第3章計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)3.1計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生、發(fā)展演變、分類及應(yīng)用

3.2圖靈機(jī)的基本思想和馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)

3.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述

3.4高性能計(jì)算機(jī)3.5新一代計(jì)算機(jī)

3.1計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生、發(fā)展演變、分類及應(yīng)用

3.1.1計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生

在人類社會(huì)的整個(gè)發(fā)展歷程中，人們一直都在尋找快速有效的計(jì)算工具。從遠(yuǎn)古時(shí)期先民們結(jié)繩記事的繩結(jié)到戰(zhàn)國(guó)爭(zhēng)雄時(shí)謀士們運(yùn)籌帷幄的籌，從公元六百多年前中國(guó)人的算盤到17世紀(jì)歐洲人的計(jì)算尺，經(jīng)歷了由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從低級(jí)到高級(jí)的漫長(zhǎng)的歷史發(fā)展過(guò)程。

隨著機(jī)械工業(yè)的出現(xiàn)，英國(guó)數(shù)學(xué)家巴貝奇在1832年首先提出通用數(shù)字計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想，并且設(shè)計(jì)出第一臺(tái)由外部指令驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)，可是由于缺乏資金和受當(dāng)時(shí)技術(shù)水平的限制，他未能制造出這樣的機(jī)器。

1889年，美國(guó)科學(xué)家赫爾曼·何樂(lè)禮研制出以電力為基礎(chǔ)的電動(dòng)制表機(jī)，用以儲(chǔ)存計(jì)算資料。

1930年，美國(guó)科學(xué)家范內(nèi)瓦·布什造出世界上首臺(tái)模擬電子計(jì)算機(jī)。

1946年2月14日，由美國(guó)軍方定制的世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)“電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)”(ElectronicNumericalAndCalculator，ENIAC)在美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)問(wèn)世了。ENIAC(埃尼阿克)是美國(guó)奧伯丁武器試驗(yàn)場(chǎng)為了滿足計(jì)算彈道需要而研制成的，這臺(tái)計(jì)算機(jī)使用了17?840個(gè)電子管，大小為80英尺×8英尺，重達(dá)28噸，功耗為170kW，其運(yùn)算速度為5000次每秒的加法運(yùn)算，造價(jià)約為487000美元(見(jiàn)圖3.1)。ENIAC的問(wèn)世具有劃時(shí)代的意義，表明電子計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來(lái)。圖3.1第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC3.1.2計(jì)算機(jī)的發(fā)展演變

第一代：電子管計(jì)算機(jī)(1946—1958年)。

硬件方面：邏輯元件采用的是真空電子管，主存儲(chǔ)器采用汞延遲線、陰極射線示波管靜電存儲(chǔ)器、磁鼓、磁芯；外存儲(chǔ)器采用的是磁帶。

軟件方面：采用的是機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言。

特點(diǎn)：體積大、功耗高、可靠性差、速度慢(一般為數(shù)千次至數(shù)萬(wàn)次每秒)、價(jià)格昂貴，但為以后的計(jì)算機(jī)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

應(yīng)用：主要用于科學(xué)計(jì)算和軍事方面。第二代：晶體管計(jì)算機(jī)(1958—1964年)。

硬件方面：以晶體管為邏輯元件，用磁芯作為主存儲(chǔ)器，開(kāi)始使用磁盤機(jī)、磁帶機(jī)等外存儲(chǔ)設(shè)備。

軟件方面：匯編語(yǔ)言得到了實(shí)際應(yīng)用，高級(jí)語(yǔ)言如FORTRAN、BASIC、COBOL相繼問(wèn)世。

特點(diǎn)：計(jì)算機(jī)的體積縮小、能耗降低、可靠性提高、運(yùn)算速度提高(一般為數(shù)10萬(wàn)次每秒，可高達(dá)300萬(wàn)次每秒)，性能比第一代計(jì)算機(jī)有很大的提高。

應(yīng)用：以科學(xué)計(jì)算和事務(wù)處理為主，并開(kāi)始進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域。第三代：集成電路計(jì)算機(jī)(1964—1970年)。

硬件方面：邏輯元件采用中、小規(guī)模集成電路(MSI、SSI)，主存儲(chǔ)器仍采用磁芯。

軟件方面：出現(xiàn)了分時(shí)操作系統(tǒng)以及結(jié)構(gòu)化、規(guī)?；绦蛟O(shè)計(jì)方法。

特點(diǎn)：速度更快(一般為每秒數(shù)百萬(wàn)次至數(shù)千萬(wàn)次)，而且可靠性有了顯著提高，價(jià)格進(jìn)一步下降，產(chǎn)品走向了通用化、系列化和標(biāo)準(zhǔn)化等。

應(yīng)用：開(kāi)始進(jìn)入工業(yè)控制、文字處理和圖形圖像處理領(lǐng)域。第四代：大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)(1970年至今)。

硬件方面：將CPU、存儲(chǔ)器及各I/O接口集成在大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路芯片上。由于集成技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體芯片的集成度更高，每塊芯片可容納數(shù)萬(wàn)乃至數(shù)百萬(wàn)個(gè)晶體管，并且可以把運(yùn)算器和控制器都集中在一個(gè)芯片上，從而出現(xiàn)了微處理器，并且可以用微處理器和大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路組裝成微型計(jì)算機(jī)，就是我們常說(shuō)的微電腦或PC。微型計(jì)算機(jī)體積小，價(jià)格便宜，使用方便，但它的功能和運(yùn)算速度已經(jīng)達(dá)到甚至超過(guò)了過(guò)去的大型計(jì)算機(jī)。另一方面，利用大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路制造的各種邏輯芯片，已經(jīng)制成了體積并不很大，但運(yùn)算速度可達(dá)一億甚至幾十億次的巨型計(jì)算機(jī)。

軟件方面：發(fā)展了分布式操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和面向?qū)ο笳Z(yǔ)言等，開(kāi)發(fā)了諸多可靠的高級(jí)語(yǔ)言，軟件工程逐步標(biāo)準(zhǔn)化，并形成了軟件產(chǎn)業(yè)。

特點(diǎn)：計(jì)算機(jī)在存儲(chǔ)容量、運(yùn)算速度、可靠性、精度及性價(jià)比方面均比上一代計(jì)算機(jī)有了較大突破。

應(yīng)用領(lǐng)域：從科學(xué)計(jì)算、事務(wù)管理、過(guò)程控制逐步擴(kuò)展到所有行業(yè)或部門，并逐漸走向家庭。3.1.3計(jì)算機(jī)的分類

1．按信息的表示和處理方式劃分

按信息的表示和處理方式劃分，可將計(jì)算機(jī)分為數(shù)字計(jì)算機(jī)、模擬計(jì)算機(jī)及數(shù)字模擬混合計(jì)算機(jī)。

數(shù)字計(jì)算機(jī)是通過(guò)電信號(hào)的有無(wú)來(lái)表示數(shù)，也就是用離散的二進(jìn)制形式的代碼串(0和1組成的代碼串)來(lái)表示信息，并利用算術(shù)和邏輯運(yùn)算法則進(jìn)行計(jì)算的。它具有運(yùn)算速度快、精度高、靈活性強(qiáng)和便于存儲(chǔ)等優(yōu)點(diǎn)，因此適合于科學(xué)計(jì)算、信息處理、實(shí)時(shí)控制和人工智能等應(yīng)用。我們通常所用的計(jì)算機(jī)一般都指的是數(shù)字計(jì)算機(jī)。模擬計(jì)算機(jī)是通過(guò)電壓的大小來(lái)表示數(shù)，即通過(guò)電的物理變化過(guò)程來(lái)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的，是專用于處理連續(xù)的電壓、溫度、速度等模擬數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)。其運(yùn)算速度快，但精度不高，應(yīng)用范圍較窄。模擬計(jì)算機(jī)目前已很少生產(chǎn)。

數(shù)字模擬混合計(jì)算機(jī)是指數(shù)字計(jì)算與模擬技術(shù)靈活結(jié)合的電子計(jì)算機(jī)，輸入和輸出既可以是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，也可以是模擬數(shù)據(jù)。但這種計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)困難，造價(jià)昂貴。

2．按計(jì)算機(jī)的用途劃分

按計(jì)算機(jī)的用途劃分，可將計(jì)算機(jī)分為專用計(jì)算機(jī)和通用計(jì)算機(jī)。

專用計(jì)算機(jī)是用于解決某一特定應(yīng)用領(lǐng)域，為解決某些特定問(wèn)題而設(shè)計(jì)的，應(yīng)用于如自動(dòng)化控制、工業(yè)儀表、軍事等領(lǐng)域。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高，但功能單一，較難用于其他領(lǐng)域。

通用計(jì)算機(jī)是針對(duì)多種應(yīng)用領(lǐng)域或者面向多種處理過(guò)程而研制的。它有較復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，有較豐富的通用軟件，適用于解決一般問(wèn)題，其適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用面廣，如科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理和過(guò)程控制等。目前生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)多數(shù)是通用計(jì)算機(jī)。

3．按計(jì)算機(jī)的規(guī)模與性能劃分

計(jì)算機(jī)的規(guī)模由計(jì)算機(jī)的一些主要技術(shù)指標(biāo)來(lái)衡量，如字長(zhǎng)、運(yùn)算速度、存儲(chǔ)容量、外部設(shè)備、輸入和輸出能力、配置軟件豐富與否、價(jià)格高低等。按計(jì)算機(jī)的規(guī)模大小與性能高低劃分，可將計(jì)算機(jī)分為巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)和微型機(jī)。

巨型機(jī)又稱超級(jí)計(jì)算機(jī)，是計(jì)算機(jī)中性能最好、功能最強(qiáng)的。其運(yùn)算速度已達(dá)幾十萬(wàn)億次每秒(并且這個(gè)記錄還在不斷刷新)，字長(zhǎng)為64位甚至更長(zhǎng)，主存儲(chǔ)容量達(dá)到KG字節(jié)數(shù)量級(jí)；一般是多CPU或者多機(jī)系統(tǒng)，按照并行處理方式工作，用于國(guó)防尖端技術(shù)和現(xiàn)代科學(xué)計(jì)算等領(lǐng)域。巨型機(jī)是計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要方向，研制巨型機(jī)也是衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)水平的重要標(biāo)志。微型機(jī)以使用微處理器、結(jié)構(gòu)緊湊為特征，是計(jì)算機(jī)中價(jià)格最低、應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、使用最普及、產(chǎn)量最大的一類計(jì)算機(jī)，其體積小、功耗低、成本少、靈活性大，性能價(jià)格比明顯優(yōu)于其他類。現(xiàn)在的微型機(jī)已經(jīng)發(fā)展到以酷睿(Core)系列微處理器為標(biāo)志的第六代，字長(zhǎng)已經(jīng)達(dá)到64位，主存儲(chǔ)器容量可達(dá)到32GB，時(shí)鐘頻率3GHz以上。常見(jiàn)的微型機(jī)有IBM-PC(及其兼容機(jī))系列和蘋果(Apple)公司的Macintosh系列。微型機(jī)又可分為臺(tái)式機(jī)、筆記本電腦和掌上電腦三種。

從大型機(jī)派生出來(lái)的一個(gè)分支稱為工作站。工作站是具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算與圖形、圖像處理能力的高性能計(jì)算機(jī)，與大型機(jī)相比，其體積較小，價(jià)格比較便宜，適用于工程設(shè)計(jì)、圖形處理、科學(xué)研究、模擬仿真等專業(yè)領(lǐng)域。3.1.4計(jì)算機(jī)的應(yīng)用

