微机原理与应用(第2版)(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：陈国先

出版社：电子工业出版社

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微机原理与应用(第2版)试读：

前言

本书是针对高等职业技术教育进行编写的，突出高等职业技术教育特点，以培养技能型、应用型能力为本位，强调培养学生的实践技能。在编写过程中注意做到深入浅出，循序渐进，对各章节知识点的阐述只求够用而不求多，尽可能将复杂问题简单化，重点分析了微型计算机的基本原理和基本结构，对8255A、8237A、8251A、8253/8254等芯片因目前使用较少，有的不做介绍，有的不分析其如何编程，只分析其有哪些模块，这些模块的特点和主要作用，模块与微型计算机接口的关系，如何使用微型机的主要接口如并行口、串行口、USB接口等。对汇编语言程序只要求看懂每条指令的作用，不要求编写程序，重点介绍汇编语言如何实现软硬件结合如主要接口的编程，汇编语言与C语言结合，如何进行DOS和BIOS调用，汇编语言程序在DOS和Windows界面的实验方法等。

全书共9章。第1章介绍微型机系统的主要技术指标、数据类型和软硬件构成；第2章介绍8086/80X86/Pentium/酷睿系列微处理器的结构和基本原理；第3章介绍半导体存储器的基本原理、微型机的存储结构、高速缓存和虚拟存储的基本原理；第4章介绍80X86的寻址方式和指令系统；第5章介绍汇编语言程序设计的基本步骤、DOS系统功能调用和BIOS功能调用以及汇编语言与C语言程序的连接方法；第6章介绍输入/输出接口的结构、中断处理过程和串行接口、并行接口的应用；第7章介绍总线体系结构、各种系统总线和常用外部总线的特点；第8章介绍键盘、鼠标、显示卡、显示器、打印机、硬盘驱动器、光盘驱动器和音箱的基本工作原理；第9章介绍汇编语言程序在DOS和Windows界面的实验方法，串行口、并行口和USB接口的编程方法。

本书由陈国先主编。第1、2、3、6、7、8、9章由陈国先编写，第4、5章由江南编写。全书由陈国先统稿，赵湘纹主审。参加本书编写的人员还有伊世昌、林丽芬、张超峰、王永刚、杨建南、苏李果、吴巧明，在此一并表示衷心感谢。

由于编者水平有限，书中难免出现缺点和错误，敬请广大读者批评指正。

编者

2011年9月

第1章 微型计算机概述

微型计算机与普通计算机一样，都是采用冯诺依曼结构，由运算器、控制器、存储器、输入/输出接口和设备组成。通常，运算器和控制器称为中央处理器（CPU），中央处理器和内存储器称为主机，而输入设备、输出设备和外存储器统称为外部设备，或简称为I/O设备。

1.1 基本概念

随着大规模集成电路的发展，一块集成电路芯片可以包含几十万到几千万个晶体管电路，计算机的大部分功能电路都可以集成在一个芯片内，这就出现了所谓的微处理器芯片。以微处理器芯片为核心构成的计算机就是微型计算机，在微型计算机的基础上又组成微型计算机系统。因此，微处理器、微型计算机、微型计算机系统是三个不同的概念。

1.微处理器

微处理器是一个由算术逻辑运算单元、控制器单元、寄存器组、高速缓存以及内部系统总线等单元组成的大规模集成电路芯片，它具有CPU的全部功能。因此，微处理器就是集成化的CPU。

2.微型计算机

微型计算机是以微处理器芯片为核心，配上内存芯片、I/O接口电路以及相应的辅助电路构成的装置，它又简称为微型机。

3.微型计算机系统

微型计算机系统是以微型计算机为主体，配上输入设备、输出设备、外存储器设备、电源、机箱以及基本系统软件和应用软件组成的系统，它又简称为微机系统。其中，输入/输出设备包括键盘、显示器、打印机等常用I/O设备。外存储器包括软盘、硬盘、光盘等。基本系统软件包括操作系统如DOS、Windows等。语言处理程序如编译程序、解释程序、汇编程序等。常用应用软件如WPS、Office等。1.1.2 微型计算机的发展和分类

世界上第一台电子数字计算机1946年诞生于美国。以后的几十年里，电子计算机的发展极其迅速，先后经历了电子管、晶体管、小规模集成电路及大规模集成电路的演变。

由于微型计算机具有体积小、价格低、使用方便、可靠性高等一系列优点，因而从一问世起就显示出了强大的生命力，被广泛用于国防科技、工农业生产和商业管理等领域。特别是近年来，微处理器以几乎每两年性能/价格比提高4倍（价格低一半，性能高一倍），平均2～3年便可推出一代新产品的高速度发展。它已渗透到人类生活的各种领域，给人类世界带来难以估量的深刻变革。

1.微型计算机的发展

微机的核心部件是中央处理器CPU，各种档次的微机均是以CPU的不同来划分的。目前属于PC系列的个人微机，都是采用美国Intel公司的“x86”系列微处理器或其他公司生产的兼容微处理器作为CPU。从第一台微机问世到今天，CPU芯片已经发展到第六代产品，对应地产生了6个档次的个人微机系列产品。（1）第一代微型机（1971～1973年）

1971年美国Intel公司首先研制成4004微处理器，它是一种4位微处理器，由它组成了MCS-4微型机。随后又研制出8位微处理器Intel 8008，由它组成了MCS-8微型机。由这种4位或8位微处理器制成的微型机的主要特点是：采用P沟道MOS电子器件，基本指令执行时间为10～20μs，字长为4位或8位，软件主要采用机器语言或简单的汇编语言。（2）第二代微型机（1974～1978年）

第二代微型机的微处理器都是8位的，但集成度有了较大的提高。典型产品有Intel公司的8080和8085，Motorola公司的6800和Zilog公司的Z80等处理器芯片。第二代微型机的主要特点是：采用NMOS电路、集成度达5000个晶体管以上，时钟频率达2～4MHz、平均指令执行时间为1～2μs，指令系统较完善。软件方面除了汇编语言外，还配有BASIC、FORTRAN等高级语言及相应的解释程序和编译程序，后期还配备了操作系统。（3）第三代微型机（1978～1984年）

