微機(jī)原理與接口技術(shù)課件

微機(jī)原理

與接口技術(shù)

(80386?Pentium)

艾德才等編著

2005年1月版權(quán)所有?天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院課件制作組

■本書(shū)遵照教育部的要求，教材

內(nèi)容緊跟時(shí)代，把微機(jī)領(lǐng)域內(nèi)

的最新技術(shù)反映到我們的本科

生課堂上來(lái)，時(shí)時(shí)處處注意到

教材內(nèi)容的知識(shí)性、先進(jìn)性和

系統(tǒng)性的特點(diǎn)。

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知識(shí)I性.

?本3涵蓋了目前世界上微機(jī)領(lǐng)域內(nèi)最先進(jìn)的

技術(shù)知識(shí)：

■包括分支轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)技術(shù)

?超標(biāo)量執(zhí)行技術(shù)

?微機(jī)的流水線操作技術(shù)

?高速緩沖存儲(chǔ)器技術(shù)

?分段存儲(chǔ)管理技術(shù)

?分頁(yè)存儲(chǔ)管理技術(shù)

?浮點(diǎn)數(shù)據(jù)處理技術(shù)

?高速總線傳輸技術(shù)等。

?它們構(gòu)成了各種高性能軟件的載體。

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?先進(jìn)性：

?計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，新技術(shù)層出

不窮。

?本教材的教學(xué)內(nèi)容描述的是世界上

最新的微型計(jì)算機(jī)理念、技術(shù)和知

識(shí)，展示給學(xué)生的是目前微機(jī)領(lǐng)域

里的頂尖技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)過(guò)程，以啟

迪學(xué)生的想象力、創(chuàng)造力。

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?系統(tǒng)性：

?計(jì)算機(jī)本身就是一個(gè)由硬件和軟件組成的

龐大的復(fù)雜系統(tǒng)。其中包括有豐富的知識(shí)

和先進(jìn)的技術(shù)。目前絕大多數(shù)流行的系統(tǒng)

軟件和各種應(yīng)用軟件是以Pentium為平臺(tái)

開(kāi)發(fā)出來(lái)的，了解計(jì)算機(jī)軟件的載體——

硬件及其組成、工作原理、以及軟件是怎

樣依附于硬件的，從而達(dá)到對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

（軟件、硬件）基本知識(shí)的融會(huì)貫通。

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第嗦

計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)

?1.1計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

?1.1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展

?世界上第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)ENIAC（Electronic

NumericalIntegratorandComputer,電子數(shù)值積分與計(jì)

算機(jī)）是由美闔賓夕法尼亞大事于1946年研制成功并投入

使用的。ENIAC是一個(gè)龐然大物

?從第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)問(wèn)世至今，僅僅半個(gè)世紀(jì)，其發(fā)展速

度是世界上任何其他學(xué)科無(wú)法比擬的。計(jì)算機(jī)已經(jīng)使人類

社會(huì)從制造業(yè)社會(huì)發(fā)展到了信息化社會(huì)，改變了社會(huì)的面

貌，促使人們的工作和生活方式發(fā)生了驚人的變化，成為

科技發(fā)展的最有影響的商品，并且它還將繼續(xù)預(yù)示著未來(lái)

世界的變化，使數(shù)千年人類文明史中曾經(jīng)有過(guò)的各種神話

般的幻想逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

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?1.1.1.2計(jì)算機(jī)的發(fā)展階段

?從第一臺(tái)計(jì)算機(jī)'可世以來(lái)，計(jì)算機(jī)的生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展異常迅

速，在推動(dòng)計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展的各種因素中，電子邏輯器件

的發(fā)展是起決定作用的因素。因此，計(jì)算機(jī)的發(fā)展階段常

以計(jì)算機(jī)使用的器件來(lái)劃分。

?第一代電子計(jì)算機(jī)：

電子管計(jì)算機(jī)時(shí)代。從1946年開(kāi)始，用電子管作為計(jì)算機(jī)的

基本器件。其主要特點(diǎn)是：體積大、耗電多、價(jià)格高、速

度慢。

?第二代電子計(jì)算機(jī)：

晶體管計(jì)算機(jī)時(shí)代。晶體管于1947年在貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明，

它的小體根、低耗電以及載流子的高速運(yùn)行的特點(diǎn)，使電

了管重塵莫及。

?第三代電子計(jì)算機(jī)：中、小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代。

?第四代電子計(jì)算機(jī)：大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)

代。

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?1.1.1.3微處理器的發(fā)展歷程

?1.全球第一塊微處理器4004

?4004主要用來(lái)處理算術(shù)運(yùn)算，它集成了2300多個(gè)

晶體管，具有4位帶寬，工作頻率為108kHz,尋

址空間只有640B。

?2.新一代8位微處理器8080

在1974年，推出了新一代8位微處理器—8080。

8080集成了6000個(gè)晶體管，其時(shí)鐘頻率為2MHz。

8080是一個(gè)劃時(shí)代的產(chǎn)品，它的誕生，使得Intel

有了自己真正意義上的微處理器.