按照應(yīng)用領(lǐng)域，可以將計(jì)算機(jī)能做的事情概括如下：

1.科學(xué)計(jì)算

科學(xué)計(jì)算主要以獲得數(shù)值計(jì)算的結(jié)果為目的。計(jì)算機(jī)是科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中進(jìn)行分析、計(jì)算的理想工具。例如，人造衛(wèi)星、導(dǎo)彈、宇宙飛船飛行軌跡的計(jì)算，大型水利樞紐、橋梁、高層建筑的結(jié)構(gòu)分析計(jì)算與仿真，天氣預(yù)報(bào)的數(shù)據(jù)分析與計(jì)算，石油勘探、地震信號(hào)的分析，人造蛋白質(zhì)、人工胰島素合成等生物化學(xué)的過(guò)程分析與實(shí)現(xiàn)方法探尋，等等。

2.實(shí)時(shí)控制

計(jì)算機(jī)除了能實(shí)現(xiàn)常規(guī)儀表的過(guò)程控制功能外，還可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制，乃至智能控制等高水平控制和全企業(yè)的一體化控制。計(jì)算機(jī)控制也是現(xiàn)代武器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)搜索、定位、瞄準(zhǔn)、射擊、機(jī)動(dòng)所必不可少的技術(shù)。例如，人造衛(wèi)星和導(dǎo)彈的發(fā)射就必須使用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)和技術(shù)。

3.數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是指用計(jì)算機(jī)處理生產(chǎn)活動(dòng)、科學(xué)研究中獲得的大量數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行搜集、轉(zhuǎn)換、分類、存儲(chǔ)、傳送、生成報(bào)表，以滿足查詢、統(tǒng)計(jì)、排序等的需要。比如人事管理、工資管理、財(cái)務(wù)賬目計(jì)算、生產(chǎn)和庫(kù)存管理、報(bào)表統(tǒng)計(jì)分析、情報(bào)檢索等。數(shù)據(jù)處理的特點(diǎn)是涉及的數(shù)據(jù)量大，以管理為主要目的。計(jì)算的方法比較簡(jiǎn)單，要求的精確度較低。數(shù)據(jù)處理依托數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，是目前計(jì)算機(jī)應(yīng)用和研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

4.計(jì)算機(jī)輔助

用計(jì)算機(jī)對(duì)船舶、飛機(jī)、汽車、建筑、機(jī)械、集成電路、服裝等產(chǎn)品進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，如提供模型、計(jì)算、繪圖等，稱為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(ComputerAidedDesign，CAD)。它可以提高設(shè)計(jì)工作的自動(dòng)化程度，提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率，節(jié)省成本。

計(jì)算機(jī)輔助制造(ComputerAidedManufacturing，CAM)是使用計(jì)算機(jī)控制生產(chǎn)設(shè)備的操作代替人的部分勞動(dòng)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，縮短生產(chǎn)周期。如數(shù)控機(jī)床、柔性制造系統(tǒng)等都是計(jì)算機(jī)輔助制造的例子。計(jì)算機(jī)應(yīng)用教學(xué)和訓(xùn)練稱為計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)(ComputerAssistedInstruction，CAI)。CAI是一種新興的教育技術(shù)，可以有效地提高教學(xué)的質(zhì)量和效率，節(jié)省訓(xùn)練經(jīng)費(fèi)，在教學(xué)和訓(xùn)練中取得了很大的成功。

計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試(ComputerAidedTest，CAT)是指利用計(jì)算機(jī)協(xié)助進(jìn)行測(cè)試的一種方法。計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試可以用在不同的領(lǐng)域。在教學(xué)領(lǐng)域，可以使用計(jì)算機(jī)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行測(cè)試和學(xué)習(xí)能力估量；在軟件測(cè)試領(lǐng)域，可以使用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行軟件的測(cè)試，提高測(cè)試效率。計(jì)算機(jī)輔助工程(ComputerAidedEngineering，CAE)是指用計(jì)算機(jī)對(duì)工程和產(chǎn)品進(jìn)行性能與安全可靠性分析，對(duì)其未來(lái)的工作狀態(tài)和運(yùn)行行為進(jìn)行模擬，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，并證實(shí)未來(lái)工程、產(chǎn)品功能和性能的可用性與可靠性。

5.文字處理和辦公自動(dòng)化

文字處理是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的一個(gè)重要方面?？梢哉f(shuō)凡是用到語(yǔ)言文字的地方，都可以用上計(jì)算機(jī)。例如畢業(yè)論文、學(xué)術(shù)論文和著作的撰寫，學(xué)術(shù)報(bào)告的演示，普通公文和信件的處理，文獻(xiàn)摘錄、書刊、報(bào)紙的排版，以及辦公室數(shù)據(jù)資料的查詢、統(tǒng)計(jì)、分析，編排和打印文件，發(fā)布行政公務(wù)通告等。

6.人工智能

智能化是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。人工智能是研究如何構(gòu)造智能系統(tǒng)(包括智能機(jī)器)，以便模擬、延伸、擴(kuò)展人類智能的一門科學(xué)。例如，研究并模擬人的感知(視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué))、學(xué)習(xí)、推理，甚至模擬人的聯(lián)想、感悟、發(fā)現(xiàn)等思維過(guò)程。人工智能的研究與應(yīng)用領(lǐng)域有模式識(shí)別、定理自動(dòng)證明、專家系統(tǒng)與知識(shí)工程、機(jī)器翻譯、自然語(yǔ)言理解、語(yǔ)音合成和語(yǔ)音識(shí)別、智能機(jī)器人等。其中智能機(jī)器人的研究和應(yīng)用是人工智能研究成果的集中體現(xiàn)，對(duì)于科學(xué)研究和生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展有重要意義。

7.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)綜合了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源豐富和通信系統(tǒng)迅速及時(shí)的優(yōu)勢(shì)，具有很強(qiáng)的生命力。在Internet的推動(dòng)下，我國(guó)的銀行、海關(guān)、稅務(wù)、高校、民航、鐵路、政府部門相繼建立了自己的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?；谟?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的信息服務(wù)行業(yè)也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。在國(guó)內(nèi)外眾多的網(wǎng)站上可以方便地獲取和傳遞信息，查閱文獻(xiàn)，做到資源共享，大大提高了工作、學(xué)習(xí)的效率。

3.2圖靈機(jī)的基本思想和馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)

3.2.1圖靈機(jī)的基本思想

圖靈機(jī)又稱圖靈計(jì)算、圖靈計(jì)算機(jī)，是由數(shù)學(xué)家阿蘭·麥席森·圖靈(1912—1954)提出的一種抽象計(jì)算模型，即將人們使用紙筆進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算的過(guò)程進(jìn)行抽象，由一個(gè)虛擬的機(jī)器替代人們進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算。

概括地說(shuō)，圖靈機(jī)就是指一個(gè)抽象的機(jī)器，它有一條無(wú)限長(zhǎng)的紙帶，紙帶分成了一個(gè)一個(gè)的小方格，每個(gè)方格有不同的顏色。有一個(gè)機(jī)器頭在紙帶上移來(lái)移去。機(jī)器頭有一組內(nèi)部狀態(tài)，還有一些固定的程序。在每個(gè)時(shí)刻，機(jī)器頭都要從當(dāng)前紙帶上讀入一個(gè)方格信息，然后結(jié)合自己的內(nèi)部狀態(tài)查找程序表，根據(jù)程序輸出信息到紙帶方格上，并轉(zhuǎn)換自己的內(nèi)部狀態(tài)，然后進(jìn)行移動(dòng)，如圖3.2所示。圖3.2圖靈機(jī)圖靈的基本思想是用機(jī)器來(lái)模擬人們用紙筆進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算的過(guò)程，他把這樣的過(guò)程看做下列兩種簡(jiǎn)單的動(dòng)作：

(1)在紙上寫上或擦除某個(gè)符號(hào)；

(2)把注意力從紙的一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置。

而在每個(gè)階段，人要決定下一步的動(dòng)作，依賴于如下兩點(diǎn)：

(1)此人當(dāng)前所關(guān)注的紙上某個(gè)位置的符號(hào)；

(2)此人當(dāng)前思維的狀態(tài)。為了模擬人的這種運(yùn)算過(guò)程，圖靈構(gòu)造出一臺(tái)假想的機(jī)器，該機(jī)器由以下幾個(gè)部分組成：

(1)一條無(wú)限長(zhǎng)的紙帶Tape。紙帶被劃分為一個(gè)接一個(gè)的小格子，每個(gè)格子上包含一個(gè)來(lái)自有限字母表的符號(hào)，字母表中有一個(gè)特殊的符號(hào)表示空白。紙帶上的格子從左到右依此被編號(hào)為0，1，2，…，紙帶的右端可以無(wú)限伸展。

(2)一個(gè)讀寫頭Head。該讀寫頭可以在紙帶上左右移動(dòng)，它能讀出當(dāng)前所指的格子上的符號(hào)，并能改變當(dāng)前格子上的符號(hào)。

(3)一套控制規(guī)則Table。它根據(jù)當(dāng)前機(jī)器所處的狀態(tài)以及當(dāng)前讀寫頭所指的格子上的符號(hào)來(lái)確定讀寫頭下一步的動(dòng)作，并改變狀態(tài)寄存器的值，令機(jī)器進(jìn)入一個(gè)新的狀態(tài)。

(4)一個(gè)狀態(tài)寄存器。它用來(lái)保存圖靈機(jī)當(dāng)前所處的狀態(tài)。圖靈機(jī)的所有可能狀態(tài)的數(shù)目是有限的，并且有一個(gè)特殊的狀態(tài)，稱為停機(jī)狀態(tài)。

注意這個(gè)機(jī)器的每一部分都是有限的，但它有一個(gè)潛在的無(wú)限長(zhǎng)的紙帶，因此這種機(jī)器只是一個(gè)理想的設(shè)備。圖靈認(rèn)為這樣的一臺(tái)機(jī)器就能模擬人類所能進(jìn)行的任何計(jì)算過(guò)程。

具體地說(shuō)，數(shù)據(jù)被制成一串0和1的紙帶，送入機(jī)器中作為輸入，例如：

00010000100011……

機(jī)器可對(duì)輸入紙帶執(zhí)行一些基本動(dòng)作，如“翻0為1”、“翻1為0”、“前移一位”、“停止”。機(jī)器對(duì)基本動(dòng)作的執(zhí)行是由指令來(lái)控制的，機(jī)器是按照指令的控制選擇執(zhí)行哪一個(gè)動(dòng)作，指令也可以用0和1來(lái)表示，如01表示“翻0為1”(當(dāng)輸入為1時(shí)不變)，10表示“翻1為0”(當(dāng)輸入為0時(shí)不變)，11表示“前移一位”，00表示“停止”。

輸入如何變?yōu)檩斎氲目刂?，可以用指令編寫一個(gè)程序來(lái)完成，例如：

01，11，10，11，01，11，01，11，00……注意，為了便于閱讀，程序的指令中間加了逗號(hào)以示區(qū)分。上述程序的內(nèi)容為“01—翻轉(zhuǎn)0為1，11—前移一位，10—翻轉(zhuǎn)1為0，11—前移一位，01—翻轉(zhuǎn)0為1，11—前移一位，01—翻轉(zhuǎn)0為1，11—前移一位，00—停止，不管紙帶上是什么，其都將輸出1011”。機(jī)器能夠讀取程序，按程序中的指令順序讀取指令，讀一條指令執(zhí)行一條指令，由此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算。

