第3章 計算機系統(tǒng)基本組成

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計算機系統(tǒng)的組成軟件學院信息科學導論課程組本章前序計算機系統(tǒng)能加工處理信息計算機系統(tǒng)包括哪些成份？計算機硬件系統(tǒng)是怎樣的組成的？計算機軟件系統(tǒng)是怎樣組成的？硬件與軟件是怎樣配合工作的？我們常用的微型計算機是怎樣組成的?軟件學院信息科學導論課程組本章主要內(nèi)容計算機硬件系統(tǒng)的組成計算機軟件系統(tǒng)的組成微型計算機系統(tǒng)本章小結(jié)本章的作業(yè)和任務軟件學院信息科學導論課程組3.1

計算機硬件系統(tǒng)的組成以內(nèi)存儲器為核心的計算機硬件系統(tǒng)的組成及工作原理馮·諾依曼型計算機工作原理的核心“存儲程序”和“程序控制”，特點如下：計算機硬件由五大基本部件組成：控制器、運算器、存儲器、輸入設備、輸出設備。設置內(nèi)存，在程序運行之前將程序和數(shù)據(jù)存入存儲器中，并且能夠自動依次執(zhí)行指令。所有的程序和數(shù)據(jù)均采用二進制0，1代碼表示。軟件學院信息科學導論課程組軟件學院信息科學導論課程組3.1

計算機硬件系統(tǒng)的組成

1.控制器

(ControlUnit)根據(jù)程序的指令發(fā)出控制信號控制計算機硬件各部件自動地、協(xié)調(diào)有序工作.

2.運算器

ALU(ArithmeticLogicUnit)也叫算術(shù)邏輯單元,在控制器的控制下完成各種算術(shù)運算和邏輯運算.控制器和運算器合起來稱為中央處理器CPU(Central

ProcessingUnit)3.內(nèi)存儲器(Memory)存放計算機正在使用的程序和數(shù)據(jù)隨機存儲器RAM(RandomAccessMemory)只讀存儲器ROM(ReadOnlyMemory)高速緩沖存儲器Cache軟件學院信息科學導論課程組3.1

計算機硬件系統(tǒng)的組成4.輸入設備(Inputdevice)用于將外界信息輸入到計算機中的設備.例:鍵盤、鼠標器、掃描儀、數(shù)字化儀、光筆、語音輸入器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、觸摸屏等.5.輸出設備(Outputdevice)用于將計算機中的信息輸出到外界來的設備.例:顯示器、打印機、繪圖機、語音輸出裝置、數(shù)模轉(zhuǎn)換器等6.外存儲器(Externalstorage)用于永久性保留程序和數(shù)據(jù)的設備例:磁鼓、磁帶、磁盤、光盤、U盤等.軟件學院信息科學導論課程組3.1

計算機硬件系統(tǒng)的組成

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計算機軟件系統(tǒng)的組成(Cont.)軟件定義按照預先設計的算法編制出來的指揮計算機硬件完成任務的以電子格式存儲的指令序列和相關(guān)數(shù)據(jù)以及文檔.軟件=程序+文檔+數(shù)據(jù)程序：對處理過程描述的指令序列.數(shù)據(jù)：程序加工處理的對象.文檔：理解程序和數(shù)據(jù)所需的資料.軟件學院信息科學導論課程組3.2

計算機軟件系統(tǒng)的組成(Cont.)1.軟件的分類系統(tǒng)軟件:用于對計算機進行管理、控制、維護,或者編輯、制作、加工用戶程序的一類軟件.應用軟件:用于解決各種實際問題、進行業(yè)務工作的軟件.

軟件系統(tǒng)系統(tǒng)軟件應用軟件操作系統(tǒng)編程語言數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)驅(qū)動程序?qū)嵱密浖贸绦蛱籽b軟件工具軟件軟件學院信息科學導論課程組3.2

計算機軟件系統(tǒng)的組成(Cont.)2.系統(tǒng)軟件(1)操作系統(tǒng)OS(OperatingSystem)系統(tǒng)軟件的核心,它直接管理和控制計算機的一切硬件和軟件資源,使它們能有效地配合,自動協(xié)調(diào)地工作.典型的操作系統(tǒng)DOS操作系統(tǒng)

