《單片機(jī)原理與應(yīng)用》課件1第1章

第一章計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展史及應(yīng)用1.2計(jì)算機(jī)組成及工作原理1.3計(jì)算機(jī)主要性能指標(biāo)思考練習(xí)題

1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展史及應(yīng)用

1.1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展史

1．計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生

1946年2月，世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)在美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)問(wèn)世，取名ENIAC(即電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)的英文縮寫)。該機(jī)重達(dá)30噸，功耗150?千瓦，占地170平方米，使用了18?800個(gè)電子管，其運(yùn)算速度為5000次/秒。按照設(shè)計(jì)者的初衷，從計(jì)算工具的意義上講，電子計(jì)算機(jī)ENIAC不過(guò)是人類傳統(tǒng)計(jì)算工具(算盤、計(jì)算尺及機(jī)械計(jì)算機(jī)等)在歷史新時(shí)期的替代物。計(jì)算機(jī)ENIAC有一個(gè)很大的缺點(diǎn)是它的存儲(chǔ)容量小，只能存20個(gè)字長(zhǎng)為10位的十進(jìn)制數(shù)，所以只能用線路連接的方法來(lái)編制程序，每次解題都要依靠人工來(lái)改變接線，準(zhǔn)備時(shí)間大大超過(guò)實(shí)際計(jì)算時(shí)間。

在研制ENIAC的同時(shí)，以美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮·諾依曼(JohnVonNeumann)為首的研制小組提出了“存儲(chǔ)程序控制”的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)。

馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)具有如下基本特點(diǎn)：

(1)計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大基本部件組成。

(2)計(jì)算機(jī)內(nèi)部采用二進(jìn)制來(lái)表示指令和數(shù)據(jù)。

(3)存儲(chǔ)器線性編址，按址訪問(wèn)其單元，單元的位數(shù)固定。存儲(chǔ)器用來(lái)存放指令和數(shù)據(jù)。

(4)指令在存儲(chǔ)器中按其執(zhí)行順序存儲(chǔ)。指令由操作碼和地址碼組成，程序計(jì)數(shù)器指明將要執(zhí)行的下一條指令的地址。

馮·諾依曼對(duì)計(jì)算機(jī)界的最大貢獻(xiàn)在于“存儲(chǔ)程序控制”概念的提出和實(shí)現(xiàn)。60年來(lái)計(jì)算機(jī)的發(fā)展速度是驚人的，但就其結(jié)構(gòu)原理來(lái)說(shuō)，目前絕大多數(shù)計(jì)算機(jī)仍建立在存儲(chǔ)程序概念的基礎(chǔ)上。符合存儲(chǔ)程序概念的計(jì)算機(jī)統(tǒng)稱為馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，目前已出現(xiàn)了一些突破馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)，統(tǒng)稱為非馮結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)，如數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)，需求驅(qū)動(dòng)的歸約計(jì)算機(jī)和模式匹配驅(qū)動(dòng)的智能計(jì)算機(jī)等。

電子計(jì)算機(jī)的問(wèn)世，開創(chuàng)了一個(gè)新時(shí)代——計(jì)算機(jī)時(shí)代，引發(fā)了一場(chǎng)由工業(yè)化社會(huì)發(fā)展到信息化社會(huì)的新技術(shù)產(chǎn)業(yè)革命浪潮，從此揭開了人類歷史發(fā)展的新紀(jì)元。計(jì)算機(jī)問(wèn)世以后，經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的飛速發(fā)展，已由早期單純的計(jì)算工具發(fā)展成為在信息社會(huì)中舉足輕重、不可缺少的具有強(qiáng)大信息處理功能的現(xiàn)代化電子設(shè)備。

2．計(jì)算機(jī)的分代

計(jì)算機(jī)發(fā)展史的分代，通常以計(jì)算機(jī)所采用的邏輯元件作為劃分標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算機(jī)發(fā)展迄今已經(jīng)歷四代，目前正向新一代計(jì)算機(jī)過(guò)渡。

(1)第一代電子計(jì)算機(jī)(1946～1956年)：采用電子管作為基本邏輯元件。存儲(chǔ)器早期采用水銀延遲線，后期采用磁鼓或磁芯。編程語(yǔ)言使用低級(jí)語(yǔ)言，即機(jī)器語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言。第一種高級(jí)語(yǔ)言FORTRAN于1954年問(wèn)世并開始初期應(yīng)用。

由于采用電子管，第一代計(jì)算機(jī)的體積大，耗電多，價(jià)格貴，運(yùn)行速度和可靠性都不高，主要用于科學(xué)計(jì)算。

(2)第二代電子計(jì)算機(jī)(1957～1964年)：開始采用晶體管作為邏輯元件。晶體管與電子管相比，具有體積小，壽命長(zhǎng)，開關(guān)速度快，省電等優(yōu)點(diǎn)。內(nèi)存主要采用磁芯存儲(chǔ)器，外存開始使用磁盤。這個(gè)時(shí)期，計(jì)算機(jī)的軟件也有很大發(fā)展，操作系統(tǒng)及各種早期的高級(jí)語(yǔ)言(COBOL、FORTRAN、BASIC等)相繼投入使用。

