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文檔簡(jiǎn)介
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
提要:自20世紀(jì)70年代初大規(guī)模集成電路組成的微型計(jì)
算機(jī)問(wèn)世以來(lái),僅30多年,微型計(jì)算機(jī)的硬件和軟件系
統(tǒng)得到了飛速的發(fā)展,微型計(jì)算機(jī)在我國(guó)國(guó)民內(nèi)經(jīng)濟(jì)各
個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。本章介紹微型計(jì)算機(jī)的發(fā)
展概況、微機(jī)系統(tǒng)的組成、微機(jī)的主要性能指標(biāo)
和采用的一些先進(jìn)技術(shù)。
、.〔第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.1微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況
1.2微型計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)
1.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
1.4微型計(jì)算機(jī)采用的先進(jìn)技術(shù)
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況
J---------------------
1946年,美國(guó)誕生了世界第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)
“ENIAC一日ectronicNumericalIntegratorAndCalculator^
它
使用了18800個(gè)電子管和1500多個(gè)繼電器,重量達(dá)30噸,占地
150平方米,耗電150千瓦,每秒完成5000次加法運(yùn)算。
自從第一臺(tái)計(jì)算機(jī)誕隼,計(jì)算機(jī)經(jīng)歷了
電子管
晶體管,
中小規(guī)模集成電路5個(gè)時(shí)代
大規(guī)模集成電路,
超大規(guī)模集成電路
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況
微處理器推出了四代產(chǎn)品:
4位、
8位I微處理器
16位
32位)
最有影響力的是IBMPC系列微機(jī),其代表機(jī)型有:
IBMPC/XT(8位機(jī)),PC/AT(16位機(jī))
<80386微機(jī)(32位機(jī))
,80486微機(jī)(32位機(jī))
、Pentium586(32位機(jī))
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況
■JI--------------------
微型計(jì)算機(jī)的硬件體系米用馮?諾依曼(JohnVonNeumann)
結(jié)構(gòu)。
r運(yùn)算器
控制器
微型計(jì)算機(jī)硬件J存儲(chǔ)器
輸入設(shè)備
〔輸出設(shè)備
一流水線(xiàn)技術(shù)
微型計(jì)算機(jī)采用的先進(jìn)技術(shù)-虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)
I高速緩沖技術(shù)
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
Xl.i微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況
W------------------------------
1.L1微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展
Intel處理引入最大時(shí)每個(gè)芯片上的通用寄數(shù)據(jù)總線(xiàn)最大外部可尋Caches
器時(shí)間鐘頻率晶體管數(shù)存器(位)址空間
(位)
Intel40041971444096(4)None
Intel800819718816KBNone
Intel808619788MHz2.9萬(wàn)16161MBNone
Intel286198212.5MHz13.4萬(wàn)161616MBNone
Intel386198520MHz27.5萬(wàn)32324GBCache
DX
Processor
Intel486198925MHz120萬(wàn)32324GBLl:8kB
DX
Processor
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
:微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況
Pentium199360MHz310萬(wàn)32644GBLl:16kB
Processor
Pentium1995200MHz550萬(wàn)326464GBLl:16kB
ProProcessorL2:256kB
or512kB
PentiumII1997266MHz700萬(wàn)326464GBLl:32kB
ProcessorL2:256kB
or512kB
PentiumIII1999500MHz820萬(wàn)326464GBLl:32kB
ProcessorL2:512kB
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.1微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況
1.L2計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展
程
序r機(jī)器語(yǔ)言:由多個(gè)1和o組成的二進(jìn)制代碼
設(shè)
計(jì)
¥匚編語(yǔ)用助記符代替二進(jìn)制碼。
語(yǔ)g:
言
局級(jí)語(yǔ)言:FORTRAN、BASIC、C/C++、Pascal
DOS操作系統(tǒng)(DOSl.O—DOS6.2)
軟件系統(tǒng)
MSWindows操作系統(tǒng)(Windows3.1Windows98
WindowsNT、Windows2000>WindowsXP)
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.2微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)
1.2.1微型計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)
1.2.1微型計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)
微型計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)體系采用馮?諾依曼建
立的經(jīng)典結(jié)構(gòu)。其主要特點(diǎn)是:微型計(jì)算機(jī)的
硬件由五大部分組成。
1.運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出
設(shè)備。
2.運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出設(shè)備
和總線(xiàn)。
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.2微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)
11.2.1微型計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)
?AB
運(yùn)算器>DB
>CB
控制器
[一輸入設(shè)備
MPU存儲(chǔ)器I/O接口
I-^輸出設(shè)備
圖1-1微型計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)框圖
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.2微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)
1.2.1微型計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)
■微處理器是微機(jī)的核心,由運(yùn)算器和控制器組
成,合稱(chēng)微處理器(CPU)。
■運(yùn)算器用于對(duì)信息進(jìn)行處理和運(yùn)算;
■控制器根據(jù)程序的要求發(fā)出各種控制命令,協(xié)
調(diào)各部件之間的工作。
■存儲(chǔ)器的作用是存儲(chǔ)程序、數(shù)據(jù)和運(yùn)算的結(jié)果。
■輸入/輸出設(shè)備由多個(gè)I/O接口和外部設(shè)備組
成,用于微機(jī)與外部交換信息。
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.2微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)
1.2.1微型計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)
■總線(xiàn)是一組導(dǎo)線(xiàn),用于各部件之間的信息傳
輸。微機(jī)的各組成部件通過(guò)總線(xiàn)連接起來(lái)。
■數(shù)據(jù)總線(xiàn)(DB?DataBus):用來(lái)傳送數(shù)據(jù)信
息、,由于數(shù)據(jù)信息可以在CPU和存儲(chǔ)器、I/O
設(shè)備之間相互傳送,故為雙向總線(xiàn)。
