第一章計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

一、計(jì)算機(jī)的發(fā)展

自從1946年2月現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的鼻祖ENIAC(electronicnumerical

integratorandcom-puter)在美國賓夕法尼亞大學(xué)問世以后，短短50

年里，計(jì)算機(jī)技術(shù)經(jīng)歷了巨大的變革。

學(xué)術(shù)界經(jīng)常使用器件(硬件)劃分計(jì)算機(jī)的發(fā)展史，如第一代電子管

計(jì)算機(jī)(1947?1957),第二代晶體管計(jì)算機(jī)(1958?1964),第三代

集成電路計(jì)算機(jī)(1964?1972),第四代大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)

(1972?)，目前提出了所謂的第五代(或新一代)計(jì)算機(jī)。

從1946年到50年代后期(1946?1957)為電子管計(jì)算機(jī)時(shí)期。計(jì)算

機(jī)的元器件主要由電子管(vacuumtube)組成。其特點(diǎn)是體積龐大、

功耗高、運(yùn)算速度較低。如ENIAC占地170nl2,重達(dá)30噸，功耗

為140kW,有18000多個(gè)電子管，每秒鐘能進(jìn)行5000次加法計(jì)算。

這一階段，計(jì)算機(jī)主要用于軍事、國防等尖端技術(shù)領(lǐng)域。除了EN1AC

以外，1945年左右，馮?諾依曼等人在研制EDVAC(electronicdiscrete

variablecomputer)時(shí)，提出了存儲(chǔ)程序(stored-program)概念，奠

定了以后計(jì)算機(jī)發(fā)展的基石。IBM公司1954年12月推出的IBM650

是第一代計(jì)算機(jī)的代表。從20世紀(jì)50年代后期到60年代中期

(1958?1964)為晶體管計(jì)算機(jī)時(shí)期。自從1947年晶體管(transistor)

在貝爾實(shí)驗(yàn)室誕生后，引發(fā)了一場影響深遠(yuǎn)的電子革命。體積小、功

耗低、價(jià)格便宜的晶體管取代了電子管，不僅提高了計(jì)算機(jī)的性能，

也使計(jì)算機(jī)在科研、商業(yè)等領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛地應(yīng)用。第二代計(jì)算機(jī)不

僅采用了晶體管器件，而且存儲(chǔ)器改用速度更快的磁芯存儲(chǔ)器;與此

同時(shí)高級(jí)編程語言和系統(tǒng)軟件的出現(xiàn)，也大大提高了計(jì)算機(jī)的性能和

拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域。這一時(shí)期計(jì)算機(jī)的代表主要有DEC公司1957年

推出的PDP-I、IBM公司于1962年推出的7094以及CDC公司1964

年研制成功的CDC6600o1969年CDC公司研制的DCD7600平均速

度達(dá)到每秒千萬次浮點(diǎn)運(yùn)算。

從20世紀(jì)60年代中期到70年代初期(1965?1972)為集成電路計(jì)

算機(jī)時(shí)代。第一代和第二代計(jì)算機(jī)均采用分離器件(discrete

component)組成。集成電路(integratedcircuit)的出現(xiàn)，宣告了第

三代計(jì)算機(jī)的來臨。由于采用了集成電路，使得計(jì)算機(jī)的制造成本迅

速下降;同時(shí)因?yàn)檫壿嫼痛鎯?chǔ)器件集成化的封裝，大大提高了運(yùn)行速

度，功耗也隨之下降;集成電路的使用，使得計(jì)算機(jī)內(nèi)各部分的互聯(lián)

更加簡單和可靠，計(jì)算機(jī)的體積也進(jìn)一步縮小。這一時(shí)期的代表為

IBM的system/360和DEC的PDP-8。

從20世紀(jì)70年代初期到70年代后期(1972?1978)為大規(guī)模集成

電路(LSI)計(jì)算機(jī)時(shí)代。20世紀(jì)70年代初半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的出現(xiàn)，

迅速取代了磁芯存儲(chǔ)器，計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器向大容量、高速度的方向飛

速發(fā)展。存儲(chǔ)器芯片從Ikbit,4kbit,16kbit,64kbit,256kbit,1Mbit,

4Mbit發(fā)展至16Mbit(1992年)。

接著就進(jìn)入了超大規(guī)模集成電路(VLSI)計(jì)算機(jī)時(shí)代。隨著技術(shù)的

日新月異，軟件和通信的重要性也逐步上升，成為和硬件一樣舉足輕

重的因素。同時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)對計(jì)算機(jī)的性能也有巨大的影響(中

斷系統(tǒng)、Cache存儲(chǔ)器、流水線技術(shù)等等)。實(shí)際上在第三代計(jì)算機(jī)

以后，就很難找到一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分。

也可以從應(yīng)用的觀點(diǎn)來劃分計(jì)算機(jī)的發(fā)展史。最早的應(yīng)用是軍事上的

需要，如炮彈彈道計(jì)算，核武器的設(shè)計(jì)等;其次是廣泛地用于科學(xué)計(jì)

算，工程設(shè)計(jì)計(jì)算;第三階段是大量用于管理，現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的80%以

上用于管理;再接著是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)和輔助制造(CAM);

進(jìn)入90年代，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用已趨向于綜合化和智能化，例如在一個(gè)

企業(yè)里，計(jì)算機(jī)不僅用于科學(xué)計(jì)算、輔助設(shè)計(jì)和輔助制造，還用于輔

助管理和輔助決策(MIS與DSS),以及辦公自動(dòng)化(OA)等等，使

設(shè)計(jì)、生產(chǎn)自動(dòng)化和管理自動(dòng)化融為一體，形成所謂計(jì)算機(jī)集成制造

系統(tǒng)(CIMS-ComputerIntegratedManufacturingSystem),再發(fā)展下去

就是工廠自動(dòng)化(FactoryAutomation)或稱無人工廠。DSS(Decision

SupportSystem)/ES(ExpertSystem)利用人工智能(AI—Artifcation

In-telligence)技術(shù)，讓計(jì)算機(jī)代替人判斷、推理，尋找最優(yōu)方案，以

輔助決策者決策。

目前更流行的是認(rèn)為計(jì)算機(jī)的發(fā)展經(jīng)過了三次浪潮(wave)。

計(jì)算機(jī)的發(fā)展第一個(gè)浪潮是單個(gè)主機(jī)(Mainframe)的時(shí)期，以

IBM360、370為代表的大型機(jī)的出現(xiàn)，其特點(diǎn)是以批處理為主，主要

用于大規(guī)?？茖W(xué)計(jì)算。

第二次浪潮為客戶機(jī)/服務(wù)器(Client/Server)的時(shí)期，這時(shí)期出現(xiàn)了

小型機(jī)、微型機(jī)和局域網(wǎng)。其特點(diǎn)是多用戶分時(shí)處理。

第三個(gè)浪潮是70?80年代的微型計(jì)算機(jī)PC(PersonalComputer)的

出現(xiàn)?，F(xiàn)在正處于第三次浪潮，網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)的時(shí)期，即以網(wǎng)絡(luò)為中心

或以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)時(shí)期。

目前計(jì)算機(jī)向綜合的方向發(fā)展，將各種計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)綜合起

來，并結(jié)合了多媒體技術(shù)、通信技術(shù)等，把人類帶入了網(wǎng)絡(luò)社會(huì)。

二、計(jì)算機(jī)的分類及其應(yīng)用

計(jì)算機(jī)分類的方法大致可分如下兒種：

1.按信息的形式和處理方式分類

計(jì)算機(jī)按信息的形式和處理方式可分為數(shù)字計(jì)算機(jī)、模擬計(jì)算機(jī)以及

數(shù)字混合計(jì)算機(jī)。

2.按計(jì)算機(jī)的用途分類

計(jì)算機(jī)按用途可分為通用計(jì)算機(jī)和專用計(jì)算機(jī)。

3.按計(jì)算機(jī)規(guī)模分類

計(jì)算機(jī)按規(guī)?？蓜澐譃榫扌蜋C(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)等。

計(jì)算機(jī)的應(yīng)用如下：

1.在科學(xué)計(jì)算中的應(yīng)用

2.在實(shí)時(shí)控制中的應(yīng)用

3.在數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用

4.計(jì)算機(jī)在輔助設(shè)計(jì)和輔助制造(CAD/CAM)中的應(yīng)用

5.辦公自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用三、計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)

實(shí)際應(yīng)用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)以及通信網(wǎng)絡(luò)

系統(tǒng)組成的一個(gè)整體系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)是指構(gòu)成計(jì)算機(jī)的所有實(shí)

體部件的集合，通常這些部件由電路（電子元件）、機(jī)械等物理部件

組成，它們都是看得見摸得著的，故通常稱為“硬件”。計(jì)算機(jī)硬件結(jié)

構(gòu)也可以稱為馮?諾伊曼結(jié)構(gòu)，它由五大部件組成:主機(jī)部分由運(yùn)算器、

控制器、存儲(chǔ)器組成，外設(shè)部分由輸入設(shè)備和輸出設(shè)備組成，其中核

心部分部件是運(yùn)算器。

計(jì)算機(jī)硬件之間的連接線路分為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與總線結(jié)構(gòu)，這里主要介紹

總線（BUS）結(jié)構(gòu)?？偩€結(jié)構(gòu)有如下幾種形式：

1.以CPU為中心的雙總線結(jié)構(gòu)

所謂總線實(shí)際上是一組并行的導(dǎo)線，導(dǎo)線的數(shù)目和計(jì)算機(jī)字長相同，

數(shù)據(jù)和指令通過總線傳送。

2.以存儲(chǔ)器為中心的雙總線結(jié)構(gòu)

3.單總線結(jié)構(gòu)

主要部件功能：

1.運(yùn)算器

運(yùn)算器是完成二進(jìn)制編碼的算術(shù)或邏輯運(yùn)算的部件。運(yùn)算器由累加器

（用符號(hào)LA表示）、通用寄存器（用符號(hào)LB表示）和算術(shù)邏輯單

元（用符號(hào)ALU表示）組成，核心是算術(shù)邏輯單元。

2.存儲(chǔ)器

在計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)器包括內(nèi)存儲(chǔ)器（又叫主存儲(chǔ)器或隨機(jī)存儲(chǔ)器，簡

