第一章微型計算機(jī)概論

1.1微型計算機(jī)的發(fā)展概況

1.1.1微型計算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用概述

自1946年世界上第一臺電子計算機(jī)在美國問世以來，計算機(jī)科學(xué)和技術(shù)獲得了高速發(fā)

展。電子計算機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展是20世紀(jì)最重要的科技成果之■?到今天為止，電子計算機(jī)

的發(fā)展己經(jīng)歷了由第一代電子管計算機(jī)、第二代晶體管計算機(jī)、第三代集成電路計算機(jī)到第

四代大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路計算機(jī)的四代發(fā)展過程。未來的計算機(jī)將是半導(dǎo)體

技術(shù)、光學(xué)技術(shù)和電子仿生技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。由于超導(dǎo)器件、集成光學(xué)器件、電子仿生器

件和納米技術(shù)的迅速發(fā)展，將出現(xiàn)超導(dǎo)計算機(jī)、光學(xué)計算機(jī)、納米計算機(jī)、神經(jīng)計算機(jī)和人

工智能計算機(jī)等。新一代計算機(jī)將著眼于機(jī)器的智能化，使之具有邏輯推理、分析、判斷和

決策的功能。目前，已經(jīng)有了第五代“非馮?諾伊曼''計算機(jī)和第六代“神經(jīng)”計算機(jī)的研制計劃。

計算機(jī)按其性能、價格和體積可分為巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)和微型機(jī)。微型

機(jī)誕生于20世紀(jì)70年代，一方面是由于當(dāng)時軍事、工業(yè)自動化技術(shù)的發(fā)展，需要體積小、

功耗低、可靠性好的微型計算機(jī)；另一方面，由于大規(guī)模(LSI)和超大規(guī)模集成電路(VLSI)

的迅速發(fā)展，可以在單片硅片上集成幾千到幾卜萬個晶體管，為微型機(jī)的產(chǎn)生打下了堅實的

物質(zhì)基礎(chǔ)，引發(fā)了新的技術(shù)革命。微型計算機(jī)一經(jīng)問世，就以不可阻擋的勢頭迅猛發(fā)展，成

為當(dāng)今計算機(jī)發(fā)展的一個主流方向。當(dāng)前，微型計算機(jī)的應(yīng)用已日益普及，深入到社會生活

的各個領(lǐng)域，改變了人們傳統(tǒng)的工作、學(xué)習(xí)和生活方式，成為信息時代的主要標(biāo)志。

微型計算機(jī)的特點是：1.集成度高，體積小，重量輕，價格低廉；2.部件標(biāo)準(zhǔn)化，易

于組裝及維修；3.高可靠性及適應(yīng)性。

在計算機(jī)技術(shù)中，一般把計算機(jī)的核心部件——運算器和控制器——稱為中央處理單

元，簡稱CPU(CentralProcessingUnit)。微處理器是利用大規(guī)模集成電路技術(shù)，把計算機(jī)中

的運算器和控制器集成在一塊硅片上的集成電路(包括多個內(nèi)部寄存器)，通常稱為微處理器

MPU(MicroProcessorUnit)或MP(MicroProcessor)(>它是微型機(jī)的核心。

微型計算機(jī)簡稱為HC或MC(MicroComputer),它是由微處理器(CPU)、存儲器、輸入

輸出接口電路，通過總線(BUS)結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來的。若配有相應(yīng)的外圍設(shè)備(如顯示器、鍵盤、

打印機(jī)等)和系統(tǒng)軟件，就組成了微型計算機(jī)系統(tǒng)(MicroComputerSystem)。在工業(yè)控制、小

型儀器儀表的檢測中，可使用微型計算機(jī)、單板或單片計算機(jī)。而在數(shù)據(jù)處理中則必須使用

較完備的微型計算機(jī)系統(tǒng)。

1.1.2微型計算機(jī)發(fā)展概況

微型計算機(jī)是計算機(jī)的一個重要分支。1971年，世界上第一個微處理器芯片4004誕生

于美國，該芯片字長4位，集成了約2300個晶體管，每秒可進(jìn)行6萬次運算，成本約為200

美元。以它為核心組成的MCS-4計算機(jī)是世界上第一臺微型計算機(jī)。從那時起，短短30

年的時間，微型計算機(jī)的發(fā)展已經(jīng)歷了四代。人們一般以字長和典型的微處理器芯片作為微

型計算機(jī)各發(fā)展階段的標(biāo)志。

近30年來，微處理器和微型計算機(jī)獲得了極快的發(fā)展，幾乎每2年微處理器的集成度

便翻一翻，2-4年更新?lián)Q代一次，現(xiàn)已進(jìn)入第五代。

第一代微型計算機(jī)(1971-1973)——4位和低檔8位微處理器。1971年由Intel公司首先

研制成功4位4004微處理器，1972年Intel公司推出低檔8位的8008微處理器。其工藝為

PMOS,主頻為1MHz,集成度為2000個晶體管/片。軟件主要使用機(jī)器語言及簡單的匯編

語言。

第二代微型計算機(jī)(1974。1977年)——中高檔8位微處理器。1974年以后中檔微處理

器陸續(xù)誕生，有以Intel公司、Motorola公司、Zilog,公司產(chǎn)品為代表的三大系列微處理器。

1976年又推出高檔8位微處理器，典型產(chǎn)品為Intel8080、Intel8085、MC6800、Z80,其工

藝為NMOS,主頻為2-4MHz,集成度為9000個晶體管/片，運算速度大大提高。軟件除

匯編語言外，也可使用高級語言，如BASIC、FORTRAN、PASCAL以及PL/M等。當(dāng)時出

現(xiàn)了具有磁盤操作系統(tǒng)的微型計算機(jī)，如以MC6502為CPU的蘋果機(jī)。

第三代微型計算機(jī)(1978—1984年)一16位微處理器。由于超大規(guī)模集成電路工藝的

成熟，一塊硅片上可以容納幾萬個晶體管。16Kb(bit)和64Kb半導(dǎo)體存儲器也已推出，三大

公司推出具有代表性的16位微處理器芯片，如Intel8086/8088、Zilog的Z8000以及Motorola

的M68000。這些微處理器的時鐘頻率為4—8MHz,基本指令執(zhí)行時間約為0.15即，字長

為16位。其工藝為HMOS,Intel8086CPU的集成度達(dá)到29000個晶體管，Z8000為17500

個晶體管MC68000為68000個晶體管。軟件也迅猛發(fā)展，具有豐富的指令系統(tǒng)，多級中斷

系統(tǒng)，還有功能較強(qiáng)的系統(tǒng)軟件。為了和原8位機(jī)相銜接，方便8位機(jī)用戶，Intel公司又

推出了8088CPU,其指令系統(tǒng)完全與8086,兼容，內(nèi)部仍然為16位的功能結(jié)構(gòu)，而外部數(shù)

據(jù)總線是8位。IBM公司以8088CPU組成了微型機(jī)系統(tǒng)IBMPC和IBMPC/XT,其中

XT(ExpandedTechnology)的意思為擴(kuò)展。它擴(kuò)充了前者的內(nèi)存，并增加了一個硬磁盤驅(qū)動器，

在其他方面二者并沒有什么區(qū)別。IBM公司采用新的策略——公布了該計算機(jī)的全部資料，

使許多廠商為其研制配套的外設(shè)產(chǎn)品。由于其性能價格比好，迅速占領(lǐng)了國際市場。進(jìn)一步，

Intel公司又推出性能優(yōu)良的80286CPU和協(xié)處理器80287,其集成度：達(dá)到13.4萬晶體管/

片。以此為基礎(chǔ)，IBM公司推出了IBM：PC/AT計算機(jī)，其中AT(AdvancedTechnology)的

意思為增強(qiáng)。它進(jìn)一步提高了PC機(jī)的總體性能。從此，微型機(jī)的應(yīng)用逐漸普及開來，真正

進(jìn)入了個人計算機(jī)的忖代。

第四代微型計算機(jī)(1985?1993年)一32位高檔微處理器。Intel公司首先推出了32位

微處理器芯片80386,它具有二種結(jié)構(gòu),即80386SX和80386DX。80386SX內(nèi)部結(jié)構(gòu)為32

位，外部數(shù)據(jù)總線為16位，采用80287作為協(xié)處理器。80386DX內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部數(shù)據(jù)總線