1978年Intel公司生产出16位微处理器8086，其性能比第二代提高近10倍。典型产品有Intel 8086、Z8000、M68000微处理器和IBM PC微型机以及80286微型机等。第三代微型机的主要特点是：采用NMOS电路、集成度达2～6万个晶体管以上，时钟频率达4～8MHz、平均指令执行时间为0.5μs。有很强的寻址能力，较宽的数据通道，能支持多级中断系统指令系统、多种数据处理形式、段式寄存器结构、乘除法运算硬件方式，能执行数据处理、科学计算和各种应用程序，支持多处理器系统和分布式处理系统。（4）第四代微型机（1985～1992年）

随着集成电路的集成度越来越高，众多的32位高档微处理器被研制出来，典型产品有Intel公司的80386/80486；Motorola MC68020/68040，Zilog Z80000等。第四代微型机的主要特点是：CPU的内部和外部数据总线都是32位，集成度达32万个晶体管以上，有巨大的地址空间，内装高速缓冲存储器和存储管理单元，支持虚拟存储和多种高级语言。（5）第五代微型机

在1993年Intel公司推出了第五代微处理器Pentium（中文名“奔腾”）。其他公司推出的第五代CPU有AMD公司的K5，Cyrix公司的6x86。

在1998年Intel公司推出了PentiumⅡ、Celeron，后来推出了Pentium Ⅲ、Pentium 4、CeleronⅡ、Celeron Ⅲ、Celeron D。其他公司也推出了相同档次的CPU，如K6、Duron系列、Athlon系列（K7）。第五代微型机的主要特点是：CPU的内部数据总线是32位，外部数据总线是64位，集成度达310万个晶体管以上，采用超标量结构，内置应用超级流水线技术的浮点运算器，增大片上的cache容量，采用内部奇偶校验，检验内部处理错误等。（6）第六代微型机

第六代微型机的CPU内部和外部数据总线都是64位，通用寄存器的数据宽度为64位，64位指令集就是运行64位数据的指令，也就是说处理器一次可以运行64bit数据。AMD公司产品支持64位技术的CPU有Athlon 64系列、Athlon FX系列、Opteron系列、羿龙II X2系列、羿龙II X3系列、羿龙II X4系列、羿龙II X6系列等。Intel公司产品支持64位技术的CPU有使用Nocona核心的Xeon系列、使用Prescott 2M核心的Pentium 46系列、使用Prescott 2M核心的Pentium EE系列、奔腾双核系列、酷睿2双核系列、酷睿2四核系列、酷睿i3系列、酷睿i5系列、酷睿i7系列等。

CPU使用的64位技术主要有AMD公司的AMD64位技术、Intel公司的EM64T技术和Intel公司的IA-64技术。其中IA-64是Intel独立开发，不兼容现在的传统的32位计算机。Intel EM64T全称Extended Memory 64 Technology，即扩展64bit内存技术。强调的是对32bit和64bit的兼容性。AMD64的位技术是在原始32位X86指令集的基础上加入了X86-64扩展64位X86指令集，使芯片在硬件上兼容原来的32位X86软件，并同时支持X86-64的扩展64位计算。

微机所采用CPU的不同决定了它的档次，但它的综合性能在很大程度上还要取决于系统的其他配置。其中最重要的配置包括内存储器的容量和速度，外存储器的种类、容量和速度，显示系统的类型和速度等。相同档次的微机，由于配置不同，性能也不相同。

2.微型计算机的分类

可以从不同的角度将微型计算机分为几种类型。（1）按组装形式和系统规模分类。

① 单片机。单片机是一种将CPU单元、部分存储器单元、部分I/O接口单元以及内部系统总线等单元集成在一片大规模集成电路芯片内的微型机。它具有完整的微型计算机的功能。随着集成电路技术的发展，近年来推出的高档单片机除了增强基本微机功能以外，还集成了一些特殊功能单元，如A/D、D/A转换器，DMA控制器，通信控制器等。单片机具有体积小、可靠性高、成本低等特点，广泛应用于仪器、仪表、家电、工业控制等领域。

② 单板机。单板机是一种将微处理器、存储器、I/O接口电路，简单外设（键盘、数码显示器）以及监控程序固件（PROM）部件安装在一块印制电路板上构成的微型机。单板机具有结构紧凑、使用简单、成本低等特点。常应用于工业控制以及教学实验等领域。

③ 个人计算机（PC）。PC实际上是一个微型机系统，它将一块主机板、微处理器、内存条、若干I/O接口卡、外部存储器、电源等部件组装在一个机箱内，并配置显示器、键盘、打印机等基本外部设备。PC具有功能强、配置灵活、软件丰富等特点，广泛应用于办公、商业、科研等许多领域，它是一种使用最普及的微机系统。（2）按微处理器位数分类。微处理器的处理位数是由运算器并行处理的二进制位数决定的。具有不同处理位数的微处理器，其性能是不同的，处理器位数越多，性能就越强。

① 8位微机。这是以8位微处理器为核心的微机，如早期的Z80单板机、MCS-51系列单片机等。8位微机主要应用于字符信息处理、简单的工业控制等领域。它在硬件方面有广泛的芯片与设备支持，软件方面也有丰富的应用。但是8位微机无法胜任高速运算和大容量的数据处理。

② 16位微机。这是以16位微处理器为核心的微机，如PC/AT个人计算机、MCS-96单片机等。16位微机比8位微机具有更高的运算速度，更强的处理性能，并可用于实时的多任务处理，因而应用领域更加广泛。

③ 32位微机。这是以32位微处理器为核心的微机，如PC386、PC486等个人计算机以及MCS-960单片机等。目前，32位微机的功能已达到并超过早期的小型机，它能综合处理数字、图形、图像、声音等多媒体信息，广泛应用于数据处理、科学计算、CAD/CAM、实时控制、多媒体等多种领域。