稱內(nèi)存或主存）、外存儲(chǔ)器、只讀存儲(chǔ)器和高速緩沖存儲(chǔ)器以及寄存

器等。隨機(jī)存儲(chǔ)器是按地址存取數(shù)據(jù)的，若地址總線共有20條（A

0?A19）,即有20個(gè)二進(jìn)制位，可形成220=1048576個(gè)地址（1

兆地址)。

3.控制器

控制器由三大部件組成，它們是指令部件、時(shí)序部件和操作控制部件。

(1)指令部件

指令部件包括程序計(jì)數(shù)器PC,指令寄存器IR和指令譯碼器IDo

(2)時(shí)序部件

時(shí)序部件產(chǎn)生定時(shí)節(jié)拍，一般由時(shí)鐘信號(hào)源、節(jié)拍發(fā)生器及微操作電

路組成。

4.輸出寄存器

輸出寄存器用于存放輸出結(jié)果，以便由它通過必要的接口(輸出通

道)，在輸出設(shè)備上輸出運(yùn)算結(jié)果。

5.輸入設(shè)備

目前主要通過CRT終端和鍵盤實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話。磁性設(shè)備閱讀機(jī)、光

學(xué)閱讀機(jī)等也可作為輸入設(shè)備。

四、計(jì)算機(jī)軟件的功能及分類

所謂軟件是指為運(yùn)行、維護(hù)、管理、應(yīng)用計(jì)算機(jī)所編制的所有程序的

總和。軟件分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。

系統(tǒng)軟件包括計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)(OperationSystem)、計(jì)算機(jī)的各種管

理程序、監(jiān)控程序、調(diào)試程序、編輯程序以及各種語言的編譯或解釋

程序等。應(yīng)用軟件是為解決各種實(shí)際問題而設(shè)計(jì)的程序。軟件系統(tǒng)軟

件操作系統(tǒng)編輯程序

語言處理程序匯編程序編譯程序解釋程序系統(tǒng)實(shí)用程序裝配連接程

序應(yīng)用軟件通用軟件用戶程序

1.操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)具有三大功能:管理計(jì)算機(jī)硬、軟件資源，使之有效使用;組

織協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行，以增強(qiáng)系統(tǒng)的處理能力;提供人機(jī)接口，為用

戶提供方便。操作系統(tǒng)具有的管理：

(1)作業(yè)管理。

(2)資源管理。

(3)中斷處理。

(4)I/O處理。

(5)調(diào)度。

(6)錯(cuò)誤處理。

(7)保護(hù)和保密處理。

(8)記帳。

操作系統(tǒng)的基本類型：

(1)批處理操作系統(tǒng)。

(2)分時(shí)系統(tǒng)。

(3)實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

操作系統(tǒng)的管理功能主要內(nèi)容：

(1)處理機(jī)管理。

(2)存儲(chǔ)管理。

(3)文件管理。

(4)設(shè)備管理。

2.數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)既可以認(rèn)為是一個(gè)系統(tǒng)軟件也可以認(rèn)為是一個(gè)通用

的應(yīng)用軟件。

目前有三種類型的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，故可存放三種模型的數(shù)據(jù)，這三

種數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)分別為層次數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫。

3.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)軟件

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是通過通信線路連接的硬件、軟件與數(shù)據(jù)集合的一個(gè)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。從硬件來說，除計(jì)算機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點(diǎn)以外，還有如服

務(wù)器（也可是一臺(tái)計(jì)算機(jī)），網(wǎng)絡(luò)適配器，終端控制器以及網(wǎng)絡(luò)連接

器等硬件設(shè)備;從軟件來說，有網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)通信及協(xié)議軟件,

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等。

4.高級(jí)語言及語言處理器

用戶用高級(jí)語言編寫的程序稱源程序，源程序不能由計(jì)算機(jī)直接執(zhí)

行，必須翻譯成機(jī)器能執(zhí)行的語言一機(jī)器語言，這種翻譯是由機(jī)器自

動(dòng)翻譯的，“譯員”稱編譯程序或編譯器，當(dāng)源程序輸入計(jì)算機(jī)后，調(diào)

用編譯程序編譯成機(jī)器語言（稱目標(biāo)程序），然后執(zhí)行。還有一種語

言處理程序叫解釋程序，輸入一條語句，翻譯一條?，F(xiàn)在已出現(xiàn)了第

4代語言（4GL）和計(jì)算機(jī)輔助軟件工具CASE。

5.常用的通用軟件

在數(shù)據(jù)處理、事務(wù)處理、報(bào)表處理中有許多通用軟件，如字處理軟件

WPS、WORD,報(bào)表處理軟件LOTUS1-2-3等。

五、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)表示1.二進(jìn)制計(jì)數(shù)制

引入二進(jìn)制數(shù)字系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)和性能具有如下的優(yōu)點(diǎn)：

(1)技術(shù)實(shí)現(xiàn)容易。

(2)二進(jìn)制運(yùn)算規(guī)則簡單。

(3)計(jì)算機(jī)中二進(jìn)制數(shù)的0、1數(shù)碼與邏輯代數(shù)變量值。與1吻合，

所以二進(jìn)制同時(shí)可以使計(jì)算機(jī)方便地進(jìn)行邏輯運(yùn)算。

(4)二進(jìn)制數(shù)和十進(jìn)制數(shù)之間的關(guān)系亦不復(fù)雜。

2.任意進(jìn)制計(jì)數(shù)制和十進(jìn)制計(jì)數(shù)制的相互轉(zhuǎn)換

十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)：

十進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)時(shí)，因整數(shù)部分與小數(shù)部分轉(zhuǎn)換算法不

同，需要分別進(jìn)行。

(1)整數(shù)轉(zhuǎn)換方法一除基取余法

十進(jìn)制整數(shù)除以2取余數(shù)作最低位系數(shù)k0,再取商的繼續(xù)除以2取

余數(shù)作高一位的系數(shù)，如此繼續(xù)直到商為0時(shí)停止，最后一次的余數(shù)

就是整數(shù)部分最高有效位的二進(jìn)制系數(shù)，依次所得到的余數(shù)序列就是

轉(zhuǎn)換成的二進(jìn)制數(shù)。因?yàn)槌龜?shù)2是二進(jìn)制的基數(shù)，所以這種算法稱作

“除基取余”法。

(2)小數(shù)轉(zhuǎn)換方法一乘基取整法

把十進(jìn)制小數(shù)乘以2,取其積的整數(shù)部分作為對應(yīng)二進(jìn)制小數(shù)的最高

位系數(shù)k-1,再取積的純小數(shù)部分乘以2,新得積的整數(shù)部分又作下

一位的系數(shù)k-2,再取其積的純小數(shù)部分繼續(xù)乘2,…，直到乘積小

數(shù)部分為。時(shí)停止，這時(shí)乘積的整數(shù)部分是二進(jìn)制數(shù)最低位系數(shù)，每

次乘積得到的整數(shù)序列就是所求的二進(jìn)制小數(shù)，這種方法每次乘以基

數(shù)取其整數(shù)作系數(shù)。所以叫乘基取整法。需要指出的是并不是所有十

進(jìn)制小數(shù)都能轉(zhuǎn)換成有限位的二進(jìn)制小數(shù)并出現(xiàn)乘積的小數(shù)部分0

的情況，有時(shí)整個(gè)換算過程會(huì)無限進(jìn)行下去，此時(shí)可以根據(jù)要求并考

慮計(jì)算機(jī)字長，取一定長度的位數(shù)后四舍五入，這時(shí)得到的二進(jìn)制數(shù)

是原十進(jìn)制數(shù)的近似值。

一個(gè)既有整數(shù)部分又有小數(shù)的數(shù)送入計(jì)算機(jī)后，由機(jī)器把整數(shù)部分按

“除基取余”法，小數(shù)部分按“乘基取整''法分別進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后合并。

任意進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)：

任意一種進(jìn)位計(jì)數(shù)制的數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)的方法都是一樣的。把任意

進(jìn)制數(shù)按權(quán)展開成多項(xiàng)式和的形式，把各位的權(quán)與該位上的數(shù)碼相

乘，乘積逐項(xiàng)相加，其和便是相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成任意

進(jìn)制數(shù)：

十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成任意進(jìn)制數(shù)與十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)的方法完全

相同，即整數(shù)部分用除基取余的算法，小數(shù)部分用乘基取整的方法，

然后將整數(shù)與小數(shù)拼接成一個(gè)數(shù)作為轉(zhuǎn)換的最后結(jié)果。

3.數(shù)的機(jī)器碼表示

符號(hào)數(shù)的機(jī)器碼表示：

(1)機(jī)器數(shù)和真值

數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示形式統(tǒng)稱為機(jī)器數(shù)。機(jī)器數(shù)有兩個(gè)基本特點(diǎn)，其

一，數(shù)的符號(hào)數(shù)值化。實(shí)用的數(shù)據(jù)有正數(shù)和負(fù)數(shù)，因?yàn)橛?jì)算機(jī)只能表

示0、1兩種狀態(tài)，數(shù)據(jù)的正號(hào)或負(fù)號(hào)在機(jī)器里就用一位二

進(jìn)制的0或1來區(qū)別。通常這個(gè)符號(hào)放在二進(jìn)制數(shù)的最高位，稱符號(hào)

位，以。代表符號(hào)“+”，以1代表符號(hào)這樣正負(fù)符號(hào)就被數(shù)值化

To因?yàn)橛蟹?hào)占據(jù)一位，數(shù)的形式值就不等于真正的數(shù)值，帶符號(hào)

位的機(jī)器數(shù)對應(yīng)的數(shù)值稱為機(jī)器數(shù)的真值。

機(jī)器數(shù)的另一個(gè)特點(diǎn)是二進(jìn)制的位數(shù)受機(jī)器設(shè)備的限制。機(jī)器內(nèi)部設(shè)

備一次能表示的二進(jìn)制位數(shù)叫機(jī)器的字長，一臺(tái)機(jī)器的字長是固定

的。字長8位叫一個(gè)字節(jié)(Byte),現(xiàn)在機(jī)器字長一般都是字節(jié)的整

數(shù)倍，如字長8位、16位、32位、64位。

符號(hào)位數(shù)值化之后，為能方便的對機(jī)器數(shù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算、提高運(yùn)算速