皆為32位，采用80387作為協(xié)處理器。其集成度達(dá)到27.5萬晶體管/片，每秒鐘可完成5

百萬個指令(MIPS)。從這時起，微型計算機(jī)步人第四個發(fā)展階段。1990年，Intel公司又研

制出新一代32位微處理器芯片80486,它將80386、80387及高速緩沖存儲器集成在?塊芯

片上，時鐘頻率為16-40MHZ,其集成度達(dá)到120萬晶體管/片-。

第五代微型計算機(jī)(1993年至今)一64位高檔微處理器。1993年，Intel公司研制出新

一代64位高檔微處理器芯片奔騰(Pentium),其外部數(shù)據(jù)總線為64位，主頻為66MHz、

133MHz、200MHz,內(nèi)部集成度達(dá)300萬晶體管/片，速度達(dá)到90MlpS。以它為CPU的微

型機(jī)稱為586機(jī)或奔騰計算機(jī)。IBM、APPLE,Motorola幾個公司合作生產(chǎn)的PowerPC芯

片又是一種性能優(yōu)異的64位微處理器芯片，以它為CPU的微型機(jī)叫Macintoshs1995年發(fā)

布高能奔騰(PentiumPro)芯片，集成度達(dá)到550萬晶體管/片，內(nèi)部還裝進(jìn)了256KB/512KB

的高速緩存(Cache)電路,運行速度達(dá)到300MIPS；1996年Intel將MMX(MultiMediaextension)

多媒體擴(kuò)展技術(shù)用于Pentium,發(fā)布多功能奔騰芯片(MMXPentium)；1997年又將MMX多

媒體技術(shù)用于PentiumPro,推出Pentiumll芯片。在后來的改進(jìn)中，AMD公司又相繼推出

了性能更加優(yōu)越的AMD—K6—2和AMD—K6—3,Intel公司很快推出Pentium川處理器。

主頻為450-600MHz以上，并在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生了多媒體計算機(jī)。PentiumHI(奔騰HI,Pill)

處理器，增加了音頻，視頻和3D處理能力。1999年10月誕生的新一代

PentiumlHComppemine,主頻可達(dá)733MHz(>Intel公司的PentiumII/III采用雙獨立總線架構(gòu)，

一條總線聯(lián)結(jié)12Cache,另一條主要負(fù)責(zé)內(nèi)存，這使處理器在平行的兩條總線上能同時處理

數(shù)據(jù)。這類微處理器為現(xiàn)代的高速信息處理(典型如DVD技術(shù))提供了可能。

1999年9月，AMD公司率先推出了功能更加強(qiáng)大的X86新型微處理器Athlon,通過

采用先進(jìn)的EV6總線接口，使安裝Athlon的微型計算機(jī)的系統(tǒng)總線可以工作在200MHz甚

至400MHz的頻率上，從而使系統(tǒng)總線的數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到3.2Gb/s。同時，對其浮點處理部

件FPU進(jìn)行了全新設(shè)計，具有3條可以支持更高時鐘頻率的超標(biāo)量流水線，浮點運算部件

能夠更快地處理復(fù)雜的浮點指令及提高浮點指令的整體傳輸量。2000年3月，AMD與Intel

兩家公司都分別推出了時鐘頻率達(dá)1GHz的Athlon和PentiumHI高性能微處理器。

2000年6月Intel公司推出了最新的微處理器PentiumlV（簡稱PIV或P4）,并產(chǎn)生了以

P4為CPU的微型計算機(jī)。PIV系統(tǒng)的工作頻率為1.3—2.8GHz,工作電壓為1.565-1.700Vo

目前以微處理器P1V為CPU的微型計算機(jī)已經(jīng)成為電腦市場的主流產(chǎn)品。PIV的主頻已經(jīng)

高達(dá)3.2GHz。PC生產(chǎn)商在2002年底已推出以3GHzP4為核心的計算機(jī)。

到目前為止，上市的3GHz4CPU是市場上性能最強(qiáng)的臺式機(jī)CPU了。它不但擁有更

高的時鐘頻率，并且支持Intel的超線程技術(shù)，這將使一個芯片的性能幾乎相當(dāng)于兩個。

在推出PIV的同時，Intel已經(jīng)為市場準(zhǔn)備了64位的新一代微處理器。與以往的64位

RISC架構(gòu)的CPU不同，Intel代號為"Mercer的Itanium（安騰）引入了許多新概念和新技術(shù)，

其目標(biāo)是帶領(lǐng)CPU市場跨人新型64位時代。

Intel公司生產(chǎn)的不同時期的X86結(jié)構(gòu)微處理器系列的比較可參見表1-k

表1-1X86系列微處理器比較

微處理器首批性能CPU最集成度寄存外部數(shù)最大尋內(nèi)含（或捆

生產(chǎn)(MIPS)高主頻（百萬）器寬據(jù)總線址空間綁）高速

時間①（MHz）②度寬度緩存大小

808619780.880.02916161MB無

8028619822.712.50.134161616MB無

80386DX19856.0200.27532324GB無

80486DX198920251.232324GB8KBL1

Pentium19931002003.132644GB16KB

L1

PentiumPro19954402665.5326464GB16KBL1、

(P6)256KB或

512KBL2

PentiumII19974664507.5326464GB32KBL1、

256KB或

512KB12

PentiumHI1999100090028.232③6464GB32KBL1、

256KB或

512KBL2

Pentium2000320028004232③6464GB32KBL1、

(PIV)256KB或

512KBL

①MIPS（MillionsoflnstruetionsperSecond）,每秒執(zhí)行的指令數(shù)，單位為百萬條。

②芯片中所集成的晶體管數(shù)，單位為百萬個。

③用作通用目的寄存器時為32位,用于SIMD（單指令流、多數(shù)據(jù)流）處理時為128位。

@L1為一級高速緩存器，L2為二級高速緩存器。

微機(jī)在體系結(jié)構(gòu)上采用開放式的總線結(jié)構(gòu)，以便于系統(tǒng)的擴(kuò)展?？偩€的主要職能是負(fù)

責(zé)計算機(jī)各模塊之間以及計算機(jī)與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸。山于微機(jī)的字長成倍增加，速度不

斷提高，外設(shè)的類型和品種越來越多；在數(shù)據(jù)形式和傳輸速率等方面差別很大。特別是多媒

體技術(shù)的興起，需要很高的數(shù)據(jù)傳輸速率。所有這些都對總線提出了更高的要求。為滿足這

些要求，在傳統(tǒng)的低端總線的基礎(chǔ)上，發(fā)展了現(xiàn)代的高端總線，如EISA總線、，MCA總線、

PCI總線、VL總線等等。這些總線在寬度上達(dá)到32位，有的還可升級到64位。由于采用

了總線主控技術(shù)，有突發(fā)傳輸功能，數(shù)據(jù)傳輸速率也大大提高。而且在一個微機(jī)系統(tǒng)中允許

多條總線同時存在，從而構(gòu)成多總線系統(tǒng)，不僅使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力大大提高，而且使系

統(tǒng)的構(gòu)成更加靈活方便。

奔騰4處理器和微軟XP操作系統(tǒng)，正把電腦帶進(jìn)一個全新的時代，豐富的多媒體和互

聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，層出不窮的數(shù)碼產(chǎn)品。人們買電腦不再只為了寫文件，做圖表，而是用它來指揮

所有家電，上網(wǎng)沖浪，遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)，編輯個性電影，甚至開視頻會議。

在硬件系統(tǒng)取得迅猛發(fā)展的同時，軟件系統(tǒng)的發(fā)展同樣十分迅速。以操作系統(tǒng)為例，

PC機(jī)上最早使用的是DOS操作系統(tǒng)。隨著PC機(jī)的升級，DOS操作系統(tǒng)的版本已由最初的

DOS1.0版本升級到目前的DOS7.0版本。此外，目前廣泛使用的是MS—Windows（如

Windows95、WindoWs98SE、Windows2000、WindowsNT,WindowsXP等）、Unix、XENIX.

