第一章計算機基礎(chǔ)

一、計算機的發(fā)展

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

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

年里，計算機技術(shù)經(jīng)歷了巨大的變革。

學術(shù)界經(jīng)常使用器件(硬件)劃分計算機的發(fā)展史，如第一代電子管

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

集成電路計算機(1964?1972),第四代大規(guī)模集成電路計算機

(1972?)，目前提出了所謂的第五代(或新一代)計算機。

從1946年到50年代后期(1946?1957)為電子管計算機時期。計算

機的元器件主要由電子管(vacuumtube)組成。其特點是體積龐大、

功耗高、運算速度較低。如ENIAC占地170nl2,重達30噸，功耗

為140kW,有18000多個電子管，每秒鐘能進行5000次加法計算。

這一階段，計算機主要用于軍事、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，提出了存儲程序(stored-program)概念，奠

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

是第一代計算機的代表。從20世紀50年代后期到60年代中期

(1958?1964)為晶體管計算機時期。自從1947年晶體管(transistor)

在貝爾實驗室誕生后，引發(fā)了一場影響深遠的電子革命。體積小、功

耗低、價格便宜的晶體管取代了電子管，不僅提高了計算機的性能，

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

僅采用了晶體管器件，而且存儲器改用速度更快的磁芯存儲器;與此

同時高級編程語言和系統(tǒng)軟件的出現(xiàn)，也大大提高了計算機的性能和

拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域。這一時期計算機的代表主要有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

度達到每秒千萬次浮點運算。

從20世紀60年代中期到70年代初期(1965?1972)為集成電路計

算機時代。第一代和第二代計算機均采用分離器件(discrete

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

三代計算機的來臨。由于采用了集成電路，使得計算機的制造成本迅

速下降;同時因為邏輯和存儲器件集成化的封裝，大大提高了運行速

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

更加簡單和可靠，計算機的體積也進一步縮小。這一時期的代表為

IBM的system/360和DEC的PDP-8。

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

電路(LSI)計算機時代。20世紀70年代初半導體存儲器的出現(xiàn)，

迅速取代了磁芯存儲器，計算機的存儲器向大容量、高速度的方向飛

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

4Mbit發(fā)展至16Mbit(1992年)。

接著就進入了超大規(guī)模集成電路(VLSI)計算機時代。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。同時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點對計算機的性能也有巨大的影響(中

斷系統(tǒng)、Cache存儲器、流水線技術(shù)等等)。實際上在第三代計算機

以后，就很難找到一個統(tǒng)一的標準進行劃分。

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

需要，如炮彈彈道計算，核武器的設(shè)計等;其次是廣泛地用于科學計

算，工程設(shè)計計算;第三階段是大量用于管理，現(xiàn)在計算機的80%以

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

進入90年代，計算機的應(yīng)用已趨向于綜合化和智能化，例如在一個

企業(yè)里，計算機不僅用于科學計算、輔助設(shè)計和輔助制造，還用于輔

助管理和輔助決策(MIS與DSS),以及辦公自動化(OA)等等，使

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

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

就是工廠自動化(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)，讓計算機代替人判斷、推理，尋找最優(yōu)方案，以

輔助決策者決策。

目前更流行的是認為計算機的發(fā)展經(jīng)過了三次浪潮(wave)。

計算機的發(fā)展第一個浪潮是單個主機(Mainframe)的時期，以

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

用于大規(guī)?？茖W計算。

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

小型機、微型機和局域網(wǎng)。其特點是多用戶分時處理。

第三個浪潮是70?80年代的微型計算機PC(PersonalComputer)的

出現(xiàn)?，F(xiàn)在正處于第三次浪潮，網(wǎng)絡(luò)計算機的時期，即以網(wǎng)絡(luò)為中心

或以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的計算機時期。

目前計算機向綜合的方向發(fā)展，將各種計算機的特點和優(yōu)點綜合起

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。

二、計算機的分類及其應(yīng)用

計算機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

計算機按信息的形式和處理方式可分為數(shù)字計算機、模擬計算機以及

數(shù)字混合計算機。

2.按計算機的用途分類

計算機按用途可分為通用計算機和專用計算機。

3.按計算機規(guī)模分類

計算機按規(guī)?？蓜澐譃榫扌蜋C、大型機、中型機、小型機、微型機等。

計算機的應(yīng)用如下：

1.在科學計算中的應(yīng)用

2.在實時控制中的應(yīng)用

3.在數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用

4.計算機在輔助設(shè)計和輔助制造(CAD/CAM)中的應(yīng)用

5.辦公自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用三、計算機硬件結(jié)構(gòu)