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.2微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)
1.2」微型計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)______________
■喂址總線(xiàn)(AB-AddressBus):
用于傳送CPU發(fā)出的地址信息,是單向總
線(xiàn)。微機(jī)中存儲(chǔ)單元和I/O設(shè)備都有地址,在
交換信息前,CPU先通過(guò)傳送地址信息找尋所
需交換信息存儲(chǔ)器和I/O設(shè)備,然后經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)
總線(xiàn)進(jìn)行信息的交換。
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.2微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)
1.2.1微型計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)
■控制總線(xiàn)(CB?ControlBus):
用來(lái)傳送控制信號(hào)、時(shí)序信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)。
由于有的信號(hào)由CPU發(fā)向存儲(chǔ)器和I/O設(shè)備,
有的信號(hào)由存儲(chǔ)器和I/O設(shè)備發(fā)向CPU,故控
制總線(xiàn)從整體上看是雙向的。
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.2微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)
,1.2.2微型計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)
■I
■常用的計(jì)數(shù)制有:十進(jìn)制、八進(jìn)制、十六進(jìn)
制和二進(jìn)制。
■十進(jìn)制(D-decimal)
■十進(jìn)制數(shù)碼為0,1,2,3,4,5,6,7,8,
9共10個(gè),權(quán)為10的累,逢十進(jìn)一,借一當(dāng)十。
■例如:(245.25)10=
2X102+4x101+5X100+2X1CH+5X10-2
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.2微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)
n1.2.2微型計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)
Jr-----
■二進(jìn)制(B-binary)
■二進(jìn)制數(shù)碼為0和1,權(quán)為2的哥,逢二進(jìn)
一,借一當(dāng)二。
■例如:
■(11110101.01)2
■=1X27+1X26+1X25+1X24+0X23
■+1X22+0x2i+1x20+0x2-i+1X2々
■=(245.25)10
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.2微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)
1122微型計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)
Jr-二
■八進(jìn)制(O-octal)
■八進(jìn)制數(shù)碼為0,1,2,3,4,5,6,7共8
個(gè),權(quán)為8的哥,逢八進(jìn)一,借一當(dāng)八。
■例如:
■(365.2)8=3X82+6X81+5X80+2X8-1
(245.25)10
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.2微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)
1.2.2微型計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)
■十六進(jìn)制(H-hexadecimal)
■十六進(jìn)制數(shù)碼為0,1,2,3,4,5,6,7,
8,9,A,B,C,D,E,F共16個(gè),其中A,
B,C,D,E,F分別表示十進(jìn)制的10,11,
12,13,14,15;權(quán)為16的累,逢十六進(jìn)
一,借一當(dāng)十六。
例如:(F5.4)16=FX161+5X160+4X16-1
=(245.25)10
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.2微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)
1.2.3數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示
-L機(jī)器數(shù)與真值
■機(jī)器數(shù):一般情況,在數(shù)的最高位之前增設(shè)
一位符號(hào)位,。表示正數(shù),1表示負(fù)數(shù)。這種符
號(hào)數(shù)碼化的數(shù)叫機(jī)器數(shù)。
-真值:機(jī)器數(shù)所代表的數(shù)的本身叫真值。
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.2微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)
1.2.3數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示
-機(jī)器數(shù)具有如下的特點(diǎn):
■(1)機(jī)器字長(zhǎng)是有限的,字長(zhǎng)可決定數(shù)的表
示范圍。
■(2)符號(hào)數(shù)值化,參與運(yùn)算。
■(3)小數(shù)點(diǎn)按約定方式標(biāo)出,而不是以專(zhuān)門(mén)
操作器件表示。
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.2微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)
1.2.3數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示
■2.原碼、反碼和補(bǔ)碼
■在計(jì)算機(jī)執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算時(shí),用原碼實(shí)現(xiàn)乘、
除運(yùn)算,用補(bǔ)碼實(shí)現(xiàn)加、減運(yùn)算。
■(1)原碼表示法
■原碼表示法是一種最簡(jiǎn)單的機(jī)器數(shù)表示法,
用最高位表示符號(hào)位,符號(hào)位為“0”表示該位
為正,符號(hào)位為T(mén)”表示該數(shù)為負(fù),數(shù)值部分
就是原來(lái)的數(shù)值。
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.2微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)
1.2.3數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示
-設(shè)定點(diǎn)數(shù)字長(zhǎng)為n,原碼定義為:
rX0<X<2^-1
[X]原=1
>1-X2n-i〈XWO
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.2微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)
11.2.3數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示
■例如:X=+1101001,[X]M=X=01101001
X=-1101001,[X]原=2n-i—X
(-1101001)
=10000000+1101001
=11101001
■在原碼表示中,真值。有兩種不同的表示形式:
■[+0]原=00000000
■[-0]原=10000000
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.2微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)
1.2.3數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示
-原碼表示法的特點(diǎn):直觀易懂,機(jī)器數(shù)和真
值的相互轉(zhuǎn)換很容易。
■用原碼實(shí)現(xiàn)乘、除法的規(guī)則:
■當(dāng)兩個(gè)原碼數(shù)相乘或相除時(shí),積或商的數(shù)值
部分和符號(hào)部分分別計(jì)算;
■積或商的數(shù)值部分為兩個(gè)原碼數(shù)值部分的乘
積或求商;
■積或商的符號(hào)位為兩個(gè)原碼數(shù)符號(hào)的“異或'
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.2微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)
1.2.3數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示
?例如:設(shè)[X]原=00000100,
求
[Y]m=10000010,XXY=?