因此可以說(shuō)，圖靈機(jī)就是一個(gè)最簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)模型，圖靈機(jī)將控制處理的規(guī)則用0和1表達(dá)，將待處理的數(shù)據(jù)及處理結(jié)果也用0和1表達(dá)，處理即是對(duì)0和1的變換(可以用機(jī)械或電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn))。圖靈機(jī)給我們一個(gè)啟示，即如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)。系統(tǒng)可被認(rèn)為是由基本動(dòng)作(注：基本動(dòng)作是容易實(shí)現(xiàn)的)以及基本動(dòng)作的各種組合所構(gòu)成的(注：多變的、復(fù)雜的動(dòng)作可由基本動(dòng)作的各種組合來(lái)實(shí)現(xiàn))。因此，實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)僅需實(shí)現(xiàn)這些基本動(dòng)作以及實(shí)現(xiàn)一個(gè)控制基本動(dòng)作組合與執(zhí)行次序的機(jī)構(gòu)。對(duì)基本動(dòng)作的控制就是指令；而指令的各種組合及其次序就是程序。系統(tǒng)可以按照“程序”控制“基本動(dòng)作”的執(zhí)行以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能。圖靈又把程序看做是將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為輸出數(shù)據(jù)的一種變換函數(shù)，這種變換函數(shù)可以一步一步地來(lái)實(shí)現(xiàn)。進(jìn)一步，數(shù)據(jù)、指令和程序都可以用0和1表達(dá)，因此也就都能被計(jì)算。3.2.2馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)

從20世紀(jì)初，物理學(xué)和電子學(xué)科學(xué)家們就在爭(zhēng)論制造可以進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的機(jī)器應(yīng)該采用什么樣的結(jié)構(gòu)。人們被十進(jìn)制這個(gè)人類習(xí)慣的計(jì)數(shù)方法所困擾。所以，那時(shí)以研制模擬計(jì)算機(jī)的呼聲更為響亮和有力。

1945年6月，馮·諾依曼與戈德斯坦、勃克斯等人聯(lián)名發(fā)表了一篇長(zhǎng)達(dá)101頁(yè)紙的報(bào)告《FirstDraftofaReportontheEDVAC》，即計(jì)算機(jī)史上著名的“101頁(yè)報(bào)告”。在報(bào)告中馮·諾伊曼明確提出了計(jì)算機(jī)的體系架構(gòu)。他提出采用二進(jìn)制作為數(shù)字計(jì)算機(jī)的數(shù)制基礎(chǔ)，將數(shù)據(jù)和程序用二進(jìn)制形式的“0”、“1”代碼串來(lái)表示，并把它們存放到計(jì)算機(jī)的一個(gè)稱為存儲(chǔ)器的記憶裝置中。需要時(shí)可以把它們讀出來(lái)，由程序控制計(jì)算機(jī)的操作。計(jì)算機(jī)按照一定的順序逐條執(zhí)行程序的指令，期間不必人工干預(yù)，因而可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)高速運(yùn)算。這就是所謂的“程序控制工作方式”，也是計(jì)算機(jī)與其他信息處理機(jī)(如計(jì)算器、電報(bào)機(jī)、電話機(jī)、電視機(jī)等)的區(qū)別。馮·諾依曼根據(jù)馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)構(gòu)成的計(jì)算機(jī)，必須具有如下功能：

(1)把需要的程序和數(shù)據(jù)送至計(jì)算機(jī)中；

(2)必須具有長(zhǎng)期記憶程序、數(shù)據(jù)、中間結(jié)果及最終運(yùn)算結(jié)果的能力；

(3)能夠完成各種算術(shù)、邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)傳送等數(shù)據(jù)加工處理的能力；

(4)能夠按照要求將處理結(jié)果輸出給用戶。為了完成上述功能，計(jì)算機(jī)必須具備五大基本組成部件，包括：

(1)用于輸入數(shù)據(jù)和程序的輸入設(shè)備；

(2)用于記憶程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器；

(3)用于完成數(shù)據(jù)加工處理的運(yùn)算器；

(4)用于控制程序執(zhí)行的控制器；

(5)用于輸出處理結(jié)果的輸出設(shè)備。

從第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)開(kāi)始，計(jì)算機(jī)經(jīng)歷了多次的更新?lián)Q代，不管是最原始的還是最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)，使用的仍然是馮·諾依曼最初設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。因此，馮·諾依曼被世界公認(rèn)為“計(jì)算機(jī)之父”，他設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)被稱為“馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)”。圖3.3所示為馮·諾依曼結(jié)構(gòu)圖。圖3.3馮·諾依曼結(jié)構(gòu)圖

3.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述

3.3.1軟件系統(tǒng)

1．指令與指令系統(tǒng)

指令是指示計(jì)算機(jī)進(jìn)行某種操作的命令。一條指令就是機(jī)器語(yǔ)言的一條語(yǔ)句，它是一組有意義的二進(jìn)制代碼。一臺(tái)計(jì)算機(jī)能實(shí)現(xiàn)的操作都是由計(jì)算機(jī)的幾十條到上百條基本指令決定的。指令系統(tǒng)是指計(jì)算機(jī)所能執(zhí)行的全部指令的集合，它描述了計(jì)算機(jī)內(nèi)全部的控制信息和“邏輯判斷”能力。

1)指令格式

計(jì)算機(jī)的指令格式與機(jī)器的字長(zhǎng)、存儲(chǔ)器的容量及指令的功能都有很大的關(guān)系。從便于程序設(shè)計(jì)、增加基本操作并行性、提高指令功能的角度來(lái)看，指令中應(yīng)包含多種信息。但在有些指令中，由于部分信息可能無(wú)用，這將浪費(fèi)指令所占的存儲(chǔ)空間，并增加了訪存次數(shù)，也許反而會(huì)影響速度。因此，如何合理、科學(xué)地設(shè)計(jì)指令格式，使指令既能給出足夠的信息，又使其長(zhǎng)度盡可能地與機(jī)器的字長(zhǎng)相匹配，以節(jié)省存儲(chǔ)空間，縮短取指時(shí)間，提高機(jī)器的性能，這是指令格式設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問(wèn)題。計(jì)算機(jī)是通過(guò)執(zhí)行指令來(lái)處理各種數(shù)據(jù)的。為了指出數(shù)據(jù)的來(lái)源、操作結(jié)果的去向及所執(zhí)行的操作，一條指令必須包含下列信息：

(1)操作碼。它具體說(shuō)明了操作的性質(zhì)及功能。一臺(tái)計(jì)算機(jī)可能有幾十條至幾百條指令，每一條指令都有一個(gè)相應(yīng)的操作碼，計(jì)算機(jī)通過(guò)識(shí)別該操作碼來(lái)完成不同的操作。

(2)操作數(shù)的地址。CPU通過(guò)該地址就可以取得所需的操作數(shù)。

(3)操作結(jié)果的存儲(chǔ)地址。把對(duì)操作數(shù)的處理所產(chǎn)生的結(jié)果保存在該地址中，以便再次使用。

(4)下條指令的地址。執(zhí)行程序時(shí)，大多數(shù)指令按順序依次從主存中取出執(zhí)行，只有在遇到轉(zhuǎn)移指令時(shí)，程序的執(zhí)行順序才會(huì)改變。為了壓縮指令的長(zhǎng)度，可以用一個(gè)程序計(jì)數(shù)器(ProgramCounter，PC)存放指令地址。每執(zhí)行一條指令，PC的指令地址就自動(dòng)加1(設(shè)該指令只占一個(gè)主存單元),指出將要執(zhí)行的下一條指令的地址。當(dāng)遇到執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時(shí)，則用轉(zhuǎn)移地址修改PC的內(nèi)容。由于使用了PC，指令中就不必明顯地給出下一條將要執(zhí)行指令的地址。一條指令實(shí)際上包括兩種信息，即操作碼和操作數(shù)地址碼。操作碼(OperationCode)用來(lái)表示該指令所要完成的操作(如加、減、乘、除、數(shù)據(jù)傳送等)，其長(zhǎng)度取決于指令系統(tǒng)中的指令條數(shù)。操作數(shù)地址碼用來(lái)描述該指令的操作對(duì)象，它或者直接給出操作數(shù)，或者指出操作數(shù)的存儲(chǔ)器地址或寄存器地址(即寄存器名)。

各計(jì)算機(jī)公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)，其指令的數(shù)量與功能、指令格式、尋址方式、數(shù)據(jù)格式都有差別，即使是一些常用的基本指令，如算術(shù)邏輯運(yùn)算指令、轉(zhuǎn)移指令等也是各不相同的。

2)尋址方式

根據(jù)指令內(nèi)容確定操作數(shù)地址的過(guò)程稱為尋址。完善的尋址方式可為用戶組織和使用數(shù)據(jù)提供方便。

(1)直接尋址：指令地址域中表示的是操作數(shù)地址。

(2)間接尋址：指令地址域中表示的是操作數(shù)地址的地址，即指令地址碼對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元所給出的是地址A，操作數(shù)據(jù)存放在地址A指示的主存單元內(nèi)。有的計(jì)算機(jī)的指令可以多次間接尋址，如A指示的主存單元內(nèi)存放的是另一地址B，而操作數(shù)據(jù)存放在B指示的主存單元內(nèi)，稱為多重間接尋址。

(3)立即尋址：指令地址域中表示的是操作數(shù)本身。

(4)變址尋址：指令地址域中表示的是變址寄存器號(hào)i和位移值D。將指定的變址寄存器內(nèi)容E與位移值D相加，其和(即E+D)為操作數(shù)地址。許多計(jì)算機(jī)具有雙變址功能，即將兩個(gè)變址寄存器內(nèi)容與位移值相加，得操作數(shù)地址。變址尋址有利于數(shù)組操作和程序共用。同時(shí)，位移值長(zhǎng)度可短于地址長(zhǎng)度，因而指令長(zhǎng)度可以縮短。

(5)相對(duì)尋址：指令地址域中表示的是位移值D。程序計(jì)數(shù)器內(nèi)容(即本條指令的地址)K與位移值D相加，得操作數(shù)地址(即K+D)。當(dāng)程序在主存儲(chǔ)器中浮動(dòng)時(shí)，相對(duì)尋址能保持原有程序功能。此外，還有自增尋址、自減尋址、組合尋址等尋址方式。尋址方式可由操作碼確定，也可在地址域中設(shè)標(biāo)志，指明尋址方式。

3)指令的執(zhí)行步驟

一條指令的執(zhí)行過(guò)程按時(shí)間順序可分為以下幾個(gè)步驟。

(1)CPU發(fā)出指令地址。將指令指針寄存器(IP)的內(nèi)容即指令地址經(jīng)地址總線送入存儲(chǔ)器的地址寄存器中。

(2)從地址寄存器中讀取指令。將讀出的指令暫存于存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)寄存器中。

(3)將指令送往指令寄存器。將指令從數(shù)據(jù)寄存器中取出，經(jīng)數(shù)據(jù)總線送入控制器的指令寄存器中。

(4)指令譯碼。指令寄存器中的操作碼部分送至指令譯碼器，經(jīng)譯碼器分析產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號(hào)，送往各個(gè)執(zhí)行部件。

