代码编织梦想

概述

电子计算机的特性

        高速度、高度自动化、具有记忆能力、具有逻辑判断能力、靠精度和高可靠性

电子计算机的应用方面

        科学计算、数据与信息处理、实时控制、计算机辅助设计、人工智能的应用

微型计算机的组成

计算机的基本结构

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  • 五大组成部分
    • 运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备
    • 1) 运算器:计算机处理信息的主要部件
    • 2) 控制器:产生一系列控制指令,控制计算机各个部件自动的、有协调的、一致的工作
    • 3) 存储器:存放数据和程序的部件
    • 4) 输入设备:输入数据和程序
    • 5) 输出设备:计算机处理的结果用数字、图形的形式表现出来
  • 运算器、控制器、存储器通常被统一称为主机;输入、输出设备被称为外部设备
  • 运算器、控制器是计算机处理信息的核心部件,被合称为中央处理单元CPU(Central Procession Unit)。
  • 字长
    • 1. 计算机中所有信息都是以二进制的形式存储的,一台计算机所用的二进制位数就是该计算机的字长。
      • 计算机的字长越长,所代表的数值就越大。

  • 微型计算机结构
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    • 微处理器:微型计算机的核心,包括三个基本部分。
      • 算术逻辑部件ALU(Arithmetic Logic Unit):对传送到微处理器的数据进行算术或逻辑运算的电路。
      • 工作寄存器组:CPU中有多个工作寄存器,用来存放操作数和中间结果。
      • 控制部件:包括时钟电路控制电路
        • 时钟电路:产生时钟脉冲,用于计算机各部件电路的同步定时。
        • 控制电路:产生完成各种操作所需要的控制信号。
    • 存储器:微型计算机的重要组成部分,依靠存储器实现了记忆功能.
      • 存储器的每一个存储单元存放的二进制位数和字长一致。
      • 容量:存储器的一个重要指标,每一个存储单元中存放一组八位二进制,存储器中有多少存储单元,那么容量就是多少字节,容量较大时,以“KB”为单位,1KB 等于 2的十次方 等于 1024个存储单元。
      • CPU将数据存入存储器的过程是“写”操作,从存储器取出来的过程是“读”操作。
        • 记忆功能:写入的新数据取代了原有的数据,并且会一直保留
        • 读操作的非破坏性:进行读操作后,存储单元中原有的内容不会改变。
    • 输入/输出(I/O)接口电路:是沟通CPU和外部设备不可缺少的重要部件。外部设备种类繁多,经常和CPU不一致,需要用I/O接口作为桥梁,做到信息转换与协调的作用。
    • 总线:微型计算机各芯片或芯片内部各部件之间传输信息的一组公共通信线。
      • 采用总线结构后,不再需要单独走线,大大减少了接线的数量。
      • 挂在总线上的芯片不能同时发送信息,多个信息同时出现在总线上,会发生冲突从而出现错误。
      • 挂在总线上的各芯片通过缓冲器与总线相连,可以实现多个芯片分时传送输出的信息。
    • 将微处理器、存储器、I/O接口电路组装带电路板上,单板微型计算机
    • 将微处理器、存储器、I/O接口电路集成在一块芯片上,称为单片微型计算机
    • 微型计算机与外围设备、电源、系统软件一起构成应用系统,称为微型计算机系统
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  • 微型计算机软件
    • 计算机要能够直接控制自动的操作与运算,需要有软件。
    • 计算机的工作是由硬件和软件紧密结合、共同完成的。
    • 软件是指使用和管理计算机的各种程序,而每一个程序都是由一条条指令组成的。
    • 指令:控制计算机进行各种操作的命令称为指令。
      • 将数据传送到寄存器的指令称为传送(Move)指令。将寄存器的内容与数据相加的指令称为加法(Additive)指令。
      • 指令分为操作码操作数两部分。
        • 操作码:表示该指令执行何种操作。
        • 操作数:表示参加运算的数据或数据所在的地址。
  • 程序:一系列的指令进行有序的集合排列称为程序。编制程序的过程称为程序设计。
    • 为了使计算机能够自动进行运算,需要先用输入设备将程序输入到寄存器中存放。
    • 在控制器的中之下,CPU按照规定好的顺序依次取出程序中的一条条指令,进行译码和执行。操作是在运算器中执行的。
  • 机器语言、汇编语言、高级语言
    • 编制程序可使用汇编语言或高级语言。
  • 机器语言
    • 又称目标程序。
    • 只能存放和处理二进制信息,用0,1两个符号,直接编写程序很困难。
    • 往往先用汇编语言或高级语言编写程序,转换成目标程序(二进制代码形式)送入计算机。
    • 将汇编程序翻译成目标程序的过程称为汇编。
  • 汇编语言
    • 使用助记符表示操作码、用字符表示操作数的指令称为汇编指令。
    • 汇编指令编制的程序称为汇编语言程序。
    • 优点:
      • 占用存储单元少,执行速度快,能够准确掌握执行时间,可实现精细控制,适用于实时控制。
    • 缺点:
      • 面向机器的的语言。
      • 各种计算机的汇编语言不同,需要清楚机器的结构、原理和指令系统才可以编写出计算机的各种汇编语言程序。
      • 不适用其他机器。
    • 又称源程序。
  • 高级语言
    • 面向过程的语言,常用的有BASIC、FORTRAN、ALGOL、PASCAL、COBOL等。
    • 编写程序时组要着眼于算法,无需了解计算机的硬件结构和指令系统
    • 易学易用
  • 程序分类
    • 计算机软件(程序系统)所包括的内容:
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    • 应用程序:解决用户各种实际问题的程序。
      • 标准化、模块化后,形成解决各种典型问题的应用程序的组合,称为软件包
    • 语言翻译程序:汇编程序、编译程序、解释程序。
    • 数据库管理程序: 应用于信息处理、情报检索和各种管理系统时要处理大量数据,将数据按一定规律组织起来,使检索更迅速,处理更方便。
    • 调剂程序:测试计算机性能的程序。
    • 调剂程序、诊断、维修、管理程序:由计算机生产厂家提供,用于计算机的维护及管理。
    • 监控程序:固化于内部存储器中,自动管理整个计算机的工作。
    • 操作系统:指挥计算机管理自己的软件。
      • 根据任务和设备情况,按照使用者意图,合理分配硬件和软件的工作。
      • 实现多个程序成批的在计算机中自动运行,充分发挥计算机系统的效率。