Windows操作系統(tǒng)Unix/Linux操作系統(tǒng)NovellNetWare網(wǎng)絡操作系統(tǒng)MacOS操作系統(tǒng)軟件學院信息科學導論課程組3.2

計算機軟件系統(tǒng)的組成(Cont.)(2)計算機語言處理系統(tǒng)用于編輯源程序,將源程序轉(zhuǎn)換成目標程序,并生成可執(zhí)行程序的軟件.結(jié)構(gòu)化程序設計語言Basic,Pascal,FORTRAN,C,Lisp,Prolog,Ada,…面向?qū)ο蟪绦蛟O計語言VB,VC,C++,PB,Java,Delphi,…編譯程序和解釋程序編譯程序:

將源程序一次性翻譯成目標代碼,經(jīng)過連接產(chǎn)生可執(zhí)行文件.以后可直接執(zhí)行可執(zhí)行文件.解釋程序:程序執(zhí)行時逐句翻譯,不產(chǎn)生可執(zhí)行文件.軟件學院信息科學導論課程組3.2

計算機軟件系統(tǒng)的組成(Cont.)(3)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)DBMS用于對大量數(shù)據(jù)進行組織和管理的軟件系統(tǒng).數(shù)據(jù)庫應用實例人事管理、設備管理、財務管理、圖書資料管理、生產(chǎn)管理、銷售管理、學生學籍管理、學生成績統(tǒng)計、各類數(shù)據(jù)匯總等典型的關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)FoxBaseVFPSQLServerSybaseOracleInformixAccess等軟件學院信息科學導論課程組3.2

計算機軟件系統(tǒng)的組成(Cont.)(4)輔助性工具軟件增強或擴展操作系統(tǒng)功能的一類軟件.常用的實用工具軟件數(shù)據(jù)備份軟件,磁盤整理軟件計算機病毒檢測與解毒軟件;數(shù)據(jù)壓縮軟件,文件加密軟件,系統(tǒng)性能檢測程序CPU速度測試程序,硬盤測試程序,故障檢查與診斷程序磁盤管理程序,程序調(diào)試程序,連接程序,文件編輯程序網(wǎng)絡下載工具軟件,防火墻軟件……軟件學院信息科學導論課程組3.2

計算機軟件系統(tǒng)的組成(Cont.)3.應用軟件用于解決各種用戶實際問題的軟件應用程序用于解決某一種問題的軟件例如:各種管理程序、游戲軟件、音樂播放軟件套裝軟件(應用軟件包)用于解決某一類問題的軟件例如：辦公自動化軟件Office,計算機輔助設計軟件CAD,建筑設計軟件包,各專業(yè)設計軟件包軟件學院信息科學導論課程組3.2計算機軟件系統(tǒng)的組成(Cont.)

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微型機系統(tǒng)(Cont.)微型機硬件系統(tǒng)的組成主機主板CPU:運算器,控制器內(nèi)存儲器:RAM,ROM,Cache總線擴展插槽:數(shù)據(jù)總線,地址總線,控制總線各種外部設備接口:鍵盤,鼠標,顯示器,USB串行接口并行接口:打印機軟盤驅(qū)動器,硬盤驅(qū)動器,光盤驅(qū)動器外部設備軟件學院信息科學導論課程組3.3

微型機系統(tǒng)(Cont.)主機及主板軟件學院信息科學導論課程組3.3微型機系統(tǒng)(Cont.)軟件學院信息科學導論課程組3.3

微型機系統(tǒng)(Cont.)常見外部設備

輸入設備鍵盤KeyBoard鼠標器Mouse掃描器Scanner麥克風Microphone只讀光盤CD-ROM輸出設備打印機Printer點陣打印機DotPrinter激光打印機LeaserPrinter噴墨打印機JetPrinter輸出設備(Cont.)顯示器Monitor繪圖機Plotter平板式繪圖機滾筒式繪圖機輸入輸出設備調(diào)制解調(diào)器Modem軟盤FloppyDisk硬盤HardDiskU盤軟件學院信息科學導論課程組3.3