④ 64位微机。这是以64位微处理器为核心的微机。64位微型机有两种情况，一种是微处理器的数据总线是32位，外部数据总线是64位如Pentium、Pentium Ⅱ、Pentium Ⅲ等。另一种是微处理器的数据总线是64位，外部数据总线也是64位如酷睿i系列微型机。这类微处理器组成的微机是迄今速度最快、功能最强的微型机，其性能大大超过了早期的中型机。1.1.3 微型计算机系统的主要技术指标（1）字长。字长指参与算术逻辑运算的操作数的二进制位数目，因处理器都能对多种不同类型、不同长度的操作数进行处理，所以字长实际上指的是处理器内部大多数寄存器、运算器、内部与外部数据总线等主要部件的宽度。不同的计算机，字的长度和组成不完全相同，一般是字节的整数倍，如8位、16位、32位、64位等。（2）CPU速度。CPU速度指CPU主频、前端总线频率和执行指令的运算速度。主频指CPU的主时钟频率，从8086的4.77MHz到酷睿i系列的3GHz以上。前端总线频率指CPU外部数据传输的实际频率，目前达到1333MHz。运算速度主要以单字长定点指令的平均执行时间来衡量，单位是MIPS（Million Instructions Per Second：每秒钟百万条指令）；也用单字长浮点指令的平均执行速度来计算，单位是MFLOPS（Million Floating Instructions Per Second：每秒钟百万浮点指令）。（3）内存容量和速度。存储容量以字节数表示。常用的单位有：10

●KB（千字节），1KB=2B=1024B；20

●MB（兆字节），1MB=2B=1024KB；30

●GB（吉字节），1GB=2B=1024MB；40

●TB（太字节），1TB=2B=1024GB。

现代微型计算机内存容量达到1024MB以上，高档的几千MB。

内存速度指存取周期，即对存储器进行一次完整的读或写所需的时间。目前半导体存储器的存取周期为几纳秒（ns）以下。（4）硬盘容量和速度。硬盘是主要的外存储器，其容量为几百GB到几千GB，甚至更高。

硬盘速度一般用三个参数衡量：

① 平均寻道时间。又称查找时间，指磁头沿盘径移动到需要读写的磁道的平均时间。

② 平均等待时间。要读写的扇区旋转到磁头下的平均时间。为磁盘旋转一周所需时间的一半。所以平均等待时间也以每分钟转数RPM来表示。

③ 数据传输速率。磁头定位在读写扇区后，每秒钟读出或写入的字节数。

硬盘的电路板带有缓冲存储器，容量从8MB～32MB，平均寻道时间不到10毫秒（ms），每分钟转速达7200转，数据传输速率达几百MB/s。（5）系统总线传输速率。系统总线的传输速率与数据总线宽度、总线周期和总线形式有关，它直接影响到计算机输入/输出性能，多数以MB/s（每秒传输百万字节数）为单位。前端总线频率达1333MB/s，睿频加速频率达3.1GHz，HT总线频率达2000MB/s。目前仍在不断发展之中。（6）系统可靠性。系统可靠性常用MTBF（Mean Time Between Failures：平均无故障时间）和MTTR（Mean Time To Repair：平均故障修复时间）表示，单位是小时。MTBF越大而MTTR越小就越可靠，可用性（Availability）也越高。

1.2 微型计算机中的数据类型

日常生活中人们主要使用十进制，也辅以其他进位制，如十二进制（以月计年）、六十进制（以分计时、以秒计分）等。计算机以二进制为基础，在进行输入、输出、存储、显示时也用到其他进位制。

1.进位计数制

每种进位制都有自己的基数，即该进位制中允许选用的基本数码个数。如十进制数每个数位上允许选用0、1、2、…、9共10个不同数码中的一个，十进制的基数为10，每位计满10向高位进1。

同一个数码处在数中不同位置时，它所代表的数值是不同的。如十进制数6666.66，最高位在小数点左边第四位，是千位，该位上的63代表的数值是数码6乘以10，小数点左边第三位到第一位依次是百2位、十位、个位，其上的 6 代表的数值分别是数码 6 乘以 10、1010（即10）和1（即10），小数点右边的2个6分别在十分位和百分-1-2位上，所代表的数值分别是6乘以10和10。一般而言，每个数码所代表的数值等于该数码乘以一个常数，这个常数以基数为底，以数码所在位置的序号（小数点向左从0开始递增，小数点向右从-1开始递减）为指数的整数次幂，这就是该数位的“权”。十进制的千、百、32-1-2十、个、十分、百分位的权依次是10、10、10、1、10、10。（1）r进制。r进制数数码有r个：0、1、2…、（r-1）；计数或运算时逢r进1，借1当r；各位的权为r的相应次幂；左移i位相当于该位乘ii以r，右移i位相当于该位除以r。i

n位整数、m位小数的r进制数N的数值都可以按权（r）展开成多项式之和：

其中整数部分n位，小数部分m位，n是r个数码0、1、…、（r-1）ii个中的某一个，r是第i位的权。

任何一个数N，若小数点不动，数码整体向左移i位，则相当乘以ii-ir；数码整体向右移i位，则相当除以r（即乘以r）。

计算机中数据移位，都是指组成数据的整个数码移动，小数点保持不动。（2）十进制。十进制数数码有10个：0、1、2、…、9；计数或运算逢10进1，借1当10；各位的权为10的相应次幂；左移i位相当乘ii以10，右移i位相当除以10。

n位整数、m位小数的十进制数X的按权展开式为：i，其中d是第i位的数码，10是第i位的权。如i2-1-2568.24=5×10+6×10+8+2×10+4×10。表示十进制数时，在数的末尾加D（Decimal system）或不加任何标记。（3）二进制。二进制数数码有两个：0、1；计数或运算时逢2进i1，借1当2；各位的权为2的相应次幂；左移i位相当乘以2，右移i位i相当除以2。