微处理器

  • 运算器
    • 由算术逻辑单元ALU、累加器A、暂存寄存器TR、标志寄存器F、二--十进制调整电路等部分组成。
    • 算数逻辑单元累加器
      • 微型计算机执行算术运算和逻辑运算的主要部件。
      • 两个输入端:一个与累加器A(Accumulator)相连,另一个与暂存寄存器TR相连
      • 累加器A:一个8位,且使用十分频繁的寄存器
    • 标志寄存器F(Flag):又称状态寄存器。
      • 用来存放 ALU 运算结果的一些特征。
    • 二--十进制调整电路
      • 计算机进行二--十进制数运算时,要对运算结果进行调整,由二--十进制调整电路(BCD调整电路)实现。
  • 控制器
    • 由指令寄存器IR、指令译码器ID、定时与控制电路三部分组成。
    • 工作时,由定时与控制电路按照按照时间顺序发出控制信号,时计算机部件按一定时间协调工作,从而使指令执行。
    • 指令的执行分为取指令执行指令两个阶段。具体步骤为:
      • ① 从存储器中取出指令的机器码,送指令寄存器寄存,直至指令执行完毕。
      • ② 由指令译码器译码,识别指令需要实施何种操作。
      • ③ 由定时与控制电路产生控制信号,送到计算机的各个部件执行这个指令。
  • 工作寄存器
    • 微型计算机的CPU内设有工作寄存器组。
    • 设置后,参加运算的操作数及运算的中间结果可以放入工作寄存器中。
    • 可提高计算机的工作速度,简化指令的机器代码。
    • 可以寄存存储器地址。
  • 程序计数器PC(Program Counter)
    • 管理程序执行次序的特殊功能寄存器。
    • 程序执行有两种情况:按照顺序执行跳转
    • 程序计数器具有三种功能:
    • 复位功能:计算机通电时有上电复位,运行时有操作复位。
      • 复位时计算机进入初始状态,PC的内容将自动清零。
    • 计数功能:CPU读取指令时,会将pc的内容作为指令地址,并经地址总线送到存储器中,从而从该地质单元中取回指令的机器码,送到指令寄存器。
      • 每取回指令代码的一个字节,pc的内容自动加1(加法计数)
      • 再取回指令进入执行指令的阶段,pc 的内容已是按顺序排列的下一条指令的地址。
    • 直接置位功能:pc能直接接收内部总线送来的数据,并用该数据取代其原有的内容。