實際應(yīng)用的計算機系統(tǒng)是由計算機硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)以及通信網(wǎng)絡(luò)

系統(tǒng)組成的一個整體系統(tǒng)。計算機硬件系統(tǒng)是指構(gòu)成計算機的所有實

體部件的集合，通常這些部件由電路（電子元件）、機械等物理部件

組成，它們都是看得見摸得著的，故通常稱為“硬件”。計算機硬件結(jié)

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

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

心部分部件是運算器。

計算機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)

所謂總線實際上是一組并行的導線，導線的數(shù)目和計算機字長相同，

數(shù)據(jù)和指令通過總線傳送。

2.以存儲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.運算器

運算器是完成二進制編碼的算術(shù)或邏輯運算的部件。運算器由累加器

（用符號LA表示）、通用寄存器（用符號LB表示）和算術(shù)邏輯單

元（用符號ALU表示）組成，核心是算術(shù)邏輯單元。

2.存儲器

在計算機中的存儲器包括內(nèi)存儲器（又叫主存儲器或隨機存儲器，簡

稱內(nèi)存或主存）、外存儲器、只讀存儲器和高速緩沖存儲器以及寄存

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

0?A19）,即有20個二進制位，可形成220=1048576個地址（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、時序部件和操作控制部件。

(1)指令部件

指令部件包括程序計數(shù)器PC,指令寄存器IR和指令譯碼器IDo

(2)時序部件

時序部件產(chǎn)生定時節(jié)拍，一般由時鐘信號源、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)備上輸出運算結(jié)果。

5.輸入設(shè)備

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

學閱讀機等也可作為輸入設(shè)備。

四、計算機軟件的功能及分類

所謂軟件是指為運行、維護、管理、應(yīng)用計算機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)軟件包括計算機操作系統(tǒng)(OperationSystem)、計算機的各種管

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際問題而設(shè)計的程序。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:管理計算機硬、軟件資源，使之有效使用;組

織協(xié)調(diào)計算機的運行，以增強系統(tǒng)的處理能力;提供人機接口，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)錯誤處理。

(7)保護和保密處理。

(8)記帳。

操作系統(tǒng)的基本類型：

(1)批處理操作系統(tǒng)。

(2)分時系統(tǒng)。

(3)實時系統(tǒng)。

操作系統(tǒng)的管理功能主要內(nèi)容：

(1)處理機管理。

(2)存儲管理。

(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)既可以認為是一個系統(tǒng)軟件也可以認為是一個通用

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.計算機網(wǎng)絡(luò)軟件

計算機網(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

計算機系統(tǒng)。從硬件來說，除計算機作為網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點以外，還有如服

務(wù)器（也可是一臺計算機），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.高級語言及語言處理器

用戶用高級語言編寫的程序稱源程序，源程序不能由計算機直接執(zhí)

行，必須翻譯成機器能執(zhí)行的語言一機器語言，這種翻譯是由機器自

動翻譯的，“譯員”稱編譯程序或編譯器，當源程序輸入計算機后，調(diào)

用編譯程序編譯成機器語言（稱目標程序），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）和計算機輔助軟件工具CASE。

5.常用的通用軟件

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

WPS、WORD,報表處理軟件LOTUS1-2-3等。

五、計算機數(shù)據(jù)表示1.二進制計數(shù)制

引入二進制數(shù)字系統(tǒng)的計算機結(jié)構(gòu)和性能具有如下的優(yōu)點：

(1)技術(shù)實現(xiàn)容易。

(2)二進制運算規(guī)則簡單。

(3)計算機中二進制數(shù)的0、1數(shù)碼與邏輯代數(shù)變量值。與1吻合，

所以二進制同時可以使計算機方便地進行邏輯運算。

(4)二進制數(shù)和十進制數(shù)之間的關(guān)系亦不復雜。

2.任意進制計數(shù)制和十進制計數(shù)制的相互轉(zhuǎn)換

十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)：

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

同，需要分別進行。

(1)整數(shù)轉(zhuǎn)換方法一除基取余法

十進制整數(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制系數(shù)，依次所得到的余數(shù)序列就是

轉(zhuǎn)換成的二進制數(shù)。因為除數(shù)2是二進制的基數(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

把十進制小數(shù)乘以2,取其積的整數(shù)部分作為對應(yīng)二進制小數(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。時停止，這時乘積的整數(shù)部分是二進制數(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

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

的情況，有時整個換算過程會無限進行下去，此時可以根據(jù)要求并考

慮計算機字長，取一定長度的位數(shù)后四舍五入，這時得到的二進制數(shù)

