第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述

第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述

1.1微型計(jì)算機(jī)發(fā)展

1.2數(shù)據(jù)表示與數(shù)字信息編碼

1.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成

1.1微型計(jì)算機(jī)發(fā)展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(wèn)世以來(lái)，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)進(jìn)入了計(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)格來(lái)分，計(jì)算機(jī)可分為巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)和微型機(jī)。微型計(jì)算機(jī)是指以微處理器為核心，配以存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口電路及其設(shè)備所組成的計(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。返回下一頁(yè)

1.1微型計(jì)算機(jī)發(fā)展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，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。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，其造價(jià)低廉。又由于微型計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)開(kāi)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，耗電省及維護(hù)方便等的特點(diǎn)。上一頁(yè)返回下一頁(yè)

1.1微型計(jì)算機(jī)發(fā)展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。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)等，以及應(yīng)用于生物信息學(xué)研究、基因測(cè)序、醫(yī)學(xué)病理分析與處理等。過(guò)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，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。上一頁(yè)返回下一頁(yè)

1.1微型計(jì)算機(jī)發(fā)展低檔的微型計(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(guò)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(guò)修改程序來(lái)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)大腦對(duì)于知識(shí)學(xué)習(xí)、理解與推理、信息處理的思維過(guò)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。上一頁(yè)返回1.2 數(shù)據(jù)表示與數(shù)字信息編碼1.2.1 數(shù)據(jù)格式及機(jī)器數(shù)1．?dāng)?shù)據(jù)格式計(jì)算機(jī)進(jìn)行整數(shù)（小數(shù)）運(yùn)算和浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算。計(jì)算機(jī)中常用的數(shù)據(jù)格式有以下三種：（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。定點(diǎn)格式可表示成定點(diǎn)小數(shù)或定點(diǎn)整數(shù)。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(wèn)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。返回下一頁(yè)1.2 數(shù)據(jù)表示與數(shù)字信息編碼（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：機(jī)器浮點(diǎn)數(shù)應(yīng)當(dāng)由階碼和尾數(shù)及其符號(hào)位組成：上一頁(yè)返回下一頁(yè)1.2 數(shù)據(jù)表示與數(shù)字信息編碼為便于軟件移植，按照IEEE754標(biāo)準(zhǔn)，32位浮點(diǎn)數(shù)和64位浮點(diǎn)數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)格式為：上一頁(yè)返回下一頁(yè)1.2 數(shù)據(jù)表示與數(shù)字信息編碼（3）帶符號(hào)數(shù)和無(wú)符號(hào)數(shù)對(duì)于整數(shù)來(lái)說(shuō)最高有效位為符號(hào)位，則該數(shù)為帶符號(hào)數(shù)；反之，若數(shù)的最高有效位為數(shù)值位，則為無(wú)符號(hào)數(shù)。無(wú)符號(hào)數(shù)不一定是正數(shù)，當(dāng)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(wú)符號(hào)數(shù)。帶符號(hào)數(shù)和無(wú)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(wú)符號(hào)數(shù)的取值范圍是0≤X≤255，有符號(hào)數(shù)的取值范圍是-128≤X≤127。上一頁(yè)返回下一頁(yè)1.2 數(shù)據(jù)表示與數(shù)字信息編碼2.機(jī)器數(shù)表示正數(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：反碼：將其原碼符號(hào)位保持不變，數(shù)值位按位取反；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)和微型機(jī)大都為補(bǔ)碼機(jī)。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。