解:積的數(shù)值=0000100X0000010=0001000
積的符號(hào)=0十1=1
貝ij:XXY=10001000
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.2微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)
1.2.3數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示
■(2)反碼表不法
在反碼表示法中,正數(shù)的反碼就等于真值,
負(fù)數(shù)的反碼是把其原碼除符號(hào)位以外的各位
按位取反。
-設(shè)定點(diǎn)整數(shù)字長(zhǎng)為n,反碼定義為:
rX0<X<2n-i
兇反=<
1(2n-l)+X-2"X<0
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.2微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)
1.2.3數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示
■例如:X=+1101001,[X]^=X=01101001
X=-1101001,
兇反=(27)+X
=(28-1)+(-1101001)
=(100000000-1)+(-1101001)
=11111111-1101001
=10010110
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.2微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)
1.2.3數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示
或者:對(duì)于負(fù)數(shù)X=-1101001
其原碼[X]原=11101001
則反碼[X]反=10010110
在反碼表示中,真值。有兩種不同的表示形式:
[+0]反=00000000
[-0]反=11111111
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.2微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)
1.2.3數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示
■(3)補(bǔ)碼表示法
設(shè)定點(diǎn)整數(shù)字長(zhǎng)為n,補(bǔ)碼定義為:
「X0<X〈2n-1
[XX=Y
I2n+X-2n-KX<0
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.2微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)
]]11.2.3數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示___________
■例如:X=+1101001,[X]補(bǔ)=X=01101001
X=-1101001,
兇補(bǔ)=2n+X
=28+(-1101001)
=100000000-1101001
=10010111
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.2微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)
J.11.2.3數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示
■或者:對(duì)于負(fù)數(shù)X=-1101001
其原碼[X]原=1110100
反碼[X]反=10010110
補(bǔ)碼[X]補(bǔ)=[X]反+1=10010110+1
=10010111
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.2微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)
■L2.3數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示_________________
Jr-----
■在補(bǔ)碼表示中,真值0的表示形式是唯一的:
[+0]補(bǔ)=[-0]補(bǔ)=00000000
[兇補(bǔ)]補(bǔ)=兇原
■補(bǔ)碼表示法的特點(diǎn):使符號(hào)位參加運(yùn)算,從而
簡(jiǎn)化了加、減法的規(guī)則,使減法運(yùn)算轉(zhuǎn)換為加
法運(yùn)算,簡(jiǎn)化可運(yùn)算電路。
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.2微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)
1.2.3數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示
補(bǔ)碼加、減法的規(guī)則是:[X+刈補(bǔ)=兇補(bǔ)+[Y]補(bǔ)
[X-Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[-Y]補(bǔ)
-已知[Y]補(bǔ),如何求[-Y]補(bǔ)?