是原十進制數(shù)的近似值。

一個既有整數(shù)部分又有小數(shù)的數(shù)送入計算機后，由機器把整數(shù)部分按

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

任意進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)：

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

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

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

進制數(shù)：

十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成任意進制數(shù)與十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制數(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)拼接成一個數(shù)作為轉(zhuǎn)換的最后結(jié)果。

3.數(shù)的機器碼表示

符號數(shù)的機器碼表示：

(1)機器數(shù)和真值

數(shù)在計算機中的表示形式統(tǒng)稱為機器數(shù)。機器數(shù)有兩個基本特點，其

一，數(shù)的符號數(shù)值化。實用的數(shù)據(jù)有正數(shù)和負數(shù)，因為計算機只能表

示0、1兩種狀態(tài)，數(shù)據(jù)的正號或負號在機器里就用一位二

進制的0或1來區(qū)別。通常這個符號放在二進制數(shù)的最高位，稱符號

位，以。代表符號“+”，以1代表符號這樣正負符號就被數(shù)值化

To因為有符號占據(jù)一位，數(shù)的形式值就不等于真正的數(shù)值，帶符號

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

機器數(shù)的另一個特點是二進制的位數(shù)受機器設(shè)備的限制。機器內(nèi)部設(shè)

備一次能表示的二進制位數(shù)叫機器的字長，一臺機器的字長是固定

的。字長8位叫一個字節(jié)(Byte),現(xiàn)在機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。

符號位數(shù)值化之后，為能方便的對機器數(shù)進行算術(shù)運算、提高運算速

度，計算機設(shè)計了多種符號位與數(shù)值一起編碼的方法，最常用的機器

數(shù)表示方法有三種:原碼、反碼和補碼。

(2)原碼表示法和反碼表示法

一個機器數(shù)X由符號位和有效數(shù)值兩部分組成。設(shè)符號位為X0,

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

=X0X1X2...Xn當XN0時，X0=0當X<0時，X0=l

原碼表示很直觀，但原碼加減運算時符號位不能視同數(shù)值一樣參加運

算，運算規(guī)則復雜，運算時間長，而計算機大量的數(shù)據(jù)處理工作是加

減運算，原碼表示就很不方便了。

一個負數(shù)的原碼符號位不動，其余各位取相反碼就是機器數(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X0=0時，［X］反=X0X1X2…Xn當X0=l時，［X］反

=X0X1X2...Xn

(3)補碼表示法(complement)

設(shè)計補碼表示法的目的是:①使符號位能和有效數(shù)值部分一起參加數(shù)

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

運算，從而進一步簡化計算機中運算器的線路設(shè)計。計算機是一種有

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

n位二進制整數(shù)的模是2no

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

［X］補=［X］原XN

M+XX<0

從這個定義出發(fā)就能求得一個數(shù)的補碼。

對于二進制數(shù)還有一種更加簡單的方法由原碼求得補碼。

①正數(shù)的補碼表示與原碼一樣，［X］補=［X］原

②負數(shù)的補碼是將原碼符號位保持“1”之后其余各位取相反的碼，末

位加1便得到補碼，即取其原碼的反碼再加1：［X］補=［X］反

+1O

真值+0和-0的補碼表示是一致的，但在原碼和反碼表示中具有不同

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

可知8位二進制補碼能表示數(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)互補的概念，一個補碼機器數(shù)再求一次補就得到機器數(shù)的原碼

To

定點數(shù)與浮點數(shù):

(1)定點數(shù)(fixed-pointnumber)

計算機處理的數(shù)據(jù)不僅有符號，而且大量的數(shù)帶有小數(shù)，小數(shù)點不占

有二進制位而是隱含有機器數(shù)里某固定位置上。通常采用兩種簡單的

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

后，叫定點純整數(shù)機器數(shù)，簡稱定點整數(shù)。

另一種約定是所有機器數(shù)的小數(shù)點位置隱含在符號位之后、有效數(shù)值

部分最高位之前，叫定點純小數(shù)機器數(shù)，簡稱定點小數(shù)。

計算機采用定點數(shù)表示時，對于既有整數(shù)又有小數(shù)的原始數(shù)據(jù)，需要

設(shè)定一個比例因子，數(shù)據(jù)按比例因子縮小成定點小數(shù)或擴大成定點整

數(shù)再參加運算，結(jié)果輸出時再按比例折算成實際值。n位原碼定點整

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

范圍是-(1-2-(n-1))<X<l-2-(n-1)。當機器數(shù)小于定點數(shù)的

最小值時，被當作0處理，超出定點數(shù)的最大值時，機器無法表達，

稱作“溢出”，此時機器將停止運算，屏幕顯示溢出警告。

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

適的比例因子，運算過程容易產(chǎn)生溢出。

(2)浮點數(shù)(floating-pointnumber)

計算機采用浮點數(shù)來表示數(shù)值，它與科學計算法相似，把任意一個二

進制數(shù)通過移動小數(shù)點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

制定點純小數(shù)形式。

浮點數(shù)運算必須化成規(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。時就要移動尾數(shù)直

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

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

格化的形式。

4.數(shù)字編碼

十進制數(shù)在機內(nèi)轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)時，有時也以一種中間數(shù)字編碼形式

存在，它把每一位十進制數(shù)用四位二進制編碼表達，每一組只表達0?

