，加以翻譯和執(zhí)行。計(jì)算機(jī)的運(yùn)算是通過取數(shù)、送數(shù)、相加、存數(shù)等操作實(shí)現(xiàn)的。把要求計(jì)算機(jī)執(zhí)行的各種操作用命令的形式寫下來，這就是指令。通常一條指令對(duì)應(yīng)著一種基本操作。一臺(tái)計(jì)算機(jī)能執(zhí)行什么樣的操作，能做多少種操作，是由設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)時(shí)所規(guī)定的指令系統(tǒng)決定的。一條指令，對(duì)應(yīng)著一種基本操作；計(jì)算機(jī)所能執(zhí)行的全部指令，就是計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)(InstructionSet)，這是計(jì)算機(jī)所固有的。在使用計(jì)算機(jī)時(shí)，必須把要解決的問題編成一條條指令，這些指令的集合就稱為程序。用戶為解決自己的問題所編制的程序，稱為源程序(SourceProgram)。指令通常分成操作碼(Opcode即operationcode)和操作數(shù)(Operand)兩大部分。操作碼表示計(jì)算機(jī)執(zhí)行什么操作；操作數(shù)指明參加操作的數(shù)的本身或操作數(shù)所在的地址。因?yàn)橛?jì)算機(jī)只認(rèn)得二進(jìn)制數(shù)碼，所以計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)中的所有指令，都必須以二進(jìn)制編碼的形式來表示。計(jì)算機(jī)發(fā)展初期，就是用指令的機(jī)器碼直接來編制用戶的源程序，這就是機(jī)器語言階段。但是機(jī)器碼是由一連串的0和1組成的，沒有明顯的特征，不好記憶，不易理解，易出錯(cuò)。所以，編寫程序成為一種十分困難而且十分繁瑣的工作。因而，逐漸進(jìn)入了匯編語言階段。用戶用匯編語言(操作碼用助記符代替，操作數(shù)也用一些符號(hào)來表示)編寫源程序。1.2.4初級(jí)計(jì)算機(jī)為簡(jiǎn)化，先用模型機(jī)分析計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖1-9是微型計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)圖，它是由微處理器(CPU)、存儲(chǔ)器、接口電路組成，通過三條總線(BUS)——地址總線(AddressBus)，控制總線(ControlBus)和雙向數(shù)據(jù)總線(DataBus)來連接。CPU的結(jié)構(gòu) 模型機(jī)的CPU結(jié)構(gòu)，如圖1-10所示。算術(shù)邏輯單元ALU(ArithmeticLogicUnit)是執(zhí)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算的裝置，它以累加器AL(Accumulator)的內(nèi)容作為一個(gè)操作數(shù)；另一個(gè)操作數(shù)由內(nèi)部數(shù)據(jù)總線供給，可以是寄存器(Register)BL中的內(nèi)容，也可以是由數(shù)據(jù)寄存器DR(DataRegister)供給的由內(nèi)存讀出的內(nèi)容等；操作的結(jié)果通常放在累加器AL中。F(Flag)是標(biāo)志寄存器，由一些標(biāo)志位組成。PC程序計(jì)數(shù)器，提供要執(zhí)行的指令的地址。AR(AddressRegister)是地址寄存器，由它把要尋址的單元的地址(可以是指令——?jiǎng)t地址由PC提供；也可以是數(shù)據(jù)——?jiǎng)t地址要由指令中的操作數(shù)部分給定)通過地址總線，送至存儲(chǔ)器。從存儲(chǔ)器中取出的指令，由數(shù)據(jù)寄存器送至指令寄存器IR(InstructionRegister)，經(jīng)過指令譯碼器ID(InstructionDecoder)譯碼，通過控制電路，發(fā)出執(zhí)行一條指令所需要的各種控制信息。