3.第一代微處理機(jī)——16位的8086CPU

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?4.第二代微處理機(jī)——16位的80286CPU

?80286芯片于1982年2月1日正式發(fā)布，總線帶寬為16位，

集成了13萬(wàn)多個(gè)晶體管，因此性能也有了很大的提高，主

頻達(dá)到了20MHz。

?5.第三代微處理機(jī)——32位的80386CPU

?1985年10月，Intel推出它的第三代微處理機(jī)——32位的

80386DXo80386DX是一塊集成進(jìn)了27.5萬(wàn)個(gè)晶體管的

全32位微處理機(jī)，其時(shí)鐘頻率達(dá)到33MHz,數(shù)據(jù)總線和

地址總線均為32位，具有4GB的物理尋址能力。

?6.第四代微處理機(jī)——32位的80486CPU

?80486微處理機(jī)于1989年4月正式發(fā)布。這是一款在一片

芯片內(nèi)集成進(jìn)了120萬(wàn)個(gè)晶體管的CPU,是Intel第一次將

微處理機(jī)的晶體管數(shù)目突破100萬(wàn)只。

?7.第五代微處理機(jī)——32位的Pentium

?Intel在1993年推出了全新一代的高性能處理機(jī)Pentium。

Pentium芯片內(nèi)部集成進(jìn)310萬(wàn)個(gè)晶體管，單是最初版本

的66MHz的Pentium微處理機(jī)運(yùn)算性能，就比33MHz的

80486DX高出3倍多，而100MHz的Pentium貝肚匕33MHz

的80486DX快6?8倍。較之后輩的Pentium微處理機(jī)，這

種Pentium微處理機(jī)又叫經(jīng)典奔騰(ClassicPentium)。

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?8.高能奔騰(PentiumPro)

?Intel于1996年推出了新x86系列CPU——PentiumPro。

PentiumPro芯片內(nèi)部集成進(jìn)550萬(wàn)個(gè)晶體管，內(nèi)部時(shí)鐘頻率為

133MHZo

?9.多能奔騰(PentiumMMX)

?1996年底Intel又推出了Pentium系列的改進(jìn)版本，也就是平常

所說(shuō)的PentiumMMX(多能奔騰)。MMX技術(shù)是Intel最新發(fā)

明的一項(xiàng)多媒體增強(qiáng)指令集技術(shù)，它的英文全稱可以翻譯成

“多媒體擴(kuò)展指令集"。MMX是Intel公司在1996年為增強(qiáng)

PentiumCPU在音像、

?10.二代奔騰PentiumII

?1997年5月，Intel推出了與PentiumPro同一個(gè)檔次的

PentiumIIoPentumII有一系列的不同檔次的產(chǎn)品，其中第一

代的產(chǎn)品就是PentiumIIKlamath芯片。作為PentiumII的第一

代芯片，它運(yùn)行在66MHz總線上，主頻分233MHz、266MHz、

300MHz和333MHz四種。由于它代表了Pentium系列機(jī)當(dāng)時(shí)的

最高性能，所以將其稱之為二代奔騰Pentium。

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?11.PentiumIII

?應(yīng)該把PentiumIII稱之為“多能奔騰二代處理機(jī)”（PentiumII

ProcessorwithMMX2Technology）。Intel于1999年2月發(fā)布了

PentiumIII芯片-Katmai,作為第一款專為提高用戶的宣聯(lián)網(wǎng)

計(jì)篡體驗(yàn)而設(shè)計(jì)的微處理機(jī)，使用戶能夠盡享豐富的音頻、視頻、

動(dòng)畫(huà)和栩栩如生的三維效果。針而不同需求，PentiumIII推出了

移動(dòng)PentiumIII和PentiumIIIXeon（至強(qiáng)）處理機(jī)。

?12.Pentium4

?Pentium4是Intel新一代高性能32位微處理機(jī)，在體系結(jié)構(gòu)上，

Pentium4完全不同于它咱前輩機(jī)PentiumII和PentiumIIL

PentiumII和PentiumIII采用的是與PentiumPro相同的P6結(jié)構(gòu)