9的數(shù)值運算時，有專門的電路在每四位二進制間按“十”進位處理，

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

稱二-十進制數(shù)。其編碼種類很多，如格雷碼、余3碼等，最常用的

叫8421BCD碼，4個二進制位自左向右每位的權(quán)分別是8、4、2、1。

0?9的8421碼與通常的二進制一樣進位，十分簡單，當計數(shù)超過9

時一，需要采取辦法自動向十進制高位進一，即要進行“十進制調(diào)整”

才能得到正確結(jié)果。

5.校驗碼

由于器件質(zhì)量不可靠、線路工藝不過關(guān)、遠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、傳送和計算過程

中難免會發(fā)生諸如“1”誤變?yōu)椤?”的錯誤，計算機一旦出錯，要能及時

檢測并糾正錯誤，其中一種方法是對數(shù)據(jù)信息擴充，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)錯誤的能力，有的甚

至能指出錯誤所在的準確位置使機器自動糾正，能起這種作用的編碼

叫"校驗碼"(checkcode)o

奇偶校驗碼：

將每個數(shù)據(jù)代碼擴展一個二進位作校驗位(paritybit),這個校驗取0

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

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

校驗位在內(nèi)編碼里含“1”的個數(shù)是偶數(shù)個。

交*校驗：

計算機進行大量字節(jié)傳送時一次傳送兒百甚至更多字節(jié)組成的數(shù)據(jù)

塊，如果不僅每一個字節(jié)有一個奇偶校驗位一稱橫向校驗，而且全部

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

的橫向縱向同時校驗，這種情況叫交*校驗。

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

計算機信息傳向遠方終端或傳到另一個計算中心時，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?zāi)芰軓?，在串行通信中廣泛采用的校驗編碼。

(1)CRC碼

串行傳送的信息M(X)是一串k位二進制序列，在它被發(fā)送的同時,

被一個事先選擇的“生成多項式”相除，“生成多項式”長r+1位，相除

后得到r位余數(shù)就是校驗位，它拼接到原k位有效信息后面即形成

CRC碼。CRC碼到達接收方時，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式相除，如果正好除盡，表示無信息差錯，

接收方去掉CRC碼后面r位校驗位，收下k位有效信息;當不能除盡

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

一次或立即糾錯。

(2)CRC碼計算

傳送信息時生成CRC碼以及接收時對CRC碼校驗都要與“生成多項

式”相除，這里除法是“模2運算”，即二進位運算時不考慮進位和借

位。作模2除法時，取商的原則是當部分余數(shù)首位為1時商取1,反

之商取0,然后按模2減，求部分余數(shù)。這個余數(shù)不計高位。當被除

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

它拼接在有效信息后面組成CRC碼。因為校驗位擴充了傳送部分的

代碼，所以這是一種基于“冗余校驗”的思想的校驗辦法。

(3)生成多項式

CRC碼是M(X)除以某一個預先選定的多項式后產(chǎn)生的，所以這個

多項式叫生成多項式。并不是任何一個r+1位的編碼都可以作生成多

項式用，它應(yīng)能滿足當任何一位發(fā)生傳送錯誤時都能使余數(shù)不為0,

并且不同位發(fā)生錯誤時應(yīng)當使余數(shù)也不同，這樣不但能檢錯而且能推

斷是哪一位出錯，從而有利于準確的糾錯。有兩個生成多項式，其檢

錯率很高。X16+X15+X2+1X16+X12+X6+1

6.非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示方法

計算機中數(shù)據(jù)的概念是廣義的，機內(nèi)除有數(shù)值數(shù)據(jù)之外，還有文字、

符號、圖象、語言和邏輯信息等等，因為它們也都是0、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、控制符號等

,在機內(nèi)它們都被變換成計算機能夠識別的二進制編碼形式。國際上

普遍采用的一種編碼是美國國家信息交換標準代碼(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。④動作控制符。

(2)邏輯數(shù)據(jù)

