第 1章 计算机基础知识第 1章 计算机基础知识
1.1 计算机的发展
1.2 信息的数字化
1.3 微型计算机系统结构返回主目录第 1章 计算机基础知识第 1章计算机基础知识
1.1计算机的发展
1.1.1计算机概述电子数字计算机俗称电脑,是人类制造的用于信息处理的机器 。 这种机器只能在人的控制下,将人输入的数据信息按照一定的要求进行存储,分类,整理,判断,计算,决策和处理等操作 。
电子数字计算机是近代重大科学成就之一 。 自从 1946
年第一台电子计算机问世以来,经历了电子管,晶体管,
集成电路和大规模,超大规模集成电路等几个发展阶段 。
第 1章 计算机基础知识
20世纪 70年代初期,由于微电子技术和超大规模集成电路技术的发展,导致了以微处理器为核心的微型计算机的诞生 。
微型计算机简称微机,它和其他计算机的主要区别在于它的中央处理器 CPU( Central Processing Unit) 采用了超大规模集成电路技术,将其各功能部件集成在一块硅片上,它又可称为微处理器 。 微处理器包含了冯 ·诺依曼计算机体系结构中的运算器和控制器,是计算机的核心部件 。 随着超大规模集成电路技术的发展和应用,微处理器中所集成的部件越来越多,
除运算器,控制器外,还有协处理器,高速缓冲存储器,接口和控制部件等 。
第 1章 计算机基础知识
1.1.2微型计算机的发展微型计算机的发展是以微处理器的发展为特征的 。 微处理器自 1970年问世以来,在短短几十年的时间里以极快的速度发展,初期每隔 2~ 3年就要更新一代,现在则不到一年更新一次 。
1971~ 1973年为第一代 。 其典型产品是 Intel 4004和 Intel
8008,字长分别为 4位和 8位,集成度约为 2000个晶体管 /片,
时钟频率为 1 MHz。
1973~ 1975年为第二代 。 其典型产品是 Intel 8080和
M6800,字长为 8位,集成度约为 5000个晶体管 /片,时钟频率为 2 MHz。
第 1章 计算机基础知识
1975~ 1977年为第三代 。 其典型产品是 Intel 8085,M6802
和 Z80,字长为 8位,集成度约为 10000个晶体管 /片,时钟频率为 2.5~ 5 MHz。
1978 ~ 1980 年为第 四代 。 其 典型产品 是 Intel 8086,
M68000和 Z8000,字长为 16位,集成度约为 30 000个晶体管 /片,
时钟频率为 5 MHz。
1981 年以后产生了第五代微处理器 。 其典型产品是
IAPX43201,字长为 32位,集成度约为 11万个晶体管 /片以上,
时钟频率可达 10 MHz。 1985年推出的 M6820和 Intel 80386,集成度已达 27万个晶体管 /片,时钟频率为 16~ 25 MHz。 由于集成度高,系统的速度和性能大为提高,可靠性增加,成本降低 。
第 1章 计算机基础知识
1989年,Intel公司将数学协处理器和高速缓存加到 386芯片内,推出了 80486微处理器 。 80486与 80386完全兼容,但速度要比 80386快 。 80486借用了 80386中指令流水线和 RISC
( 精简指令系统 ) 的设计思想,减少了大部分指令的时钟周期 。 80486采用高集成度的超大规模集成电路,芯片内含有
120万个晶体管,时钟频率可以达到 100 MHz。
1993年 3月,Intel公司推出 Pentium微处理芯片 ( 又称 P5,
俗称 586),它采用比 486更高集成度的超大规模集成电路 。
Pentium与 386或 486完全兼容,采用 32位地址线和 64位数据线,
寻址范围为 4 GB( 232),时钟频率可达 60 MHz甚至更高 。
第 1章 计算机基础知识
1995年推出的 PentiumPro( 又称 P6,俗称高能奔腾 ) CPU,
其中集成了 550万只晶体管,地址线为 36位,寻址范围为 64GB,
主频提高到 133 MHz。 1996年到 1998年间推出 Pentium,其性能基于 P5和 P6芯片之间并附加多媒体声像处理指令 。 1999年推出
Pentium Ⅲ CPU,主频达 450 MHz以上,具有 32 KB一级高速缓冲存储器 (Cache)和 512 KB二级高速缓冲存储器,它针对网络功能进行了优化,增加了 70条扩展指令,提高了 CPU处理连续数据流的效率和浮点运算速度并加强了多媒体功能 。 2000年,
Intel公司推出了 Pentium Ⅳ 。
第 1章 计算机基础知识
1.1.3 微型计算机的特点从工作原理和基本功能上看,微型计算机与大型,中型和小型计算机没有本质的区别 。
微型计算机具有计算机的基本特点,即运算速度快,计算精度高,具有,记忆,能力,逻辑判断能力,可自动连续工作等 。 此外,微型计算机还具有以下几个特点:
(1) 体积小,重量轻,价格低和耗电量小 。
(2) 可靠性高 。
(3) 结构灵活 。
第 1章 计算机基础知识
1.1.4 微型计算机的档次微机的档次,型号很多 。 个人计算机即 PC( Personal
Computer) 机,通常指那些基于 Intel86系列和与之兼容的微处理器为 CPU的微机 。 伴随着微处理器的发展,微机也对应地产生了以下几个档次的系列产品 。
1,16位微机
1981年 8月,IBM公司的设计人员用了大约一年的时间,设计了第一台 PC机 。 1982年春,PC机开始畅销,受到用户欢迎 。
1982年 11月,Compaq公司推出了 PC家族的第一个新成员 ——便携式的 Compaq Portable机 。 1983年 5月 IBM公司推出了增加硬盘存储器的 PC/XT机,它迅速占领了市场 。
第 1章 计算机基础知识
1983年秋,Compaq公司推出了带有硬盘的便携机
Compaq plus,IBM公司同时推出了便携式的 Portable PC。
1983年 IBM公司生产了一种更便宜的低档 PC机,称为 PCjr,
但没有在市场上推开 。 以上几种微机都以 Intel 8088为 CPU。
随后又出现了许多功能增强,价格较低的兼容机 。
1984年到 1987年,PC/AT的各种型号大致上没有发生很大的变化 。 PC/AT还使用了后来成为工业标准的 101键增强键盘 。
第 1章 计算机基础知识
1987年,IBM公司改进了 PC,PC/XT,PC/AT的系统结构,
引入了微通道体系结构 ( MCA),推出了新系列的微机 Personal
System/2,简称 PS/2系列 。 PS/2型的 30,50,60均以 Intel
80286为 CPU。 此时以 Compaq为首的公司没有接受 MCA,仍采用 IBM公司原来的工业标准体系结构 ( ISA),联合研制了 MCA
高性能的替代品,即扩展工业标准体系结构 ——EISA。 这样,微机市场上形成了两大阵营,IBM公司以 PS/2系列为代表的微机,
以及以 Compaq公司为代表的非 IBM的 MCA结构的微机 。
