第1章计算机基础.pdf

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1、第1章计算机基础【考点一】计算机的发展自从194 6年2月现代电子计算机的鼻祖ENIAC(electronic numerical integrator and computer)在美国宾夕法尼亚大学问世以后，短短50年里，计算机技术经历了巨大的变革。学术界经常使用器件(硬件)划分计算机的发展史，如第一代电子管计算机(194 71957),第二代晶体管计算机(19581964),第三代集在在电路计算机(1964 1972),第四代大规模集成电路计算机(1972)，目前提出了所谓的第五代(或新一代)计算机。从194 6年到50年代后期(194 61957)为电子管计算机时期。计算机的元器件主要由

2、电子管(vacuum tube)组成。其特点是：体积庞大、功耗高、运算速度较低。如ENIAC占地170m2,重达30t,功耗为14 0kW,有18000多个电子管，每秒钟能进行5000次加法计算。这一阶段，计算机主要用于军事、国防等尖端技术领域。除了ENIAC以外，194 5年左右，冯 描依曼等人在研制EDVAC(electronic discrete variable computer)时，提出了存储程序(stored-program)概念，奠定了以后计算机发展的基石。IBM公司1954 年12月推出的IBM650是第一代计算机的代表。从20世纪50年代后期到60年代中期(19581964)

3、为晶体管计算机时期。自从194 7年晶体管(transistor)在贝尔实验室诞生后，引发了一场影响深远的电子革命。体积小、功耗低、价格便宜的晶体管取代了电子管，不仅提高了计算机的性能，也使计算机在科研、商业等领域内广泛地被应用。第二代计算机不仅采用了晶体管器件，而且存储器改用速度更快的磁芯存储器；与此同时高级编程语言和系统软件的出现，也大大提高了计算机的性能和拓宽了其应用领域。这一时期计算机的代表主要有DEC公司1957年推出的PDPT,IBM公司于1962年推出的7094 以及CDC公司1964 年研制成功的CDC6600。1969年CDC公司研制的DCD7600平均速度达到每秒千万次浮点

4、运算。从20世纪60年代中期到70年代初期(19651972)为集成电路计算机时代。第一代和笫二代计算机均采用分离器件(discrete component)组成。集成电路(integrated circuit)的出现，宣告了第三代计算机的来临。由于采用了集成电路，使得计算机的制造成本迅速下降；同时因为逻辑和存储器件集成化的封装，大大提高了运行速度，功耗也随之下降；集成电路的使用，使得计算机内各部分的互联更加简单和可靠，计算机的体积也进一步缩小。这一时期的代表为 IBM 的 system/360和 DEC 的 PDP-8。从20世纪70年代初期到70年代后期(19721978)为大规模集成电路

5、(LSI)计算机时代。20世纪70年代初半导体存储器的出现，迅速取代了磁芯存储器，计算机的存储器向大容量、高速度的方向飞速发展。存储器芯片从Ikbit,妹bit,16kbit,64 kbit,256kbit,1Mbit,4 Mbit发展到 16Mbit(1992年)。接着就进入了超大规模集成电路(VLSI)计算机时代。随着技术的日新月异，软件和通信的重要性也逐步上升，成为和硬件一样举足轻重的因素。同时系统结构的特点对计算机的性能也有巨大的影响(中断系统、Cache存储器、流水线技术等等)。实际上在第三代计算机以后，就很难找到一个统一的标准进行划分。也可以从应用的观点来划分计算机的发展史。最早的

6、应用是军事上的需要，如炮弹弹道计算，核武器的设计等；其次是广泛地用于科学计算，工程设计计算；第三阶段是大量用于管理，现在计算机的80%以上用于管理；再接着是计算机辅助设计(CAD)和辅助制造(CAM)；进入90年代，计算机的应用已趋向于综合化和智能化，例如在一个企业里，计算机不仅用于科学计算、辅助设计和辅助制造，还用于辅助管理和辅助决策(MIS与DSS),以及办公自动化(0A)等等，使设计、生产自动化和管理自动化融为一体，形成所谓计算机集成制造系统(CIMS-Computer IntegratedManufacturing System),再发展下去就是工厂自动化(Factory Automa

7、t ion)或称无人工厂。DSS(Decision SupportSystem)/ES(Expert System)利用人工智能(AI-Artifcation Intelligence)技术，让计算机代替人判断、推理，寻找最优方案，以辅助决策者决策。目前更流行的是认为计算机的发展经过了三次浪潮(wave)。计算机的发展笫一个浪潮是单个主机(Mainframe)的时期，以IBM360、370为代表的大型机的出现，其特点是以批处理为主，主要用于大规模科学计算。第二次浪潮为客户机/服务器(Client/server)的时期，这时期出现了小型机、微型机和局域网。其特点是多用户分时处理。第三个浪潮是70