邏輯數(shù)據(jù)是指計算機不帶符號位的一位二進制數(shù)。

邏輯數(shù)據(jù)在計算機中雖然也是“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)運算可以表達事物內(nèi)部的邏輯關(guān)系，而數(shù)值數(shù)

據(jù)表達的是事物的數(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)中文信息處理的標準。比

如1981年我國制定推行的GB2312-80國家標準信息交換用漢字編碼

字符集(基本集)…簡稱國標碼，以及若干輔助集。國標碼收集、制

定的基本圖形字符有7千余個，其中常用漢字3755個，次常用漢字

3008個，共6763個漢字，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)部碼是漢字在計算機內(nèi)部存儲、運算的信息代碼，內(nèi)部碼的設(shè)

計要求與西文信息處理有較好的兼容性，當一個漢字以某種漢字輸入

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

國標碼，如果給國標碼的每字節(jié)最高位加“1”，作為漢字標識符，就

成為一種機器內(nèi)部表示漢字的代碼一漢字內(nèi)部碼。

漢字內(nèi)部碼的特點十分明顯：

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

表達數(shù)千個漢字和各種符號圖形，且又節(jié)省計算機存儲空間。

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

漢字內(nèi)碼可以看成是它擴展的字符代碼，在同一個計算機系統(tǒng)中，只

要從最高位標識符就能區(qū)分這兩種代碼。標識符是“0"，即是ASCII

碼;標識符是“1”，則是漢字內(nèi)部碼。

7.語音識別及語言表示原理

語音產(chǎn)生機理的研究表明，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的結(jié)果。分析語音的音素特點，找出音素的

基頻和高次頻率優(yōu)分，就能在計算機中建立發(fā)音系統(tǒng)的模型，在實施

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)字輸入計算機，與機內(nèi)的語言模型比較，由此達到識別語音的

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，進一步按照一定的規(guī)則合成語言。

六、運算器1.運算器的組成

多功能算術(shù)/邏輯運算單元(ALU):

(1)基本思想

關(guān)于一位全加器(FA)的邏輯表達式為：

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位的進位輸入，Ci+1為第i位的進位輸出。

一位算術(shù)/邏輯運算單元的邏輯表達式為：

Fi=XiYiCn+i

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

上式中，進位下標用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組成更長的運算器時每片電路的進位輸入。

(2)邏輯表達式

ALU的某一位邏輯表達式如下:

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位方式。

對一片ALU來說，可有三個進位輸出。其中G稱為進位發(fā)生輸出，

P稱為進位傳送輸出。在電路中，多加這兩個進位輸出的目的是為了

便于實現(xiàn)多片(組)ALU之間的先行進位，為此，還需一個配合電

路，它稱為先行進位發(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

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方向傳送。所謂雙向總線，就是

信息可以向兩個方向傳送。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.運算器的基本結(jié)構(gòu)

運算器包括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)代計算機的運算器大體有如下三種結(jié)構(gòu)形

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

算器

七、控制器1.控制器在CPU中的位置

中央處理器(CPU)由兩個主要部分一控制器及運算器組成。其中程

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

成了控制器。它是對計算機發(fā)布命令的“決策機構(gòu)”，協(xié)調(diào)和指揮整個

計算機系統(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存放由內(nèi)存儲器讀出的一條指令或一個數(shù)據(jù)字;

反之，當向內(nèi)存存入一條指令或一個數(shù)據(jù)字時，也暫時將它們存放在

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，它們由二進制數(shù)字組成。為執(zhí)行任何給定的指令，必須

對操作碼進行譯碼，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。

(3)程序計數(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。而程序計數(shù)器(PC)正是起到這種作用，所以

通常又稱其為指令計數(shù)器。

(4)地址寄存器(AR)

地址寄存器用來保存當前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:當運算器的算術(shù)/邏

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

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

再從內(nèi)存中取出另一個操作數(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

用來暫時存放ALU運算的結(jié)果信息。顯然，運算器中至少要有一個

累加器寄存器。

由于運算器的結(jié)構(gòu)不同，可采用多個累加寄存器。

(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)指令操作碼和時序信號，產(chǎn)生各種操作

控制信號，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)計方法不同，操作控制器可分為組合邏輯型、存儲邏輯型、組

合邏輯與存儲邏輯結(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)來實現(xiàn)的;第二種稱為微程序控制器，它是采用存儲邏輯

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

現(xiàn)的。

(8)時序產(chǎn)生器

CPU中除了操作控制器外，還必須有時序產(chǎn)生器，因為計算機高速

地進行工作，每一動作的時間是非常嚴格的，不能有任何差錯。時序

產(chǎn)生器的作用，就是對各種操作實施時間上的控制。

2.控制器的組成

運算器包括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，圍繞它的有程序計數(shù)器(PC)、指令寄存器