第 1章 计算机基础知识从用户角度来看这两大类机器都能运行相同的程序 。 通常把采用 80286为 CPU的微机都称为 286微机 。 它是 20世纪 80年代末的主流机型 。 随着更高性能 PC机的出现,286落后了,但由于它较好的性能价格比,在计算,教学,一般文字处理,网络工作站等领域曾大量使用,也成为 1985~1989年期间家用电脑的主要机型 。 1990年 7月,IBM公司推出了廉价的 PS/1系列,主要针对家庭用户 。 PS/1有一系列面向家庭用户的特点,如:高质量的显示器,鼠标和调制解调器,还有可选用的提供标准 MIDI音乐接口的适配卡 。 IBM公司还提供了许多免费的软件,如 PS/1
DOS shell等 。
PS/1与其他 PC系列机兼容 。
第 1章 计算机基础知识
2,32位微机随着 Intel 80386和 80486微处理器的推出,IBM公司推出了 PS/2 model 35SX,40SX,55SX,57SX,70,80等 386微机;
PS/2 model 90SX,95XP,PS/ValuePoint,425SX,433SX/S,
433SX/D,433DX/D及 PS/290XP,PS/277 486DX2等 486微机 。
尽管 IBM公司不断地增加新型号和改变其包装,但其本质上都是具有 MCA的 486机器 。 其中有使用 33 MHz的 486微处理器的低档 PS/2,也有使用 66 MHz的 486DX2微处理器的高档 PS/2。
IBM公司基本上是将它的 PS/2系列新产品分成 E型,Value Point
及 ThinkPad型 。
第 1章 计算机基础知识
PS/2系列建立了如下的四个标准:
① 微通道体系结构 MCA;
② 屏幕显示的视频图形阵列 ( VGA,Video Graphics
Array) 标准;
③ 用 3.5英寸 [ZW(]1英寸 =0.0254 m[ZW)]磁盘替代了原来的 5.25英寸磁盘;
④ 采用 101键增强键盘作为工业标准 。
各种型号的微机除了处理器不同外,还在内存容量,硬盘容量,是使用 VESA总线还是 PCI局部总线等方面存在差异 。
由于 32位微机 CPU的差异,386和 486又分 SX和 DX两档,DX
档次较 SX高些 。 其中 386SX属于中低档机,多为家用电脑 。
第 1章 计算机基础知识
3,64
Intel公司在 1993年推出的 Pentium微处理器,由于其速度快,双重流水线布局,片内双高速缓冲存储器等特性,很快成为市场上的佼佼者 。 Pentium应为 80586,但 Intel公司出于宣传和竞争方面的考虑,改变了原来,X86”的命名方法 。 目前采用 Pentium为 CPU 的微型机是市场上最高档次的产品,其型号为 Pentium Ⅱ 和 Pentium Ⅲ,PentiumⅣ 也已经投入市场 。
尽管以上三种微处理器决定了微机本身的档次,但对于一台微机来说,更要考虑系统内存的容量,外存储器的种类,
容量和速度,显示器的类型,尺寸,速度等因素 。
第 1章 计算机基础知识市场上的微机种类繁多,即使相同档次,相同配置的微机,
价格差异也很大 。 目前市场上的进口原装机有 IBM,AST、
DEC,Compaq,HP等品牌,其价格较贵 。 国内,香港或台湾公司生产的品牌机有联想,长城,浪潮,太极等品牌 。 兼容机既有正式厂家生产的,也有销售商自己组装的 。
第 1章 计算机基础知识
1.2 信息的数字化
1.2.1 数据,信息,媒体,
电子数字计算机是一个自动化处理信息的工具,其中心任务是处理信息 。 计算机系统中,数据,信息,媒体都有其特定的含义 。
1,数据日常生活中,人们所说的数据是指可比较大小的数值 。 而在信息处理中,数据的概念要广泛得多 。 国际标准化组织 ISO
( International Standard Organization) 对数据的定义如下:数据是对事实,概念或指令的一种特殊表达形式,这种特殊表达形式可以用人工的方法或自动化装置进行通信,翻译转换或者进行加工处理 。
第 1章 计算机基础知识该定义首先强调数据表达了一定的内容,即,事实,概念或指令,。 同时指出,数据是一种特殊的表达形式,它不仅可以由人工加工处理,更适合计算机系统高效率地加工处理,通信传递以及翻译转换 。
根据该定义,通常意义下的数字,文字,图画,声音和活动图像都可以认为是数据 。 数字,文字,图画,声音和活动图像不能直接由计算机处理,它们必须采用,特殊的表达形式
” 才能由计算机进行通信,传递以及加工处理 。 这种特殊的表达形式就是二进制编码形式,也就是说采用二进制编码表示的数字,文字,图画,声音和活动图像才能由计算机进行处理 。 所以,计算机中的数据一般均是以二进制编码形式出第 1章 计算机基础知识通常,在计算机内部把数据分为数值型数据和非数值型数据 。 数值型数据是指日常生活中接触到的数字类数据,主要用来表示数量的多少,可以比较大小 。 非数值型数据中最常用的数据是字符型数据,它可以方便地表示文字信息,供人们直接阅读和理解 。 其他的非数值型数据主要用来表示图画,声音和活动图像 。
2,信息严格地区分信息和数据并不是一件容易的事情 。 根据国际标准化组织的定义,可以认为信息是对人有用的数据,这些数据可能影响到人们的行为和决策 。
第 1章 计算机基础知识计算机信息处理是通过数据的采集和输入,有效地把数据组织到计算机中,由计算机对数据进行存储,建库,处理,加工,转换,合并,计算,统计,汇总,传送等操作过程 。 计算机对数据进行加工处理后,向人们提供有用的信息,这个过程就是信息处理 。 通俗地说,信息处理的本质是数据处理,数据处理的主要目的是获取有用的信息 。
3.
媒体是媒介,媒质,来源于英文 medium,它是指承载信息的载体 。 与计算机信息处理有关的媒体有五种 。
感觉媒体是能使人们的听觉,视觉,嗅觉,味觉和触觉器官直接产生感觉的媒体 。 如声音,文字,图画,气味等,感觉媒体是人类使用信息的有效形式 。
第 1章 计算机基础知识表示媒体是为了使计算机能有效地加工,处理,传输感觉媒体而在计算机内部采用的特殊表示形式,即声音,文字,图画和活动图像的二进制编码表示 。
存储媒体是存放计算机加工处理或互相交换信息的物理实体,如磁盘,光盘,半导体存储器等 。
表现媒体是把感官媒体转移成表示媒体,把表示媒体转移成为感觉媒体的物理设备 。 前者是计算机的输入设备,如键盘,
扫描仪,话筒等;后者是计算机的输出设备,如显示器,打印机,音箱等 。
传输媒体是将表示媒体从一台计算机传送到另一台计算机的通信载体,如同轴电缆,光纤,电话等 。
第 1章 计算机基础知识
4,多媒体多媒体技术中,多媒体一般是指多种感觉媒体 。 所谓多媒体是指能够交互式地综合处理各种不同感觉媒体 ( 语言,音乐,
文字,数值,图画,活动图像 ) 的信息处理技术 。
具有这种功能的计算机就是多媒体计算机;具有这种能力的通信系统就是多媒体通信; 能够有效地存储,管理,检索多种感觉媒体的数据库系统就是多媒体数据库系统 。
多媒体技术的发展使计算机更有效地进入人类生活的各个领域,促进了全新的信息产品制造业与信息服务业的繁荣,建立了人与计算机之间更为默契,更加融洽的新型关系 。
第 1章 计算机基础知识
1.2.2数值数据信息的表示
1.