n位整数、m位小数的二进制数X的按权展开式为：i，其中b是第i位的数码，2是第i位的权。如i32-2-31101.011B=1×2+1×2+1+1×2+1×2。表示二进制数时，在数的末尾加B（Binary system）。（4）十六进制。十六进制数数码有十六个：0、1、2、…、9、A、B、C、D、E、F；计数或运算时逢16进1，借1当16；各位的权为16ii的相应次幂；左移i位相当乘以16，右移i位相当除以16；n位整数、m位小数X的按权展开式为：，其中h是第i位的数码，ii2-1-216是第 i 位的权。如 6AB.C7H=6×16+A×16+B+C×16+7×16=6×2-1-216+10×16+11+12×16+7×16。表示十六进制数时，在数的末尾加H（Hexadecimal system）。（5）八进制。八进制数数码有八个：0、1、2、3、4、5、6、7；计数或运算时逢8进1，借1当8；各位的权为8的相应次幂；左移i位相ii当乘以8，右移i位相当除以8；n位整数、m位小数X的按权展开式为：i，其中q是第i位的数码，8是第i位的权。如i2-1-2234.56Q=2×8+3×8+4+5×8+6×8。表示八进制数时，在数的末尾加Q（Octal system，其中O易与0混淆，用Q代O）。

二进制只有两个数码，很容易用有两种稳定状态的物理器件表示，运算规则简单，易用逻辑代数化简，而且节省设备，因此现代计算机无例外地采用了二进制。但二进制数书写冗长、易错、难记，因此一般用十六进制或八进制来缩写之。

2.常用进位计数制间的转换（1）任意进制到十进制的转换

基本方法：按权值展开相加。10-1-2

如：15.23=1×10+5×10+2×10+3×10-1-2-3-4

0.A27FH=A×16+2×16+7×16+F×16=0.6347503410-1-3

10011.101B=1×2+1×2+1×2+1×2+1×2=19.625（2）十进制转换为任意进制

整数部分：除以基数取余数；小数部分：乘以基数取整数。如十进制转换为二进制，整数部分除2取余，小数部分乘2取整。

因此，36.8125=100100.1101B。（3）二进制与八进制、十六进制间的转换

1位八进制数相当3位二进制数，1位十六进制数相当4位二进制数。故二→八或二→十六的方法为：以小数点为基准，整数部分向左3位或4位二进制数化为1位八进制或十六进制数，不足3或4位添前0；小数部分向右3位或4位二进制数化为1位八进制或十六进制数，不足3或4位补后0；我们将二→八或二→十六的转换方法形象地叫做三合一或四合一。

反之亦然，八→二或十六→二方法为：以小数点为基准，整数部分向左、小数部分向右将1位八进制或十六进制数化成3或4位二进制数，再去掉无意义的前0和后0；同样，我们将八→二或十六→二的转换方法形象地叫做一分三或一分四。

常用进位计数制之间的转换方法如图1-1所示。图1-1 常用进位计数制之间的转换

3.数的码制

带符号数在机器中一般有原码、反码和补码三种表示法。（1）原码。最高位表示符号：0为正，1为负，数值的尾数部分不变。这就是原码的表示法。用+、-表示符号正负的二进制数称为真值。

以8位字长为例，若：X=+45=+101101B，则[X]=00101101B原

Y=-45=-101101B，则[Y]=10101101B原

当字长为 8（即 n=8）时，整数原码的表示范围为：-127≤X≤127；当字长为 16 时，表示范围为-32767≤X≤32767。

不管n为多少，0的原码有两种表达形式，以n=8为例：

[+0]=00000000B，[-0]=10000000B。原原

计算机中加减运算是用得最多的算术运算，而原码作两数的加减运算时相当麻烦：以加法为例，要先判两数符号的异同，相同时两数直接相加；若不相同再判两数的绝对值大小，然后以绝对值大的数减去绝对值小的数，得到结果的绝对值，最后将绝对值大的数符赋给结果。减法原码运算同样麻烦。为了简化运算，先后发展了有符号数的反码和补码表示方法。（2）反码。正数的反码与原码相同，符号位为0，尾数不变；负数的反码符号位为1，数值的尾数逐位变反。

若真值X=+1010100B求X的反码：

X为正数，[X]=[X]=01010100B反原

若真值X=-1010100B求X的反码：

X为负数，[X]=10101011B反

当n=8时，整数反码的表示范围为：-127≤X≤127；当n=16时为：-32767≤X≤32767。

0的反码有两种表达形式，以8位为例：[+0]=00000000B，[-0]反=11111111B。反

由反码求真值，若符号位为0，尾数即其真值；若符号位为1，尾数逐位变反，再加上负号。也可以先由反码求原码：[X]]=[X]，反反原再从原码求真值。（3）补码。一个绝对值小于模的数，若为正，其补码就是该数本身；若为负，其补码就是该数与模的和。

若真值X=+010100B求X的补码：

X为正数，[X]=[X]=[X]=00010100B反原补

若真值X=-010100B求X的补码：

X为负数，[X]=10010100B，[X]=11101011B，[X]原反补=11101100B

整数补码表示的范围：n=8时为-128≤X≤127，n=16时为-32768≤X≤32767。

按模的运算规则，0的补码只有一种形式。以8位为例：

[+0]=00000000B补8

[-0]=100000000B=00000000B（Mod 2）补n

补码表达的范围在负数端扩展了一个，n位补码可表达2个数。以8位为例，-128这个数原码和反码不能表示（已经溢出），而补码却能表示。按照补码的表达式：8

[-128]=2×补1+10000000=100000000+10000000=110000000=10000000（M0d 82）

补码求法：正数求补码，符号位为0，尾数不变；负数求补码，符号位为1，尾数各位求反加1。1.2.2 常用的编码

信息是对人有用的数据。计算机内把数据区分为数值型数据和非数值型数据。信息二进制编码指字符、文字和图像等在计算机内的表示。

1.字符编码

字符（Character）泛指由拉丁字母、数字、标点符号及一些特殊符号所组成的西文。一种文字的所有字符的集合叫做该文字的字符集。字符集中的每一个字符各用一个二进制代码来标识，它们构成了该字符集的代码表，简称码表。