度，計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)了多種符號(hào)位與數(shù)值一起編碼的方法，最常用的機(jī)器

數(shù)表示方法有三種:原碼、反碼和補(bǔ)碼。

(2)原碼表示法和反碼表示法

一個(gè)機(jī)器數(shù)X由符號(hào)位和有效數(shù)值兩部分組成。設(shè)符號(hào)位為X0,

X真值的絕對值|X|=X1X2...Xn,X的機(jī)器數(shù)原碼表示為:［X］原

=X0X1X2...Xn當(dāng)XN0時(shí)，X0=0當(dāng)X<0時(shí)，X0=l

原碼表示很直觀，但原碼加減運(yùn)算時(shí)符號(hào)位不能視同數(shù)值一樣參加運(yùn)

算，運(yùn)算規(guī)則復(fù)雜，運(yùn)算時(shí)間長，而計(jì)算機(jī)大量的數(shù)據(jù)處理工作是加

減運(yùn)算，原碼表示就很不方便了。

一個(gè)負(fù)數(shù)的原碼符號(hào)位不動(dòng)，其余各位取相反碼就是機(jī)器數(shù)的另一種

表示形式一反碼表示法。正數(shù)的反碼與原碼相同。設(shè)［X］原=X0

X1X2...Xn

當(dāng)X0=0時(shí)，［X］反=X0X1X2…Xn當(dāng)X0=l時(shí)，［X］反

=X0X1X2...Xn

(3)補(bǔ)碼表示法(complement)

設(shè)計(jì)補(bǔ)碼表示法的目的是:①使符號(hào)位能和有效數(shù)值部分一起參加數(shù)

值運(yùn)算從而簡化運(yùn)算規(guī)則，節(jié)省運(yùn)算時(shí)間。②使減法運(yùn)算轉(zhuǎn)化成加法

運(yùn)算，從而進(jìn)一步簡化計(jì)算機(jī)中運(yùn)算器的線路設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)是一種有

限字長的數(shù)字系統(tǒng)，因此都是有模運(yùn)算,超過模的運(yùn)算結(jié)果都將溢出。

n位二進(jìn)制整數(shù)的模是2no

一個(gè)數(shù)的補(bǔ)碼記作［X］補(bǔ)，設(shè)模是M,X是真值，補(bǔ)碼定義如下:

［X］補(bǔ)=［X］原XN

M+XX<0

從這個(gè)定義出發(fā)就能求得一個(gè)數(shù)的補(bǔ)碼。

對于二進(jìn)制數(shù)還有一種更加簡單的方法由原碼求得補(bǔ)碼。

①正數(shù)的補(bǔ)碼表示與原碼一樣，［X］補(bǔ)=［X］原

②負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼是將原碼符號(hào)位保持“1”之后其余各位取相反的碼，末

位加1便得到補(bǔ)碼，即取其原碼的反碼再加1：［X］補(bǔ)=［X］反

+1O

真值+0和-0的補(bǔ)碼表示是一致的，但在原碼和反碼表示中具有不同

的形式。8位補(bǔ)碼機(jī)器數(shù)可以表示-128,但不存在+128的補(bǔ)碼，由此

可知8位二進(jìn)制補(bǔ)碼能表示數(shù)的范圍是-128?+127。應(yīng)該注意，不存

在-128的8位原碼和反碼形式。

根據(jù)互補(bǔ)的概念，一個(gè)補(bǔ)碼機(jī)器數(shù)再求一次補(bǔ)就得到機(jī)器數(shù)的原碼

To

定點(diǎn)數(shù)與浮點(diǎn)數(shù):

(1)定點(diǎn)數(shù)(fixed-pointnumber)

計(jì)算機(jī)處理的數(shù)據(jù)不僅有符號(hào)，而且大量的數(shù)帶有小數(shù)，小數(shù)點(diǎn)不占

有二進(jìn)制位而是隱含有機(jī)器數(shù)里某固定位置上。通常采用兩種簡單的

約定:一種是約定所有機(jī)器數(shù)的小數(shù)點(diǎn)位置隱含在機(jī)器數(shù)的最低位之

后，叫定點(diǎn)純整數(shù)機(jī)器數(shù)，簡稱定點(diǎn)整數(shù)。

另一種約定是所有機(jī)器數(shù)的小數(shù)點(diǎn)位置隱含在符號(hào)位之后、有效數(shù)值

部分最高位之前，叫定點(diǎn)純小數(shù)機(jī)器數(shù)，簡稱定點(diǎn)小數(shù)。

計(jì)算機(jī)采用定點(diǎn)數(shù)表示時(shí)，對于既有整數(shù)又有小數(shù)的原始數(shù)據(jù)，需要

設(shè)定一個(gè)比例因子，數(shù)據(jù)按比例因子縮小成定點(diǎn)小數(shù)或擴(kuò)大成定點(diǎn)整

數(shù)再參加運(yùn)算，結(jié)果輸出時(shí)再按比例折算成實(shí)際值。n位原碼定點(diǎn)整

數(shù)的表示范圍是-(2n-1-1)<X<2n-1-1,n位原碼定點(diǎn)小數(shù)的表示

范圍是-(1-2-(n-1))<X<l-2-(n-1)。當(dāng)機(jī)器數(shù)小于定點(diǎn)數(shù)的

最小值時(shí)，被當(dāng)作0處理，超出定點(diǎn)數(shù)的最大值時(shí)，機(jī)器無法表達(dá)，

稱作“溢出”，此時(shí)機(jī)器將停止運(yùn)算，屏幕顯示溢出警告。

定點(diǎn)數(shù)表示方法簡單直觀，不過定點(diǎn)數(shù)表示數(shù)的范圍小，不易選擇合

適的比例因子，運(yùn)算過程容易產(chǎn)生溢出。

(2)浮點(diǎn)數(shù)(floating-pointnumber)

計(jì)算機(jī)采用浮點(diǎn)數(shù)來表示數(shù)值，它與科學(xué)計(jì)算法相似，把任意一個(gè)二

進(jìn)制數(shù)通過移動(dòng)小數(shù)點(diǎn)位置表示成階碼和尾數(shù)兩部分：

N=2ExS

其中:E-N的階碼(exponent),是有符號(hào)的整數(shù)；

S-N的尾數(shù)(mantissa),是數(shù)值的有效數(shù)字部分，一般規(guī)定取二進(jìn)

制定點(diǎn)純小數(shù)形式。

浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算必須化成規(guī)格化形式。所謂規(guī)格化，對于原碼尾數(shù)應(yīng)使最

高數(shù)字位S1=1,如果不是1,且尾數(shù)不是全為。時(shí)就要移動(dòng)尾數(shù)直

到S1=1,階碼相應(yīng)變化，保證N值不變。如果尾數(shù)是補(bǔ)碼，當(dāng)N

是正數(shù)時(shí)，S1必須是1,而N是負(fù)數(shù)時(shí)，S1必須是0,才稱為規(guī)

格化的形式。

4.數(shù)字編碼

十進(jìn)制數(shù)在機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)時(shí)，有時(shí)也以一種中間數(shù)字編碼形式

存在，它把每一位十進(jìn)制數(shù)用四位二進(jìn)制編碼表達(dá)，每一組只表達(dá)0?

9的數(shù)值運(yùn)算時(shí)，有專門的電路在每四位二進(jìn)制間按“十”進(jìn)位處理，

故稱為二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)…BCD碼(BinaryCodedDecimal)或

稱二-十進(jìn)制數(shù)。其編碼種類很多，如格雷碼、余3碼等，最常用的

叫8421BCD碼，4個(gè)二進(jìn)制位自左向右每位的權(quán)分別是8、4、2、1。

0?9的8421碼與通常的二進(jìn)制一樣進(jìn)位，十分簡單，當(dāng)計(jì)數(shù)超過9

時(shí)一，需要采取辦法自動(dòng)向十進(jìn)制高位進(jìn)一，即要進(jìn)行“十進(jìn)制調(diào)整”

才能得到正確結(jié)果。

5.校驗(yàn)碼

由于器件質(zhì)量不可靠、線路工藝不過關(guān)、遠(yuǎn)距離傳送帶來的干擾或受

來自電源、空間磁場影響等因素，使得信息在存取、傳送和計(jì)算過程

中難免會(huì)發(fā)生諸如“1”誤變?yōu)椤?”的錯(cuò)誤，計(jì)算機(jī)一旦出錯(cuò)，要能及時(shí)

檢測并糾正錯(cuò)誤，其中一種方法是對數(shù)據(jù)信息擴(kuò)充，加入新的代碼，

它與原數(shù)據(jù)信息一起按某種規(guī)律編碼后具有發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的能力，有的甚

至能指出錯(cuò)誤所在的準(zhǔn)確位置使機(jī)器自動(dòng)糾正，能起這種作用的編碼

叫"校驗(yàn)碼"(checkcode)o

奇偶校驗(yàn)碼：

將每個(gè)數(shù)據(jù)代碼擴(kuò)展一個(gè)二進(jìn)位作校驗(yàn)位(paritybit),這個(gè)校驗(yàn)取0

還是取1的原則是:若是奇校驗(yàn)(oddparity),編碼是含“1”的個(gè)數(shù)連

同校驗(yàn)位的取值在內(nèi)共有奇數(shù)個(gè)"1"；若是偶校驗(yàn)(evenparity)，連同

校驗(yàn)位在內(nèi)編碼里含“1”的個(gè)數(shù)是偶數(shù)個(gè)。

交*校驗(yàn)：

計(jì)算機(jī)進(jìn)行大量字節(jié)傳送時(shí)一次傳送兒百甚至更多字節(jié)組成的數(shù)據(jù)

塊，如果不僅每一個(gè)字節(jié)有一個(gè)奇偶校驗(yàn)位一稱橫向校驗(yàn)，而且全部

字節(jié)的同一位也設(shè)置了一個(gè)奇偶校驗(yàn)位一稱縱向校驗(yàn)，對數(shù)據(jù)塊代碼

的橫向縱向同時(shí)校驗(yàn)，這種情況叫交*校驗(yàn)。

循環(huán)冗余校驗(yàn)碼---CRC碼(CyclicRedundancyCheck):