微型機系統(tǒng)(Cont.)軟件學院信息科學導論課程組3.3微型機系統(tǒng)(Cont.)CPU是計算機硬件的核心控制器要依據(jù)程序控制各部件協(xié)同工作.運算器完成各種算術(shù)運算和邏輯運算.著名的CPU生產(chǎn)廠家有Intel、AMD、Cyrix和TI等公司.1.CPU軟件學院信息科學導論課程組第1階段：4位和8位低檔微處理器時代。如Intel4004/8008第2階段：8位中高檔微處理器時代。如：Intel8080第3階段：16位微處理器時代。如：Intel8086/8088

第4階段：32位微處理器時代。如：Intel80286/80386第5階段：奔騰（pentium）系列微處理器時代。

如:pentium/PentiumⅡ/PentiumⅢ/PentiumⅣ第6階段：多核微處理器時代。如：酷睿系列軟件學院信息科學導論課程組3.3微型機系統(tǒng)(Cont.)CPU的主要性能指標主頻(MHz,GHz)CPU的時鐘頻率.是衡量運算和處理速度的重要標志.字長CPU內(nèi)部進行存儲、運算、信息傳輸所使用的基本信息單位.衡量CPU每次處理信息量的大小,直接影響到速度.主頻=外頻x倍頻主頻:CPU內(nèi)部的時鐘頻率，是CPU進行運算時的工作頻率。一般來說，主頻越高，一個時鐘周期里完成的指令數(shù)也越多，CPU的運算速度也就越快。外頻:即系統(tǒng)總線的頻率，CPU與周邊設備傳輸數(shù)據(jù)的頻率，具體是指CPU到芯片組之間的總線速度。倍頻:全稱是倍頻系數(shù)。CPU的核心工作頻率與外頻之間存在著一個比值關(guān)系，這個比值就是倍頻系數(shù)，簡稱倍頻。原先并沒有倍頻概念，CPU的主頻和系統(tǒng)總線的速度是一樣的，隨著CPU的速度越來越快，倍頻技術(shù)也就應允而生。它可使系統(tǒng)總線工作在相對較低的頻率上，而CPU速度可以通過倍頻來無限提升。軟件學院信息科學導論課程組主頻=外頻x倍頻CPU主頻的計算方式變?yōu)椋褐黝l=外頻x倍頻。也就是倍頻是指CPU和系統(tǒng)總線之間相差的倍數(shù)，當外頻不變時，提高倍頻，CPU主頻也就越高。軟件學院信息科學導論課程組軟件學院信息科學導論課程組3.3微型機系統(tǒng)(Cont.)內(nèi)存儲器也叫主存儲器,是CPU能直接訪問的存儲器.內(nèi)存儲器用于臨時保留程序和數(shù)據(jù)以便控制器讀取隨機存取存儲器RAMRAM一般采用內(nèi)存條結(jié)構(gòu),每片內(nèi)存條上具有一定的存儲容量.RAM的特點工作必須加電.斷電后,信息丟失.微型機典型RAM的容量128MB,256MB,512MB,1GB等.2.內(nèi)存儲器軟件學院信息科學導論課程組3.3微型機系統(tǒng)(Cont.)軟件學院信息科學導論課程組3.3微型機系統(tǒng)(Cont.)只讀存儲器ROMROM的特點信息只能讀出,不能寫入.斷電后信息不丟失,可靠性高ROM的主要分類ROM(ReadOnlyMemory):廠家寫入信息,用戶不能修改PROM(ProgrammableROM):用戶寫入信息,但不能修改EPROM(ErasablePROM):用戶寫入信息,可用紫外線擦除EEPROM(ElectricallyEPROM):用戶寫入信息,可用電擦除快閃存儲器(FlashMemory):用電擦除,但只能整體擦除或分區(qū)擦除軟件學院信息科學導論課程組3.3微型機系統(tǒng)(Cont.)軟盤存儲器由軟磁盤和軟盤驅(qū)動器組成.3.外存儲器(1)軟盤存儲器(Floppydiskdrive)軟件學院信息科學導論課程組3.3微型機系統(tǒng)(Cont.)軟件學院信息科學導論課程組3.3微型機系統(tǒng)(Cont.)硬盤的結(jié)構(gòu)通常是由幾個盤片組成的磁盤組.密封在一個空氣潔凈的密封艙內(nèi).存儲密度大每個面通常有成百上千個磁道,所以硬盤的軟盤.若干個面的相同磁道組成了一個個園柱,因此硬盤的磁道也叫柱面(Cylinder).速度快有一組磁頭可以同時對各盤片進行讀寫.采用溫徹斯特(Winchester)技術(shù).(2)硬盤存儲器(HardDisk)軟件學院信息科學導論課程組3.3微型機系統(tǒng)(Cont.)磁盤存儲器的工作原理

