第 1 章 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)

微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用河南省“十四五”高等教育規(guī)劃教材第1章計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)1.1計(jì)算機(jī)概述1.2計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)的表示

1.3微型計(jì)算機(jī)的分類及性能指標(biāo)

1.4微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

1.1計(jì)算機(jī)概述

1.1.1計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)思想1．計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生1946年2月14日，在美國賓夕法尼亞大學(xué)的一間大廳里，美國陸軍的一位將軍按下了一個(gè)按鈕，一件對(duì)現(xiàn)代世界影響巨大的事件發(fā)生了，世界上第一臺(tái)通用電子計(jì)算機(jī)——電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)（ElectronicNumericalIntegratorandComputer，ENIAC）啟動(dòng)了。ENIAC如圖1-1所示。ENIAC能夠重新編程，解決各種計(jì)算問題。ENIAC是按照十進(jìn)制而不是二進(jìn)制來計(jì)算的。2．馮·諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)思想在ENIAC誕生之前，離散變量自動(dòng)電子計(jì)算機(jī)（ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer，EDVAC）的建造計(jì)劃就被提出，設(shè)計(jì)工作就已經(jīng)開始。ENIAC和EDVAC的建造者均為賓夕法尼亞大學(xué)的電氣工程師約翰·莫奇利和普雷斯·艾克特。與ENIAC一樣，EDVAC也是為美國陸軍阿伯丁試驗(yàn)場的彈道研究實(shí)驗(yàn)室研制的。馮·諾依曼（VonNeumann）以技術(shù)顧問的身份加入到EDVAC的研制之中。1945年6月他發(fā)表了著名的關(guān)于EDVAC的報(bào)告草案，提出了以“二進(jìn)制存儲(chǔ)信息”“存儲(chǔ)程序（自動(dòng)執(zhí)行程序）”為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)思想。馮·諾依曼提出的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)包含以下3個(gè)要點(diǎn)。①采用二進(jìn)制數(shù)表示指令和數(shù)據(jù)。②將指令和數(shù)據(jù)存放在存儲(chǔ)器中。③計(jì)算機(jī)硬件由控制器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備5部分組成1.1.2計(jì)算機(jī)硬件經(jīng)典結(jié)構(gòu)按照馮·諾依曼結(jié)構(gòu)思想，計(jì)算機(jī)由控制器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備組成，如圖1-3所示。計(jì)算機(jī)給出程序中第一條指令在存儲(chǔ)器中的存儲(chǔ)地址，控制器則根據(jù)第一條指令的存儲(chǔ)地址順序地取指令、分析（譯碼）指令、執(zhí)行指令。在執(zhí)行指令的過程中，運(yùn)算器根據(jù)指令的要求完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理，并把處理結(jié)果送入存儲(chǔ)器存儲(chǔ)。然后，由輸出設(shè)備顯示數(shù)據(jù)處理結(jié)果。這樣，在控制器的控制下，計(jì)算機(jī)周而復(fù)始地完成全部的指令流操作，從而實(shí)現(xiàn)程序控制。1.1.3計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用1．計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)①具有很高的信息處理速度。②CPU的集成化程度越來越高。③具有極大的信息存儲(chǔ)容量。④具有精確的計(jì)算能力和邏輯判斷能力。⑤具有多樣的輸入輸出手段和多媒體信息處理能力。⑥計(jì)算機(jī)資源能夠通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)共享，信息能夠迅速而方便地向四面八方傳遞。2．計(jì)算機(jī)的應(yīng)用計(jì)算機(jī)的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面。①科學(xué)計(jì)算和科學(xué)研究。②數(shù)據(jù)處理（信息處理）。③工業(yè)控制。④計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)。⑤人工智能。⑥網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。1.1計(jì)算機(jī)概述1.2計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)的表示

1.3微型計(jì)算機(jī)的分類及性能指標(biāo)