8、80年代的微型计算机PC(Personal Computer)的出现。现在正处于第三次浪潮，网络计算机的时期，即以网络为中心或以网络为基础的计算机时期。目前计算机向综合的方向发展，将各种计算机的特点和优点综合起来，并结合了多媒体技术，通信技术等，把人类带入了网络社会。【考点二】计算机的分类及其应用计算机分类的方法大致可分如下儿种：1.按信息的形式和处理方式分类计算机按信息的形式和处理方式可分为数字计算机、模拟计算机以及数字混合计算机。2.按计算机的用途分类计算机按用途可分为通用计算机和专用计算机。3.按计算机规模分类计算机按规模可划分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机等。计算机的应用如下

9、：在科学计算中的应用在实时控制中的应用在数据处理中的应用计算机在辅助设计和辅助制造（CAD/CAM）中的应用办公自动化系统中的应用【考点三】计算机硬件结构实际应用的计算机系统是由计算机硬件系统、软件系统以及通信网络系统组成的一个整体系统。计算机硬件系统是指构成计算机的所有实体部件的集合，通常这些部件由电路（电子元件）、机械等物理部件组成，它们都是看得见摸得着的，故通常称为 硬件。计算机硬件结构也可以称为冯诺伊曼结构，它由五大部件组成：主机部分由运算器、控制器、存储器组成，外设部分由输入设备和输出设备组成，其中核心部分部件是运算器。计算机硬件之间的连接线路分为网状结构与总线结构，这里主要介绍总线

10、（BUS）结构。总线结构有如下几种形式：1.以CPU为中心的双总线结构所谓总线实际上是一组并行的导线，导线的数目和计算机字长相同，数据和指令通过总线传送。2.以存储器为中心的双总线结构3.单总线结构主要部件功能：1.运算器运算器是完成:进制编码的算术或逻辑运算的部件。运算器由累加器（用符号LA）、通用寄存器（用符号LB）和算术逻辑单元（用符号ALU）组成，核心是算术逻辑单元。2.存储器在计算机中的存储器包括内存储器（又叫主存储器或随机存储器，简称内存或主存）、外存储器、只读存储器和高速缓冲存储器以及寄存器等。随机存储器是按地址存取数据的，若地址总线共有20条地址线（A0A19）,即有20个二进

11、制位，可形成220=1048576个地址（1兆地址）。3.控制器控制器由三大部件组成，它们是指令部件、时序部件和操作控制部件。（1）指令部件指令部件包括程序计数器PC、指令寄存器IR和指令译码器IDo（2）时序部件时序部件产生定时节拍，一般由时钟信号源、节拍发生器及微操作电路组成。4.输出寄存器输出寄存器用于存放输出结果，以便由它通过必要的接口（输出通道），在输出设备上输出运算结果。5.输入设备目前主要通过CRT终端和键盘实现人机对话。磁性设备阅读机、光学阅读机等可作为输入设备。【考点四】计算机软件的功能及分类所谓软件是指为运行、维护、管理、应用计算机所编制的所有程序的总和。软件分为系统软件和

12、应用软件。系统软件包括计算机操作系统（Operation System）、计算机的各种管理程序、监控程序、调试程序、编辑程序以及各种语言的编译或解释程序等。应用软件是为解决各种实际问题而设计的程序。1 .操作系统操作系统具有三大功能：管理计算机硬、软件资源，使之有效使用；组织协调计算机的运行，以增强系统的处理能力；提供人机接口，为用户提供方便。操作系统具有的功能：（1）作业操作。（2）资源管理。（3）中断处理。（4）1/0处理。（5）调度。（6）错误处理。（7）保护和保密处理。（8）记帐。操作系统的基本类型：（1）批处理操作系统。（2）分时系统。（3）实时系统。操作系统的管理功能主要内容：（1

13、）处理机管理。（2）存储管理。（3）文件管理。（4）设备管理。2.数据库管理系统数据库管理系统既可以认为是一个系统软件也可以认为是个通用的应用软件。目前有三种类型的数据库管理系统，故可存放三种模型的数据，这三种数据库管理系统分别为层次数据库、网状数据库和关系数据库。3 .计算机网络软件计算机网络系统是通过通信线路连接的硬件、软件与数据集合的一个计算机系统。从硬件来说，除计算机作为网络的结点以外，还有如服务器(也可用一台计算机)，网络适配器，终端控制器以及网络连接器等硬件设备；从软件来说，有网络操作系统，网络通信及协议软件，网络数据库管理系统等。4 .高级语言及语言处理器用户用高级语言编写的程序

