第1章微型計算機系統(tǒng)概述

第1章微型計算機系統(tǒng)概述

1.1微型計算機發(fā)展

1.2數(shù)據(jù)表示與數(shù)字信息編碼

1.3微型計算機系統(tǒng)的基本組成

1.1微型計算機發(fā)展1.微型計算機的發(fā)展自1946年第一臺電子計算機問世以來，計算機的發(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個階段。進入21世紀后，隨著生物科學、神經(jīng)網(wǎng)絡技術、納米技術的飛速發(fā)展，生物芯片、神經(jīng)網(wǎng)絡技術進入了計算機領域——計算機的發(fā)展進入第5個發(fā)展階段。按體積、性能和價格來分，計算機可分為巨型機、大型機、中型機、小型機和微型機。微型計算機是指以微處理器為核心，配以存儲器、輸入/輸出接口電路及其設備所組成的計算機。微型計算機采用超大規(guī)模集成電路技術，將運算器和控制器——微處理器（Microprocessor），集成在一片硅片上。返回下一頁

1.1微型計算機發(fā)展隨著微電子與超大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，微型計算機技術的發(fā)展基本遵循摩爾定律，微處理器集成度每隔18個月翻一番，芯片性能隨之提高一倍左右。通常，微型計算機的發(fā)展是以微處理器的發(fā)展為表征的。2.微型計算機的特點微型計算機運算速度快，計算精度高，高集成度使得微處理器非常穩(wěn)定，其造價低廉。又由于微型計算機硬件平臺開放，易于擴展，適應性強，因此微處理器的配套應用芯片和軟件豐富，更新也很快。此外，微型計算機還具有體積小，重量輕，耗電省及維護方便等的特點。上一頁返回下一頁

1.1微型計算機發(fā)展3.微型計算機的應用科學計算是微型計算機應用的主要領域。應用包括衛(wèi)星發(fā)射控制、航天飛機制造、高層建筑設計、機械產品設計等，以及應用于生物信息學研究、基因測序、醫(yī)學病理分析與處理等。過程控制是微型計算機在工業(yè)應用中的重要領域，應用包括大型工業(yè)鍋爐控制、鐵路調度控制、數(shù)控機床控制，以及由上、下位微型計算機構成的分布式工業(yè)生產自動控制系統(tǒng)等。嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展和應用使工業(yè)控制的應用領域更加廣泛，市場應用前景更加廣闊。上一頁返回下一頁

1.1微型計算機發(fā)展低檔的微型計算機在儀器儀表和家電的智能控制方面的應用，取代了過去的硬件邏輯電路對儀器儀表和家電的控制，用程序的重復執(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。計算機輔助設計與制造（CAD/CAM）借助微型計算機調整、修改產品設計，CAM圍繞中心數(shù)控機床及其自動化設備，用以完成部件的加工、運輸、組裝、測量、檢查等功能，CAD與CAM的集成——CAD/CAM一體化，是今后工業(yè)自動化發(fā)展的重要方向。人工智能的主要目標是利用計算機模擬人的大腦，實現(xiàn)大腦對于知識學習、理解與推理、信息處理的思維過程的研究學科。人工智能理論的新突破，特別是人工神經(jīng)網(wǎng)絡和DNA芯片技術的研究，急需大型并行計算機的模擬計算和新型計算機的研究。上一頁返回1.2 數(shù)據(jù)表示與數(shù)字信息編碼1.2.1 數(shù)據(jù)格式及機器數(shù)1．數(shù)據(jù)格式計算機進行整數(shù)（小數(shù)）運算和浮點數(shù)運算。計算機中常用的數(shù)據(jù)格式有以下三種：（1）定點格式在定點格式中，小數(shù)點在數(shù)據(jù)中的位置固定不變。定點格式可表示成定點小數(shù)或定點整數(shù)。通常，小數(shù)點的位置確定后，在運算中不再考慮小數(shù)點的問題，因而，小數(shù)點不占用存儲空間。定點數(shù)表示簡單，但數(shù)的取值范圍小，精度低。返回下一頁1.2 數(shù)據(jù)表示與數(shù)字信息編碼（2）浮點格式采用浮點格式的機器中的數(shù)據(jù)的小數(shù)點位置可變。浮點數(shù)的一般格式為：機器浮點數(shù)應當由階碼和尾數(shù)及其符號位組成：上一頁返回下一頁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標準，32位浮點數(shù)和64位浮點數(shù)的標準格式為：上一頁返回下一頁1.2 數(shù)據(jù)表示與數(shù)字信息編碼（3）帶符號數(shù)和無符號數(shù)對于整數(shù)來說最高有效位為符號位，則該數(shù)為帶符號數(shù)；反之，若數(shù)的最高有效位為數(shù)值位，則為無符號數(shù)。無符號數(shù)不一定是正數(shù)，當數(shù)據(jù)處理時，若不需要考慮數(shù)的正負，則可以使用無符號數(shù)。帶符號數(shù)和無符號數(shù)的取值范圍不同。對于字長為8位的定點整數(shù)，無符號數(shù)的取值范圍是0≤X≤255，有符號數(shù)的取值范圍是-128≤X≤127。上一頁返回下一頁1.2 數(shù)據(jù)表示與數(shù)字信息編碼2.機器數(shù)表示正數(shù)的原碼、反碼、補碼相同，即[x]原