1.4微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

1.2計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)的表示1.2.1計(jì)算機(jī)使用的數(shù)制及其轉(zhuǎn)換1．?dāng)?shù)制數(shù)制就是記數(shù)方式。日常生活中常用的是十進(jìn)制記數(shù)方式，而計(jì)算機(jī)內(nèi)部使用的是二進(jìn)制數(shù)據(jù)。因此，計(jì)算機(jī)在處理數(shù)據(jù)時(shí)，必須進(jìn)行數(shù)制的相互轉(zhuǎn)換。為了便于區(qū)別不同進(jìn)制的數(shù)據(jù)，一般情況下可在數(shù)據(jù)后跟一個(gè)后綴：二進(jìn)制數(shù)用“B”表示（如00111010B）；十六進(jìn)制數(shù)用“H”表示（如3A5H）；十進(jìn)制數(shù)用“D”表示或無后綴（如39D或39）；八進(jìn)制數(shù)用“O”表示（如123O）。十進(jìn)制表示法十進(jìn)制（用D表示：如112D）日常生活中最常見的是十進(jìn)制數(shù)，用十個(gè)不同的符號(hào)來表示：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9，稱為代碼。基數(shù)是10，各位權(quán)值是10i二進(jìn)制（用B表示：如000010001B）二進(jìn)制只有兩個(gè)代碼“0”和“1”，所有的數(shù)據(jù)都由它們的組合來實(shí)現(xiàn)。二進(jìn)制數(shù)據(jù)在進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，遵守“逢二當(dāng)一，借一當(dāng)二”的原則。基數(shù)是2，各位權(quán)值是2i

數(shù)據(jù)、文字符號(hào)、圖形、聲音、圖像等各種信息都要經(jīng)過編碼，成為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別和處理的數(shù)字信息。因此，計(jì)算機(jī)選擇或者哪種方法表示數(shù)據(jù)，將直接影響機(jī)器的性能和結(jié)構(gòu)。

計(jì)算機(jī)選擇使用二進(jìn)制的原因？二進(jìn)制的特征

二進(jìn)制只有“0”和“1”兩個(gè)數(shù)碼，與大部分電子器件的兩種狀態(tài)相對(duì)應(yīng)，易于物理實(shí)現(xiàn)，運(yùn)算規(guī)則簡單。另一方面，采用二進(jìn)制能方便地使用邏輯代數(shù)這一數(shù)學(xué)工具進(jìn)行邏輯電路的設(shè)計(jì)、分析、綜合，并使計(jì)算機(jī)同時(shí)具有數(shù)字運(yùn)算和邏輯運(yùn)算功能。Doyouknow?十六進(jìn)制（用H表示）十六進(jìn)制數(shù)采用0····9和A、B、C、D、E、F六個(gè)英文字母十六進(jìn)制表示法八

進(jìn)制數(shù)（用O或者Q，比如750 Q）八進(jìn)制數(shù)由0-----7共8個(gè)數(shù)字組成?；鶖?shù)是8，其各位的權(quán)值為8i八進(jìn)制表示法2.不同進(jìn)制之前的轉(zhuǎn)換（1）十進(jìn)制和二進(jìn)制之間（10110.011）B=?1111B=？

236D=?除2取余100D=????B（2）二進(jìn)制和十六進(jìn)制

10010111B=？22.375D11101100B1.2.2二進(jìn)制運(yùn)算

二進(jìn)制數(shù)0和1既可以表示數(shù)值，也可以表示邏輯關(guān)系，因而二進(jìn)制數(shù)有兩種不同類型的運(yùn)算，即算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。在計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)是通過CPU中的運(yùn)算器電路實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制運(yùn)算的。1．二進(jìn)制算術(shù)運(yùn)算二進(jìn)制算術(shù)運(yùn)算是計(jì)算機(jī)的基本運(yùn)算。（1）二進(jìn)制加法運(yùn)算1位二進(jìn)制數(shù)的加法基本運(yùn)算規(guī)則如下。2．二進(jìn)制邏輯運(yùn)算當(dāng)二進(jìn)制數(shù)0和1用來表示邏輯關(guān)系時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算。（2）二進(jìn)制基本邏輯運(yùn)算二進(jìn)制基本邏輯運(yùn)算如下。①邏輯加（也稱“或”運(yùn)算，用符號(hào)“OR”或“∨”或“+”表示），其運(yùn)算規(guī)則如下。②邏輯乘（也稱“與”運(yùn)算，用符號(hào)“AND”或“∧”或“·”表示），其運(yùn)算規(guī)則如下。③取反（也稱“非”運(yùn)算，用符號(hào)“NOT”或上畫線“ˉ”表示），“0”取反后是“1”，“1”取反后是“0”。④基本邏輯運(yùn)算可以擴(kuò)展為或非、與非、異或（用符號(hào)XOR或表示）等運(yùn)算。邏輯運(yùn)算是按位處理，不考慮位之間的進(jìn)位關(guān)系