14、称源程序，源程序不能由计算机直接执行，必须翻译成机器能执行的语言一机器语言，这种翻译是由机器自动翻译的，译员”称编译程序或编译器，当源程序输入计算机后，调用编译程序编译成机器语言(称目标程序)，然后执行。还有一种语言处理程序叫解释程序，输入一条语句，翻译一条。现在已出现了第4 代语言(4 G L)和计算机辅助软件工具C A S E。5 .常用的通用软件在数据处理、事务处理、报表处理中有许多通用软件，如字处理软件W P S、W O R D,报表处理软件L O T U S 卜2-3 等。【考点五】计算机数据表示1 .二进位计数制引入二进制数字系统的计算机结构和性能具有如下的优点：(1)技术实现容易

15、。(2)二进制运算规则简单。(3)计算机中二进制数的0、1 数码与逻辑代数变量值0 与1 吻合，所以二进制同时可以使计算机方便地进行逻辑运算。(4)二进制数和十进制数之间的关系亦不复杂。2 .进位计数制相互转换十进制数转换成二进制数：十进制数据转换为：进制数时，因整数部分与小数部分转换算法不同，需要分别进行。(1)整数转换方法一除基取余法十进制整数除以2 取余数作最低位系数k 0 再取商的整数部分继续除以2 取余数作高一位的系数，如此继续直到商为0时停止除法，最后一次的余数就是整数部分最高有效位的二进制系数，依次所得到的余数序列就是转换成的二进制数。因为除数2 是二进制的基数，所以浙种算法称作

16、 除基取余”法。(2)小数转换方法一乘基取整法把十进制小数乘以2,取其积的整数部分作对应二进制小数的最高位系数k-1 再取积的纯小数部分乘以2,新得积的整数部分又作下一位的系数k-2,再取其积的纯小数部分继续乘2,，直到乘积小数部分为0 时停止，这时乘积的整数部分是:进制数最低位系数，每次乘积得到的整数序列就是所求的：进制小数。这种方法每次乘以基数取其整数作系数。所以叫乘基取整法。需要指出的是并不是所有十进制小数都能转换成有限位的二进制小数并出现乘积的小数部分0 的情况，有时整个换算过程无限进行下去。此时可以根据要求并考虑计算机字长，取定长度的位数后四舍五入，这时得到的：进制数是原十进制数的近

17、似值。一个既有整数乂有小数部分的数送入计算机后，由机器把整数部分按 除基取余”法，小数部分按 乘基取整”法分别进行转换，然后合并。任意进制数转换成十进制数：任意一种进位计数制的数转换成十进制数的方法都是一样的。把任意进制数按权展开成多项式和的形式，把各位的权与该位上的数码相乘，乘积逐项相加，其和便是相应的十进制数。十进制数转换成任意进制数：十进制数转换成任意进制数与十进制数转换成：进制数的方法完全相同，即整数部分用除基取余的算法，小数部分用乘基取整的方法，然后将整数与小数拼接成一个数作为转换的最后结果。3 .数的机器码表示符号数的机器码表示：(1)机器数和真值数在计算机中的表示形式统称为机器数

18、。机器数有两个基本特点：其一，数的符号数值化。实用的数据有正数和负数，因为计算机只能表示0、1 两种状态，数 据 的 正 号 或 负 号 在 机 器 里 就 用 一 位 二 进制的0 或1 来区别。通常这个符号放在二进制数的最高位，称符号位，以0 代 表 符 号 以 1 代表符号这样正负符号就被数值化了。因为有符号占据一位，数的形式值就不等于真正的数值，带符号位的机器数对应的数值称为机器数的真值。机器数的另一个特点是二进制的位数受机器设备的限制。机器内部设备一次能表示的二进制位数叫机器的字长，台机器的字长是固定的。字长8 位叫一个字节(B y t e),现在机器字长一般都是字节的整数倍，如字长

19、8 位、1 6 位、3 2位、6 4 位。符号位数值化之后，为能方便的时机器数进行算术运算，提高运算速度，计算机设计了多种符号位与数值一起编码的方法，最常用的机器数表示方法有三种：原码、反码和补码。(2)原码表示法和反码表示法一个机器数X由符号位和有数数值两部分组成。设符号位为XO,X真值的绝对值|X I =X1X2Xn,X的机器数原码表示为：X原=XOX1X2Xn当XNO时,xo=o当XVO时,XO=1原码表示很直观，但原码加减运算时符号位不能视同数值 样参加运算，运算规则复杂，运算时间长，计算机大量的数据处理工作是加减运算，原码表示就很不方便了。一个负数的原码符号位不动，其余各位取相反码就

