微機(jī)原理與接口技術(shù)課件：微型計(jì)算機(jī)概論

微型計(jì)算機(jī)概論1.1微型計(jì)算機(jī)概述1.2計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)信息的表示1.3邏輯單元與邏輯部件1.4微型計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)本章小結(jié) 1.1微型計(jì)算機(jī)概述

1.微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展

自1946年第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)問世以來，計(jì)算機(jī)的發(fā)展已經(jīng)歷了電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路等4個(gè)階段。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著生物科學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、納米技術(shù)的飛速發(fā)展，生物芯片、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也開始進(jìn)入計(jì)算機(jī)領(lǐng)域——計(jì)算機(jī)的發(fā)展進(jìn)入第5個(gè)發(fā)展階段。

按體積、性能和價(jià)格的不同，計(jì)算機(jī)可分為巨型計(jì)算機(jī)、大型計(jì)算機(jī)、中型計(jì)算機(jī)、小型計(jì)算機(jī)和微型計(jì)算機(jī)。微型計(jì)算機(jī)是指以微處理器為核心，并配以存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口電路及其設(shè)備的計(jì)算機(jī)。微型計(jì)算機(jī)采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)，將運(yùn)算器和控制器——微處理器(Microprocessor)集成在一片硅片上。

隨著微電子與超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展基本遵循摩爾定律，即微處理器集成度每隔18個(gè)月翻一番，芯片性能隨之提高一倍左右。通常，微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展是以微處理器的發(fā)展為表征的。以其字長(zhǎng)和功能來分，微處理器的發(fā)展經(jīng)歷了如下幾個(gè)階段：

(1)1971—1973年為4/8位低檔微處理器時(shí)代，代表芯片是Intel4004和Intel8008，采用PMOS工藝，集成度為2300元件/片，基本指令執(zhí)行時(shí)間為20s～50s，主頻在500kHz以下，基本指令有48條。第一代微處理器主要用于家電和簡(jiǎn)單控制場(chǎng)合。

(2)1973—1977年為8位中檔微處理器時(shí)代，代表芯片是MC6800、Z80、Intel8080/8085等，采用NMOS工藝，集成度較第一代提高4倍，基本指令執(zhí)行時(shí)間為2s～10s，主頻高于1MHz，基本指令包括70多條。第二代微處理器主要用于電子儀器等。

(3)1978—1984年為16位微處理器時(shí)代，代表芯片是Intel8086/8088、MC6800、Z8000，采用HMOS工藝，集成度為2～7萬元件/片，基本指令執(zhí)行時(shí)間為0.5s，主頻為4MHz～8MHz。第三代微處理器的計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)完善，采用流水線技術(shù)、多級(jí)中斷、多種尋址方式、段寄存器等結(jié)構(gòu)，能夠與協(xié)處理器相配合進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算。

(4)1985—1992年為32位微處理器時(shí)代，它標(biāo)志著微處理器跨入了第四代，代表芯片是Intel80386、Intel80486、MC68040等，采用HOMS/CMOS工藝，集成度為100萬元件/片，基本指令執(zhí)行速度為25MIPS，主頻為16MHz～25MHz。第四代微處理器引入了高速緩存和采用精簡(jiǎn)指令集，其體系結(jié)構(gòu)較16位機(jī)發(fā)生了概念性變化。

(5)1993年推出的32位Pentium微處理器P5，采用0.6m的靜態(tài)CMOS工藝，集成度為350萬元件/片，基本指令執(zhí)行時(shí)間為0.5s，主頻在60MHz以上，采用擴(kuò)展總線，設(shè)置高速程序緩存、數(shù)據(jù)緩存、超流水線結(jié)構(gòu)。兩年后推出的PentiumPro系列微處理器P6，主頻為133MHz，設(shè)有兩級(jí)緩存，采用動(dòng)態(tài)執(zhí)行技術(shù)，性能大大提高。而后又推出了具有MMX技術(shù)，附加多媒體聲像處理指令的PentiumII，可用于多媒體應(yīng)用領(lǐng)域。

截至目前，Intel系列的微處理器中，最高主頻已達(dá)3.8GHz。表1-1給出了Intel80x86/Pentium系列部分CPU的主要性能參數(shù)。

2.微型計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)

微型計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度快，計(jì)算精度高，高集成度使得微處理器非常穩(wěn)定。由于微型計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)開放，易于擴(kuò)展，適應(yīng)性強(qiáng)，因此微處理器的配套應(yīng)用芯片和軟件豐富，更新也很快。此外，微型計(jì)算機(jī)還具有體積小、重量輕、耗電省、維護(hù)方便及造價(jià)低廉等特點(diǎn)。