3.二進(jìn)制基本邏輯電路計(jì)算機(jī)中的邏輯電路包括“與”門、“或”門和“非”門基本門電路（或稱判定元素）及其組合，其電路符號(hào)、名稱及表達(dá)式如圖1-6所示。

1.2.3二進(jìn)制數(shù)編碼1．機(jī)器數(shù)與真值一個(gè)數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示形式（編碼）叫作機(jī)器數(shù)，而這個(gè)數(shù)本身（可以含符號(hào)“+”或“”）稱為機(jī)器數(shù)的真值。在計(jì)算機(jī)中，二進(jìn)制整數(shù)可分為無符號(hào)整數(shù)和有符號(hào)整數(shù)。（1）無符號(hào)整數(shù)對(duì)于二進(jìn)制無符號(hào)整數(shù)，其機(jī)器數(shù)就是二進(jìn)制數(shù)本身。例如：N1=105=01101001B（表示N1的真值），其機(jī)器數(shù)為01101001。8位二進(jìn)制無符號(hào)整數(shù)的機(jī)器數(shù)表示范圍為(00000000)～(11111111)（即0～28-1）。16位二進(jìn)制無符號(hào)數(shù)的機(jī)器數(shù)表示范圍為(0000000000000000)～(1111111111111111)（即0～216-1）。n位二進(jìn)制無符號(hào)整數(shù)的表示范圍為0～2n-1。無符號(hào)整數(shù)在計(jì)算機(jī)中常用來表示存儲(chǔ)器單元及輸入輸出設(shè)備的地址。（2）有符號(hào)整數(shù)對(duì)于二進(jìn)制有符號(hào)整數(shù)的機(jī)器數(shù)，用二進(jìn)制數(shù)的最高位表示符號(hào)位，最高位為“0”表示正數(shù)，最高位為“1”表示負(fù)數(shù)，其余各位取與之相應(yīng)的權(quán)值作為該位所表示的數(shù)值。對(duì)于一個(gè)有符號(hào)整數(shù)，可因其編碼不同而用不同的機(jī)器數(shù)表示法。2．原碼、反碼和補(bǔ)碼有符號(hào)整數(shù)在計(jì)算機(jī)中的編碼形式有原碼、反碼和補(bǔ)碼3種。（1）原碼如上所述，正數(shù)的符號(hào)位用“0”表示，負(fù)數(shù)的符號(hào)位用“1”表示，其數(shù)值部分不變，這種編碼形式稱為原碼。例如，以8位二進(jìn)制數(shù)為例（以下均同），設(shè)兩個(gè)數(shù)N1、N2，其真值為：（2）反碼與補(bǔ)碼對(duì)于正數(shù)，其反碼、補(bǔ)碼與原碼表示方式相同。仍以前文的N1為例，則有：[N1]補(bǔ)=[N1]反=[N1]原=01101001B①對(duì)于負(fù)數(shù)，其反碼為對(duì)原碼各位求反（即0變?yōu)?，1變?yōu)?，但符號(hào)位不變）。由于反碼在計(jì)算機(jī)中計(jì)算時(shí)比較麻煩，一般不直接使用。反碼通常作為求補(bǔ)碼運(yùn)算時(shí)的中間形式。②負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼為：原碼的符號(hào)位不變，其數(shù)值部分按位取反后再加1（即負(fù)數(shù)的反碼加1），稱為求補(bǔ)