20、是机器数的另一种表示形式一反码表示法。正数的反码与原码相同。设 X原=XOX1X2Xn当X0=0时，X反=XOX1X2Xn(3)补码表示法(complement)设计补码表示法的目的是：使符号位能和有效数值部分一起参加数值运算从而简化运算规则，节省运算时间。使减法运算转化成加法运算，从而进一步简化计算机中运算器的线路设计。计算机是一种有限字长的数字系统，因此都是有模运算，超过模的运算结果都将溢出。n位二进制整数的模是2n。对于二进制数还有一种更加简单的方法由原码求得补码。正数的补码表示与原码一样，X补=X原负数的补码是将原码符号位保持T”之后其余各位取相反的码，末位加1便得到补码，即取其原码的

21、反码再加1 :X补=X反+1。真值+0和-0的补码表示是一致的，但在原码和反码表示中具有不同的形式。8位补码机器数可以表示-1 2 8,但不存在+128的补码与之对应，由此可知8位二进制补码能表示数的范围是-128+127。应该注意：不存在T28的8位原码和反码形式。根据互补的概念，一个补码机器数再求一次补就得到机器数的原码了。定点数与浮点数：(1)定点数(fixed-point number)计算机处理的数据不仅有符号，而且大量的数带有小数，小数点不占有二进制位，而是隐含有机器数里某固定位置上。通常采用两种简单的约定：一种是约定所有机器数的小数点位置隐含在机器数的最低位之后，叫定点纯整数机器

22、数，简称定点整数。另一种约定所有机器数的小数点位置隐含有符号位之后，有效数值部分最高位之前，叫定点纯小数机器数，简称定点小数。计算机采用定点数表示时，对于既有整数又有小数的原始数据，需要设定一个比例因子，数据按比例因子缩小成定点小数或扩大成定点整数再参加运算，结果输出时再按比例折算成实际值。n位原码定点整数的表示范围是-(2n-l-l)WXW2n-lT,n位原码定点小数的表示范围是-(l-2-(n-l)WXl-2-(n T)。当机器数小于定点数的最小值时，被当作0处理，超出定点数的最大值时，机器无法表达，称作 溢出，此时机器将停止运算，屏幕显示溢出警告。定点数表示方法简单直观，不过定点数表示数

23、的范围小，不易选择合适的比例因子，运算过程容易产生溢出。(2)浮点数(floating-point number)计算机采用浮点数来表示数值，它与科学计算法相似，把任意一个：进制数通过移动小数点位置表示成阶码和尾数两部分：N=2EXS其中：E-N的阶码(exponent),是有符号的整数；S-N 的尾数(mantissa),是数值的有效数字部分，一般规定取二进制定点纯小数正式。浮点数运算必须化成规格化形式。所谓规格化，对于原码尾数应使最高数字位Sl=l,如果不是1,且尾数不是全为0时就要移动尾数直到S l=l,阶码相应变化，保证N值不变。如果尾数是补码，当N是正数时，S1必须是1,而N是负数时

24、，S1必须是0,才称为规格化的形式。4.数字编码十进制数在机内转换成二进制数时，有时也以一种中间数字编码形式存在，它把每一位十进制数用四位二进制编码表达，每一组只表达09的数值运算时，有专门的线路在每四位:进制间按十 进位处理，故称为；进制编码的十进制数一BCD码(Binary Coded Decimal(或称二-十进制数。其编码种类很多，如格雷码、余3码等，最常用的叫8421BCD码，4个二进制位自左向右每位的权分别是8、4、2、1。09的8421码与通常的二进制一样进位，十分简单，当计数超过9时，需要采取办法自动向十进制高位进一，即要进行 十进制调整”才能得到正确结果。5 .校验码由于器件

25、质量不可靠，线路工艺不过关，远距离传送带来的干扰或受来自电源，空间磁场影响等因素，使得信息在存取、传送和计算过程中难免会发生诸如T 误变为 0 的错误，计算机一旦出错，要能及时检测并纠正错误，其中一种方法是对数据信息扩充，加入新的代码，它与原数据信息一起按某种规律编码后具有发现错误的能力，有的甚至能指出错误所在的准确位置使机器自动纠正，能起这种作用的编码叫“校验码”(c h e c k c o d e)。奇偶校验码：将每个数据代码扩展一个二进位作校验位(p a r i t y b i t),这个校验取0 还是取1 的原则是：若是奇校验(o d d p a r i t y),编码是含T 的个数连