(IR)、指令譯碼器(ID)和時序產(chǎn)生器。

八、存儲器1.存儲器的基本組成及其讀寫操作

(1)存儲器的基本組成

主存儲器由存儲體、地址譯碼電路、驅(qū)動電路、讀寫電路和控制電路

等組成。主存儲器主要功能是:①存儲體:是信息存儲的集合體，由某

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

織，是可供CPU和計算機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)訪問的存儲單元。在

存儲體與譯碼器之間的驅(qū)動器的功能是減輕譯碼線驅(qū)動負載能力。由

于一條譯碼線需要與它控制的所有存儲單元相聯(lián)，其負載很大。需要

增夾牽動器，以譯碼線連叫葷動器的輸入端，由驅(qū)動器的輸出端控制

連接在譯碼線上的所有存儲單元。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)寄存器中寫入存儲體中特定的存儲單元

或?qū)⒋鎯w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)生一組時序信號控制存儲器的操作。

在存儲器的組成中，存儲體是核心，其余部分是存儲體的外圍線路。

不同的存儲器都是由這兒部分組成，只是在選用不同的存儲介質(zhì)和不

同的存取方式時、各部分的結(jié)構(gòu)與工作方式略有變化。

（2）存儲體陣列

計算機存儲器中存儲的是“0”和“1”的信息，每一個能存儲一位二進制

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單

元，一個存儲單元能夠存儲一個或幾個字節(jié)的二進制信息。每個存儲

單元都有一個地址編號，用以唯一標識存儲單元的位置。信息按地址

存入指定的存儲單元中，按地址從指定的存儲單元中取出。存儲單元

的集合稱為存儲體。由于存儲體中存儲單元的每個二進制位必須并行

工作，因此將存儲單元按其地址的順序組成存儲陣列。

（3）存儲器的地址譯碼系統(tǒng)

CPU要訪問存儲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，以表示選中

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

地址譯碼為兩種方式:一種是單譯碼方式，僅有一個譯碼器。譯碼器

輸出的每條譯碼線對應(yīng)一個存儲單元。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

個存儲單元。另外一種是雙譯碼方式，將譯碼器分成X向和Y向兩

個譯碼器，通過雙譯碼器的相互作用確定存儲單元的地址。

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，可以選擇從存儲單元（0,0）至（31,31）共25x25=1024

個存儲單元地址。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）存儲器的讀寫操作

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

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，標志指定的存儲單元;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

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

的操作。存儲器寫的操作與讀的操作相類似。不同類型的存儲器根據(jù)

其特點有不同的讀寫操作控制電路、控制機構(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

半導體存儲器有體積小、存取速度快、生產(chǎn)制造易于自動化等特點，

其性能價格比遠遠高于磁芯存儲器，因而得到廣泛的應(yīng)用。

半導體存儲器的種類很多，就其制造工藝可以分成雙極型半導體存儲

器和金屬-氧化物-半導體存儲器(簡稱MOS型存儲器)。MOS型存

儲器按其工作狀態(tài)又可以分為靜態(tài)和動態(tài)兩種。動態(tài)存儲器必須增設(shè)

恢復信息的電路，外部線路復雜。但其內(nèi)部線路簡單，集成度高，價

格較靜態(tài)存儲器便宜。因此經(jīng)常用做大容量的RAM。

靜態(tài)存儲器和動態(tài)存儲器的主要差別在于:靜態(tài)存儲器存儲的信息不

會自動消失，而動態(tài)存儲器存儲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型存儲器，其保持的信息將隨電源的撤

消而消失。

(1)RAM的組織

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

般計算機中使用的RAM芯片均有自己的存儲體陣列、譯碼電路、讀

寫控制電路和I/O電路。①RAM的并聯(lián)

為擴展存儲器的字長，可以采用并聯(lián)存儲器芯片的方式實現(xiàn)。②RAM

的串聯(lián)

為擴展存儲器的存儲單元數(shù)量，可以采用多個芯片地址串聯(lián)的方式解

決。③地址復用的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的實際應(yīng)用

由于一個存儲器的芯片一般不能滿足使用的要求，所以通常將若干個

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

長的存儲器。

如果設(shè)計的存儲器容量有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

使用時只讀出不寫入的存儲器稱為只讀存儲器(ROM)。ROM中的

信息一旦寫入就不能進行修改，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、字母符號陣列等信息。

ROM和RAM相比，使用時不需寫入、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的特點是其存儲內(nèi)容出廠時由生產(chǎn)廠家一次制成，用戶不