存储器

  • 计算机的重要组成部分
  • 存储器存放了需要处理的数据和程序,使计算机能脱离人的直接干预自动工作。
  • 早期计算机存储器有大量的磁芯构成;现在计算机的存储器由半导体集成电路芯片组成。
  • 主要指标使容量存取速度。容量越大,记忆的信息越多,计算机的功能就越强。
  • 存储器的工作速度使影响计算机工作速度的主要因素。
  • 存储器分类
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  • 存储器称为主存储器,又叫内存储器
  • 由半导体集成电路芯片组成,用来存放当前运行所需要的程序与数据。
  • 工作速度快,可以与CPU直接交换数据、参与运算。但容量有限。
  • 内存储器又有随机存取存储器RAM(Random Access Memory)只读存储器ROM(Read Only Memory)
  • 随机存取存储器
  • 又称读写存储器
    • 数据的读取、写入时间都很短。
    • 计算机运行时,可以从RAM中读数据,又可以将数据写入RAM中。
    • 断电后RAM中存放的信息会丢失
    • 适宜存放原始数据、中间结果及最后的运算结果。又被称为数据存储器
    • 该存储器有静态RAM动态RAM两种
      • 静态RAM:用触发器存储信息,不断电,信息不会丢失。
      • 动态RAM:依靠电容存储信息,充电后为“1”,放电后为“0”。
  • 只读存储器
    • 计算机运行时只能执行读操作,掉电后ROM中存放的数据不会丢失
    • 适宜存放程序、常熟、表格等,又称程序存储器
    • 只读有四类:
    • 掩模ROM
      • 生产时,用掩模技术将程序做入芯片,只能读内容,不能改写。
      • 应用于有固定程序且批量很大的产品中。
    • 可编程只读存储器PROM(Programmable ROM)
      • 用户可将程序写入PROM,但程序一经写入就不能改写。
    • 可擦除可编程只读存储器EPROM(Erasable PROM)
      • 用户可将程序写入EPROM芯片中
      • 使用紫外灯照射芯片,擦去原先的程序,写入新程序,进行改写程序。
    • 电擦除可编程只读存储器EEPROM(Electrically Erasable PROM)
      • 采用电擦除方式
      • 擦除、写入、读出的电源都用+5V,可以再应用系统中在线改写。
  • 外存储器
    • 计算机将磁带、磁盘作为存储器,称为外存储器
    • 容量很大,但工作速度低,不能直接参与计算机的运算。
    • 一般只与内存储器成批交换信息。
    • 计算机中,外存储器是外部设备的组成部分。
  • 存储器结构
    • 存储体地址寄存器地址译码器存储器输入/输出控制电路等部分组成。
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    • 存储体:也称存储矩阵,由许多存储单元组成。
    • 地址寄存器:存入外部地址线送来的地址。
    • 地址译码器:将地址进行译码,选中一个单元进行读或写。
    • 存储器输入/输出控制电路:接收来自CPU的读信号和写信号。
    • 读写存储器RAM
      • 双极型MOS型两类。MOS型RAM集成度高但存取时间长;双极性相反。
      • 1位存储电路
        • 存放1位二进制代码。存储器由大量的1位存储电路组成,形成存储矩阵。
        • 又有1位静态存储电路和1位动态存储电路。
      • 地址译码器
        • 芯片中包含行(x)列(y)两个地址译码器。
        • 译码器输入端接存储器地址,输出行选列选信号。
        • 由多个译码电路组成。
        • 译码器会根据地址线上不同的地址选中相应的唯一存储单元。
      • 输入/输出控制电路
        • 控制电路采用三态缓冲器结构。
        • 可以使存储器芯片直接挂在总线上。
  • 只读存储器ROM
    • 掩模ROM