数学中用正负号表示数的正负,而计算机不能识别正负号,因此计算机将正,负等符号数字化,以便运算时识别 。
通常,在数的前面加一位,用作符号位 。 符号位为 0表示正数,为 1表示负数 。 一个带符号的数在计算机中可以有原码,
反码和补码三种表示方法 。
连同符号位一起表示的数称为机器数,机器数的数值称为真值 。
例如:
第 1章 计算机基础知识数值符号位真值为数值符号位真值为
1 0 1 1 0 0 1,1 0 1 1 0 0 11
1 0 0 1 1 0 1,1 0 0 1 1 0 10
2
_________ ___
2
1
_________ ___
1


XX
XX
可见,在机器中数的符号被数字化了,符号和数值都是二进制数码 。
2,原码,补码,
一个数的真值中的符号,+,用 0表示,,-”用 1表示的二进制数称为原码 。 例如:
X1=(+ 105)10,则 [ X1] 原 = 01101001
X2=(-105)10,则[ X1] 原 = 11101001
第 1章 计算机基础知识原码的优点是它与真值的转换非常方便,只要将真值中的符号位数字化即可 。 一个字节所表示的原码数值的范围为 -
127~+127。 但在使用原码作两数相加时,计算机必须对两个数的符号是否相同作出判断 。 当两数符号相同时,则进行加法运算,否则就要作减法运算 。 而且对于减法运算要比较出两个数的绝对值大小,然后从绝对值大的数中减去绝对值小的数而得其差值,差值的符号取决于绝对值大的数的符号 。 为了完成这些操作,计算机的结构,特别是控制电路随之复杂化,而且运算速度也变得较低 。 为此在微机中都不采用原码形式表示数 。
第 1章 计算机基础知识正数的反码表示与原码相同,而负数的反码表示为与它相应的正数连同符号位一并逐位求反 。
例如:
(+ 31)10=[ + 31] 原 = 00011111→ [ + 31] 反= 00011111
(+ 127)10=[ + 127] 原 = 01111111→ [ + 127] 反= 01111111
若要写出 (-31)10,(-127)10的反码,则可按下列步骤完成,
即,(-31)10=[ + 31] 原 = 00011111
[ -31] 反 = 11100000
(-127)10=[ +127] 原= 01111111
[ -127] 反 = 10000000
连同符号一起求反
连同符号一起求反第 1章 计算机基础知识一个字节所表示的反码数值的范围为 -127~+127。 对于正数,它相应的反码的符号位为 0,其余 7位为数值;而当符号位为 1时,则代表的是负数,其余 7位并非为真实数值,而是数值的反码,为求其真值,则必须对反码再求反 。 例如 [ X] 反 =
10000000,由符号位确定它为负数,则应将反码的其余 7位求反得 (1111111) 2=(127)10,即真值为 (-127)10。
正数的补码与原码相同,负数的补码为其反码加 1。 例如:
[ + 7] 原 = 00000111 [ -7] 原 = 10000111
[ + 7] 反 = 00000111 [ -7] 反 = 11111000
[ + 7] 补 = 00000111 [ -7] 补 = 11111001
第 1章 计算机基础知识
[ + 0] 原 = 00000000 [ -0] 原 = 10000000
[ + 0] 反 = 00000000 [ -0] 反 = 11111111
[+ 0] 补 = 00000000 [ -0] 补 = 00000000
8位二进制补码所能表示的数值范围是 -128~+ 127。 对于微型计算机,如果运算结果超过了它所能表示的数值范围,
称为溢出 。 引入补码可以将减法运算化成加法运算,从而简化机器的控制线路,提高运算速度 。
由补码求取反码非常简单。 例如:
第 1章 计算机基础知识
[ X] 原 = [[ X] 补 ] 补
[ X] 补 = 11111111
[ X] 原 = [ 1111111] 补 = 10000001
即 X= -1。
3.
数据在计算机中是以一定的编码方式表示的,不同编码具有不同的运算规则 。 原码在数值部分保留了原有数据的特征,在符号上与真值有区别,因此用原码进行加减运算比较麻烦 。
第 1章 计算机基础知识大多数计算机采用定点整数补码形式表示有符号数,补码运算比较简单,负数可以用相应的补码表示后,减法运算可以转换为加法运算 。
假设 A,B为数的绝对值,两个数相加减有以下几种情况:
( +A) +( +B) =( +A) -( -B)
( -A) +( +B) =( -A) -( -B)
( +A) +( -B) =( +A) -( +B)
( -A) +( -B) =( -A) -( +B)
分析上面四种情况,不难发现减法可以用加法代替,
即等号右边的减法运算都可以用等号左边的加法运算实现 。
括号中的数据及其符号可以用补码表示 。 正是由于这个原因,
第 1章 计算机基础知识一般计算机中只设置加法器,减法运算都是通过适当求补,然后通过相加来实现的 。
计算机采用补码运算是指存储单元和运算寄存器中的数都采用补码表示,数据运算结果也采用补码表示 。
补码加法的运算规则很简单,即 [ X] 补 +[ Y] 补 =[ X+Y]
补,该式的含义是:两个数的补码之和等于两个数之和的补码 。
由 [ X] 补 +[ Y] 补 =[ X+Y]
[ X+( -Y)] 补 =[ X] 补 +[ -Y] 补 =[ X] 补 -[ Y] 补
[ X] 补 -[ Y] 补 =[ X-Y] 补第 1章 计算机基础知识
4.
(1) 加法 。 设有带符号数 x,y,用补码求 x+y的步骤如下:
① 将带符号数用补码表示,即将 X变换为 [ X] 补,Y变换为 [ Y] 补 。
② 进行补码运算,[ X] 补 +[ Y] 补 =[ X+Y] 补 。
③ 求与补码对应的真值 。
例:已知,X1=+0001010 Y1=+0000101
X2=-0001010 Y2=-0000101
计算 X1+Y1,X2+Y2。
第 1章 计算机基础知识
② 补码相加 。
00001010 [X1]补 11110110 [X2]补
[Y1]补 [Y2]补
0 0 0 0 1 1 1 1
0 0 0 0 0 1 0 1? [X1]
补 +[Y1]补 111110001
11111011? [X2]
补 +[Y2]补
[ X1+Y1] 补 =[ X1] 补 +[ Y1] 补 =00001111
[ X2+Y2] 补 =[ X2] 补 +[ Y2] 补 =11110001

X1+Y1=+0001111,X2+Y2=-0001111。
说明:在 [ X2] 补 +[ Y2] 补的过程中产生的进位没有保存,被舍去不管,结果所得补码正好是所求的 X2+Y2的补码 。
第 1章 计算机基础知识
(2) 减法 。 设有带符号数 x,y,用补码求 x- y的步骤如下,① 将带符号数用补码表示,即将 X变换为 [ X] 补,
Y变换为 [ Y] 补 。
② 进行补码运算,[ X-Y] 补 =[ X] 补 -[ Y] 补 =[ X] 补
+[ -Y] 补 。
③ 求与补码对应的真值 。
例:已知,X1=+0000111 Y1=+0000100
X2=-0000111 Y2=-0000100
计算 X1-Y1,X2-Y2。
第 1章 计算机基础知识解,① 求补码 。
[ X1] 补 =00000111,[ Y1] 补 =00000100
[ X2] 补 =11111001,[ Y2] 补 =11111100
[ -Y1] 补 =11111100,[ -Y2] 补 =00000100。
② 补码相加。
0000111 [X1]补
1 0 0 0 0 0 0 1 1
1 1 1 1 1 1 0 0?
[-Y1]补
[X1]补 + [-Y1]补
11111001 [ X2]补
[-Y2]补
1 1 1 1 1 1 0 1
0 0 0 0 0 1 0 0? [X
1]补 +[-Y1]补舍去 1 。
第 1章 计算机基础知识
③ 求真值 。
X1-Y1=0000011,X2-Y2=-0000011。
由上例可见,补码运算是将正负数加减运算变为正数加法运算,最后再还原成真值 。
(3) 溢出的概念 。 8位带符号的取值范围是,-128~ +127,
当 x± y< -128 或 x± y> 127时会发生溢出,溢出将导致错误的结果 。
例:已知,x=(+1000010)2=(+66)10,y=(+1000010)2=
(+66)10,用补码运算求 x+y。
解:[ X] 补 =01000010,[ Y] 补 =01000010。
第 1章 计算机基础知识
01000010 [X]补
+
1 0 0 0 0 1 0 0
0 1 0 0 0 0 1 0
[Y]补
[X]补 +[Y]补
x+y的符号位为 1 表示 x+y为负数,两个正数相加得到负数显然是错误的,出错的原因是 x+y=66+66=132>127 超出了 8位带符号数的取值范围,发生了溢出 。 任何运算都不允许发生溢出,
问题是如何判断溢出?
