信息處理技術(shù)員教程

會希賽網(wǎng)信息處理技術(shù)員會希賽網(wǎng)信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html會希賽網(wǎng)會希賽網(wǎng)工YY^iWieduchViCn信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html信息處理技術(shù)員教程第1章計算機硬件基礎(chǔ)計算機硬件基礎(chǔ)知識歷來都是信息處理技術(shù)員考試的一個重點。從歷年考題分?jǐn)?shù)的分布來看，每年的分值都在10分左右。主要涉及到數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)運算、主板的結(jié)構(gòu)、CPU的組成、存儲器以及常用I/O設(shè)備等。本章在考綱中涉及到的考點如下：（1）數(shù)據(jù)運算。掌握各種進(jìn)制之間互相轉(zhuǎn)換，掌握常用的邏輯運算，掌握補碼表示法進(jìn)行加減運算。（2）數(shù)據(jù)表示。掌握帶符號定點數(shù)的原碼、反碼及補碼表示法，理解浮點數(shù)的表示方法，理解常用的二/十進(jìn)制編碼，理解ASCII碼表示原理，掌握漢字編碼原理。（3）主板的結(jié)構(gòu)。了解主板上的主要電子組件、插座和接口的名稱、類型、位置和基本特性。（4）CPU的組成。了解馮.諾依曼計算機的特點，掌握CPU的基本構(gòu)成及各部分的功能，理解指令在CPU中的執(zhí)行過程。（5）存儲器。了解存儲器的分類方法，理解"Cache-主存-輔存"三級存儲系統(tǒng)的原理，了解主存儲器基本構(gòu)成，掌握存儲器主要指標(biāo)的計算，了解常用RAID系統(tǒng)的功能。（6）常用I/O設(shè)備。了解常用的I/O設(shè)備分類，重點掌握顯示器、打印機、硬盤、鼠標(biāo)的原理、構(gòu)成、分類、性能標(biāo)準(zhǔn)等。計算機概述計算機是一種能自動、高速、正確地完成數(shù)值計算、數(shù)據(jù)處理和實施控制等功能的電子設(shè)備。它能接收輸入的數(shù)字信息，按照內(nèi)部存儲的指令序列去處理，并將產(chǎn)生的結(jié)果輸出。1946年2月，世界上第一臺計算機ENIAC誕生在美國，經(jīng)過60多年的發(fā)展，計算機的運算能力、外形結(jié)構(gòu)及應(yīng)用領(lǐng)域等都發(fā)生了極大的變化。計算機是20世紀(jì)人類最重要的科學(xué)技術(shù)發(fā)明之一，它的誕生、發(fā)展和應(yīng)用徹底改變了人類社會的生產(chǎn)和生活方式。計算機的組成部件一個完整的計算機系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，如圖1-1所示?！溉霍洹钢杏[姓瑋嵐4「內(nèi)療隔珞《《界博腓，LWi甲Lb諦器《R恩”3晚件串維L卦療.房翳‘碘我,Aft,幻曲等,輸入總靠￡位找.限林、捫描父.附像人力：一輸出出品f顯示舞.打印機.四瞰箸口計算―]「系途;*ft11Xri-.Windnw?.Un附『能作包崗,1所田軾已「口正黑、Pho｛聞lOfTH?圖1-1計算機系統(tǒng)組成1.馮?諾依曼計算機的特點60多年來，盡管計算機性能發(fā)生了翻天覆地的變化，但是其基本體系結(jié)構(gòu)和工作原理并沒有太大的改變，仍然遵循馮?諾依曼1946年6月在《關(guān)于電子計算裝置邏輯結(jié)構(gòu)初探》報告中提出的設(shè)計思路。主要內(nèi)容如下。（1）計算機（指硬件）由運算器、存儲器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大基本部件組成。（2）計算機內(nèi)部采用二進(jìn)制數(shù)來表示程序和數(shù)據(jù)。（3）將編寫好的程序和原始數(shù)據(jù)預(yù)先存入存儲器中，然后再啟動計算機工作，使計算二i二i希賽網(wǎng)工YY^iWieduchViCn信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html二i二i希賽網(wǎng)工YY^iWieduchViCn信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html希賽網(wǎng)Yv^WieduchViCn希賽網(wǎng)Yv^WieduchViCn信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html機在不需要人工干預(yù)的情況下，自動、高速地從存儲器中提取指令并執(zhí)行，這就是存儲程序的原理。按照上述思路設(shè)計的計算機稱為馮?諾依曼計算機，隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，也暴露出這種計算機的一些缺點，目前已出現(xiàn)了一些突破馮?諾依曼結(jié)構(gòu)的計算機，統(tǒng)稱為非馮?諾依曼結(jié)構(gòu)計算機，如數(shù)據(jù)驅(qū)動的數(shù)據(jù)流計算機、需求驅(qū)動的歸約計算機和模式匹配驅(qū)動的智能計算機等。計算機的硬件系統(tǒng)組成計算機的基本部件有運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備，它們通過總線互聯(lián)，就構(gòu)成了計算機的硬件系統(tǒng)，如圖1-2所示。圖1-2計算機硬件系統(tǒng)中央處理器（CPU）是運算器和控制器的合稱，它是硬件系統(tǒng)的核心。存儲器包括主存儲器和輔助存儲器。其中，主存儲器與CPU稱為主機，輔助存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備稱為外部設(shè)備。外部設(shè)備種類繁多，它們通過適配器（轉(zhuǎn)換器）與主機相連接。（1）CPU（中央處理器）。主要工作是執(zhí)行指令，按照指令的要求對數(shù)據(jù)進(jìn)行運算和口處理，這部分工作由運算器和控制器分工合作完成。運算器由算術(shù)邏輯部件（ALU）、寄存器組以及一些控制電路組成。其中ALU是主要部件，它的核心是加法器，任何運算都可以轉(zhuǎn)化為加法運算，寄存器組保存參與運算的數(shù)據(jù)及結(jié)果?？刂破髫?fù)責(zé)對指令進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生一系列控制信號，指揮和協(xié)調(diào)計算機的各個部件有序工作。它一般包括下述部件。①指令寄存器IR.存放正在執(zhí)行的指令，以便在整個指令執(zhí)行過程中，實現(xiàn)一條指令的全部功能控制。②指令譯碼器ID.又稱操作碼譯碼器，它對指令寄存器IR中的指令進(jìn)行分析，確定指令類型、指令所要完成的操作以及尋址方式等，并產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號提供給微操作信號發(fā)生器。③程序計數(shù)器PC.又稱指令計數(shù)器或指令指針（IP），在某些類型的計算機中用來存放正在執(zhí)行的指令地址。在大多數(shù)機器中則存放將要執(zhí)行的下一條指令的地址。④微操作信號發(fā)生器。它根據(jù)指令譯碼器id產(chǎn)生的操作信號、時序電路產(chǎn)生的時序信號，以及各個功能部件反饋的狀態(tài)信號等，產(chǎn)生執(zhí)行指令所需的全部微操作控制信號，形成特定的微操作序列，從而實現(xiàn)對指令的執(zhí)行控制。（2）主存儲器。簡稱主存，用于存放當(dāng)前執(zhí)行的程序和需要使用的數(shù)據(jù)，存取速度快，CPU可直接訪問。其基本結(jié)構(gòu)如圖1-3所示，主要包括下述基本部件。3希賽網(wǎng)3希賽網(wǎng)'YY^WieduchViCn信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html3希賽網(wǎng)3希賽網(wǎng)'YY^WieduchViCn信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html信息處理技術(shù)員信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html》希賽網(wǎng)■科宜用duGit—gm詼寫控同電路地址寄仃器地引岸謁器詼寫控同電路地址寄仃器地引岸謁器圖1-3主存儲器結(jié)構(gòu)示意圖①存儲體。是指存放信息的實體，由若干存儲單元組成，每個存儲單元存放一串二進(jìn)制數(shù)。存儲單元的編號稱為存儲地址，簡稱地址。②地址寄存器。接收并保存CPU發(fā)送的內(nèi)存地址。③地址譯碼器。將地址寄存器中的地址轉(zhuǎn)換為使對應(yīng)單元被選中的信號。④數(shù)據(jù)緩沖寄存器。位于CPU和存儲器之間，暫存存儲器中準(zhǔn)備讀寫的數(shù)據(jù)。⑤讀寫控制電路。接收CPU送來的讀/寫命令，并把這些命令轉(zhuǎn)換為控制整個存儲器協(xié)調(diào)工作的時序信號。（3）外存儲器。也稱輔助存儲器，其特點是存儲容量大、成本低，可脫機保存信息，但CPU不可以直接訪問。常見的外存儲器包括軟盤存儲器、硬盤存儲器、光盤存儲器、移動硬盤以及U盤等。（4）高速緩沖存儲器。簡稱Cache,它是位于CPU和主存儲器之間，規(guī)模較小但速度很高的存儲器用于保存主存儲器中一部分內(nèi)容的拷貝。當(dāng)主機讀寫數(shù)據(jù)時首先訪問Cache,只有在Cache中不含所需數(shù)據(jù)時，CPU才會訪問主存，從而很好地解決了CPU和主存之間的速度匹配問題。（5）外部設(shè)備。也稱外圍設(shè)備，主要包括輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。常用外部設(shè)備包括鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機、繪圖儀及掃描儀等。外部設(shè)備與CPU、主存等設(shè)備不同，有其自身特點種類繁多，速度遠(yuǎn)低于CPU,數(shù)據(jù)形式多種多樣，所以不能和主機直接相連。連接時除其本身的控制驅(qū)動電路外，還需要接口電路（適配器）。（6）總線。是連接計算機中各部件的數(shù)據(jù)通路，實現(xiàn)各部件之間的信息交流，其主要特征是共享傳輸介質(zhì)。如圖1-4所示，總線通常包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線，不同總線的根數(shù)各不相同，每根線能夠傳送一位二進(jìn)制數(shù)。法寫控制電路圖1-4總線結(jié)構(gòu)圖數(shù)據(jù)總線是系統(tǒng)中各模塊傳遞數(shù)據(jù)的通道，典型的數(shù)據(jù)總線包含8、16、32、64根線。線的根數(shù)稱為數(shù)據(jù)總線的寬度，它反映了處理器的數(shù)據(jù)吞吐量。地址總線用于指明數(shù)據(jù)傳送的源地址和目的地址，其寬度決定了系統(tǒng)能夠擁有的最大主存空間。