3.微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用

科學(xué)計(jì)算是微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用的主要領(lǐng)域，其應(yīng)用包括衛(wèi)星發(fā)射控制、航天飛機(jī)制造、高層建筑設(shè)計(jì)、機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生物信息學(xué)研究、基因測(cè)序、醫(yī)學(xué)病理分析與處理等。

過程控制是微型計(jì)算機(jī)在工業(yè)應(yīng)用中的重要領(lǐng)域，其應(yīng)用包括大型工業(yè)鍋爐控制、鐵路調(diào)度控制、數(shù)控機(jī)床控制，以及由上、下位微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成的分布式工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)等。嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用使工業(yè)控制的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，市場(chǎng)應(yīng)用前景更加廣闊。

低檔的微型計(jì)算機(jī)在儀器儀表和家電的智能控制方面的應(yīng)用，取代了過去的硬件邏輯電路對(duì)儀器儀表和家電的控制，用程序的重復(fù)執(zhí)行以及循環(huán)控制，可以做到電路最省、控制更佳，并可通過修改程序來修改控制方案，因而靈活多變，可靠性高。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造(CAD/CAM)借助微型計(jì)算機(jī)調(diào)整、修改產(chǎn)品設(shè)計(jì)，CAM圍繞中心數(shù)控機(jī)床及其自動(dòng)化設(shè)備，用以完成部件的加工、運(yùn)輸、組裝、測(cè)量、檢查等功能，CAD與CAM的集成——CAD/CAM一體化，是今后工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的重要方向。

人工智能的主要目標(biāo)是利用計(jì)算機(jī)模擬人的大腦，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)于知識(shí)學(xué)習(xí)、理解與推理、信息處理的思維過程的研究學(xué)科。人工智能理論的新突破，特別是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和DNA芯片技術(shù)的研究，急需大型并行計(jì)算機(jī)的模擬計(jì)算和新型計(jì)算機(jī)的研究。

利用微型計(jì)算機(jī)可以構(gòu)成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)微機(jī)系統(tǒng)的軟硬件資源和數(shù)據(jù)資源的共享。

1.2計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)信息的表示

1.2.1數(shù)據(jù)格式及機(jī)器數(shù)

1．?dāng)?shù)據(jù)格式

在微處理器中要進(jìn)行整數(shù)和小數(shù)運(yùn)算，如何處理小數(shù)點(diǎn)的位置是十分重要的，通常，在計(jì)算機(jī)中經(jīng)常采用定點(diǎn)格式或浮點(diǎn)格式來表明小數(shù)點(diǎn)的位置。

(1)定點(diǎn)格式。在定點(diǎn)格式中，小數(shù)點(diǎn)在數(shù)據(jù)中的位置固定不變。通常，小數(shù)點(diǎn)的位置確定后，在運(yùn)算中不再考慮小數(shù)點(diǎn)的問題，因而，小數(shù)點(diǎn)不占用存儲(chǔ)空間。定點(diǎn)數(shù)表示簡(jiǎn)單，但數(shù)的取值范圍小，精度低。

(2)浮點(diǎn)格式。采用浮點(diǎn)格式的機(jī)器中的數(shù)據(jù)的小數(shù)點(diǎn)位置可變。浮點(diǎn)數(shù)的一般格式為

N?=?Re·m

其中：N為浮點(diǎn)數(shù)或?qū)崝?shù)；m為浮點(diǎn)數(shù)的尾數(shù)，是純小數(shù)；e為浮點(diǎn)數(shù)的指數(shù)，是整數(shù)；R為基數(shù)，是常數(shù)。

機(jī)器中的浮點(diǎn)數(shù)用尾數(shù)和階碼及其符號(hào)位表示。尾數(shù)用定點(diǎn)小數(shù)表示，用于給定有效數(shù)字的位數(shù)并決定浮點(diǎn)數(shù)的表示精度；階碼用定點(diǎn)整數(shù)表示，用于指明小數(shù)點(diǎn)在數(shù)據(jù)中的位置并決定浮點(diǎn)數(shù)的表示范圍。