字符集有多种，每种字符集的编码方法也多种多样。计算机中用得最普遍的西文字符集是ASCII码。ASCII是美国信息交换标准码（American Standard Code Information Interchange）的缩写，原是信息交换码的美国国家标准，后被ISO（International Standard Organization：国际标准化组织）接受为国际标准，称为ISO—646。它又称为国际5号码，代号IA5。ASCII码适用于所有拉丁文字字母，已在全世界通用。我国相应的国家标准是GB1988，称为《信息处理交换用的七位编码字符集》标准。

国际上通用的7位ASCII码，包含10个阿拉伯数字、52个大小写英文字母、32个标点符号、34个控制码，共128个字符，用7位二进7制数表示（2=128），具体编码如表1-1所示。

7位ASCII码在计算机中以一个字节（8位）存放，多出的一位（最高位）一般保持为0，或用做奇偶校验位。表1-1 美国信息交换标准七位ASCII码

随着计算机应用的普及，国际标准化组织在兼容ISO 646的基础上，制定出ISO 2022标准——《七位字符集的代码扩充技术》。该标准把原来的7位码扩展成8位码，可以表示256个字符，扩充了希腊字母、数学符号、外语字母、商用图符、游戏符号等。

西文字符集较常用的另一种编码是EBCDIC码，用8位二进制数编码标识一个字符，共有256个。该编码多用于IBM公司的某些计算机中。

2.汉字编码

汉字是中文字符，是汉文字的基本构成单位。汉字数量巨大，总数超过六万，且字型复杂，异体字多，同音字多，这给汉字的编码、处理、传输、交换、输入、输出带来不少困难。

计算机系统中汉字在不同应用界面有不同的编码，如输入、存储、传输、交换、显示等不同场合同一汉字各有不同的编码，同一应用界面也存在多种汉字代码。

以我国为主，世界上许多国家和地区都使用汉字。按实用频度可把汉字分为高频字（约100个）、常用字（约3000个）、次常用字（约4000个）、罕见字（约8000个）和死字（约45000个）。

我国1981年公布了《信息交换用汉字编码字符集·基本集》（GB2312—80）。该标准选取6763个常用汉字和682个非汉字字符，为每个字符规定了标准代码，供这7445个字符在不同计算机系统之间进行信息交换使用。该字符集及其编码称为国标交换码，简称国标码。

GB2312字符集由三部分组成：第一部分是字母、数字和各种常用符号（拉丁字母、俄文字母、日文平假名与片假名、希腊字母、制表符等）共682个；第二部分是一级常用汉字3755个，按汉语拼音顺序排列；第三部分是二级常用汉字3008个，按偏旁部首排列。

GB2312国标字符集构成一个二维平面，分成94行94列，行号称为区号，列号称为位号，分别用七位二进制数表示。每个汉字或字符在码表中都有各自确定的位置，即有一个唯一确定的14位编码（7位区号在左，7位位号在右），用区号和位号作为汉字的编码就是汉字的区位码。GB2312—80字符集中字符二维分布如图1-2所示。图1-2 GB2312—80字符集二维分布

汉字的区位码与国标码不相同。为了正确无误地进行信息传输，不与ASCII码的控制代码相混淆，在区位码的区号和位号上各自加32（即20H），就构成了该汉字的国标码。

为了存储与处理方便，汉字国标码的高低七位各用一个字节（8位）来表示，即用两个字节表示一个汉字。在计算机中双字节汉字与单字节西文字符混合使用、处理，汉字编码的各个字节若不予以特别标识，就会与单字节的ASCII码混淆不清。为此，将标识汉字的两个字节编码的最高位置为1。这种最高位为1的双字节汉字编码就是大陆普遍采用的汉字机内码，简称内码，是计算机内部存储、处理汉字所使用的代码。内码、国标码、区位码三者的关系是：

高字节内码=高字节国标码+80H=区码+20H+80H=区码+0A0H=区码+160

低字节内码=低字节国标码+80H=位码+20H+80H=位码+0A0H=位码+160

在许多场合GB2312—80基本集汉字不够用，国家先后制定了两个扩充的汉字字符集（两个辅助集）。繁体汉字在一些地区和领域仍在使用，针对上述三个汉字字符集又制定出相应的繁体汉字字符集，国家标准代号是GB12345—90《信息交换用汉字编码字符集·辅助集》，包含了717个图形符号和6866个汉字。

汉字编码字符集有多种，不同的计算机可能选择不同的汉字字符集及其编码，选择不同的内码来表示。BIG5是我国台湾省计算机系统中使用的汉字编码字符集，包含了420个图形符号和13070个繁体汉字（不用简体字）。

3.图像编码

图像表示法用m×n个像点（Pixel，即像素）来表示画面内容，又称为位图表示法或点阵表示法。图像特别适合表现含有大量细节（如明暗、浓淡、层次、纹理等）、色彩丰富的照片、绘画之类的画面。

常用彩色空间（又称彩色模型）来描述图像颜色。常用的彩色空间有RGB（红绿蓝）空间、CMYK（青橙黄黑）空间、YUV（亮度色差）空间。任何一种颜色都可在上述彩色空间中精确描述。图像在彩色空间的每一个分量的所有像素构成一个位平面，彩色图像有三或四个位平面，单色图像只有一个位平面。组成图像的所有位平面中像素的位数之和称为最大颜色数，也叫图像深度。图像的数据量等于图像宽度×图像高度×图像深度/8（字节长度）。表1-2给出几种常用图像的数据量。表1-2 常用图像的数据量