存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)如圖1-11所示。它由256個(gè)存儲(chǔ)單元組成，為了能區(qū)分不同的存儲(chǔ)單元，對(duì)這些存儲(chǔ)單元分別編了號(hào)，用兩位十六進(jìn)制數(shù)表示，這就是它們的地址如00H、01H、02H、…、FFH等；而每一個(gè)存儲(chǔ)單元可以存放8位二進(jìn)制信息(通常也用兩位十六進(jìn)制數(shù)表示)，就是它們的內(nèi)容。存儲(chǔ)器中的不同存儲(chǔ)單元，是由地址總線上送來的地址(8位二進(jìn)制數(shù))，經(jīng)過存儲(chǔ)器中的地址譯碼器來尋找的(每給定一個(gè)地址號(hào)，可從256個(gè)存儲(chǔ)單元中找到相應(yīng)于這個(gè)地址號(hào)的某一存儲(chǔ)單元)，然后就可以對(duì)這個(gè)存儲(chǔ)單元的內(nèi)容進(jìn)行讀或?qū)懙牟僮鳌?1)讀操作若已知在04號(hào)存儲(chǔ)單元中，存的內(nèi)容為10000100即84H，若要把它讀出至數(shù)據(jù)總線上，則要求CPU的地址寄存器先給出地址號(hào)04，然后通過地址總線送至存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器中的地址譯碼器對(duì)它進(jìn)行譯碼，找到04號(hào)存儲(chǔ)單元；再要求CPU發(fā)出讀的控制命令，于是04號(hào)存儲(chǔ)單元的內(nèi)容84H就出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上，由它送至數(shù)據(jù)寄存器DR，如圖1-12所示。(2)寫操作若要把數(shù)據(jù)寄存器中的內(nèi)容26H寫入到10號(hào)存儲(chǔ)單元，則要求CPU的AR地址寄存器先給出地址10，通過地址總線(AB)送至存儲(chǔ)器，經(jīng)譯碼后找到10號(hào)存儲(chǔ)單元；然后把DR數(shù)據(jù)寄存器中的內(nèi)容26H經(jīng)數(shù)據(jù)總線(DB)送給存儲(chǔ)器；且CPU發(fā)出寫的控制命令，于是數(shù)據(jù)總線上的信息26H就可以寫入到10號(hào)存儲(chǔ)單元中，如圖1-13所示。信息寫入后，在沒有新的信息寫入以前，該信息是一直保留的，而且我們的存儲(chǔ)器的讀出是非破壞性的，即信息讀出后存儲(chǔ)單元的內(nèi)容不變。執(zhí)行過程若程序已經(jīng)存放在內(nèi)存中，大部分8位機(jī)執(zhí)行過程就是取指(取出指令)和執(zhí)行（執(zhí)行指令）這兩個(gè)階段的循環(huán)。機(jī)器從停機(jī)狀態(tài)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，要把第一條指令所在的地址賦給PC，然后就進(jìn)入取指階段。在取指階段從內(nèi)存中讀出的內(nèi)容必為指令，所以DR把它送至IR，然后由指令譯碼器譯碼，就知道此指令要執(zhí)行什么操作，在取指階段結(jié)束后就進(jìn)入執(zhí)行階段。當(dāng)一條指令執(zhí)行完以后，就進(jìn)入到了下一條指令的取指階段，這樣的循環(huán)一直進(jìn)行到程序結(jié)束(遇到停機(jī)指令)。1.2.5簡(jiǎn)單程序舉例1.2.6尋址方式在上例中，操作數(shù)就包含在指令中，但是更一般的情況是操作數(shù)在存儲(chǔ)器中的某一單元，例如操作數(shù)是前面操作的中間結(jié)果。上例中的和是放在累加器中，但若還要進(jìn)行別的運(yùn)算，則必須把和放到存儲(chǔ)器中暫時(shí)存放。于是就存在一個(gè)如何尋找操作數(shù)的問題，這就是尋址方式。立即尋址(ImmediateAddressing)

上例中的操作數(shù)就包含在指令中，這種規(guī)定操作數(shù)的方式，稱為立即尋址。指令中的操作數(shù)稱為立即數(shù)。2.寄存器尋址(RegisterAddressing)

若操作數(shù)在某一寄存器中，這種尋址方式就稱為寄存器尋址。