由于采用了晶體管，第二代計(jì)算機(jī)的體積大大減小，運(yùn)算速度及可靠性等各項(xiàng)性能大為提高。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用已由科學(xué)計(jì)算拓展到數(shù)據(jù)處理、過(guò)程控制等領(lǐng)域。

(3)第三代電子計(jì)算機(jī)(1965～1970年)：開始采用集成電路作為邏輯元件。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器取代了沿用多年的磁芯存儲(chǔ)器。這一時(shí)期的中、小規(guī)模集成電路技術(shù)可將數(shù)十個(gè)、成百個(gè)分離的電子元件集中做在一塊硅片上，集成電路體積更小，耗電更省，壽命更長(zhǎng)，可靠性更高，這使得第三代計(jì)算機(jī)的總體性能較第二代計(jì)算機(jī)有了大幅度的提高。這一時(shí)期，計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)出現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化的局面，軟件技術(shù)也日趨完善，計(jì)算機(jī)得到了更加廣泛的應(yīng)用。

(4)第四代電子計(jì)算機(jī)(1970年以后)：開始采用大規(guī)模集成電路作為邏輯元件是第四代計(jì)算機(jī)的主要特征。這個(gè)時(shí)期是計(jì)算機(jī)發(fā)展最快、技術(shù)成果最多、應(yīng)用空前普及的時(shí)期。大規(guī)模集成電路技術(shù)的應(yīng)用，不僅極大地提高了電子元件的集成度，而且可將計(jì)算機(jī)最核心的部件運(yùn)算器和控制器集中制作在一塊小小的芯片上。在這樣的技術(shù)背景下，第一代微處理器以及以它為核心的微型計(jì)算機(jī)在美國(guó)問(wèn)世。微型計(jì)算機(jī)的“異軍突起”是計(jì)算機(jī)發(fā)展史上的重大事件。作為第四代計(jì)算機(jī)的一個(gè)機(jī)種，微型計(jì)算機(jī)以其機(jī)型小巧、使用方便、價(jià)格低廉、性能完善等特性贏得了廣泛的應(yīng)用。而且單片機(jī)、便攜式微型機(jī)(膝上機(jī)、筆記本電腦等)、超級(jí)微型機(jī)等也都取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。20世紀(jì)90年代涌現(xiàn)出的多媒體PC(PC即個(gè)人計(jì)算機(jī)，是微型機(jī)的一個(gè)大類)也日益普及。

第四代計(jì)算機(jī)在運(yùn)算速度、存儲(chǔ)容量、可靠性及性能價(jià)格比等諸多方面都是前三代計(jì)算機(jī)所不能企及的。這個(gè)時(shí)期計(jì)算機(jī)軟件的配置也空前豐富，操作系統(tǒng)日臻成熟，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)普遍使用，新一代計(jì)算機(jī)語(yǔ)言C++及Java等問(wèn)世，軟件工程已成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)的重要產(chǎn)業(yè)。計(jì)算機(jī)的發(fā)展呈現(xiàn)出多極化、網(wǎng)絡(luò)化、多媒體化、智能化的趨勢(shì)，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用進(jìn)入了以網(wǎng)絡(luò)化為特征的時(shí)代。

(5)新一代計(jì)算機(jī)：習(xí)慣上稱為第五代計(jì)算機(jī)，是對(duì)第四代計(jì)算機(jī)以后的各種未來(lái)型計(jì)算機(jī)的總稱。電子計(jì)算機(jī)從第一代到第四代，盡管發(fā)展速度令人眩目，但其基本的設(shè)計(jì)思想和工作方式仍一脈相承，即采用馮·諾依曼的“存儲(chǔ)程序控制”原理。從本質(zhì)上講，計(jì)算機(jī)盡管被稱為“電腦”，但僅是一種機(jī)器，沒(méi)有思維，不具有智能，它只能在人們事先設(shè)計(jì)好的程序的控制下工作，部分、有限地模仿人的智能。而新一代計(jì)算機(jī)在這方面有重大突破，它能夠最大限度地模擬人類大腦的機(jī)制，具有人類大腦所特有的聯(lián)想、推理、學(xué)習(xí)等某些功能，具有對(duì)語(yǔ)言、聲音、圖像及各種模糊信息的感知、識(shí)別和處理能力。新一代計(jì)算機(jī)是從20世紀(jì)80年代開始研制的未來(lái)型計(jì)算機(jī)，現(xiàn)已提出智能計(jì)算機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)、生物計(jì)算機(jī)及光子計(jì)算機(jī)等各種設(shè)想和描述，在實(shí)際研制過(guò)程中也取得一些重要進(jìn)展。綜合看來(lái)，計(jì)算機(jī)的發(fā)展將有以下趨勢(shì)：