(5)按指令操作碼執(zhí)行。

(6)修改程序計(jì)數(shù)器的值，形成下一條要取指令的地址。若執(zhí)行的是非轉(zhuǎn)移指令，即順序執(zhí)行，則指令指針寄存器(也稱為程序計(jì)數(shù)器)的內(nèi)容加1，形成下一條要取指令的地址。

4)指令的分類

計(jì)算機(jī)的指令按功能可劃分為：

(1)數(shù)據(jù)處理指令：包括算術(shù)運(yùn)算指令、邏輯運(yùn)算指令、移位指令、比較指令等。

(2)數(shù)據(jù)傳送指令：包括寄存器之間、寄存器與主存儲(chǔ)器之間的傳送指令等。

(3)程序控制指令：包括條件轉(zhuǎn)移指令、無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令、轉(zhuǎn)子程序指令等。

(4)輸入/輸出指令：包括各種外圍設(shè)備的讀、寫指令等。有的計(jì)算機(jī)將輸入/輸出指令包含在數(shù)據(jù)傳送指令類中。

(5)狀態(tài)管理指令：包括諸如實(shí)現(xiàn)中斷處理等功能的管理指令。

2.程序與程序設(shè)計(jì)

概括地說(shuō)，程序是機(jī)器語(yǔ)言的指令或匯編語(yǔ)言、高級(jí)語(yǔ)言的語(yǔ)句的有序集合。

程序可以用機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言或高級(jí)語(yǔ)言編寫。用機(jī)器語(yǔ)言編寫的程序稱為“目標(biāo)程序”，可以由計(jì)算機(jī)直接執(zhí)行。用匯編語(yǔ)言或高級(jí)語(yǔ)言編寫的程序稱為“源程序”。源程序不能直接被機(jī)器執(zhí)行，必須經(jīng)過(guò)翻譯，轉(zhuǎn)換為目標(biāo)程序才能被機(jī)器執(zhí)行。

分析要求解的問(wèn)題，得出解決問(wèn)題的算法，并且用計(jì)算機(jī)的指令或語(yǔ)句編寫程序，就稱為程序設(shè)計(jì)。

3.程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言

程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言是人工語(yǔ)言，它是編寫程序、表達(dá)算法的一種約定，是進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的工具，是人與計(jì)算機(jī)進(jìn)行對(duì)話(交換信息)的一種手段。相對(duì)于自然語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言比較簡(jiǎn)單，但是很嚴(yán)格，沒(méi)有二義性。程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言可分為三大類：機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言。

1)機(jī)器語(yǔ)言

機(jī)器語(yǔ)言是用二進(jìn)制代碼表示的計(jì)算機(jī)能直接識(shí)別和執(zhí)行的一種機(jī)器指令的集合。它是計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)者通過(guò)計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)賦予計(jì)算機(jī)的操作功能。機(jī)器語(yǔ)言具有靈活、直接執(zhí)行和速度快等特點(diǎn)。不同型號(hào)的計(jì)算機(jī)，其機(jī)器語(yǔ)言是不相通的，按照一種計(jì)算機(jī)的機(jī)器指令編制的程序，不能在另一種計(jì)算機(jī)上執(zhí)行。

用機(jī)器語(yǔ)言編寫程序，編程人員要首先熟記所用計(jì)算機(jī)的全部指令代碼和代碼的涵義。編寫程序時(shí)，程序員需自己處理每條指令和每一數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)分配及輸入/輸出，還需記住編程過(guò)程中每步所使用的工作單元處在何種狀態(tài)。這是一件十分繁瑣的工作。編寫程序花費(fèi)的時(shí)間往往是實(shí)際運(yùn)行時(shí)間的幾十倍或幾百倍。而且，編出的程序全是0和1的指令代碼，直觀性差，還容易出錯(cuò)。除了計(jì)算機(jī)生產(chǎn)廠家的專業(yè)人員外，絕大多數(shù)程序員已經(jīng)不再去學(xué)習(xí)機(jī)器語(yǔ)言了。

2)匯編語(yǔ)言

匯編語(yǔ)言是一種符號(hào)語(yǔ)言。它由基本字符集、指令助記符、標(biāo)號(hào)以及一些規(guī)則構(gòu)成。匯編語(yǔ)言的語(yǔ)句與機(jī)器語(yǔ)言的指令基本對(duì)應(yīng)，但是比機(jī)器語(yǔ)言更容易閱讀和理解，編程速度大大提高。匯編語(yǔ)言仍為面向機(jī)器的語(yǔ)言，不具有通用性。匯編語(yǔ)言編寫的程序要“翻譯”成機(jī)器語(yǔ)言程序才能被計(jì)算機(jī)執(zhí)行。這種轉(zhuǎn)換可以由一種稱為“匯編程序”的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3)高級(jí)語(yǔ)言

高級(jí)語(yǔ)言是一種接近于人類自然語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。程序中所用的運(yùn)算符號(hào)與運(yùn)算式都接近于數(shù)學(xué)采用的符號(hào)和模式。高級(jí)語(yǔ)言比匯編語(yǔ)言更容易閱讀和理解，語(yǔ)句的功能更強(qiáng)，編寫程序的效率更高。它不再局限于計(jì)算機(jī)的具體結(jié)構(gòu)與指令系統(tǒng)，而是面向問(wèn)題處理過(guò)程、通用性很強(qiáng)的語(yǔ)言，但是執(zhí)行的效率則不如機(jī)器語(yǔ)言。高級(jí)語(yǔ)言編寫的程序也要由編譯程序或解釋程序“翻譯”成機(jī)器語(yǔ)言程序才能被計(jì)算機(jī)執(zhí)行。

高級(jí)語(yǔ)言有很多種，而且隨著操作系統(tǒng)的不斷更新而升級(jí)。Windows平臺(tái)常用的高級(jí)語(yǔ)言有Fortran、Pascal、Cobol、C、C++、Basic、Java、C#?等。

4.計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件是指控制和協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)及外部設(shè)備，支持應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)和運(yùn)行的系統(tǒng)，是無(wú)需用戶干預(yù)的各種程序的集合，主要功能是調(diào)度、監(jiān)控和維護(hù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各種獨(dú)立的硬件，使得它們可以協(xié)調(diào)工作。系統(tǒng)軟件使得計(jì)算機(jī)使用者和其他軟件將計(jì)算機(jī)當(dāng)作一個(gè)整體而不需要顧及底層每個(gè)硬件是如何工作的。

系統(tǒng)軟件主要包括操作系統(tǒng)、語(yǔ)言處理程序、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和實(shí)用程序。1)操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)是管理計(jì)算機(jī)硬件與軟件資源的程序，同時(shí)也是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)核與基石。操作系統(tǒng)管理與配置內(nèi)存、決定系統(tǒng)資源供需的優(yōu)先次序、控制輸入與輸出設(shè)備、操作網(wǎng)絡(luò)與管理文件系統(tǒng)等基本事務(wù)。操作系統(tǒng)也提供一個(gè)讓用戶與系統(tǒng)交互的操作接口。常見(jiàn)的操作系統(tǒng)如Windows、Unix和Linux等。

2)語(yǔ)言處理程序

除了機(jī)器語(yǔ)言外，其他用任何編程語(yǔ)言書寫的程序都不能直接在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行，都需要對(duì)它們進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?。語(yǔ)言處理程序的作用是把用軟件語(yǔ)言書寫的各種程序處理成可在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行的程序，或最終的計(jì)算結(jié)果，或其他中間形式。常見(jiàn)的語(yǔ)言處理程序可分為以下三種類型：

(1)匯編程序：將匯編語(yǔ)言編寫的程序翻譯為目標(biāo)程序的翻譯程序。

(2)解釋程序(解釋器)：解釋程序?qū)⒏呒?jí)語(yǔ)言書寫的源程序按動(dòng)態(tài)執(zhí)行的順序逐句翻譯處理，翻譯一句，執(zhí)行一句，直到程序執(zhí)行完畢。這種處理方式稱為“解釋方式”。

(3)編譯程序(編譯器)：編譯程序?qū)⒏呒?jí)語(yǔ)言書寫的源程序整個(gè)翻譯為目標(biāo)程序。編譯程序檢查各程序模塊無(wú)語(yǔ)法錯(cuò)誤后，經(jīng)過(guò)編譯、連接、裝配，生成用機(jī)器語(yǔ)言表示的目標(biāo)程序，再將整個(gè)模塊交給機(jī)器執(zhí)行。這種處理方式稱為“編譯方式”。

3)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)(DatabaseManagementSystem)是一種操縱和管理數(shù)據(jù)庫(kù)的大型軟件，用于建立、使用和維護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)，簡(jiǎn)稱DBMS。它對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行統(tǒng)一的管理和控制，以保證數(shù)據(jù)庫(kù)的安全性和完整性。常見(jiàn)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)如ACCESS、MySQL、DB2、Sybase、Oracle等。

4)實(shí)用程序

實(shí)用程序也稱為支撐軟件，是機(jī)器維護(hù)、軟件開(kāi)發(fā)所必需的軟件工具，它主要包括以下程序：

(1)編輯程序：利用編輯程序生成程序文件和文本文件，并對(duì)計(jì)算機(jī)中已有的同類文件進(jìn)行增加、刪除、修改等處理。

(2)連接裝配程序：在進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)時(shí)，常常將程序按其功能分成若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的模塊，對(duì)每個(gè)模塊分別開(kāi)發(fā)。開(kāi)發(fā)完成后需要將這些模塊連接起來(lái)，形成一個(gè)完整的程序。

(3)調(diào)試程序：幫助開(kāi)發(fā)者對(duì)所開(kāi)發(fā)的程序進(jìn)行調(diào)試并排除程序中錯(cuò)誤的程序。

(4)診斷程序：用以檢測(cè)機(jī)器故障并確定故障位置的程序。

(5)程序庫(kù)：一些經(jīng)常使用并經(jīng)過(guò)測(cè)試的規(guī)范化程序或子程序的集合。

5.計(jì)算機(jī)的應(yīng)用軟件

與系統(tǒng)軟件不同，應(yīng)用軟件是針對(duì)各類應(yīng)用的專門問(wèn)題或?yàn)榱四撤N特定的用途而開(kāi)發(fā)的軟件，大體可分為以下兩類：

(1)用戶程序。

(2)應(yīng)用軟件包：為了實(shí)現(xiàn)某種功能或?qū)ｉT計(jì)算而精心設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)嚴(yán)密的獨(dú)立程序的集合，它們是為具有同類應(yīng)用的許多用戶提供的軟件，如計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件包、科學(xué)計(jì)算軟件包、輔助教學(xué)軟件包、財(cái)會(huì)管理軟件包等。3.3.2中央處理器(CPU)

中央處理器(CentralProcessingUnit，CPU)是一塊超大規(guī)模的集成電路(見(jiàn)圖3.4)，是一臺(tái)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算核心和控制核心。它由運(yùn)算器、控制器和寄存器以及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制和狀態(tài)的總線構(gòu)成，它的功能主要是解釋計(jì)算機(jī)指令以及處理計(jì)算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)。圖3.4CPU

1.物理結(jié)構(gòu)

CPU包括運(yùn)算邏輯部件、寄存器部件和控制部件等。

(1)運(yùn)算邏輯部件：可以執(zhí)行定點(diǎn)或浮點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算操作、移位操作以及邏輯操作，也可執(zhí)行地址運(yùn)算和轉(zhuǎn)換。

(2)寄存器組：包括通用寄存器、專用寄存器和控制寄存器。通用寄存器又可分為定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)兩類，它們用來(lái)保存指令執(zhí)行過(guò)程中臨時(shí)存放的寄存器操作數(shù)和中間(或最終)的操作結(jié)果。通用寄存器是中央處理器的重要部件之一。