3.直接尋址(DirectAddressing)在這種尋址方式中，指令的操作數(shù)字段不是操作數(shù)本身，而是操作數(shù)所在的地址，它是把地址所指的存儲(chǔ)單元的內(nèi)容送至累加器AL，如圖1-19所示。由于在這種尋址方式中，指令中包含操作數(shù)的直接地址，故稱為直接尋址。4.寄存器間接尋址(RegisterIndirectAddressing)這種尋址方式與寄存器尋址方式不同，它不是把寄存器BL中的內(nèi)容作為操作數(shù)送AL，而是把BL中的內(nèi)容作為操作數(shù)的地址，把此地址所指的內(nèi)存單元的內(nèi)容送AL，如圖1-20所示。在這種尋址方式，操作數(shù)的地址并不直接在指令中，而是在某一個(gè)寄存器中，故稱為間接尋址。1.2.7分支在程序執(zhí)行時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生許多條件，要按條件執(zhí)行不同的操作。也有許多操作要重復(fù)執(zhí)行。于是程序直線執(zhí)行的情況很少，而是要根據(jù)條件執(zhí)行分支或循環(huán)。這就需要有分支和循環(huán)指令。無條件轉(zhuǎn)移(UnconditionalJump)

無條件轉(zhuǎn)移的指令的格式為：

JMP n

這條指令的功能是把n賦給PC，于是程序就無條件地轉(zhuǎn)移到地址n開始的程序段去。2.條件轉(zhuǎn)移(ConditionalJump)程序中更多的情況是：要根據(jù)上面的指令運(yùn)行的結(jié)果，判斷它是否滿足一定的條件，若滿足則轉(zhuǎn)移，不滿足則順序繼續(xù)執(zhí)行。為確定是否滿足條件，機(jī)器中為此設(shè)立了一些判斷條件的標(biāo)志。主要的標(biāo)志有：Z(Zero)標(biāo)志——零標(biāo)志。若指令的運(yùn)行結(jié)果為零(即8位全為0)則Z=1；否則Z=0。C(Carry)標(biāo)志——進(jìn)位標(biāo)志。若在加法運(yùn)算時(shí)最高位(bit7)向前有進(jìn)位，或在減法運(yùn)算時(shí)最高位向前有借位，則C=1；否則C=0。S(Sign)標(biāo)示——符號(hào)標(biāo)志。若運(yùn)算的結(jié)果為負(fù)(bit7=1)，則S=1；否則S=0。3.算術(shù)和邏輯運(yùn)算指令邏輯運(yùn)算是指兩個(gè)操作數(shù)按位進(jìn)行指定的邏輯操作。(1)“與”運(yùn)算即凡是與0進(jìn)行邏輯“與”運(yùn)算的位結(jié)果為0，而與1進(jìn)行“與”運(yùn)算的位結(jié)果不變。所以，可用邏輯“與”屏蔽掉一些位(即使一些位為0)，保留一些位。(2)“或”運(yùn)算凡是與0進(jìn)行邏輯“或”運(yùn)算的位結(jié)果維持不變，而與1進(jìn)行“或”運(yùn)算的結(jié)果為1。所以，可用邏輯“或”使某些位置“1”。(3)“異或”運(yùn)算兩個(gè)相同的位“異或”的結(jié)果為0，否則為1。故利用對(duì)同一個(gè)數(shù)做“異或”運(yùn)算，可對(duì)操作數(shù)清0；也可利用”異或”運(yùn)算來檢驗(yàn)兩個(gè)操作數(shù)是否相同。1.3計(jì)算機(jī)的硬件和軟件上述的計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)構(gòu)成了計(jì)算機(jī)的硬件。但是要計(jì)算機(jī)正確地運(yùn)行以解決各種問題，必須給它編制各種程序。為了運(yùn)行、管理和維修計(jì)算機(jī)所編制的各種程序的總和就稱為軟件。軟件的種類很多，各種軟件發(fā)展的目的都是為了擴(kuò)大計(jì)算機(jī)的功能和方便用戶，使用戶編制解決用戶的各種問題的源程序更為方便、簡(jiǎn)單和可靠。1.3.1系統(tǒng)軟件在計(jì)算機(jī)發(fā)展的初期，人們是用機(jī)器指令碼(二進(jìn)制編碼)來編寫程序的，這就稱為機(jī)器語言。用助記符代替操作碼，用符號(hào)來代替地址，這就是匯編語言階段。但用匯編語言寫的源程序在機(jī)器中還必須經(jīng)過翻譯，變成用機(jī)器碼表示的程序(稱為目標(biāo)程序——ObjectProgram)，機(jī)器才能識(shí)別和執(zhí)行。