OS/2等操作系統(tǒng)。這些操作系統(tǒng)均有相應(yīng)的中文平臺，如SPDOS、UCDOS、中文

Windows98SE、UnixSVR4.2/CE,OS/2P2—1等。MS—DOS問世十多年來，雖已有很大改

進(jìn)，但仍然是一種采用命令行接口的單任務(wù)、單用戶操作系統(tǒng)。MS—Windows窗口系統(tǒng)為

用戶在DOS操作，系統(tǒng)下提供了一個具有圖形功能的用戶界面操作環(huán)境，得到廣泛應(yīng)用。

WindowsNT不需要MS-DOS就可以運行在采用Intel80X86系列CPU的微機(jī)上，也可以

運行在非Intel80X86系列微機(jī)上（這一特性稱為可移植性）。它支持計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，使各計算機(jī)

可以互相通信和共享資源（文件、打印機(jī)等），可以訪問多至4GB的內(nèi)存，并為應(yīng)用程序管

理內(nèi)存。因此WindowsNT受到廣泛的關(guān)注。

隨著多媒體計算機(jī)的興起，對操作系統(tǒng)的實時功能、交互功能等提出了更高的要求。

為了支持音頻和視頻圖像等多媒體特征，則需要增加新的數(shù)據(jù)類型，并且希望有更好的可移

植性、多任務(wù)和軟件開發(fā)工具。盡管如此，本書仍以MS-DOS為操作系統(tǒng)，介紹80X86

系列微機(jī)的原理及接口技術(shù)，這是考慮到目前為MS-DOS編寫的應(yīng)用程序比其他任何別的

操作系統(tǒng)的都要多，且在WindowsNT以下的操作系統(tǒng)中，一般均可運行。對于一些特殊程

序（如繞過操作系統(tǒng)直接指揮硬件的程序），為使用的方便，在MS—DOS向Windows的過渡

階段，可以在計算機(jī)中采用不同的Config.sys和Autoexec,bat文件保留兩種不同的操作系

統(tǒng)版本（如WindowsNT和MS—DOS）。除了操作系統(tǒng)以外，計算機(jī)還必須有語言、編譯等

系統(tǒng)軟件以及窗口系統(tǒng)、文字處理、圖形處理、圖像處理和網(wǎng)絡(luò)、工具等軟件系統(tǒng)的支持。

在微機(jī)家族中，單片機(jī)的發(fā)展同樣十分迅速。單片機(jī)是把CPU、一定容量的存儲器和

必要的I/O接口電路集成在一塊芯片上構(gòu)成的具有計算機(jī)的完整功能的一種微機(jī)。單片機(jī)

的字長已由4位、8位發(fā)展到目前的32位，片內(nèi)存儲器的RAM容量已增加到數(shù)KB,片內(nèi)

存儲器ROM容量已達(dá)到32KB（FlashROM）。有的單片機(jī)還包含有高精度的A/D和D/A轉(zhuǎn)

換器，有的還配有現(xiàn)場總線接口，如：CAN總線、BUS總線等，可連接成局域網(wǎng)。單片機(jī)

在工業(yè)控制和智能儀器儀表中得到了廣泛的應(yīng)用。

30年來，Intel的微處理器有了極大的發(fā)展，從8086到80286、80386、80486、奔騰（也

稱為80586）、奔騰MMX、奔騰PRO（也稱為80686）、奔騰II、奔騰川，直至最新的奔騰IV,

形成了lAQntelArchitecture）—32結(jié)構(gòu)。目前IA―64結(jié)構(gòu)正在推出，微處理器正在向64位

發(fā)展。

今后，計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展將表現(xiàn)為高性能化、網(wǎng)絡(luò)化、大眾化、智能化與人性化、功

能綜合化，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將呈現(xiàn)出全連接的、開放的、傳輸多媒體信息的特點。未來計算機(jī)的

發(fā)展趨勢是，微處理器速度將繼續(xù)提升，Intel公司稱已開發(fā)出只有20nm的最小的晶體管，

在未來幾年內(nèi)將制造出每個芯片上有10億個晶體管的微處理器,保證在2007年之前制造出

每秒200億次、20億只晶體管的微處理器。個人電腦將具有原來的高性能服務(wù)器所具有的

處理能力；高性能計算機(jī)采用分布式共享存儲結(jié)構(gòu)；計算機(jī)將采用更先進(jìn)的數(shù)據(jù)存儲技術(shù)（如

光學(xué)、永久性半導(dǎo)體、磁性存儲等）；外設(shè)將走向高性能、網(wǎng)絡(luò)化和集成化并且更易于攜帶;

輸出輸入技術(shù)將更加智能化、人性化。隨著筆輸入、語音識別、生物測定、光學(xué)識別等技術(shù)

的不斷發(fā)展和完善，人與計算機(jī)的交流將更加便捷。

軟件技術(shù)的發(fā)展將呈現(xiàn)平臺網(wǎng)絡(luò)化、技術(shù)對象化、系統(tǒng)構(gòu)件化、產(chǎn)品領(lǐng)域化、開發(fā)過

程化、生產(chǎn)規(guī)?；⒏偁巼H化的趨勢。高端計算機(jī)軟件、操作系統(tǒng)微內(nèi)核與源碼技術(shù)、軟

件可靠性和安全性、軟件開發(fā)和集成工具面向人們個性化需求的應(yīng)用軟件，在相當(dāng)時期內(nèi)仍

將是軟件領(lǐng)域的主要研究內(nèi)容;軟件技術(shù)正以計算機(jī)為中心向以多媒體信息服務(wù)為對象的方

向發(fā)展，軟件開發(fā)與芯片設(shè)計相互融合和滲透，將人機(jī)充分自然地結(jié)合起來。網(wǎng)絡(luò)軟件正在

成為研究投資的熱點。軟件業(yè)的市場發(fā)展空間將超過硬件業(yè)的市場規(guī)模。據(jù)預(yù)測，到2005

年，全球計算機(jī)產(chǎn)品的市場規(guī)模將超過4000億美元，軟件在3,500億美元以上，2010年將

分別達(dá)到5,100億美元與6,000億美元左右。

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展是計算機(jī)應(yīng)用的又一里程碑，它使全球信息化成為可能。近年來

Inteernet國際互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，使得社會生活的各個方面都發(fā)生了深刻的變化。例如，人們通

過網(wǎng)絡(luò)收發(fā)電子郵件（E—mail）,通過網(wǎng)絡(luò)購物（電子商務(wù)），通過網(wǎng)絡(luò)打電話（1P電話），通過