(3)控制部件：主要負(fù)責(zé)對(duì)指令譯碼，并且發(fā)出為完成每條指令所要執(zhí)行的各個(gè)操作的控制信號(hào)。其結(jié)構(gòu)有兩種：一種是以微存儲(chǔ)為核心的微程序控制方式；另一種是以邏輯硬布線結(jié)構(gòu)為主的控制方式。

2.主要功能

(1)處理指令：指控制程序中指令的執(zhí)行順序。程序中的各指令之間是有嚴(yán)格順序的，必須嚴(yán)格按程序規(guī)定的順序執(zhí)行，才能保證計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工作的正確性。

(2)執(zhí)行操作：一條指令的功能往往是由計(jì)算機(jī)中的部件執(zhí)行一系列的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)的，CPU要根據(jù)指令的功能，產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號(hào)，發(fā)給相應(yīng)的部件，從而控制這些部件按指令的要求進(jìn)行動(dòng)作。

(3)控制時(shí)間：指對(duì)各種操作實(shí)施時(shí)間上的定時(shí)。在一條指令的執(zhí)行過(guò)程中，在什么時(shí)間做什么操作均應(yīng)受到嚴(yán)格的控制。只有這樣，計(jì)算機(jī)才能有條不紊地工作。

(4)處理數(shù)據(jù)：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，或進(jìn)行其他的信息處理。

3.工作原理

CPU從存儲(chǔ)器或高速緩沖存儲(chǔ)器中取出指令，放入指令寄存器，并對(duì)指令譯碼。它把指令分解成一系列的微操作，然后發(fā)出各種控制命令，執(zhí)行微操作系列，從而完成一條指令的執(zhí)行。

(1)提取。從存儲(chǔ)器或高速緩沖存儲(chǔ)器中檢索指令(為數(shù)值或一系列數(shù)值)。由程序計(jì)數(shù)器(ProgramCounter)指定存儲(chǔ)器的位置。(程序計(jì)數(shù)器保存供識(shí)別程序位置的數(shù)值。換言之，程序計(jì)數(shù)器記錄了CPU在程序里的蹤跡。)

(2)解碼。CPU根據(jù)存儲(chǔ)器提取到的指令來(lái)決定其執(zhí)行行為。在解碼階段，指令被拆解為有意義的片段。根據(jù)CPU的指令集架構(gòu)(ISA)定義將數(shù)值解譯為指令。一部分的指令數(shù)值為運(yùn)算碼(Opcode)，其指示要進(jìn)行哪些運(yùn)算。其他的數(shù)值通常供給指令必要的信息，例如一個(gè)加法(Addition)運(yùn)算的運(yùn)算目標(biāo)。

(3)執(zhí)行。在提取和解碼階段之后，緊接著進(jìn)入執(zhí)行階段。例如，要求一個(gè)加法運(yùn)算，算術(shù)邏輯單元(ArithmeticLogicUnit，ALU)將會(huì)連接到一組輸入和一組輸出。輸入提供了要相加的數(shù)值，而輸出將含有總和的結(jié)果。ALU內(nèi)含電路系統(tǒng)，易于輸出端完成簡(jiǎn)單的普通運(yùn)算和邏輯運(yùn)算(比如加法和位元運(yùn)算)。如果加法運(yùn)算產(chǎn)生一個(gè)對(duì)該CPU處理而言過(guò)大的結(jié)果，在標(biāo)志暫存器里可能會(huì)設(shè)置運(yùn)算溢出(ArithmeticOverflow)標(biāo)志。

(4)寫回。寫回為最終階段，即以一定格式將執(zhí)行階段的結(jié)果簡(jiǎn)單地寫回。運(yùn)算結(jié)果經(jīng)常被寫進(jìn)CPU內(nèi)部的暫存器，以供隨后指令快速存取。

4.性能指標(biāo)

計(jì)算機(jī)的性能在很大程度上是由CPU的性能決定的，而CPU的性能主要體現(xiàn)在其運(yùn)行程序的速度上。影響運(yùn)行速度的性能指標(biāo)包括CPU的工作頻率、Cache容量、指令系統(tǒng)和邏輯結(jié)構(gòu)等參數(shù)。

1)主頻

主頻也叫時(shí)鐘頻率，單位是兆赫茲(MHz)或千兆赫茲(GHz)，用來(lái)表示CPU的運(yùn)算、處理數(shù)據(jù)的速度。通常，主頻越高，CPU處理數(shù)據(jù)的速度就越快。

CPU的主頻等于外頻與倍頻系數(shù)的積(即外頻×倍頻系數(shù))。主頻和實(shí)際的運(yùn)算速度存在一定的關(guān)系，但并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。所以，CPU的主頻與CPU實(shí)際的運(yùn)算能力是沒(méi)有直接關(guān)系的，主頻表示在CPU內(nèi)數(shù)字脈沖信號(hào)振蕩的速度。CPU的運(yùn)算速度還要看CPU的流水線、總線等各方面的性能指標(biāo)。

2)外頻

外頻是CPU的基準(zhǔn)頻率，單位是兆赫茲(MHz)。CPU的外頻決定著整塊主板的運(yùn)行速度。通常所說(shuō)的超頻，都是指超CPU的外頻(一般情況下，CPU的倍頻都是被鎖住的)。

絕大部分電腦系統(tǒng)中外頻與主板前端總線(FSB)不是同步速度的，而外頻與前端總線頻率又很容易被混為一談。

3)前端總線頻率

前端總線頻率(即總線頻率)直接影響CPU與內(nèi)存直接數(shù)據(jù)交換的速度?？赏ㄟ^(guò)以下公式進(jìn)行計(jì)算：

數(shù)據(jù)傳輸最大帶寬取決于所有同時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的寬度和傳輸頻率。例如，數(shù)據(jù)位寬是64位，前端總線頻率是800MHz，則按照以上公式，它的數(shù)據(jù)傳輸最大帶寬是6.4GB/s。

外頻與前端總線頻率的區(qū)別為：前端總線的速度指的是數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，外頻是CPU與主板之間同步運(yùn)行的速度。也就是說(shuō)，100MHz外頻特指數(shù)字脈沖信號(hào)在每秒振蕩一億次；而100MHz前端總線指的是每秒CPU可接受的數(shù)據(jù)傳輸量是100MHz×64bit÷8bit/Byte=800MB/s。

4)倍頻系數(shù)

倍頻系數(shù)是指CPU主頻與外頻之間的相對(duì)比例關(guān)系。

在相同的外頻下，倍頻越高CPU的頻率也越高。但實(shí)際上，在相同外頻的前提下，高倍頻的CPU本身意義并不大。這是因?yàn)镃PU與系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸速度是有限的，一味追求高主頻而得到高倍頻的CPU就會(huì)出現(xiàn)明顯的“瓶頸”效應(yīng)—CPU從系統(tǒng)中得到數(shù)據(jù)的極限速度不能夠滿足CPU運(yùn)算的速度。

5)緩存

緩存(Cache)大小也是CPU的重要指標(biāo)之一，而且緩存的結(jié)構(gòu)和大小對(duì)CPU速度的影響非常大。CPU內(nèi)緩存的運(yùn)行頻率極高，一般是和處理器同頻運(yùn)作，工作效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)內(nèi)存和硬盤。實(shí)際工作時(shí)，CPU往往需要重復(fù)讀取同樣的數(shù)據(jù)塊，而緩存容量的增大，可以大幅度提升CPU內(nèi)部讀取數(shù)據(jù)的命中率，而不用再到內(nèi)存或者硬盤上尋找，以此提高系統(tǒng)性能。但是由于CPU芯片面積和成本的因素，緩存一般都很小。

L1Cache(一級(jí)緩存)是CPU的第一層高速緩存，分為數(shù)據(jù)緩存和指令緩存。內(nèi)置的L1高速緩存的容量和結(jié)構(gòu)對(duì)CPU的性能影響較大，不過(guò)高速緩沖存儲(chǔ)器均由靜態(tài)RAM組成，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，在CPU管芯面積不能太大的情況下，L1級(jí)高速緩存的容量不可能做得太大。一般服務(wù)器CPU的L1緩存的容量通常為32～256KB。

L2Cache(二級(jí)緩存)是CPU的第二層高速緩存，分為內(nèi)部和外部?jī)煞N芯片。內(nèi)部的芯片二級(jí)緩存運(yùn)行速度與主頻相同，而外部的二級(jí)緩存只有主頻的一半。L2高速緩存容量也會(huì)影響CPU的性能，原則是越大越好，以前家庭用CPU容量最大的是512KB，筆記本電腦中也可以達(dá)到2MB，而服務(wù)器和工作站上用CPU的L2高速緩存更高，可以達(dá)到8MB以上。

L3Cache(三級(jí)緩存)是為讀取二級(jí)緩存后未命中的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的一種緩存，在擁有三級(jí)緩存的CPU中，只有約5%的數(shù)據(jù)需要從內(nèi)存中調(diào)用，這進(jìn)一步提高了CPU的效率。其運(yùn)作原理在于使用較快速的儲(chǔ)存裝置保留一份從慢速儲(chǔ)存裝置中讀取的數(shù)據(jù)并進(jìn)行拷貝，當(dāng)有需要再?gòu)妮^慢的儲(chǔ)存體中讀寫數(shù)據(jù)時(shí)，緩存能夠使得讀寫的動(dòng)作先在快速的裝置上完成，如此會(huì)使系統(tǒng)的響應(yīng)較為快速。3.3.3主板系統(tǒng)

主板又叫主機(jī)板(Mainboard)、系統(tǒng)板(SystemBoard)或母板(Motherboard)，它安裝在機(jī)箱內(nèi)，是微機(jī)最基本的也是最重要的部件之一。

主板一般為矩形電路板，上面安裝了組成計(jì)算機(jī)的主要電路系統(tǒng)，一般有BIOS芯片、I/O控制芯片、鍵和面板控制開(kāi)關(guān)接口、指示燈插接件、擴(kuò)充插槽、主板及插卡的直流電源供電接插件等元件。典型的主板能提供一系列接合點(diǎn)，供處理器、顯卡、聲卡、硬盤、存儲(chǔ)器、對(duì)外設(shè)備等設(shè)備接合。它們通常直接插入有關(guān)插槽或用線路連接。主板上最重要的構(gòu)成組件是芯片組(Chipset)。芯片組通常由北橋芯片和南橋芯片組成。北橋芯片提供對(duì)CPU的類型和主頻、內(nèi)存的類型及最大容量、ISA/PCI/AGP插槽、ECC糾錯(cuò)等的支持。南橋芯片則提供對(duì)KBC(鍵盤控制器)、RTC(實(shí)時(shí)時(shí)鐘控制器)、USB(通用串行總線)、UltraDMA/33(66)EIDE數(shù)據(jù)傳輸方式和ACPI(高級(jí)能源管理)等的支持。其中北橋芯片起著主導(dǎo)性的作用，也稱為主橋(HostBridge)。這些芯片組為主板提供一個(gè)通用平臺(tái)供不同設(shè)備連接，控制不同設(shè)備的溝通。它亦包含對(duì)不同擴(kuò)充插槽的支持，如處理器、PCI、ISA、AGP和PCIExpress。芯片組亦為主板提供額外功能，如集成顯核、集成聲效卡(也稱內(nèi)置顯核和內(nèi)置聲卡)。一些高價(jià)主板也集成紅外通信技術(shù)、藍(lán)牙和802.11(Wi-Fi)等功能。