=[x]反

=[x]補。負數(shù)的機器數(shù)求解方法如下：反碼：將其原碼符號位保持不變，數(shù)值位按位取反；補碼：將反碼末位加1。當計算機采用不同的碼制時，運算器和控制器的結構將不同。由于補碼具有唯一性，因此小型計算機和微型機大都為補碼機。計算機中引入補碼可以使：符號位和數(shù)值位成為一體，共同參與運算，運算結果的符號位由運算得出。

上一頁返回下一頁1.2 數(shù)據(jù)表示與數(shù)字信息編碼減法可以轉換成加法運算來完成，乘法和除法可以通過加法和移位運算來完成。這樣，二進制數(shù)的四則運算只須加減法和移位運算即可完成。由此可見，計算機中引入補碼的目的是簡化運算方法，從而簡化運算器的結構和設計。1.2.2 數(shù)字信息編碼的概念1.二進制編碼的十進制數(shù)計算機內部采用二進制數(shù)，而外部數(shù)據(jù)的輸入輸出使用十進制數(shù)。為此，采用編碼方式來完成二——十進制數(shù)的轉換。8421BCD碼就是用4位二進制數(shù)的編碼來表示十進制數(shù)，見表1-2。采用8421BCD碼可以直接使用二進制數(shù)部件完成十進制數(shù)的存儲和運算。上一頁返回下一頁1.2 數(shù)據(jù)表示與數(shù)字信息編碼2.字符編碼