26、同校验位的取值共有奇数个 1 ;若是偶校验(e v e n p a r i t y),连同校验位在内编码里含 1 的个数是偶数个。交叉校验：计算机进行大量字节传送时一次传送几百甚至更多字节组成的数据块，如果不仅每一个字节有个奇偶校验位一称横向校验，而且全部字节的同一位也设置了 个奇偶校验位一称纵向校验，对数据块代码的横向纵向同时校验，这种情况叫交叉校验。循环冗余校验码一C R C 码(C y c l i c R e d u n d a n c y C h e c k)：计算机信息但向远方终端或传到另一个计算中心时，信息沿一条通信线路一位位传送，这种通信方式叫串行通信。循环冗余码(简称C R C

27、 码)就是一种检验能力很强，在串行通信中广泛采用的校验编码。(l)C R C 码串行传送的信息M(X)是一串k 位二进制序列，在它被发送的同时，被一个事先选择的 生成多项式 相除，生成多项式”长r+1 位，相除后得到r 位余数就是校验位，它拼接到原k 位有效信息后面即形成C R C 码。C R C 码到达接收方时，接收方的设备一方面接收C R C 码，一方面用同样的生成多项式相除，如果正好除尽，表示无信息差错，接收方去掉C R C码后面r 位校验，收下k 位有效信息；当不能除尽时，说明有信息的状态位发生了转变，即出错了。一般要求重新传送一次或立即纠错。(2)C R C 码计算传送信息时生成C

28、R C 码以及接收时对C R C 码校验都要与 生成多项式 相除，这里除法是 模2 运算，即二进位运算时不考虑进位和借位。作模2 除法时，取商的原则是当部分余数首位为1 时商取1,反之商取0,然后按模2 减，求部分余数。这个余数不计高位。当被除数逐位除完时，最后余数的位数比除数少位。该余数就是校验位。它拼接在有效信息后面组成C R C 码。因为校验位扩充了传送部分的代码，所以这是一种基于 冗余校验”的思想的校验办法。(3)生成多项式C R C 码是M(X)除以某一个预先选定的多项式后产生的，所以这个多项式叫生成多项式。并不是任何一个r+1 位的编码都可以作生成多项式用，它应能满足当任何一位发生

29、传送错误时都能使余数不为0,并且不同位发生错误时应当使余数也不同，这样不但能检错而且能推断是哪一位出错，从而有利准确的纠错。有两个生成多项式，其检错率很高。X 1 6+X 1 5+X 2+1X 1 6+X 1 2+X 6+16 .非数值数据的表示方法计算机中数据的概念是广义的，机内除有数值数据之外，还有文字、符号、图象、语言和逻辑信息等等，因为它们也都是0、1 形式存在，所以称为非数值数据。(1)字符数据字符数据主要指数字、字母、通用符号、控制符号等，在机内它们都被变换成计算机能够识别的二进制编码形式。国际上被普遍采用的一种编码是美国国家信息交换标准代码(A m e r i c an S t

30、an dar d C o de f o r I n f o r m at i o nI n t e r c h an g e),简称A S C H 码。A$C H 码选择了四类共1 2 8 种常用的字符：数字09。字母。通用符号。动作控制符。(2)逻辑数据逻辑数据是指计算机不带符号位的一位二进制数。逻辑数据在计算机中虽然也是 0 或T 的形式，但是与数值有很大区别：逻辑数据的取值只有 0 和 1 两个值，不可能再有其他值，而数值数据与1 的不同组合可以反映很多不同数值。逻辑数据的 0 和 1 代表两种成对出现的逻辑概念，与一般数学中代表 0 和 1 的数值概念截然不同。逻辑数据和逻辑数据运算可

31、以表达事物内部的逻辑关系，而数值数据表达的是事物的数量关系。汉字：(1)汉字字音编码(2)汉字字形编码(3)汉字音形编码(4)电报码(5)整字编码为了能在不同的汉字系统之间交换信息、高效率高质量共享汉字信息，近年来国家推出了一系列有关中文信息处理的标准。比如1 9 8 1 年我国制定推行的G B 23 1 2-8 0 国家标准信息交换用流字编码字符集(基本集)一简称国标码，以及若干辅助集。国标码收集、制定的基本图形字符有7 千余个，其中常用汉字3 7 5 5 个，次常用汉字3 0 0 8 个，共6 7 6 3 个汉字，还有俄文字母、日语假名、拉丁字母、希腊字母、汉语拼音，每字节内占用7 b i

