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微型計(jì)算機(jī)原理 及接口技術(shù) 第1章 微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ) 1.2 微型計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)及基本工作過程 目前各種微型計(jì)算機(jī)的硬件均由微處理器、存儲器、輸入輸出接口、輸入輸出設(shè)備這幾部分組成，如圖1-2所示。 根據(jù)總線的組織方式，可把微型計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)分為單總線結(jié)構(gòu)、雙總線結(jié)構(gòu)和雙層總線結(jié)構(gòu)。 1.單總線結(jié)構(gòu) 2.雙總線結(jié)構(gòu) 3.雙層總線結(jié)構(gòu) 1.2.1數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線 數(shù)據(jù)總線 DB 數(shù)據(jù)總線用于傳輸數(shù)據(jù)信息，是雙向總線。 地址總線 AB 地址總線用于傳送CPU發(fā)出的地址信息，是單向總線。地址信息用于找尋存儲器或外設(shè)， AB總線的位數(shù)決定了外界存儲器最大的存儲容量 控制總線 CB 控制總線是微處理器向各部件發(fā)出的控制信息、時序信息以及外部設(shè)備發(fā)送到微處理器的請求信息的總稱。控制總線中每一根線的方向都是一定的、單向的，但作為整體來看則是雙向的。 1.2.2微型計(jì)算機(jī)的主要組成部分及功能 1.微處理器 微處理器是微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)算和控制指揮中心，主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器組（陣列）以及內(nèi)總線組成。 (1)運(yùn)算器 運(yùn)算器是執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的部件，由累加器Acc、暫存器TMP、算術(shù)邏輯單元ALU、標(biāo)志寄存器FR和一些邏輯電路組成。 (2)控制器 控制器是指令執(zhí)行部件，包括取指令、分析指令（指令譯碼）和執(zhí)行指令，由指令寄存器IR、指令譯碼器ID和操作控制電路三個部件組成。 (3)寄存器組 在微處理器內(nèi)部的寄存器組中，主要由通用寄存器和專用寄存器組成。 通用寄存器 通用寄存器的作用是暫時存放ALU需要用到的數(shù)據(jù)，方便完成各種數(shù)據(jù)操作。 專用寄存器 它們在程序的執(zhí)行過程中有特殊功能，如程序計(jì)數(shù)器PC、堆棧指示器SP等。 ①程序計(jì)數(shù)器PC 程序計(jì)數(shù)器PC用于存放下一條要執(zhí)行的指令在存儲器中存放的地址，通常稱為PC指針。 ②堆棧及堆棧指示器SP 堆棧一旦形成就必須遵循先進(jìn)后出FILO（First In Last Out）的原則對棧區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。如圖1-7. 2.存儲器 存儲器是計(jì)算機(jī)中存儲程序和數(shù)據(jù)的部件。存儲器的性能通常用存儲容量和存取速度來描述。如圖1-8。 3.輸入輸出接口 該接口是CPU與外部設(shè)備之間交換信息的連接電路，它們通過總線與CPU相連，簡稱I/O接口。 4.輸入輸出設(shè)備 使用微型計(jì)算機(jī)就必須進(jìn)行人機(jī)交互，將外部信息傳送到微型計(jì)算機(jī)稱為輸入操作；將微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)行結(jié)果傳送出來稱為輸出。能完成信息輸入或輸出的設(shè)備稱為輸入輸出設(shè)備，二者也合稱為外部設(shè)備。 1.2.3 微型計(jì)算機(jī)基本工作過程 計(jì)算機(jī)的核心是CPU，了解CPU的工作過程對于理解計(jì)算機(jī)內(nèi)部工作原理非常重要。