萬維網(wǎng)（WWW）瀏覽政府、企業(yè)、報刊的各種信息，通過網(wǎng)絡(luò)聽音樂、學(xué)習(xí)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等。

這是真正地進(jìn)入了數(shù)字化、信息化的時代。網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和應(yīng)用前景鼓舞著人們更加努力地學(xué)

習(xí)計算機(jī)知識，提高應(yīng)用計算機(jī)的能力和水平。

盡管微機(jī)發(fā)展很快，但是在其發(fā)展過程中具有技術(shù)上的連續(xù)性和兼容性。就Intel86系

列處理器來說，新的一代產(chǎn)品都是在老?代產(chǎn)品基礎(chǔ)上的發(fā)展，并且新一代產(chǎn)品對老一代產(chǎn)

品向下兼容。另外，在微機(jī)的發(fā)展過程中，與通用機(jī)不同的是，微機(jī)是四代產(chǎn)品共存，而不

是一代淘汰-代。微機(jī)的各代產(chǎn)品，以及單片機(jī)和位片機(jī)，各自都有適用的領(lǐng)域。對工業(yè)控

制來說，目前的16位機(jī)已能基本滿足使用要求。在微機(jī)的體系結(jié)構(gòu)上，都采用了系統(tǒng)總線

結(jié)構(gòu)。基于以上因素，并考慮到便于教學(xué)和組織實驗，本書仍選擇16位機(jī)作為主要機(jī)型。

1.2計算機(jī)及微型計算機(jī)的組成

1.2.1微型計算機(jī)系統(tǒng)的組成

任何-?個計算機(jī)系統(tǒng)都是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成的。硬件系統(tǒng)包括五個基

本組成部分：運算器、存儲器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備，如圖1-1所示。軟件系統(tǒng)包

括計算機(jī)運行所需要的系統(tǒng)軟件和為用戶解決各種實際問題而編制的應(yīng)用軟件。

圖1”計算機(jī)的基本組成

1.2.2微型計算機(jī)的硬件系統(tǒng)

微型機(jī)的硬件系統(tǒng)組成如圖1-2所示。

輸入、輸入

寸

設(shè)備接口

圖1-2微機(jī)硬件系統(tǒng)的組成

一、微處理器MPU(MicroprocessorUnit)

微處理器簡稱為MPU(或者稱為MP、pP)。微處理器是利用微電子技術(shù)將計算機(jī)的核心

部件運算器和控制器集中做在一塊集成電路上的一個獨立芯片。它具有解釋指令、執(zhí)行指令

和與外界交換數(shù)據(jù)的能力。在計算機(jī)中，運算器和控制器合起來稱為中央處理單元，簡稱

CPU(CentralProcessingUnit)?

微處理器是構(gòu)成微型計算機(jī)的核心部件，不同型號的微型計算機(jī)，其性能指標(biāo)的差異首

先在于其CPU性能的不同，而CPU性能又與它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。每種CPU有其特有的指

令系統(tǒng)。在目前情況下，無論哪種CPU,其內(nèi)部基本組成總是大同小異的。其內(nèi)部包括三

部分，如圖1-2所示。

第一部分為運算器，運算器是對信息進(jìn)行加工、處理及運算的邏輯部件，它是以加法器

為基礎(chǔ)，輔之以移位寄存器及相應(yīng)控制邏輯組合而成的電路,在控制信號的作用下可完成加、

減、乘、除四則運算和各種邏輯運算，包括與運算、或運算、非運算以及異或運算等。故運

算器又稱為算術(shù)邏輯運算單元ALU(ArithmaticandLogicUnit)。新型CPU的運算器還可完

成各種高精度的浮點運算。

第二部分為控制器(ControlUnit),包括指令寄存器、指令譯碼器和定時控制電路?？刂?/p>

器是計算機(jī)控制和調(diào)度的中心；計算機(jī)的各種操作都是在控制器的控制下進(jìn)行的。控制器的

指揮是通過程序進(jìn)行的，程序放在存儲器中，它依次從存儲器中取出指令，控制器根據(jù)指令

的要求，對CPU內(nèi)部和外部發(fā)出相應(yīng)的控制信息，使微機(jī)各部件協(xié)調(diào)地工作，從而完成對

整個計算機(jī)系統(tǒng)的控制及數(shù)據(jù)運算處理等工作?？刂破魇钦麄€CPU的指揮控制中心。

第三部分為內(nèi)部寄存器陣列，它由多個功能不同的寄存器構(gòu)成，用以存放參加處理和運

算的操作數(shù)；存放數(shù)據(jù)處理的中間結(jié)果和最終結(jié)果等。寄存器可分為專用寄存器和通用寄存

器。專用寄存器的作用是固定的，例如8086CPU的堆棧指針寄存器、標(biāo)志寄存器、指令指

針寄存器等。而通用寄存器則可山編程者依據(jù)需要規(guī)定其用途。有了這些寄存器，多次使用

的操作數(shù)或者中間結(jié)果，可將它們暫時存放在寄存器中，避免對存儲器的頻繁訪問，從而縮

短指令執(zhí)行時間，同時也給編程帶來很大的方便。

二、存儲器(Memory)

存儲器是微型機(jī)的存儲和記憶裝置，用來存儲數(shù)據(jù)、程序、中間結(jié)果和最終結(jié)果等數(shù)字

信息。

(1)內(nèi)部存儲器和外部存儲器

存儲器按其在計算機(jī)中的位置可分為內(nèi)部存儲器和外部存儲器兩大類。

內(nèi)部存儲器通常采用半導(dǎo)體存儲器，與CPU-?起放在系統(tǒng)的主板上，又稱為主存儲器,

簡稱為內(nèi)存或主存。按工作方式存儲器可分為兩大類，即隨機(jī)存儲器RAM(RandomAccess

Memory)和只讀存儲器ROM(ReadOnlyMemory),內(nèi)存的速度快，但其存儲容量比外部存儲

器要小。RAM是可以被CPU隨機(jī)地進(jìn)行讀寫的存儲器，這種存儲器用于存放用戶裝入的程

序、數(shù)據(jù)及系統(tǒng)信息。當(dāng)機(jī)器斷電后，所存信息消失。ROM中的信息只能被CPU讀出，而

不能用一般方法將信息寫入存儲器，機(jī)器斷電后，信息仍保留。這種存儲器用于存放固定的

程序，如BIOS程序，一些解釋程序及用戶編寫的專用程序等。

外部存儲器設(shè)置在計算機(jī)主機(jī)的外部，簡稱外存，又稱為輔助存儲器(簡稱輔存)，用來

存放當(dāng)前暫時不用的程序和數(shù)據(jù)。外存存儲的信息量大，但速度比內(nèi)存要慢，例如軟盤、硬

盤和光盤等。外存的程序必須調(diào)入內(nèi)存，CPU才能執(zhí)行。

(2)內(nèi)存單元的地址和內(nèi)容

圖1-3內(nèi)存單元地址和內(nèi)容

計算機(jī)的內(nèi)存用來存放數(shù)據(jù)和程序。內(nèi)部存儲器是由一個一個的基本存儲電路構(gòu)成的，

每一個基本存儲電路存放1位的二進(jìn)制信息，當(dāng)一組二進(jìn)制數(shù)作為整體同時從存儲器取出

(稱為讀)或存入(稱為寫)時，這一組二進(jìn)制數(shù)稱為一個存儲字。為了便于對存儲器進(jìn)行讀和

寫操作，把存儲器劃分成一個一個的單元，內(nèi)存由許多單元組成，每個單元存放一組二進(jìn)制

數(shù)，這樣一個單元稱為一個存儲單元。微機(jī)中規(guī)定每個內(nèi)存單元可存放8位二進(jìn)制數(shù)，即一

個字節(jié)(Byte)的二進(jìn)制信息。一個存儲單元中存放的信息稱為該存儲單元的內(nèi)容。數(shù)據(jù)和程

序均以二進(jìn)制數(shù)形式存放，不論是8位機(jī)還是16位機(jī)，都是以8位二進(jìn)制數(shù)作為1個字節(jié)