計(jì)算機(jī)信息傳向遠(yuǎn)方終端或傳到另一個(gè)計(jì)算中心時(shí)，信息沿一條通信

線路一位位傳送，這種通信方式叫串行通信。循環(huán)冗余碼(簡稱CRC

碼)就是一種檢驗(yàn)?zāi)芰軓?qiáng)，在串行通信中廣泛采用的校驗(yàn)編碼。

(1)CRC碼

串行傳送的信息M(X)是一串k位二進(jìn)制序列，在它被發(fā)送的同時(shí),

被一個(gè)事先選擇的“生成多項(xiàng)式”相除，“生成多項(xiàng)式”長r+1位，相除

后得到r位余數(shù)就是校驗(yàn)位，它拼接到原k位有效信息后面即形成

CRC碼。CRC碼到達(dá)接收方時(shí)，接收方的設(shè)備一方面接收CRC碼，

一方面用同樣的生成多項(xiàng)式相除，如果正好除盡，表示無信息差錯(cuò)，

接收方去掉CRC碼后面r位校驗(yàn)位，收下k位有效信息;當(dāng)不能除盡

時(shí)，說明有信息的狀態(tài)位發(fā)生了轉(zhuǎn)變，即出錯(cuò)了。一般要求重新傳送

一次或立即糾錯(cuò)。

(2)CRC碼計(jì)算

傳送信息時(shí)生成CRC碼以及接收時(shí)對CRC碼校驗(yàn)都要與“生成多項(xiàng)

式”相除，這里除法是“模2運(yùn)算”，即二進(jìn)位運(yùn)算時(shí)不考慮進(jìn)位和借

位。作模2除法時(shí)，取商的原則是當(dāng)部分余數(shù)首位為1時(shí)商取1,反

之商取0,然后按模2減，求部分余數(shù)。這個(gè)余數(shù)不計(jì)高位。當(dāng)被除

數(shù)逐位除完時(shí)，最后余數(shù)的位數(shù)比除數(shù)少一位。該余數(shù)就是校驗(yàn)位。

它拼接在有效信息后面組成CRC碼。因?yàn)樾ｒ?yàn)位擴(kuò)充了傳送部分的

代碼，所以這是一種基于“冗余校驗(yàn)”的思想的校驗(yàn)辦法。

(3)生成多項(xiàng)式

CRC碼是M(X)除以某一個(gè)預(yù)先選定的多項(xiàng)式后產(chǎn)生的，所以這個(gè)

多項(xiàng)式叫生成多項(xiàng)式。并不是任何一個(gè)r+1位的編碼都可以作生成多

項(xiàng)式用，它應(yīng)能滿足當(dāng)任何一位發(fā)生傳送錯(cuò)誤時(shí)都能使余數(shù)不為0,

并且不同位發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)應(yīng)當(dāng)使余數(shù)也不同，這樣不但能檢錯(cuò)而且能推

斷是哪一位出錯(cuò)，從而有利于準(zhǔn)確的糾錯(cuò)。有兩個(gè)生成多項(xiàng)式，其檢

錯(cuò)率很高。X16+X15+X2+1X16+X12+X6+1

6.非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示方法

計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)的概念是廣義的，機(jī)內(nèi)除有數(shù)值數(shù)據(jù)之外，還有文字、

符號(hào)、圖象、語言和邏輯信息等等，因?yàn)樗鼈円捕际?、1形式存在,

所以稱為非數(shù)值數(shù)據(jù)。

(1)字符數(shù)據(jù)

字符數(shù)據(jù)主要指數(shù)字、字母、通用符號(hào)、控制符號(hào)等

,在機(jī)內(nèi)它們都被變換成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的二進(jìn)制編碼形式。國際上

普遍采用的一種編碼是美國國家信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼(American

StandardCodeforInformationInterchange),簡稱ASCII碼。ASCII碼

選擇了四類共128種常用的字符:①數(shù)字。?9。②字母。

③通用符號(hào)。④動(dòng)作控制符。

(2)邏輯數(shù)據(jù)

邏輯數(shù)據(jù)是指計(jì)算機(jī)不帶符號(hào)位的一位二進(jìn)制數(shù)。

邏輯數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中雖然也是“0”或“1”的形式，但是與數(shù)值有很大區(qū)

別：

①邏輯數(shù)據(jù)的取值只有“0”和“1”兩個(gè)值，不可能再有其他值，而數(shù)值

數(shù)據(jù)。與1的不同組合可以反映很多不同數(shù)值。

②邏輯數(shù)據(jù)的“0”和“1”代表兩種成對出現(xiàn)的邏輯概念，與一般數(shù)學(xué)中

代表“0”和“1”的數(shù)值概念截然不同。

③邏輯數(shù)據(jù)和邏輯數(shù)據(jù)運(yùn)算可以表達(dá)事物內(nèi)部的邏輯關(guān)系，而數(shù)值數(shù)

據(jù)表達(dá)的是事物的數(shù)量關(guān)系。

漢字：

(1)漢字字音編碼

(2)漢字字形編碼

(3)漢字音形編碼

(4)電報(bào)碼

(5)整字編碼

為了能在不同的漢字系第一部分統(tǒng)之間交換信息、高效率高質(zhì)量共

享漢字信息，近年來國家推出了一系列有關(guān)中文信息處理的標(biāo)準(zhǔn)。比

如1981年我國制定推行的GB2312-80國家標(biāo)準(zhǔn)信息交換用漢字編碼

字符集(基本集)…簡稱國標(biāo)碼，以及若干輔助集。國標(biāo)碼收集、制

定的基本圖形字符有7千余個(gè)，其中常用漢字3755個(gè)，次常用漢字

3008個(gè)，共6763個(gè)漢字，還有俄文字母、日語假名、拉丁字母、希

臘字母、漢語拼音，每字節(jié)內(nèi)占用7bit信息，最高位補(bǔ)0,例如漢字

“啊”的國際碼,前一字節(jié)是01100000,后一字節(jié)是00100001,編碼

為3021Ho

漢字內(nèi)部碼是漢字在計(jì)算機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)、運(yùn)算的信息代碼，內(nèi)部碼的設(shè)

計(jì)要求與西文信息處理有較好的兼容性，當(dāng)一個(gè)漢字以某種漢字輸入

方案送入計(jì)算機(jī)后，管理模塊立刻將它轉(zhuǎn)換成兩字節(jié)長的GB2312-80

國標(biāo)碼，如果給國標(biāo)碼的每字節(jié)最高位加“1”，作為漢字標(biāo)識(shí)符，就

成為一種機(jī)器內(nèi)部表示漢字的代碼一漢字內(nèi)部碼。

漢字內(nèi)部碼的特點(diǎn)十分明顯：

①漢字內(nèi)部碼結(jié)構(gòu)簡短。一個(gè)漢字內(nèi)部碼只占兩個(gè)字節(jié)，兩字節(jié)足以

表達(dá)數(shù)千個(gè)漢字和各種符號(hào)圖形，且又節(jié)省計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)空間。

②便于和西文字符兼容。西文字符的ASCH碼占一個(gè)字節(jié)，兩字節(jié)的

漢字內(nèi)碼可以看成是它擴(kuò)展的字符代碼，在同一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，只

要從最高位標(biāo)識(shí)符就能區(qū)分這兩種代碼。標(biāo)識(shí)符是“0"，即是ASCII

碼;標(biāo)識(shí)符是“1”，則是漢字內(nèi)部碼。

7.語音識(shí)別及語言表示原理

語音產(chǎn)生機(jī)理的研究表明，每一種語言的語音都有自己特定的音素特

征，語音是不同頻率振動(dòng)的結(jié)果。分析語音的音素特點(diǎn)，找出音素的

基頻和高次頻率優(yōu)分，就能在計(jì)算機(jī)中建立發(fā)音系統(tǒng)的模型，在實(shí)施

中對語音采樣，通過濾波器分解提取頻率信息，由模/數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備轉(zhuǎn)

換成數(shù)字輸入計(jì)算機(jī)，與機(jī)內(nèi)的語言模型比較，由此達(dá)到識(shí)別語音的

目的。與此相反，如果選擇已知音素的參數(shù)，應(yīng)用語音系統(tǒng)模型，就

能得到指定的音素，進(jìn)一步按照一定的規(guī)則合成語言。

六、運(yùn)算器1.運(yùn)算器的組成

多功能算術(shù)/邏輯運(yùn)算單元(ALU):

(1)基本思想

關(guān)于一位全加器(FA)的邏輯表達(dá)式為：

Fi=AiBiCi

Ci+1=AiBi+BiCi+CiAi

式中Fi是第i位的和數(shù)，Ai、Bi是第i位的被加數(shù)和加數(shù)，Ci是

第i位的進(jìn)位輸入，Ci+1為第i位的進(jìn)位輸出。

一位算術(shù)/邏輯運(yùn)算單元的邏輯表達(dá)式為：

Fi=XiYiCn+i

Cn+i+1=XiYi+YiCn+i+Cn+iXi

上式中，進(jìn)位下標(biāo)用n+i代替原來一位全加器中的i,i代表集成在一

片電路上的ALU的二進(jìn)制位數(shù)，對于四位一片的ALU,i=0,1,2,

3on代表若干片ALU組成更長的運(yùn)算器時(shí)每片電路的進(jìn)位輸入。

(2)邏輯表達(dá)式

ALU的某一位邏輯表達(dá)式如下:

Yi=S3AiBi+S2AiBi

Xi=Ai+S0Bi+S1Bi

Fi=XiYiCn+i

Cn+i+1=Yi+XiCn+i

四位之間采用先行進(jìn)位方式。

對一片ALU來說，可有三個(gè)進(jìn)位輸出。其中G稱為進(jìn)位發(fā)生輸出，

P稱為進(jìn)位傳送輸出。在電路中，多加這兩個(gè)進(jìn)位輸出的目的是為了

便于實(shí)現(xiàn)多片(組)ALU之間的先行進(jìn)位，為此，還需一個(gè)配合電

路，它稱為先行進(jìn)位發(fā)生器(CLA)o

內(nèi)部總線：

根據(jù)總線所處位置，總線分為內(nèi)部總線和外部總線兩類。內(nèi)部總線是

指CPU內(nèi)各部件的連線，而外部總線是指系統(tǒng)總線，即CPU與存儲(chǔ)