(3)帶符號(hào)數(shù)和無符號(hào)數(shù)。對(duì)于整數(shù)而言，如果其最高有效位為符號(hào)位，則該數(shù)為帶符號(hào)數(shù)；反之，如果其最高有效位為數(shù)值位，則該數(shù)為無符號(hào)數(shù)。無符號(hào)數(shù)不一定是正數(shù)。當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，若不需要考慮數(shù)的正負(fù)，則可以使用無符號(hào)數(shù)。帶符號(hào)數(shù)和無符號(hào)數(shù)的取值范圍不同，對(duì)于字長(zhǎng)為8位的定點(diǎn)整數(shù)，無符號(hào)數(shù)的取值范圍是0≤X≤255，帶符號(hào)數(shù)的取值范圍是?-128≤X≤127。

2.機(jī)器數(shù)的表示方法

在計(jì)算機(jī)中，帶符號(hào)數(shù)常用的表示方法有原碼、反碼和補(bǔ)碼3種。這些表示方法都將數(shù)的符號(hào)數(shù)碼化。通?！?”用“0”表示，“-”用“1”表示。為了區(qū)分書寫時(shí)表示的數(shù)和機(jī)器中編碼表示的數(shù)，我們稱前者為真值，后者為機(jī)器數(shù)，即數(shù)值連同符號(hào)數(shù)碼“0”或“1”在機(jī)器中的一組二進(jìn)制數(shù)表示形式稱為機(jī)器數(shù)，而它所表示的數(shù)值連同符號(hào)“+”或“-”稱為機(jī)器數(shù)的真值。把機(jī)器數(shù)的符號(hào)位也當(dāng)作數(shù)值的數(shù)，就是無符號(hào)數(shù)。

為了表示方便，常把8位二進(jìn)制數(shù)稱為字節(jié)，16位二進(jìn)制數(shù)稱為字，32位二進(jìn)制數(shù)稱為雙字。對(duì)于機(jī)器數(shù)，應(yīng)將其用字節(jié)、字或雙字表示，所以只有8位、16位或32位機(jī)器數(shù)的最高位才是符號(hào)位。正數(shù)的原碼、反碼、補(bǔ)碼相同，即[x]原=[x]反=[x]補(bǔ)。

負(fù)數(shù)的機(jī)器數(shù)求解方法如下：

(1)反碼：將其原碼符號(hào)位保持不變，數(shù)值位按位取反。

(2)補(bǔ)碼：將反碼末位加1。

當(dāng)計(jì)算機(jī)采用不同的碼制時(shí)，運(yùn)算器和控制器的結(jié)構(gòu)將不同。由于補(bǔ)碼具有唯一性，因此小型計(jì)算機(jī)和微型計(jì)算機(jī)大都為補(bǔ)碼機(jī)。

(1)計(jì)算機(jī)中引入補(bǔ)碼可以使符號(hào)位和數(shù)值位成為一體，共同參與運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果的符號(hào)位由運(yùn)算得出。

(2)減法可以轉(zhuǎn)換成加法運(yùn)算來完成，乘法和除法可以通過加法和移位運(yùn)算來完成。這樣，二進(jìn)制數(shù)的四則運(yùn)算只須加減法和移位運(yùn)算即可完成。

由此可見，計(jì)算機(jī)中引入補(bǔ)碼的目的是簡(jiǎn)化運(yùn)算方法，從而簡(jiǎn)化運(yùn)算器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)。

1.2.2數(shù)字信息編碼

所謂編碼，就是用少量的基本符號(hào)，按照一定的排列組合原則表示大量復(fù)雜多樣信息的一種操作。基本符號(hào)的種類和排列組合規(guī)則是信息編碼的兩大要素，下面分別簡(jiǎn)單介紹計(jì)算機(jī)中信息編碼和常用數(shù)據(jù)表示的幾種方法。

1.二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)

由于計(jì)算機(jī)內(nèi)部采用二進(jìn)制數(shù)，而外部數(shù)據(jù)的輸入/輸出使用十進(jìn)制數(shù)，因此采用編碼方式來完成二—十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換。8421BCD碼就是用4位二進(jìn)制數(shù)的編碼來表示十進(jìn)制數(shù)，見表1-2。采用8421BCD碼可以直接使用二進(jìn)制數(shù)部件完成十進(jìn)制數(shù)的存儲(chǔ)和運(yùn)算。

2.字符編碼

ASCII碼(AmericanStandardCodeforInformationInterchange)是國(guó)際通用的字符編碼標(biāo)準(zhǔn)。ASCII碼采用7位二進(jìn)制數(shù)編碼表示128個(gè)字符，見表1-3，其中34個(gè)起控制作用的編碼稱為功能碼，其余的94個(gè)符號(hào)稱為信息碼，供書寫程序和描述命令之用。在確定某個(gè)字符的ASCII碼時(shí)，先確定該字符在表中所對(duì)應(yīng)的行與列，列對(duì)應(yīng)高位碼d6d5d4，行對(duì)應(yīng)低位碼d3d2d1d0，高位碼與低位碼的組合就是該字符的ASCII碼。