(4) 溢出的判断 。
设有带符号数 A,B,其补码 [ A] 补 =a0a1a2 … an-1,[ B] 补 =
b0b1b2 … bn-1 。
第 1章 计算机基础知识
[ A] 补 a0a1a2 … an -1
补补
][
,..bbbb ][ 1-n210
BA
B
C
0C1C2…C n-1
根据其符号位 a0,b0,c0判断运算是否发生溢出的方法如下
① 若 a0=b0=0,而 c0=1,则发生了溢出,即:两个正数相加得到负数发生溢出 。
② 若 a0=b0=1,而 c0=0,则发生了溢出,即:两个负数相加得到正数发生溢出 。
当两数异号时,相加只会变小,所以不会发生溢出 。 当计算机自动进行溢出判断时,为了使用户知道带符号数运算的结果是否发生了溢出,专门设置了溢出标志 OV。 当 OV=0时,未溢出;
OV=1时,溢出 。
第 1章 计算机基础知识例:已知,x=(-1011110)2=(-94)10,y=(-1011110)2=(-94)10,
判断 x+y 是否发生溢出?
[x]补 10100010
+
补补
][
][
YX
X
10100010
10100010
因为 a0=b0=1,而 c0=0,所以 x+y发生了溢出 。
5.
(1) 加减运算 。 因为无符号数没有补码,所以无符号数加减运算可直接进行 。
例:已知,x=(00110011)2=(51)10,y=(01001000)2=
(72)10,求:
( 1) x+y,( 2) y-x。
第 1章 计算机基础知识因为 a0=b0=1,而 c0=0,所以 x+y发生了溢出 。
5.
(1) 加减运算 。 因为无符号数没有补码,所以无符号数加减运算可直接进行 。
例:已知 x=(00110011)2=(51)10,y=(01001000)2=(72)10,
求:
( 1) x+y,( 2) y-x。
第 1章 计算机基础知识
X 00110011 Y 01001000
+Y 01001000 -X 00110011
X+Y 01111011 Y-X 00010101
X+Y=(01111011)2=123 Y-X=(00010101)2
(2) 进位 。 因为 8位无符号数的取值范围为 0~ 255,所以当运算结果 x+y>255 时发生第 7位向第 8位进位 。
例,已知,x=(10110011)2=(179)10,y=(11001000)2=(200)10 求
x+y。
X 10110011
+ Y 11001000
X+Y 1011110111
第 1章 计算机基础知识若将进位位 1 丢掉,所得 x+y=123,显然是错误的,正确的结果是:
x+y= 1 01111011=1× 28+123=256+123=379
出错的原因在于,将第 7位相加时向第 8位的进位丢失了 。
由此可见在进行无符号数加法时,并不能将进位位 1 丢失,为此计算机内专门设置了进位位标志 CY。 CY=1,表示有进位;
CY=0,表示无进位 。
(3) 借位 。 做减法时,如果 x<y,则 x-y会发生借位 。
例如,发生借位,1
第 1章 计算机基础知识
X 00110011
- Y 01001000
X-Y 1 1101011
当发生借位时,CY用于表示借位位,CY=1,表示有借位;
CY=0,表示无借位。
第 1章 计算机基础知识
1.2.3非数值数据信息的表示
1,西文信息的表示西文包括拉丁字母,数字,标点符号以及一些特殊符号,
它们统称为字符 。
众所周知,人们在使用计算机时,常常通过键盘与计算机打交道 。 从键盘上输入的数据和命令是一个个英文字母,标点符号和某些特殊字符 。 而计算机只能处理二进制代码数字,这就要用二进制数字 0和 1对各种字符进行编码 。 输入的字符由计
,以二进制形式存入计算机中 。 例如在键盘上输入字母 A,存入计算机的 A的编码为 01000001,它不代表数字值,而是一个文字信息 。
第 1章 计算机基础知识目前国际上使用的字母,数字和符号的信息编码系统种类很多 。 经常采用的是美国国家信息交换标准代码 ASCII
( American Standard Code for Information Interchange) 。 该标准制定于 1963年,后来,国际标准化组织 ISO和国际电报电话咨询委员会 CCITT以它为基础制订了相应的国际标准 。 目前微型计算机的字符编码都采用 ASCII码 。
ASCII码是一种 8位代码,一般用一个字节中的 7位对字符进行编码,最高位是奇偶校验位,用以判别数码传送是否正确 。
用 7位码来代表字符信息,共可表示 128( 27) 个字符,其中 32
个起控制作用的称为,功能码,,其余 94个符号 ( 10个十进制数码,52个英文大,小写字母和 34个专用符号 ——$,+,-、
=……) 供书写程序和描述命令之用,称为,信息码,,
第 1章 计算机基础知识
ASCII码如表 1 -1 所示 。
表 1-1 ASCII码表第 1章 计算机基础知识表中第 010到第 111的 6列中,共有 94个可打印 ( 或显示 )
的字符,又称为图形字符 。 这些字符有确定的结构形状,可在显示器或打印机等输出设备上输出 。 它们在计算机键盘上能找到相应的键,按键后就可将对应字符的二进制编码送入计算机内 。
表中第 000和第 001列中共 32个字符,称为控制字符,它们在传输,打印或显示输出时起控制作用 。 按照它们的功能含义可分成五类:
第 1章 计算机基础知识
① 传输控制类字符 。 如 SOH( 标题开始 ),STX( 正文开始 ),ETX( 正文结束 ),EOT( 传输结束 ),ENQ( 询问 ),
ACK( 认可 ),DLE( 数据链转义 ),NAK( 否认 ),SYN
( 同步 ),ETB( 组传输结束 ) 。
② 格式控制类字符 。 如 BS( 退格 ),HT( 横向制表 ),
LF( 换行 ),VT( 纵向制表 ),FF( 走纸控制 ),CR( 回车 ) 。 ③ 设备控制类字符 。 如 DC1( 设备控制 1),C2
( 设备控制 2),C3( 设备控制 3),C4( 设备控制 4) 。
④ 信息分隔类控制字符 。 如 US( 单元分隔 ),RS( 记录分隔 ),GS( 群分隔 ),FS( 文件分隔 ) 。
⑤ 其他控制字符 。 如 NUL( 空白 ),BEL( 告警 ),SO
( 移出 ),SI( 移入 ),CAN( 作废 ),EM( 媒体结束 ),
SUB( 取代 ),ESC( 转义 ) 。
第 1章 计算机基础知识此外,在图形字符集的首尾还有两个字符也可归入控制字符,它们是,SP( 空格字符 ) 和 DEL( 抹除字符 ) 。
ASCII码的最高位用于奇偶校验 。 偶校验的含义是:包括校验位在内的 8位二进制码中 1的个数为偶数 。 如字母 A的编码
( 1000001B) 加偶校验时为 01000001B。 而奇校验的含义是:
包括校验位在内,所有 1的个数为奇数 。 因此,具有奇数校验位 A的 ASCII码则是 11000001B。
1980年,我国制订了,信息处理交换器的七位编码字符集,,即国家标准 GB1988-80,除用人民币符号,¥,代替美元符号,$,外,其余含义都和 ASCII码相同 。