除了訪問主存，地址線一般也訪問I/O端口?？刂瓶偩€用于控制數(shù)據(jù)傳送的方式、方向以及定時或應(yīng)答等，其線的數(shù)目取決于總線的類型及具體的機器配置。計算機的軟件系統(tǒng)包括PC機運行所需要的各種程序、數(shù)據(jù)及其有關(guān)的文檔資料。程序是完成某一任務(wù)的二i二i希賽網(wǎng)工YY^iWieduchViCn信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html二i二i希賽網(wǎng)工YY^iWieduchViCn信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html指令或語句的有序集合。數(shù)據(jù)是程序處理的對象及結(jié)果。文檔是描述程序操作及使用的相關(guān)資料。主要包括下述兩大類。（1）系統(tǒng)軟件。是使用和管理計算機系統(tǒng)的各種程序，包括操作系統(tǒng)、各種服務(wù)性程序、語言處理程序和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等。（2）應(yīng)用軟件。是計算機用戶為了解決各種實際應(yīng)用問題而編制的程序，如：自動控制程序、科學(xué)計算程序和管理信息系統(tǒng)等。計算機的應(yīng)用計算機雖然只有僅僅60多年的歷史，但已被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、科研、教育、商業(yè)、醫(yī)療及日常生活的各個領(lǐng)域。其應(yīng)用可簡要歸納為以下幾個方面。（1）科學(xué)計算。是計算機應(yīng)用最早的一個領(lǐng)域，也是應(yīng)用最廣的一個領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域中，問題往往極其復(fù)雜，計算量相當(dāng)龐大，時間要求又很高。如果沒有計算機的快速和精確計算能力，解決這些問題幾乎不可能。（2）自動控制。主要應(yīng)用于國防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€領(lǐng)域，據(jù)統(tǒng)計，目前國內(nèi)外大約20%的微機用于該領(lǐng)域。（3）信息處理。主要指處理大量文字、圖像、聲音等非數(shù)值信息，其處理范圍隨著計算機的發(fā)展也逐漸擴大。計算機在這方面的應(yīng)用，不僅節(jié)省了大量的人力物力，在某些方面還為科學(xué)決策提供了準(zhǔn)確的依據(jù)。（4）輔助設(shè)計和輔助制造。簡稱為CAD/CAM,它是借助計算機進(jìn)行自動化或半自動化設(shè)計/制造的一項實用技術(shù)，它可以大大縮短設(shè)計/制造周期，加速產(chǎn)品更新?lián)Q代，降低生產(chǎn)成本。節(jié)省人力物力，而且對于保證產(chǎn)品的質(zhì)量具有重要的作用。（5）輔助教學(xué)和醫(yī)療。計算機廣泛應(yīng)用于教育，被稱為"教育史上的第四次革命".計算機輔助教學(xué)（CAI）軟件可以把以前學(xué)生難以理解的知識，通過圖像、動畫和聲音的配合，給學(xué)生更直觀、更感性的形象，大大提高學(xué)習(xí)效率。網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)不受時空限制，可以按照自身情況制訂學(xué)習(xí)的計劃和進(jìn)度，可以實現(xiàn)終身學(xué)習(xí)。在醫(yī)療衛(wèi)生方面，借助計算機的各種醫(yī)療設(shè)備，如CT圖像處理設(shè)備，心、腦電圖分析儀等，為早期疾病診斷提供了強有力的手段。（6）人工智能。指的是計算機具有模仿人的高級思維活動（如感知、思維、推理、學(xué)習(xí)、理解等）的能力，這類計算機主要應(yīng)用于專家系統(tǒng)、模式識別、問題求解、定理證明、機器翻譯及自然語言理解等。計算機在社會經(jīng)濟與發(fā)展中的作用已在60多年的歷史中得到了充分的肯定。計算機應(yīng)用的不斷擴展推動著計算機技術(shù)快速發(fā)展，計算機技術(shù)的不斷進(jìn)步，又大大推動著計算機應(yīng)用的迅猛發(fā)展。計算機的分類目前計算機種類非常多，按照功能可以分為通用機和專用機。按照運算速度可分為巨型機、大型機、小型機、工作站和微型計算機。按照所處理的數(shù)據(jù)類型可分為模擬計算機、數(shù)字計算機和混合型計算機等。（1）巨型機。運算速度超過1億次/秒，存儲容量大，主存容量超過幾千兆字節(jié)。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴，研制這類巨型機是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，尤其是國防尖端技術(shù)發(fā)展的需要。（2）大型機。運算速度一般在100萬次/秒至幾千萬次/秒，字長32位~64位，主存容量在幾百兆字節(jié)以上。具有比較完善的指令系統(tǒng)、豐富的外部設(shè)備和功能齊全的軟件系統(tǒng)。其特點是通用性好，有極強的綜合處理能力，主要應(yīng)用于銀行、政府部門和大型制造廠家等。（3）小型機。小型機規(guī)模小、結(jié)構(gòu)簡單，所以研制周期短，便于及時采用先進(jìn)工藝，生產(chǎn)量大，硬件成本低。同時，由于小型機軟件比大型機簡單，所以軟件成本也低。小型機打開了在控制領(lǐng)域應(yīng)用計算機的局面，適用于數(shù)據(jù)的采集、整理、分析和計算等方面。（4）微型機。微型機采用微處理器、半導(dǎo)體存儲器和輸入/輸出接口等芯片組裝而成，使得微型機具有設(shè)計先進(jìn)、軟件豐富、功能齊全、價格便宜、可靠性高和使用方便等特點。（5）工作站。20世紀(jì)80年代興起的面向工程技術(shù)人員的計算機系統(tǒng)，其性能介于小型計算機和微型計算機之間。一般具有高分辨率的顯示器、交互式的用戶界面和功能齊全的圖形軟件等。（6）網(wǎng)絡(luò)計算機。應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)上的計算機，這種計算機簡化了普通個人計算機中支持計算機獨立工作的外部存儲器等部件，設(shè)計目標(biāo)是依賴網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器提供的各種能力支持，以盡可能地降低制造成本。這類計算機簡稱為"NC".1.2數(shù)據(jù)運算二進(jìn)制是計算機功能得以實現(xiàn)的基礎(chǔ)，任何計算機應(yīng)用中的數(shù)據(jù)在機器內(nèi)部都表示為"0"和"1"組成的二進(jìn)制代碼串，數(shù)據(jù)處理最終都可以轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制基本運算。數(shù)制及其轉(zhuǎn)換1.計數(shù)進(jìn)位制因數(shù)符的個數(shù)有限，為了表示較大的數(shù)，一般采用計數(shù)進(jìn)位制（簡稱數(shù)制），當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到當(dāng)前長度可以表示的最大值后，如果數(shù)據(jù)繼續(xù)增大，那么把當(dāng)前數(shù)據(jù)長度增加一位，同時修改每位上的數(shù)值，這樣就可以表示更大的數(shù)。計數(shù)進(jìn)位制的核心是基數(shù)與權(quán)。一般而言，在每個數(shù)字系統(tǒng)中，若采用R個基本符號（0,1,2，…，R-1）表示各位上的數(shù)字，則稱其為基R數(shù)制，或稱R進(jìn)制數(shù)字系統(tǒng)。R被稱為該數(shù)字系統(tǒng)的基數(shù)，運算時的原O希賽網(wǎng)O希賽網(wǎng)信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.htmlO希賽網(wǎng)O希賽網(wǎng)信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html則是"逢R進(jìn)一"，對于每一個數(shù)位1,其該位上的權(quán)為Ri。對于一個用R進(jìn)制表示的數(shù)，可以按權(quán)展開為N:—工有工Tl--m計算機中常用的數(shù)制有二進(jìn)制、八進(jìn)制、十進(jìn)制、十六進(jìn)制，表1-1列出了這四種常用數(shù)制的基本規(guī)則。表1-1計算機中常用的進(jìn)位計數(shù)制進(jìn)制規(guī)則墓物敬符雙符號表示1二進(jìn)制逢二進(jìn)一:;2:o,1:豺：B1進(jìn)制逢八進(jìn)一S0?L7*?；騋十進(jìn)制逢十進(jìn)一10弧L…F1010D十六進(jìn)制逢十六進(jìn)一：16■J151■__.J95A.J9F*H2.不同計數(shù)進(jìn)位制之間的轉(zhuǎn)換(1)R進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。任何一個R進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成為十進(jìn)制數(shù)時，只要"按權(quán)展開"即可。例如，把二進(jìn)制數(shù)10101.01轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù):(10101.01)2=1x24+0x23+1x22+0x21+1x20+0x2-1+1x2-2=(21.25)10(2)十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為R進(jìn)制數(shù)。任何一個十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成為R進(jìn)制數(shù)時，要將整數(shù)和小數(shù)部分分別進(jìn)行轉(zhuǎn)換。信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html希賽網(wǎng)■碑,lAduGltVi%n<圖1-5十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制圖1-6十進(jìn)制小數(shù)轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制①整數(shù)部分的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換方法是"除基取余，上右下左".用要轉(zhuǎn)換的十進(jìn)制整數(shù)去除以基數(shù)R,將得到的余數(shù)作為結(jié)果數(shù)據(jù)中各位的數(shù)字，直到余數(shù)為0為止。上面的余數(shù)作為右邊的低位數(shù)位，下面的余數(shù)作為左邊的高位數(shù)位。