形式，而Pentium4采用的則是NetBurst的新式處理機(jī)結(jié)構(gòu)。采

用NetBurst機(jī)構(gòu)是為了加快以突發(fā)方式傳送數(shù)據(jù)速度，如流媒體、

MP3播放程序和視頻壓縮程序等的傳送速度。專家們指出：“該

設(shè)計(jì)意味著從傳統(tǒng)整數(shù)運(yùn)算性能（如標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)應(yīng)用程序）向媒

體運(yùn)算性能變遷的重大革新”。但是NetBurst仍然是由開(kāi)發(fā)P6的

原班人馬完成的。

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?1.1.14未來(lái)的計(jì)算機(jī)發(fā)展

?未來(lái)的計(jì)算機(jī)將向高性能、人性化、網(wǎng)絡(luò)化三

個(gè)方向發(fā)展。

?1.高性能

?2.人性化

?3.網(wǎng)絡(luò)化

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?1.1.3計(jì)算機(jī)的組成與性能評(píng)測(cè)

?任何一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都是由密切相關(guān)的硬件和軟件

組成，硬件是計(jì)算機(jī)的物質(zhì)基礎(chǔ)，軟件是發(fā)揮和擴(kuò)

大計(jì)算機(jī)功能的程序，兩者相輔相成，缺一不可。

沒(méi)有硬件，計(jì)算機(jī)便不存在，軟件無(wú)法運(yùn)行；沒(méi)有

軟件，只有硬件構(gòu)成的“裸機(jī)”，用戶無(wú)法使用。

?計(jì)算機(jī)硬件的組成

?計(jì)算機(jī)硬件主要包括：中央處理器（CPU）、主存

儲(chǔ)器、輔助存儲(chǔ)器、輸入/輸出（I/O）設(shè)備以及把它

們連接在一起的總線。圖1.1是這幾個(gè)組成部分的連

接示意圖。CPU、主存儲(chǔ)器合起來(lái)，稱為主機(jī)。輸

入/輸出設(shè)備和輔助存儲(chǔ)器，統(tǒng)稱為外部設(shè)備，簡(jiǎn)稱

外設(shè)。

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總線《

計(jì)算機(jī)硬件的組成

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?1.中央處理器（CPU）

?中央處理器簡(jiǎn)稱為CPU,它是計(jì)算機(jī)的核心。

CPU由運(yùn)算器、控制器和一些寄存器組成。運(yùn)算

器用來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算?？?/p>

制器的功能是：控制、指揮運(yùn)算器及其他部件的

工作，它是計(jì)算機(jī)的指揮中心。寄存器用來(lái)存放

正在處理的數(shù)據(jù)和運(yùn)算結(jié)果。

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?2.主存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)器

?存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)中存放程序和數(shù)據(jù)的部件。計(jì)算機(jī)中的存

儲(chǔ)器分為兩類：主存儲(chǔ)器（簡(jiǎn)稱為主存或內(nèi)存）和輔助存

儲(chǔ)器（簡(jiǎn)稱為輔存或外存）。

?主存儲(chǔ)器可以和CPU直接交換信息，是計(jì)算機(jī)中的工作存

儲(chǔ)器。程序和數(shù)據(jù)事先都必須存放在主存中，計(jì)算機(jī)工作

時(shí)，所執(zhí)行的指令和數(shù)據(jù)都從主存中取出，處理結(jié)果一般

也都存放在主存中。主存的存取速度快而容量相對(duì)較小。

■輔助存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量很大，但存取速度較慢。輔助存儲(chǔ)

器中存放著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中幾乎所有的信息。計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí),