能執(zhí)行這樣的功能的程序就稱為匯編程序(Assembler)。為更便于用戶編寫程序，開發(fā)了各種高級(jí)語言。高級(jí)語言易于理解、學(xué)習(xí)和掌握；用戶用高級(jí)語言編寫程序也就方便多了，大大減少了工作量。但是在計(jì)算機(jī)執(zhí)行時(shí)，仍必須把用高級(jí)語言編寫的源程序翻譯成用機(jī)器指令表示的目標(biāo)程序才能執(zhí)行，這樣就需要有各種解釋程序(Interpreter)。隨著計(jì)算機(jī)本身的發(fā)展(更快速，容量更大)，以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及和推廣，計(jì)算機(jī)的操作也就由手工操作方式(用戶直接通過控制臺(tái)操作運(yùn)行機(jī)器)，過渡到多道程序成批地在計(jì)算機(jī)中自動(dòng)運(yùn)行方式，于是就出現(xiàn)了控制計(jì)算機(jī)中的所有資源(CPU、存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備以及計(jì)算機(jī)中的各種軟件)，使多道程序能成批地自動(dòng)運(yùn)行，并且充分發(fā)揮各種資源的最大效能的操作系統(tǒng)(OperatingSystem)。這些為了使用和管理計(jì)算機(jī)由機(jī)器的設(shè)計(jì)者提供的軟件，統(tǒng)稱為系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)軟件包括： (1)各種語言和它們的匯編或解釋、編譯程序； (2)機(jī)器的監(jiān)控管理程序(Monitor)、調(diào)試程序(Debug)、故障檢查和診斷程序； (3)程序庫。為了擴(kuò)大計(jì)算機(jī)的功能，便于用戶使用，機(jī)器中設(shè)置了各種標(biāo)準(zhǔn)子程序，這些子程序的總和就形成了程序庫； (4)操作系統(tǒng)。1.3.2應(yīng)用軟件用戶利用計(jì)算機(jī)以及計(jì)算機(jī)所提供的各種系統(tǒng)軟件，編制解決用戶各種實(shí)際問題的程序，這些程序就稱為應(yīng)用軟件。應(yīng)用軟件也可以逐步標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、逐步形成了解決各種典型問題的應(yīng)用程序的組合，稱為軟件包(Package)。1.3.3支撐軟件支撐軟件又稱支持軟件，如數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等。為了便于用戶根據(jù)需要建立自己的數(shù)據(jù)庫，詢問、顯示、修改數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容，輸出打印各種表格等，這就建立了數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DataBaseManagementSystem)、報(bào)表、字處理等支撐軟件。上述各種形式的程序，它們存儲(chǔ)在各種存儲(chǔ)介質(zhì)中，例如紙帶、卡片、磁盤、磁帶等，故統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)的軟件?？傊?，計(jì)算機(jī)的硬件建立了計(jì)算機(jī)應(yīng)用的物質(zhì)基礎(chǔ)；而各種軟件則擴(kuò)大了計(jì)算機(jī)的功能，擴(kuò)大了它的應(yīng)用范圍，以及便于用戶使用。硬件與軟件的結(jié)合才形成一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。1.4微型計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)運(yùn)算器與控制器是系統(tǒng)的核心，稱為CPU。把整個(gè)運(yùn)算器控制器即CPU集成在一個(gè)芯片上的CPU，稱之為微處理器(MicroProcessor)。CPU本身