3.漢字編碼

當(dāng)計(jì)算機(jī)用于漢字處理時(shí)，可用若干位二進(jìn)制編碼來表示一個(gè)漢字。通常，一個(gè)漢字的編碼可用內(nèi)碼、字模碼和外碼來描述。內(nèi)碼是用于漢字的存儲(chǔ)、交換等操作的計(jì)算機(jī)內(nèi)部代碼。一個(gè)漢字內(nèi)碼通常用兩個(gè)字節(jié)表示，且這兩個(gè)字節(jié)的最高位均為1，以區(qū)別英文字符的7位ASCII碼。字模碼是漢字的輸出編碼，字庫(kù)中存放的就是字模碼。外碼是漢字的輸入碼，用來輸入漢字的編碼。

1.3邏輯單元與邏輯部件

1.3.1二進(jìn)制數(shù)的邏輯運(yùn)算與邏輯電路

計(jì)算機(jī)除了可進(jìn)行基本的算術(shù)運(yùn)算外，還可對(duì)兩個(gè)或一個(gè)無符號(hào)二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算。計(jì)算機(jī)中的邏輯運(yùn)算主要包括“邏輯非”、“邏輯與”、“邏輯或”和“邏輯異或”4種基本運(yùn)算。下面介紹這4種基本邏輯運(yùn)算及實(shí)現(xiàn)這些運(yùn)算的邏輯電路。

1.邏輯非

邏輯非運(yùn)算也稱“求反”。對(duì)二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行邏輯非運(yùn)算，就是按位求它的“反”，常在邏輯變量上方加一橫線來表示。例如，A?=?01100001B，B?=?11001011B，對(duì)A和B求邏輯非，則有即01100001B?

?11001001B?=?01000001B。

實(shí)現(xiàn)邏輯與運(yùn)算的電路稱為與門。2輸入與門的國(guó)標(biāo)符號(hào)如圖1-2所示。

3.邏輯或

對(duì)兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行邏輯或運(yùn)算，就是按位求它們的“或”，又稱“邏輯加”，常用符號(hào)“

”或“+”來表示。二進(jìn)制數(shù)邏輯加的規(guī)則為0?

?0?=?0，0?

?1?=?1，1?

?0?=?1，1?

?1?=?1。

例如，01100001B和11001001B邏輯加的算式如下：即01100001B?

?11001001B?=?11101001B。

實(shí)現(xiàn)邏輯加運(yùn)算的電路稱為或門。2輸入或門的國(guó)標(biāo)符號(hào)如圖1-3所示。圖1-3或門的國(guó)標(biāo)符號(hào)

4.邏輯異或

對(duì)兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行邏輯異或運(yùn)算，就是按位求它們的模2和，所以邏輯異或又稱“按位加”，常用符號(hào)“

”來表示。二進(jìn)制數(shù)的邏輯異或運(yùn)算規(guī)則為0?

?0?=?0，0?

?1?=?1，1?

?0?=?1，1

1?=?0。

例如，01100001B和11001001B邏輯異或的算式如下：

注意：按位加與普通整數(shù)加法的區(qū)別是它僅按位相加，不產(chǎn)生進(jìn)位。

實(shí)現(xiàn)邏輯異或運(yùn)算的電路稱為異或門。2輸入異或門的國(guó)標(biāo)符號(hào)如圖1-4所示。

異或門的特點(diǎn)是，只有當(dāng)輸入的兩個(gè)變量相異時(shí)，輸出為高(1)，否則輸出為低(0)。圖1-4異或門的國(guó)標(biāo)符號(hào)1.3.2常用邏輯部件

邏輯部件是用來對(duì)二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行寄存、傳送和變換的數(shù)字部件，其種類繁多，本書簡(jiǎn)單地介紹微型計(jì)算機(jī)中常用的幾種邏輯部件。構(gòu)成邏輯部件的基本單元電路是觸發(fā)器。