微型化——便攜式、低功耗；

巨型化——尖端科技領(lǐng)域的信息處理，需要超大容量、高速度；

智能化——模擬人類大腦思維和交流方式，具有多種處理能力；系列化、標(biāo)準(zhǔn)化——便于各種計(jì)算機(jī)硬、軟件兼容和升級(jí)；

網(wǎng)絡(luò)化——網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)和信息高速公路；

多機(jī)系統(tǒng)——大型設(shè)備、生產(chǎn)流水線集中管理(獨(dú)立控制、故障分散、資源共享)。1.1.2計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域及特點(diǎn)

正是由于計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展，才促進(jìn)了計(jì)算機(jī)的全面應(yīng)用。在信息社會(huì)中，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用極其廣泛，已遍及經(jīng)濟(jì)、政治、軍事及社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)的早期應(yīng)用和現(xiàn)代應(yīng)用可歸納為以下幾個(gè)方面。

(1)科學(xué)計(jì)算。在科學(xué)技術(shù)及工程設(shè)計(jì)應(yīng)用中的各種數(shù)學(xué)問(wèn)題的計(jì)算，統(tǒng)稱為科學(xué)計(jì)算。采用計(jì)算機(jī)不僅能減輕繁雜的計(jì)算工作量，而且解決了過(guò)去無(wú)法解決或不能及時(shí)解決的問(wèn)題?？茖W(xué)計(jì)算又稱為數(shù)值計(jì)算，是計(jì)算機(jī)的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。在科學(xué)研究和工程技術(shù)中，有大量的復(fù)雜計(jì)算問(wèn)題，利用計(jì)算機(jī)高速運(yùn)算和大容量存儲(chǔ)的能力，可進(jìn)行浩繁而復(fù)雜、人工難以完成或根本無(wú)法完成的各種數(shù)值計(jì)算。例如，有數(shù)百個(gè)變?cè)母唠A線性方程組的求解；宇宙飛船運(yùn)動(dòng)軌跡和氣動(dòng)干擾問(wèn)題的計(jì)算；人造衛(wèi)星和洲際導(dǎo)彈發(fā)射后，正確制導(dǎo)入軌的計(jì)算；天文測(cè)量和天氣預(yù)報(bào)計(jì)算；現(xiàn)代工程中，電站、橋梁、水壩、隧道等最佳設(shè)計(jì)方案的選擇?？茖W(xué)計(jì)算是計(jì)算機(jī)成熟的應(yīng)用領(lǐng)域，由大量經(jīng)過(guò)“千錘百煉”、精益求精的實(shí)用計(jì)算程序組成的軟件包早已商品化，成為計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件的一部分。

(2)數(shù)據(jù)處理。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、分析、傳送、存儲(chǔ)及檢測(cè)等操作都稱為數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理又稱為信息處理，是目前計(jì)算機(jī)應(yīng)用的主要領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在計(jì)算機(jī)的所有應(yīng)用中，數(shù)據(jù)處理方面的應(yīng)用約占全部應(yīng)用的3/4以上。

數(shù)據(jù)處理是現(xiàn)代管理的基礎(chǔ)，廣泛地用于情報(bào)檢索、統(tǒng)計(jì)、事務(wù)管理、生產(chǎn)管理自動(dòng)化、決策系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化等方面。數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用已全面深入到當(dāng)今社會(huì)生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域。

(3)過(guò)程控制。過(guò)程控制也稱為實(shí)時(shí)控制，是指用計(jì)算機(jī)作為控制部件對(duì)單臺(tái)設(shè)備或整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制。其基本原理為：將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)內(nèi)與控制模型進(jìn)行比較，然后再由計(jì)算機(jī)去調(diào)節(jié)及控制整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，使之按最優(yōu)化方案進(jìn)行。用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，可以大大提高自動(dòng)化水平，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，增強(qiáng)控制的準(zhǔn)確性，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。因此，過(guò)程控制在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)行業(yè)及現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)的武器系統(tǒng)中都得到廣泛應(yīng)用，特別是單片機(jī)在工業(yè)過(guò)程控制、消費(fèi)類電子和儀器儀表等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

(4)計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)是指能夠部分或全部代替人完成各項(xiàng)工作(如設(shè)計(jì)、制造及教學(xué)等)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，目前主要包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD，ComputerAidedDesign)、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM，ComputerAidedManufacturing)和計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)(CAI，ComputerAidedInstruction)。

CAD可以幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行工程或產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作，采用CAD能夠提高設(shè)計(jì)工作的自動(dòng)化程度，縮短設(shè)計(jì)周期，并達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)效果。目前，CAD已廣泛地應(yīng)用于機(jī)械、電子、建筑、航空、服裝、化工等行業(yè)，成為計(jì)算機(jī)應(yīng)用最活躍的領(lǐng)域之一。