器、I/O系統(tǒng)之間的連線。

按總線的邏輯結(jié)構(gòu)來說，總線可分為單向傳送總線和雙向傳送總線。

所謂單向總線，就是信息只能向一個(gè)方向傳送。所謂雙向總線，就是

信息可以向兩個(gè)方向傳送。換句話說，總線既可以用來發(fā)送數(shù)據(jù)，也

可以用來接收數(shù)據(jù)。

總線的邏輯電路往往是三態(tài)的，即輸出電平有三種狀態(tài):邏輯“1”、邏

輯“0”和“浮空，，狀態(tài)。

2.運(yùn)算器的基本結(jié)構(gòu)

運(yùn)算器包括ALU、陣列乘除器件、寄存器、多路開關(guān)或三態(tài)緩沖器、

數(shù)據(jù)總線等邏輯部件?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器大體有如下三種結(jié)構(gòu)形

式。①單總線結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器②雙總線結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器③三總線結(jié)構(gòu)的運(yùn)

算器

七、控制器1.控制器在CPU中的位置

中央處理器(CPU)由兩個(gè)主要部分一控制器及運(yùn)算器組成。其中程

序計(jì)數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時(shí)序產(chǎn)生器和操作控制器等組

成了控制器。它是對計(jì)算機(jī)發(fā)布命令的“決策機(jī)構(gòu)”，協(xié)調(diào)和指揮整個(gè)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的操作，因此，它處于CPU中極其重要的位置。在CPU

中，除算術(shù)邏輯單元(ALU)及累加器外，尚有下列邏輯部件：

(1)緩沖寄存器(DR)

緩沖寄存器用來暫時(shí)存放由內(nèi)存儲(chǔ)器讀出的一條指令或一個(gè)數(shù)據(jù)字;

反之，當(dāng)向內(nèi)存存入一條指令或一個(gè)數(shù)據(jù)字時(shí)，也暫時(shí)將它們存放在

這里。緩沖寄存器的作用是:①作為CPU和內(nèi)存、外部設(shè)備之間信息

傳送的中轉(zhuǎn)站;②補(bǔ)償CPU和內(nèi)存、外部設(shè)備之間在操作速度上的差

別；

③在單累加器結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器中，緩沖寄存器還可兼作為操作數(shù)寄存

器。

(2)指令寄存器(IR)

指令寄存器用來保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。指令劃分為操作碼和

地址碼字段，它們由二進(jìn)制數(shù)字組成。為執(zhí)行任何給定的指令，必須

對操作碼進(jìn)行譯碼，以便指出所要求的操作。

指令寄存器中操作碼字段的輸出就是指令譯碼器的輸入。操作碼一經(jīng)

譯碼后，即可向操作控制器發(fā)出具體操作的特定信號(hào)。

(3)程序計(jì)數(shù)器(PC)

為了保證程序能夠連續(xù)地執(zhí)行下去，CPU必須具有某些手段來確定

下一條指令的地址。而程序計(jì)數(shù)器(PC)正是起到這種作用，所以

通常又稱其為指令計(jì)數(shù)器。

(4)地址寄存器(AR)

地址寄存器用來保存當(dāng)前CPU所要訪問的內(nèi)存單元的地址。由于在

內(nèi)存和CPU之間存在著操作速度上的差別，所以必須使用地址寄存

器來保持地址信息，直到內(nèi)存讀/寫操作完成為止。

(5)累加寄存器(AC)

累加寄存器AC通常簡稱為累加器。它的功能是:當(dāng)運(yùn)算器的算術(shù)/邏

輯單元(ALU)執(zhí)行全部算術(shù)和邏輯運(yùn)算時(shí)，為ALU提供一個(gè)工作

區(qū)。例如，在執(zhí)行一個(gè)加法前，先將一個(gè)操作數(shù)暫時(shí)存放在AC中，

再從內(nèi)存中取出另一個(gè)操作數(shù)，然后同AC的內(nèi)容相加，所得結(jié)果送

回AC中，而AC中原有的內(nèi)容隨即被破壞。顧名思義，累加寄存器

用來暫時(shí)存放ALU運(yùn)算的結(jié)果信息。顯然，運(yùn)算器中至少要有一個(gè)

累加器寄存器。

由于運(yùn)算器的結(jié)構(gòu)不同，可采用多個(gè)累加寄存器。

(6)狀態(tài)寄存器(SR)

狀態(tài)寄存器保存由算術(shù)指令和邏輯指令運(yùn)行或測試結(jié)果建立的各種

狀態(tài)碼內(nèi)容。

(7)操作控制器

操作控制器的功能，就是根據(jù)指令操作碼和時(shí)序信號(hào)，產(chǎn)生各種操作

控制信號(hào)，以便正確地建立數(shù)據(jù)通路，從而完成取指令和執(zhí)行指令的

控制。

根據(jù)設(shè)計(jì)方法不同，操作控制器可分為組合邏輯型、存儲(chǔ)邏輯型、組

合邏輯與存儲(chǔ)邏輯結(jié)合型三種。第一種稱為常規(guī)控制器，它是采用組

合邏輯技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的;第二種稱為微程序控制器，它是采用存儲(chǔ)邏輯

來實(shí)現(xiàn)的;第三種稱為PLA控制器，它是吸收前兩種的設(shè)計(jì)思想來實(shí)

現(xiàn)的。

(8)時(shí)序產(chǎn)生器

CPU中除了操作控制器外，還必須有時(shí)序產(chǎn)生器，因?yàn)橛?jì)算機(jī)高速

地進(jìn)行工作，每一動(dòng)作的時(shí)間是非常嚴(yán)格的，不能有任何差錯(cuò)。時(shí)序

產(chǎn)生器的作用，就是對各種操作實(shí)施時(shí)間上的控制。

2.控制器的組成

運(yùn)算器包括ALU、累加器、數(shù)據(jù)緩沖寄存器和狀態(tài)寄存器，而控制

器的核心是操作控制器，圍繞它的有程序計(jì)數(shù)器(PC)、指令寄存器

(IR)、指令譯碼器(ID)和時(shí)序產(chǎn)生器。

八、存儲(chǔ)器1.存儲(chǔ)器的基本組成及其讀寫操作

(1)存儲(chǔ)器的基本組成

主存儲(chǔ)器由存儲(chǔ)體、地址譯碼電路、驅(qū)動(dòng)電路、讀寫電路和控制電路

等組成。主存儲(chǔ)器主要功能是:①存儲(chǔ)體:是信息存儲(chǔ)的集合體，由某

種存儲(chǔ)介質(zhì)按一定結(jié)構(gòu)組成的存儲(chǔ)單元的集合。通常是二維陣列組

織，是可供CPU和計(jì)算機(jī)其他部件訪問的地址空間。

②地址寄存器、譯碼電路與驅(qū)動(dòng)器:即尋址系統(tǒng)，將CPU確定的地址

先送至地址寄存器中，然后根據(jù)譯碼電路找到應(yīng)訪問的存儲(chǔ)單元。在

存儲(chǔ)體與譯碼器之間的驅(qū)動(dòng)器的功能是減輕譯碼線驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力。由

于一條譯碼線需要與它控制的所有存儲(chǔ)單元相聯(lián)，其負(fù)載很大。需要

增夾牽動(dòng)器，以譯碼線連叫葷動(dòng)器的輸入端，由驅(qū)動(dòng)器的輸出端控制

連接在譯碼線上的所有存儲(chǔ)單元。③讀寫電路與數(shù)據(jù)寄存器:根據(jù)

CPU的命令，將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)寄存器中寫入存儲(chǔ)體中特定的存儲(chǔ)單元

或?qū)⒋鎯?chǔ)體中指定單元的內(nèi)容讀到數(shù)據(jù)寄存器中。

④控制電路:接收CPU傳來的控制命令，經(jīng)過控制電路一系列的處理,

產(chǎn)生一組時(shí)序信號(hào)控制存儲(chǔ)器的操作。

在存儲(chǔ)器的組成中，存儲(chǔ)體是核心，其余部分是存儲(chǔ)體的外圍線路。

不同的存儲(chǔ)器都是由這兒部分組成，只是在選用不同的存儲(chǔ)介質(zhì)和不

同的存取方式時(shí)、各部分的結(jié)構(gòu)與工作方式略有變化。

（2）存儲(chǔ)體陣列

計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的是“0”和“1”的信息，每一個(gè)能存儲(chǔ)一位二進(jìn)制

并能保持兩種狀態(tài)的元件稱為記憶元件。若干記憶元件組成存儲(chǔ)單

元，一個(gè)存儲(chǔ)單元能夠存儲(chǔ)一個(gè)或幾個(gè)字節(jié)的二進(jìn)制信息。每個(gè)存儲(chǔ)

單元都有一個(gè)地址編號(hào)，用以唯一標(biāo)識(shí)存儲(chǔ)單元的位置。信息按地址

存入指定的存儲(chǔ)單元中，按地址從指定的存儲(chǔ)單元中取出。存儲(chǔ)單元

的集合稱為存儲(chǔ)體。由于存儲(chǔ)體中存儲(chǔ)單元的每個(gè)二進(jìn)制位必須并行

工作，因此將存儲(chǔ)單元按其地址的順序組成存儲(chǔ)陣列。

（3）存儲(chǔ)器的地址譯碼系統(tǒng)

CPU要訪問存儲(chǔ)單元的地址由地址總線輸入到地址寄存器中。地址

譯碼器將地址轉(zhuǎn)換為對應(yīng)地址線（字線）上的控制信號(hào)，以表示選中

某一單元，并驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的讀寫電路，完成對存儲(chǔ)單元的讀寫操作。