一幅静止图像的数据量尚且如此，三维动态画面的数据量更是大得惊人，必须经过压缩编码才能有效地传输、存储。

1.3 微型计算机系统的组成

微型机是由硬件系统（简称硬件）和软件系统（简称软件）组成的。硬件（如图1-3所示）是构成微型机的各种物质实体的总称，例如，主机、输入设备、输出设备、存储设备、多媒体设备等均属硬件。软件包括微型机正常使用所必需的各种程序和数据，其作用是扩大和发挥微型机的功能，从而使微型机有效地工作。可以说，硬件是微型机的躯体，软件是微型机的头脑和灵魂，两者缺一不可。没有软件的支持，再好的硬件配置也是毫无价值的；没有硬件，软件再好也没有用武之地。只有将两者有效地加以结合，微型机才能发挥作用。图1-3 微型计算机的外观1.3.1 微型计算机的硬件

微型机由许多部件组成，这些部件都封闭在主机箱内。

1.主机

主机一般指主机箱、主板、CPU、内存条、电源供应器。

主机箱分立式和卧式两种，两者之间没有本质的区别，只是机箱内部各部件的安放位置不一样，可以根据自己的爱好进行选择。

主机箱的正面可以看到光盘驱动器，从中可以插入光盘。主机箱的正面含有若干开关和指示灯，用于开机和显示其运行状态。

● 电源开关：用于接通或关闭电源。

● 硬盘指示灯：灯闪亮后表示硬盘正在进行读写操作。

● 电源指示灯：灯亮后表示电源接通。

● Reset开关：用于重新启动微型机，相当于关机后重新开机的效果。

● 光盘驱动器指示灯和按钮。

主机箱的背面由一些接口组成（如图1-4所示），用于连接外部设备。图1-4 主机箱的背面一些接口名称

● 视频插座：位于显示卡（显示适配器）上，用于连接显示器信号电缆。

● 并行端口：用于连接打印机或其他并行口外部设备。

● 串行端口：用于连接调制解调器或其他串行口设备等。

● 电源插座：位于电源供应器上，用于连接电源线。

● USB接口：用于连接USB接口的设备。

● PS/2接口：用于连接鼠标和键盘。

● 多功能卡接口：用于连接多功能卡的外部设备。

主机箱的内部含有主板、CPU、内存条、显示卡、硬盘驱动器、DVD驱动器、电源和各种多媒体功能卡（如声卡、网卡、视频卡等）。（1）主板。如图1-5所示，主板由微处理器（CPU）插座、芯片组（Chipset）、内存条插槽、BIOS芯片、功能扩展插槽和接口电路等组成，用于连接各种板卡和外部设备，使微型机正常运行。图1-5 微型机的主板（2）微处理器。微处理器（CPU）是微型机的核心部件，微型机的微处理器主要由运算器、控制器、Cache和寄存器等部件组成。CPU主要完成各种运算和对其他部件的控制，运算器用于对信息进行加工（加、减、乘、除和逻辑运算等），控制器用于控制微型机有条不紊地运行，从而使微型机各部件统一协调工作。微处理器的型号有8088、8086、80286、80386、80486、Pentium、PentiumⅡ、Pentium Ⅲ、Pentium 4、奔腾双核系列、酷睿2双核系列、酷睿2四核系列、酷睿 i3系列、酷睿i5系列、酷睿i7系列、K5、K6、K7、羿龙II X2系列、羿龙II X3系列、羿龙II X4系列、羿龙II X6系列等多种。（3）内存。内存是CPU可以直接寻址的存储器，专门用于存放程序及待处理的数据，是微型机的记忆中心。内存分为BIOS只读存储器和内存条随机存储器两种。

① BIOS只读存储器。BIOS ROM是指只能从中读出信息，而不能向其中写入信息，掉电后信息仍保持不变的内存。BIOS ROM中的信息是由厂家预先写入的系统引导程序、自检程序以及输入/输出驱动程序等组成的。

② 内存条。微型机运行时，系统程序、应用程序和用户数据都临时存放在内存条中，掉电时内存条中的信息随之消失。通常所说的内存大小是指内存条容量的大小，内存条容量以MB（兆字节）表示。微型机内存容量可以安装到512～4096MB（1MB=1024KB），甚至更高。（4）电源供应器。电源供应器是安装在一个金属壳体内的独立部件，它的作用是为系统和各种部件提供工作所需要的电源。

除此之外，主机箱内还有显卡、网卡、视频卡、Modem卡、声卡等。

2.存储设备

微型机的存储设备主要有硬盘和移动存储设备等。（1）硬盘驱动器。硬盘驱动器具有读写速度快、存储容量大等优点。硬盘及其读写驱动器是全部封装在一起的，寿命长，工作稳定。容量在200～2000GB。（2）移动存储设备。移动存储设备主要有闪存类存储器和移动硬盘。闪存类存储器的存储介质为半导体电介质。移动硬盘存储介质为硬磁盘，外置于机箱之外工作，通过USB或IEEE1394火线接口与计算机连接。

3.输出设备

微型机输出设备主要有打印机、显示器、扫描仪、绘图仪、音响设备、电视机和录像机等。（1）显示器。显示器又称监视器，主要用于显示各种数据或画面，是人与微型机之间交换信息的窗口。显示器可以及时地反映出微型机的工作情况和运行结果，并提示用户下一步如何操作，其工作原理与电视机相似。显示器的种类很多，主要有LCD显示器和CRT显示器。（2）打印机。打印机是微型机的主要输出设备，用于打印结果，输出图像、图形、票据和文字资料。流行的打印机种类有针式打印机、喷墨打印机和激光打印机。