1.主要接口

1)硬盤接口

硬盤接口可分為IDE接口和SATA接口。在型號(hào)比較老的主板上，多集成兩個(gè)IDE口，通常IDE接口都位于PCI插槽下方，從空間上則垂直于內(nèi)存插槽(也有橫著的)。而新型主板上，IDE接口大多縮減，甚至沒(méi)有，代之以SATA接口。

2)軟驅(qū)接口

軟驅(qū)接口用于連接軟驅(qū)，多位于IDE接口旁，比IDE接口略短一些，因?yàn)樗?4針的，所以數(shù)據(jù)線也略窄一些。

3)?COM接口(串口)

大多數(shù)主板都提供了兩個(gè)COM接口，分別為COM1和COM2，作用是連接串行鼠標(biāo)和外置Modem等設(shè)備。

4)?PS/2接口

PS/2接口的功能比較單一，僅能用于連接鍵盤和鼠標(biāo)。一般情況下，鼠標(biāo)的接口為綠色，鍵盤的接口為紫色。PS/2接口的傳輸速率比COM接口稍快一些。

5)?USB接口

USB接口是如今最為流行的接口，最大可以支持127個(gè)外設(shè)，并且可以獨(dú)立供電，其應(yīng)用非常廣泛。USB接口可以從主板上獲得500mA的電流，支持熱插拔，真正做到了即插即用。一個(gè)USB接口可同時(shí)支持高速和低速USB外設(shè)的訪問(wèn)，由一條四芯電纜連接，其中兩條是正負(fù)電源，另外兩條是數(shù)據(jù)傳輸線。高速外設(shè)的傳輸速率為12Mb/s，低速外設(shè)的傳輸速率為1.5Mb/s。此外，USB2.0標(biāo)準(zhǔn)最高傳輸速率可達(dá)480Mb/s。USB3.0已經(jīng)出現(xiàn)在主板中，并已開(kāi)始普及。

6)?LPT接口(并口)

LPT接口一般用來(lái)連接打印機(jī)或掃描儀。

7)?MIDI接口

聲卡的MIDI接口和游戲桿接口是共用的。接口中的兩個(gè)針腳用來(lái)傳送MIDI信號(hào)，可連接各種MIDI設(shè)備，如電子鍵盤等。市面上已很難找到基于該接口的產(chǎn)品。

8)?SATA接口

SATA的全稱是SerialAdvancedTechnologyAttachment(串行高級(jí)技術(shù)附件，一種基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的串行硬件驅(qū)動(dòng)器接口)，是由Intel、IBM、Dell、APT、Maxtor和Seagate公司共同提出的硬盤接口規(guī)范。SATA規(guī)范將硬盤的外部傳輸速率理論值提高到了150MB/s，而隨著未來(lái)后續(xù)版本的發(fā)展，SATA接口的速率還可擴(kuò)展到2X和4X(300MB/s和600MB/s)。從其發(fā)展計(jì)劃來(lái)看，未來(lái)的SATA也將通過(guò)提升時(shí)鐘頻率來(lái)提高接口傳輸速率，讓硬盤也能夠超頻。

2.工作原理

主板的平面是一塊PCB(印刷電路板，見(jiàn)圖3.5)，一般采用四層板或六層板。相對(duì)而言，為節(jié)省成本，低檔主板多為四層板(主信號(hào)層、接地層、電源層和次信號(hào)層)，而六層板則增加了輔助電源層和中信號(hào)層。因此，六層PCB的主板抗電磁干擾能力更強(qiáng)，主板也更加穩(wěn)定。圖3.5PC的主板在電路板下面，是4層錯(cuò)落有致的電路布線；在上面，則為分工明確的各個(gè)部件，即插槽、芯片、電阻、電容等。當(dāng)主機(jī)加電時(shí)，電流會(huì)在瞬間通過(guò)CPU、南北橋芯片、內(nèi)存插槽、AGP插槽、PCI插槽、IDE接口以及主板邊緣的串口、并口、PS/2接口等。隨后，主板會(huì)根據(jù)BIOS(基本輸入/輸出系統(tǒng))來(lái)識(shí)別硬件，并進(jìn)入操作系統(tǒng)發(fā)揮出支撐系統(tǒng)平臺(tái)工作的功能。3.3.4存儲(chǔ)器系統(tǒng)

1.存儲(chǔ)系統(tǒng)概述

一般來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器由內(nèi)部存儲(chǔ)器和外部存儲(chǔ)器兩部分組成。內(nèi)部存儲(chǔ)器簡(jiǎn)稱內(nèi)存,又稱為主存(MainMemory),主要存放當(dāng)前要執(zhí)行的程序及相關(guān)數(shù)據(jù)。CPU可以通過(guò)系統(tǒng)總線直接對(duì)內(nèi)部存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行存取操作，且存取速度很快。因?yàn)樵靸r(jià)高(以存儲(chǔ)單元計(jì)算)，所以容量比外部存儲(chǔ)器要小。一般計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的內(nèi)存容量總是有限的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足用戶存放數(shù)據(jù)的需求，另外內(nèi)部存儲(chǔ)器不能長(zhǎng)時(shí)間地保存數(shù)據(jù)，斷電后信息就會(huì)丟失。所以，通常計(jì)算機(jī)系統(tǒng)還要配置大容量且能長(zhǎng)期保存數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器，即外部存儲(chǔ)器。外部存儲(chǔ)器也稱輔助存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱外存，又稱為輔助存儲(chǔ)器，主要存放大量計(jì)算機(jī)暫時(shí)不執(zhí)行的程序以及目前不需要處理的數(shù)據(jù)。因?yàn)橥獯娴脑靸r(jià)較低，所以容量遠(yuǎn)比內(nèi)存要大，但存取速度要慢得多。CPU不能直接存取外部存儲(chǔ)器上的數(shù)據(jù)，都必須先將數(shù)據(jù)調(diào)入內(nèi)部存儲(chǔ)器，再由內(nèi)部存儲(chǔ)器傳送給CPU。內(nèi)部存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)交換的中心。CPU與內(nèi)部存儲(chǔ)器一起稱為計(jì)算機(jī)的主機(jī)。

2.存儲(chǔ)器的分類

存儲(chǔ)器的種類很多，可以從不同角度對(duì)其進(jìn)行分類。常見(jiàn)的分類方法有以下三種。

1)按存儲(chǔ)介質(zhì)分類

凡是具有兩種不同物理狀態(tài)的物質(zhì)和元件都可以用來(lái)作為存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)介質(zhì)，以記憶“0”和“1”。目前使用的存儲(chǔ)介質(zhì)主要是半導(dǎo)體器件和磁性材料，用半導(dǎo)體器件做成的存儲(chǔ)器稱為半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，用磁性材料做成的存儲(chǔ)器稱為磁表面存儲(chǔ)器，如磁盤存儲(chǔ)器和磁帶存儲(chǔ)器。

2)按在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用分類

按存儲(chǔ)器在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所起的作用可把存儲(chǔ)器分為內(nèi)存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器。

(1)內(nèi)存儲(chǔ)器：簡(jiǎn)稱內(nèi)存，位于計(jì)算機(jī)主機(jī)內(nèi)部，是計(jì)算機(jī)的主要存儲(chǔ)器。它用來(lái)存放CPU當(dāng)前使用的或經(jīng)常使用的程序和數(shù)據(jù)，CPU可以隨時(shí)直接對(duì)主存進(jìn)行訪問(wèn)(讀/寫)。內(nèi)存通常由半導(dǎo)體存儲(chǔ)器組成，它的特點(diǎn)是速度快，但斷電后所存儲(chǔ)的信息丟失，且容量相對(duì)于外存要小。

(2)外存儲(chǔ)器：簡(jiǎn)稱外存，用于存放暫時(shí)不用的程序和數(shù)據(jù)，外存儲(chǔ)器由磁表面存儲(chǔ)器構(gòu)成。它的特點(diǎn)是存儲(chǔ)容量大，價(jià)格低，速度慢，斷電后所存儲(chǔ)的信息不丟失。外存所存放的信息CPU不能直接訪問(wèn)，只有調(diào)入內(nèi)存后CPU才能使用。目前主要使用的外存儲(chǔ)器有硬盤驅(qū)動(dòng)器(簡(jiǎn)稱硬盤)、光盤驅(qū)動(dòng)器(簡(jiǎn)稱光盤)、移動(dòng)存儲(chǔ)器等。

①硬盤驅(qū)動(dòng)器。硬盤驅(qū)動(dòng)器由硬盤片、驅(qū)動(dòng)器機(jī)械裝置和控制電路組成。硬盤片由剛性的合金圓片制作，盤片兩面都敷有磁性介質(zhì)，用于記錄信息。一個(gè)硬盤驅(qū)動(dòng)器內(nèi)含有幾張硬盤片，安裝在同一根主軸上。硬盤片與硬盤驅(qū)動(dòng)器機(jī)械裝置合為一體，密封在金屬盒體中，統(tǒng)稱為硬盤(硬盤驅(qū)動(dòng)器)。硬盤的每張盤片的磁面都劃分為若干個(gè)同心圓，稱為“磁道”。每個(gè)磁道又劃分為若干段弧，稱為“扇區(qū)”。每個(gè)扇區(qū)存儲(chǔ)512B的數(shù)據(jù)。多張盤片的同心圓形成一個(gè)個(gè)柱面。在盤片的兩個(gè)記錄面各有一個(gè)讀/寫磁頭，這些讀/寫磁頭相互連在一起，由一個(gè)磁頭驅(qū)動(dòng)小車帶動(dòng)它們一起沿圓盤片徑向移動(dòng)，進(jìn)行讀/寫操作。通常硬盤片在主軸帶動(dòng)下以5400～7200r/min的速度旋轉(zhuǎn)。容量越大的硬盤其轉(zhuǎn)速越高。目前，硬盤的容量從500GB到4TB不等。

圖3.6所示為內(nèi)存條和硬盤驅(qū)動(dòng)器。圖3.6內(nèi)存條和硬盤驅(qū)動(dòng)器②光盤驅(qū)動(dòng)器。光盤驅(qū)動(dòng)器是基于激光技術(shù)的外部存儲(chǔ)設(shè)備，由光盤驅(qū)動(dòng)器機(jī)械裝置和控制線路組成，其存儲(chǔ)介質(zhì)是光盤。只讀光盤即CD-ROM(CompactDisk-ReadOnlyMemory)，是一個(gè)有鋁反射層的塑料圓盤，其上壓制有記錄信息的一連串凹坑。凹坑邊緣轉(zhuǎn)折處表示1，平坦無(wú)轉(zhuǎn)折處則表示0。這樣就可以用凹坑和非凹坑兩種狀態(tài)來(lái)表示數(shù)字化的信息。凹坑形成的“光道”不是同心圓，而是由里向外旋轉(zhuǎn)的螺旋線。目前的CD-ROM都是單面的，容量是650～700MB，相當(dāng)于5萬(wàn)頁(yè)資料或20年《人民日?qǐng)?bào)》的內(nèi)容，因此被稱為海量存儲(chǔ)器。CD-ROM的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，攜帶方便，保存時(shí)間長(zhǎng)，而且可以利用母盤成批壓制，成本低廉。CD-ROM的不足是讀出數(shù)據(jù)的速度比硬盤慢，而且只能讀不能寫。