地址譯碼為兩種方式:一種是單譯碼方式，僅有一個(gè)譯碼器。譯碼器

輸出的每條譯碼線對應(yīng)一個(gè)存儲(chǔ)單元。如地址位數(shù)N=10,即譯碼器

可以有210=1024種狀態(tài)，對應(yīng)有1024條譯碼線（字線）即1024

個(gè)存儲(chǔ)單元。另外一種是雙譯碼方式，將譯碼器分成X向和Y向兩

個(gè)譯碼器，通過雙譯碼器的相互作用確定存儲(chǔ)單元的地址。

設(shè)地址長度n仍為10,將其中的前5位輸入到X地址譯碼器中，譯

出X0到X31譯碼線，分別選擇0?31行。將后5位輸入到Y(jié)地

址譯碼器中譯出Y0到Y(jié)31譯碼線，分別選擇0?31歹ij。X向譯碼

器和Y向譯碼器引出的地址線都是25=32條。若采用X向和Y向

交*選擇，可以選擇從存儲(chǔ)單元（0,0）至（31,31）共25x25=1024

個(gè)存儲(chǔ)單元地址。即同樣可以提供1024種狀態(tài)，而地址線只需要64

條，比單譯碼器節(jié)省93.75%的地址線。

（4）存儲(chǔ)器的讀寫操作

在CPU向存儲(chǔ)體發(fā)生讀操作命令時(shí)，首先由CPU將相應(yīng)存儲(chǔ)單元的

地址碼送至地址寄存器中;地址譯碼器將地址寄存器中的地址編碼譯

成相應(yīng)地址線（字線）的高電位，標(biāo)志指定的存儲(chǔ)單元;然后在CPU

的統(tǒng)一控制下，由控制電路將讀命令轉(zhuǎn)換成讀寫電路的操作，執(zhí)行將

指定存儲(chǔ)單元的內(nèi)容傳送到數(shù)據(jù)寄存器的操作，完成了整個(gè)存儲(chǔ)器讀

的操作。存儲(chǔ)器寫的操作與讀的操作相類似。不同類型的存儲(chǔ)器根據(jù)

其特點(diǎn)有不同的讀寫操作控制電路、控制機(jī)構(gòu)、讀寫電路及地址譯碼

器，但它們的基本操作原理大同小異。

2.RAM的結(jié)構(gòu)、組織及其應(yīng)用

半導(dǎo)體存儲(chǔ)器有體積小、存取速度快、生產(chǎn)制造易于自動(dòng)化等特點(diǎn)，

其性能價(jià)格比遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于磁芯存儲(chǔ)器，因而得到廣泛的應(yīng)用。

半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的種類很多，就其制造工藝可以分成雙極型半導(dǎo)體存儲(chǔ)

器和金屬-氧化物-半導(dǎo)體存儲(chǔ)器(簡稱MOS型存儲(chǔ)器)。MOS型存

儲(chǔ)器按其工作狀態(tài)又可以分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種。動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器必須增設(shè)

恢復(fù)信息的電路，外部線路復(fù)雜。但其內(nèi)部線路簡單，集成度高，價(jià)

格較靜態(tài)存儲(chǔ)器便宜。因此經(jīng)常用做大容量的RAM。

靜態(tài)存儲(chǔ)器和動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的主要差別在于:靜態(tài)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的信息不

會(huì)自動(dòng)消失，而動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的信息需要在再生電路的幫助下才能

保持。但無論雙極型或MOS型存儲(chǔ)器，其保持的信息將隨電源的撤

消而消失。

(1)RAM的組織

半導(dǎo)體RAM芯片是在半導(dǎo)體技術(shù)和集成電路工藝支持下的產(chǎn)物。一

般計(jì)算機(jī)中使用的RAM芯片均有自己的存儲(chǔ)體陣列、譯碼電路、讀

寫控制電路和I/O電路。①RAM的并聯(lián)

為擴(kuò)展存儲(chǔ)器的字長，可以采用并聯(lián)存儲(chǔ)器芯片的方式實(shí)現(xiàn)。②RAM

的串聯(lián)

為擴(kuò)展存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元數(shù)量，可以采用多個(gè)芯片地址串聯(lián)的方式解

決。③地址復(fù)用的RAM組織

隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，使得一塊存儲(chǔ)器芯片能夠容納更多

的內(nèi)容。其所需地址線隨之增加，為了保持芯片的外部封裝不變，一

般采用地址復(fù)用的技術(shù)，即采用地址分批送入的結(jié)構(gòu)保證不增加芯片

的地址引腳。

(2)RAM的實(shí)際應(yīng)用

由于一個(gè)存儲(chǔ)器的芯片一般不能滿足使用的要求，所以通常將若干個(gè)

存儲(chǔ)器芯片按串聯(lián)和并聯(lián)的兩種方式相結(jié)合連接，組成一定容量和字

長的存儲(chǔ)器。

如果設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)器容量有x字，字長為y,而采用的芯片為NxM位。

要組成滿足字長要求的存儲(chǔ)器所需芯片數(shù)為:y/M。根據(jù)容量要求，組

成要求容量的RAM所需芯片數(shù)為：(x/N)x(y/M)o

3.ROM的工作原理及其應(yīng)用

使用時(shí)只讀出不寫入的存儲(chǔ)器稱為只讀存儲(chǔ)器(ROM)。ROM中的

信息一旦寫入就不能進(jìn)行修改，其信息斷電之后也仍然保留。一般用

于存放微程序、固定子程序、字母符號(hào)陣列等信息。

ROM和RAM相比，使用時(shí)不需寫入、再生和刷新等操作，所以其

電路比較簡單，但同樣有地址譯碼器、數(shù)據(jù)讀出電路等。制作ROM

的半導(dǎo)體材料有二極管、MOS電路和雙極型晶體管等。因制造工藝

和功能不同，一般分為普通ROM、可編程ROM(PROM)、可擦寫

可編程ROM(EPROM)和電可擦寫可編程ROM(EEPROM)等。

(1)ROM的工作原理

一般的ROM使用掩模式ROM。這類ROM由生產(chǎn)廠家做成，用戶不

能加以修改。

掩模ROM的特點(diǎn)是其存儲(chǔ)內(nèi)容出廠時(shí)由生產(chǎn)廠家一次制成，用戶不

能對其內(nèi)容進(jìn)行修改，而依賴于生產(chǎn)廠家，這種ROM適用于定型批

量制作。在實(shí)際使用過程中，部分用戶希望自己根據(jù)需要填寫ROM

的內(nèi)容，因此產(chǎn)生可編程ROM(PROM)oPROM與掩模ROM的主

要區(qū)別是PROM在出廠時(shí)其內(nèi)容均為“0”或T,用戶在使用前按照自

己的需要利用工具將編碼寫入PROM中，一次寫入不可修改。PROM

的使用相當(dāng)于由用戶ROM生產(chǎn)的最后一道工序中一向ROM中寫入

編碼，其余同掩模ROM的使用完全相同。

(2)EPROM和EEPROM的工作原理

為了適應(yīng)程序調(diào)試的要求，針對一般PROM的不可修改特性，設(shè)計(jì)

出可以多次擦寫的可編程ROM(EPROM)。其特點(diǎn)是可以根據(jù)用戶

的要求用工具擦去ROM中原有的存儲(chǔ)內(nèi)容，重新寫入新的編碼。擦

除和寫入可以根據(jù)用戶的要求用工具擦去ROM中原有的存儲(chǔ)內(nèi)容，

重新寫入新的編碼。擦除和寫入可以多次進(jìn)行，其內(nèi)容同樣不會(huì)因斷

電而丟失。最常見的EPROM是UVEPROM,其存儲(chǔ)元件常用浮置柵

型MOS管組成。出廠時(shí)全部置“0”或“1”，由用戶通過高壓脈沖寫入

信息。擦寫時(shí)通過其外部的一個(gè)石英玻璃窗，利用紫外線的照射，使

浮柵上的電荷獲得高能而泄漏，恢復(fù)原有的全“0”或全“1”狀態(tài)，允許

用戶重新寫入信息。平時(shí)窗口上必須貼有不透明膠紙，以防光線進(jìn)入

而造成信息流失。

另有一種EPROM是通過電氣方法擦除其中的已有內(nèi)容，也稱為電可

擦寫編程ROM(EEPROM)o

4.外存儲(chǔ)器的工作原理

外存儲(chǔ)器是指那些不能被CPU直接訪問的，讀取速度較內(nèi)存慢，容

量比內(nèi)存大，通常用來存放不常用的程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器。磁帶、磁

盤存儲(chǔ)器是現(xiàn)今最常用的外存，因其利用磁表面介質(zhì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，通常

也稱為磁表面存儲(chǔ)器。而光盤是外存發(fā)展的方向，有必要了解它們的

原理和應(yīng)用。

(1)磁盤存儲(chǔ)器

磁盤存儲(chǔ)器具有容量大，存取速度高(相對其他種類外存儲(chǔ)器)的特

點(diǎn)，因而在各種類型的計(jì)算機(jī)中普遍被用做主要的外存儲(chǔ)器。磁盤存

儲(chǔ)器避免了磁帶存儲(chǔ)的缺點(diǎn)。磁盤存儲(chǔ)器將磁性材料涂粘在以某種材

料為主的圓片上，用若干封閉的圓形磁道代替了磁帶的長形磁道。使

用時(shí)一，通過磁盤面的高速旋轉(zhuǎn)代替磁帶的直線運(yùn)動(dòng)，減少尋找特定位

置的時(shí)間。

磁盤存儲(chǔ)器由磁盤、磁頭、定位系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)等部分組成，一般也

將這些部件統(tǒng)稱為磁盤驅(qū)動(dòng)器。根據(jù)盤片的基本組成材料將磁盤分為

硬盤和軟盤兩種。所謂硬盤是指由金屬材料制成一定厚度的盤片基

體，這些盤片一般組合成盤片組構(gòu)成硬盤驅(qū)動(dòng)器的存儲(chǔ)主體。

軟盤和硬盤盤片記錄信息的方式相同，都是將每個(gè)盤面由外向內(nèi)分成

若干個(gè)磁道，每個(gè)磁道也劃分為多個(gè)扇區(qū)，信息以扇區(qū)為單位存儲(chǔ)。

扇區(qū)是磁盤存放信息的最小物理單位。扇區(qū)包括頭空、序標(biāo)、數(shù)據(jù)區(qū)、

檢驗(yàn)字段和尾空等兒個(gè)部分。通常對磁盤進(jìn)行的所謂格式化操作就是

在磁盤上劃分磁道、扇區(qū)及扇區(qū)內(nèi)各特定區(qū)域，剛出廠的磁盤上沒有

這些劃分，所以必須在格式化后才能使用。

磁盤區(qū)域的劃分隨計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的不同而不同，其存儲(chǔ)容量也有較大的

差別。但可以通過查閱計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相應(yīng)的說明掌握磁盤容量的數(shù)據(jù)。