32、 t 信息，最高位补0,例如汉字”啊 的国际码，前一字节是0 1 1 0 0 0 0 0,后一字节是0 0 1 0 0 0 0 1,编码为3 0 21 H。汉字内部码是汉字在计算机内部存储、运算的信息代码，内部码的设计要求与西文信息处理有较好的兼容性，当一个汉字以某种汉字输入方案送入计算机后，管理模块立刻将它转换成两字节长的G B 23 1 2-8 0 国标码，如果给国标码的每字节最高位加 1”,作为汉字标识符，就成为种机器内部表示汉字的代码一汉字内部码。汉字内部码的特点十分明显：汉字内部码结构简短，一个汉字内部码只占两个字节，两字节足以表达数千个汉字和各种符号图形，且又节省计算机存储空间。便

33、于和西文字符兼容。西文字符的A S C I I 码占一个字节，两字节的汉字内码可以看成是它扩展的字符代码，在同一个计算机系统中，只要从最高位标识符就能区分这两种代码。标识符是 0 ,即是A S C I I 码；标识符是 1 ,则是汉字内部码。7.语音识别及语言表示原理语音产生机理的研究表明，每一种语言的语音都有自己特定的音素特征，语音是不同频率振动的结果。分析语音的音素特点，找出音素的基频和高次频率优分，就能在计算机中建立发音系统的模型，在实施中对语音采样，通过滤波器分解提取频率信息，由模/数转换设备转换成数字输入计算机，马机内的语言模型比较，由此达到识别语音的目的。与此相反，如果选择已知音素

34、的参数，应用语音系统模型，就能得到指定的音素，进一步按照一定的规则合成语言。【考点六】运算器1 .运算器的组成多功能算术/逻辑运算单元(A L U)：(1)基本思想关于一位全加器(F A)的逻辑表达式为：F i=A i+B i+C iC i+l=A i B i+B i C i+C i A i式中F i 是第i 位的和数，A i、B i 是第i 位的被加数和加数，C i 是第i 位的进位输入，C i+1 为第i 位的进位输出。一位算术/逻辑运算单元的逻辑表达式为：F i=X i+Y i+C n+iC n+i+l=X i i+Y i C n+i+C n+i X i上式中，进位下标用n+i 代替原来

35、一位全加器中的i,i 代表集成在一片电路上的A L U 的:进制位数，对于四位一片的A L U,i=0,1,2,3.n 代表若干片A L U 组成更长的运算器时每片电路的进位输入。(2)逻辑表达式A L U 的某一位逻辑表达式.四位之间采用先行进位方式。对一片A L U 来说，可有三个进位输出。其中G称为进位发生输出，P 称为进位传送输出。在电路中，多加这两个进位输出的目的是为了便于实现多片(组)A L U 之间的先行进位，为此，还需一个配合电路，它称为先行进位发生器(C L A)。内部总线：根据总线所处位置，总线分为内部总线和外部总线两类。内部总线是指C P U 内各部件的连线，而外部总线是

36、指系统总线，即C P U 与存储器、I/O 系统之间的连线。按总线的逻辑结构来说，总线可分为单向传送总线和双向传送总线。所谓单向总线，就是信息只能向一个方向传送。所谓双向总线，就是信息可以向两个方向传送。换句话说，总线既可以用来发送数据，也可以用来接收数据。总线的逻辑电路往往是三态的，即输出电平有三种状态：逻辑 1 、逻辑 0 和 浮空 状态。2 .运算器的基本结构运算器包括A L U、阵列乘除器件、寄存器、多路开关或三态缓冲器、数据总线等逻辑部件。现代计芽机的运算器大体有如下三种结构形式。单总线结构的运算器；双总线结构的运算器；三总线结构的运算器。【考点七】控制器1.控制器在C P U 中的

37、位置中央处理器(C P U)由两个主要部分一控制器及运算器组成。其中程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器等组成了控制器。它是对计算机发布命令的 决策机构”，协调和指挥整个计算机系统的操作，因此，它处于C P U 中极其重要的位置。在C P U 中，除算术逻辑单元(A L U)及累加器外，尚有下列逻辑部件：(1)缓冲寄存器(D R)缓冲寄存器用来暂时存放由内存储器读出的一条指令或一个数据字；反之，当向内存存入一条指令或一个数据字时，也暂时将它们存放在这里。缓冲寄存器的作用是：作为C P U 和内存、外部设备之间信息传送的中转站；补偿C P U 和内存、外部设备之间在操作速度

38、上的差别；在单累加器结构的运算器中，缓冲寄存器还可兼作为操作数寄存器。(2)指令寄存器(I R)指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令。指令划分为操作码和地址码字段，它们由二进制数字组成。为执行任何给定的指令，必须对操作码进行译码，以便指出所要求的操作。指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。操作码一经译码后，即可向操作控制器发出具体操作的特定信号。(3)程序计数器(P C)为了保证程序能够连续地执行下去，C P U 必须具有某些手段来确定下条指令的地址。而程序计数器(P C)正是起到这种作用，所以通常又称其为指令计数除。(4)地址寄存器(A R)地址寄存器用来保存当前C P U