CAM是指用計(jì)算機(jī)來(lái)管理、計(jì)劃和控制加工設(shè)備的操作(如用數(shù)控機(jī)床代替工人加工各種形狀復(fù)雜的工件等)。采用CAM技術(shù)可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度并改善生產(chǎn)人員的工作條件。CAD與CAM的結(jié)合產(chǎn)生了CAD/CAM一體化生產(chǎn)系統(tǒng)，再進(jìn)一步發(fā)展，則形成計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)。

CAI是指利用計(jì)算機(jī)來(lái)輔助教學(xué)工作。CAI改變了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，更新了舊的教學(xué)方法。多媒體課件的使用，為學(xué)生創(chuàng)造了一個(gè)生動(dòng)、形象、高效的全新學(xué)習(xí)環(huán)境，大大提高了學(xué)習(xí)效果。CAI與計(jì)算機(jī)管理教學(xué)(CMI)的結(jié)合，形成了計(jì)算機(jī)輔助教育(CAE)這一現(xiàn)代教育技術(shù)，計(jì)算機(jī)在教育領(lǐng)域?qū)⑷找姘l(fā)揮更大的作用。

(5)人工智能。人工智能是用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬人的智能，代替人的腦力勞動(dòng)。人工智能應(yīng)用中所要研究和解決的問(wèn)題難度很大，均是需要進(jìn)行判斷及推理的智能性問(wèn)題，因此，人工智能是計(jì)算機(jī)在更高層次上的應(yīng)用。以下是人工智能研究的幾個(gè)主要方面。

機(jī)器人：機(jī)器人可分為兩類，一類稱為“工業(yè)機(jī)器人”，只能完成規(guī)定的重復(fù)動(dòng)作，通常在車間的生產(chǎn)流水線上完成裝配、焊接、噴漆等工作；另一類稱為“智能機(jī)器人”，具有一定的感知和識(shí)別能力，能說(shuō)一些簡(jiǎn)單話語(yǔ)，這類機(jī)器人可以從事更復(fù)雜的工作，如展覽會(huì)迎賓、月球探測(cè)等。定理證明：借助計(jì)算機(jī)來(lái)證明數(shù)學(xué)猜想或定理，這是一項(xiàng)難度極大的人工智能應(yīng)用。在這方面已取得一些成果，最著名的例子是四色猜想的證明。

模式識(shí)別：模式識(shí)別是通過(guò)抽取被識(shí)別對(duì)象的特征，與存放在計(jì)算機(jī)內(nèi)的已知對(duì)象的特征進(jìn)行比較及判別，從而得出結(jié)論的一種人工智能技術(shù)。其重點(diǎn)是圖形識(shí)別及語(yǔ)言識(shí)別。

專家系統(tǒng)：專家系統(tǒng)是一種能夠模仿專家的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、思想，代替專家進(jìn)行推理和判斷，并做出決策處理的人工智能軟件。

人工智能除了上述的一些應(yīng)用外，還包括自然語(yǔ)言處理、機(jī)器翻譯、智能檢索等方面的應(yīng)用。

(6)多媒體技術(shù)應(yīng)用。隨著電子技術(shù)特別是通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)有能力把文本、音頻、視頻、動(dòng)畫、圖形和圖像等各種媒體綜合起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)全新的概念——多媒體(Multimedia)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用進(jìn)一步深入到社會(huì)的各行各業(yè)，通過(guò)高速信息網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與信息的查詢、高速通信服務(wù)(電子郵件、電視電話、電視會(huì)議、文檔傳輸)、電子教育、電子娛樂(lè)、電子購(gòu)物(通過(guò)網(wǎng)絡(luò)選看商品、辦理購(gòu)物手續(xù)、進(jìn)行質(zhì)量投訴等)、遠(yuǎn)程醫(yī)療和會(huì)診、交通信息管理等。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用將推動(dòng)信息社會(huì)更快地向前發(fā)展。

(7)計(jì)算機(jī)仿真。對(duì)各種類型系統(tǒng)的必要信息建立數(shù)學(xué)模型或描述模型，并在計(jì)算機(jī)上加以體現(xiàn)和試驗(yàn)，從而達(dá)到分析、研究該系統(tǒng)的目的。仿真的主要內(nèi)容：離散事件系統(tǒng)仿真、一體化仿真、連續(xù)系統(tǒng)仿真、語(yǔ)言仿真等。仿真是對(duì)工程設(shè)計(jì)、系統(tǒng)開發(fā)、自然科學(xué)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)問(wèn)題進(jìn)行研究以及訓(xùn)練等的有力手段。

1.2計(jì)算機(jī)組成及工作原理

1.2.1計(jì)算機(jī)基本結(jié)構(gòu)