-如果已知[Y]補(bǔ),那么對(duì)[Y]補(bǔ)的每一位(包括符
號(hào)位)都按位求反,然后再在末位加1,結(jié)果
即為[-Y]補(bǔ)。已知為]補(bǔ)求[-Y]補(bǔ)的過(guò)程叫變補(bǔ)。
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.2微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)
1.2.3數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示
?喝如:設(shè)[X]補(bǔ)=00000100,
[Y]tt=11110010,求:[X+Y]補(bǔ)和[X-丫]補(bǔ)
■解:[X+Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[Y]補(bǔ)
=00000100+11110010
二11110110(-10的補(bǔ)碼)
[X-Y]補(bǔ)=兇補(bǔ)+[-Y]補(bǔ)
=00000100+(00001101+1)
=00010010+00001110
=00010010(18的補(bǔ)碼)
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.2微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)
1.2.3數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示
■3.有符號(hào)數(shù)與無(wú)符號(hào)數(shù)
(1)無(wú)符號(hào)數(shù):通常表示一個(gè)數(shù)的絕對(duì)值,
即數(shù)的各位都用來(lái)表示數(shù)值的大小。對(duì)于一
個(gè)8位二進(jìn)制數(shù),只能表示0?255范圍內(nèi)的數(shù)。
因此」要表示大于255的數(shù),必須采用多字節(jié)
來(lái)表示。
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.2微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)
1.2.3數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示
■單字節(jié)(表示的范圍。?255)
數(shù)值位
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.2微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)
11.2.3數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示
多字節(jié):
7654321076543210
數(shù)值位
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.2微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)
1.2.3數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示
■(2)有符號(hào)數(shù):用來(lái)表示一個(gè)任意位長(zhǎng)的正
數(shù)或負(fù)數(shù)。一般是,用一個(gè)數(shù)的最高位表示
符號(hào)位,用“0”表示正號(hào),用T”表示負(fù)號(hào),而
其余的位為數(shù)值位。
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
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1.2.3數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示
■單字節(jié)(表示的范圍?128?+127)
符號(hào)位數(shù)值位
第i章微型計(jì)算機(jī)概述
1.2微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)
1.2.3數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示
■多字節(jié)
7654321076543210
數(shù)值位
符號(hào)位
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.2微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)
1.2.3數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示
4,定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)
■在計(jì)算機(jī)中,對(duì)小數(shù)點(diǎn)的處理有兩種:定點(diǎn)
數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)。
■(1)定點(diǎn)數(shù):是指小數(shù)點(diǎn)的位置固定不
變,常用的定點(diǎn)數(shù)有下列兩種。
小數(shù)點(diǎn)固定在符號(hào)位之后,如1.1010111;機(jī)器中
所有數(shù)均為小數(shù)。
小數(shù)點(diǎn)固定在最低位之后,如11010111.;機(jī)器中所
有數(shù)均為整數(shù)。
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1.2.3數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示
(2)浮點(diǎn)數(shù)
浮點(diǎn)數(shù)畝階碼和尾數(shù)兩部分組成。對(duì)任意一
個(gè)帶符號(hào)的二進(jìn)制數(shù)N的一般形式可表示為:
N=±SX2士〕
S:二進(jìn)制小數(shù),稱(chēng)為尾數(shù)(尾數(shù)的符號(hào)位
包括在內(nèi));
J:數(shù)的階碼,為二進(jìn)制整數(shù)(階碼的符號(hào)位
包括在內(nèi))
2:階碼的底。
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1.2.3數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示
■例如:一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)-0.101011010X2-0001。的
表示格式如下。
1514131211109876543210
1000101101011010
階碼尾數(shù)
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1.2微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)
■|1.2.3數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示_________________
--------------------
-(3)規(guī)格化數(shù)與“溢出”
-為了提高浮點(diǎn)數(shù)的表示精度,數(shù)采用規(guī)格化表
示法。
■規(guī)格化數(shù):如果尾數(shù)的第一位有效數(shù)字是1
(不包括符號(hào)位)時(shí),該數(shù)既是規(guī)格化數(shù)。
■例如:1.1010111,0.1010001,0.1000000
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1.2.3數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示
-非規(guī)格化數(shù):當(dāng)尾數(shù)的第一位有效數(shù)字是0
(不包括符號(hào)位),時(shí),該數(shù)是非規(guī)格化數(shù)。
■例如:1.0100000,1.0111111,0.0111111
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1.2.3數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示
■溢出:當(dāng)兩個(gè)有符號(hào)數(shù)進(jìn)行補(bǔ)碼運(yùn)算,若運(yùn)算
結(jié)果的絕對(duì)值超過(guò)運(yùn)算裝置的容量時(shí),數(shù)值部
分就會(huì)發(fā)生溢出,占據(jù)符號(hào)位的位置,導(dǎo)致錯(cuò)
誤的結(jié)果,這種現(xiàn)象通常成為補(bǔ)碼溢出,簡(jiǎn)稱(chēng)
“溢出”。這和正常運(yùn)算符號(hào)位的進(jìn)位自動(dòng)丟失
性質(zhì)上是不同的。例如:某運(yùn)算裝置共有5
位,除最高位表示符號(hào)位外,還有4位用來(lái)表
示數(shù)值。
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數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示
J--1-.2-.3--------
-先看下面兩組運(yùn)算。
■(1)計(jì)算13+7=?
+130i1101B
+)+___L+)0J0、1、1、1B
+201:0~~1~~00B=-12
十進(jìn)制運(yùn)算二進(jìn)制補(bǔ)碼運(yùn)算
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■(2)計(jì)算(-4)+(-4)=?