39、所要访问的内存单元的地址。由于在内存和C P U 之间存在着操作速度上的差别，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到内存读/写操作完成为止。(5)累加寄存器(A C)累加寄存器A C 通常简称为累加器。它的功能是：当运算器的算术/逻辑单元(A L U)执行全部算术和逻辑运算时，为A L U提供一个工作区。例如，在执行一个加法前，先将个操作数暂时存放在A C 中，再从存放中取出另一个操作数，然后同A C 的内容相加，所得结果送回A C 中，而A C 中原有的内容随即被破坏。顾名思义，累加寄存器用来暂时存放A L U运算的结果信息。显然，运算器中至少要有一个累加寄存器。由于运算器的结构不同，可

40、采用多个累加寄存器。(6)状态寄存器(S R)状态寄存器保存由算术指令和逻辑指令运行或测试结果建立的各种状态码内容。(7)操作控制器操作控制器的功能，就是根据指令操作码和时序信号，产生各种操作控制信号，以便正确地建立数据通路，从而完成取指令和执行指令的控制。根据设计方法不同，操作控制器可分为组合逻辑型、存储逻辑型、组合逻辑与存储逻辑结合型三种。第一种称为常规控制器，它是采用组合逻辑技术来实现的；第二种称为微程序控制器，它是采用存储逻辑来实现的；第三种称为P L A 控制器，它是吸收前两种的设计思想来实现的。(8)时序产生器C P U 中除了操作控制器外，还必须有时序产生器，因为计算机高速地进行

41、工作，每一动作的时间是非常严格的，不能有任何差错。时序产生器的作用，就是对各种操作实施时间上的控制。2 .控制器的组成运算器包括A L U、累加器、数据缓冲寄存器和状态寄存器，而控制器的核心是操作控制器，围绕它的有程序计数器(P C)、指令寄存器(I R)、指令译码器(I D)和时序产生器。【考点八】存储器1.存储器的基本组成及其读写操作(D 存储器的基本组成部分主存储器由存储体、地址译码电路、驱动电路、读写电路和控制电路等组成。主存储器主要功能是：存储体：是信息存储的集合体，由某种存储介质按一定结构组成的存储单元的集合。通常是二维阵列组织，是可供C P U 和计算机其他部件访问的地址空间。地

42、址寄存器、译码电路与驱动器：即寻址系统，将C P U 确定的地址先送至地址寄存器中，然后根据译码电路找到应访问的存储单元。在存储与译码器之间的驱动器的功能是减轻译码线驱动负载能力。由于一条译码线需要与它控制的所有存储单元相联，其负载很大。需要增加驱动器，以译码线连接驱动器的输入端，由驱动器的输出端控制连接在译码线上的所有存储单元。读写电路与数据寄存器：根据CPU的命令，将数据从数据寄存器中写入存储体中特定的存储单元或将存储体中指定单元的内容读到数据寄存器中。控制电路：接收CPU传来的控制命令，经过控制电路系列的处理，产生一组时序信号控制存储器的操作。在存储器的组成中，存储体是核心，其余部分是存

43、储的外围线路。不同的存储器都是由这几部分组成，只是在选用不同的存储介质和不同的存取方式时，各部分的结构与工作方式略有变化。(2)存储体阵列计算机存储器中存储的是0和1 的信息，每一个能存取一位二进制并能保持两种状态的元件称为记忆元件。若干记忆元件组成存储单元，一个存储单元能够存取一个或几个字节的二进制信息。每个存储单元都有一个地址编号，用以唯一标识存储单元的位置。信息按地址存入指定的存储单元中，按地址从指定的存储单元中取出。存储单元的集合称为存储体。由于存储体中存储单元的每个二进制位必须并行工作，因此将存储单元按其地址的顺序组成存储阵列。(3)存储器的地址译码系统CPU要访问存储单元的地址由地

44、址总线输入到地址寄存器中。地址译码器将地址转换为对应地址线(字线)上的控制信号，以表示选中某一单元，并驱动相应的读写电路，完成对存储单元的读写操作。地址译码为两种方式：一种是单译码方式，仅有一个译码器。译码器输出的每条译码线对应一个存储单元。如地址位数N=10,即译码器可以有210=1024种状态，对应有1024条译码线(字线)即1024个存储单元。另外一种是双译码方式，将译码器分成X向和Y向两个译码器，通过双洋码器的相互作用确定存储单元的地址。设地址长度n仍为1 0,将其中的前5位输入到X地址译码器中，译出X0到X31译码线，分别选择031行。将后5位输入至UY地址译码器中译出Y0到Y31译