輔助存儲(chǔ)器的信息需要首先進(jìn)入主存后，才能被CPU使用。

目前微機(jī)系統(tǒng)中使用的輔助存儲(chǔ)器，主要是磁表面存儲(chǔ)器

（磁盤、磁帶）和光盤存儲(chǔ)器。

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?3.輸入/輸出設(shè)備

?輸入/輸出設(shè)備又稱I/O設(shè)備，是計(jì)算機(jī)與外界（包

持人、另一臺(tái)計(jì)算機(jī)或其他設(shè)備）聯(lián)東和溝通的

橋梁，用戶通過(guò)輸入/輸出設(shè)備與計(jì)算配系統(tǒng)進(jìn)行

通信。

?輸入設(shè)備是指用戶能向計(jì)算機(jī)輸入信息的設(shè)備。

其功能是將計(jì)算機(jī)程序、文本、圖形、圖像、聲

音等各種數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能處理的數(shù)據(jù)形式,

并輸入到計(jì)算機(jī)中。目前常用的輸入設(shè)備有：鍵

盤、鼠標(biāo)器、觸摸屏、數(shù)字化儀、掃描儀、圖像

輸入裝置、聲音輸入裝置等。

?輸出設(shè)備是指能從計(jì)算機(jī)輸出信息的設(shè)備。其功

能是將計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果轉(zhuǎn)換成人可直接識(shí)別的

文本、圖形、圖像以及聲音形式。目前常用的輸

出設(shè)備有：顯示器、打印機(jī)、繪圖儀、多媒體音

響設(shè)備等。

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?4.總線

?總線（Bus）是連接計(jì)算機(jī)中CPU、主存、

輔存、各種輸入/輸出接口部件的一組物理信

號(hào)線及其相關(guān)的控制電路，它是計(jì)算機(jī)中各

部件間傳送信息的公共通路。故總線又稱為

系統(tǒng)總線。系統(tǒng)總線上有三類信號(hào)：數(shù)據(jù)、

地址和控制信號(hào)。負(fù)責(zé)傳輸這些信號(hào)的線路

分別稱為數(shù)據(jù)線、地址線和控制線。圖1.1中

系統(tǒng)總線和輔存、I/O設(shè)備的連接是通過(guò)接口

實(shí)現(xiàn)的。這是因?yàn)樗鼈兊乃俣炔荒芎椭鳈C(jī)相

匹配，而且表達(dá)信息的格式也不相同。

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?封售機(jī)的軟仔狗或

?計(jì)算機(jī)的軟件包括：計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)所需的各種程

序，以及描述程序功能、性能、設(shè)計(jì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)

及如何操作與使用的文檔資料。軟件是計(jì)算機(jī)系

統(tǒng)的靈魂，沒(méi)有配備任何軟件的“裸機(jī)”無(wú)法投

入使用。沒(méi)有配備足夠的軟件，計(jì)算機(jī)的功能就

不能很好地發(fā)揮，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍也將因此而

夫大縮小。

?組成計(jì)算機(jī)的軟件可分為：系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件

兩大類。

?1.系統(tǒng)軟件

?系統(tǒng)軟件泛指那些為計(jì)算機(jī)配置的基礎(chǔ)性軟件，

其中最重要的是操作系統(tǒng)、語(yǔ)言處理程序、數(shù)據(jù)

庫(kù)管理系統(tǒng)及實(shí)用程序與工具軟件。

?(1)操作系統(tǒng)：

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?(2)語(yǔ)言處理程序

?(3)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)

?(4)實(shí)用程序與軟件工具

?2.應(yīng)用軟件

?應(yīng)用軟件是計(jì)算機(jī)用戶在各自的應(yīng)用領(lǐng)域中開(kāi)發(fā)

和使用的程序。由于計(jì)算機(jī)的應(yīng)用極其廣泛，所

以這類軟件種類繁多，不勝枚舉。如：科學(xué)計(jì)算

類程序、工程該讓類程序、數(shù)據(jù)處理類程序、信

?尼應(yīng)用軟件中存/加用應(yīng)用軟件非常流行，例如,

文字處理軟件、電子表格軟件、繪圖軟件、網(wǎng)路

通信軟件等。

?PC機(jī)有代表性的通用應(yīng)用軟件。

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?分類名稱文字處理WPS,Word,Word

perfect,Amipro,PageMaker

?電子表格Excel,Lotus,...

?繪圖軟件Paintbrush,AutoCAD,

Photoshop,CoreDraw,...

?網(wǎng)絡(luò)通信OutlookExpress,Internet

Explorer,FTP,...

?簡(jiǎn)報(bào)軟件PowerPoint,ShowPartner,...

?統(tǒng)計(jì)軟件SPSS,SAS,BMDP,??.