如圖1-5所示，把十進(jìn)制整數(shù)835轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。（835）10=（1101000011）2②小數(shù)部分的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換方法是"乘積取整，上左下右".用要轉(zhuǎn)換的十進(jìn)制小數(shù)去乘以基數(shù)R,將乘積的整數(shù)部分作為結(jié)果數(shù)據(jù)中各位的數(shù)字，小數(shù)部分繼續(xù)與基數(shù)R相乘。以此類推，直到某一步乘積的小數(shù)部分為0或者已得到希望的位數(shù)為止。最后，將上面的整數(shù)部分作為左邊的高位數(shù)位，下面的整數(shù)部分作為右邊的高位數(shù)位。在進(jìn)行轉(zhuǎn)換的過程中，可能乘積的小數(shù)部分總得不到0,在這種情況下得到的是近似值。如圖1-6所示，把十進(jìn)制小數(shù)0.6875轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。（0.6875）10=（0.1011）2③含整數(shù)、小數(shù)部分的數(shù)的轉(zhuǎn)換。只要將整數(shù)、小數(shù)部分分別進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到轉(zhuǎn)換后的整數(shù)和小數(shù)部分，然后再把這兩部分組合起來就得到一個完整的數(shù)。例如，十進(jìn)制數(shù)二i二i希賽網(wǎng)工YY^iWieduchViCn信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html二i二i希賽網(wǎng)工YY^iWieduchViCn信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html二i二i希賽網(wǎng)信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html835.6875轉(zhuǎn)換為二級制數(shù)為：（835.6875）10=（1101000011.1011）2（3）二、八、十六進(jìn)制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換。①二進(jìn)制與八進(jìn)制相互轉(zhuǎn)換從小數(shù)點起，把二進(jìn)制數(shù)每三位分成一組，然后寫出每一組的等值八進(jìn)制數(shù)，順序排列起來就得到所要求的八進(jìn)制數(shù)。同理，將一位八進(jìn)制數(shù)用三位二進(jìn)制數(shù)表示，就可直接將八進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)。例如，把八進(jìn)制數(shù)13.724轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。（13.724）8=（001011.111010100）2=（1011.1110101）2②二進(jìn)制與十六進(jìn)制相互轉(zhuǎn)換從小數(shù)點起，把二進(jìn)制數(shù)每四位分成一組，然后寫出每一組的等值十六進(jìn)制數(shù)，順序排列起來就得到所要求的十六進(jìn)制數(shù)。同理，將一位十六進(jìn)制數(shù)用四位二進(jìn)制數(shù)表示，就可直接將十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)。例如，把十六進(jìn)制數(shù)2B.5E轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。（2B.5E）16=（00101011.01011110）2=（101011.0101111）2③八進(jìn)制與十六進(jìn)制相互轉(zhuǎn)換。通常采用二進(jìn)制作為中間媒介，即先把八進(jìn)制轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制，然后再把二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成為對應(yīng)的十六進(jìn)制。把十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制與此相似。1.2.2數(shù)據(jù)的表示在計算機中表示實際數(shù)據(jù)時，有兩個問題需要解決，一是數(shù)值的正負(fù)，二是小數(shù)點位置。一般用最高位標(biāo)識數(shù)的正負(fù)，0表示正數(shù)，1表示負(fù)數(shù)，該位稱為符號位，這種形式表示的數(shù)通常稱為機器數(shù)。對于小數(shù)點問題，可分為小數(shù)點位置固定（定點數(shù)）、位置不固定（浮點數(shù)）兩種情況，分別予以處理。常用碼制（1）原碼。最高位是符號位，0代表正，1代表負(fù)，其余各位是數(shù)的絕對值的二進(jìn)制代碼。通常用兇原表示數(shù)X的原碼。例如，設(shè)機器字長為8位，則有下列結(jié)果。［+1］原=00000001［-1］原=10000001［+0］原=00000000［-0］原=10000000按照原碼編碼規(guī)則，零有兩種表示形式。原碼表示方法簡明易懂，與其真值轉(zhuǎn)換方便，比較容易進(jìn)行乘除運算，但是在進(jìn)行加減運算時，原碼運算不方便，主要源于符號位不能參加運算，需要增加很多判斷條件。（2）反碼。最高位是符號位，對正數(shù)而言，最高位為0,其余各位是數(shù)的絕對值二進(jìn)制代碼；對負(fù)數(shù)而言，最高位為1,其余各位是數(shù)的絕對值二進(jìn)制代碼各位取反。通常用［X］反表示數(shù)X的反碼。例如，設(shè)機器字長為8位，則有下列結(jié)果。［+1］反=00000001［-1］反=11111110［+0］反=00000000［-0］反=11111111按照反碼編碼規(guī)則，零也有兩種表示形式，反碼同樣不方便運算。（3）補碼。補碼源于模和同余的概念，是為了方便計算機進(jìn)行加減運算而引入的。最高位是符號位，正數(shù)的補碼等于其原碼，負(fù)數(shù)的補碼等于其反碼最后一位加上1.通常用［X］補表示數(shù)乂的反碼。例如，設(shè)機器字長為8位，則有下列結(jié)果。［+1］補=00000001［-1］補=11111111［+0］補=00000000［-0］補=00000000按照補碼編碼規(guī)則，零有唯一的表示形式。采用補碼進(jìn)行加減運算十分方便，可以允許符號位一起參與運算，而且可以把減法運算轉(zhuǎn)化為加法運算，提高了運算速度?！废Ｙ惥W(wǎng)信息處理技術(shù)員》希賽網(wǎng)信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html》希賽網(wǎng)信息處理技術(shù)員》希賽網(wǎng)信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html5希賽網(wǎng)5希賽網(wǎng)工yy^iiwieducitViCn信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html采用補碼進(jìn)行加減運算時，若運算結(jié)果不超出機器所表示范圍，則有如下關(guān)系。［X+Y］補=［X］補+［Y］補［X-Y］補=［X］補+［-Y］補(4)移碼。又稱為增碼、余碼或偏碼，常用于表示浮點數(shù)中的階碼。通常用［X］移表示數(shù)X的移碼，設(shè)機器字長為n,取1位符號位，真值X所對應(yīng)的移碼如下。兇移=2n-1+x(-2n-1<=X<2n-1)實際應(yīng)用中，不用上面關(guān)系式計算移碼。機器數(shù)補碼與移碼的符號位互補，其余位完全相同，所以二者轉(zhuǎn)換時只需把符號位取反。定點數(shù)與浮點數(shù)定點數(shù)是指小數(shù)點位置固定的數(shù)，一般將定點數(shù)分成定點整數(shù)和定點小數(shù)兩種。定點整數(shù)的小數(shù)點固定在數(shù)據(jù)數(shù)值部分的最右邊，n+1位定點整數(shù)表示范圍：-2n~2n-1.定點小數(shù)的小數(shù)點固定在符號位的右邊，數(shù)值位的左邊，它一定是純小數(shù)，口+1位定點小數(shù)表示范圍：-1~1-2-n.定點數(shù)運算時，所有數(shù)據(jù)都必須保證處于有效數(shù)值范圍內(nèi)。如遇到絕對值小于最小正數(shù)的數(shù)，則被當(dāng)作機器數(shù)0來處理，稱為"下溢".而大于最大正數(shù)和小于絕對值最大負(fù)數(shù)的數(shù)，則稱為"溢出",此時計算機暫停當(dāng)前工作，而轉(zhuǎn)去進(jìn)行溢出處理。與定點數(shù)不同，浮點數(shù)小數(shù)點位置能根據(jù)需要浮動。一個R進(jìn)制數(shù)N通常表示為如下形式。其中R稱為基數(shù)，￡稱為階碼，F(xiàn)稱為尾數(shù)。在計算機中，基數(shù)R一般都是2,階碼E采用定點整數(shù)的形式，尾數(shù)F采用定點小數(shù)的形式，E和F決定浮點數(shù)的表示精度，E和R決

階符階碼尾付尾數(shù)定浮點數(shù)的表示范圍。在機器中，般按照下列形式構(gòu)成浮點數(shù)。在這種表示法中，階碼一般是原碼、補碼或移碼，尾數(shù)一般是原碼或補碼。浮點數(shù)表示有一定范圍，超出后就會溢出。設(shè)浮點數(shù)階碼和尾數(shù)均用補碼表示，階碼為m+1位（其中1位是符號位），尾數(shù)為n+1位（其中1位是符號位），則浮點數(shù)的典型范圍值如表1-2所示。表1-2浮點數(shù)的典型范圍值些型值浮點敬代碼真值，?絕對值最大負(fù)數(shù)皿…UU…0產(chǎn)1―1}絕對值最小負(fù)數(shù)10..AH0-OT1"}.非零最小正數(shù)10..A010.-0/仍）最大正數(shù)產(chǎn)-1(1—2-。為便于軟件移植，浮點數(shù)表示格式應(yīng)該有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。1985年IEEE提出了IEEE754標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定基數(shù)R為2,階碼E用移碼表示，尾數(shù)F用原碼表示。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了三種不同浮點數(shù)的表示規(guī)則，如表1-3所示。表1-3IEEE754規(guī)定的三種不同浮點數(shù)類型防碣尾金忠位敢短實數(shù)1S*立爸實熟1115264臨時實數(shù)11564-1803.二-十進(jìn)制編碼十進(jìn)制有10個不同的數(shù)符，4位二進(jìn)制可組成16種不同的代碼，從中選出10個代碼來表示十進(jìn)制的10個數(shù)符，會有很多種方案，這些方案統(tǒng)稱為BCD碼。