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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(guò)程 目前各種微型計(jì)算機(jī)的硬件均由微處理器、存儲(chǔ)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(chǔ)器或外設(shè)， AB總線的位數(shù)決定了外界存儲(chǔ)器最大的存儲(chǔ)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(shí)序信息以及外部設(shè)備發(fā)送到微處理器的請(qǐng)求信息的總稱�？刂瓶偩�中每一根線的方向都是一定的、單向的，但作為整體來(lái)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(gè)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(shí)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?cè)诔绦虻膱?zhí)行過(guò)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(chǔ)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(duì)棧區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。如圖1-7. 2.存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)的部件。存儲(chǔ)器的性能通常用存儲(chǔ)容量和存取速度來(lái)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(guò)總線與CPU相連，簡(jiǎn)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(lái)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(guò)程 計(jì)算機(jī)的核心是CPU，了解CPU的工作過(guò)程對(duì)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(jiǎn)單程序?yàn)槔�，說(shuō)明程序的執(zhí)行過(guò)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(wú)論數(shù)值還是符號(hào)，都是用0或1來(lái)表示。通常用最高位做符號(hào)位，0表示正數(shù)，1表示負(fù)數(shù)。 2.帶符號(hào)數(shù)的表示方法 原碼:在機(jī)器數(shù)中，將最高位作為符號(hào)位，其余二進(jìn)制位表示該數(shù)的絕對(duì)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(duì)應(yīng)的正數(shù)的各位取反，符號(hào)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(duì)應(yīng)的正數(shù)的各位取反后再加1，符號(hào)位仍為負(fù)。 3.編碼 編碼是為了在特定場(chǎng)合下方便使用而制定的一種數(shù)字代號(hào)。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(jiàn)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(gè)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(jiàn)表1-2。 組合BCD碼 在1個(gè)字節(jié)中，用低4位表示1位BCD碼，同時(shí)高4位也表示為1位BCD碼，即在1個(gè)字節(jié)中同時(shí)表示兩位十進(jìn)制數(shù)。 (2)字母和符號(hào)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(jiàn)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(shí)只需將-Y轉(zhuǎn)換為補(bǔ)碼，仍可通過(guò)加法器來(lái)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(lái)進(jìn)行運(yùn)算，在利用指令進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算時(shí)，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(wú)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(wú)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(lái)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(duì)指定位求反。 (4)非運(yùn)算 按位取反，利用非運(yùn)算可以對(duì)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(zhǎng) 字長(zhǎng)是指計(jì)算機(jī)對(duì)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(lái)表示。 3. 內(nèi)存儲(chǔ)器的容量 內(nèi)存的性能指標(biāo)主要包括存儲(chǔ)容量和存取速度。 4.外存儲(chǔ)器的容量 外存儲(chǔ)器容量通常是指硬盤(pán)容量（包括內(nèi)置硬盤(pán)和移動(dòng)硬盤(pán)）。 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(pán)驅(qū)動(dòng)器接口 3.硬盤(pán) 硬盤(pán)是是微型計(jì)算機(jī)海量存儲(chǔ)的主要存儲(chǔ)媒介之一 。 4.輸入輸出設(shè)備 (1)輸入設(shè)備 ①鍵盤(pán) 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(lèi)型和重要技術(shù)指標(biāo)） ②打印機(jī)（類(lèi)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(cè)執(zhí)行技術(shù) 4.高速緩沖存儲(chǔ)器技術(shù) 5.虛擬存儲(chǔ)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(lèi)型 1.按結(jié)構(gòu)形式分類(lèi) (1)臺(tái)式計(jì)算機(jī) (2)便攜式個(gè)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(lèi) 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(lèi) (1)專用機(jī) (2)通用機(jī) 4. 按原理分類(lèi) (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(cè)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(dòng)化與信息管理 2.計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) (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(yǔ)言程序設(shè)計(jì) 第5章 存儲(chǔ)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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