【例1-2】已知數(shù)據(jù)A1、A2、A3、Ａ4在存儲(chǔ)單元以補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)，分別為10000001B、11111111B、10000010B、11111110B，求A1、A2、A3、A4的真值。由于補(bǔ)碼的最高位為1，表示負(fù)數(shù)，必須求出原碼才能求得真值，故有：[A1]原=[[A1]補(bǔ)]補(bǔ)=[10000001]補(bǔ)=11111110B+1B=11111111B，得A1=-127；[A2]原=[[A2]補(bǔ)]補(bǔ)=[11111111]補(bǔ)=10000000+1B=10000001B，得A2=-1；[A3]原=[[A3]補(bǔ)]補(bǔ)=[10000010]補(bǔ)=11111101B+1B=11111110B，得A3=-126；[A4]原=[[A4]補(bǔ)]補(bǔ)=[11111110]補(bǔ)=10000001B+1B=10000010B，得A4=-2。對(duì)采用補(bǔ)碼形式表示的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，可以將減法轉(zhuǎn)換為加法?？梢宰C明，補(bǔ)碼加減法的運(yùn)算規(guī)則為：[X±Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[±Y]補(bǔ)其中X、Y為正數(shù)或負(fù)數(shù)均可，符號(hào)位參與運(yùn)算。3．二-十進(jìn)制編碼二-十進(jìn)制編碼又稱8421BCD碼（也可簡稱為BCD碼），這種編碼形式既具有二進(jìn)制數(shù)的形式，便于存儲(chǔ)，又具有十進(jìn)制數(shù)的特點(diǎn)，便于進(jìn)行運(yùn)算和顯示結(jié)果。因?yàn)?421BCD碼只能表示0000B～1001B（即0～9）這10個(gè)代碼，不允許出現(xiàn)代碼1010B～1111B（因?yàn)槠渲荡笥?），所以計(jì)算機(jī)在進(jìn)行8421BCD加法（即二進(jìn)制加法）的過程中，若和的低4位大于9（即1001B）或低4位向高4位有進(jìn)位時(shí)，為保證運(yùn)算結(jié)果的正確性，低4位必須進(jìn)行加6修正。同理，若和的高4位大于9（即1001B）或高4位向更高4位有進(jìn)位時(shí)，為保證運(yùn)算結(jié)果的正確性，高4位必須進(jìn)行加6修正。4．ASCII計(jì)算機(jī)中的數(shù)值型數(shù)據(jù)的編碼，對(duì)于文字、符號(hào)、圖像、聲音等非數(shù)值型信息，計(jì)算機(jī)也必須以二進(jìn)制數(shù)的形式存放在存儲(chǔ)器中。關(guān)于鍵盤字符型數(shù)據(jù)的ASCII。美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼（AmericanStandardCodeforInformation，ASCII）是一種國際標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼，它利用7位二進(jìn)制代碼來表示字符，再加上1位校驗(yàn)位，故在計(jì)算機(jī)中用1個(gè)字節(jié)8位二進(jìn)制數(shù)來表示一個(gè)字符，這樣有利于對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及傳輸。例如，十進(jìn)制數(shù)字“0”“1”…“9”符號(hào)（不是指數(shù)值）、大小寫英文字母、鍵盤控制符號(hào)“CR”（回車）等，這些符號(hào)在由鍵盤輸入時(shí)不能直接“裝入”計(jì)算機(jī)，必須被轉(zhuǎn)換為特定的二進(jìn)制代碼（即將其編碼），并以二進(jìn)制代碼所表示的字符數(shù)據(jù)的形式裝入計(jì)算機(jī)。1.1計(jì)算機(jī)概述1.2計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)的表示

1.3微型計(jì)算機(jī)的分類及性能指標(biāo)