-41i1100B
+)-4+)、1、|1、100B
1▲~~FTl~~000B=-8
符號(hào)位的進(jìn)位自動(dòng)丟掉
十進(jìn)制運(yùn)算二進(jìn)制補(bǔ)碼運(yùn)算
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1.2.3數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示
-(1)的運(yùn)算結(jié)果顯然是錯(cuò)的,產(chǎn)生錯(cuò)誤的原
因是由于兩個(gè)數(shù)相加后的數(shù)值超出了加法裝置
所允許位數(shù)(數(shù)值部分4位),因而從數(shù)值的
最高位向符號(hào)位產(chǎn)生了進(jìn)位,或者說(shuō)這種現(xiàn)象
是由于“溢出”而造成的。
■(2)的結(jié)果顯然是正確的,由符號(hào)位產(chǎn)生的
進(jìn)位自動(dòng)丟失
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■為了保證運(yùn)算結(jié)果的正確性,計(jì)算機(jī)必須能夠判別出
是正常進(jìn)位還是發(fā)生了溢出錯(cuò)誤。
■微機(jī)中常用的溢出判別稱(chēng)為雙高位判別法,并常用
“異或'電路來(lái)實(shí)現(xiàn)溢出判別。其表達(dá)式為:
■Cs十Cp=1表示發(fā)生溢出
■式中:
■Cs—最高位(符號(hào)位)產(chǎn)生進(jìn)位的情況。
■Cs=1,有進(jìn)位;Cs=0,無(wú)進(jìn)位。
■Cp——次高位(數(shù)值部分最高位)向符號(hào)位產(chǎn)生進(jìn)
位的情就。CP=1,有迸位;CP=0,無(wú)進(jìn)位。
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■由表達(dá)式可知:
■1)當(dāng)運(yùn)算結(jié)果中,Cs和Cp狀態(tài)不同時(shí)(為01或10)
時(shí),產(chǎn)生溢出;
■2)當(dāng)運(yùn)算結(jié)果中,Cs和Cp狀態(tài)相同(為0十0或
1十1)時(shí),不產(chǎn)生溢出。
在發(fā)現(xiàn)溢出時(shí),Cs十Cp=01為正溢出(上溢出),
通常出現(xiàn)在兩個(gè)正數(shù)相加時(shí);Cs十Cp=10為負(fù)溢出
(下溢出),通常出現(xiàn)在兩個(gè)負(fù)數(shù)相加時(shí)。
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■考察上面的兩例。例(1)中,Cs十CP=O十1=1,有
溢出,為正溢出。例(2)中,Cs十CP=1十1=0,
無(wú)溢出,從而可知:一個(gè)正數(shù)和一個(gè)負(fù)數(shù)相加,和肯
定不溢出。下面舉例說(shuō)明溢出判別。
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1.2.3數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示
■例1
01000000B(+6鈉補(bǔ)碼)
+)0、1000001B(+6的補(bǔ)碼)
1000000~~1~~1~~(-12的補(bǔ)碼)
■由于Cs十CP=0十1=1產(chǎn)生了溢出,并且是正
溢出,導(dǎo)致運(yùn)算結(jié)果出錯(cuò)(兩個(gè)正數(shù)相加得到
負(fù)數(shù)的結(jié)果)。
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>-1.2.3數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示
■例2.
10010010B(T10的補(bǔ)碼)
+)>10100100B(-9%勺補(bǔ)碼)
1~~~~1~~1~~0~~1~~1~~
■由于Cs十CP=1十0=1,產(chǎn)生了溢出,并且是
負(fù)溢出,結(jié)果出錯(cuò)
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1.2微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)
1.2.3數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示
■例3.
10001011B(T17的補(bǔ)碼)
+)、0、1、1、1、10、0、1B(+121的補(bǔ)碼)
100000100B(+的補(bǔ)碼)
■一個(gè)負(fù)數(shù)和一個(gè)正數(shù)相加,結(jié)果不溢出。
■Cs十Cp=1十1=0
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1.2.4數(shù)的編碼方法
L2.4數(shù)的編碼方法
-計(jì)算機(jī)采用的是二進(jìn)制數(shù)。在計(jì)算機(jī)中表示
的數(shù)、字母、符號(hào)等都以特定的二進(jìn)制碼來(lái)
表示,也就是二進(jìn)制編碼。
■二進(jìn)制編碼就是以若干位二進(jìn)制數(shù)的不同組
合來(lái)表示一組數(shù)、字母及符號(hào)的方法。
■1.BCD(BinaryCodedDecimal)碼是以
4位二進(jìn)制編碼的不同組合來(lái)表示十進(jìn)制數(shù)
0?9o
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1.2微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)
1.2.4數(shù)的編碼方法
■在計(jì)算機(jī)中較常用的是8421BCD碼。這種
BCD碼用四位二進(jìn)制數(shù)表示十進(jìn)制數(shù)的數(shù)碼
0?9,而這四位的權(quán)從高位到低位依次為8、
4、2、lo
■例如:(208)10=(001000001000)842IBCD
■(1001000101110101)842IBCD=(9175)10
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1.2.4數(shù)的編碼方法
■2.ASCII碼
■目前,在微機(jī)、通訊設(shè)備和儀器儀表中廣泛采用的是
美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼ASCIICAmericanStandard
CodeforInformationInterchanged碼。它用7位二