二i二i希賽網(wǎng)信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html二i二i希賽網(wǎng)信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html3希賽網(wǎng)3希賽網(wǎng)YYM^WieducHtyiirn信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html根據(jù)二進(jìn)制代碼中不同位置是否有確定的權(quán)值，BCD碼分成有權(quán)碼和無權(quán)碼。常用有權(quán)碼包括8421碼、2421碼、5211碼等，它們的權(quán)值從高到低分別為8、4、2、1（8421碼），2、4、1、1（2421碼），5、2、1、1（5211碼）。常用無權(quán)碼包括余3碼和格雷碼，余3碼是在8421碼基礎(chǔ)上把每個代碼加3（0011）后得到的代碼。格雷碼也稱為循環(huán)碼，這10個代碼中任何相鄰兩個代碼中只有1位二進(jìn)制位的值不同，其余3位的值都必須相同。上述幾種碼制與十進(jìn)制數(shù)符的對應(yīng)關(guān)系如表1-4所示。表1-4常見BCD碼與十進(jìn)制數(shù)符的對應(yīng)關(guān)系十進(jìn)制敢E421碼2421碼余3碼0000000000011:!oni00010100000121'001000100101001130011OT110110OOJO4嫻01W011101104101100011106011011001001'101070111110110101-000S'KXW11101011110091001111111W.0100注意，對BCD碼進(jìn)行運算時，如果結(jié)果在10~15之間，那么結(jié)果須加修正。如果相加之和有進(jìn)位，那么也必須加6修正。1.2.3算術(shù)運算定點加減運算從原理上說，原碼、反碼、補碼都能進(jìn)行加減運算，但由于補碼運算比較方便，所以大多數(shù)情況下都是采用補碼進(jìn)行加減運算。補碼加法公式如下。［X+Y］補=［X］補+［Y］補補碼減法可以看作負(fù)數(shù)加法，這樣可以使減法與加法使用同一個加法器，簡化計算機設(shè)計，公式如下。［X-Y］補=兇補-［Y］補=兇補+［-Y］補由兇補求［-X］補的方法是：兇補的各位取反（包括符號位），末尾加1.補碼運算時，符號位和碼值一起參與運算，符號位相加后如果有進(jìn)位，該進(jìn)位應(yīng)當(dāng)被舍去。例如，設(shè)二進(jìn)制整數(shù)X=+1001,Y=+0101，求X+Y、X-Y的值。兇補=01001,［Y］補=00101,［-Y］補=11011，符號位參與運算，過程如下。0I0CI01MI-00101+IIqIIOHIO：I10II⑹［X］補YY1補1b)LK用…L-T］補其中，虛線內(nèi)的1是進(jìn)位，需要舍去。在計算機中，數(shù)的表示范圍是有限的，若運算結(jié)果超出該范圍，就稱為溢出，此時計算機要停止運算，進(jìn)行中斷處理。判斷是否溢出，常用下述方法。①單符號位判別法。設(shè)［X］補=XS.X1X2…Xn,［Y］補=YS.Y1Y2…Yn,二者的和（差）為⑸補=Ss.S1S2…51當(dāng)Xs和Ys不相等時，結(jié)果不會溢出。當(dāng)Xs=Ys=0,Ss=1時，產(chǎn)生上溢。當(dāng)Xs=Ys=1,Ss=0時，產(chǎn)生下溢。②進(jìn)位位判別法。設(shè)兩數(shù)運算時，各位產(chǎn)生的進(jìn)位為：Cs.C1C2…Cn.其中，Cs為符號位產(chǎn)生的進(jìn)位，C1為最高數(shù)值位產(chǎn)生的進(jìn)位。兩個正數(shù)相加，當(dāng)最高有效位產(chǎn)生進(jìn)位（C1=1），而符號位不產(chǎn)生進(jìn)位（Cs=0）時，發(fā)生上溢；兩個負(fù)數(shù)相加，當(dāng)最高有效位不產(chǎn)生進(jìn)位（C1=0），而符號位產(chǎn)生進(jìn)位（Cs=1）信息處理技術(shù)員信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html信息處理技術(shù)員信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html會希賽網(wǎng)YY^w.ediu^i時，發(fā)生下溢。③雙符號為判別法。將符號位擴充到兩位：S1和S2,用S1S2=00表示正數(shù)，S1S2=11表示負(fù)數(shù)。運算結(jié)束后，S1S2有四種不同的取值，含義分別如下。S1S2=00:結(jié)果為正數(shù)，無溢出S1S2=01:結(jié)果正溢S1S2=10:結(jié)果負(fù)溢S1S2=11:結(jié)果為負(fù)數(shù)，無溢出浮點加減運算一個浮點數(shù)的表示形式通常不惟一，常采用浮點數(shù)規(guī)格化形式，即規(guī)定尾數(shù)的最高數(shù)位必須是一個有效數(shù)，即其尾數(shù)F的絕對值必須滿足:當(dāng)基數(shù)R=2時，0-5當(dāng)尾數(shù)F用原碼表示時，規(guī)格化后尾數(shù)最高位總是L當(dāng)尾數(shù)F用補碼表示時，規(guī)格化后尾數(shù)最高位與符號位不同，即當(dāng)O'引曰<1時，應(yīng)是0.1xx...x的形式。而當(dāng)時，應(yīng)是L0xx...x的形式。設(shè)有兩個浮點數(shù)X和Y,它們分別是X=2ExxFx,Y=2EyxFy.它們進(jìn)行加減運算的規(guī)則是:￡±F=2比:x￡±F=2比:x久±2勺貝5=［何漢2d給±耳Ex<Ey完成上述加減運算，需要包括下述步驟。(1)零操作數(shù)檢查。如果兩個操作數(shù)X和Y中有一個數(shù)為0,那么就可得知運算結(jié)果而不再進(jìn)行后繼的操作。(2)"對階"操作。首先求出階碼之差相二，若，說明X和Y階碼相同，可以直接進(jìn)行尾數(shù)加減運算。若，則需要移動尾數(shù)來改變Ex和Ey,使之相等。一般采用"小階向大階看齊”的原則，通過向右移動小階數(shù)據(jù)的尾數(shù)位，使得X和Y的階碼相同。會希賽網(wǎng)信息處理技術(shù)員會希賽網(wǎng)信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html會希賽網(wǎng)信息處理技術(shù)員會希賽網(wǎng)信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html二i二i希賽網(wǎng)工YY^iWieduchViCn信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html（3）尾數(shù)相加減。無論加法還是減法運算，都按加法進(jìn)行操作，其方法與定點加減法運算相同。（4）尾數(shù)規(guī)格化。按照定點加減法的判斷準(zhǔn)則，若尾數(shù)溢出，則應(yīng)使尾數(shù)結(jié)果右移一位，階碼加1,稱為右規(guī)格化。若尾數(shù)沒有溢出，但數(shù)值部分的最高位與符號位相同，表明不滿足規(guī)格化，此時應(yīng)使尾數(shù)結(jié)果左移一位，階碼減1,重復(fù)執(zhí)行直到數(shù)值部分最高位與符號位不同為止，稱為左規(guī)格化。（5）舍入處理。在對階或向右規(guī)格化時，尾數(shù)向右移動，這樣被右移尾數(shù)的最低位部分就會丟掉，從而造成一定誤差，此時需要舍入處理。一般采用下述舍入方法。"0舍1入法".如果右移時被丟掉數(shù)位的最高位是0,則舍去，否則將尾數(shù)的末位加"1"."恒置1法".只要有數(shù)位被移出，就在尾數(shù)的末尾恒置"1".浮點乘除運算設(shè)有兩個浮點數(shù)X和Y,它們分別是：X=2ExxFxY=2EyxFy浮點乘法運算規(guī)則是：XxY=2（Ex+Ey）x（FxxFy），即乘積的尾數(shù)是二者尾數(shù)之積，乘積的階碼是二者階碼之和。浮點除法運算規(guī)則是：X-Y=2（Ex-Ey）x（Fx-Fy），即商的尾數(shù)是二者尾數(shù)之商，商的階碼是二者階碼之差。與浮點數(shù)加減運算相同，浮點數(shù)乘除運算也大體分為5個步驟：零操作數(shù)檢查、階碼加或減操作、尾數(shù)乘或除操作、結(jié)果規(guī)格化和舍入處理。邏輯運算邏輯數(shù)是指不帶符號的二進(jìn)制數(shù)，對這些數(shù)可以進(jìn)行邏輯運算，在非數(shù)值應(yīng)用的廣大領(lǐng)域中，非常有用。計算機中的邏輯運算，主要是指邏輯非、邏輯或、邏輯與、邏輯異或等四種基本運算。邏輯非運算又稱求反，對某數(shù)進(jìn)行邏輯非運算，就是按位求它的反，常用變量上方加一橫來表示。設(shè)一個數(shù)X表示成工二K炳巧一耳。對x求邏輯非，則有：工=3甬一”~H~du,.=-V：i—0.1.2.■■■.W.ll----.邏輯或運算又稱邏輯加，對兩個數(shù)進(jìn)行邏輯加，就是按位求它們的"或",常用記號"+"來表示。設(shè)有兩個數(shù)X和y,它們表示為尸二二2*-S…人.若工十)二上二％2內(nèi)…貝卜生=國十大=『=()』:二…》.邏輯與運算又稱邏輯乘，對兩個數(shù)進(jìn)行邏輯乘，就是按位求它們的"與"，常用記號"?"來表示。設(shè)有兩個數(shù)X和y,它們表示為，K=三-五七'F=冏Ji當(dāng)…卜小若工?丁二工二年內(nèi)…4。則:頃=番?哪邏輯異或運算又稱按位加，對兩個數(shù)進(jìn)行邏輯異或，就是按位求它們的模2和，常用記號"十”來表示。設(shè)有兩個數(shù)x和y,它們表示為=”個內(nèi)…/.尹乙二工巳％一i=0.1.2.右t.*-1-----o二i二i希賽網(wǎng)工YY^iWieduchViCn信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html二i二i希賽網(wǎng)工YY^iWieduchViCn信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html3希賽網(wǎng)3希賽網(wǎng)YY^iWieducitViCn信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html則：乙二』■貼"。』2…小.字符編碼字符的表示常用美國國家信息交換標(biāo)準(zhǔn)字符碼（人50【）表示字符。常見的ASCII碼為7位二進(jìn)制代碼，可以表示128種不同字符符號，它包括10個十進(jìn)制數(shù)字、52個英文大小寫字母、34個專用符號和32個控制符號，這128個符號中有96個是可打印的字符。對于ASCII碼來說，字節(jié)最左邊的一位可以作為奇偶校驗位，也可以直接設(shè)置為0,作為西文字符和漢字的區(qū)分標(biāo)識。在某些應(yīng)用中，需要使用ASCII碼的高位信息，這種被擴充的編碼方式稱為擴展ASCII碼，它采用8位二進(jìn)制數(shù)表示一個字符，一共可以表示256個不同的字符。