計(jì)算一個(gè)磁盤容量的公式是:磁盤存儲(chǔ)容量=盤面數(shù)X每盤面磁道數(shù)X

每磁道扇區(qū)數(shù)X每扇區(qū)存儲(chǔ)容量

（2）光盤存儲(chǔ)器

所謂光盤（CD）是利用光學(xué)原理讀寫信息的存儲(chǔ)器。由于光盤的容

量大、速度較快、不易受干擾等特點(diǎn)，光盤的應(yīng)用愈來愈廣泛。

光盤系統(tǒng)一般是由光學(xué)、電氣和機(jī)械部件組成。

從結(jié)構(gòu)上看光盤存儲(chǔ)器同磁盤存儲(chǔ)器基本相同，兩者均有存儲(chǔ)信息的

盤片、機(jī)械驅(qū)動(dòng)部件、定位部件和讀寫機(jī)構(gòu)。不同的是后者利用磁性

原理存儲(chǔ)信息，利用磁頭存取信息;而前者是利用光學(xué)原理存儲(chǔ)信息

并用光學(xué)讀寫頭來存取這些信息。

光盤本身是靠盤面上一些能夠影響光線反射的表面特征存儲(chǔ)信息，例

如現(xiàn)在常用的只讀光盤（CD-ROM）上利用光盤表面的凹凸不平表示

“0”和“1"。以CD-ROM為例，讀取數(shù)據(jù)時(shí)，由機(jī)械驅(qū)動(dòng)部件和定位

部件負(fù)責(zé)確定讀取的位置。激光器發(fā)出激光經(jīng)光學(xué)線路至聚焦透鏡射

向光盤表面，表面的凹凸不平造成反射光的變化，利用數(shù)據(jù)光檢測器

將這些變化轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)“0”和“1”的電信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)輸出端，整個(gè)讀

取工作完成。其他類型光盤的寫入過程大體與此相同，唯一的差別是

數(shù)據(jù)自數(shù)據(jù)輸入端傳來。

一般將光盤存儲(chǔ)器分為只讀式(readonly)、一次寫入式(writeonce)

和可擦式(erasable)或可逆式(reversible)三種。只讀式光盤利用

材料表面的凹凸不平的特征記錄信息，在出廠前由生產(chǎn)廠家將有關(guān)信

息存放到光盤上。對于一次寫入式光盤，用戶可以利用會(huì)聚的激光束

在光盤表面照射使材料發(fā)生永久性變化而記錄信息。這種光盤現(xiàn)已普

遍用于多媒體系統(tǒng)?？刹潦焦獗P利用激光在磁性材料上或相變材料上

實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)和擦除。

光盤存儲(chǔ)器的記錄密度高，存儲(chǔ)容量大，一片5.25英寸大小的一次

寫入式光盤可以存儲(chǔ)680MB的信息，其容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外形同樣大小

的軟磁盤。光盤信息的保存時(shí)間也比磁盤的長。目前影響光盤普遍應(yīng)

用的主要原因是光盤存儲(chǔ)器的讀寫速度慢和光盤驅(qū)動(dòng)器的成本高。隨

著技術(shù)的進(jìn)步，以上問題是可以解決的。因此光盤存儲(chǔ)器有廣泛的應(yīng)

用前景。

5.虛擬存儲(chǔ)的概念、作用和工作過程

(1)虛擬存儲(chǔ)的概念、作用

一般將由主存和部分輔存組成的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)稱為虛擬存儲(chǔ)器，其對應(yīng)的

存儲(chǔ)地址稱為虛擬地址(邏輯地址)，其對應(yīng)的存儲(chǔ)容量稱為虛擬容

量。將實(shí)際主存地址稱為物理地址或?qū)嵉刂?，主存的容量稱為實(shí)存容

量。

當(dāng)用虛擬地址訪問主存時(shí);系統(tǒng)首先查看所用虛擬地址對應(yīng)的單元內(nèi)

容是否已裝入主存。如果在主存中，可以通過輔助軟、硬件自動(dòng)把虛

擬地址變成主存的物理地址后，對主存相應(yīng)單元進(jìn)行訪問。如果不在

主存中，通過輔助的軟、硬件將虛擬地址對應(yīng)的內(nèi)容調(diào)入主存中，然

后再進(jìn)行訪問。因此，對虛擬存儲(chǔ)器的每次訪問都必須進(jìn)行虛實(shí)地址

的變換。

虛擬存儲(chǔ)器的作用是擴(kuò)大整個(gè)主存的容量，允許在程序中使用比主存

容量大得多的虛擬存儲(chǔ)器。同時(shí)可以減輕人們編程中對程度進(jìn)行分塊

的苦惱，從而提高軟件開發(fā)的效率。虛擬存儲(chǔ)器是實(shí)現(xiàn)利用小容量的

主存運(yùn)行大規(guī)模的程序的一種有效的辦法。盡管實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)要增加

一些額外的投資和軟件開銷，虛擬存儲(chǔ)技術(shù)在各種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中仍得

到了廣泛的應(yīng)用。

虛擬存儲(chǔ)器必須建立在王存-輔存結(jié)構(gòu)上，但一■般的王存-輔存系統(tǒng)并

不一定是虛擬存儲(chǔ)器，虛擬存儲(chǔ)器與一般的主存-輔存系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)

別是：

①虛擬存儲(chǔ)器允許人們使用比主存容量大得多的地址空間來訪問主

存，非虛擬存儲(chǔ)器最多只允許人們使用主存的整個(gè)空間，一般只允許

使用操作系統(tǒng)分配的主存中的某一部分空間。

②虛擬存儲(chǔ)器每次訪問主存時(shí)必須進(jìn)行虛、實(shí)地址的變換，而非虛擬

存儲(chǔ)系統(tǒng)則不必變換。

(2)虛擬存儲(chǔ)的工作原理

虛擬存儲(chǔ)技術(shù)，實(shí)際上是將編寫程序時(shí)所用的虛擬地址(邏輯地址)

轉(zhuǎn)換成較小的物理地址。在程序運(yùn)行時(shí)隨時(shí)進(jìn)行這種變換。為了便于

主存與輔存之間信息的交換，虛擬存儲(chǔ)器一般采用二維或三維的復(fù)合

地址格式。采用二維地址格式時(shí)一,將整個(gè)存儲(chǔ)器劃分為若干頁（或段）,

每個(gè)頁（或段）又包括若干存儲(chǔ)單元。采用三維地址格式時(shí)將整個(gè)存

儲(chǔ)空間分為若干段，每段分為若干頁，每頁又包括若干存儲(chǔ)單元。根

據(jù)地址格式不同，虛擬存儲(chǔ)器分為:頁式虛擬存儲(chǔ)器、段式虛擬存儲(chǔ)

器和段頁式虛擬存儲(chǔ)器。

在虛擬存儲(chǔ)器中邏輯地址與物理地址之間的對應(yīng)稱為地址映象。通常

有三種地址映象的方式:全相聯(lián)映象、直接映象和組相聯(lián)映象。①全

相聯(lián)映象

任一邏輯頁能映象到實(shí)際主存的任意頁面位置稱為全相聯(lián)映象，通常

利用頁表法進(jìn)行地址間的變換。

②直接映象

每個(gè)邏輯頁只能映象到一個(gè)特定頁面的方式稱為直接映象。如主存實(shí)

際有2P頁，虛擬存儲(chǔ)器的邏輯空間有2P頁，則將邏輯空間按物理

空間大小分為2P-P塊，塊內(nèi)各頁只能映象到主存的相應(yīng)頁中。即所

有各塊的第0頁對應(yīng)主存的第0頁，各塊的第n頁對應(yīng)主存的第n頁。

若程序需要輪流使用第i塊和第j塊的第m頁，只能將兩頁交替在主

存和輔存之間調(diào)入調(diào)出，形成存儲(chǔ)頁面的“抖動(dòng)③組相聯(lián)映象

組相聯(lián)映象方法是先按直接映象方法將虛擬存儲(chǔ)空間（邏輯空間）分

成若干塊，在主存和邏輯空間中的各塊內(nèi)劃分為若干組，每個(gè)組間按

直接映象方法控制?？梢赃@樣理解，如果將組相聯(lián)映象方法中的組按

直接映象方法的頁來看待，組相聯(lián)方法與直接映象方法相同，邏輯空

間的各組內(nèi)的頁只能與對應(yīng)的物理空間組相聯(lián)。但在組內(nèi)各頁與物理

空間的頁面之間采用全相聯(lián)映象方法處理。因此，可以認(rèn)為組相聯(lián)映

象是全相聯(lián)映象和直接映象方法的結(jié)合。

6.緩沖技術(shù)使用

緩沖技術(shù)就是為緩解慢速設(shè)備對整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)速度的影響，在計(jì)算

機(jī)的某些部件中劃定一塊區(qū)域，模擬慢速設(shè)備的操作，將對慢速設(shè)備

的操作先存放在此區(qū)域中，其他部件完成這一操作后可以繼續(xù)其他工

作，而慢速設(shè)備可以用自己的速度逐漸完成相應(yīng)的操作。做為中間緩

沖的區(qū)域稱為緩沖區(qū)，相應(yīng)的技術(shù)稱為緩沖技術(shù)。

在整個(gè)存儲(chǔ)體系的組織中，緩沖技術(shù)成為解決容量與速度之間矛盾的

主要方法。實(shí)際上在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中緩沖技術(shù)解決了許多難題，促進(jìn)了

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展。在存儲(chǔ)體系中，緩沖技術(shù)主要體現(xiàn)在Cache的應(yīng)