為了便于理解，下面以模型機(jī)執(zhí)行簡單程序?yàn)槔�，說明程序的執(zhí)行過程： 本段程序已放入內(nèi)存指定位置，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1-9所示： 1.3 微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)算基礎(chǔ) 1.3.1 計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示 1.機(jī)器數(shù)和真值 在計(jì)算機(jī)中，無論數(shù)值還是符號，都是用0或1來表示。通常用最高位做符號位，0表示正數(shù)，1表示負(fù)數(shù)。 2.帶符號數(shù)的表示方法 原碼:在機(jī)器數(shù)中，將最高位作為符號位，其余二進(jìn)制位表示該數(shù)的絕對值的表示方法叫做原碼表示法。 反碼:正數(shù)的反碼表示與原碼相同，負(fù)數(shù)的反碼是將其對應(yīng)的正數(shù)的各位取反，符號位為負(fù)。 補(bǔ)碼：正數(shù)的補(bǔ)碼表示與原碼相同，負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼是將其對應(yīng)的正數(shù)的各位取反后再加1，符號位仍為負(fù)。 3.編碼 編碼是為了在特定場合下方便使用而制定的一種數(shù)字代號。計(jì)算機(jī)中常用的編碼有兩種（BCD碼和ASCII碼），是為方便進(jìn)行特定計(jì)算而制定的編碼規(guī)則。 (1)二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)（BCD碼） 用4位二進(jìn)制數(shù)表示1位十進(jìn)制數(shù)的編碼方法叫做BCD碼。見表1-1 。 在計(jì)算機(jī)里BCD碼的表示方法又分為兩種： 分離BCD碼和組合BCD碼。 分離BCD碼 用1個字節(jié)表示1位十進(jìn)制數(shù)，低4位為BCD碼，高4位補(bǔ)0。用這種方式表示的BCD碼叫做分離BCD碼，見表1-2。 組合BCD碼 在1個字節(jié)中，用低4位表示1位BCD碼，同時高4位也表示為1位BCD碼，即在1個字節(jié)中同時表示兩位十進(jìn)制數(shù)。 (2)字母和符號的編碼（ASCII碼） ASCII碼表示與分離BCD表示很相似，低4位都是相同的，均用0000～1001表示0～9，差別僅在高4位，ASCII碼不是0000而是0011。詳見附錄1-1。 1.3.2 計(jì)算機(jī)的基本運(yùn)算方法 計(jì)算機(jī)中CPU能直接提供的運(yùn)算有算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。 1.補(bǔ)碼運(yùn)算及溢出判別 (1)補(bǔ)碼的加減法運(yùn)算規(guī)則 若進(jìn)行 X + Y運(yùn)算，則利用CPU內(nèi)部的加法器可直接計(jì)算得到。 若進(jìn)行X-Y運(yùn)算，則需將其轉(zhuǎn)換為X + (-Y)，此時只需將-Y轉(zhuǎn)換為補(bǔ)碼，仍可通過加法器來實(shí)現(xiàn)。 2.BCD碼運(yùn)算及十進(jìn)制調(diào)整 由于計(jì)算機(jī)總是將數(shù)據(jù)作為二進(jìn)制數(shù)來進(jìn)行運(yùn)算，在利用指令進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算時，是按“逢16進(jìn)一”的法則進(jìn)行，而日常生活中采用的十進(jìn)制運(yùn)算均是按“逢10進(jìn)一”法則進(jìn)行的，故兩種計(jì)算方法中相差6。因此，需要進(jìn)行 “十進(jìn)制調(diào)整”。 十進(jìn)制調(diào)整的規(guī)則如下： 若BCD碼加法運(yùn)算結(jié)果中出現(xiàn)無效碼或出現(xiàn)進(jìn)位，則在相應(yīng)位置再加6。 若BCD碼減法運(yùn)算結(jié)果中出現(xiàn)無效碼或出現(xiàn)借位，則在相應(yīng)位置再減6。 實(shí)際上，分離BCD碼的十進(jìn)制調(diào)整處理方法略有不同，在高4位上還需加F。 3.邏輯運(yùn)算 邏輯運(yùn)算是按照二進(jìn)制的最小單位Bit(位)來進(jìn)行的，常用的邏輯運(yùn)算有，與、或、異或、非等。 (1)與運(yùn)算 與0相與得0，與1相與保持不變。利用與運(yùn)算可以將指定位清0。 (2)或運(yùn)算 與1相或得1，與0相或保持不變。