漢字的表示漢字字?jǐn)?shù)繁多、字形復(fù)雜、讀音多變，要想在計算機中表示漢字，最方便的方法是對漢字進(jìn)行編碼，漢字編碼要與西文字符及其它字符有明顯的區(qū)別。（1）國標(biāo)碼。又稱為漢字交換碼，主要用于漢字信息處理系統(tǒng)之間或者通信系統(tǒng)之間的信息交換。1981年國家標(biāo)準(zhǔn)總局公布了GB2312-80，即《信息交換用漢字編碼字符集基本集》，簡稱國標(biāo)碼（GB碼）。該標(biāo)準(zhǔn)共收集常用漢字6763個，其中一級漢字3755個，按拼音排序。二級漢字3008個，按部首排序。另外還有各種圖形符號682個，共計7445個。（2）區(qū)位碼。將國標(biāo)碼中的6763個漢字分為94個區(qū)，每個區(qū)中包含94個漢字（位）。每個漢字都對應(yīng)一個區(qū)號和位號，二者組合在一起就構(gòu)成了區(qū)位碼。漢字區(qū)位碼定長4位，前兩位表示區(qū)號，后兩位表示位號，二者都用十進(jìn)制表示，范圍都是01到94.在區(qū)位碼表中，第1到15區(qū)包含西文字母、數(shù)字和圖形符號，以及用戶自定義的專用符號（統(tǒng)稱非漢字圖形字符）。第16到55區(qū)為一級漢字。第56到87區(qū)為二級漢字。87區(qū)以上為空白區(qū)，可供造新字使用。區(qū)位碼與國標(biāo)碼不同，二者關(guān)系為：國標(biāo)碼二區(qū)位碼（十六進(jìn)制）+2020H.（3）機內(nèi)碼。漢字處理系統(tǒng)要保證中西文兼容，以字節(jié)為單位時，ASCII碼和國標(biāo)碼的最高位都是"0",其它7位有時候會相同，所以會產(chǎn)生二義性。漢字在計算機內(nèi)部的惟一編碼稱為機內(nèi)碼，機內(nèi)碼編碼時要避免該二義性。機內(nèi)碼與國標(biāo)碼相同，長度都是二字節(jié)，它在相應(yīng)國標(biāo)碼的每個字節(jié)最高位加"1",即：機內(nèi)碼二國標(biāo)碼+8080H.指令系統(tǒng)指令是指示計算機執(zhí)行某種操作的命令，一臺計算機所有指令的集合構(gòu)成該機器的指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)決定了計算機硬件的主要性能和基本功能，它應(yīng)根據(jù)計算機的使用要求來設(shè)計，不僅與計算機的硬件結(jié)構(gòu)有關(guān)，也直接影響到系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，是計算機系統(tǒng)軟、硬件的界面，是了解或設(shè)計一臺計算機系統(tǒng)的基本出發(fā)點。計算機指令每條指令都包含兩個基本部分，（1）操作碼：表示指令執(zhí)行什么功能。（2）地址碼：表示參與操作的數(shù)據(jù)的地址。指令的基本格式為：操作碼她址碼指令字長度指一個指令字中包含的二進(jìn)制代碼位數(shù)，機器字長指計算機能直接處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)位數(shù)。根據(jù)二者的關(guān)系，可以把指令分為半字長指令、單字長指令、多字長指令。多字長指令可以提供足夠多的地址位來解決內(nèi)存單元的尋址問題，但取出一整條指令需要多次訪問內(nèi)存，降低了CPU運算速度，同時又占用了更多的存儲空間。尋址技術(shù)是根據(jù)地址碼尋找到所需要操作數(shù)的技術(shù)，通常包括編址方式和尋址方式。編址方式是對寄存器、主存儲器及輸入/輸出設(shè)備等進(jìn)行編址的方式。主要包括字編址方式、字節(jié)編址方式和位編址方式等。在主存容量相同的條件下，不同編址方式對應(yīng)的地址碼位數(shù)不同。例如，如果采用字節(jié)編址方式，那么地址碼位數(shù)就長，但是可以對每個字符進(jìn)行處理。如果采用字編制方式，那么地址碼位數(shù)就短些，但對字符操作就比較困難。確定本條指令的數(shù)據(jù)地址以及下一條要執(zhí)行的指令地址的方法稱為尋址方式，包括指令尋址方式和操作數(shù)尋址方式兩種。指令尋址方式有順序?qū)ぶ贩绞胶吞S尋址方式兩種。操作數(shù)尋址方式有以下幾種：立即尋址方式、直接尋址方式、間接尋址方式、變址尋址方式、基址尋址方式、相對尋址方式和寄存器尋址方式等。在實際應(yīng)用中，應(yīng)該根據(jù)不同編址和尋址方式的特點，結(jié)合具體問題來分析，選擇合適的編址和尋址方式。指令執(zhí)行控制在CPU中，一條指令的運行包括取指、分析和執(zhí)行三個過程。(1)取指。把程序計數(shù)器PC的內(nèi)容(指令地址)裝入存儲器地址寄存器MAR,送給地址總線，然后由地址總線選中該地址所在的主存單元，取出該指令的代碼，經(jīng)數(shù)據(jù)總線輸入CPU中的指令寄存器出.(2)分析(指令譯碼)。指令的操作碼經(jīng)指令譯碼器譯碼后，給CPU的相應(yīng)的寄存器和其它部件發(fā)出一系列控制信號。在指令譯碼的同時，程序計數(shù)器PC的內(nèi)容加1,產(chǎn)生下一二i二i希賽網(wǎng)信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html二i二i希賽網(wǎng)信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html條指令地址。（3）執(zhí)行。CPU的各個部件根據(jù)不同的控制信號序列，執(zhí)行相應(yīng)的操作。常用的指令方式包括下述三種：（1）順序執(zhí)行方式。CPU的控制部件對當(dāng)前指令進(jìn)行取指、分析和執(zhí)行。當(dāng)前指令執(zhí)行結(jié)束后，再對下一條指令進(jìn)行取指、分析和執(zhí)行，如此循環(huán)執(zhí)行下去，直到程序執(zhí)行完畢。順序執(zhí)行方式具有下述特點：①指令與指令之間是順序地串行執(zhí)行。②一條指令的三個執(zhí)行步驟（取指、譯碼、執(zhí)行）也是順序地串行執(zhí)行。③優(yōu)點是控制簡單，硬件容易實現(xiàn)，缺點是執(zhí)行速度比較慢。（2）超前執(zhí)行方式。前一條指令執(zhí)行過程尚未結(jié)束，就提前處理下一條指令，即指兩條指令的某些操作同時進(jìn)行。該方式通常有超前取指、超前指令譯碼、超前尋址和取操作數(shù)等操作。超前執(zhí)行方式具有下述特點：①每條指令內(nèi)部的各個操作仍是順序地串行執(zhí)行。②相鄰兩條指令的某些操作可以同時進(jìn)行。③優(yōu)點是提高指令的控制速度，缺點是技術(shù)較復(fù)雜，實現(xiàn)起來難度比較大。（3）流水線方式。把指令的執(zhí)行過程分解為若干個子過程，分別由不同的硬件去執(zhí)行。例如，通常把指令的執(zhí)行過程分為取指、譯碼、取操作數(shù)和執(zhí)行四個子過程，分別由取指、譯碼、取操作數(shù)和執(zhí)行四個裝置來執(zhí)行，這四個裝置彼此可以并發(fā)執(zhí)行，如表1-5所示。表1-5流水線執(zhí)行方式

指令1指令1取指譯碼指導(dǎo)口明指指令指彎4指令3刖操作數(shù)執(zhí)行譯碼：,取操作數(shù):執(zhí)行取指連碼取操作數(shù)取指譯碼取指流水線方式具有下述特點：①每條指令內(nèi)部的各個子過程仍是順序地串行執(zhí)行。②每條子過程執(zhí)行完畢，由于該裝置已空閑，即可接收下一條指令中同樣的子過程來執(zhí)行。③優(yōu)點是明顯提高了程序的執(zhí)行速度，缺點是硬件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。存儲體系存儲介質(zhì)是指用來制作存儲信息的物質(zhì)。按存儲介質(zhì)分類，存儲器分為半導(dǎo)體存儲器、磁存儲器和光存儲器。半導(dǎo)體存儲器速度快，但容量不可能很大，且成本較高。磁存儲器和光存儲器成本低，容量可以很大，但速度低，與CPU高速處理能力不匹配。我們所需要的理想存儲器，其速度要和半導(dǎo)體存儲器相當(dāng)，容量要和磁存儲器、光存儲器相當(dāng)。單從改進(jìn)存儲技術(shù)的途徑來提高存儲器性能，很難滿足上述要求。所以，必須從存儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面采取措施，即采用多種不同類型的存儲器組成存儲系統(tǒng)。常用的是三級存儲系統(tǒng)，如圖1-7所示。圖1-7圖1-7三級存儲系統(tǒng)二i二i希賽網(wǎng)工YY^iWieduchViCn信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html二i二i希賽網(wǎng)工YY^iWieduchViCn信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html該存儲系統(tǒng)存在下述兩個存儲層次。（1）Cache-主存存儲層次。由Cache和主存構(gòu)成，它緩解了主存和CPU速度的矛盾。從整體上看，該層次接近于Cache的速度、主存的容量和主存的平均位價格。該層次工作時完全由輔助硬件來實現(xiàn)，對所有程序員都是透明的。（2）主存-輔存存儲層次。由主存和輔存構(gòu)成，它緩解了存儲器大容量與低成本之間的矛盾。從整體上看，該層次接近于主存的速度、輔存的容量和輔存的平均位價格。該層次工作時由輔助的軟硬件來實現(xiàn)，對所有程序員都是透明的。4.1主存儲器主存記憶元件主存儲器按照存取限制可以分為RAM（隨機存儲器）和ROM（只讀存儲器）兩種。前者既可以在線存（寫）又可以在線?。ㄗx），后者只能在線?。ㄗx）。（1）RAM記憶元件。RAM要求元件具有如下記憶特性：有兩種穩(wěn)定狀態(tài)；在外部信號的激勵下，兩種穩(wěn)定狀態(tài)能進(jìn)行無限次相互轉(zhuǎn)換；在外部信號的激勵下，能讀出兩種穩(wěn)定狀態(tài)；可靠地存儲。半導(dǎo)體RAM元件可分為靜態(tài)RAM（SRAM）和動態(tài)RAM（DRAM）兩大類。二者的區(qū)別，是SRAM利用開關(guān)特性進(jìn)行記憶，只要電源有電，它總能保持兩個穩(wěn)定狀態(tài)中的一個狀態(tài)。DRAM則除了要電源有電外，還必須動態(tài)地每隔一定的時間間隔進(jìn)行一次刷新，否則信息會丟失。（2）ROM記憶元件。ROM是一種非易失性器件，它所存儲的信息用特殊方式寫入，主要存儲經(jīng)常要用的一些固定信息。根據(jù)其物理特性可把ROM分為以下幾類：①ROM.又稱為MROM（掩模型只讀存儲器），它采用二次光刻掩模工藝一次制成，制成后其內(nèi)容不可改變。②PROM.即可編程的ROM,其元件有多種形式，最常用的是熔絲型的，它在出廠時各處熔絲都是完好的，均表示"1".當(dāng)用戶需要將其中某位置"0"時，把對應(yīng)處的熔絲燒斷即可。PROM一經(jīng)寫好，存有"0"的位置就不可再改為"1".③EPROM.又稱為可擦除可編程ROM,是一種可改寫的ROM,目前用得較多的是浮動雪崩注入型MOS管。按照擦除方法的不同，可分為UVEPROM和E2PROM兩種。