1.4微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

1.3微型計(jì)算機(jī)的分類及性能指標(biāo)1.3.1微型計(jì)算機(jī)分類可以從不同角度對(duì)微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行分類，例如，按微處理器的制造工藝、微處理器的字長、微型計(jì)算機(jī)的構(gòu)成形式、應(yīng)用范圍等。按微處理器字長來分，微型計(jì)算機(jī)一般分為8位、16位、32位和64位。按構(gòu)成形式來分，微型計(jì)算機(jī)主要可分為單片機(jī)、單板機(jī)和PC（PersonalComputer，個(gè)人計(jì)算機(jī)）。1．單片機(jī)單片機(jī)又稱單片微控制器，它是將微處理器、存儲(chǔ)器（如RAM、ROM）、定時(shí)器及輸入輸出接口電路等集成在一塊集成電路芯片上，可嵌入各種工業(yè)、民用設(shè)備及儀器儀表的芯片型計(jì)算機(jī)。一塊單片機(jī)芯片就是具有一定運(yùn)算規(guī)模的微型計(jì)算機(jī)，再加上必要的外圍器件，就可構(gòu)成完整的微型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)。單板機(jī)：將計(jì)算機(jī)的各個(gè)部分都組裝在一塊印制電路板上，包括微處理器/存儲(chǔ)器/輸入輸出接口，還有簡單的七段發(fā)光二極管顯示器、小鍵盤、插座等其他外部設(shè)備。功能比單片機(jī)強(qiáng)，適于進(jìn)行生產(chǎn)過程的控制?？梢灾苯釉趯?shí)驗(yàn)板上操作，適用于教學(xué)。

主要用途：控制、教學(xué)單片機(jī)：

一塊芯片上集成了CPU、RAM、ROM、I/O接口等組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所需的多種電路。

主要用途：控制、測量、儀器儀表、家電2．單板機(jī)單板機(jī)是指將計(jì)算機(jī)的各個(gè)部分組裝在一塊印制電路板上，包括微處理器、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口電路，還有簡單的七段發(fā)光二極管顯示器、小鍵盤、插座等，可以直接在實(shí)驗(yàn)板上操作。單板機(jī)既適用于進(jìn)行生產(chǎn)過程的控制，也適用于教學(xué)。3．PCPC可以實(shí)現(xiàn)各種計(jì)算、數(shù)據(jù)處理及信息管理等。PC可分為臺(tái)式個(gè)人計(jì)算機(jī)（簡稱臺(tái)式機(jī)）和便攜式個(gè)人計(jì)算機(jī)。臺(tái)式機(jī)需要放置在桌面上，它的主機(jī)、鍵盤和顯示器都是相互獨(dú)立的，通過電纜和插頭連接在一起。便攜式個(gè)人計(jì)算機(jī)又稱筆記本電腦，它把主機(jī)、硬盤驅(qū)動(dòng)器、鍵盤和顯示器等部件組裝在一起，可以用可充電電池供電，便于隨身攜帶。1.3.2微型計(jì)算機(jī)常用術(shù)語及性能指標(biāo)1．常用術(shù)語（1）位位（bit）是計(jì)算機(jī)所能表示的最小數(shù)據(jù)單位，即一個(gè)二進(jìn)制數(shù)值位（其值只能為0或1）。對(duì)于8位二進(jìn)制數(shù)，可記為8bit。（2）字節(jié)字節(jié)（byte）由8個(gè)二進(jìn)制位組成，字節(jié)的單位可用byte或B表示，即1byte=8bit。在計(jì)算機(jī)中，存儲(chǔ)器的容量通常是以字節(jié)為單位來量度的。（3）字長字長是微處理器一次可以直接處理的二進(jìn)制代碼的位數(shù)，字長越長，計(jì)算精度越高。字長通常取決于微處理器內(nèi)部通用寄存器的位數(shù)和數(shù)據(jù)總線的寬度。微處理器的字長有8位、16位、32位和64位。（4）主頻主頻也稱為時(shí)鐘頻率（工作頻率），用來表示微處理器的運(yùn)行速度。