1.觸發(fā)器

觸發(fā)器是具有記憶功能的基本邏輯單元電路。它能接收、保存和輸出邏輯信號(hào)0和1。各類觸發(fā)器都可以由邏輯門電路組成。

2)同步RS觸發(fā)器

基本RS觸發(fā)器中，輸入端的觸發(fā)信號(hào)直接控制觸發(fā)器的狀態(tài)。但在實(shí)際應(yīng)用中，還希望觸發(fā)器能夠受一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)控制，做到按時(shí)鐘信號(hào)的節(jié)拍翻轉(zhuǎn)。這個(gè)控制信號(hào)稱為時(shí)鐘脈沖CP(ClockPulse)。引入CP后，觸發(fā)器的狀態(tài)不是在輸入信號(hào)(R、S端)變化時(shí)立即轉(zhuǎn)換，而是等待時(shí)鐘信號(hào)到達(dá)時(shí)才轉(zhuǎn)換。在多個(gè)這種觸發(fā)器組成的電路中，各觸發(fā)器受同一個(gè)時(shí)鐘控制，觸發(fā)器都在同一個(gè)時(shí)刻翻轉(zhuǎn)，因此稱為同步RS觸發(fā)器，而基本RS觸發(fā)器稱為異步RS觸發(fā)器。

同步RS觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)如圖1-6所示。該電路由基本RS觸發(fā)器和控制電路兩部分組成。在時(shí)鐘脈沖未到來時(shí)(即CP?=?0時(shí))，由于控制電路的兩個(gè)與非門均被封鎖，它們的輸出都為1，因此基本RS觸發(fā)器維持原狀態(tài)不變。在時(shí)鐘脈沖作用期間(即CP?=?1時(shí))，控制電路的兩個(gè)與非門均被開啟，R和S端的輸入被反相后送到基本RS觸發(fā)器的輸入端。由基本RS觸發(fā)器的邏輯功能可知，RS?=?01時(shí)，觸發(fā)器被置位；RS?=?10時(shí)，觸發(fā)器被復(fù)位；RS?=?00時(shí)，觸發(fā)器的狀態(tài)不變；RS?=?11的輸入狀態(tài)，同步RS觸發(fā)器是不允許出現(xiàn)的。圖1-6同步RS觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)

3)?D觸發(fā)器

同步RS觸發(fā)器工作時(shí)，不允許R和S端的輸入信號(hào)同時(shí)為1。如果將R端改接到控制電路另一個(gè)與非門的輸出端，只在S端加入輸入信號(hào)，S端改稱為D端，同步RS觸發(fā)器就轉(zhuǎn)換成了D觸發(fā)器。D觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)與邏輯符號(hào)如圖1-7所示。由于總是將D端的輸入反相后作為另一個(gè)與非門的輸入信號(hào)，故無論D端的狀態(tài)如何，都滿足RS觸發(fā)器的約束條件，不會(huì)出現(xiàn)不允許的輸入狀態(tài)。由RS觸發(fā)器的特性可直接求出D觸發(fā)器的特性。不管D觸發(fā)器Q端的原狀態(tài)Qn如何，次態(tài)Qn?+?1總是與時(shí)鐘脈沖來到時(shí)D端的輸入狀態(tài)相同。圖1-7

D觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)與邏輯符號(hào)

4)?JK觸發(fā)器

在同步RS觸發(fā)器的基礎(chǔ)上，增加J和K輸入端及兩條反饋線，即可組成JK觸發(fā)器。JK觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)與邏輯符號(hào)如圖1-8所示。由于Q和

的互補(bǔ)關(guān)系，控制電路的兩個(gè)與非門不會(huì)同時(shí)開啟，因而JK的任一種輸入狀態(tài)都是允許的，不再需要滿足RS觸發(fā)器的約束條件。圖1-8

JK觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)與邏輯符號(hào)

5)?T觸發(fā)器

將JK觸發(fā)器的J、K兩端連在一起作為T輸入端，即可得到T觸發(fā)器。T觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)與邏輯符號(hào)如圖1-9所示。圖1-9

T觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)與邏輯符號(hào)圖1-10寄存器的邏輯圖

3.移位寄存器

具有移位邏輯功能的寄存器稱為移位寄存器。移位寄存器一般由D觸發(fā)器構(gòu)成。圖1-11為由4個(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成的移位寄存器的邏輯圖。它的第4級(jí)觸發(fā)器的D端接輸入信號(hào)，其余各觸發(fā)器的D端接前一級(jí)觸發(fā)器的Q端，所有觸發(fā)器的CP端連在一起接收時(shí)鐘脈沖信號(hào)。每來一個(gè)時(shí)鐘脈沖，來自外部的輸入數(shù)碼(即第4級(jí)觸發(fā)器的D端的輸入信號(hào))便輸入一位，已被寄存的數(shù)碼依次右移一位。圖1-11移位寄存器的邏輯圖