第 1章 计算机基础知识
2,中文信息的表示中文的基本组成单位是汉字,汉字也是字符 。 西文字符集的字符总数不过几百个,使用 7位或 8位二进制就可表示 。 目前汉字的总数超过 6万字,且字形复杂,同音字多,异体字多,这就给汉字在计算机内部的表示与处理,传输与交换,输入与输出等带来了一系列的问题 。 为此,我国于 1981年公布,国家标准信息交换用汉字编码基本字符集 ( GB2312-80),。 该标准规定,一个汉字用两个字节 ( 256× 256= 65 536种状态 ) 编码,同时用每个字节的最高位来区分是汉字编码还是 ASCII字符码,这样每个字节只用低 7位,这就是所谓双 7位汉字编码 ( 128× 128= 16 384
种状态 ),称作该汉字的交换码 ( 又称国标码 ) 。 其格式如图 1 -
1 所示 。 国际码中每个字节的定义域在 21H~ 7EH之间 。
第 1章 计算机基础知识图 1 - 1汉字交换码格式
b 7 b 6 b 5 b 4 b 3 b 2 b 1 b 0 b 7 b 6 b 5 b 4 b 3 b 2 b 1 b 0
× × × × × × × × × × × × × ×
目前,许多机器为了在内部能区分汉字与 ASCII字符,把两个字节汉字国标码的每个字节的最高位置,1”,这样就形成了汉字另外一种编码,称作汉字机内码 ( 内码 ) 。 若已知国标码,则机内码唯一确定 。 机内码的每个字节为原国标码每个节字加 80H。 内码用于统一不同系统所使用的不同汉字输入码,
花样繁多的各种不同汉字输出法进入系统后,一律转换为内码,
致使不同系统内汉字信息可以相互转换 。
第 1章 计算机基础知识
GB2312-80编码按汉字使用频度把汉字分为高频字 ( 约 100
个 ),常用字 ( 约 3000个 ),次常用字 ( 约 4000个 ),罕见字
( 约 8000个 ) 和死字 ( 约 4500个 ),并将高频字,常用字和次常用字归结为汉字字符集 ( 6763个 ) 。 该字符集又分为两级,第一级汉字为 3755个,属常用字,按汉语拼音顺序排列;第二级汉字为 3008个,属非常用字,按部首排列 。
汉字输入方法很多,如区位,拼音,五笔字型等数百种 。 一种好的汉字输入方法应具有易学习,易记忆,效率高 ( 击键次数少 ),重码少和容量大等特点 。 不同输入法有自己的编码方案,
不同输入法所采用的汉字编码统称为输入码 。 输入码进入机器后,必须转为机内码 。
第 1章 计算机基础知识汉字的输出是用汉字字型码 ( 一种用点阵表示汉字字型的编码 ) 把汉字按字型排列成点阵,常用点阵有 16× 16、
24× 24,32× 32或更高 。 一个 16× 16点阵汉字要占用 32个字节,24× 24点阵汉字要占用 72个字节等等 。 由此可见,汉字字形点阵的信息量很大,占用存储空间也非常大 。 所有不同字体,字号的汉字字形构成字体 。 字体通常都存储在硬盘上,
只有显示输出时,才去检索得到欲输出的字形 。
3,计算机中图,声,像的表示众所周知,计算机除了能处理汉字,数值,数据之外,还能处理声音,图形和图像等信息 。
能处理声音,图形和图像信息的计算机称为多媒体计算机 。
第 1章 计算机基础知识在多媒体计算机中,各种媒体也采用二进制编码来表示 。
首先,声音,图像等各种模拟信息 ( 如声音波形,图像的颜色等 ) 经过采样,量化和编码,转换成数字信息,这一过程称为模数转换 。 由于数字化信息量非常大,为了节省存储空间,
提高处理速度,往往要经过压缩后再存储到计算机中 。 经过计算机处理过的数字化信息,还需经过还原 ( 解压缩 ),数模转换 ( 把数字化信息转化为声音,图像等模拟信息 ) 后再现原来的信息 。 例如,通过扬声器播放声音,通过显示器显示画面 。
第 1章 计算机基础知识
1.3微型计算机系统结构
1946年美籍匈牙利数学家冯 ·诺依曼 ( John Von Neumann)
等人在一篇,关于电子计算仪器逻辑设计的初步探讨,的论文中,第一次提出了计算机组成和工作方式的基本思想 。
其主要思想是:
(1) 计算机应由运算器,控制器,存储器,输入和输出设备等五大部分组成 。
(2) 存储器不但能存放数据,也能存放程序 。 数据和指令均以二进制数形式存放,计算机具有区分指令和数据的本领 。
(3) 编好的程序事先存入存储器中,在指令计数器控制下,
自动高速运行 ( 执行程序 ) 。
以上几点可归纳为“程序存储,程序控制”的构思。
第 1章 计算机基础知识数十年来,虽然计算机已经取得惊人进展,相继出现了各种结构形式的计算机,但究其本质,仍属冯 ·诺依曼结构体系 。
众所周知,微型计算机由硬件和软件两大部分组成 。 硬件是指那些为组成计算机而有机联系的电子,电磁,机械,光学的元件,部件或装置的总和,它是有形的物理实体 。 软件是相对于硬件而言的 。 从狭义角度看,软件包括计算机运行所需的各种程序; 而从广义角度讲,软件还包括手册,说明书和有关资料 。
硬件和软件系统本身还可细分为更多的子系统,如图 1 -2
所示。
第 1章 计算机基础知识图 1 - 2微型计算机系统组成算术逻辑单元 ( A L U )
控制单元 ( C U )
寄存器组 ( R S )
中央处理器 ( C P U ) ( 微处理器 )
高速缓冲存储器 ( C a c h e )
R A M
R O M,E P R O M,E
2
P R O M
内存储器软盘系统硬盘系统光盘磁带磁盘外存储器键盘,LED 显示器,CRT
打印机、绘图仪、鼠标器
A / D,D / A
I / O 口开关量外部设备过程通道外围设备总线电源监控程序、操作系统汇编程序解释程序编译程序系统软件程序设计语言机器语言汇编语言高级语言 ( B a s i c,F o r t r a n,C,P a s c a l )
应用软件硬件软件微型计算机系统第 1章 计算机基础知识
1.3.1 微型计算机的硬件系统通用微型计算机的硬件由五个部分组成,中央处理器,
内存储器,外存储器,输入 /输出设备和总线 。 图 1- 3 所示为通用微型计算机系统结构 。
1.
微型计算机系统的内存储器由大规模集成电路芯片 ( LSI)
或超大规模集成电路芯片 (VLSI)构成,主要用来存储数据和程序 。 内存储器中存放着两类信息:一类是待处理的数据和运算结果,另一类是处理数据的程序 。 待处理的数据有不同类型:
数值计算的原始数据为一般数值型数据;文字处理的原始数据为字符型数据; 而图像处理方面的原始数据则为像素等等 。
程序也依用途,功能和数据类型不同而不同 。
第 1章 计算机基础知识图 1 - 3 微型计算机系统结构中央处理机
8 0 X 8 6
C P U
R O M R A M
存储器
I / O
扬声器
I / O
键 盘接口芯片外围设备总线控制器内总线系统总线
I / O
硬盘接口卡 I / O
软驱接口卡 I / O 接口卡显示器
I / O 接口卡打印机 I / O
接口卡外部总线
I / O
R S 2 3 2
汉字卡扩充
R A M
协处理器
8 0 X 8 7