存放在內(nèi)存單元中。

內(nèi)存容量就是它所能包含的內(nèi)存單元的數(shù)量，也就是存儲器存儲信息量的大小。存儲容

量用字節(jié)為單位來衡量。

lKB=2'°B=1024Byte

lMB=1024KB=220Byte稱為1兆字節(jié)。

lGB=1024MB=230Byte稱為1吉字節(jié)。

lTB=1024GB=240Byte稱為1特字節(jié)。

為了區(qū)分不同的存儲單元，按一定的規(guī)律和順序?qū)γ總€內(nèi)存單元進(jìn)行排列編號，這個

編號稱為存儲單元的地址(Address)。地址從0開始，順序地每次加1。在機(jī)器里，地址也是

用二進(jìn)制數(shù)來表示的，為無符號整數(shù)，書寫格式為十六進(jìn)制數(shù)。因為每個存儲單元都有一個

唯一的地址，按著存儲單元的地址進(jìn)行譯碼，從而唯一找到某個存儲單元，對該單元進(jìn)行讀

寫操作，這個過程稱為對內(nèi)存尋址。例如,8088/8086CPU的內(nèi)存地址編排為00000H、

00001H、…、FFFFFH,共22°個存儲單元，如圖1.3所示。雖然內(nèi)存單元的內(nèi)容與內(nèi)存單

元的地址在表現(xiàn)形式上都是二進(jìn)制數(shù)，但本質(zhì)上它們是兩個完全不同的概念。圖1.3中，內(nèi)

存單元的地址是00028H和00029H,而對應(yīng)其內(nèi)容4CH和F9H。分別表示為(00028H)：4CH,

(00029H)=F9Ho

(3)內(nèi)存的基本操作

存儲器的基本操作分為讀操作和寫操作兩種。

從存儲單元取出數(shù)據(jù)稱為“讀”操作。存儲器讀是非破壞性的，也就是說，從某個單元取

出其內(nèi)容后，該單元仍然保存著原來的內(nèi)容，可以重復(fù)取出。把數(shù)據(jù)裝入存儲單元予以存放

的操作稱為存儲器“寫”操作，存儲器寫是破壞性的，也就是說，對某個存儲單元寫入新的數(shù)

據(jù)之后，該單元原來存放的數(shù)據(jù)就被沖掉(丟失)了。

三、輸入設(shè)備(InputDevice)和輸出設(shè)備(OutputDevice)

二者合稱為外部設(shè)備，簡稱I/O設(shè)備。輸入設(shè)備是把程序、數(shù)據(jù)、命令轉(zhuǎn)換成計算機(jī)所

能識別接受的信息，輸人給計算機(jī)。常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)器、掃描儀、模/數(shù)轉(zhuǎn)換

器等；輸出設(shè)備把CPU計算和處理的結(jié)果轉(zhuǎn)換成人們易于理解和閱讀的形式，輸出到外部。

常用的輸出設(shè)備有打印機(jī)、繪圖儀、CRT顯示器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器等。磁盤、磁帶既是輸入設(shè)

備，又是輸出設(shè)備，而多數(shù)光盤是只讀的，只能作輸入設(shè)備。

四、輸入輸出接口(I/OInterface)

CPU要與多個外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、信息傳遞，但是CPU不能直接與外部設(shè)備相連

接。為了解決CPU和外部設(shè)備之間的速度配合、信號變換、負(fù)載匹配等問題，保證主機(jī)與

外部設(shè)備正確可靠地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，CPU與外部設(shè)備之間的中間控制電路稱為輸入輸出接

口電路，簡稱I/O接口電路，又稱為I/O適配器。CPU必須通過“I/O接口”才能與外部設(shè)備

交換數(shù)據(jù)，所以輸入輸出接U是CPU與外設(shè)之間信息傳送的橋梁。上述四大部分構(gòu)成計算

機(jī)的實體，稱為計算機(jī)的硬件。

1.2.3微型計算機(jī)硬件系統(tǒng)的連接結(jié)構(gòu)

微型計算機(jī)的硬件包括微處理器MPU、內(nèi)部存儲器、I/O接口電路及相應(yīng)的外部設(shè)備。

MPU、半導(dǎo)體存儲器和I/O接口，一般都是集成電路芯片，它們是如何連接，形成一個整體

系統(tǒng)，這就涉及微機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)問題。微機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就是構(gòu)成系統(tǒng)的各個部件進(jìn)行連接的

方式。典型的微機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1-4所示。微型計算機(jī)采用總線結(jié)構(gòu)，構(gòu)成微機(jī)的各個邏

輯部件是用系統(tǒng)總線連接起來的。

rwi

1

圖1-4微機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

總線(BUS)就是把多個裝置或功能部件連接起來，用于各功能部件之間信息傳送和數(shù)據(jù)

交換的一組公共通信線路。在CPU、存儲器、I/O接口之間傳輸信息的公共通信線路稱為系

統(tǒng)總線。由圖1.4可以看出，系統(tǒng)總線將構(gòu)成微型機(jī)的各個部件連接到一起，實現(xiàn)微型機(jī)內(nèi)

部各部件間的信息交換。它們可以是帶狀的扁平電纜線，也可以是印刷電路板上的一層極薄

的金屬連線。概括地說，根據(jù)所傳送信息的內(nèi)容與作用不同，可將系統(tǒng)總線分為3類，即地

址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。這些總線提供了微處理器(CPU)與存儲器、輸入輸出接口部

件的連接線?？梢哉J(rèn)為，一臺微型計算機(jī)就是以CPU為核心。其他部件通過三態(tài)門全都“掛

接”在與CPU相連接的系統(tǒng)總線上，這樣的結(jié)構(gòu)為組成一個微型計算機(jī)系統(tǒng)帶來了方便。人

們可以根據(jù)自己的需要，將規(guī)模不一的內(nèi)存和接U接到系統(tǒng)總線上。需要內(nèi)存大、接口多時，

可多接一些；需要少時，可少接一些，很容易構(gòu)成各種規(guī)模的微型機(jī)。有了總線結(jié)構(gòu)以后，

系統(tǒng)中各功能部件之同的相互關(guān)系變?yōu)楦鱾€部件面向總線的單一關(guān)系。一個部件只要滿足總

線標(biāo)準(zhǔn)，就可以連接到采用這種總線標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)中去。

總線(AddressBus)

地址總線是單向輸出、三態(tài)控制，簡稱為AB。CPU利用地址總線輸出地址信號，以尋

址存儲器單元和外設(shè)接口，即向存儲器或I/O接口輸出地址信息(地址編號)，與數(shù)據(jù)總線

相結(jié)合，用以確定數(shù)據(jù)的來源和數(shù)據(jù)的目的。地址總線寬度因微處理器MPU而異，它的數(shù)

目決定了外接存儲器最大的存儲容量。例如Z80CPU共有16條地址線A15?A0,其中A15

為地址信號的最高位，A0為地址信號的最低位。內(nèi)存空間的大小受地址總線位數(shù)的限制。

如8位微型計算機(jī)的地址總線是16位的，其狀態(tài)組合為2、內(nèi)存空間的最大容量為2nB=65

536B(64KB),對應(yīng)的地址范圍為POOOH-FFFFH。8086CPU共有20條地址線Al9~A0,其

尋址范圍為1MB(1O24KB),對應(yīng)的地址范圍為OOOOOH-FFFFFH,如圖1-5所示。地址總線

是三態(tài)的，可以處于高阻態(tài)，讓外部控制器占用。

二、數(shù)據(jù)總線(DataBus)