4.输入设备

微型机输入设备有键盘、鼠标、麦克风、数码相机、摄像机、录像机和扫描仪等。（1）键盘。键盘是用户向微型机输入数据和控制微型机的工具。键盘上有一条电缆引出线，用来同主板后面的键盘插座PS/2相连接。（2）鼠标。鼠标是微型机的一种输入设备，用于增强或者代替键盘的光标移动键和其他键的功能。目前，鼠标有半光电鼠标、光电鼠标和无线鼠标。有些软件（如Windows）没有鼠标就发挥不出软件的优越性能。（3）扫描仪。扫描仪是图形输入的主要设备，用于将一幅画或者一张相片转换成图形文件加以存储，然后进行相应的处理（如编辑、显示或者打印）。（4）麦克风。麦克风用做现场录音、语言输入和唱卡拉OK等。

5.多媒体设备

多媒体设备主要有光盘和光盘驱动器、视频卡、声卡和音箱等。（1）光盘和光盘驱动器。光盘驱动器是微型机的主要外部设备，包括CD-ROM、CD-R/W、DVD-ROM、DVD-R/RW、DVD+R/RW驱动器等。光盘具有存储容量大、读取速度快、可靠性高、使用寿命长的特点，既可以存储声音，又可以存储文字、图形和动画等。通过DVD驱动器，既可以欣赏DVD音乐，又可以看DVD影碟。（2）声卡。如果没有声卡，就无法充分利用多媒体产品。声卡的主要功能是实现声音和数字信号的转换、播放音乐和进行声音编辑（录制、播放和修改等）等。目前声卡大部分集成在主板上。（3）视频卡。视频卡主要用于捕捉、数字化、冻结、存储、放大、缩小从激光视盘机、录像机或摄像机输出的图像信号，同时还可以进行相关的图像和音频处理。（4）音箱。音箱是微型机中不可缺少的组成部分，用于将接收到的信号转变成声音。多媒体中的音箱一般要求是有源和防磁的，有源是可以对较小功率的声音进行放大，防磁是可以防止音箱中的磁场干扰显示器。1.3.2 微型计算机的软件

软件又分为系统软件和应用软件两大类。

1.系统软件

通常系统软件可以细分为操作系统和各种实用软件。（1）操作系统。操作系统是系统软件中最基础的部分，是用户和裸机之间的接口。其作用是使用户更方便地使用微型机，以提高微型机的利用率。操作系统主要完成以下工作：

● 统一管理微型机中各种软、硬件资源。

● 合理组织微型机的工作流程。

● 协调微型机各部分之间、系统与用户之间、用户与用户之间的关系。

目前，微型机上常用的操作系统有DOS、Windows和Linux等。（2）实用软件。在操作系统支持下，有许多实用软件供用户使用，如文字处理软件（如Word、WPS）、电子表格处理软件（如Excel）、高级语言及汇编语言的语言处理程序（如编译程序、解释程序和汇编程序）、数据库管理系统、压缩/解压缩软件、多媒体声像同步软件、通信软件、多媒体制作工具（如Authorware）等。总之，所谓实用软件实际上是一组具有通用目的程序，这也是它和应用软件的区别所在，尽管这种区别并非那么严格。

2.应用软件

应用软件是具有特定应用目的程序组。例如：

● 管理软件，如财务管理、档案管理、商业管理等。

● 计算机辅助设计软件。

● 游戏和教学软件。

● 数字信号处理及科学计算程序。

本章小结

思考与练习

一、填空题

1.微型计算机硬件主要由运算器、控制器、（）、（）和外部设备组成。

2.微处理器是一个由算术逻辑运算单元、控制器单元、（）、高速缓存以及（）等单元组成。

3.微型计算机具有的优点是（）、价格低、使用方便、（）等。

4.图像表示法用m×n个像点（Pixel，即像素）来表示画面内容，又称为（）。

5.微型机运行时，系统程序、应用程序和用户数据都临时存放在（）中。

6.并行端口主要用于连接（）或其他并行口外部设备。

7.移动存储设备主要有（）存储器和移动硬盘。

8.扫描仪是图形输入的主要设备，用于将一幅画或者一张相片转换成（）加以存储，然后进行相应的处理。

9.视频卡主要用于捕捉、数字化、冻结、存储、放大、缩小从激光视盘机、录像机或（）输出的图像信号，同时还可以进行相关的图像和（）处理。

10.GB2312国标字符集构成一个二维平面，分成94行94列，行号称为区号，列号称为位号，分别用（）数表示。每个汉字或字符在码表中都有各自确定的位置，即有一个唯一确定的14位编码（7位区号在左，7位位号在右），用区号和位号作为汉字的编码就是汉字的（）。

二、选择题

1.世界上第一台电子数字计算机（）诞生于美国。

A.1945年 B.1946年 C.1955年 D.1956年

2.当前主流的酷睿i系列微型计算机数据位为（）。

A.64位 B.36位 C.32位 D.62位

3.微型机运算速度主要以单字长定点指令的平均执行时间来衡量，单位是（）指令。

A.每分钟千万条 B.每秒钟千万条 C.每秒钟百万条 D.每分钟百万条

4.磁头沿盘径移动到需要读写的磁道的平均时间称为（）。

A. 平均寻道时间 B.平均等待时间 C.平均传输时间 D.硬盘的速度

5.我国1981年公布了《信息交换用汉字编码字符集·基本集》（GB2312—80）。该标准选取（）常用汉字和682个非汉字字符，为每个字符规定了标准代码。

A.6773个 B.6760个 C.6763个 D.6750个

6.将十进制数725转换为十六进制数为（）。

A.2D5H B.2D4H C.2D3H D.2D6H

7.将10101101.101B转换为十进制数为（）。

A.173.625 B.172.665 C.171.625 D.173.624

8.将10111001.01101B转换为十六进制数为（）。

A.B9.78H B.B8.68H C.B9.68H D.B9.66H

9.X=-101110B，X的8位补码为（）。

A.11010010 B.01010010 C.11010011 D.11010100

10.国际上通用的7位ASCII码，它包含10个阿拉伯数字、52个大小写英文字母、32个标点符号、34个控制码，共128个字符，C的ASCII码为（）。

A.64H B.63H C.43H D.42H

三、问答题

1.列出微处理器所经历过的主要型号。

2.说明微型机的硬件和软件之间的关系。

3.微型机箱正面有哪些主要的开关和指示灯，各种开关和指示灯的主要作用?