外围设备第 1章 计算机基础知识内存储器工作过程大致如下,在解题 (处理 )前,预先把程序和原始数据存放于内存储器,在解题 ( 处理 ) 过程中,由内存储器向控制器提供指令代码,然后根据处理需要,随时向运算器提供数据,同时把运算结果或中间结果存储起来,从而保证计算机能按照程序自动地进行工作 。 因此,从冯 ·诺依曼计算机结构看,内存储器是计算机极其重要的部件之一 。 如果没有内存储器,微型计算机也就不能按照程序自动有效地工作了 。
一般对内存储器主要有三点要求,这三点要求正是推动存
① 存取数据的速度要快;
② 存储容量要大;
③ 成本要低 。
第 1章 计算机基础知识因为待处理的数据和程序都放在内存储器中,所以存取速度应当和中央处理器速度相匹配 。 现在内存储器存取周期 ( 存储或取出一个数码所需时间 ) 一般在 10~50 ns范围内 。 用计算机去解决的问题越来越复杂,即待处理数据和程序的规模越来越大 。 因此,内存储器的容量应保证容得下数据和程序,一般在 32~ 128 MB范围内 。
内存储器要保存成千上万的数据 。 必须把这些数据有规律地存放好,以便在存 (写 )取 (读 )数据时更加方便,迅速 。 通常把内存储器分成一个个单元,每个单元存放固定位数的二进制数据,这就是字节 。 每个单元都有一个编号与之对应,称为地址
( 地址码 ) 。 只要指明地址,就可以到存储器的成千上万个单元中按所指地址存入或取出所需数据 。
第 1章 计算机基础知识图 1-4 表示一个有 m个单元 ( 字 ),每个单元为 8位二进制数的存储器 。 地址由 0~m-1号单元从上到下顺序编号,地址码用二进制表示 。 由于二进制读,写不方便,常用 16进制地址 。 单元中各位从右到左顺序编号,由 0位至 ( 8-1) 位 。
存储器容量是以该存储器共有多少字和每个字有多少位来表示 。 每个字所含的二进制位数就是字长 。
现代通用微型计算机的字长为 8位,16位,32位和 64位四种规格 。 如果计算机存储器存储容量为 64 KB,则表示该存储器有 64× 102465 536 B的容量 。
第 1章 计算机基础知识图 1-4存储器地址
b
7
b
6
… b
2
b
1
b
0
8 位二进码地址
0
1
2
m - 2
m - 1
第 1章 计算机基础知识微型计算机存储器通常有两类:随机存取存储器 RAM
( Random Access Memory) 和只读存储器 ROM( Read Only
Memory) 。 随机存取存储器 RAM就像黑板一样,可以写上东西,也可以擦掉后再写上新的内容 。 只读存储器是事先把规定好的内容存入存储器,只能将规定内容读出,不能改写 。
无论是 RAM还是 ROM,一般都按字节组成存储单元的集合体 ——存储体,每个字节有一个地址码与之对应 。 通过给定地址码可以随意访问该地址所对应单元 。
第 1章 计算机基础知识还有一种叫 PROM( Programmable Read Only Memory)
的 ROM芯片 。 出厂时是,空白,的,即存的全是 1。 用户可用特殊的操作将每个地址单元写上自己所希望的内容 。 在写 RO
M时,实际是把不需要的,1”那些位用大电流烧断熔丝,致使这些位变成,0”。 这种可编程的 ROM只能一次性编程 。 此外,还有用户可多次编程的 ROM,如 EPROM,E
2PROM等 。 EPROM是可擦除的可编程 ROM,可通过 EPROM
上一个透明小窗口用高强度的紫外线照射 15~ 20 min来擦除原存的内容,致使所有位为 1。 擦除后再写入新的内容 。
E2PROM的擦除不是用紫外线照射,而是用电的方法 。
第 1章 计算机基础知识通常 8位微处理器的地址码都设计为两个字节的宽度,即 16
位二进制码 。 因此最小地址编码为 0,最大地址编码为 216-1,
即 65 535。 用 16进制表示其地址范围为 0000H~ FFFFH。 16位微处理器一般设计得具有更大的地址范围,如 20位二进制位数或更多的位数 。 若为 20位二进制地址码,其地址范围为 00000H~
FFFFFH,即最大可用地址可高达 1 兆字节 (1MB)( 1048576) B。
最大可用地址范围又称为地址空间,因此,20位地址码的地址空间为 1 MB。
第 1章 计算机基础知识
2,微处理器 CPU
微处理器是整个微型计算机硬件控制指挥中心 。 不同型号的微型计算机性能的差别,首先在于微处理器性能的不同 。 当今流行的 Intel公司的 Pentium( 奔腾 ),Pentium Pro( 高能奔腾 ),Pentium MMX( 多能奔腾 ),PentiumⅡ 和 PentiumⅢ 等都是目前广泛使用的微处理器 。 微处理器性能又与它的内部结构,
硬件配置有关 。 但无论哪种微处理器,其基本部件总是相同的 。
运算部分包括算术逻辑单元 ALU( Arithmetic Logic Unit),累加器 Acc( Accumulator),状态寄存器 FR( Flag Register) 和寄存器组 RS( Register Set) 。 控制部分应包括程序计数器 PC
( Program Counter),指令寄存器 IR( Instructional Register),
指令译码器 ID以及控制信号发生电路等 。
第 1章 计算机基础知识图 1 - 5通用微处理器基本组成图指令寄存器 IR
指令译码器 ID
控制逻辑 P L A
累加器 A cc
A L U
状态寄存器通用寄存器堆栈指针 SP
程序计数器 PC
内部总线

控制信号第 1章 计算机基础知识
(1) ALU是微型计算机运算部分的核心 。 在控制信号作用下可完成加,减,乘,除四则运算,还可进行与,或,非和异或等逻辑运算,所以它又叫算术逻辑单元 。
(2) Acc是通用寄存器中的一个,通用微型计算机中至少包含一个 Acc,它总是提供送入 ALU的两个运算操作数中的一个,
而运算后的结果送回 Acc。 由于它跟 ALU联系特别密切,常把它归在 ALU中,而非通用寄存器组中 。
(3) RS是用来加快运算和处理速度的 。 如果没有通用寄存器组,每次取操作数和保存中间结果都必须访问存储器 。 访问存储器要比向寄存器存取数据慢得多 。 因此在需要重复使用某些数据或中间结果时,可将其暂时存放在寄存器中,避免反复访问存储器,从而提高了执行速度 。
第 1章 计算机基础知识
(4) FR或 PSW( 程序状态字 ) 用来记录计算机运行的某些重要状态,在必要时,根据这些状态控制 CPU的运行 。 所谓
,状态,是指运算是否发生溢出,运算结果是否为零,运算结果是否为负,是否有进位等等 。
(5) 堆栈是一组寄存器或指定存储器中某一区域 。,堆栈,
作为信息的一种存取方式,在计算机中广泛使用 。 在堆栈中,
信息的存入 ( 进栈 Push) 与取出 ( 弹出 Pop) 过程好像货物堆放的过程,最后存放的货物堆放在顶部,因而最先取出 。 这种方式称为,后进先出,( LIFO ) 或称为,先进后出,
( FILO) 。 堆栈指针 SP( 堆栈指示器 ) 用来指示栈顶,