利用或運(yùn)算可以將指定位置1。 (3)異或運(yùn)算 與1相異或等于取反，與0相異或保持不變。利用異或運(yùn)算可以對指定位求反。 (4)非運(yùn)算 按位取反，利用非運(yùn)算可以對所有位求反。 1.4 典型微型計(jì)算機(jī) 1.4.1 主要性能指標(biāo) 1.字長 字長是指計(jì)算機(jī)對外一次能傳送及內(nèi)部處理數(shù)據(jù)的最大二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)。 2.運(yùn)算速度 計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度一般用每秒鐘所能執(zhí)行的指令條數(shù)來表示。 3. 內(nèi)存儲器的容量 內(nèi)存的性能指標(biāo)主要包括存儲容量和存取速度。 4.外存儲器的容量 外存儲器容量通常是指硬盤容量（包括內(nèi)置硬盤和移動硬盤）。 5.外設(shè)擴(kuò)展能力 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配接各種外部設(shè)備的可能性、靈活性和適應(yīng)性。 6.軟件配置 軟件是微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中軟件配置是否齊全，直接關(guān)系到計(jì)算機(jī)性能的好壞和效率的高低。 1.4.2 PC系列微型計(jì)算機(jī) PC系列微型計(jì)算機(jī)從外部看都是由主機(jī)和外設(shè)組成。 2. 常用I/O適配器 (1)顯示適配器 (2)音頻卡 (3)網(wǎng)絡(luò)適配器 (4)硬盤驅(qū)動器接口 3.硬盤 硬盤是是微型計(jì)算機(jī)海量存儲的主要存儲媒介之一 。 4.輸入輸出設(shè)備 (1)輸入設(shè)備 ①鍵盤 ②鼠標(biāo)器 ③攝像頭 (2)輸出設(shè)備 輸出設(shè)備的作用是接收微型計(jì)算機(jī)輸出的信息。 ①顯示器（類型和重要技術(shù)指標(biāo)） ②打印機(jī)（類型） 1.4.3 微型計(jì)算機(jī)中的主要計(jì)算機(jī)技術(shù) 1.流水線技術(shù) 2.亂序執(zhí)行技術(shù) 3.推測執(zhí)行技術(shù) 4.高速緩沖存儲器技術(shù) 5.虛擬存儲器技術(shù) 6. 基于Core微架構(gòu)（Core Micro-Architecture）系列技術(shù) 1.4.4 微型計(jì)算機(jī)類型 1.按結(jié)構(gòu)形式分類 (1)臺式計(jì)算機(jī) (2)便攜式個人計(jì)算機(jī) (3)平板電腦 (4)單片機(jī) 2. 按微處理器的位數(shù)分類 8位微型計(jì)算機(jī)、16位微型計(jì)算機(jī)、32位微型計(jì)算機(jī)和64位微型計(jì)算機(jī)等。 3. 按用途分類 (1)專用機(jī) (2)通用機(jī) 4. 按原理分類 (1)模擬計(jì)算機(jī) (2)數(shù)字計(jì)算機(jī) (3)混合計(jì)算機(jī) 1.4.5 微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用及發(fā)展 1.計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域 (1)科學(xué)計(jì)算（或稱為數(shù)值計(jì)算） (2)檢測與控制 (3)數(shù)據(jù)處理 (4)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) (5)人工智能 (6)計(jì)算機(jī)仿真 (7)辦公自動化與信息管理 2.計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢 (1)巨型化 (2)微型化 (3)網(wǎng)絡(luò)化 (4)智能化 第2章 Intel系列微處理器 第3章 80486微處理器 的指令系統(tǒng) 第4章匯編語言程序設(shè)計(jì) 第5章 存儲系統(tǒng) 6 輸入/輸出方式及中斷系統(tǒng) 第7章 可編程接口芯片 第8章 外設(shè)接口技術(shù) 第9章 總線2P8紅軟基地

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