4.計(jì)數(shù)器

計(jì)數(shù)器是計(jì)算機(jī)中一種常用的邏輯部件，它不僅能存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，而且還能記錄輸入脈沖的個(gè)數(shù)。計(jì)數(shù)器的種類繁多，可以從不同角度來分類：按工作方式，可分為同步計(jì)數(shù)器和異步計(jì)數(shù)器；按加減計(jì)數(shù)順序，可分為加法計(jì)數(shù)器和減法計(jì)數(shù)器；按進(jìn)位制，可分為二進(jìn)制計(jì)數(shù)器、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器和任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器等。

1)異步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器

由JK觸發(fā)器構(gòu)成的3位異步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的邏輯圖如圖1-12所示。其工作過程如下：初始時(shí)，將計(jì)數(shù)器置為全0狀態(tài)(即Q3Q2Q1為000)。第1個(gè)計(jì)數(shù)脈沖來到后，第1級(jí)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，Q1由0變?yōu)?，第2、3級(jí)觸發(fā)器因時(shí)鐘端無觸發(fā)脈沖，它們維持原狀態(tài)不變，故計(jì)數(shù)器的狀態(tài)Q3Q2Q1為001。第2級(jí)計(jì)數(shù)脈沖來到后，第1級(jí)觸發(fā)器又翻轉(zhuǎn)，Q1由1變?yōu)?，第2級(jí)觸發(fā)器因其時(shí)鐘輸入端有脈沖下降沿的作用，也進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，Q2由0變?yōu)?，Q3仍保持原狀態(tài)，計(jì)數(shù)器的狀態(tài)Q3Q2Q1為010。按照這樣的順序工作下去，直至第7個(gè)計(jì)數(shù)脈沖來到后，計(jì)數(shù)器的狀態(tài)Q3Q2Q1為111。此時(shí)再來一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，計(jì)數(shù)器又回到初始時(shí)的全0狀態(tài)。圖1-12異步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的邏輯圖

2)同步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器

由JK觸發(fā)器構(gòu)成的3位同步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的邏輯圖如圖1-13所示。其工作過程如下：初始時(shí)，將計(jì)數(shù)器置為全0狀態(tài)(即Q3Q2Q1為000)。第1個(gè)CP脈沖來到后，由于第1級(jí)JK端為1，第2級(jí)和第3級(jí)的JK端為0，所以第1級(jí)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，Q1由0變?yōu)?，第2級(jí)和第3級(jí)觸發(fā)器維持原狀態(tài)不變，計(jì)數(shù)器的狀態(tài)Q3Q2Q1為001。第2個(gè)CP脈沖來到后，第1級(jí)和第2級(jí)的JK端為1，第3級(jí)的JK端為0，故第1級(jí)和第2級(jí)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，第3級(jí)觸發(fā)器維持原狀態(tài)不變，計(jì)數(shù)器的狀態(tài)Q3Q2Q1為010。第3個(gè)CP脈沖來到后，第1級(jí)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，第2級(jí)和第3級(jí)觸發(fā)器維持原狀態(tài)不變，計(jì)數(shù)器的狀態(tài)Q3Q2Q1為011。第4個(gè)CP脈沖來到后，3級(jí)觸發(fā)器的JK端為1，故3個(gè)觸發(fā)器均翻轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)器的狀態(tài)Q3Q2Q1為100。按照這樣的順序工作下去，直至第7個(gè)CP脈沖來到后，計(jì)數(shù)器的狀態(tài)Q3Q2Q1為111。此時(shí)再來一個(gè)CP脈沖，由于3個(gè)觸發(fā)器的JK都為1，故3級(jí)觸發(fā)器均翻轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)器又回到初始時(shí)的全0狀態(tài)。

圖1-13同步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的邏輯圖圖1-14

2-4譯碼器邏輯圖1.4微型計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)1.4.1微型計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)

微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件組成。馮·

諾依曼在1946年首次提出計(jì)算機(jī)的組成和工作方式：計(jì)算機(jī)分為運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入和輸出設(shè)備五大部分并通過總線(BUS)連接起來，計(jì)算機(jī)內(nèi)部采用二進(jìn)制，采用程序存儲(chǔ)的工作方式。微型計(jì)算機(jī)的一般結(jié)構(gòu)如圖1-15所示。微處理器，即中央處理單元(CentralProcessingUni，CPU)，由運(yùn)算器和控制器構(gòu)成，將控制器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器合稱微型計(jì)算機(jī)的主機(jī)。主機(jī)、輸入/輸出設(shè)備以及軟件就構(gòu)成了微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。圖1-15微型計(jì)算機(jī)的一般結(jié)構(gòu)