（5）外頻與倍頻系數(shù)外頻就是系統(tǒng)外部總線的工作頻率，外頻單位為MHz；倍頻系數(shù)是微處理器的主頻與外頻之間的相對(duì)比例系數(shù)。（6）MIPS百萬條指令每秒（MillionsofInstructionPerSecond，MIPS）用來表示微處理器的性能，即每秒計(jì)算機(jī)能執(zhí)行多少百萬條指令。2．性能指標(biāo)從硬件的角度來說，微型計(jì)算機(jī)的主要性能指標(biāo)如下。①CPU字長：指處理器內(nèi)寄存器、運(yùn)算器等部件同時(shí)處理二進(jìn)制數(shù)據(jù)的寬度。CPU字長有8位、16位、32位和64位。位數(shù)越多，計(jì)算精度越高，一般單片機(jī)字長為8位或16位，PC字長為32位或64位。②CPU速度：指計(jì)算機(jī)每秒所能執(zhí)行的指令（如加法指令）條數(shù)。③主存容量與存取速度：主存容量指計(jì)算機(jī)主存中能夠存儲(chǔ)的字節(jié)數(shù)；存取速度是指存儲(chǔ)器一次讀寫操作所需要的時(shí)間。④高速緩沖存儲(chǔ)器緩存性能：緩存可以提高CPU的運(yùn)行效率，由CPU內(nèi)置的緩存（一級(jí)緩存）和外加的緩存（二級(jí)緩存）組成，其容量可為幾百千字節(jié)以上，存取速度應(yīng)與CPU主頻匹配。⑤硬盤存儲(chǔ)器性能：硬盤存儲(chǔ)器的主要技術(shù)指標(biāo)為存儲(chǔ)容量和平均訪問時(shí)間。⑥系統(tǒng)總線的傳輸速率：指每秒傳輸二進(jìn)制數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，一般以MB/s為單位。⑦系統(tǒng)的可靠性：指系統(tǒng)的平均無故障時(shí)間和平均故障修復(fù)時(shí)間。⑧多核超線程：多核處理器，即單個(gè)芯片中包含2個(gè)或更多的處理器核心（也被叫作cores）。在這種情況下，單個(gè)芯片有時(shí)也被稱作“sockets”。超線程（Hyper-threading）是指同時(shí)多線程（SimultaneousMulti-threading），是允許一個(gè)CPU執(zhí)行多個(gè)控制流的技術(shù)。1.3.3微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展是以微處理器的發(fā)展來表征的，摩爾定律指出微處理器的集成度每隔18個(gè)月就會(huì)翻一番，芯片的性能也隨之提高一倍。（1）第1代微處理器1971年，美國Intel公司研究并制造了Intel4004微處理器。它能同時(shí)處理4位二進(jìn)制數(shù)，集成了約2300個(gè)晶體管，主頻小于1MHz，每秒可進(jìn)行約6萬次運(yùn)算，成本約為200美元。（2）第2代微處理器1974年，Intel公司推出Intel8080微處理器。該微處理器集成了約4500個(gè)晶體管，主頻為2MHz。（3）第3代微處理器1978年，Intel公司推出8086微處理器。該微處理器采用了3m工藝，集成了約29000個(gè)晶體管，主頻為5MHz、8MHz、10MHz。

（4）第4代微處理器1985年，80386微處理器誕生。80386是第一個(gè)實(shí)用的32位微處理器，采用1.5m工藝，集成了約275000個(gè)晶體管，主頻達(dá)到16MHz。80386的內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)總線和地址總線都是32位的。通過32位的地址總線，80386的可尋址空間達(dá)到4GB。

（5）第5代微處理器1993年，奔騰（Pentium）微處理器誕生，之后其制作工藝、主頻、集成度等不斷提高。1999年誕生的PentiumⅢ微處理器制作工藝為0.18m、主頻為1GHz，集成了約750萬個(gè)晶體管，采用二級(jí)高速緩存、二級(jí)超標(biāo)量流水線結(jié)構(gòu)，一個(gè)時(shí)鐘周期可以執(zhí)行3條指令。1.1計(jì)算機(jī)概述1.2計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)的表示

1.3微型計(jì)算機(jī)的分類及性能指標(biāo)