       

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      • 电路结构十分简单,芯片的集成度高。 
    • EPROM
      • 比掩模ROM多了一个浮置栅雪崩注入MOS管(RAMOS管)。
      • 存储体的各个结构完全相同。
    • 堆栈
      • 读写存储器RAM中的一个特殊区域,按照“先进后出”的方式工作的、用于暂存信息的存储单元。
      • 操作:两种操作方式
        • 推入操作:将数据送入堆栈。又叫压入操作。
        • 弹出操作:把堆栈中内容取出来。
      • 堆栈指针SP(Stack Pointer)
        • 一个换用地址寄存器。指明栈顶的位置,起着管理堆栈工作的作用。

输入/输出接口电路

  • 功能
    • 微型计算机于外部设备之间的数据传送称为输入/输出(I/O)
    • 实现输入/输出,把外围设备与计算机连接起来的硬件电路——输入/输出接口电路。需要编制控制输入/输出接口电路工作的程序。
  • I/O接口电路的功能
    • 锁存数据
      • 传输数据的过程需要等待,电路中需要设置锁存器,用来暂存数据。
    • 信息转换
      • 发送数据时,为加快运行速度,I/O接口电路要将并行数据转换成串行数据。
      • 接收数据时,要将串行数据转换成并行数据。
    • 电平转换
      • 计算机传输的信息大多采用TTL电平。
      • 外围设备的信息不是TTL电平,那么与计算机连接时,I/O接口电路要完成电平转换的工作
    • 缓冲
      • I/O接口电路时挂在总线上的,都应具备缓冲功能
    • 地址译码
      • 每个外围设备都赋予一个地址。
      • 通过I/O接口电路的译码器找到指定地址的外围设备
    • 传送联络信号
      • 通过I/O接口电路转接传送的状态信息和控制信息
  • 计算机与外围设备间传送信息
    • 计算机与外围设备间传送的三种信息:数据信息状态信息控制信息
    • 三种信息性质不同,需分别传送,所以一个外围设备对应的接口电路需要多个端口(Port)
  • 端口地址
    • 对I/O电路的端口编址,选中了端口就选中了端口所在的I/O电路,从而选择对应的外围设备。
    • 端口的两种编址方式:
    • 存储器单元与接口电路端口统一编址
      • 每个端口作为存储器的一个单元对待,一个端口占有存储器的一个单元地址。
      • CPU从I/O接口电路输入/输出一个数据,作为依次存储器的读/写操作
      • 优点:
        • 对外围设备的操作可使用全部有关存储器的指令。
        • 指令多,变成方便。
        • 可对接口电路中的数据进行算术运算和逻辑运算。
      • 缺点:
        • 接口电路占用了存储器的单元地址,减少了内存容量。
    • 存储器单元与接口电路端口分别编址
      • 存储器单元与接口电路端口各自独立编址。
      • 某个地址可能是指存储器某个单元,也可能是值某一个端口。
      • 用不同的指令来区分存储器与接口电路。
      • 结论:存储器容量大,地址位数多,端口有限,需要的地址位数不多。使用分别编址,存储器地址和端口地址采用的位数可以不同,访问I/O电路指令的字节数可以减少,提高了指令的执行速度。
  • 数据传送方式