軟件學院信息科學導論課程組3.3微型機系統(tǒng)(Cont.)硬盤的存儲容量=柱面數(shù)×每磁道扇區(qū)數(shù)×每扇區(qū)字節(jié)數(shù)×磁頭數(shù)微型機硬盤存儲容量一般為540KB,10MB,20MB,40MB,1GB,2.1GB,3.2GB,4.3GB,6.5GB,8.4GB,10GB,20GB,40GB,60GB,80GB,100GB等主要硬盤生產(chǎn)廠商Quantum,Seagate,Maxtor等.軟件學院信息科學導論課程組3.3微型機系統(tǒng)(Cont.)光盤存儲器由光盤驅(qū)動器和光盤盤片組成.CD-ROM(CompactDisk-ReadOnlyMemory)CD-ROM是使用最廣泛的光盤.信息只能讀出,不能寫入.容量一般為680MB.最早的CD-ROM驅(qū)動器(簡稱光驅(qū))的數(shù)據(jù)傳輸速率為150KB/s,稱為單速光驅(qū).光驅(qū)的速度用X倍速表示.CD-R(CompactDisk-Record)可由用戶利用CR-R刻錄機寫入信息.CD-RW(CompactDisk-ReadandWrite)這種光盤類似于磁盤,可以重復讀寫.(3)光盤存儲器(Opticaldiskdrive)軟件學院信息科學導論課程組3.3微型機系統(tǒng)(Cont.)DVD(DigitalVideoDisk)常用于保存多媒體應用程序,容量一般為4.7GB光盤驅(qū)動器CD-ROM驅(qū)動器:可讀CD-ROM,CDRCDR刻錄機:可刻錄CDR,VCDDVD驅(qū)動器:可讀DVD,CD-ROM,CDRDVD刻錄機:可刻錄CDR,VCD,DVD軟件學院信息科學導論課程組3.3微型機系統(tǒng)(Cont.)顯示器可以顯示字符、圖形、圖像及影像等.顯示字符時,筆劃經(jīng)過的位置用點表示顯示圖像時,有點的地方用1表示,無點的地方用0表示4.顯示器(Monitor)字母“A”的顯示軟件學院信息科學導論課程組3.3微型機系統(tǒng)(Cont.)顯示器的分辨率resolution顯示器水平方向顯示的像素數(shù)與垂直方向顯示的像素數(shù)的乘積稱為顯示器的分辨率.標準顯示器的分辨率800×6001024×7681280×10241600×1200……軟件學院信息科學導論課程組3.3微型機系統(tǒng)(Cont.)顯示器的分辨率與顏色每一點可區(qū)分顏色數(shù)目