能對其內(nèi)容進行修改，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

出可以多次擦寫的可編程ROM(EPROM)。其特點是可以根據(jù)用戶

的要求用工具擦去ROM中原有的存儲內(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中原有的存儲內(nèi)容，

重新寫入新的編碼。擦除和寫入可以多次進行，其內(nèi)容同樣不會因斷

電而丟失。最常見的EPROM是UVEPROM,其存儲元件常用浮置柵

型MOS管組成。出廠時全部置“0”或“1”，由用戶通過高壓脈沖寫入

信息。擦寫時通過其外部的一個石英玻璃窗，利用紫外線的照射，使

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

用戶重新寫入信息。平時窗口上必須貼有不透明膠紙，以防光線進入

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.外存儲器的工作原理

外存儲器是指那些不能被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)的存儲器。磁帶、磁

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

也稱為磁表面存儲器。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)磁盤存儲器

磁盤存儲器具有容量大，存取速度高(相對其他種類外存儲器)的特

點，因而在各種類型的計算機中普遍被用做主要的外存儲器。磁盤存

儲器避免了磁帶存儲的缺點。磁盤存儲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

用時一，通過磁盤面的高速旋轉(zhuǎn)代替磁帶的直線運動，減少尋找特定位

置的時間。

磁盤存儲器由磁盤、磁頭、定位系統(tǒng)和傳動系統(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)動器的存儲主體。

軟盤和硬盤盤片記錄信息的方式相同，都是將每個盤面由外向內(nèi)分成

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

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、數(shù)據(jù)區(qū)、

檢驗字段和尾空等兒個部分。通常對磁盤進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)域的劃分隨計算機系統(tǒng)的不同而不同，其存儲容量也有較大的

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

計算一個磁盤容量的公式是:磁盤存儲容量=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)存儲容量

（2）光盤存儲器

所謂光盤（CD）是利用光學原理讀寫信息的存儲器。由于光盤的容

量大、速度較快、不易受干擾等特點，光盤的應(yīng)用愈來愈廣泛。

光盤系統(tǒng)一般是由光學、電氣和機械部件組成。

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

盤片、機械驅(qū)動部件、定位部件和讀寫機構(gòu)。不同的是后者利用磁性

原理存儲信息，利用磁頭存取信息;而前者是利用光學原理存儲信息

并用光學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，由機械驅(qū)動部件和定位

部件負責確定讀取的位置。激光器發(fā)出激光經(jīng)光學線路至聚焦透鏡射

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”的電信號傳輸?shù)綌?shù)據(jù)輸出端，整個讀

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

實現(xiàn)信息的存儲和擦除。

光盤存儲器的記錄密度高，存儲容量大，一片5.25英寸大小的一次

寫入式光盤可以存儲680MB的信息，其容量遠遠大于外形同樣大小

的軟磁盤。光盤信息的保存時間也比磁盤的長。目前影響光盤普遍應(yīng)

用的主要原因是光盤存儲器的讀寫速度慢和光盤驅(qū)動器的成本高。隨

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

用前景。

5.虛擬存儲的概念、作用和工作過程

(1)虛擬存儲的概念、作用

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

存儲地址稱為虛擬地址(邏輯地址)，其對應(yīng)的存儲容量稱為虛擬容

量。將實際主存地址稱為物理地址或?qū)嵉刂?，主存的容量稱為實存容

量。

當用虛擬地址訪問主存時;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、硬件自動把虛

擬地址變成主存的物理地址后，對主存相應(yīng)單元進行訪問。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

后再進行訪問。因此，對虛擬存儲器的每次訪問都必須進行虛實地址

的變換。

虛擬存儲器的作用是擴大整個主存的容量，允許在程序中使用比主存

容量大得多的虛擬存儲器。同時可以減輕人們編程中對程度進行分塊

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

主存運行大規(guī)模的程序的一種有效的辦法。盡管實現(xiàn)虛擬存儲要增加

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

到了廣泛的應(yīng)用。

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

不一定是虛擬存儲器，虛擬存儲器與一般的主存-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，非虛擬存儲器最多只允許人們使用主存的整個空間，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虛擬存儲器每次訪問主存時必須進行虛、實地址的變換，而非虛擬

存儲系統(tǒng)則不必變換。

(2)虛擬存儲的工作原理

虛擬存儲技術(shù)，實際上是將編寫程序時所用的虛擬地址(邏輯地址)