最初光盤驅(qū)動(dòng)器的數(shù)據(jù)傳輸速率是150KB/s，后來(lái)數(shù)據(jù)傳輸速率成倍提高，于是就將150KB/s稱為單倍速，記為1X，并以此為基數(shù)，以其倍數(shù)描述光驅(qū)的速度。目前CD-ROM光驅(qū)有36X、48X、52X等規(guī)格，分別稱為36、48、52倍速。常見(jiàn)的光盤驅(qū)動(dòng)器還有CD-R、CD-RW、DVD以及COMBO等類型。CD-R是一種一次寫入，多次讀出的光盤，容量為650～700MB。CD-RW是一種可多次重寫的光盤?，F(xiàn)在的可刻錄的光盤驅(qū)動(dòng)器可以刻錄CD-R和CD-RW光盤，還可以讀出CD-ROM盤片，稱為光盤刻錄機(jī)。

DVD(DigitalVideoDisc)的存儲(chǔ)密度比CD-ROM更高，每張光盤可存儲(chǔ)容量達(dá)4.7～17GB。DVD光盤也有DVD-ROM、DVD-R和DVD-RW等類型。DVD光驅(qū)一倍速為

1350KB/s，目前常見(jiàn)的DVD光驅(qū)有8X和16X等規(guī)格。③移動(dòng)存儲(chǔ)器。常見(jiàn)的移動(dòng)存儲(chǔ)器有U盤和移動(dòng)硬盤，它們都是通過(guò)USB接口與主機(jī)連接的。

U盤是一種可讀、寫的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，其存儲(chǔ)實(shí)體是閃存(FlashMemory)。U盤具有存儲(chǔ)速度快、體積小、容量大和即插即用等優(yōu)異特性?，F(xiàn)在U盤的容量可達(dá)到64GB，可擦寫100萬(wàn)次，數(shù)據(jù)可保存10年以上。

移動(dòng)硬盤采用固定硬盤技術(shù)，其存儲(chǔ)實(shí)體是硬盤片，存儲(chǔ)容量可達(dá)到幾太字節(jié)，通過(guò)USB接口的數(shù)據(jù)線與主機(jī)連接?？梢约床寮从?，不用時(shí)可以拔下。移動(dòng)硬盤適合于需要拷貝海量數(shù)據(jù)的場(chǎng)合。

圖3.7所示為光盤驅(qū)動(dòng)器和U盤。圖3.7光盤驅(qū)動(dòng)器和U盤

3)按存取方式分類

按存儲(chǔ)器的存取方式(或讀/寫方式)來(lái)分，存儲(chǔ)器可分為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RandomAccessMemory，RAM)和只讀存儲(chǔ)器(ReadOnlyMemory，ROM)兩大類。

(1)隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器(RAM)。RAM也稱讀寫存儲(chǔ)器，即CPU在運(yùn)行過(guò)程中能隨時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀出和寫入。當(dāng)關(guān)閉電源或計(jì)算機(jī)重新啟動(dòng)后，RAM中存放的信息會(huì)全部丟失，所以RAM是易失性存儲(chǔ)器，只能用來(lái)暫時(shí)存放輸入/輸出數(shù)據(jù)、中間運(yùn)算結(jié)果和用戶程序，也常用它來(lái)與外存交換信息或用做堆棧。通常人們所說(shuō)的微機(jī)內(nèi)存容量指的就是RAM存儲(chǔ)器的容量。按照RAM存儲(chǔ)器存儲(chǔ)信息的電路原理的不同，RAM又分為靜態(tài)RAM和動(dòng)態(tài)RAM兩種。

①靜態(tài)RAM(StaticRAM)。靜態(tài)RAM簡(jiǎn)稱SRAM。組成SRAM的每個(gè)基本存儲(chǔ)單位的電路相對(duì)比較復(fù)雜、工作速度較快，工作狀態(tài)穩(wěn)定，只要不斷電，所存的信息就不會(huì)丟失。由于SRAM的電路復(fù)雜，所需的晶體管數(shù)量較多，因而集成度不易做得很高，功耗也較大。目前SRAM常用作微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的高速緩沖存儲(chǔ)器(Cache)。②動(dòng)態(tài)RAM(DynamicRAM)。動(dòng)態(tài)RAM簡(jiǎn)稱DRAM。相對(duì)SRAM來(lái)說(shuō)，組成DRAM每個(gè)基本存儲(chǔ)單位的電路相對(duì)簡(jiǎn)單，但電路狀態(tài)卻很不穩(wěn)定，時(shí)間長(zhǎng)了DRAM中的信息會(huì)自動(dòng)消失。為保持DRAM中所存的信息不變，必須周期性地對(duì)DRAM進(jìn)行重寫(刷新)。由于DRAM的電路簡(jiǎn)單，所需晶體管數(shù)很少，因而集成度可做得很高，功耗也很小，但因DRAM需外加刷新電路，故它的工作速度要比SRAM慢些。目前的PC中，主存儲(chǔ)器使用的都是DRAM。

(2)只讀存儲(chǔ)器(ROM)。ROM是一種當(dāng)寫入信息后，就只能讀出而不能改寫的固定存儲(chǔ)器。斷電后，ROM中所存的信息仍保持不變，所以，ROM是非易失性存儲(chǔ)器。因此，微機(jī)系統(tǒng)中常用ROM來(lái)存放固定的程序和數(shù)據(jù)，如監(jiān)控程序、操作系統(tǒng)中的BIOS(基本輸入/輸出系統(tǒng))等用戶需要固化的程序均保存在ROM中。

按照構(gòu)成ROM的集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，ROM又可分為以下幾種：

①掩膜ROM。廠家在制造集成電路芯片的最后，對(duì)用戶定做的掩膜ROM進(jìn)行編程，一旦做好，信息就固化其中，不能改變。因此，掩膜ROM只適合于存儲(chǔ)成熟的固定程序和數(shù)據(jù)，大批量生產(chǎn)時(shí)成本很低。②?PROM，即可編程ROM(ProgrammableROM)。該存儲(chǔ)器在出廠時(shí)器件中不存入任何信息，是空白存儲(chǔ)器，由用戶根據(jù)需要，利用特殊方法一次性寫入所需程序和數(shù)據(jù)，只能寫入一次，以后就不能更改了。它類似于掩膜ROM，適合小批量生產(chǎn)。

③?EPROM，即可擦除可編程ROM(ErasablePROM)。該存儲(chǔ)器允許用戶按規(guī)定的方法和設(shè)備進(jìn)行多次編程，若編程之后想修改，可用紫外線燈制作的擦除器持續(xù)照射一段時(shí)間，使存儲(chǔ)器全部復(fù)原，用戶可再次寫入新的內(nèi)容。這對(duì)于工程研制和開(kāi)發(fā)特別方便，應(yīng)用較廣，但寫入的速度較慢。④EEPROM/E2PROM，即電可擦除可編程ROM(ElectricallyErasablePROM)。E2PROM的特點(diǎn)是：能以字節(jié)為單位進(jìn)行擦除和改寫，而不是像EPROM那樣整體擦除，也不需要把芯片從用戶系統(tǒng)中拔下來(lái)用編程器編程，在用戶系統(tǒng)上即可進(jìn)行。隨著技術(shù)的發(fā)展，E2PROM的擦寫速度將不斷加快，容量將不斷提高，可作為非易失性的RAM使用。

無(wú)論是哪一種形式的ROM，在使用時(shí)只能讀出，不能寫入，斷電時(shí)，存放在ROM中的信息都不會(huì)丟失，所以它是一種非易失性的存儲(chǔ)器。

圖3.8所示為存儲(chǔ)器的分類圖。圖3.8存儲(chǔ)器的分類圖

3.存儲(chǔ)器的主要技術(shù)指標(biāo)

衡量半導(dǎo)體存儲(chǔ)器性能的指標(biāo)很多，諸如功耗、可靠性、容量、價(jià)格、存取速度等，其中最重要的指標(biāo)是存儲(chǔ)器芯片的容量和存取速度。

1)存儲(chǔ)容量

為了便于對(duì)存儲(chǔ)器的管理，把存儲(chǔ)器按8位或其倍數(shù)劃分存儲(chǔ)單元。給每個(gè)存儲(chǔ)單元指定一個(gè)編號(hào)，作為存、取數(shù)據(jù)時(shí)查找的依據(jù)，稱為存儲(chǔ)單元的“地址”。0、1代碼串(包括二進(jìn)制數(shù))的“位”稱為“比特”(bit)。將8位(bit)稱為1個(gè)字節(jié)(byte)，記為1?B，并以字節(jié)作為計(jì)算存儲(chǔ)容量的最小單位。所謂存儲(chǔ)容量就是所有存儲(chǔ)單元能存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息的總量，它是存儲(chǔ)器的一個(gè)重要指標(biāo)。實(shí)際使用的單位有千字節(jié)(Kilobyte，KB)、兆字節(jié)(Megabyte，MB)、吉字節(jié)(Gigabyte,GB)、太字節(jié)(Terabyte，TB)等。

1KB=210?B=1024B??1MB=210?KB=1024KB

1GB=210?MB=1024MB1TB=210?GB=1024GB

目前PC中DRAM的容量常為2GB、4GB、8GB，而硬盤的存儲(chǔ)容量可達(dá)到數(shù)百GB或更大。

2)存取時(shí)間

存取時(shí)間是指從CPU給出有效的存儲(chǔ)器地址，啟動(dòng)一次存儲(chǔ)器讀/寫操作，到該操作完成所經(jīng)歷的時(shí)間。具體來(lái)說(shuō),對(duì)一次讀操作的存取時(shí)間就是讀出時(shí)間，即從地址有效到數(shù)據(jù)輸出有效之間的時(shí)間，顯然，存取時(shí)間越短越好。目前DRAM的存取時(shí)間已在10ns之內(nèi)，SRAM的存取時(shí)間更短。

3)存取周期

存取周期是指連續(xù)啟動(dòng)兩次獨(dú)立的存儲(chǔ)器讀/寫操作所需要的最小間隔時(shí)間。通常，存取周期要大于存取時(shí)間，因?yàn)榇鎯?chǔ)器在讀出數(shù)據(jù)之后還要用一定的時(shí)間來(lái)完成內(nèi)部操作，這一時(shí)間稱為恢復(fù)時(shí)間。讀出時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間加起來(lái)才是讀周期。所以，存取時(shí)間和存取周期是兩個(gè)不同的概念。

4)可靠性

可靠性是指存儲(chǔ)器對(duì)電磁場(chǎng)及溫度環(huán)境等變化的適應(yīng)能力，一般用平均無(wú)故障時(shí)間來(lái)衡量。能讓用戶接受的存儲(chǔ)器平均無(wú)故障時(shí)間應(yīng)在10000小時(shí)以上。

5)其他指標(biāo)

除以上指標(biāo)外，存儲(chǔ)器的價(jià)格、功耗、工作溫度范圍、兼容性等也是人們關(guān)心的指標(biāo)。

上述指標(biāo)，有些是互相矛盾的。這就需要在設(shè)計(jì)和選用存儲(chǔ)器時(shí)，根據(jù)實(shí)際需要，盡可能滿足主要要求且兼顧其他。3.3.5總線系統(tǒng)