上一頁(yè)返回下一頁(yè)1.2 數(shù)據(jù)表示與數(shù)字信息編碼減法可以轉(zhuǎn)換成加法運(yùn)算來(lái)完成，乘法和除法可以通過(guò)加法和移位運(yùn)算來(lái)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(jiàn)，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)字信息編碼的概念1.二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)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)。為此，采用編碼方式來(lái)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(lái)表示十進(jìn)制數(shù)，見(jiàn)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。上一頁(yè)返回下一頁(yè)1.2 數(shù)據(jù)表示與數(shù)字信息編碼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，其中34個(gè)起控制作用的稱為功能碼，其余的94個(gè)符號(hào)稱為信息碼，供書(shū)寫(xiě)程序和描述命令之用。3.漢字編碼當(dāng)計(jì)算機(jī)用于漢字處理或漢字的輸入、輸出時(shí)，可用若干位二進(jìn)制編碼來(lái)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(lái)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(lái)輸入漢字的編碼。上一頁(yè)返回1.3 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成1.3.1 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(guò)總線（BUS）連接起來(lái)，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1-1所示。微處理器，即中央處理單元CPU（CentralProcessingUnit）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)和輸入和輸出設(shè)備再附加軟件就構(gòu)成了微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。返回下一頁(yè)1.3 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成1.運(yùn)算器、控制器運(yùn)算器實(shí)現(xiàn)算術(shù)、邏輯運(yùn)算和其它操作。運(yùn)算器的硬件結(jié)構(gòu)決定了它所能實(shí)現(xiàn)的功能?？刂破魇侵笓]機(jī)器工作的控制中心，它通過(guò)執(zhí)行指令來(lái)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(wèn)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。控制器的作用就是根據(jù)指令的規(guī)定，在不同的節(jié)拍電位信號(hào)將相應(yīng)的控制信號(hào)送至計(jì)算機(jī)的相關(guān)部件。上一頁(yè)返回下一頁(yè)1.3 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成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，通常使用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，稱為內(nèi)存儲(chǔ)器（簡(jiǎn)稱內(nèi)存）。內(nèi)存儲(chǔ)器的工作速度較高，和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（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，用內(nèi)存存放常用的程序或正在運(yùn)行的指令或數(shù)據(jù)，而其它大量的信息則存放在外存，如磁盤(pán)、磁帶、光盤(pán)等存儲(chǔ)介質(zhì)中。上一頁(yè)返回下一頁(yè)1.3 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成3.輸入/輸出設(shè)備及其接口電路輸入/輸出設(shè)備(Input/OutputPeripheral)用以計(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(pán)、模數(shù)/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)換為人或其它設(shè)備所能識(shí)別的形式，如顯示器，各種打印機(jī)、繪圖儀、投影儀等。上一頁(yè)返回下一頁(yè)1.3 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成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馈楸ＷC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：地址總線（AddressBus）：用來(lái)傳輸CPU輸出的地址信號(hào)，確定被訪問(wèn)存儲(chǔ)單元、輸入/輸端口地址。數(shù)據(jù)總線（DataBus）：用來(lái)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。控制總線（ControlBus）：配合數(shù)據(jù)的傳輸需用控制總線來(lái)傳送各種控制信號(hào)、時(shí)序信號(hào)和狀態(tài)信息。上一頁(yè)返回下一頁(yè)1.3 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成1.3.2 微型計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)1.操作系統(tǒng) 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.語(yǔ)言處理程序計(jì)算機(jī)語(yǔ)言是人機(jī)通信的工具。計(jì)算機(jī)僅能讀懂機(jī)器語(yǔ)言，但機(jī)器語(yǔ)言的編制煩瑣。為此，產(chǎn)生了匯編語(yǔ)言，即將指令的操作碼和地址碼用易于記憶的助記符來(lái)表示。用匯編語(yǔ)言寫(xiě)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。上一頁(yè)返回下一頁(yè)1.3 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成3.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(wèn)題的程序，這些程序集合通稱應(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(wèn)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。4.軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境這類軟件的目的是為應(yīng)用程序的編寫(xiě)、解釋、編譯等提供便捷的調(diào)試工具和良好集成環(huán)境。上一頁(yè)返回表1-2常用編碼形式十進(jìn)制數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系十進(jìn)制數(shù)十六進(jìn)制數(shù)