其初值由程序员设定 。 一般讲,向下生长型堆栈,在将数据压入堆栈时,SP自动减 1,向上浮动而指向新的栈顶;当数据从栈中弹出时,SP自动加 1,向下浮动而指向新的栈顶 。
第 1章 计算机基础知识
(6) PC用来记住当前要执行的指令地址码 。 程序中的各条指令一般按执行的顺序存放在存储器中,开始时 PC中的地址码为该程序第一条指令所在的地址编号 。 每取出一条指令后,PC
将自动加 1以指向第二条指令所在地址,这样就能按顺序执行程序中的各条指令 。 当需要改变执行顺序时,PC可以根据程序的安排,设置新的值以指向新的指令地址 。 这种程序不是顺序执行而是转移或分支了 。 因此,PC是维持微处理器有序地执行程序的关键性寄存器,是任何微处理器不可缺少的 。
第 1章 计算机基础知识
( 7) IR,ID和控制信号发生器是整个微处理器的控制指挥中心,对协调整个微型计算机有序工作极其重要 。 它根据用户预先编好的程序,依次从存储器中取出各条指令放在指令寄存器中,通过指令译码 ( 分析 ) 确定应该进行什么操作,然后通过控制逻辑在确定的时间内往确定的部分发出控制信号 。
第 1章 计算机基础知识
3,外存储器
CPU只能从内存储器中取指令,要执行的程序必须先放在内存储器的 RAM中,然后计算机才能执行该程序 。 内存储器工作速度比较高,和 CPU的速度基本匹配 。 但是内存储器存在两个问题:一是由于经济的原因,存储器容量不宜做得太大 ( 通常小于 500 MB) ;二是内存信息易失性,一旦关断电源,内存储器中的信息将全部丢失 。 为解决以上两点不足,就引入了外存储器 。 外存储器一般归属于外部设备,用来存储 CPU不急用的信息 。 它不能直接和 CPU交换数据,要通过接口电路才能将信息送到内存储器中 。 实际上,任何通用微型计算机系统均配有一定容量的外存储器 。 用户在选用计算机时,对外存储器的性能,容量等都是很关心的 。 外存储器亦称海量存储器 。
第 1章 计算机基础知识外存储器的种类繁多,目前使用最多的是磁盘存储器 ( 磁盘存储器包括软盘存储器和硬盘存储器 ) 和光盘存储器 。
软盘存储器是在形如薄唱片的聚脂塑料薄片的基体上涂有磁性材料的圆盘片 。 软盘片封装在防尘封套内,使用和携带都很方便 。
软盘片价格低,但仍有两点不足之处:一是存储容量较小,
二是存数和取数速度较慢 。
如果要存储比较多的数据与程序,而且又要求较快的存取速度,则应当考虑配置硬盘存储器 。
第 1章 计算机基础知识目前通用微型计算机上用的硬盘也叫温盘,意思是采用温切斯特 ( Winchester) 技术的盘 。 这是 20世纪 70年代发展起来的高密度,高可靠性的磁盘技术 。 目前硬盘存储器的存储容量为 1~ 80 GB。 通用微型计算机用得较多的是 10~ 40 GB。
20世纪 80年代初,CD光盘从音响领域跨入计算机领域,
CD光盘技术和应用发展很快,性能有了大幅度提高,高于 20
倍速的光盘驱动器已占市场主流 。 光盘机的产品形式除了单驱动器结构之外,还出现了可以自动换盘的光盘机 ( 又称自动换盘机 ) 。 小型的自动换盘机可放入 6张 CD盘,大型的
CD[CD*2]ROM盘库可放几百张 CD盘,在联机自动检索系统中非常适用 。
第 1章 计算机基础知识对记录在 CD[CD*2]ROM光盘上数据的格式有着精确的规定,因此它可以在任意一个 CD -ROM 驱动器上读出 。 CD-
ROM光盘上记录信息的光道是一条由里向外连续的螺旋形路径 。
在这条路径上,每个记录单元 ( 一个二进位 ) 占据的长度是相等的 。 CD-ROM光盘采用恒定线速度方式,数据读出的速度为常数 。 因而要求光盘的旋转速度必须同路径的半径相适应,不断进行调整 。 光盘上的螺旋形路径由里向外被划分成许多长度相等的块 ( B1ock) 。 每个块的容量相同,在存放带有纠错编码数据时容量为 2048 B,在不带纠错编码时则容量为 2352 B。
整个光盘约有 30万块数据,存储容量达 650 MB以上 。
第 1章 计算机基础知识
4,输入/输出设备输入/输出设备是微型计算机系统与周围世界通信联系的渠道 。 微型计算机的输入和输出设备种类繁多 。 输入设备有键盘,卡片输入机,条形码识别装置,音像识别以及模/数转换装置等 。 输出设备有 LED显示器,CRT显示器,打印机,绘图仪以及数/模转换器等 。 常用作外存储器的磁盘,磁带既可作输入又可作输出 。 输入/输出设备又称外围设备 。
尽管输入 /输出设备繁多,但是它们的共同特点是:一是通常采用机械的或电磁的原理工作,所以速度比较慢,难以和
CPU以及内存储器的工作速度相匹配;二是要求的工作电平与
CPU和存储器等采用的标准 TTL电平不一致 。 为了把输入/输出设备与计算机的 CPU连接起来,还需要一个中间环节 ——接口电路 ( Interface ),用来进行锁存,变换,隔离和对外设选址,
以保证信息和数据在外设与 CPU和内存之间正常传送 。
第 1章 计算机基础知识
5,总线内存储器,外存储器,CPU是计算机的组成部分,这些部分必须有机地连接在一起,才能相互协调地工作 。 连接各部件的方法有多种,最直观,最简单的方法就是把任何两个有联系的部件用导线直接连接起来 。 这种连接,虽然有直接传送,独立使用和传送速度快等优点,但其致命弱点是各组成部分相互关系多,致使连线特别多而且乱 。 因此,自 20世纪 70年代开始,
随着微处理器及微型计算机系统迅速发展,逐渐采用,总线,
( Bus) 结构方法把各个组成部分连接起来 。
第 1章 计算机基础知识总线实际上是一组导线,是各种信息线的集合,用以作为各个组成部分共同使用的数据传输通道 。 总线一般包括数据总线 DB( Data Bus),地址总线 AB( Address Bus) 和控制总线
CB( Control Bus) 三种 。 数据总线用来传输数据,通常包括
CPU与内存储器或输入/输出设备之间,内存储器与输入/输出设备或外存储器之间交换数据的双向传输线路 。 地址总线用来传送地址,它一般是从 CPU送地址至内存储器,输入/输出设备,或从外存储器传送地址至内存储器等 。 控制总线用来传送控制信号,时序信号和状态信息等 。
第 1章 计算机基础知识图 1 6 微型计算机层次结构硬件操作系统各种语言处理程序各种应用软件实用程序用 户用 户第 1章 计算机基础知识
1.3.2 微型计算机的软件系统计算机软件系统 ( 简称软件 ) 应包括计算机运行所需的各种程序,数据,文件,手册和有关资料 。 凡不配软件的计算机称为,裸机,。
软件可分为系统软件和应用软件两大类 。 系统软件用来支持应用软件的开发与运行,它包括操作系统,实用程序和语言处理程序 。 应用软件是用来为用户解决某种应用问题的程序及有关的文件和资料 。
硬件,系统软件和应用软件相互之间的关系如图 1- 6 所示 。
图中表明计算机的基础是硬件,在此基础上建造了一层系统软件 ( 操作系统和应用程序 ),再在系统软件的基础上又建造各种语言处理程序 。 在此基础上,应用软件的开发与运行就十分方便 。 最外层是用户,用户通过应用软件使用计算机 。 用户与应用软件之间通过键盘,显示器等设备与计算机通信 。
第 1章 计算机基础知识
1.