ASCII碼（(AmericanStandardCodeforInformationInterchange）是國際通用的字符編碼標準。

ASCII碼采用7位二進制數(shù)編碼表示128個字符，其中34個起控制作用的稱為功能碼，其余的94個符號稱為信息碼，供書寫程序和描述命令之用。3.漢字編碼當計算機用于漢字處理或漢字的輸入、輸出時，可用若干位二進制編碼來表示一個漢字。通常，一個漢字的編碼可用內碼、字模碼和外碼來描述。內碼是用于漢字的存儲、交換等操作的計算機內部代碼。一個漢字內碼通常用兩個字節(jié)表示，且這兩個字節(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。上一頁返回1.3 微型計算機系統(tǒng)的基本組成1.3.1 微型計算機的硬件結構微型計算機系統(tǒng)由硬件和軟件組成。馮·諾依曼在1946年首次提出計算機的組成和工作方式：計算機分為運算器、控制器、存儲器、輸入和輸出設備五大部分并通過總線（BUS）連接起來，計算機內部采用二進制，采用程序存儲的工作方式。微型計算機的一般結構如圖1-1所示。微處理器，即中央處理單元CPU（CentralProcessingUnit）由運算器和控制器構成，將控制器、運算器、存儲器合稱微型計算機的主機，主機和輸入和輸出設備再附加軟件就構成了微型計算機系統(tǒng)。返回下一頁1.3 微型計算機系統(tǒng)的基本組成1.運算器、控制器運算器實現(xiàn)算術、邏輯運算和其它操作。運算器的硬件結構決定了它所能實現(xiàn)的功能?？刂破魇侵笓]機器工作的控制中心，它通過執(zhí)行指令來控制全機工作。指令是規(guī)定計算機執(zhí)行特定操作的命令，通常一條指令對應著一種基本操作，一臺計算機能執(zhí)行什么樣的操作由其指令系統(tǒng)決定。在使用計算機時，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。指令通常以機器碼（MachineCode）的形式存放在存儲器中。為完成一條指令所規(guī)定的操作，計算機的各個部件需要完成一系列的基本動作，這些基本動作按照特定的時序?？刂破鞯淖饔镁褪歉鶕?jù)指令的規(guī)定，在不同的節(jié)拍電位信號將相應的控制信號送至計算機的相關部件。上一頁返回下一頁1.3 微型計算機系統(tǒng)的基本組成2.存儲器存儲器用以存儲數(shù)據(jù)和指令。在計算機內部，通常使用半導體存儲器，稱為內存儲器（簡稱內存）。內存儲器的工作速度較高，和CPU的速度基本匹配，但內存容量是有限的；另外，斷電后，內存信息將全部丟失，這就引入了外部存儲器（外存）。外存屬于外部接口設備，一般不能直接與CPU交換信息。通常，用內存存放常用的程序或正在運行的指令或數(shù)據(jù)，而其它大量的信息則存放在外存，如磁盤、磁帶、光盤等存儲介質中。上一頁返回下一頁1.3 微型計算機系統(tǒng)的基本組成3.輸入/輸出設備及其接口電路輸入/輸出設備(Input/OutputPeripheral)用以計算機與外界進行信息交換的接口設備，簡稱I/O設備。輸入設備能夠將各種形式的信息轉換為計算機所能接受的數(shù)據(jù)形式。常用的輸入設備有鍵盤、模數(shù)/數(shù)模轉換器、掃描儀等。輸出設備能夠將計算機處理的結果轉換為人或其它設備所能識別的形式，如顯示器，各種打印機、繪圖儀、投影儀等。上一頁返回下一頁1.3 微型計算機系統(tǒng)的基本組成4.總線總線是計算機各個部件進行信息傳輸?shù)墓餐ǖ?。為保證信息能正確傳遞，在任意時刻，總線上只允許傳遞一組信息。若按總線上傳輸信息的性質劃分，總線可分為：地址總線（AddressBus）：用來傳輸CPU輸出的地址信號，確定被訪問存儲單元、輸入/輸端口地址。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與存儲器或I/O接口之間、內存儲器與I/O設備之間，以及外存儲器之間進行數(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傳送各種控制信號、時序信號和狀態(tài)信息。上一頁返回下一頁1.3 微型計算機系統(tǒng)的基本組成1.3.2 微型計算機的軟件系統(tǒng)1.操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)是能夠管理和協(xié)調計算機軟硬件資源的合理分配與使用，方便用戶使用計算機的系統(tǒng)程序的集合。常用的單用戶操作系統(tǒng)有MS-DOS，分時/多用戶操作系統(tǒng)有UNIX和Windows2000等。2.語言處理程序計算機語言是人機通信的工具。計算機僅能讀懂機器語言，但機器語言的編制煩瑣。為此，產生了匯編語言，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）翻譯成用機器碼表示的目標程序（ObjectProgram）后，機器才能識別和執(zhí)行。上一頁返回下一頁1.3 微型計算機系統(tǒng)的基本組成3.應用軟件用戶利用計算機及各種系統(tǒng)軟件，編制解決各種實際問題的程序，這些程序集合通稱應用軟件。應用軟件在逐步標準化、模塊化，以形成解決各種典型問題的應用程序的組合，即軟件包。常用的應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.軟件開發(fā)環(huán)境這類軟件的目的是為應用程序的編寫、解釋、編譯等提供便捷的調試工具和良好集成環(huán)境。上一頁返回表1-2常用編碼形式十進制數(shù)的對應關系十進制數(shù)十六進制數(shù)