主存儲器組成主存儲器主要由存儲體、地址譯碼驅(qū)動電路、讀寫電路和時序控制電路等組成。存儲體是主存的核心，它由許多位集成在一個芯品上構(gòu)成，再由一些芯片進(jìn)行擴展，就構(gòu)成容量更大的存儲體陣列。常用擴展方式包括字?jǐn)U展方式、位擴展方式和段擴展方式等。一個地址碼唯一地對應(yīng)一個地址，將一個地址碼變換成為驅(qū)動字線電位的邏輯電路，稱為地址譯碼器。由于每條地址線上都掛有許多存儲元電路，為能對它們進(jìn)行有效驅(qū)動，在譯碼器輸出端每條字線上都要加一個驅(qū)動器。一個信號從發(fā)出到穩(wěn)定，有一個過程，為了能進(jìn)行有效讀寫，必須考慮這些信號之間的時間配合關(guān)系，即所謂的時序關(guān)系。管理這些時序關(guān)系的電路就稱為時序電路。主存工作模式SDRAM.又稱同步動態(tài)隨機存儲器，是早期內(nèi)存工作模式EDO的改進(jìn)，該方式將CPU與RAM通過一個相同的時鐘鎖在一起，使得RAM與CPU共享一個時鐘，以相同的速度同步工作。DDRSDRAM.又稱雙婁媚傳輸率同步動態(tài)內(nèi)存，它使用了延時鎖定電路，在時鐘脈沖的上升沿和下降沿都能讀出數(shù)據(jù)，速度在同樣的時鐘頻率條件下是SDRAM的兩倍。(3)RDRAM.又稱存儲器總線式動態(tài)隨機存儲器，采用了超高時鐘頻率，還采用了串行模塊結(jié)構(gòu)--各個芯片用一條總線串接起來，前面芯片寫滿后，后面芯片才開始讀入數(shù)據(jù)。(4)XDRDRAM.又稱極度數(shù)率動態(tài)隨機存儲器，是RDRAM的改進(jìn)，主要采用了改進(jìn)的串行模塊架構(gòu)、8倍數(shù)據(jù)傳輸率和FlexPhase技術(shù)等的新技術(shù)。主存儲器的主要指標(biāo)主存儲器的性能，通?？梢詮囊韵聨追矫婷枋?。(1)每位成本。折合到每一位的存儲器的造價，是存儲器的主要經(jīng)濟指標(biāo)。(2)容量。通常用有多少個存儲單元、每個單元有多少位來表示，也可用能存儲多少字節(jié)來表示。(3)存取速度。主存最重要的技術(shù)指標(biāo)，一般包括下述內(nèi)容。①訪問時間。從啟動一次訪問操作到完成該操作所用的時間。②存取周期。兩次連續(xù)地訪問主存操作之間所需要的最短時間。③主存帶寬。又稱為數(shù)據(jù)傳輸率，指的是每秒鐘訪問的二進(jìn)制位數(shù)目。(4)信息的可靠保存性、非易失性和可更換性。(5)可靠性。通常用MTBF來衡量。1.4.2輔助存儲器輔助存儲器用以存放當(dāng)前暫時不用的程序和數(shù)據(jù)，是主存儲器的主要后援存儲設(shè)備。對輔存的基本要求，是容量大、成本低、可以脫機保存信息。讀寫方式主要有磁讀寫和光讀寫兩種。1.磁表面存儲器磁盤、磁帶都是磁表面存儲器，其信息存儲于涂覆在載體表面、厚度為0.024~5左右的磁層中。其存儲元記錄了磁頭寫線圈中電流的方向，當(dāng)載磁體朝一個方向運動時，若寫線圈中通過脈沖電流，就把其中的信息存儲在磁層中，從而完成寫操作。若寫線圈中沒有脈沖電流，那么存儲元中的剩磁由于電磁感應(yīng)原理，可以在讀線圈中感應(yīng)出脈沖電流，從而完成讀操作。磁記錄格式規(guī)定了一連串的二進(jìn)制數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)與磁層存儲元的相應(yīng)磁化翻轉(zhuǎn)形式互相轉(zhuǎn)換的規(guī)則，常用的有下面幾種：（1）歸零制（RZ）。用寫電流的正脈沖表示1,負(fù)脈沖表示0,磁層在記錄1時由無磁性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟硞€方向上的磁化狀態(tài)，記錄0時從未磁化狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环较虻拇呕癄顟B(tài)。在兩個信號之間，磁頭線圈的寫電流要回到零。這種方式記錄密度低，抗干擾能力差。（2）不歸零制（NRZ）。在記錄信息時，磁頭線圈中總是有電流，不是正向電流，就是反向電流，不需要磁化電流回到無電流的狀態(tài)。這種方式抗干擾能力強，但它沒有自同步能力。（3）調(diào)相制（PE或PM）。又稱為曼徹斯特碼。寫每個1時，寫電流由正向負(fù)跳變一次。寫每個0時，寫電流由負(fù)向正跳變一次。當(dāng)記錄連續(xù)的0或1時，信號交界處也要翻轉(zhuǎn)一次。這種能夠方式具有自同步能力，抗干擾能力強，但是頻帶較窄。（4）調(diào)頻制（FM或FD）。在兩個信號的交界處寫電流者障改變方向，并且利用中間有無跳變來記錄1或0.這種方式具有自同步能力。磁盤是一些圓片形的磁表面介質(zhì)存儲器，其基體可以是聚酯薄膜，也可以是鋁合金。前者較軟，稱為軟盤，目前已經(jīng)淘汰不用。后者較硬，稱為硬盤。一個硬磁盤存儲器中有一個或多個盤片，這些盤片被固定在柱軸上，柱軸可以有多個，用臺號來標(biāo)識。在每個盤片上，磁介質(zhì)均勻地分布在一些同心圓上，形成一個盤面的磁道。多個盤面中同一半徑的磁道形成一個圓柱面，圓柱面總數(shù)等于一個盤面的磁道數(shù)。磁道還可以分成若干個扇區(qū)，每個扇區(qū)存放一定的數(shù)據(jù)塊。所以硬盤中的數(shù)據(jù)地址由臺號、柱面（磁道）號、盤面號及扇區(qū)號來表示。評價硬盤性能好壞，主要參照下述指標(biāo)。（1）記錄密度。記錄密度分為道密度和位密度，道密度Di是徑向單位長度的磁道數(shù)，在數(shù)值上等于磁道距P的倒數(shù)。位密度Db也稱為線密度，是單位長度磁道所能記錄的二進(jìn)制信息位數(shù)，對不同磁道而言，越向外其位密度越低。（2）硬盤容量。硬盤所能存儲的字節(jié)的總量，存儲容量分為格式化容量和非格式化容量，前者是以能夠與實際可以使用的存儲容量，比后者要小，一般是后者的80%左右。（3）主軸轉(zhuǎn)速。用平均尋區(qū)時間Twa來表示，指的是硬盤旋轉(zhuǎn)半周所用的時間。主軸轉(zhuǎn)速快，磁頭達(dá)到目的扇區(qū)的速度就快。（4）尋道時間。又稱為查找時間，指的是磁頭找到目的磁道需要的時間，它由磁盤存儲器的性能來決定，一般都在10ms以下。（5）平均存取時間。近似等于平均尋區(qū)時間和尋道時間之和。（6）緩沖存儲區(qū)大小。在硬盤內(nèi)部讀寫電路與接口之間設(shè)置一個緩沖存儲區(qū)，可以解決二者速度不匹配的問題，從整體上提高硬盤讀寫速度。緩沖存儲區(qū)越大越好。（7）數(shù)據(jù)傳輸率。分為內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率和外部數(shù)據(jù)傳輸率兩種。內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率主要由主軸的轉(zhuǎn)速來決定。外部數(shù)據(jù)傳輸率是系統(tǒng)總線與硬盤緩沖區(qū)之間的數(shù)據(jù)傳輸率，它與接口類型和緩存大小有關(guān)。（8）誤碼率。從輻存讀出數(shù)據(jù)時，出錯信息與讀出的總信息位數(shù)之比。為了減少出錯率，需要采用校驗碼。校驗碼有多種，磁表面存儲器一般采用循環(huán)冗余碼來發(fā)現(xiàn)并糾正錯誤。硬盤接口是硬盤與主機系統(tǒng)間的連接部件，用于硬盤緩存和主機內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸。在整個系統(tǒng)中，硬盤接口的優(yōu)劣直接影響著程序運行的快慢和系統(tǒng)性能的好壞。常用的硬盤接口分為IDE、SCSI、光纖通道和SATA四種。其中，IDE和SATA是專用于硬盤的接口，SATA比IDE性能要好，有逐漸取代IDE的趨勢。SCSI是廣泛應(yīng)用于小型機上的高速接口，光纖通道是專門為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計的接口，二者都不是專門為硬盤設(shè)計的接口。SCSI主要用于中、高端服務(wù)器和高檔工作站中，光纖通道價格最昂貴，只用在高端服務(wù)器上。硬盤出廠后必須經(jīng)過格式化才能使用，由于硬盤容量大，可以分成若干個區(qū)，供不同操作系統(tǒng)使用，所以硬盤格式化比軟盤格式化要復(fù)雜得多，硬盤格式化需要經(jīng)過下述三個步驟。低級格式化（物理格式化）、硬盤的分區(qū)和邏輯格式化（例如：DOS的Format）。2.磁盤陣列RAIDRAID把多臺小型的磁盤存儲器（或光盤存儲器）按一定的條件組織成同步化的陣列，利用類似于存儲器中的多體交叉技術(shù)，將數(shù)據(jù)展開存儲在多臺盤上，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸?，并用冗余技術(shù)提高了可靠性。其核心是采用分條、分塊和交叉存取等方式對存儲在多個盤中的數(shù)據(jù)和校驗數(shù)據(jù)進(jìn)行組合處理，來滿足存儲系統(tǒng)的性能要求。常用的RAID系統(tǒng)包括下述幾種。（1）RAID0.數(shù)據(jù)按條分布于多張磁盤，它不提供冗余，但傳輸數(shù)據(jù)最快，適合于處理大文件。缺點是當(dāng)陣列中的一個驅(qū)動器出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)也癱瘓。（2）RAID1.每個工作盤都有一個對應(yīng)的鏡像盤，寫數(shù)據(jù)時必須同時寫入工作盤和鏡像盤，正常工作時只訪問工作盤。一旦工作盤出錯，鏡像盤就投入使用，并用其恢復(fù)工作盤。（3）RAID2~RAID4者B有固定的校驗盤，區(qū)別在于所采用的糾錯技術(shù)和校驗盤的設(shè)置方式不同。①RAID2.采用海明校驗碼糾錯、位交叉技術(shù)。②RAID3.采用位交叉技術(shù)，使用一個校驗盤。③RAID4.采用塊交叉技術(shù)，使用一個校驗盤，并且可獨立傳輸。（4）RAID5.與RAID4相似，也是采用塊交叉技術(shù)的可獨立傳輸?shù)拇疟P陣列，但它不單獨設(shè)置校驗盤，而是按某種規(guī)則把校驗數(shù)據(jù)分布在組成陣列的磁盤上。一個磁盤上既有數(shù)據(jù)，又有校驗信息，從而解決了多盤爭用校驗盤的問題。（4）RAID6.采用雙磁盤驅(qū)動器容錯的塊交叉技術(shù)磁盤陣列。有兩個磁盤驅(qū)動器存放檢、糾錯碼，具有很高的數(shù)據(jù)有效性和可靠性。（5）RAID7.除采用分塊技術(shù)外，還采用了多數(shù)據(jù)通道技術(shù)和Cache技術(shù)，進(jìn)一步提高了存取速度和可靠性。3.光盤存儲器相對硬盤而言，光盤存儲技術(shù)有下述特點：（1）記錄密度高、存儲容量大。（2）采用非接觸方式讀/寫，沒有磨損，可靠性高。（3）可長期（60-100年）保存信息。（4）成本低廉，易于大量復(fù)制。（5）存儲密度高，體積小，能自由更換盤片。（6）誤碼率，在10-10~10-17以下。（7存取時間為100~500ms數(shù)據(jù)存取速率比磁盤略低基本速率單倍速為150MBps.光盤存儲器可分為固定型、只寫一次型和可擦寫型。固定性和只寫一次型讀寫原理相同，都是采用存儲介質(zhì)狀態(tài)不可逆的性質(zhì)，區(qū)別是前者由廠家寫入，后者可以由用戶寫入?？