垂直方向可區(qū)分點的數(shù)目H-resolution×V-resolution×

Color

水平方向可區(qū)分點的數(shù)目Color軟件學院信息科學導論課程組3.3微型機系統(tǒng)(Cont.)打印機用于將程序、數(shù)據(jù)、圖形或圖像在打印紙上輸出出來.打印機的分類擊打式打印機點陣打印機字錘式打印機非擊打式打印機激光打印機噴墨打印機5.打印機(printer)軟件學院信息科學導論課程組3.3微型機系統(tǒng)(Cont.)點陣打印機(DotMatrixPrinter)點陣打印機也叫針式打印機,這種打印機利用打印頭上的24根打印鋼針,擊打帶油墨的色帶,在打印紙上打出點陣字符及圖形.點陣打印機分類80列打印機136列打印機專用票據(jù)打印機軟件學院信息科學導論課程組3.3微型機系統(tǒng)(Cont.)激光打印機(Laserprinter)激光打印機是將激光技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合,采用電子照相原理制造出來的.常見的激光打印機有HP系列Canon系列聯(lián)想系列等軟件學院信息科學導論課程組3.3微型機系統(tǒng)(Cont.)噴墨打印機(Jetprinter)對應點陣打印機鋼針的是一些小噴嘴主機送來1時,噴嘴打開,在打印紙上噴上一個點.主機送來0時,噴嘴不打開,打印紙上保持空白.常見的噴墨打印機有Canon系列EPSON系列HP系列清華紫光系列等.軟件學院信息科學導論課程組3.3微型機系統(tǒng)(Cont.)打印機的技術(shù)指標分辨率每平方英吋點數(shù)dpi(Dotsperinch)顏色單色,彩色打印速度每分鐘打印頁數(shù)ppm(pagesperminute)每秒鐘打印字符數(shù)cps(characterspersecond)耗材色帶,墨盒/墨水,打印鼓/墨粉軟件學院信息科學導論課程組3.3微型機系統(tǒng)(Cont.)計算機系統(tǒng)的性能由多項技術(shù)指標綜合確定,包含硬件和軟件.CPU：主頻,字長,指令系統(tǒng)主頻是指CPU每秒鐘所產(chǎn)生的時鐘周期數(shù).字長是指CPU每一次操作所能處理的數(shù)據(jù)位數(shù).內(nèi)存：存儲容量,存取速度,可靠性容量是指內(nèi)存的大小.存取速度是從存儲器讀出或?qū)懭胍粋€標準單位數(shù)據(jù)的單位時間.

可靠性是指存儲器能否實現(xiàn)正確的讀寫與保存.5.系統(tǒng)性能軟件學院信息科學導論課程組3.3微型機系統(tǒng)(Cont.)外存速度,容量,與CPU/內(nèi)存匹配,耗電量,可靠性運算速度：每秒鐘執(zhí)行的指令條數(shù)，取決于指令的執(zhí)行時間。單位：MIPS（MillionInstructionsPerSecond,即每秒鐘百萬條指令）顯示器與顯示卡尺寸,分辨率,顯示卡存儲容量,顏色,尺寸,與CPU/內(nèi)存匹配總線（地址總線AB、數(shù)據(jù)總線DB、控制總線CB）類型,傳輸速度其他配套設備打印機,掃描儀,鼠標等計算機的工作過程

1.這里從一個初級的計算機入手來討論計算機的工作過程，以后再擴展到實際的計算機。

下圖給出了一個假想的初級計算機結(jié)構(gòu)，由中央處理器（CPU）、存儲器、接口電路組成，通過接口電路再與外部設備相連接。相互之間通過三條總線（地址總線AB、雙向數(shù)據(jù)總線DB和控制總線CB）來連接。為了簡化問題，先不考慮外部設備以及接口電路，并認為要執(zhí)行的程序以及數(shù)據(jù)已存入存儲器內(nèi)。

1)初級計算機的中央處理器CPU的結(jié)構(gòu)如下圖所示:

算術(shù)邏輯單元ALU是執(zhí)行算術(shù)和邏輯運算的裝置。

寄存器組H是多個寄存器組成，它用于暫時存放數(shù)據(jù)。

指令寄存器（IR）是用于存放當前正在執(zhí)行的指令。當前指令執(zhí)行完后，下條指令才可存入。如果不取入新的指令，指令寄存器的內(nèi)容是不會改變的。

指令譯碼器（ID）用來對指令進行分析譯碼，根據(jù)指令譯碼器的輸出信號執(zhí)行當前指令所需要的全部控制信號。

標志寄存器F由一些標志位組成，它為邏輯判斷提供狀態(tài)信息，如溢出。

程序計數(shù)器PC又稱指令計數(shù)器，它的作用是指明將要執(zhí)行的下一條指令在存儲器中的地址。

內(nèi)部數(shù)據(jù)總線把CPU內(nèi)部各寄存器和ALU連接起來，以實現(xiàn)各單元之間的信息傳輸。

256字節(jié)RAM是假想存儲器，它用于存放指令和數(shù)據(jù)。

地址寄存器（AR），由它把要尋址的單元地址通過地址總線，送至存儲器。

數(shù)據(jù)寄存器（DR），用來存放從存儲器中讀出的數(shù)據(jù)，并經(jīng)過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線送到需要這個數(shù)據(jù)的寄存器中；或?qū)⒁獙懭氪鎯ζ鞯臄?shù)據(jù)經(jīng)過（DR）送給存儲器