45、码线，分别选择031列。X向译码器和Y向译码器引出的地址线都是25=32条。若采用X向和Y向交又选择，可以选择从存储单元(0,0)至(31,31)共25X25=1024个存储单元地址。即同样可以提供1024种状态，而地址线只需要64条，比单译码器节省93.75%的地址线。(4)存储器的读写操作在CPL向存储体发生读操作命令时，首先由CPU将相应存储单元的地址码送至地址寄存器中；地址译码器将地址寄存器中的地址编码译成相应地址线(字线)的高电位，标志指定的存储单元；然后在CPU的统一控制下，由控制电路将读命令转换成读写电路的操作，执行将指定存储单元的内容传送到数据寄存器的操作，完成了整个存储器读的

46、操作。存储器写的操作与读的操作相类似。不同类型的存储器根据其特点有不同的读写操作控制电路、控制机构、读写电路及地址译码器，但它们的基本操作原理大同小异。2.RAM的结构、组织及其应用半导体存储器有体积小、存取速度快、生产制造易于自动化等特点，其性能价格比远远高于磁芯存储器，因而得到广泛的应用。半导体存储器的种类很多，就其制造工艺可以分成双极型半导体存储器和金属一氧化物-半导体存储器(简称MOS型存储器)。M0S型存储器按其工作状态乂可以分为静态和动态两种。动态存储器必须增设恢复信息的电路，外部线路复杂。但其内部线路简单，集成度高，价格较静态存储器便宜。因此经常用做大容量的RAM。静态存储器和动

47、态存储器的主要差别在于：静态存储器存储的信息不会自动消失，而动态存储器存储的信息需要在再生过程的帮助下才能保持。但无论双极型或MOS型存储器，其保持的信息将随电源的撤消而消失。(1)RAM的组织半导体RAM芯片是在半导体技术和集成电路工艺支持下的产物。一般计算机中使用的RAM芯片均是有自己的存储体阵列、译码电路、读写控制电路和I/O电路。RAM的并联为扩展存储器的字长，可以采用并联存储器芯片的方式实现。RAM的串联为扩展存储器的存储单元数量，可以采用多个芯片地址串联的方式解决。地址复用的RAM组织随着大规模集成电路技术的发展，使得一块存储器芯片能够容纳更多的内容。其所需地址线随之增加，为了保持

48、芯片的外部封装不变，一般采用地址复用的技术，采用地址分批送入的结构保证不增加芯片的地址引脚。(2)RAM的实际应用由于一个存储器的芯片一般不能满足使用的要求，所以通常将若干个存储器芯片按串联和并联的两种方式相结合连接，组成一定容量和位数的存储器。如果设计的存储器容量有x字，字长为y,而采用的芯片为NXM位。要组成满足字长要求的存储器所需芯片数为：y/M。根据容量要求，组成要求容量的RAM所需芯片数为：(x/N)X(y/M)。3.ROM的工作原理及其应用使用时只读出不写入的存储器称为只读存储器(ROM)。ROM中的信息一旦写入就不能进行修改，其信息断电之后也仍然保留。一般用于存放微程序、固定子程

49、序、字母符号阵列等信息ROM和RAM相比，使用时不需写入、再生和刷新等操作，所以其电路比较简单，但同样有地址译码器、数据读出电路等。制作ROM的半导体材料有二极管、MOS电路和双极型晶体管等。因制造工艺和功能不同，一般分为普通ROM、可编程ROM(PROM)、可擦写可编程ROM(EPROM)和电可擦写可编程ROM(EEPROM)等。ROM的工作原理一般的ROM使用掩模ROM。这类ROM由生产厂家做成，用户不能加以修改。掩模ROM的特点是其存储内容出厂时由生产厂家一次制成，用户不能对其内容进行修改，而依赖于生产厂家，这种RAM适用于定型批量制作。在实际使用过程中，部分用户希望自己根据需要填写RO

50、M的内容，因此产生可编程ROM(PROM)。PROM与掩模ROM的主要区别是PROM在出厂时其内容均为0或1，用户在使用前按照自己的需要利用工具将编码写入PROM中，一次写入不可修改。PROM的使用相当于由用户RAM生产中的最后一道工序一向RAM中写入编码，其余同掩模RAM的使用完全相同。(2)EPROM和EEPROM的工作原理为了适应程序调试的要求，针对般PROM的不可修改特性，设计出可以多次擦写的可编程ROM(EPROM)。其特点是可以根据用户的要求用工具擦去RAM中原有的存储内容，重新写入新的编码。擦除和写入可以根据用户的要求用工具擦去RAM中原有的存储内容，重新写入新的编码。擦除和写入