  • 外围设备种类繁多,归纳起来,传输数据的方式共有四种:无条件传送方式查询传送方式中断传送方式直接数据通道传送(Direct Memory Access)方式
  • 无条件传送方式
    • 外设的信息变化缓慢的,相较于高速运行的计算机而言,这些外设随时处在准备就绪状态
    • CPU再输入/输出信息前,不必询问输入/输出设备是否准备就绪,执行指令就可以输入/输出数据。
    • 这是最简单的传送方式,所配置的硬件和软件最少。
  • 查询传送方式
    • 许多外设与CPU再速度上存在差异,同样传输一个数,CPU要快得多。而且外设可能未准备好。
    • CPU再传送数据时,要先询问外设状态,外设准备好了再传送,否则CPU处于等待状态。
    • 这种数据传送方式称为查询工作方式。
    • 缺点
      • CPU的利用收到影响,陷入等待和反复查询,不能再作它用。
      • 这种方式无法处理掉电、设备故障等突发事件。
  • 中断传送方式
  • 特点
    • 这是计算机最常用的数据传送方式,传送数据外,实时控制故障自动处理实现人机联系等也多采用中断方式。
    • 实现终端的硬件、软件称为中断系统。中断系统的性能时衡量计算机质量的一项重要指标。
    • 使用中断技术,CPU从反复询问外设状体中解放出来,提高了工作效率。
    • 利用中断技术,还可以处理设备故障掉电等突发事件。
    • 可以发送中断请求的各种来源统称为中断源
  • 中断过程和中断系统
  • 中断请求
    • 外设向CPU发出中断请求信号的两个条件:
      • 外设本身的工作已完成。
      • 计算机系统允许外设发中断请求信号。
    • CPU响应中断后应撤销中断请求信号,否则会重复进入中断过程
  • 中断优先权
    • 一个计算机系统有多个中断源;一个中断请求引脚也可以接有多个提出中断请求的外设。
    • 遇到多个设备同时中断请求时,CPU会根据中断优先权完成响应。
    • 三个原则
      • 多个中断源同时申请中断时,CPU会先响应优先权高得请求。
      • 正在处理优先权较低的请求,若有优先权高的请求,则会暂时中断请求,去响应优先权高的请求。

        级别高的请求执行完再返回级别低的程序继续执行,这称为中断嵌套

      • 出现同级或低级的请求时,CPU处理完目前的程序后,并执行了主程序的一条指令后才接着相应。
  • 中断响应
    • 提出中断请求的优先级高,并且接口电路与CPU都中断开放,CPU将响应中断,执行下列工作:
    • 保留断点
      • 将计数器pc的当前值推入堆栈保存。中断服务执行完后返回继续执行主程序。
    • 转入中断服务程序
      • 将中断程序的入口地址送入pc,转到中断服务程序。
      • 编制不同的中断服务程序,生成不同的入口地址,将对应的入口地址送入pc。
  • 中断服务及返回
    • 终端服务程序的最后一条指令必须用中断返回指令,不能用一般子程序返回指令。
    • 该指令把堆栈顶的内容送回pc,以继续执行中断的程序,释放中断逻辑。
  • 直接数据通道传送方式
    • 高速的外设与计算机传送大量数据时常采用直接数据通道传送方式(DMA方式)。
    • CPU交出总线控制权,由DMA控制器进行控制。
    • 外设与内存直接交换数据,不经过CPU中转,不通过中断服务程序。
    • 不需要保存、恢复断点和现场。
    • 传送数据的速度比中断方式更快。

 

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