轉(zhuǎn)換成較小的物理地址。在程序運行時隨時進行這種變換。為了便于

主存與輔存之間信息的交換，虛擬存儲器一般采用二維或三維的復合

地址格式。采用二維地址格式時一,將整個存儲器劃分為若干頁（或段）,

每個頁（或段）又包括若干存儲單元。采用三維地址格式時將整個存

儲空間分為若干段，每段分為若干頁，每頁又包括若干存儲單元。根

據(jù)地址格式不同，虛擬存儲器分為:頁式虛擬存儲器、段式虛擬存儲

器和段頁式虛擬存儲器。

在虛擬存儲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

利用頁表法進行地址間的變換。

②直接映象

每個邏輯頁只能映象到一個特定頁面的方式稱為直接映象。如主存實

際有2P頁，虛擬存儲器的邏輯空間有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，形成存儲頁面的“抖動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)備對整個計算機系統(tǒng)速度的影響，在計算

機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)。

在整個存儲體系的組織中，緩沖技術(shù)成為解決容量與速度之間矛盾的

主要方法。實際上在計算機系統(tǒng)中緩沖技術(shù)解決了許多難題，促進了

計算機系統(tǒng)的發(fā)展。在存儲體系中，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行實例的分析。分析結(jié)果表

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

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

和子程序段的重復執(zhí)行，對這些地址的訪問自然具有時間上集中分布

的傾向。這種對局部范圍的存儲器地址頻繁訪問，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)在存儲體系中的一個具體應(yīng)用。Cache處于主存與

CPU之間，負責解決主存與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），當存儲器接到有關(guān)讀

取指令時，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，同時寫入Cache,以備再次

使用。當向存儲器寫入內(nèi)容時，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。

為保證寫入時兩者內(nèi)容一致的方法有:①將內(nèi)容同時寫入主存和

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)定的時候?qū)⑿薷倪^的Cache的內(nèi)容寫入主存。

Cache的主要特點是:①存取速度快，一般Cache的速度完全可以跟上

CPU的運算速度;②存儲量小，由于Cache的速度快，其價格也相當

昂貴，因此為保證整個存儲器的性能價格比，一般采用適當容量的

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算機總

體性能的影響。磁盤是存儲系統(tǒng)中的輔助部分，其主要作用是用來存

儲不常用的數(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算機的其他部件直接調(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，當系統(tǒng)需要繼續(xù)讀入磁盤中的信息時、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處理機方式適用于數(shù)據(jù)傳輸率比較高

的設(shè)備。目前，小型機和微型機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處理機方式大都用在中、大型計算

機中。為了介紹方便，我們把通道方式和I/O處理機方式視為一種方

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算機程序控制，是在CPU主動控制

下進行的，當輸入/輸出時一，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指令進行數(shù)據(jù)傳送。

這是一種最簡單、最經(jīng)濟的輸入/輸出方式。它只需很少的硬件，因

此兒乎所有的機器都具有程序查詢方式。特別是在微、小型機中，常

用程序查詢方式來實現(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，是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一個重大變革。在程

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

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

CPU響應(yīng)這個中斷時，便暫停運行主程序，并自動轉(zhuǎn)移到該設(shè)備的

中斷服務(wù)程序。當中斷服務(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)存儲器和I/O設(shè)備之間進行。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、修改地址、對傳送的字的個數(shù)計數(shù)，并且以中斷方式

向CPU報告?zhèn)魉筒僮鞯慕Y(jié)束。

DMA方式的主要優(yōu)點是速度快。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，要進行保存現(xiàn)場、恢復現(xiàn)場之類的工作。內(nèi)存

地址修改、傳送字個數(shù)的計數(shù)等，也不是由軟件實現(xiàn)，而是用硬件線

路直接實現(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)傳送個數(shù)的計數(shù)，并執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送的操作;

④向CPU報告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,CPU可以繼續(xù)執(zhí)行程序。那么DMA控制器與

CPU怎樣分時使用內(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DMA控制器實際上是采用DMA方式的外部設(shè)備與系統(tǒng)總線之

間的接口電路。這個接口電路是在中斷接口的基礎(chǔ)上再加DMA機構(gòu)

組成。習慣上將DMA方式的接口電路稱為DMA控制器。

①內(nèi)存地址計數(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)存地址計數(shù)器。而當DMA

傳送時，每交換一次數(shù)據(jù)，將地址計數(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字計數(shù)器

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

前由程序預置，交換的字數(shù)通常以補碼形式表示。在DMA傳送時，

每傳送一個字，字計數(shù)器就加“1”，當計數(shù)器溢出即最高位產(chǎn)生進位

時一，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。

③數(shù)據(jù)緩沖寄存器

用于暫存每次傳送的數(shù)據(jù)（一個字）。當輸入時，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，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”標志

每當設(shè)備準備好一個數(shù)據(jù)字后給出一個控制信號，使“DMA”請求標

志置