1.4微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

1.4微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)從廣義上包括硬件系統(tǒng)（微型計(jì)算機(jī)硬件）和軟件系統(tǒng)。微型計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)組成可以分為3個(gè)層次：微處理器、微型計(jì)算機(jī)基本結(jié)構(gòu)組成和微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。軟件系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件及各種數(shù)據(jù)庫資源。1.4.1微處理器的典型結(jié)構(gòu)微處理器是微型計(jì)算機(jī)的核心控制部件。微處理器主要包括運(yùn)算器、控制器和寄存器陣列，由內(nèi)部總線將它們連接在一起。具有原始意義的微處理器的典型結(jié)構(gòu)如圖1-7所示。如果把一臺(tái)計(jì)算機(jī)比作一個(gè)加工廠，微處理器就是這個(gè)加工廠的總調(diào)度和核心加工車間。（1）運(yùn)算器運(yùn)算器包括算術(shù)邏輯單元ALU、標(biāo)志寄存器等部件，可以用來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，存放運(yùn)算結(jié)果的一些特征位信息，運(yùn)算器也稱為執(zhí)行單元。（2）控制器控制器主要由定時(shí)與控制電路組成?？刂破魇俏⑻幚砥鞯闹笓]中心，主要功能是依次從存儲(chǔ)器中取出指令代碼并進(jìn)行譯碼，根據(jù)計(jì)算機(jī)指令的功能發(fā)出一系列操作命令，控制計(jì)算機(jī)各個(gè)元器件自動(dòng)、協(xié)調(diào)一致地工作。（3）寄存器陣列寄存器陣列包括通用寄存器和專用寄存器。通用寄存器用來臨時(shí)存放CPU當(dāng)前運(yùn)算所需的頻繁使用的數(shù)據(jù)、地址及狀態(tài)信息，以提高CPU的工作速度。專用寄存器中的指令指針寄存器IP用于指向下一條需要執(zhí)行的指令在存儲(chǔ)器中的存放地址。微處理器內(nèi)部各個(gè)部件之間的信息交換是通過總線實(shí)現(xiàn)的，這樣的總線稱為片內(nèi)總線或內(nèi)部總線。內(nèi)部總線是由微處理器生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)的。1.4.2微型計(jì)算機(jī)基本結(jié)構(gòu)組成微型計(jì)算機(jī)的硬件指有形的物理設(shè)備，是微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所有的實(shí)際物理裝置的總稱。1．微型計(jì)算機(jī)硬件的基本結(jié)構(gòu)微型計(jì)算機(jī)硬件的基本結(jié)構(gòu)主要包括微處理器、存儲(chǔ)器、接口電路等模塊，由內(nèi)部總線把它們連接在一起，其基本結(jié)構(gòu)如圖1-8所示。2．存儲(chǔ)器計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)器具有記憶功能，用來存放數(shù)據(jù)和程序。存儲(chǔ)器可以分為兩類：主存儲(chǔ)器（內(nèi)存）和輔助存儲(chǔ)器（外存）。微處理器直接控制的是主存儲(chǔ)器。（1）主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器簡稱主存或內(nèi)存，主要有隨機(jī)存儲(chǔ)器和只讀存儲(chǔ)器兩種。隨機(jī)存儲(chǔ)器一般用來存放程序運(yùn)行過程中的中間數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)掉電時(shí)數(shù)據(jù)不再保存。只讀存儲(chǔ)器一般用來存放程序，計(jì)算機(jī)斷電時(shí)信息不會(huì)丟失。主存的存取速度快而容量相對(duì)較小，它直接與CPU相連接，受CPU直接控制。計(jì)算機(jī)中正在運(yùn)行的程序與數(shù)據(jù)都必須存放在主存中。（2）輔助存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器（通常為外部設(shè)備）也叫外存儲(chǔ)器，簡稱外存。外存必須通過接口電路（適配器卡）與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。外存存取速度慢但容量相對(duì)較大，具有永久記憶功能，它存放著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中絕大多數(shù)的信息。但外存中的信息必須調(diào)入內(nèi)存才能被CPU使用。外存主要由磁表面存儲(chǔ)器（硬盤）、閃存（U盤）和光盤存儲(chǔ)器等設(shè)備組成。常用的硬盤容量大（一般在500GB以上），存取速度相對(duì)較快，是目前主要的外存設(shè)備。