1.運(yùn)算器、控制器

運(yùn)算器實(shí)現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算和其他操作。運(yùn)算器的硬件結(jié)構(gòu)決定了它所能實(shí)現(xiàn)的功能。控制器是指揮計(jì)算機(jī)工作的控制中心，它通過執(zhí)行指令來控制全機(jī)工作。指令是規(guī)定計(jì)算機(jī)執(zhí)行特定操作的命令。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)行什么樣的操作由其指令系統(tǒng)決定。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，這些指令的有序集合就是程序。指令通常以機(jī)器碼(MachineCode)的形式存放在存儲(chǔ)器中。為完成一條指令所規(guī)定的操作，計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件需要完成一系列的基本動(dòng)作，這些基本動(dòng)作按照特定的時(shí)序完成。控制器的作用就是根據(jù)指令的規(guī)定，在不同的節(jié)拍電位將相應(yīng)的控制信號(hào)送至計(jì)算機(jī)的相關(guān)部件。

2.存儲(chǔ)器

存儲(chǔ)器用以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和指令。在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，通常使用的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，稱為內(nèi)部存儲(chǔ)器(簡(jiǎn)稱內(nèi)存)。內(nèi)部存儲(chǔ)器的工作速度較高，與CPU的速度基本匹配，但內(nèi)存容量是有限的。另外，斷電后，內(nèi)存信息將全部丟失，這就引入了外部存儲(chǔ)器(簡(jiǎn)稱外存)。外存屬于外部接口設(shè)備，一般不能直接與CPU交換信息。通常，在內(nèi)存中存放常用的程序或正在運(yùn)行的指令或數(shù)據(jù)，而其他大量的信息則存放在外存(如磁盤、磁帶、光盤等存儲(chǔ)介質(zhì))中。

3.輸入/輸出設(shè)備及其接口電路

輸入/輸出設(shè)備(Input/OutputPeripheral)是計(jì)算機(jī)與外界進(jìn)行信息交換的接口設(shè)備，簡(jiǎn)稱I/O設(shè)備。

輸入設(shè)備能夠?qū)⒏鞣N形式的信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)所能接受的數(shù)據(jù)形式。常用的輸入設(shè)備有鍵盤、模/數(shù)或數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、掃描儀等。輸出設(shè)備能夠?qū)⒂?jì)算機(jī)處理的結(jié)果轉(zhuǎn)換為人或其他設(shè)備所能識(shí)別的形式。常用的輸出設(shè)備有顯示器、打印機(jī)、繪圖儀、投影儀等。

計(jì)算機(jī)的各種輸入/輸出設(shè)備種類繁多，速度各異，需要通過輸入/輸出接口電路與主機(jī)相連，完成數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、速度匹配，才能實(shí)現(xiàn)信息的正確傳輸。

4.總線

總線是計(jì)算機(jī)各個(gè)部件進(jìn)行信息傳輸?shù)墓餐ǖ?。為保證信息能正確傳遞，在任意時(shí)刻，總線上只允許傳遞一組信息。

若按總線上傳輸信息的性質(zhì)劃分，總線可分為以下幾種：

(1)地址總線(AddressBus)：用來傳輸CPU輸出的地址信號(hào)，確定被訪問存儲(chǔ)單元、輸入/輸出端口地址。

(2)數(shù)據(jù)總線(DataBus)：用來傳輸數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)總線是在CPU與存儲(chǔ)器或I/O接口之間，內(nèi)存儲(chǔ)器與I/O設(shè)備之間，以及外存儲(chǔ)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p向公共通道。

(3)控制總線(ControlBus)：配合數(shù)據(jù)的傳輸需用控制總線來傳送各種控制信號(hào)、時(shí)序信號(hào)和狀態(tài)信息。

總線若按其連接功能劃分，可大致分為以下幾種：

(4)內(nèi)部總線：又稱板內(nèi)總線，是指把CPU、隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器、只讀存儲(chǔ)器、基本I/O接口、定時(shí)器以及總線控制器等連成一個(gè)系統(tǒng)的總線。