刹翆懶椭饕遣捎脿顟B(tài)可逆的存儲介質(zhì)，分為磁光型和相變型兩種。磁光型光盤比相變型訪問二i二i希賽網(wǎng)工YY^iWieduchViCn信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html二i二i希賽網(wǎng)工YY^iWieduchViCn信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html》希賽網(wǎng)wi^WiediucKyiiEni》希賽網(wǎng)wi^WiediucKyiiEni信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html速度慢，但可擦洗次數(shù)可達(dá)100萬次以上，相變光盤只有1000次左右。數(shù)字光盤誕生以來，出現(xiàn)了多種廠商標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)，主要的規(guī)范及格式，包括CD-DA、CD-ROM、CD-I、CD-R、VCD、DVD、藍(lán)光光盤和HD-DVD等。1.4.3高速緩沖存儲器CPU訪問存儲器時，無論是取指令還是取數(shù)據(jù)，所訪問的存儲單元都趨于聚集在一個較小的連續(xù)區(qū)域中。這種對局部范圍的存儲器地址頻繁訪問，而對此范圍之外的地址單元則訪問甚少的現(xiàn)象就稱為程序訪問的局部性原理。這種局部性既表現(xiàn)在時間上，也表現(xiàn)在空間上。時間局部性是指如果一個信息項正在被訪問，那么在近期它很可能還會被再次訪問。空間局部性是指在最近的將來將用到的信息很可能與現(xiàn)在正在使用的信息在空間地址上是臨近的。根據(jù)程序訪問的局部性原理，可以在主存和CPU之間設(shè)置一個高速的、容量相對較小的存儲器，如果當(dāng)前正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)存放在這個存儲器中，當(dāng)程序運行時，不必從主存中取指令和數(shù)據(jù)，只需訪問這個高速存儲器，以提高程序運行速度。這個存儲器稱為高速緩沖存儲器Cache.Cache和主存構(gòu)成一個"Cache-主存"存儲體系，整個存儲器的容量及單位成本能夠與主存相當(dāng)，而存取速度可以與Cache的讀寫速度相當(dāng)，這就很好地解決了存儲器系統(tǒng)的容量、存取速度及單位成本三個方面性能之間的矛盾。地處電線CPUPH地址由存據(jù)CPUPH地址由存據(jù)敬摑￡1繾圖1-8Cache存儲系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)管理"主存-Cache"存儲體系的部件稱為Cache控制器，如圖1-8所示。CPU與主存之間的數(shù)據(jù)傳輸必須通過Cache控制器進(jìn)行。當(dāng)CPU發(fā)出讀請求時Cache控制器將來自CPU的數(shù)據(jù)讀/寫請求轉(zhuǎn)向Cache存儲器，將主存地址的m位于Cache塊中的標(biāo)記在地址變換機構(gòu)中相比較，根據(jù)其比較結(jié)果是否相等而分成兩種情況。當(dāng)比較結(jié)果相等時，說明需要的數(shù)據(jù)已在Cache中，稱為“命中"，那么直接訪問Cache就行了。當(dāng)比較結(jié)果不相等時，說明需要的數(shù)據(jù)尚未調(diào)入Cache,稱為"未命中".則CPU需要對主存操作，那么就要把該數(shù)據(jù)所在的整個字塊從主存一次調(diào)入Cache中。Cache容量很小，它所保存的僅是主存內(nèi)容的一個子集，為了把主存塊放到Cache中，必須采用地址映射機制把主存地址定位到Cache中，這一過程稱為地址映射，全由硬件來實現(xiàn)。這樣當(dāng)CPU訪問內(nèi)存時，它所給出的一個字的內(nèi)存地址就會自動轉(zhuǎn)換成Cache的地址。常用下述地址映射方式。(1)直接映射方式。主存中的每一個塊只能被放置到Cache中惟一的一個指定位置，若這個位置已有內(nèi)容，則產(chǎn)生塊沖突，原來的塊將無條件地被替換出去。這種方式塊沖突概率最高，空間利用率最低。(2)全相聯(lián)映射方式。允許主存中任意一個塊映射到Cache存儲器的任何一個字塊位置上，也允許從已被占滿的Cache存儲器中替換出任何一個舊塊，當(dāng)訪問一個塊中的數(shù)據(jù)時，塊地址要與Cache塊表中的所有地址標(biāo)記進(jìn)行比較以確定是否命中，調(diào)入數(shù)據(jù)塊時，替換策略也比較復(fù)雜。這種方式優(yōu)點是靈活，Cache的塊沖突概率小，空間利用率高，但是地址變換速度慢，而且成本高，僅是一個理想方案，實際上很少使用。(3)組相聯(lián)映射方式。將主存空間按Cache大小等分成區(qū)后，再將Cache空間和主存空間中的每一區(qū)都等分成大小相同的組。讓主存各區(qū)某組中的任何一塊，均可直接映射到Cache中對應(yīng)組的任何一塊位置上，即組間采取直接映射，而組內(nèi)采取全相聯(lián)映射。這種方式實際是全相聯(lián)映射和直接映射的折衷方案，也可以說是上述兩種方式的一般形式，所以其優(yōu)缺點介于它們的優(yōu)缺點之間。每一次訪問Cache都有"命中"或"不命中"兩種可能性，如果"不命中”的話，必須采用適當(dāng)?shù)奶鎿Q策略，用新塊替換Cache中的舊塊。在直接映射方式中，可以被置換的舊塊只有一個，只有唯一的選擇。全相聯(lián)映射和組相聯(lián)映射則存在多中選一的情況，常用下述替換策略。①先進(jìn)先出（FIFO）策略。把一組中最先調(diào)入Cache中的字塊替換出去，實現(xiàn)容易，開銷小，缺點是此策略效果不佳。②使用次數(shù)最少（LFU）策略。將迄今為止使用次數(shù)最少的字塊作為被替換的舊塊，需要較多硬件資源，效果比FIFO略好。③近期最少使用（LRU）策略。把一組中近期最少使用的字塊替換出去，需要較多的硬件資源，記錄的信息量也比較多，平均命中率比FIFO和LFU要高。CPU對Cache的寫入更改了Cache內(nèi)容有多種寫操作方式可以保證與主存內(nèi)容一致，統(tǒng)稱為Cache的更新策略，主要有如下方式。（1）寫直達(dá)法。CPU執(zhí)行寫操作時，必須把數(shù)據(jù)同時寫入主存和緩存，這種方式保證主存與緩存數(shù)據(jù)一致性，但增加了訪問主存的次數(shù)，降低了存取速度。（2）寫回法。CPU執(zhí)行寫操作時，只把數(shù)據(jù)寫入Cache而不寫入主存，一直到此塊被換出時才把內(nèi)容寫入主存，實現(xiàn)時需要借助標(biāo)志位信息。這種方式減少了主存訪問次數(shù)，還可以保證數(shù)據(jù)一致性，使用范圍比較廣。（3）寫一次法。基于寫回法又結(jié)合了寫直達(dá)法，寫命中和未命中時處理與寫回法基本相同，只是第一次寫命中時還需要同時寫入主存，這種策略主要用于某些處理器的片內(nèi)Cache.1.5常用I/O接口與設(shè)備在計算機系統(tǒng)中，"接口"是指中央處理器（CPU）、內(nèi)存和外部設(shè)備，兩種外部設(shè)備間或兩種機器之間通過總線連接的邏輯部件。接口部件在它所連接的兩部件之間起著"轉(zhuǎn)換器"的作用，以便實現(xiàn)彼此之間的信息傳送。外部設(shè)備有自己的設(shè)備控制器，它一方面通過接口接收CPU傳送的信息，并把這些信息傳送到設(shè)備。另一方面從設(shè)備讀出信息傳送給接口，然后由接口送給CPU.由于外部設(shè)備種類繁多并且速度不同，所以每種設(shè)備都有適應(yīng)它自己工作特點的設(shè)備控制器。為了使所有的外部設(shè)備能夠兼容，并能在一起工作，通常在總線和每個外部設(shè)備的設(shè)備控制器之間使用一個適配器（接口）電路，從而保證外部設(shè)備用計算機系統(tǒng)特性所要求的形式發(fā)送和接收信息。接口邏輯通常做成標(biāo)準(zhǔn)化，對應(yīng)不同的輸入輸出控制方式，由不同的標(biāo)準(zhǔn)接口。1/0接口管理接口的功能CPU與I/O設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時往往存在速度、時序、信息格式和信息類型的不匹配，接口的作用是彌補這些不匹配，所以必須具備下述功能。（1）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。不同類型的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過轉(zhuǎn)換過程才能被對方識別和接收。（2）數(shù)據(jù)緩沖與時序配合。在接口電路中，一般設(shè)置幾個數(shù)據(jù)緩沖寄存器，從而使接口具備一定的緩沖存儲能力，以補償各種設(shè)備在速度上與CPU的差異。(3)提供外部設(shè)備和接口的狀態(tài)。在接口線路中設(shè)置設(shè)備和接口狀態(tài)寄存器，CPU可以通過讀取其內(nèi)容了解外部設(shè)備和接口線路的工作狀態(tài)，調(diào)整對外部設(shè)備及數(shù)據(jù)接口的指令。狀態(tài)信息包括"準(zhǔn)備就緒"、"忙"及"錯誤"等，供CPU詢問外部設(shè)備進(jìn)行分析。(4)實現(xiàn)主機與外部設(shè)備之間的通信聯(lián)絡(luò)控制。包括設(shè)備選擇、操作時序的控制與協(xié)調(diào)、中斷的請求與批準(zhǔn)、主機命令與I/O設(shè)備狀態(tài)的交換與傳遞。因此每個接口電路都有一個專門的設(shè)備選擇電路和中斷控制線路。(5)電平匹配和負(fù)載匹配?？偩€信號電平通常是與TTL兼容的，而外設(shè)的I/O信號有TTL電平和其它規(guī)格電平。當(dāng)電平不同時，需經(jīng)過接口電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。在信號電平相同的情況下，若總線負(fù)載能力不足，需經(jīng)過接口電路增強總線的驅(qū)動能力達(dá)到負(fù)載匹配，系統(tǒng)才能正常工作。(6)程序中斷。主要包括向處理器申請中斷，向處理器發(fā)出中斷類型號，中斷優(yōu)先權(quán)的管理等。接口的組成不同外設(shè)對應(yīng)的接口是不同的，但不論哪種接口，都必須具有以下基本部件。(1)數(shù)據(jù)緩沖寄存器。用來暫時存放輸入設(shè)備輸入的數(shù)據(jù)或CPU輸出的數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)輸入緩沖寄存器和數(shù)據(jù)輸出緩沖寄存器兩種。利用這種寄存器，可以在高速工作的CPU和慢速工作的外設(shè)之間起協(xié)調(diào)、緩沖和控制作用。(2)控制寄存器。用于存放處理器發(fā)過來的控制命令和其它信息，以確定接口電路的工作方式和功能。控制寄存器是寫寄存器，其內(nèi)容只能由處理器寫入，而不能讀出。(3)狀態(tài)寄存器。用于保存外設(shè)或接口本身的當(dāng)前工作狀態(tài)信息，每一種狀態(tài)通常在狀態(tài)寄存器中占一位，該寄存器的內(nèi)容一般只能被CPU讀出。