雙向、三態(tài)控制，簡稱為DB,用于在CPU與存儲器和I/O接口之間傳輸數(shù)據(jù)信息。

CPU可以通過數(shù)據(jù)總線DB從內(nèi)存或輸入設(shè)備讀入數(shù)據(jù)，又可通過DB把數(shù)據(jù)送到內(nèi)存和輸

出設(shè)備，因此是雙向的。8位機(jī)的數(shù)據(jù)總線是8位(D7?D0)。8086為16位機(jī)，其數(shù)據(jù)總線

則是16位(D15—DO),準(zhǔn)16位機(jī)8088的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線為16位，而外部數(shù)據(jù)總線是8位。

三、控制總線(ControlBus)

圖1-58086尋址的地址范圍

三態(tài)控制，簡稱為CB,用于傳送各種控制命令信號、時序信號和狀態(tài)信息?？刂瓶偩€

CB中的每一根線都有一種固定的作用和方向，其中有的線是CPU向存儲器和I/O接口發(fā)出

的(CPU的輸出信號)，如讀(RD)、寫(WR)命令信號，有的線是外部向CPU發(fā)來的信號(CPU

的輸入信號)，如外設(shè)向CPU發(fā)來的中斷請求信號。CB中的每一根線的傳輸方向是單?的，

但是CB作為一個整體來看是雙向的。所以，在后續(xù)章節(jié)中，各種結(jié)構(gòu)圖凡涉及控制總線

CB,都以雙向線表示。

,運算器ALU

（微處理器控藺明CU

（MPU）

,寄存器陣列

微型計算

機(jī)（MC）內(nèi)部存儲器——RAM,ROM

1輸入輸出接口

（輸入設(shè)備——鍵盤、掃描儀、鼠標(biāo)器等

/微機(jī)硬件（（

輸出設(shè)備——CRT顯示器'打印機(jī)、給圖儀等

外部設(shè)備外部存儲器一軟盤'硬盤'光盤驅(qū)動器等

過程控制I/O通道一A/D.D/A轉(zhuǎn)換器

【通信設(shè)備

微型計算機(jī)

系統(tǒng)（MCS）I電源及其他輔助設(shè)備

/操作系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)

，系統(tǒng)軟件J各種語言的匯編和編譯系統(tǒng)

1工具軟件

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

,微機(jī)軟件＜'各種診斷程序等

（工程設(shè)計程序

'應(yīng)用軟件

＜數(shù)據(jù)處理程序等

圖1-6微型計算機(jī)系統(tǒng)的組成

1.2.4微型計算機(jī)的軟件系統(tǒng)

計算機(jī)的硬件系統(tǒng)是一個為執(zhí)行程序建立的物理實體，它是計算機(jī)工作的物質(zhì)基礎(chǔ)，稱

為裸機(jī)或硬核。沒有軟件的計算機(jī)只是裸機(jī)，計算機(jī)無法工作。軟件相當(dāng)于計算機(jī)的靈魂。

微型機(jī)的軟件是為運行、管理、測試和維護(hù)計算機(jī)而編制的各種程序的總和以及用程序編寫

的各種文件，統(tǒng)稱為軟件。依據(jù)功能的不同，軟件可分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類。為使

用和管理計算機(jī)而編制的各種軟件統(tǒng)稱為系統(tǒng)軟件，它通常是廠商作為機(jī)器產(chǎn)品與硬件同時

提供給用戶的。系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)（DOS及WINDOWS、UNIX、LINUX等）和系統(tǒng)應(yīng)用

程序。系統(tǒng)應(yīng)用程序包括各種語言的匯編、編譯程序、自診斷程序、文字處理程序、各種工

具軟件、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等，這些軟件不是用來解決具體應(yīng)用問題的，而是利用計算機(jī)自身

的功能，合理地組織解題流程，管理計算機(jī)軟硬件各種資源，提供人機(jī)間的接口，從而簡化

或代替各環(huán)節(jié)中人所承擔(dān)的工作。還可為用戶使用機(jī)器提供方便，擴(kuò)大機(jī)器功能，提高工作

效率。有了系統(tǒng)軟件，才能發(fā)揮微型機(jī)系統(tǒng)的硬件功能，并為用戶使用計算機(jī)提供方便。

應(yīng)用軟件是山用戶利用計算機(jī)及其系統(tǒng)軟件編制的為解決各種實際應(yīng)用問題的程序，例

如數(shù)控機(jī)床的插補(bǔ)程序、伺服系統(tǒng)的控制程序等。對應(yīng)用微機(jī)的人員來說，除了必要的硬件

接口設(shè)計外，其主要工作便是應(yīng)用程序的開發(fā)。目前，應(yīng)用軟件已逐步標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和商

品化。

由上可知，一個計算機(jī)系統(tǒng)是硬件和軟件相結(jié)合的統(tǒng)一整體。圖1-6表示了微型計算機(jī)

系統(tǒng)的組成和軟硬件的關(guān)系。每一個具體的微機(jī)系統(tǒng)所配置的軟件和硬件的種類和數(shù)量，是

根據(jù)機(jī)器的規(guī)模、應(yīng)用場合及對其性能的綜合要求等因素來確定的。確定系統(tǒng)配置的基本原

則是滿足使用要求，且兼顧微型機(jī)的近期發(fā)展。

1.3微型計算機(jī)的分類

1.3.1微型計算機(jī)（MicroComputer）

簡稱為MC（或設(shè)）。以微處理器為核心，通過總線（BUS）把I/O接口電路、CPU和半導(dǎo)

體存儲器（ROM、RAM）有機(jī)地組合在一起，即構(gòu)成一臺微型計算機(jī)。

微型計算機(jī)按字長分類，可分為1位、4位、8位、16位、32位和64位機(jī)。按組裝的

結(jié)構(gòu)不同，微機(jī)可分為：單扳機(jī)、單片機(jī)、多板機(jī)、個人計算機(jī)（PC機(jī)）。

一、單片機(jī)（Single-boardMicroComputer）

單板機(jī)是一種將微處理器、存儲器、I/O接口電路、筒單外設(shè)（鍵盤、數(shù)碼顯示器）以及

監(jiān)控程序固件（ROM）等部件安裝在?塊印制電路板上構(gòu)成的低檔微機(jī)，其功能?般比較簡

單。單板機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、使用簡單、成本低等特點，常應(yīng)用于工業(yè)控制以及教學(xué)實驗等領(lǐng)

域。

二、單片機(jī)（Single-chipMicroComputer或MicroControllcrUnit）

又稱為微控制器，簡稱為MCU。將CPU、ROM、RAM（數(shù)量有限）和I/O接口電路以及

內(nèi)部系統(tǒng)總線等全部集中在一塊大規(guī)模集成電路芯片上，這樣一個集成塊就構(gòu)成一個具備基

本功能的計算機(jī)，稱為單片機(jī)。近年來推出的高檔單片機(jī)除了增強(qiáng)基本微機(jī)功能以外，還集

成了一些特殊功能單元，如A/D、D/A轉(zhuǎn)換器，DMA控制器，通信控制器等。它具有超小

型、高可靠性和價廉等優(yōu)點，在智能儀器儀表、工業(yè)實忖控制、智能終端和家用電器等眾多

領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。目前國內(nèi)較流行的單片機(jī)有MCS—51系列、MCS—96系列和