電子計(jì)算機(jī)是一種不需要人工直接干預(yù)，能夠自動(dòng)、高速、準(zhǔn)確地對(duì)各種信息進(jìn)行高速處理和存儲(chǔ)的電子設(shè)備。完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括兩大部分，即硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。所謂硬件，是指構(gòu)成計(jì)算機(jī)的物理設(shè)備，即由機(jī)械、電子器件構(gòu)成的具有輸入、存儲(chǔ)、計(jì)算、控制和輸出功能的實(shí)體部件。軟件也稱“軟設(shè)備”，廣義地說(shuō)軟件是指系統(tǒng)中的程序以及開發(fā)、使用和維護(hù)程序所需的所有文檔的集合。我們平時(shí)講到“計(jì)算機(jī)”一詞，都是指含有硬件和軟件的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成如圖1.1所示。圖1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成1.2.2計(jì)算機(jī)硬件和軟件

1．計(jì)算機(jī)硬件

從硬件體系結(jié)構(gòu)來(lái)看，目前大多數(shù)計(jì)算機(jī)采用的基本上是計(jì)算機(jī)的經(jīng)典結(jié)構(gòu)——馮·諾依曼結(jié)構(gòu)：計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五個(gè)基本部分組成，也稱計(jì)算機(jī)的五大部件，其結(jié)構(gòu)如圖1.2所示。圖1.2計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

1)運(yùn)算器

運(yùn)算器又稱算術(shù)邏輯單元(ALU，ArithmeticLogicUnit)，是計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理的部件，它的主要功能是對(duì)二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行加、減、乘、除等算術(shù)運(yùn)算和與、或、非等基本邏輯運(yùn)算，以實(shí)現(xiàn)邏輯判斷。運(yùn)算器在控制器的控制下實(shí)現(xiàn)其功能，運(yùn)算結(jié)果由控制器指揮送到內(nèi)存儲(chǔ)器中。

2)控制器

控制器主要由指令寄存器、譯碼器、程序計(jì)數(shù)器和操作控制器等組成。控制器用來(lái)控制計(jì)算機(jī)各部件協(xié)調(diào)工作，并使整個(gè)處理過(guò)程有條不紊地進(jìn)行。它的基本功能是從內(nèi)存中取指令和執(zhí)行指令，即控制器按程序計(jì)數(shù)器指出的指令地址從內(nèi)存中取出該指令進(jìn)行譯碼，然后根據(jù)該指令功能向有關(guān)部件發(fā)出控制命令，執(zhí)行該指令。另外，控制器在工作過(guò)程中還要接收各部件反饋回來(lái)的信息。

3)存儲(chǔ)器

存儲(chǔ)器具有記憶功能，用來(lái)保存信息，如數(shù)據(jù)、指令和運(yùn)算結(jié)果等。

存儲(chǔ)器可分為兩種：內(nèi)存儲(chǔ)器與外存儲(chǔ)器。

(1)內(nèi)存儲(chǔ)器(簡(jiǎn)稱內(nèi)存或主存)。內(nèi)存儲(chǔ)器是微型計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)和記憶部件，用以存放數(shù)據(jù)(包括原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果和最終結(jié)果)和程序。

①內(nèi)存單元的地址和內(nèi)容。內(nèi)存中存放的數(shù)據(jù)和程序從形式上看都是二進(jìn)制數(shù)。內(nèi)存是由一個(gè)個(gè)內(nèi)存單元組成的，每一個(gè)內(nèi)存單元中一般存放一個(gè)字節(jié)(8位)的二進(jìn)制信息。內(nèi)存單元的總數(shù)目叫內(nèi)存容量。微型機(jī)通過(guò)給各個(gè)內(nèi)存單元規(guī)定不同的地址來(lái)管理內(nèi)存。這樣，CPU便能識(shí)別不同的內(nèi)存單元并正確地對(duì)它們進(jìn)行操作。

注意：內(nèi)存單元的地址和內(nèi)存單元的內(nèi)容是兩個(gè)完全不同的概念。

②內(nèi)存操作。CPU對(duì)內(nèi)存的操作有讀、寫兩種。讀操作是CPU將內(nèi)存單元的內(nèi)容取入CPU內(nèi)部，而寫操作是CPU將其內(nèi)部信息傳送到內(nèi)存單元保存起來(lái)。顯然，寫操作的結(jié)果改變了被寫單元的內(nèi)容，而讀操作則不改變被讀單元中原有內(nèi)容。③內(nèi)存分類。按工作方式不同，內(nèi)存可分為兩大類：隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM，RandomAccessMemory)和只讀存儲(chǔ)器(ROM，Read-OnlyMemory)。RAM可以被CPU隨機(jī)地讀和寫，所以又稱為讀寫存儲(chǔ)器，這種存儲(chǔ)器用于存放用戶裝入的程序、數(shù)據(jù)及部分系統(tǒng)信息；當(dāng)機(jī)器斷電后，所存信息消失。ROM中的信息只能被CPU隨機(jī)讀取，而不能由CPU任意寫入；機(jī)器斷電，信息并不丟失。因此，ROM主要用來(lái)存放那些固定不變、不需修改的程序和數(shù)據(jù)，如監(jiān)控程序、基本I/O程序等標(biāo)準(zhǔn)子程序和有關(guān)計(jì)算機(jī)硬件的數(shù)據(jù)。ROM中的內(nèi)容是由生產(chǎn)廠家或用戶使用專用設(shè)備寫入并固化的。