二i二i希賽網(wǎng)工YY^iWieduchViCn信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html二i二i希賽網(wǎng)工YY^iWieduchViCn信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html會希賽網(wǎng)Yv^iWieducitViCn會希賽網(wǎng)Yv^iWieducitViCn信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html(4)內(nèi)部定時與控制邏輯。用來產(chǎn)生內(nèi)部工作所需的定時信號，并根據(jù)CPU的命令產(chǎn)生控制外設(shè)實現(xiàn)具體操作的控制信號。圖1-9I/O接口的基本組成狀杰寄存器生控制外設(shè)實現(xiàn)具體操作的控制信號。圖1-9I/O接口的基本組成狀杰寄存器拄制曲存宏軟悒奇存器圖1-9是接口電路的基本結(jié)構(gòu)框圖。由于接口電路介于CPU和外設(shè)之間，它既要面對CPU又要面對外設(shè)。因此，在邏輯結(jié)構(gòu)上分為兩部分，一部分與CPU相連接，這部分面向主機的邏輯是標(biāo)準(zhǔn)的邏輯，不同的接口差異不是很大。另一部分與外設(shè)相連接，這部分是非標(biāo)準(zhǔn)的，隨所連接的外設(shè)不同而差異較大。此外，為了支持接口邏輯，系統(tǒng)要設(shè)置總線收發(fā)器增加總線驅(qū)動能力。接口芯片工作時需要先選中芯片，所以系統(tǒng)還應(yīng)設(shè)置地址譯碼電路，將系統(tǒng)提供的地址翻譯成對接口的片選信號接口的分類接口的類型取決于I/O設(shè)備的類型、I/O設(shè)備對接口的要求和CPU與I/O接口之間信息交換的方式等因素。(1)按照數(shù)據(jù)傳輸寬度分類。①并行接口。各位數(shù)據(jù)都是并行傳送，它以字節(jié)(字)為單位與I/O設(shè)備或被控對象進(jìn)行信息交換。一般當(dāng)I/O設(shè)備本身是按照并行方式工作，并且主機與外部設(shè)備之間距離較近時，選用并行接口。②串行接口。在接口與I/O設(shè)備之間按照每次傳送一位的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，該接口必須設(shè)置具有移位功能的數(shù)據(jù)緩沖器，以便實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的并、串轉(zhuǎn)換。一般的低速I/O設(shè)備、計算機網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程終端設(shè)備以及通信系統(tǒng)的終端采用串行接口。（2）按操作的節(jié)拍分類。①同步接口。CPU與接口之間，接口與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)交換都由CPU控制節(jié)拍的協(xié)調(diào)，與CPU的節(jié)拍同步。這種接口控制簡單，但其操作時間必須與CPU時鐘同步。②異步接口。CPU與I/O設(shè)備之間采用應(yīng)答形式交換信息。連接在總線上的任何兩個設(shè)備均可交換信息，其中，負(fù)責(zé)控制和支配總線控制權(quán)的設(shè)備叫主設(shè)備，和主設(shè)備交換信息的設(shè)備叫從設(shè)備。在信息交換時，主設(shè)備發(fā)出交換信息的"請求"信號，從設(shè)備完成操作后向主設(shè)備發(fā)出"應(yīng)答"信號。通過這種一問一答的方式逐步完成信息的交換，其中從"請求"到"回答”之間的時間由完成操作所需的實際時間來決定，與CPU的時鐘節(jié)拍無關(guān)。（3）按信息傳送的控制方式分類。可以分為程序控制I/O接口、程序中斷I/O接口和直接存儲器存取（DMA）接口。輸入設(shè)備輸入設(shè)備用于從外界將數(shù)據(jù)、程序輸入到計算機內(nèi)存，供計算機處理。主要包括鍵盤、鼠標(biāo)、筆輸入設(shè)備、掃描儀、數(shù)碼相機、聲音輸入設(shè)備及視頻輸入設(shè)備等。（1）鍵盤。通過鍵盤可以將字母、數(shù)字等信息輸入到計算機中，控制計算機執(zhí)行相關(guān)的操作。PC機鍵盤可以分為外殼、按鍵和電路板三部分。按鍵的結(jié)構(gòu)可分為觸點式（機械式）和無觸點式（電容式）兩大類，早期鍵盤都屬于機械式，手感差、手指易疲勞、鍵盤磨損快、故障率高，現(xiàn)已不多見。目前常用鍵盤都屬于電容式，手感好、擊鍵聲音小、無接觸、壽命較長。（2）鼠標(biāo)。一種指示設(shè)備，能方便地控制屏幕上的鼠標(biāo)箭頭準(zhǔn)確地定位在指定的位置處，并通過按鈕完成各種操作。鼠標(biāo)的主要技術(shù)指標(biāo)是分辨率，用dpi（dotperinch）表示，它指鼠標(biāo)每移動一英寸時光標(biāo)在屏幕上所通過的像素數(shù)目，分辨率越高，性能就越好。常用鼠標(biāo)器按照結(jié)構(gòu)可分為機械式鼠標(biāo)、光電式鼠標(biāo)和光機式鼠標(biāo)三類，它們的價格逐漸提升，但性能、精度逐漸提高。（3）筆輸入設(shè)備。俗稱"手寫筆",一般由兩部分組成，一部分是與主機相連接的基板，上面有連接線，接在主機的串行口（或PS/2口、USB口）。另一部分是在基板上寫字的"筆".用戶用筆在基板上寫字、畫畫，可以完成信息的輸入工作，用筆在基板上控制鼠標(biāo)箭頭，則可以完成相關(guān)的命令操作。手寫筆可以分為電阻式手寫筆、電磁感應(yīng)式手寫筆和電容觸控式手寫筆三大類。電阻式分辨率低、穩(wěn)定性差。電磁感應(yīng)式真實感強，但容易受周圍電器設(shè)備干擾。電容觸控式使用手指和筆都能操作，使用方便，性能穩(wěn)定。（4）掃描儀。一種將原稿（圖片、照片、底片及書稿）輸入計算機的設(shè)備。掃描儀種類繁多，按照不同的準(zhǔn)則，可分為不同的類型。按掃描儀處理對象分，有反射式和投射式兩種。按掃描儀結(jié)構(gòu)來分，有手持式、平板式、膠片專用和滾筒式等。掃描儀的性能指標(biāo)，包括分辨率、色彩位數(shù)、感光器件、掃描幅面和與主機的接口等。（5）數(shù)碼相機。又稱數(shù)字相機，是一種介于傳統(tǒng)相機和掃描儀之間的產(chǎn)品，它不需要膠卷和暗房，就能直接將二維/三維景物進(jìn)行數(shù)字化。數(shù)碼相機的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)相機有很多相似之處，不同之處在于它不使用光敏鹵化銀膠片成像，而是直接在成像芯片上成像。成像芯片是數(shù)碼相機的核心，常用的成像芯片有CCD和CMOS兩種。數(shù)碼相機的存儲器都是用閃存做成，稱為閃存卡或存儲卡，包括SM卡、CF卡、MMC卡、SD卡和XD卡等，它們一般不能互相通用。（6）聲音輸入設(shè)備。包括前端設(shè)備和后端設(shè)備兩部分，前端設(shè)備包括麥克風(fēng)和MIDI輸入設(shè)備等，用于采集聲音信號，后端設(shè)備包括聲音卡等，它對聲音信號進(jìn)行采樣和量化，轉(zhuǎn)換成為二進(jìn)制的數(shù)字形式。（7）視頻輸入設(shè)備。包括前端設(shè)備和后端設(shè)備兩部分，前端設(shè)備包括數(shù)字?jǐn)z像頭（機），用于采集視頻信號，后端設(shè)備包括視頻卡等，它對視頻信號進(jìn)行采樣和量化，轉(zhuǎn)換成為二進(jìn)制的數(shù)字形式。輸出設(shè)備輸出設(shè)備用以將計算機處理后的結(jié)果信息，轉(zhuǎn)換成外界能夠識別和使用的數(shù)字、文字、圖形、圖像、聲音及電壓等信息形式。主要包括顯示器、打印機、繪圖儀、聲音輸出設(shè)備、和視頻輸出設(shè)備等。（1）顯示器。其功能是將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為光信號，最終將文字與圖形顯示出來。PC機顯示器由監(jiān)視器和顯示控制卡兩部分組成。顯示器的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段。球面CRT顯示器、純平CRT顯示器和液晶顯示器。顯示器的主要性能參數(shù)，包括像素與點距、顯示屏的尺寸、顯示器的分辨率、掃描方式和刷新頻率、視頻帶寬、像素的顏色范圍、輻射和環(huán)保、調(diào)節(jié)與控制等。（2）打印機。它能把主機輸出的程序、數(shù)據(jù)、字符及圖形打印在紙上。常用的打印機包括針式打印機、噴墨打印機和激光打印機三種，其價格逐漸增加，但打印質(zhì)量也逐漸增強。打印機的性能指標(biāo)主要包括打印精度（分辨率）、打印速度、色彩速度和打印成本等。（3）繪圖儀。可以繪制出復(fù)雜、精確的圖形，廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計和建筑工程等領(lǐng)域的計算機輔助設(shè)計和輔助制造。繪圖儀一般采用"增量法"繪制圖形。為了使畫筆移動步距所組成的折線盡量逼近欲繪制的直線或曲線，通常使用"插補算法".繪圖儀按其結(jié)構(gòu)形式可分為滾筒式和平臺式兩種，滾筒式速度慢、精度不高。平臺式是速度快、精度高，應(yīng)用廣泛。（4）聲音輸出設(shè)備。主要包括MIDI音樂合成器、三維環(huán)繞聲生成器及音箱。其中MIDI音樂合成器把MIDI文件轉(zhuǎn)換成為波形信號，MIDI合成器包括數(shù)字調(diào)頻合成器（FM）和PCM波形合成器兩種。三維環(huán)繞聲生成器可以利用雙聲道立體聲系統(tǒng)重現(xiàn)實際三維聲場的空間寬度、深度、層次及臨場感，具有很強的感染力。三維環(huán)繞聲技術(shù)有多種，包括SRS、Space均衡器技術(shù)、Q-Sound和Spatializer等，其中最為流行的是SRS.音箱處于聲音輸出設(shè)備的最前端，可以將電信號還原成為聲音信號，分為無源音箱和有源音箱兩大類，目前PC機使用的主要是有源音箱。（5）視頻輸出設(shè)備。視頻投影儀也叫做多媒體投影儀，它是一種重要的視頻輸出設(shè)備。投影儀主要通過三種技術(shù)來實現(xiàn)，它們分別是CRT投影技術(shù)、LCD投影技術(shù)以及DLP投影技術(shù)。主要性能指標(biāo)，包括亮度、分辨率、光能量、燈泡壽命、水平掃描頻率、垂直掃描頻率及梯形校正等。1.6系統(tǒng)性能指標(biāo)本節(jié)主要介紹系統(tǒng)性能評價的有關(guān)參數(shù)?？煽啃韵嚓P(guān)概念可靠性用平均無故障時間（MTTF）來度量，即計算機系統(tǒng)平均能夠正常運行多長時間，才發(fā)生一次故障。系統(tǒng)可靠性越高，平均無故障時間就越長?？删S護性用平均維修時間（MTTR）來度量，即系統(tǒng)發(fā)生故障后維修和重新恢復(fù)正常運行平均花費的時間，系統(tǒng)的可維護性越好，平均維修時間越短。計算機系統(tǒng)可用性是系統(tǒng)保持正常運行時間的百分比，定義為：MTTF/(MTTF+MTTR)x1