2)存儲器初級計算機的存儲器結(jié)構(gòu)如圖2.5所示。它由256個單元組成。每個單元被規(guī)定一個唯一的編碼（既地址）。規(guī)定第1個單元的地址為0，最后一個單元地址為255。用二進制表示為00000000～11111111。用十六進制數(shù)表示為00H～FFH。每個單元可存放一個8位的二進制信息（即一個字節(jié)的信息）。每一個存儲單元的地址和這個地址中存放的內(nèi)容是兩個絕然不同的概念，千萬不要混淆了。CPU給出要操作的某存儲單元地址，該地址通過地址總線AB送到存儲器中的地址譯碼器，從256個單元中找到相應于該地址碼的那個存儲單元，然后再對這個單元進行讀出或?qū)懭氩僮?。讀操作：把06H號存儲單元的內(nèi)容讀出到數(shù)據(jù)總線上，那么首先要求CPU的地址寄存器(AR)給出地址編碼06H，通過地址總線送到存儲器，存儲器中地址譯碼器對它進行譯碼，找到06H號單元。這時CPU再發(fā)出讀操作命令，將06H號單元的內(nèi)容（84H）經(jīng)數(shù)據(jù)總線送到數(shù)據(jù)寄存器DR中寫操作：要把數(shù)據(jù)寄存器(DR)中的內(nèi)容26H寫入到10H號存儲單元中，則CPU的地址寄存器AR先給出地址10H，并通過地址總線AB送到存儲器，經(jīng)存儲器地址譯碼器譯碼后找到10H號單元；然后把數(shù)據(jù)寄存器DR中的內(nèi)容26H放到數(shù)據(jù)總線DB上；CPU發(fā)出寫操作命令，數(shù)據(jù)總線上內(nèi)容26H就寫入到10H單元

2.計算機的工作過程

下面通過一個例子來討論這些電路是怎樣配合起來執(zhí)行一段程序的，以了解計算機是怎樣工作。例如，要求計算Y=5+9，且將結(jié)果放在累加器A中。每種計算機都有自己的指令表，這里假設以下三條指令及功能。

MOVA，05H；將立即數(shù)05H送至累加器A中

ADDA，09H；將立即數(shù)09H加到累加器A中

HALT；停機

程序通過鍵盤送入存儲器中，以二進制形式存放，每個存儲單元存放一個字節(jié)內(nèi)容。三條指令共有5個字節(jié)，占5個存儲單元。可把這5個字節(jié)程序存放在存儲器任意區(qū)域。假設把存放在以40H地址開始的5個連續(xù)單元中

程序輸入到計算機后，只要告訴計算機程序的起始地址（這里是40H），并發(fā)出一個啟動命令，機器就被啟動來執(zhí)行這段程序。執(zhí)行程序過程就是反復取出指令和執(zhí)行指令。⑴第一條指令取指階段。給PC賦以第一條指令的地址40H后，就進入第一條指令的取指階段，具體過程為：

①PC=40H送地址寄存器AR，使AR=40H。②當PC的內(nèi)容可靠地送入AR后，PC內(nèi)容加1變?yōu)?1H。③地址寄存器AR把地址40H通過地址總線AB送到存儲器，經(jīng)地址譯碼器譯碼后，選中40H號單元。④CPU發(fā)出讀命令。⑤所選中的40H號單元內(nèi)容3EH讀到數(shù)據(jù)總線DB上。⑥讀出的內(nèi)容經(jīng)過DB送到數(shù)據(jù)寄存器DR中。⑦取指階段取出的是指令操作碼，DR把它送指令寄存器IR中，經(jīng)指令譯碼器ID和可編程邏輯陣列PLA，發(fā)出執(zhí)行這條指令。

⑵第一條指令執(zhí)行階段。經(jīng)過對第一條指令操作碼譯碼后知道是把操作數(shù)送入累加器A的操作，而操作數(shù)在指令的第二字節(jié)。所以執(zhí)行第一條指令就須把第二字節(jié)中的操作數(shù)取來并送到累加器A。其過程如下：

①把PC內(nèi)容41H送地址寄存器AR，使AR=41H。②當PC的內(nèi)容可靠地送入AR后，PC自動加1，變?yōu)?2H。