一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是由若干個(gè)部件組成的，從設(shè)備上看有主機(jī)、顯示器、鍵盤及鼠標(biāo)等，它們之間通過(guò)I/O接口和相應(yīng)通信電纜連接起來(lái)。在主機(jī)內(nèi)主要有CPU、內(nèi)存、中斷控制器、DMA控制器等部件(中斷控制器和DMA控制器也可以看做外部設(shè)備的公共接口)，這些部件之間也需要有一組信號(hào)線將它們相互連接起來(lái)實(shí)現(xiàn)信息傳輸。通常把實(shí)現(xiàn)多個(gè)部件相互連接和通信的公共信號(hào)線稱為總線。

1.總線的分類

在計(jì)算機(jī)中對(duì)總線進(jìn)行分類的方式通常有下面三種：

1)按所傳輸信號(hào)的類型劃分

(1)數(shù)據(jù)總線。數(shù)據(jù)總線負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信息的傳輸，其信號(hào)線數(shù)決定了總線操作一次可以并行傳送的二進(jìn)制位數(shù)。總線位數(shù)也稱為總線寬度，它在很大程度上決定了總線的數(shù)據(jù)傳輸性能。例如，PCI總線的數(shù)據(jù)線是64條，則表示PCI總線在一個(gè)總線周期內(nèi)可傳輸64位二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

(2)地址總線。地址總線負(fù)責(zé)地址信號(hào)的傳輸，其信號(hào)線數(shù)決定了總線的尋址能力。地址線越多，尋址范圍越大。例如，PCI總線有32根地址線，則其尋址范圍為232=4GB。

(3)控制總線?？刂瓶偩€負(fù)責(zé)控制信號(hào)與狀態(tài)信號(hào)的傳輸，它決定了總線訪問(wèn)的控制功能。系統(tǒng)總線的控制線越多，則總線的控制功能也越多，但部件的連接也越復(fù)雜。

除了上述三類信號(hào)線外，還有電源線、地線以及其他信號(hào)線。

2)按總線位于芯片內(nèi)外劃分

按總線是位于芯片內(nèi)部還是外部，可將總線劃分為片內(nèi)總線和片外總線。例如，CPU片內(nèi)總線是指連接CPU內(nèi)部各功能部件(如運(yùn)算器、控制器、寄存器等)的公共信號(hào)連線，它位于CPU芯片內(nèi)部；片外總線是指芯片之間的連接總線，在計(jì)算機(jī)主板上連接各功能芯片的系統(tǒng)總線就屬于片外總線。在計(jì)算機(jī)主機(jī)內(nèi)部，能直接看到的各種連接線都是片外總線。

3)按總線的層次結(jié)構(gòu)劃分

(1)局部總線。局部總線是指連接CPU與外圍各芯片的公共信號(hào)連線，如計(jì)算機(jī)主機(jī)子系統(tǒng)中各部件之間的連接線路。

(2)系統(tǒng)總線。系統(tǒng)總線是指連接計(jì)算機(jī)內(nèi)部各部件的連線，如主板上的PCI總線等。

(3)外部總線。外部總線是指計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間的通信連線，如鍵盤連線、鼠標(biāo)連線、打印機(jī)信號(hào)線等。

2.總線的主要性能參數(shù)

總線的主要功能是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中連接各功能部件，并負(fù)責(zé)它們之間傳輸數(shù)據(jù)、地址和控制信號(hào)等，因此，對(duì)總線的主要性能要求是數(shù)據(jù)傳輸速率。總線的數(shù)據(jù)傳輸速率主要由總線寬度和總線頻率決定。

一般來(lái)說(shuō)，總線的數(shù)據(jù)線、地址線和控制信號(hào)線越多，總線的數(shù)據(jù)傳輸速率越快，尋址范圍越大，提供的控制功能也越強(qiáng)，但連接復(fù)雜、成本高，因此，在計(jì)算機(jī)中都配置有多種性能不同的總線，以滿足不同部件的連接需求。

1)總線寬度

總線寬度是指總線能同時(shí)傳輸?shù)亩M(jìn)制數(shù)據(jù)位數(shù)。例如，PCI總線的數(shù)據(jù)位數(shù)是64位，它一次能同時(shí)傳輸64位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，其總線寬度為64位。通常總線寬度越寬，其數(shù)據(jù)傳輸能力也越強(qiáng)，但所需連接的通信線也越多。由于計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)以字節(jié)為基本單位，所以總線寬度一般是8位、16位、32位、64位等。

2)總線頻率

總線的數(shù)據(jù)傳輸需在時(shí)鐘信號(hào)的控制下進(jìn)行，控制總線的時(shí)鐘頻率就稱為總線頻率?？偩€頻率對(duì)總線的數(shù)據(jù)傳輸速率有很大的影響，總線頻率越高，總線數(shù)據(jù)傳輸速率越快?？偩€頻率一般以MHz為單位，如33MHz、66MHz、133MHz等。

3)總線數(shù)據(jù)傳輸速率

總線數(shù)據(jù)傳輸速率也稱為總線帶寬，它是指單位時(shí)間內(nèi)(通常是1s)總線能傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)總量，單位為B/s(字節(jié)/秒)?？偩€數(shù)據(jù)傳輸速率與總線寬度和總線頻率有關(guān)，其關(guān)系如下：

例如，總線寬度為64位，總線頻率為66?MHz，則總線寬度為(64?b/8)×66?MHz=528MB/s，即每秒傳輸528兆字節(jié)的數(shù)據(jù)。

4)同步方式

在通信中，同步方式是指數(shù)據(jù)收發(fā)雙方必須按照一致的數(shù)據(jù)信號(hào)傳送起止時(shí)間和碼元重復(fù)頻率(即波特率)來(lái)傳送數(shù)據(jù)。同步方式有如下兩種：

(1)同步傳輸：以數(shù)據(jù)塊(若干個(gè)字節(jié))為傳輸單位，在同步時(shí)鐘的控制下進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，收發(fā)雙方的時(shí)鐘必須在一個(gè)數(shù)據(jù)塊內(nèi)各位保持同步，進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳輸所需要的時(shí)間是固定的。

(2)異步傳輸：通常以一個(gè)字節(jié)為傳輸單位，傳輸時(shí)同步時(shí)鐘只需在一個(gè)字節(jié)內(nèi)保持同步即可，不需要每位信號(hào)同步。具體采用總線握手應(yīng)答方式進(jìn)行字節(jié)數(shù)據(jù)傳送，數(shù)據(jù)傳輸周期可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。在總線信號(hào)的兩種傳送方式中，同步傳輸效率高，但控制復(fù)雜，需專門的同步時(shí)鐘信號(hào)，該方式適合數(shù)據(jù)傳輸速率高的總線傳輸線；異步傳輸效率低，但控制簡(jiǎn)單，無(wú)需專門的同步時(shí)鐘信號(hào)，該方式適合數(shù)據(jù)傳輸速率低的總線傳輸。

5)信號(hào)線數(shù)

信號(hào)線數(shù)是指總線擁有的信號(hào)線總數(shù)，總線通常由數(shù)據(jù)線、地址線、控制線和電源線等信號(hào)線組成，如ISA總線的信號(hào)線數(shù)是98。

3.總線操作與控制

計(jì)算機(jī)總線系統(tǒng)的主要任務(wù)是完成各種信息在總線部件之間相互傳遞，傳輸?shù)男畔ǖ刂沸畔?、?shù)據(jù)信息、程序指令、設(shè)備控制命令、設(shè)備狀態(tài)信息等。要了解它們?cè)诳偩€系統(tǒng)中是如何傳送的，需要知道總線系統(tǒng)的操作與傳送控制方式。

1)總線操作

總線的基本操作包括請(qǐng)求、仲裁、定時(shí)、尋址、傳送和結(jié)束等?？偩€系統(tǒng)在一個(gè)時(shí)刻通常由一個(gè)主設(shè)備(如CPU)進(jìn)行總線控制，實(shí)現(xiàn)該主設(shè)備與從設(shè)備之間的總線信息傳送。從設(shè)備在總線傳輸中，只能被動(dòng)地進(jìn)行傳送操作。若其他設(shè)備要求使用總線進(jìn)行傳送，必須向擁有總線控制權(quán)的主設(shè)備提出總線請(qǐng)求。當(dāng)申請(qǐng)總線的設(shè)備獲得總線響應(yīng)時(shí)，它將獲得總線控制權(quán)變?yōu)樾碌闹髟O(shè)備，從而可以在總線中控制主設(shè)備與從設(shè)備之間的信息傳送，而原主設(shè)備放棄總線控制，如圖3.9所示。當(dāng)有多個(gè)設(shè)備同時(shí)提出總線請(qǐng)求時(shí)，需要由總線仲裁邏輯電路進(jìn)行裁決。其仲裁方式主要有集中式仲裁和分布式仲裁。圖3.9總線總線的操作一般分為以下四個(gè)階段：

(1)總線請(qǐng)求和仲裁階段。當(dāng)系統(tǒng)某個(gè)設(shè)備要求使用總線進(jìn)行傳送時(shí)，首先需要向擁有控制權(quán)的主設(shè)備提出總線申請(qǐng)。當(dāng)該設(shè)備獲得總線響應(yīng)后，可以對(duì)總線進(jìn)行控制。如果有多個(gè)設(shè)備同時(shí)提出總線請(qǐng)求，則需要經(jīng)過(guò)總線仲裁確定本次總線控制權(quán)授予哪個(gè)設(shè)備。

(2)尋址階段。當(dāng)某個(gè)主設(shè)備取得總線控制權(quán)后，它可以發(fā)出要訪問(wèn)的從設(shè)備地址，如內(nèi)存地址或I/O地址。該地址經(jīng)過(guò)總線傳送到從設(shè)備后，譯碼并選中對(duì)應(yīng)單元。然后主設(shè)備發(fā)出控制信息對(duì)從設(shè)備進(jìn)行訪問(wèn)操作。

(3)數(shù)據(jù)傳送階段。在總線上的數(shù)據(jù)傳送是由源設(shè)備傳送到目的設(shè)備，數(shù)據(jù)信息是在總線的數(shù)據(jù)線上進(jìn)行傳送的。

(4)結(jié)束階段。當(dāng)本次總線操作周期的數(shù)據(jù)傳送完成后，總線的控制信號(hào)將從總線上撤銷，讓出總線控制權(quán)，以便其他總線設(shè)備可以繼續(xù)使用。

2)總線傳送控制

為了保證總線傳送的完成，必須對(duì)總線各階段操作進(jìn)行定時(shí)傳送控制，即確定事件在總線時(shí)序上出現(xiàn)的時(shí)刻。總線上的定時(shí)控制傳送主要有如下兩種方式：

(1)同步定時(shí)方式。在同步定時(shí)方式中，事件出現(xiàn)的時(shí)刻總是固定的，即與時(shí)鐘同步。例如，CPU在進(jìn)行外部訪問(wèn)時(shí)，總是在總線周期的第1個(gè)時(shí)鐘發(fā)出訪問(wèn)單元的地址信號(hào)。每次總線傳送，主設(shè)備和從設(shè)備都必須嚴(yán)格按照時(shí)間規(guī)定完成相應(yīng)的動(dòng)作。同步定時(shí)通常由統(tǒng)一時(shí)鐘信號(hào)控制，完成一次傳送的時(shí)間很短，適合高速設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送。但它只適合于各設(shè)備訪問(wèn)時(shí)間比較接近，總線長(zhǎng)度較短的場(chǎng)合。

(2)異步定時(shí)方式。在異步定時(shí)方式中，不依賴系統(tǒng)時(shí)鐘處理事件操作，而取決于事件信號(hào)之間的應(yīng)答關(guān)系。這種定時(shí)方