Motorola680k6805等。

三、多板機(jī)

為了滿足較高層次的需求，往往需要擴(kuò)展單板機(jī)的功能。為此，許多公司設(shè)計了功能各

異的擴(kuò)展板供用戶選用，以擴(kuò)展應(yīng)用系統(tǒng)的能力。這種由多塊印制板構(gòu)成的微機(jī)稱為多板機(jī)。

四、個人計算機(jī)（PC機(jī)）

PC機(jī)是一種將一塊主機(jī)母板（含有微處理器、內(nèi)存、I/O接口等芯片）、若干I/O接口卡、

外部存儲器、電源等部件組裝在一個機(jī)箱內(nèi)，并配置顯示器、鍵盤，打印機(jī)等基本外部設(shè)備

所組成的計算機(jī)。PC機(jī)具有功能強(qiáng)、配置靈活、軟件豐富等特點，廣泛應(yīng)用于辦公、商業(yè)、

科研等領(lǐng)域，是一種使用最普遍的通用微機(jī)。

1.3.2微型計算機(jī)系統(tǒng)（MicroComputerSystem）

簡稱為MCS（或pCS）,或稱為系統(tǒng)機(jī)。微型計算機(jī)配上外部設(shè)備和各種豐富的系統(tǒng)軟件'

就構(gòu)成一個微機(jī)系統(tǒng)。例如，IBMPC/XT/AT機(jī)就是主機(jī)配以鍵盤作為輸入設(shè)備，CRT顯示

器作為輸出設(shè)備，配備軟磁盤、硬磁盤驅(qū)動器及其適配器擴(kuò)展板擴(kuò)展了外存，還配備了DOS

操作系統(tǒng)而構(gòu)成的一個微機(jī)系統(tǒng)。任何一種可以工作的微機(jī)都是配備了必不可少的軟、硬件

資源的系統(tǒng)機(jī)。真正直接供人們使用的是微型計算機(jī)系統(tǒng)，人們經(jīng)常把微型計算機(jī)系統(tǒng)俗稱

為微型計算機(jī)。微處理器、微型計算機(jī)和微型計算機(jī)系統(tǒng)這三者的概念和含義是不同的。

1.3.3多媒體計算機(jī)（Multimedia）

能處理和提供文圖聲像等各種媒體形式信息、具有多媒體功能的計算機(jī)系統(tǒng)稱為多媒體

計算機(jī)。隨著微機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，多媒體技術(shù)也廣泛應(yīng)用于計算機(jī)領(lǐng)域。多媒體技術(shù)是以

計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，使用計算機(jī)通信技術(shù)（電話、傳真等）、大眾傳媒技術(shù)（報紙、廣播、電視）,

使計算機(jī)能交互式地處理、傳輸和管理數(shù)據(jù)、符號、圖像、語音、視頻、音頻等多種媒體信

息，是一種綜合性的技術(shù)。多媒體也就是文、圖、聲、像等單媒體與計算機(jī)程序融合在一起

形成的信息傳播媒體。它并非多種信息表現(xiàn)形式的簡單集合，而是指一種可以存儲、處理、

傳遞各種不同表現(xiàn)形式信息的實體，實際上是?個能處理和提供文圖聲像等各種形式信息的

計算機(jī)系統(tǒng),其中應(yīng)用最廣泛、最基本的是多媒體個人計算機(jī)（MultimediaPersonalComputer,

簡稱MPC）。同時具有視（動態(tài)）、聽特性的媒體，如視頻、全活動影像（Full-Motion,Movie）

等，是多媒體技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。多媒體計算機(jī)（MPC）是在通用PC機(jī)的基礎(chǔ)上，增

加了多媒體設(shè)備和多媒體軟件構(gòu)成的。在普通臺式機(jī)的基礎(chǔ)上，增加了多媒體設(shè)備：就構(gòu)成

了多媒體計算機(jī)的硬件系統(tǒng)。它是在PC機(jī)的基礎(chǔ)上，融合高質(zhì)量的圖形、立體聲、動畫等

媒體而組成的系統(tǒng)。

1.4微型計算機(jī)的基礎(chǔ)知識

1.4.1二進(jìn)制編碼與機(jī)器數(shù)

一、二進(jìn)制編碼、真值與機(jī)器數(shù)

一般地說，用文字、符號或數(shù)碼串表示特定對象、信號和狀態(tài)的過程，都可稱為編碼。

例如，給孩子取名字，給學(xué)生編學(xué)號等，都是編碼。用二進(jìn)制數(shù)碼串表示有關(guān)對象、信號和

狀態(tài)的過程稱為二進(jìn)制編碼。

二進(jìn)制編碼的實質(zhì)是將一組對象、信號和狀態(tài)與同等數(shù)量的不同的二進(jìn)制數(shù)碼串一一對

應(yīng)起來，使后者成為前者的替代物。通過編碼，使每一個對象、信號和狀態(tài)都對應(yīng)一個二進(jìn)

制數(shù)碼串，使不同的對象、信號和狀態(tài)對應(yīng)不同的二進(jìn)制數(shù)碼串，從這個意義上講，編碼的

次序是無關(guān)緊要的，編碼的方案是多種多樣的，只要給每個對象、信號和狀態(tài)分配一個有別

于其他對象、信號和狀態(tài)的二進(jìn)制數(shù)碼串就可以了。但在實際應(yīng)用中，人們總是使編出的代

碼與被編碼的對象、信號和狀態(tài)盡量多地保持一致，或者盡量按照一定的規(guī)律編碼，使編出

的代碼具有某種物理含義，透過代碼能了解到被編碼的對象、信號和狀態(tài)的某種物理特征。

經(jīng)過編碼以后，每個對象、信號和狀態(tài)的代碼（二進(jìn)制數(shù)碼串）就將作為整體而存在，作為整

體被使用，其各個部分是不可分割的。

在計算機(jī)內(nèi)進(jìn)行二進(jìn)制編碼時，應(yīng)根據(jù)對象、信號和狀態(tài)的個數(shù)確定最少需使用的二進(jìn)

制數(shù)碼的位數(shù)，或者根據(jù)可用的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)確定最多可編碼的對象、信號和狀態(tài)的個

數(shù)。n位二進(jìn)制數(shù)碼能組成2n個不同的二進(jìn)制數(shù)碼串，最多可用來編碼2n個不同的對象、

信號和狀態(tài)。欲對M個不同的對象、信號和狀態(tài)進(jìn)行編碼，可用公式2）M確定最少需使

用的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)n。當(dāng)2"=M時，n位數(shù)碼所組成的二進(jìn)制數(shù)碼串剛好能編碼M個對

象、信號和狀態(tài)，當(dāng)2nAM時，一定有多余的二進(jìn)制數(shù)碼串，這些多余的二進(jìn)制數(shù)碼串稱為

冗余碼。對固定的n和M,冗余碼的個數(shù)是確定的，但將哪些二進(jìn)制數(shù)碼串作為冗余碼則

完全是人為規(guī)定的。

計算機(jī)只能識別數(shù)碼0和1,計算機(jī)內(nèi)只能存儲數(shù)碼0或1,因此，一切數(shù)據(jù)（如邏輯量、

無符號數(shù)、帶符號數(shù)、字母、符號等）在計算機(jī)內(nèi)表示時都必須進(jìn)行二進(jìn)制編碼。二進(jìn)制編

碼的過程就是在計算機(jī)內(nèi)表示數(shù)據(jù)的過程，數(shù)據(jù)的二進(jìn)制編碼就是數(shù)據(jù)的機(jī)內(nèi)表示形式。計