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?計(jì)算機(jī)的性能評(píng)測(cè)

?評(píng)測(cè)一臺(tái)計(jì)算機(jī)的性能，是一個(gè)極為復(fù)雜的工作。

它與計(jì)算機(jī)的硬件、軟件及處理對(duì)象都有著密切

的關(guān)系。對(duì)PC計(jì)算機(jī)的硬件性能評(píng)測(cè)，通常有如

下幾個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)。

?1.字長(zhǎng)

?2.時(shí)鐘頻率

?3.主存儲(chǔ)器容量和速度

?4.硬磁盤存儲(chǔ)器性能

?5.系統(tǒng)總線的傳輸速率

?6.系統(tǒng)可靠性

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?1.2.1二進(jìn)制

?關(guān)于二進(jìn)制的知識(shí)

?二進(jìn)制數(shù)的基數(shù)是2,使用0~1符號(hào)

?八進(jìn)制數(shù)的基數(shù)是8,使用0~7八個(gè)符號(hào)，運(yùn)

算時(shí)逢八進(jìn)一。

?十六進(jìn)制數(shù)的基數(shù)是16,使用0~9、A、B、

C、D、E、F十六個(gè)符號(hào)，

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?計(jì)算機(jī)之所以采用二進(jìn)制，主要是

其手下面的原因。

?1.二進(jìn)制在技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn)

?2.二進(jìn)制的運(yùn)算規(guī)則特別簡(jiǎn)單

?它們的基本運(yùn)算規(guī)則是：

?加法減法

?0+0=00—0=0

?0+1=10—1=1（向高位借1）

?1+0=11—0=1

?1+1=0（向高位進(jìn)1）1—1=0

?3.二進(jìn)制可以使計(jì)算機(jī)方便地進(jìn)行邏輯運(yùn)算

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?1.2.2數(shù)值信息在計(jì)算機(jī)內(nèi)的表示

?計(jì)算機(jī)中的數(shù)值數(shù)據(jù)又分成整數(shù)和實(shí)數(shù)兩大類。

?整數(shù)的表示

?在計(jì)算機(jī)中，整數(shù)的小數(shù)點(diǎn)隱含在個(gè)位數(shù)的右

面，也叫做定點(diǎn)數(shù)。計(jì)算機(jī)中的整數(shù)分為無(wú)符

號(hào)整數(shù)和有符號(hào)整數(shù)。

?1.無(wú)符號(hào)整數(shù)

?2.有符號(hào)整數(shù)

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-.2.2.2實(shí)數(shù)的表示

?實(shí)數(shù)是既有整數(shù)又有小數(shù)的數(shù)，例如：

56.815,-1284.2,0.002345等都是實(shí)數(shù)。一

個(gè)實(shí)數(shù)總可以表示成一個(gè)純小數(shù)和一個(gè)乘

，之積。

?浮點(diǎn)數(shù)的長(zhǎng)度可以是32位、64位甚至更多,

位數(shù)越多，可表示的數(shù)值的范圍就越大，

精度也越高。

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?1.2.3數(shù)值數(shù)據(jù)的運(yùn)算

?整數(shù)的算術(shù)、邏輯運(yùn)算

?實(shí)數(shù)的運(yùn)算

?浮點(diǎn)乘除運(yùn)算

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1.3文字信息與

文本在計(jì)算機(jī)內(nèi)的表示

?計(jì)算機(jī)不僅能對(duì)數(shù)值數(shù)據(jù)進(jìn)行表示和處理（主要

是各種運(yùn)算），而且對(duì)于諸如文字、圖像、圖形、

聲音等信息也能進(jìn)行各種處理。但它們必須表示

成二進(jìn)制數(shù)據(jù)形式，這些通稱為非數(shù)值數(shù)據(jù)。本

節(jié)介紹文字和文本信息的表示。

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?1.3.1西文字符的編碼

■計(jì)算機(jī)的許多應(yīng)用，需要對(duì)字符或?qū)Ｓ梅?/p>

號(hào)進(jìn)行操作。但是字符不能直接進(jìn)入計(jì)算

機(jī)內(nèi)部，必須將它們進(jìn)行數(shù)字化處理，由

連續(xù)排列的二進(jìn)制數(shù)碼來(lái)表示。西文由拉

丁字母、數(shù)字、標(biāo)點(diǎn)符號(hào)及一些特殊符號(hào)

組成，它們通稱為“字符"。所有字符的

集合叫做“字符集”。字符集中的每一個(gè)

字符各有一個(gè)二進(jìn)制代碼表示，它們互相

區(qū)別，構(gòu)成了該字符集的代碼表。

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