進(jìn)制碼表示一個(gè)字母或符號(hào),共能表示27=128個(gè)不
同的字符。其中包括數(shù)字0?9共10個(gè)數(shù)字,英文26
個(gè)大寫(xiě)字母,26個(gè)小寫(xiě)字母,32個(gè)通用控制符號(hào)和
34個(gè)專(zhuān)用字符。
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1.2微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)
]124數(shù)的編碼方法_____________________
-------------------------------
■常用的ASCII編碼:
.數(shù)字0?9的ASCII編碼為30H?39H;
■大寫(xiě)字母A?Z的ASCII編碼為41H?5AH;
■小寫(xiě)字母a?z的ASCII編碼為61H?7AH;
?回車(chē)符CR的ASCII編碼為0DH;
■換行符LF的ASCH編碼為0AH;
■換頁(yè)符FF的ASCII編碼為0CH。
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1.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
1.3.1微機(jī)系統(tǒng)的硬件
■1.3微機(jī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
1.3.1微機(jī)系統(tǒng)的硬件
「臺(tái)式
微型
計(jì)算機(jī)Y
便攜式
「主機(jī)
外設(shè)接口卡
硬件[輸入/輸出設(shè)備
〔電源
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1.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
11.3.1微機(jī)系統(tǒng)的硬件
■1.主機(jī)
「機(jī)箱
主機(jī)彳主板(MotherBoard)
,接口電路(Interface)
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
1.3.1微機(jī)系統(tǒng)的硬件
2,外設(shè)接口卡
「顯示接口卡
聲卡
外設(shè)接口卡j解壓卡
調(diào)制解調(diào)卡
〔傳真卡
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
1.3.1微機(jī)系統(tǒng)的硬件
3,輸入輸出設(shè)備
r鍵盤(pán)
顯示器
打印機(jī)
輸入輸出設(shè)備j鼠標(biāo)
調(diào)制解調(diào)器
.網(wǎng)卡
掃描儀
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
微機(jī)系統(tǒng)的硬件
1B1.3.1
-二
4.電源
微型計(jì)算機(jī)的電源為220V交流電。
內(nèi)部將220V電壓轉(zhuǎn)換成±5V、±12V四種DC電
壓。
微型計(jì)算機(jī)的電源臺(tái)式機(jī)功率為150?
220W;立式機(jī)功率為220?400W。
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1.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
1.3.2微機(jī)系統(tǒng)的軟件
■1.3.2微機(jī)系統(tǒng)的軟件
-微機(jī)系統(tǒng)中的軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件
兩大類(lèi)。
■系統(tǒng)軟件指使用和管理計(jì)算機(jī)的各種軟件。
操作系統(tǒng)
各種高級(jí)語(yǔ)言處理程序
基本系統(tǒng)軟件1編譯系統(tǒng)
各種服務(wù)程序
數(shù)據(jù)庫(kù)管理程序
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
1.3.3微機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)
1.3.3微機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)
存儲(chǔ)器容量
性能指標(biāo)《運(yùn)算速度
擴(kuò)展能力
I軟件配置情況
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
1.3.3微機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)
■1,字長(zhǎng)
■字長(zhǎng)指計(jì)算機(jī)內(nèi)部一次可以處理的二進(jìn)制的
位數(shù)。字長(zhǎng)越長(zhǎng),計(jì)算機(jī)所能表示的數(shù)據(jù)精
度越高,在完成同樣精度的運(yùn)算時(shí)數(shù)據(jù)的處
理速度越高。
■PC/XT微機(jī)的字長(zhǎng)為16位;
■386、486微機(jī)的字長(zhǎng)為32位;
?586微機(jī)的字長(zhǎng)為32位或64位。
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
1.3.3微機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)
■2,存儲(chǔ)器容量
■存儲(chǔ)器容量是衡量計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)二進(jìn)制信息量
大小的一個(gè)重要指標(biāo)。微型計(jì)算機(jī)中通常以
一字節(jié)為單位表示存儲(chǔ)容量。
■2io=lO24B=lKB
■220=1O24KB=1MB
■230=1O24MB=1GB
■240=1O24GB=1TB
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
1.3.3微機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)
■3,運(yùn)算速度
■計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度以每秒鐘能執(zhí)行的指令條
數(shù)來(lái)表示。
■MIPS(MillionsofInstructionsperSecond
百萬(wàn)條指令/秒)法
■最短指令法