算機(jī)內(nèi)不存在數(shù)據(jù)的原始形式（如邏輯量、無符號數(shù)、帶符號數(shù)、字母、符號等），只存在二

進(jìn)制數(shù)碼串，這些二進(jìn)制數(shù)碼串的含義完全由編碼的過程決定。

在計算機(jī)內(nèi)，數(shù)的小數(shù)點和數(shù)的正、負(fù)號一樣，通常也不用二進(jìn)制數(shù)碼串單獨表示，而

是和數(shù)本身一起作為整體被編碼，因此，計算機(jī)內(nèi)表示數(shù)時沒有小數(shù)點，小數(shù)點的位置是約

定的、隱含的。有的計算機(jī)只能表示整數(shù)，可認(rèn)為小數(shù)點固定在表示整數(shù)的數(shù)碼串最低位之

后。有的計算機(jī)只能表示帶符號純小數(shù)，可認(rèn)為小數(shù)點固定在表示小數(shù)的數(shù)碼串最高位之后。

小數(shù)點位置固定的整數(shù)計算機(jī)稱為定點整數(shù)計算機(jī)，其中的數(shù)稱為定點整數(shù)。小數(shù)點位置固

定的純小數(shù)計算機(jī)稱為定點（純）小數(shù)計算機(jī)，其中的數(shù)稱為定點（純）小數(shù)。定點整數(shù)和定點

小數(shù)統(tǒng)稱定點數(shù)（參見圖l-7）o定點整數(shù)計算機(jī)和定點小數(shù)計算機(jī)統(tǒng)稱定點計算機(jī)。

定點整數(shù)

定點小數(shù)

圖1-7定點整數(shù)和定點小數(shù)

現(xiàn)代計算機(jī)一般都能表示一種定點數(shù)（定點整數(shù)或者定點小數(shù)），還能以整數(shù)和小數(shù)都可

使用的形式表示實數(shù)。表示實數(shù)時小數(shù)點位置是浮動的，這樣的計算機(jī)稱為浮點計算機(jī)，小

數(shù)點位置可浮動的數(shù)稱為浮點數(shù)。

數(shù)據(jù)在計算機(jī)內(nèi)的表示形式稱為機(jī)器數(shù)，被機(jī)器數(shù)表示的原來的數(shù)稱為機(jī)器數(shù)的真值。

真值是數(shù)據(jù)的原始形式，可寫成各種進(jìn)位制，整數(shù)部分高位的0可以省，小數(shù)部分低位的0

可以省。機(jī)器數(shù)是二進(jìn)制編碼，它作為不可分的整體存在于計算機(jī)內(nèi)部，般只能寫成二進(jìn)

制數(shù)碼串的形式，高位的0和低位的0都不能省。有時也將機(jī)器數(shù)縮寫為十六進(jìn)制形式，那

也僅僅是一種簡化的表示方法，必須將每個卜六進(jìn)制數(shù)碼看成四位二進(jìn)制數(shù)碼，其中的0

也不能省。

真值與機(jī)器數(shù)都可看成數(shù)。真值是人們所熟知的真正的數(shù)，可帶有小數(shù)點和正、負(fù)號，

定點數(shù)和浮點數(shù)有明顯的區(qū)別。機(jī)器數(shù)是二進(jìn)制數(shù)碼串，它有兩種含義：一方面它是所對應(yīng)

的真值的編碼，代表真值的值，另一方面可從整體上將它看成無符號二進(jìn)制整數(shù)，其值就是

該二進(jìn)制整數(shù)的值。例如，在8位定點整數(shù)計算機(jī)中，如果用機(jī)器數(shù)11111111表示-1,那

么，11111111一方面代表真值-1,另一方面它自己也有值：無符號數(shù)255。在機(jī)器數(shù)內(nèi)，真

值的正、負(fù)號已經(jīng)數(shù)值化，小數(shù)點的位置是隱含的。

本書主要討論定點整數(shù)和定點整數(shù)計算機(jī)，但會簡單而完整地介紹定點小數(shù)和浮點數(shù)。

二、機(jī)器數(shù)的模

任何實際的數(shù)字系統(tǒng)（例如數(shù)字儀表）中的數(shù)都是機(jī)器數(shù)，任何機(jī)器數(shù)都有計數(shù)的范圍，

在這個范圍內(nèi)，系統(tǒng)能正常計數(shù)，超過這個范圍，系統(tǒng)會自動丟掉（添上）最高位的進(jìn)位（借位）

回到初始狀態(tài)，從頭開始計數(shù)。例如，12小時的鐘表計時系統(tǒng)只能表示00?11共12個數(shù)，

正計數(shù)時達(dá)到12會自動丟掉12,再到01,倒計數(shù)時達(dá)到00會自動添上12,再到11,在這

種意義下，12可視為零。再例如，4位十進(jìn)制數(shù)字式里程表只能表示0000?9999共10000

個數(shù)，正計數(shù)時達(dá)到10000會自動丟掉10000,再到0001,倒計數(shù)時達(dá)到0000會自動添上

10000,再到9999,在這里，10000可視為零。在計算機(jī)中也是這樣，8位定點整數(shù)計算機(jī)

能表示OOOOOOOOB-llllllllB共256個數(shù)，正計數(shù)時達(dá)到100000000B會自動丟掉

100000000B,再到00000001B,倒計數(shù)時達(dá)到00000000B會自動添上100000000B,再到

11111111B,在這里，100000000B可視為零。

數(shù)字系統(tǒng)中數(shù)的最高位的進(jìn)位值（或借位值）稱為該數(shù)字系統(tǒng)的模數(shù)，簡稱模。在上述例

子中，鐘表計時系統(tǒng)內(nèi)是1位十二進(jìn)制整數(shù)，進(jìn)位值（或借位值）是12,模就是12。數(shù)字式

里程表內(nèi)是4位十進(jìn)制整數(shù)，最高位的進(jìn)位值（或借位值）是1（A模就是10,計算機(jī)內(nèi)是8

位二進(jìn)制整數(shù)，最高位的進(jìn)位值（或借位值）是2\模就是28。實際上，模就是比數(shù)字系統(tǒng)內(nèi)

數(shù)的最高位還高一位的那一位的權(quán)值。該權(quán)值與機(jī)器數(shù)隱含的小數(shù)點位置有關(guān)，由每個機(jī)器

數(shù)的整數(shù)位數(shù)決定。例如，n位定點整數(shù)計算機(jī)的模為211,n位定點小數(shù)計算機(jī)的模為2。

模在計數(shù)過程中會自動丟掉（或自動添上），模的機(jī)器數(shù)和機(jī)器數(shù)零相同。因此，在計算機(jī)內(nèi)，

?？梢暈榱悖阋部煽醋髂?。模就是其本身不為零但其機(jī)器數(shù)為零的那個最小的數(shù)。

計算機(jī)是有模的數(shù)字系統(tǒng)，其中的運算都是有模的運算。有的運算需要將模視為零，有

的運算需要將模視為最末一位的1,也有的運算只能將模視為它自己。在n位定點整數(shù)計算

機(jī)中，將模2n視為零的運算可標(biāo)記為mod2巳1,習(xí)慣上稱為模2」的運算，其含義是將運

算結(jié)果取除以時的余數(shù)，就是將最高位的進(jìn)位丟棄（或者將最高位的借位添上）；將棋

2n視為1的運算就是將2」視為零的運算，可標(biāo)記為mod2」，習(xí)慣上稱為模2」的運算，

其含義是將運算結(jié)果取除以21時的余數(shù)，就是將最高位的進(jìn)位加到最低位（或者將最高位

的借位從最低位減去）。顯然，在模為2n的計算機(jī)中，mod2"的運算相對簡單，可自動完成,

mod2