(2)外存儲(chǔ)器(簡(jiǎn)稱外存或輔存)。外存儲(chǔ)器是內(nèi)存的擴(kuò)充。外存存儲(chǔ)容量大，價(jià)格低，但存儲(chǔ)速度較慢，一般用來(lái)存放大量暫時(shí)不用的程序、數(shù)據(jù)和中間結(jié)果，需要時(shí)，可成批地和內(nèi)存儲(chǔ)器進(jìn)行信息交換。外存只能與內(nèi)存交換信息，不能被計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的其它部件直接訪問(wèn)。常用的外存有磁盤、磁帶、光盤等。

4)輸入/輸出設(shè)備

輸入/輸出設(shè)備簡(jiǎn)稱I/O(Input/Output)設(shè)備。用戶通過(guò)輸入設(shè)備將程序和數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，通過(guò)輸出設(shè)備將計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果(如數(shù)字、字母、符號(hào)和圖形)顯示或打印出來(lái)。常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)器、掃描儀、數(shù)字化儀等；常用的輸出設(shè)備有顯示器、打印機(jī)、繪圖儀等。人們通常把內(nèi)存儲(chǔ)器、運(yùn)算器和控制器合稱為計(jì)算機(jī)主機(jī)；而把運(yùn)算器、控制器做在一個(gè)大規(guī)模集成電路芯片上，稱為中央處理器，又稱CPU(CentralProcessingUnit)。也可以說(shuō)主機(jī)是由CPU與內(nèi)存儲(chǔ)器組成的，而主機(jī)以外的裝置稱為外部設(shè)備，外部設(shè)備包括輸入/輸出設(shè)備、外存儲(chǔ)器等。

2．計(jì)算機(jī)軟件

從狹義的角度上講，軟件是指計(jì)算機(jī)運(yùn)行所需的各種程序；而從廣義的角度上講，軟件還包括手冊(cè)、說(shuō)明書和有關(guān)的資料。軟件系統(tǒng)主要解決如何管理和使用機(jī)器的問(wèn)題。沒(méi)有硬件，談不上應(yīng)用計(jì)算機(jī)。但是，光有硬件而沒(méi)有軟件，計(jì)算機(jī)也不能工作。這正如樂(lè)團(tuán)和樂(lè)譜的關(guān)系一樣，如果只有樂(lè)器、演奏員這類“硬件”，而沒(méi)有“樂(lè)譜”這類軟件，樂(lè)團(tuán)就很難表演出動(dòng)人的節(jié)目。所以，硬件和軟件是相輔相成的，只有配上軟件的計(jì)算機(jī)才稱為完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。我們通常把計(jì)算機(jī)軟件分為“系統(tǒng)軟件”和“應(yīng)用軟件”兩大類。應(yīng)用軟件一般是指那些能直接完成具體工作的各種各樣的軟件，如文字處理軟件、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件、企事業(yè)單位的信息管理軟件以及游戲軟件等。應(yīng)用軟件一般不能獨(dú)立地在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行而必須有系統(tǒng)軟件的支持。

系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的管理、調(diào)度、監(jiān)視和服務(wù)等，其目的是方便用戶，提高計(jì)算機(jī)的使用效率，擴(kuò)充系統(tǒng)的功能。通常將系統(tǒng)軟件分為以下六類。

(1)操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)是控制和管理計(jì)算機(jī)各種資料、自動(dòng)調(diào)度用戶作業(yè)程序、處理各種中斷的軟件。目前比較流行的操作系統(tǒng)有Linux操作系統(tǒng)、UNIX操作系統(tǒng)和Windows操作系統(tǒng)等。

(2)語(yǔ)言處理程序。計(jì)算機(jī)能識(shí)別的語(yǔ)言與機(jī)器能直接執(zhí)行的語(yǔ)言并不一致，計(jì)算機(jī)能識(shí)別的語(yǔ)言很多，如匯編語(yǔ)言、BASIC語(yǔ)言、FORTRAN語(yǔ)言、C語(yǔ)言等。它們各自都規(guī)定了一套基本符號(hào)和語(yǔ)法規(guī)則，用這些語(yǔ)言編制的程序叫源程序。用“0”或“1”的機(jī)器代碼按一定規(guī)則組成的語(yǔ)言稱為機(jī)器語(yǔ)言。用機(jī)器語(yǔ)言編制的程序稱為目標(biāo)程序。語(yǔ)言處理程序的任務(wù)就是將源程序翻譯成目標(biāo)程序。不同語(yǔ)言的源程序，對(duì)應(yīng)有不同的語(yǔ)言處理程序。語(yǔ)言處理程序有匯編程序、編譯程序和解釋程序三種。