用和磁盤緩沖的使用。

(1)Cache的原理和作用

Cache的工作原理基于對大量典型程序運(yùn)行實(shí)例的分析。分析結(jié)果表

明，在較短的時(shí)間間隔內(nèi)，由程序產(chǎn)生的地址往往集中在存儲(chǔ)器邏輯

地址空間很小的范圍內(nèi)。指令地址的分布又是連續(xù)的，加上循環(huán)程序

和子程序段的重復(fù)執(zhí)行，對這些地址的訪問自然具有時(shí)間上集中分布

的傾向。這種對局部范圍的存儲(chǔ)器地址頻繁訪問，而對此范圍外的地

址訪問甚少的現(xiàn)象稱為程序訪問的局部性。程序訪問的局部性為

Cache的引入提供了理論依據(jù)。

Cache是緩沖技術(shù)在存儲(chǔ)體系中的一個(gè)具體應(yīng)用。Cache處于主存與

CPU之間，負(fù)責(zé)解決主存與CPU之間速度的協(xié)調(diào)問題。Cache中存

放著主存的一部分副本（主存中的部分內(nèi)容），當(dāng)存儲(chǔ)器接到有關(guān)讀

取指令時(shí)，先在Cache中查找此信息是否存在，若有則不經(jīng)主存直接

從Cache中取出;否則直接從主存中取出，同時(shí)寫入Cache,以備再次

使用。當(dāng)向存儲(chǔ)器寫入內(nèi)容時(shí)，由輔助硬件采用各種方法保證主存中

的內(nèi)容同Cache中的內(nèi)容保持一致。

為保證寫入時(shí)兩者內(nèi)容一致的方法有:①將內(nèi)容同時(shí)寫入主存和

Cache;②數(shù)據(jù)僅寫入主存，若Cache中有此內(nèi)容則將其釋放;③數(shù)據(jù)只

寫入Cache,在規(guī)定的時(shí)候?qū)⑿薷倪^的Cache的內(nèi)容寫入主存。

Cache的主要特點(diǎn)是:①存取速度快，一般Cache的速度完全可以跟上

CPU的運(yùn)算速度;②存儲(chǔ)量小，由于Cache的速度快，其價(jià)格也相當(dāng)

昂貴，因此為保證整個(gè)存儲(chǔ)器的性能價(jià)格比，一般采用適當(dāng)容量的

Cache,其容量小于主存。

（2）磁盤緩沖技術(shù)

磁盤緩沖技術(shù)的目的是減少由于主、輔存之間的速度差異對計(jì)算機(jī)總

體性能的影響。磁盤是存儲(chǔ)系統(tǒng)中的輔助部分，其主要作用是用來存

儲(chǔ)不常用的數(shù)據(jù)和程序等信息，減輕對主存容量的需求壓力。由于磁

盤中的信息不能被計(jì)算機(jī)的其他部件直接調(diào)用，因此在信息的輸入/

輸出過程中必須在主存中開辟一定的空單位，作為與磁盤上信息交換

的中間過渡區(qū)域稱為磁盤緩沖區(qū)。如從鍵盤（輸入設(shè)備）向磁盤中輸

入一個(gè)信息，此信息必須通過總線先輸入到主存中的特定區(qū)域中，通

過程序控制將信息存放到主存中對應(yīng)于磁盤輸入/輸出的一個(gè)特定區(qū)

域內(nèi)，然后將此信息轉(zhuǎn)存到磁盤上。一般將主存中對應(yīng)于磁盤的特定

區(qū)域稱為磁盤緩沖區(qū)。

為了提高磁盤的讀寫速度，操作系統(tǒng)一般根據(jù)程序運(yùn)行的需要設(shè)置磁

盤緩沖區(qū)的大小及輸入/輸出操作。同Cache技術(shù)相類似，不立即覆

蓋磁盤緩沖區(qū)的內(nèi)容，當(dāng)系統(tǒng)需要繼續(xù)讀入磁盤中的信息時(shí)、首先檢

查磁盤緩沖區(qū)中是否有所需要的信息，若有則直接使用，否則根據(jù)信

息的位置將磁盤上特定扇區(qū)的內(nèi)容調(diào)入磁盤緩沖區(qū)后再加以使用。這

樣可以提高磁盤的信息讀取速度，減少因磁盤存取速度慢對系統(tǒng)整體

性能的影響。

九、輸入與輸出系統(tǒng)1.輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展

輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展大致分為五種方式，即程序控制的輸入輸出方

式、中斷方式，DMA方式、輸入/輸出通道方式和I/O處理機(jī)等五種

方式。

程序查詢方式和程序中斷方式適用于數(shù)據(jù)傳輸率比較低的外部設(shè)備。

而DMA方式、通道方式和I/O處理機(jī)方式適用于數(shù)據(jù)傳輸率比較高

的設(shè)備。目前，小型機(jī)和微型機(jī)大都采用程序查詢方式、程序中斷方

式和DMA方式。通道方式、I/O處理機(jī)方式大都用在中、大型計(jì)算

機(jī)中。為了介紹方便，我們把通道方式和I/O處理機(jī)方式視為一種方

式。

2.程序查詢方式

程序查詢方式又叫程序控制I/O方式。在這種方式中，數(shù)據(jù)在CPU

和外部設(shè)備之間的傳送完全靠計(jì)算機(jī)程序控制，是在CPU主動(dòng)控制

下進(jìn)行的，當(dāng)輸入/輸出時(shí)一，CPU暫停執(zhí)行主程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行輸入/輸

出的服務(wù)程序，根據(jù)服務(wù)程序中的I/O指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

這是一種最簡單、最經(jīng)濟(jì)的輸入/輸出方式。它只需很少的硬件，因

此兒乎所有的機(jī)器都具有程序查詢方式。特別是在微、小型機(jī)中，常

用程序查詢方式來實(shí)現(xiàn)低速設(shè)備的輸入輸出管理。

3.程序中斷方式

“中斷”概念的提出，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重大變革。在程

序中斷方式中，某一外設(shè)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒后，它“主動(dòng)”向CPU發(fā)請

求中斷的信號(hào)，請求CPU暫時(shí)中斷目前的工作而進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。當(dāng)

CPU響應(yīng)這個(gè)中斷時(shí)，便暫停運(yùn)行主程序，并自動(dòng)轉(zhuǎn)移到該設(shè)備的

中斷服務(wù)程序。當(dāng)中斷服務(wù)程序結(jié)束以后，CPU又回到原來的主程

序。其原理和調(diào)用子程序相仿，不過，這里要求轉(zhuǎn)移到中斷服務(wù)子程

序的請求是由外部設(shè)備發(fā)出的。中斷方式特別適合于隨機(jī)出現(xiàn)的服

務(wù)。

4.DMA方式

(1)DMA方式的基本概念

直接訪問內(nèi)存DMA方式，是一種完全由硬件執(zhí)行I/O交換的工作方

式。在這種方式中，DMA控制器從CPU中完全接管對總線的控制，

數(shù)據(jù)交換不經(jīng)過CPU,而直接在內(nèi)存儲(chǔ)器和I/O設(shè)備之間進(jìn)行。DMA

方式一般用于高速地傳送成組的數(shù)據(jù)。DMA控制器將向內(nèi)存發(fā)出地

址和控制信號(hào)、修改地址、對傳送的字的個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)，并且以中斷方式

向CPU報(bào)告?zhèn)魉筒僮鞯慕Y(jié)束。

DMA方式的主要優(yōu)點(diǎn)是速度快。由于CPU根本不參加傳送操作，因

此就省去了CPU取指令、取數(shù)、送數(shù)等操作。在數(shù)據(jù)傳送過程中，

也不象中斷方式那樣，要進(jìn)行保存現(xiàn)場、恢復(fù)現(xiàn)場之類的工作。內(nèi)存

地址修改、傳送字個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)等，也不是由軟件實(shí)現(xiàn)，而是用硬件線

路直接實(shí)現(xiàn)的。

DMA的種類很多，但各種DMA至少能執(zhí)行以下一些基本操作:①從

外部設(shè)備發(fā)出DMA請求；

②CPU響應(yīng)請求，把CPU工作改成DMA操作方式，DMA控制器從

CPU接管總線的控制;③由DMA控制器對內(nèi)存尋址，即決定數(shù)據(jù)傳

送的內(nèi)存單元首地址及數(shù)據(jù)傳送個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)，并執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送的操作;

④向CPU報(bào)告DMA操作的結(jié)束。

(2)DMA技術(shù)的出現(xiàn)，使得外部設(shè)備可以通過DMA控制器直接訪

問內(nèi)存，與此同時(shí),CPU可以繼續(xù)執(zhí)行程序。那么DMA控制器與

CPU怎樣分時(shí)使用內(nèi)存呢?通常采用以下三種方法:①停止CPU訪問；

②周期挪用；

③DMA與CPU交替訪問。

(3)基本的DMA控制器

一個(gè)DMA控制器實(shí)際上是采用DMA方式的外部設(shè)備與系統(tǒng)總線之

間的接口電路。這個(gè)接口電路是在中斷接口的基礎(chǔ)上再加DMA機(jī)構(gòu)

組成。習(xí)慣上將DMA方式的接口電路稱為DMA控制器。

①內(nèi)存地址計(jì)數(shù)器

用于存放內(nèi)存中要交換的數(shù)據(jù)地址。在DMA傳送前，需通過程序?qū)?/p>

數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的起始位置(首地址)送到內(nèi)存地址計(jì)數(shù)器。而當(dāng)DMA

傳送時(shí)，每交換一次數(shù)據(jù)，將地址計(jì)數(shù)器加“1”,從而以增量方式給

出內(nèi)存中要交換的一批數(shù)據(jù)的地址。

②字計(jì)數(shù)器

用于記錄傳送數(shù)據(jù)塊的長度（多少字?jǐn)?shù)）。其內(nèi)容也是在數(shù)據(jù)傳送之

前由程序預(yù)置，交換的字?jǐn)?shù)通常以補(bǔ)碼形式表示。在DMA傳送時(shí)，

每傳送一個(gè)字，字計(jì)數(shù)器就加“1”，當(dāng)計(jì)數(shù)器溢出即最高位產(chǎn)生進(jìn)位

時(shí)一，表示這批數(shù)據(jù)傳送完畢，于是引起DMA控制器向CPU發(fā)出中

斷信號(hào)。

③數(shù)據(jù)緩沖寄存器

用于暫存每次傳送的數(shù)據(jù)（一個(gè)字）。當(dāng)輸入時(shí)，由設(shè)備（如磁盤）

送往數(shù)據(jù)緩沖寄存器，再由緩沖寄存器通過數(shù)據(jù)總線送到內(nèi)存。反之,

輸出時(shí)，由內(nèi)存通過數(shù)據(jù)總線送到數(shù)據(jù)緩沖寄存器，然后再送到設(shè)備。

④“DMA請求”標(biāo)志

每當(dāng)設(shè)備準(zhǔn)備好一個(gè)數(shù)據(jù)字后給出一個(gè)控制信號(hào)，使“DMA”請求標(biāo)

志置