在管理计算机各模块协调动作的程序中,规模较大,功能较强,结构复杂的程序称为操作系统 ( Operating System) 。 而简单一些的管理程序 ( 如单板机管理程序 ) 称为监控程序
( Monitor Program) 。 不管是操作系统还是监控程序,其主要作用有两点:
(1) 方便用户使用计算机 。 操作系统为使用者提供一套方便地使用整个系统的手段,因此,可把操作系统看作是用户和计算机系统间的接口 。
(2) 提高计算机使用效率 。 用户通过操作系统提供一套功能很强的命令 ( 操作系统语言 ),调用有关程序来使用计算机 。
为此,用户在不需要熟悉计算机硬件的情况下,只要熟悉操作系统的各种命令就能方便高效地使用计算机 。
第 1章 计算机基础知识操作系统实际上是一个相当大的程序系统,它本身又由许多程序组成,这些程序分别管理磁盘,输入/输出,CPU,内存储器以及处理中断等等 。 此外,各种实用程序,语言处理程序以及应用程序都在操作系统的管理和控制下运行 。 操作系统把所有的硬件和软件都协调地管理起来使计算机各个部件协调地按要求发挥自己的作用 。 操作系统通常都由生产厂家提供,
例如常用单用户操作系统 MS[CD*2]DOS,分时,多用户 UNIX
系统以及基于图形用户界面的 Windows 95,Windows 98和
Windows 2000等 。
第 1章 计算机基础知识
2,语言处理程序计算机语言是人与计算机进行交流的工具 。 人们将需要计算机完成的工作编成程序,准确地告诉计算机 。 计算机只懂得机器语言,而用机器语言编制程序非常麻烦,且效率低,易出错,
读起来也非常困难 。 为此,人们很自然想到利用计算机本身的分析处理能力,让它承担繁琐乏味的工作 。 最初人们把指令的操作码和地址码都用易于记忆的助记符表示,以摆脱二进制的麻烦,
这就是汇编语言 。 它比直接采用机器语言编制程序要方便些,
但还不够,于是人们又想到一种接近人的思维习惯,易于人所理解和描述解题方法的程序设计语言,这就是所谓高级语言 。 机器语言和汇编语言称为低级语言 。 经过不断完善发展,高级语言有两百多种,其中被广泛使用的有 BASIC,FORTRAN,COBOL、
PASCAL,C语言,VB,Java和 C++等十多种语言 。
第 1章 计算机基础知识
3,应用软件操作系统和语言处理程序均属系统软件范围,它为用户提供了一个良好的开发和使用环境,使应用软件的开发,使用更容易,效率也更高 。 但系统软件本身不能用于解决某些特定的应用问题 。 专为解决某些特定问题而设计的软件称为应用软件 。
不管计算机的硬件和系统软件多么好,若没有完成特定任务的应用软件,整个计算机系统将毫无用处 。 要开发具有实用意义的应用软件并不容易,编制一个较复杂的应用软件要花费相当可观的人力,物力和时间 。 较好的方法是尽量选用商品化的应用软件包,以避免重复劳动 。
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1.3.3 微型计算机的性能指标微型计算机性能优劣由它的系统结构,指令系统,硬件组成,外部设备以及软件配备是否齐全等因素决定 。 只有综合各项指标,才能正确评价与衡量计算机性能高低 。 下面介绍几项主要评估指标 。
1,CPU字长计算机的字长决定了计算机内部一次可以处理的二进制代码的位数 。 它决定着计算机的通用寄存器,加法器,数据总线等部件位数,因此,它的长短直接影响硬件成本 。
字长越长,一个字所能表示的数据精度就越高 。 在完成同样精度的运算时,字长较长的计算机比字长短的计算机速度快 。
为了兼顾精度与硬件成本,有些计算机允许采用变字长运算 。
CPU字长是字节的整数倍,如 8,16,32和 64位等 。
第 1章 计算机基础知识一般情况下,CPU内部数据总线宽度和计算机对外的数据总线宽度是一致的 。 而有的 CPU为了改进运算性能加宽了 CPU
的内部总线宽度,致使内部字长和对外数据总线宽度不一致 。
如 Intel 8088微处理器就是内部总线宽度为 16,而对外的数据总线宽是 8位的芯片 。 对这类芯片称之为,准 ×× 位,芯片 。 因此 Intel 8088就称为准 16位芯片 。
2,内存储器容量与速度内存储器容量是衡量它存储二进制信息量大小的一个重要指标 。 微型计算机中常用字节表示内存储器容量,如 64 MB
( 兆字节 ) 。 内存储器容量常常有一个变化范围,同一型号微型计算机,能配备的内存储器容量大小也有一个变化范围 。
第 1章 计算机基础知识内存储器的速度用存取周期来衡量 。 存储器执行一次完整的读/写操作所需要的时间称为存取周期 。 半导体集成电路存储器的存取周期目前约为几十纳秒 ( ns) 。
3,CPU指令执行时间指令执行时间的长短反映了 CPU运算速度的快慢 。 因为执行不同的指令所需的时间不同,这就产生了如何评估计算速度的问题 。 常用方法有两种:
(1) 根据不同类型指令在计算过程中出现的频繁程度乘上不同系数,求得统计平均值 。 这里所指的运算速度为平均速度
MIPS( Millions of Instructions Per second),即百万条指令/
秒作单位 。
(2) 直接给出 CPU的时钟频率 (主频 )。
时钟频率在很大程度上决定了计算机的运算速度 。 如
80486时第 1章 计算机基础知识
4,系统总线的传输速率系统总线的传输速率直接影响到计算机输入/输出的性能,
它与总线中的数据线宽度及总线周期有关,以 MB/ s为单位 。
早期的 ISA总线速率仅 5 MB/ s,扩充的 32位总线 EISA速率为
20 MB/s,现在广泛使用的 PCI局部总线速率高达 133 MB/ s或
267 MB/ s( 64位数据线
5,iCOMP
Intel 公司推出的 iCOMP 指数 ( Intel Comparable
Microprocessor Performance) 是评估 32位个人计算机微处理器性能的一种实用指标,它包含有关整数数学运算,浮点运算,视频处理,图形处理在应用软件中的出现率 。 例如,32位整数运算占 15%,16位图形处理占 10%,32位浮点运算,图形处理,
16及 32位图像处理四项各占 5% 。
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1.3.4 微型计算机发展新技术随着微电子技术和计算机技术的发展,一些新的思想,
新的技术被陆续应用到微型计算机中,以下对这些新技术作简单的介绍 。
1,流水线技术为了提高微机的工作速度,可采用某些功能部件分离的方法,使大的顺序操作分解为由不同功能部件分别完成,在时间上重叠的子操作,这种技术称为流水线技术 。 例如,微处理器对取指和指令的译码执行这两个顺序操作进行了分离,
分别由总线接口单元和执行单元来完成,使得它们在时间上可以重叠 。 即当一条指令正在执行单元中执行时,总线接口单元可能已经在取另一条指令了 。 在 486微处理器中,采用 5
级流水线,从而大大提高了 CPU的工作效率 。
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2,高速缓存器在 CPU的所有操作中,访问内存是最频繁的操作 。 一般的微型计算机内存采用 MOS型动态 RAM构成,其工作速度要比 CPU慢,加上 CPU的所有访问都要通过总线这个瓶颈,所以缩短存储器的访问时间是提高计算机速度的关键 。 一般采用在 CPU和内存之间加进高速缓冲存储器 ( Cache) 的方法 。
高速缓冲存储器 ( Cache) 由规模较小,速度与 CPU相当的静态 RAM构成 。 安排上一般有两种方法:采用静态 RAM芯片构成外部 Cache,安排在系统的主机板上;将 Cache集成在
CPU芯片内 。 当前,许多 CPU在芯片内部安排了两级 Cache。
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3,虚拟存储技术虚拟存储技术是一种存储管理技术,目的是扩大面向用户的内存容量 。 一般情况下,系统除了配备一定容量的内存外,
还配备了较大容量的辅助存储器 ( 外存,如磁盘 ) 。 大量的程序和数据平时是存放在辅存中的,待使用时才调入内存 。
当程序的规模较大,而内存的数量相对不足时,编程者就必须作出安排,分批将程序调入内存 。 也就是说,要不断地用新的程序段来覆盖内存中暂时不用的老的程序段 。 所谓虚拟存储技术,就是采用硬件,软件相结合的方法,由系统自动进行这项调度 。 对于用户来说,可以放心地使用更大的虚拟内存,
而不必过问实际内存的大小,并可得到与实际内存相似的工作速度 。
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4.
微程序控制的基本思想是将指令操作分解为,微指令,序列,每一条微指令又包含若干可同时进行的微操作 。 微程序被固化在 CPU中,在操作时根据机器指令不断取出微指令,执行微指令,从而实现指令的功能 。
5,精简指令系统随着计算机功能的增强,CPU的指令越来越复杂,复杂的指令系统为编程带来方便和高效,但是实现的难度和出错的几率大大增加 。 程序中大量使用的是数据传送,算术运算,转移调用等为数不多的基本指令,其用量占到指令用量的 80%以上 。
第 1章 计算机基础知识那些需要大量硬件支持的复杂指令,主要是为了提高工作效率而设计的,使用的机会不多,这样造成了资源的浪费 。
精简指令系统计算机 RISC( Reduced Instruction Set Computer)
的着眼点是增加内部寄存器的数量,简化指令和指令系统 。
RISC选用那些最常用的简单指令,使得指令数目减少,从而使指令的长度和指令周期进一步缩短 。 这样,以前由硬件和复杂指令实现的工作,由用户通过简单指令来实现,从而降低了硬件设计难度,有利于提高芯片集成度和工作速度 。 与精简指令系统计算机相应的是复杂指令系统计算机 CISC( Complex
Instruction Set Computer) 。
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6,多媒体技术多媒体技术是指用计算机来存储,管理和处理多种信息和信息媒体,如数字,文字,声音,图像,动画和活动影像等 。 计算机中多媒体信息的处理可以通过软件或硬件的方法来实现 。
7,多处理器系统为了进一步提高系统的工作速度和工作能力,一些系统采用多处理器结构 。 多处理器系统是指一个系统中同时有几个部件可以接受指令,并进行指令的译码操作 。