(3)標(biāo)準(zhǔn)程序庫(kù)。為方便用戶編制程序，通常將一些常用的程序按照標(biāo)準(zhǔn)的格式預(yù)先編制好，組成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)程序庫(kù)，存入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，需要時(shí)由用戶選擇合適的程序段嵌入自己的程序中，這樣既省事，又可靠。

(4)服務(wù)性程序，也稱工具軟件，它擴(kuò)大了機(jī)器的功能。服務(wù)性程序一般包括診斷程序、調(diào)試程序等。

(5)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。這是為滿足大量數(shù)據(jù)管理要求而設(shè)計(jì)的一種專用軟件。

(6)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)軟件。網(wǎng)絡(luò)軟件能實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化管理等要求?？傊浖到y(tǒng)是在硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，為有效地使用計(jì)算機(jī)而配置的。沒(méi)有系統(tǒng)軟件，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)無(wú)法正常、有效地運(yùn)行；沒(méi)有應(yīng)用軟件，計(jì)算機(jī)就不能發(fā)揮效能。

1.2.3計(jì)算機(jī)工作原理

微型計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程，實(shí)際上就是程序的執(zhí)行過(guò)程。程序是由指令所組成的序列，存放在微型計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中。控制器控制程序的執(zhí)行，是產(chǎn)生各種控制信號(hào)的關(guān)鍵部件，因此它必須具備以下的基本功能。

(1)取指令：根據(jù)程序在存儲(chǔ)器中的存儲(chǔ)位置，發(fā)出指令地址，在控制信號(hào)的控制下，從存儲(chǔ)器的相應(yīng)單元中取出指令。

(2)分析指令：也稱為指令譯碼，即對(duì)當(dāng)前取出的指令進(jìn)行分析、解釋，指出它要求作何種操作，并產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制命令。如果參與操作的數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中，還需要形成操作數(shù)的地址，并產(chǎn)生控制信號(hào)。

(3)執(zhí)行指令：根據(jù)分析指令時(shí)產(chǎn)生的操作控制信號(hào)序列，通過(guò)運(yùn)算器、存儲(chǔ)器及輸入/輸出設(shè)備的執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)每條指令的功能，其中包括對(duì)運(yùn)算結(jié)果的處理以及下條指令地址的形成等。程序的執(zhí)行過(guò)程就是不斷重復(fù)上述三種基本操作的過(guò)程，即取指令、分析指令、執(zhí)行指令；取下條指令、分析指令、執(zhí)行指令。如此循環(huán)，直到遇到停機(jī)指令或外來(lái)干預(yù)為止。

一般說(shuō)來(lái)，指令譯碼器沒(méi)有相應(yīng)的控制信號(hào)，只要指令一存到指令譯碼器，它就開始譯碼，所以，也可以將取指和譯碼操作合并為取指令周期需要完成的工作。這樣就可以把指令的執(zhí)行過(guò)程分為取指令和執(zhí)行指令兩個(gè)階段。結(jié)合上面所說(shuō)的控制器的功能，指令的具體執(zhí)行過(guò)程如下。①取指階段：把指令的地址置給程序計(jì)數(shù)器(PC)，從指令所在的存儲(chǔ)單元中讀出指令，直到把指令傳送給指令寄存器(IR)，這個(gè)階段稱之為取指周期。取指過(guò)程如下：

●將程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容移到地址寄存器(AR)；

●存儲(chǔ)器進(jìn)行讀操作；

●程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容加1，作為下一條指令的地址；

●從存儲(chǔ)器讀出指令，存入到數(shù)據(jù)寄存器(DR)；

●把數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容傳送到指令寄存器(IR)；

●分析指令寄存器內(nèi)的操作碼。②執(zhí)行階段：執(zhí)行階段的內(nèi)容因?yàn)橹噶畲a的不同將會(huì)有很大不同，這一點(diǎn)與取指階段差別較大。這里以從主存儲(chǔ)器讀出數(shù)據(jù)進(jìn)行相加、把運(yùn)算結(jié)果寫入主存、條件轉(zhuǎn)移的指令功能為例介紹執(zhí)行階段的操作過(guò)程。