■直接計(jì)算
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1.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
1.3.3微機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)
■4,擴(kuò)展能力
■主要指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置各種外設(shè)的可能性和適
應(yīng)性。
■5.軟件配置情況
■軟件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分。
一臺(tái)計(jì)算機(jī)軟件是否配置齊全,是關(guān)系到計(jì)算
機(jī)性能的重要指標(biāo)。
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.4微機(jī)系統(tǒng)采用的先進(jìn)技術(shù)
1.4.1流水線(xiàn)技術(shù)
■1.4.1流水線(xiàn)技術(shù)
■指令流水線(xiàn)(InstructionPipelining)技術(shù)是一種
將每條指令分解為多步,并使不同指令的各步重疊操
作,以實(shí)現(xiàn)幾條指令并行操作,加速程序執(zhí)行速度的
一種技術(shù)。
■流水線(xiàn)的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)增加計(jì)算機(jī)硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通常
一條指令的執(zhí)行分為預(yù)取指令、譯碼、地址生成、取
操作數(shù)、指令執(zhí)行等多個(gè)步驟,每個(gè)步驟都需要有相
應(yīng)的硬件電路在支持。才能實(shí)現(xiàn)流水線(xiàn)作業(yè)。
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.4微機(jī)系統(tǒng)采用的先進(jìn)技術(shù)
1.4.2高速緩沖存儲(chǔ)器技術(shù)
1.4.2高速緩沖存儲(chǔ)器技術(shù)
■在80386以后的微型機(jī)中,為了加快運(yùn)算速
度,都增設(shè);一級(jí)或二級(jí)的高速小容量存
儲(chǔ)器,稱(chēng)之為高速緩沖存儲(chǔ)器。高速緩沖存
儲(chǔ)器的存取速度比微機(jī)中的主存儲(chǔ)器要快一
個(gè)數(shù)量級(jí),大體和CPU的處理速度相當(dāng)。
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.4微機(jī)系統(tǒng)采用的先進(jìn)技術(shù)
1.4.2高速緩沖存儲(chǔ)器技術(shù)
■對(duì)Cache的工作原理可以進(jìn)行如下描述:具有
Cache的計(jì)算機(jī),當(dāng)CPU需要進(jìn)行存儲(chǔ)器存取
時(shí),首先檢查所需數(shù)據(jù)是否在Cache中。如果
存在,則可以直接存取其中的數(shù)據(jù)而不必插入
任何等待狀態(tài),這是最佳情況,稱(chēng)為高速命口。
當(dāng)CPU所需信息不在Cache中時(shí),則需切換存
取主儲(chǔ)器,由于速度較慢,需要插入等待狀
態(tài),這種情況稱(chēng)高速未命「:。
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.4微機(jī)系統(tǒng)采用的先進(jìn)技術(shù)
1.4.2高速緩沖存儲(chǔ)器技術(shù)
在CPU存取主存儲(chǔ)器的時(shí)候,按照最優(yōu)化
原則將存儲(chǔ)信息同時(shí)寫(xiě)入到Cache中,以保證
下次可能的高速命中。因此,同一數(shù)據(jù)可能同
時(shí)存儲(chǔ)在主存儲(chǔ)器和Cache中;同樣,按照優(yōu)
化算法,可以淘汰Cache中的一些不常使用的
數(shù)據(jù)。
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.4微機(jī)系統(tǒng)采用的先進(jìn)技術(shù)
1.4.2高速緩沖存儲(chǔ)器技術(shù)
所以,提高高速命中率的最好方法是盡量使
Cache存放CPU最近一直在使用的指令與數(shù)據(jù),當(dāng)
Cache裝滿(mǎn)后,可將相對(duì)長(zhǎng)期不用的數(shù)據(jù)刪除,提高
Cache的使用效率。為保持Cache中數(shù)據(jù)與主存儲(chǔ)
器中數(shù)據(jù)的一致性,避免CPU在讀寫(xiě)過(guò)程中,將
Cache中的新數(shù)據(jù)遺失,造成錯(cuò)誤的讀數(shù)據(jù),確保
Cache中更新過(guò)程的數(shù)據(jù)不會(huì)因覆蓋而消失,必須將
Cache中的數(shù)據(jù)更新及時(shí)準(zhǔn)確地反映到主存儲(chǔ)器中,
這是一個(gè)寫(xiě)入過(guò)程,通常采用的處理方法有:直寫(xiě)式、
緩沖直寫(xiě)式與回寫(xiě)式三種。
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.4微機(jī)系統(tǒng)采用的先進(jìn)技術(shù)
1.4.2高速緩沖存儲(chǔ)器技術(shù)
■1.直寫(xiě)式系統(tǒng):CPU對(duì)Cache寫(xiě)入時(shí),將數(shù)
據(jù)同時(shí)寫(xiě)入到主存儲(chǔ)器中,這樣可保證Cache
中的內(nèi)容與主存儲(chǔ)器的內(nèi)容完全一致。這種方
式比較直觀,而且簡(jiǎn)單、可靠,但由于每次對(duì)
Cache更新時(shí)都要對(duì)主存儲(chǔ)器進(jìn)行寫(xiě)操作,而
這必須通過(guò)系統(tǒng)總線(xiàn)來(lái)完成,因此總線(xiàn)工作頻
繁,系統(tǒng)運(yùn)行速度就會(huì)受到影響。
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.4微機(jī)系統(tǒng)采用的先進(jìn)技術(shù)
1.4.2高速緩沖存儲(chǔ)器技術(shù)
■2.緩沖直寫(xiě)式系統(tǒng):為解決直寫(xiě)式系統(tǒng)對(duì)總線(xiàn)速度
的影響問(wèn)題,在主存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)寫(xiě)入時(shí)增加緩沖器區(qū)。