(5)系統(tǒng)總線：又稱板間總線，是指計(jì)算機(jī)內(nèi)部系統(tǒng)板與插件板之間的通信總線。在該總線上裝有通用輸入/輸出擴(kuò)展插槽，用以不同設(shè)備的接口電路與CPU之間的連接。系統(tǒng)總線有8位PC總線、16位ISA總線、32位VESA總線和32位或64位PCI總線。

(6)外部總線：用以設(shè)備與設(shè)備之間的連接。常用的外部總線有RS-232和IEEE-488。1.4.2微型計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)要能夠進(jìn)行計(jì)算，還須有軟件配合。計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)所需的各種程序、數(shù)據(jù)、文件等。通常將各類程序的集合稱為軟件。軟件分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類。

1.系統(tǒng)軟件

通常把包括了下列程序及軟件的集合統(tǒng)稱為系統(tǒng)軟件。

(1)操作系統(tǒng)(OperatingSystem)。操作系統(tǒng)是能夠管理和協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)軟硬件資源的合理分配與使用，方便用戶使用計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)程序的集合。常用的單用戶操作系統(tǒng)有MS-DOS，分時(shí)/多用戶操作系統(tǒng)有UNIX和Windows2000等。

(2)各種語言及其匯編或解釋、編譯程序。計(jì)算機(jī)語言是人機(jī)通信的工具。計(jì)算機(jī)僅能讀懂機(jī)器語言，但機(jī)器語言的編制煩瑣。為此，產(chǎn)生了匯編語言，即將指令的操作碼和地址碼用易于記憶的助記符來表示。用匯編語言寫的源程序須經(jīng)匯編程序(Assembler)翻譯成用機(jī)器碼表示的目標(biāo)程序(ObjectProgram)后，機(jī)器才能識(shí)別和執(zhí)行。

匯編語句與機(jī)器指令一一對(duì)應(yīng)，易于實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的控制，便于理解硬件工作的過程，但用匯編語言編寫的程序的可讀性較差，程序語句數(shù)較多，編寫匯編程序是一件繁瑣、困難的工作，而且匯編程序不能在不同的機(jī)器上通用。

為了提高編程的效率，產(chǎn)生了接近人的思維習(xí)慣的語言——高級(jí)語言。高級(jí)語言便于理解和掌握，方便用戶編程，提高了效率。并且高級(jí)語言程序的通用性強(qiáng)，適用于各種不同的機(jī)型。計(jì)算機(jī)執(zhí)行高級(jí)語言時(shí)，仍須將高級(jí)語言源程序用解釋程序或編譯程序翻譯成目標(biāo)程序。常用的語言有BASIC、FORTRAN、C、JAVA等十幾種。

(3)計(jì)算機(jī)的監(jiān)控管理程序、調(diào)試程序、故障檢查和診斷程序。

(4)程序庫(kù)。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)置各種標(biāo)準(zhǔn)子程序，這些子程序的總和就形成了程序庫(kù)。

2.應(yīng)用軟件

用戶利用計(jì)算機(jī)及各種系統(tǒng)軟件，編制解決各種實(shí)際問題的程序，這些程序的集合通稱應(yīng)用軟件。應(yīng)用軟件在逐步標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，以形成解決各種典型問題的應(yīng)用程序的組合，即軟件包。常用的應(yīng)用軟件有文字處理軟件Word、電子表格Excel、圖形圖像處理軟件Photoshop等。1.4.3微型計(jì)算機(jī)的工作過程

微型計(jì)算機(jī)在硬件和軟件相互配合之下才能工作。微型計(jì)算機(jī)為完成某種任務(wù)，總是將任務(wù)分解成一系列的基本動(dòng)作，而后再一個(gè)一個(gè)地去完成每一個(gè)基本動(dòng)作。當(dāng)這一任務(wù)所有的基本動(dòng)作都完成時(shí)，整個(gè)任務(wù)也就完成了。這是計(jì)算機(jī)工作的基本思路。

CPU進(jìn)行簡(jiǎn)單的算術(shù)運(yùn)算或邏輯運(yùn)算，或從存儲(chǔ)器取數(shù)，將數(shù)據(jù)存放于存儲(chǔ)器，或由接口取數(shù)或向接口送數(shù)，這些都是一些基本動(dòng)作，也稱為CPU的操作。

通知微處理器進(jìn)行某種操作的代碼稱為指令。微處理器只認(rèn)識(shí)由0和1電平組成的二進(jìn)制編碼，因此，指令就是一組由0和1構(gòu)成的數(shù)字編碼。微處理器在任何一個(gè)時(shí)刻只能進(jìn)行一種操作