讀出數(shù)據(jù)并相加：

●把指令寄存器的地址移到數(shù)據(jù)寄存器；

●開始主存的讀操作；

●讀出的數(shù)據(jù)存入到數(shù)據(jù)寄存器；

●把數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容和累加器的內(nèi)容送至ALU；

●進(jìn)行加法運(yùn)算；

●把相加結(jié)果送回到累加器；

●命令終止，進(jìn)入下一條指令的取指周期。累加器內(nèi)容寫入主存：

●把指令寄存器的地址移到地址寄存器；

●開始主存的寫操作；

●把累加器的內(nèi)容送到數(shù)據(jù)寄存器；

●命令終止，進(jìn)入下一條指令的取指周期。

條件轉(zhuǎn)移的過(guò)程：

●條件滿足，則把指令寄存器的地址碼送到程序計(jì)數(shù)器，否則無(wú)操作；

●命令終止，進(jìn)入下一條指令的取指周期。

(4)異常情況和某些請(qǐng)求的處理：當(dāng)機(jī)器在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)某些異常情況時(shí)，如算術(shù)運(yùn)算時(shí)產(chǎn)生溢出、存儲(chǔ)器存儲(chǔ)出錯(cuò)、系統(tǒng)掉電；或者某些外來(lái)請(qǐng)求，如定時(shí)時(shí)間到、從鍵盤輸入命令、磁盤上的成批數(shù)據(jù)需送內(nèi)存等，此時(shí)由這些部件或設(shè)備發(fā)出：

①中斷請(qǐng)求信號(hào)，待CPU執(zhí)行完當(dāng)前指令后，響應(yīng)該中斷請(qǐng)求，中止當(dāng)前執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行為中斷請(qǐng)求服務(wù)的程序。當(dāng)該中斷請(qǐng)求處理完畢后，再返回原程序中斷處繼續(xù)運(yùn)行下去。

②DMA請(qǐng)求信號(hào)(DirectMemoryAccess)，即直接存儲(chǔ)器存取請(qǐng)求。微型計(jì)算機(jī)中，數(shù)據(jù)的傳送一般是通過(guò)運(yùn)算器來(lái)完成的。當(dāng)I/O設(shè)備中成批數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)器之間進(jìn)行傳送時(shí)，如果通過(guò)運(yùn)算器來(lái)傳送，則速度較慢，于是出現(xiàn)了直接存儲(chǔ)器存取方式。I/O設(shè)備向控制器發(fā)出DMA請(qǐng)求信號(hào)，等CPU完成當(dāng)前機(jī)器周期操作后，暫停操作，將總線使用權(quán)讓給I/O設(shè)備，使I/O設(shè)備與存儲(chǔ)器直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。在完成I/O設(shè)備與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳送操作后，CPU收回總線的使用權(quán)，從暫時(shí)中止的機(jī)器周期開始處繼續(xù)執(zhí)行指令。 1.3計(jì)算機(jī)主要性能指標(biāo)

衡量計(jì)算機(jī)性能優(yōu)異程度的技術(shù)指標(biāo)主要有：

(1)字長(zhǎng)。字長(zhǎng)是計(jì)算機(jī)內(nèi)部一次可以處理的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)。一般一臺(tái)計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)取決于它的通用寄存器、內(nèi)存儲(chǔ)器、ALU的位數(shù)和數(shù)據(jù)總線的寬度。字長(zhǎng)越長(zhǎng)，一個(gè)字所能表示的數(shù)據(jù)精度就越高；在完成同樣精度的運(yùn)算時(shí)，數(shù)據(jù)處理速度越快。但是，字長(zhǎng)越長(zhǎng)，計(jì)算機(jī)的硬件代價(jià)相應(yīng)也增大。為了兼顧精度/速度與硬件成本兩方面，有些計(jì)算機(jī)允許采用變字長(zhǎng)運(yùn)算。一般情況下，CPU的內(nèi)、外數(shù)據(jù)總線寬度是一致的。但有的CPU為了改進(jìn)運(yùn)算性能，加寬了CPU的內(nèi)部總線寬度，致使內(nèi)部字長(zhǎng)和外部數(shù)據(jù)總線寬度不一致。如Intel8088/

80188的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線寬度為16位，外部為8位。對(duì)這類芯片，稱之為“準(zhǔn)××位”CPU。因此，Intel8088/80188被稱為“準(zhǔn)16位”CPU。

(2)存儲(chǔ)器容量。存儲(chǔ)器容量是衡量計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)二進(jìn)制信息量大小的一個(gè)重要指標(biāo)。微型計(jì)算機(jī)中一般以字節(jié)B(Byte的縮寫)為單位表示存儲(chǔ)容量，并且將1024?B簡(jiǎn)稱為1?KB，1024?KB簡(jiǎn)稱為1?MB(兆字節(jié))，1024?MB簡(jiǎn)稱為1?GB(吉字節(jié))，1024GB簡(jiǎn)稱為1?TB(太字節(jié))。目前市場(chǎng)上流行的Pentium微機(jī)大多具有256?MB～1?GB的內(nèi)存容量和40～160?GB的外存容量。

(3)主頻。主頻也叫做時(shí)鐘頻率，用來(lái)表示微處理器的運(yùn)行速度，主頻越高表明微處理器運(yùn)行越快。主頻的單位是MHz。早期微處理器的主頻與外部總線的頻率相同，從80486DX2開始，主頻等于外部總線頻率與倍頻系數(shù)的乘積。其中，外部總線頻率通常簡(jiǎn)稱為外頻，它的單位也是M