當(dāng)要寫(xiě)入主存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)被緩沖器鎖存后,CPU便
可執(zhí)行下一個(gè)周期的操作,不必等待數(shù)據(jù)寫(xiě)入主存儲(chǔ)
器。這相對(duì)于給主存儲(chǔ)器增加了一個(gè)單向單次高速
緩存。比如,在寫(xiě)入周期之后可以緊接著一個(gè)數(shù)據(jù)已
存在于Cache中的讀取周期,這樣就可避免直寫(xiě)式系
統(tǒng)造成的操作延時(shí)。但這個(gè)緩沖器只能存儲(chǔ)一次寫(xiě)入
的數(shù)據(jù),當(dāng)連續(xù)兩次寫(xiě)操作發(fā)生時(shí),CPU仍需等待。
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.4微機(jī)系統(tǒng)采用的先進(jìn)技術(shù)
1.4.2高速緩沖存儲(chǔ)器技術(shù)
■3.回寫(xiě)式系統(tǒng):以前的兩種寫(xiě)入方式系統(tǒng),
都是在寫(xiě)Cache的同時(shí),對(duì)主存儲(chǔ)器進(jìn)行寫(xiě)操
作。實(shí)際上這不僅是對(duì)總線(xiàn)帶寬的占用,浪費(fèi)
了寶貴的執(zhí)行時(shí)間,而且對(duì)于有的情況是不必
要的,可以通過(guò)增加額外的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判斷是否有
必要更新數(shù)據(jù)?;貙?xiě)式系統(tǒng)就是通過(guò)在Cache
中的每一數(shù)據(jù)塊的標(biāo)志字段中加入一更新位,
解決主存儲(chǔ)器不必要的寫(xiě)操作。
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.4微機(jī)系統(tǒng)采用的先進(jìn)技術(shù)
1.4.2高速緩沖存儲(chǔ)器技術(shù)
比如,若Cache中的數(shù)據(jù)曾被CPU更新過(guò)但還
未同時(shí)更新主存儲(chǔ)器,則該更新位被置1。每
次CPU將一塊新內(nèi)容寫(xiě)入Cache時(shí),首先,檢
查Cache中該數(shù)據(jù)塊的更新位,若更新位為
0,則將數(shù)據(jù)直接寫(xiě)入Cache;反之,若更新位
為1,則先將Cache中的該項(xiàng)內(nèi)容寫(xiě)入到主存
儲(chǔ)器中相應(yīng)的位置,再將新數(shù)據(jù)寫(xiě)回到Cache
中。
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.4微機(jī)系統(tǒng)采用的先進(jìn)技術(shù)
1.4.2高速緩沖存儲(chǔ)器技術(shù)
與直寫(xiě)式系統(tǒng)相比,回寫(xiě)式系統(tǒng)可省下一
些不必要的立即回寫(xiě)操作,而在許多情況下這
是很頻繁出現(xiàn)的。即使一個(gè)Cache被更新,若
未被新的數(shù)據(jù)所取代,則沒(méi)有必要立刻進(jìn)行主
存儲(chǔ)器的寫(xiě)操作。也就是說(shuō),實(shí)際寫(xiě)入主存儲(chǔ)
器的次數(shù),可能少于CPU實(shí)際所執(zhí)行的寫(xiě)入周
期的次數(shù),但回寫(xiě)式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,
Cache也必須用額外的容量用來(lái)存彳諸標(biāo)志。
由于回寫(xiě)系統(tǒng)的高效率,現(xiàn)代的Cache大
多采取這種方式進(jìn)行操作。
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.4微機(jī)系統(tǒng)采用的先進(jìn)技術(shù)
L1A3虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)
■1.4.3虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)
■虛擬存儲(chǔ)技術(shù)是在內(nèi)存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器之間增加一定
的硬件和軟件支持,使內(nèi)存和外存形成一個(gè)有機(jī)的整
體。
■計(jì)算機(jī)在操作時(shí),將程序預(yù)先存放在外存儲(chǔ)器中,有
系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)統(tǒng)一管理和調(diào)度,按照某種置換酸
法將外存的內(nèi)容依次調(diào)入內(nèi)存中被CPU執(zhí)行。這樣,
對(duì)使用者來(lái)說(shuō),從CPU看到的是一個(gè)速度接近內(nèi)存而
容量卻與外存相當(dāng)?shù)募傧蟠鎯?chǔ)器,稱(chēng)為虛擬存儲(chǔ)器。
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.4微機(jī)系統(tǒng)采用的先進(jìn)技術(shù)
11.4.3虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)
/CPU\
/寄存器'
高速緩存
主存儲(chǔ)器
輔助存儲(chǔ)器
大容量輔助存儲(chǔ)器
第1章微型計(jì)算機(jī)概述
1.4微機(jī)系統(tǒng)采用的先進(jìn)技術(shù)
1.4.2RISC技術(shù)
1.4.4RISC(ReducedInstruction
Computing)精簡(jiǎn)指令技術(shù)
精簡(jiǎn)指令集技術(shù)簡(jiǎn)稱(chēng)RISC。起主導(dǎo)思想是
精簡(jiǎn)CPU芯片中指令的數(shù)目,簡(jiǎn)化芯片的復(fù)
雜程度,使指令的執(zhí)行速度更快
第一譚
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5句心叫市魂故?什心咻魚(yú)?木敘更有兩身秋抖無(wú)能救的前銀敬鈣育
聞勝邑荻不多三£??
機(jī)在敏曲景周缶斕增謾-竭當(dāng)心娓亦正數(shù)j或布族做關(guān)
科周當(dāng)檄為。^叔平曙機(jī)書(shū)驍蟻所恬曲中的小爭(zhēng)悟直
不著多赦前機(jī)器叔稀點(diǎn)的衣不必.反移去木之積襯兮民三
科布田藥.
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