U盤即USB盤的簡稱，最大的特點(diǎn)是小巧便于攜帶、存儲(chǔ)容量大、價(jià)格便宜。若存儲(chǔ)器內(nèi)存容量為1GB，即表示其容量為：1GB=1024MB=1024×1024KB=1024×1024×1024B3．輸入輸出接口CPU通過接口電路與外部輸入輸出（I/O）設(shè)備交換信息，如圖1-8所示。由于外部設(shè)備種類、數(shù)量較多，而且各種參數(shù)（如運(yùn)行速度、數(shù)據(jù)格式及物理量）不盡相同。CPU為了實(shí)現(xiàn)選取目標(biāo)外部設(shè)備并與其交換信息，必須借助接口電路。一般情況下，接口電路通過地址總線、控制總線和數(shù)據(jù)總線與微處理器連接；通過數(shù)據(jù)線（D）、控制線（C）和狀態(tài)線（S）與外部設(shè)備連接。在微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，常常把一些通用的、復(fù)雜的I/O接口電路制成統(tǒng)一的、遵循總線標(biāo)準(zhǔn)的電路適配器卡，CPU通過電路適配器卡與I/O設(shè)備建立物理連接，使用十分方便。4．外部設(shè)備外部設(shè)備（簡稱外設(shè)）可以是輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和輸入輸出并存的設(shè)備。I/O設(shè)備是系統(tǒng)中運(yùn)行速度最慢的部件。（1）輸入設(shè)備輸入設(shè)備是指用來向微型計(jì)算機(jī)輸入數(shù)據(jù)、程序及操作命令等信息的部件。輸入設(shè)備類型很多，常用的有命令輸入設(shè)備（鼠標(biāo)、觸摸板等）、數(shù)字和文字輸入設(shè)備（鍵盤、寫字板等）、圖形輸入設(shè)備（掃描儀、數(shù)碼相機(jī)等）、聲音輸入設(shè)備（傳聲器、MIDI演奏器等）、視頻輸入設(shè)備（攝像機(jī)）和數(shù)據(jù)采集輸入設(shè)備等。（2）輸出設(shè)備輸出設(shè)備一般是指微型計(jì)算機(jī)輸出數(shù)據(jù)處理結(jié)果的信息設(shè)備。5．總線微處理器與存儲(chǔ)器芯片、I/O接口芯片等部件的連接和通信，以及微型計(jì)算機(jī)底板與適配器卡的連接和通信，乃至計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備和各計(jì)算機(jī)之間的連接和通信，都是通過總線來實(shí)現(xiàn)的。微型計(jì)算機(jī)通過總線實(shí)現(xiàn)各部件信息交換，可靈活機(jī)動(dòng)、方便地改變計(jì)算機(jī)的硬件配置，使計(jì)算機(jī)物理連接結(jié)構(gòu)大大簡化。由于總線是信息的公共通道，各種信息相互交錯(cuò)，工作非常繁忙。總線主要包括地址總線（AddressBus，AB）、控制總線（ControlBus，CB）和數(shù)據(jù)總線（DataBus，DB）。1.4.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成通用意義上的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-9所示。1.4.4軟件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)軟件指在硬件上運(yùn)行的程序和相關(guān)的數(shù)據(jù)文檔。計(jì)算機(jī)的工作過程就是執(zhí)行程序的過程，計(jì)算機(jī)所做的各種工作都是執(zhí)行程序的結(jié)果，數(shù)據(jù)是程序處理的對(duì)象。軟件系統(tǒng)就是計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的各種程序、管理的數(shù)據(jù)和有關(guān)文檔的集合。微型計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的功能主要有以下幾個(gè)方面。①控制、管理計(jì)算機(jī)硬件資源，提高資源的利用率，協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)各組成部分的工作。②提供友好的人機(jī)交互界面。③為程序員提供開發(fā)應(yīng)用軟件的工具和環(huán)境。④完成特定應(yīng)用信息的處理功能。根據(jù)功能的不同，軟件系統(tǒng)可分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。1．系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件是指使用和管理計(jì)算機(jī)的軟件，包括操作系統(tǒng)、各種語言處理程序（如匯編程序）、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)與工具軟件等。系統(tǒng)軟件一般由商家提供給用戶。（1）操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)（OperatingSystem，OS）是直接