4.主机箱的背面主要有哪些接口或插座?

5.微型机的操作系统主要作用是什么?

第2章 微处理器结构及基本工作原理

微处理器是由包括多个寄存器、算术逻辑运算部件、控制器逻辑电路以及高速缓存的大规模集成电路器件组成。

2.1 微处理器的结构及工作原理

图2-1是经过简化的既易于理解又保持了CPU主要特征的简单微处理器的内部的基本结构，图中虚线左边是CPU，它包含运算器ALU、控制器和寄存器组三部分，各部分由内部总线相连。该机内部寄存器为8位，机器字长因而也为8位，表现在外部数据总线DB也是8位；虚线右边是容量为256个存储单元（每个存储单元存放一个8位的二进制数）的存储器，故指示存储单元的地址总线AB也只有8位8（2=256）。图2-1 简单微处理器结构

微处理器CPU是整个微型计算机的核心部件，由运算器和控制器组成，其主要任务是进行各种算术运算、逻辑运算，并指挥、组织和协调计算机各个部件的工作。CPU一般具有以下基本功能：

● 指明将要执行的指令所在的存储单元的地址，取出指令并进行译码；

● 执行算术和逻辑运算，暂存少量数据；

● 传输数据，包括在CPU内部传输数据及与外界交换数据；

● 对各部件进行控制，包括对CPU内部的控制和对CPU以外部件的控制；

● 响应其他部件发出的中断请求和总线请求等。

CPU中各主要功能部件简单叙述如下：

1.寄存器组

寄存器是CPU的组成部分，用来存放数据和地址。存放的数据包括参与运算的源操作数、操作的中间结果以及最终结果。寄存器组中每个寄存器都有指定的名称和编号，有些寄存器在程序执行过程中可承担多种任务，称为通用寄存器，某些通用寄存器还兼作一些指定的用途；有些寄存器则专门作某种特定的用途，称为专用寄存器。显然寄存器越多，程序的设计越灵活方便，可以减少程序执行过程中访问内存的次数，从而提高程序运行的速度和效率。

累加器A（Accumulator）和标志寄存器F（Flag）是寄存器组中极为重要的两个寄存器。进行算术、逻辑运算的操作数主要就是来自于累加器，并且运算后的结果一般也送回累加器。CPU与内存单元交换数据时，累加器也是基本的源寄存器或目标寄存器。

标志寄存器F则主要用来保存ALU运算或CPU其他操作指令执行后结果的某些特征和状态，它的某些位还用做控制标志。

2.算术逻辑单元ALU

在微型计算机中，任何数学运算都可以用加法和移位这两种基本操作来实现，所以ALU主要由加法器、移位电路、门控制电路组成。它在指令译码器产生的操作控制信号作用下，完成各种算术运算、逻辑运算或其他操作。ALU有两个输入端，接受两个待处理的操作数，执行运算后，运算结果从输出端送到某个寄存器，或者经数据总线送到片外的存储器中保存起来，同时，运算结果的某些特征位则送标志寄存器中。

浮点运算单元FPU（Floating Point Unit）主要负责浮点运算和高精度整数运算。有些FPU还具有向量运算的功能，另外一些则有专门的向量处理单元。

3.控制器

计算机从开始工作到一系列操作的完成，都是根据预先编好的程序自动进行的。程序中每一条指令均指明了机器做什么和怎样做。为了完成一条指令所规定的操作，机器的有关部件、线路要相应地完成一系列基本动作，而这些基本动作又必须按时间先后次序，互相配合，有节奏地完成。计算机要完成这样复杂的动作，必须要有控制器统一指挥才行。控制器是指挥全机工作的控制中心，控制器源源不断地从内存储器取来指令，并对之译码，产生计算机各部件所需要的操作控制信号。为了完成上述功能，控制器至少必须包括下列电路：（1）程序计数器PC（Program Counter）

程序计数器PC又称指令指示器IP（Instruction Pointer），是用来表征和计算指令序号的计数器，控制对指令的读取。程序在内存储器中是按指令的顺序预先存放的，在多数情况下，PC按顺序计数，CPU按PC 指出的顺序，逐条逐字节从内存中取出指令，分析并执行指令。每当取出一个字节的指令后，PC自动加1，PC中的内容就是下一个指令字节所在的存储单元的地址。当遇到转移类指令、调用指令和返回指令时，指令执行的结果是将要转移的目标地址送入PC中，CPU按照PC中新的内容取指令，从而实现了程序的转移。

PC的位数取决于微处理器所能寻址的存储空间，例如寻址空间8为256个字节，PC为8位（2=256）；寻址空间为64K字节，则PC须16为16位（2=64K）。（2）地址寄存器AR（Address Register）

地址寄存器存放存储单元地址或I/O端口地址，而该存储单元或端口中存放将要执行的指令，或将要读写的数据。（3）数据寄存器DR（Data Register）

数据寄存器用来存放读或写的数据，这些数据可能是参加运算的数据、结果或者是指令、地址等。（4）指令寄存器IR（Instruction Register）和指令译码器ID（Instruction Decoder）

指令寄存器接收从存储器中取出的指令代码，再把该指令代码送到指令译码器。指令译码器对指令进行分析、译码，确定指令的操作类别、条件及如何寻找操作数，从而在不同时刻产生各种不同的操作控制信号去控制各部件协调工作。（5）时序

微处理器是一个非常复杂的系统，各种控制信号间有着非常严格的时间关系。时序系统的作用就在于将各种控制信号严格定时，使多个控制信号在时间上相互配合完成特定的功能。

① 时序的概念

大多数处理器执行一条指令都要经过取指令、指令译码和执行指令这3个步骤。取指令过程就是将存放在主存储器中的指令代码读到微处理器的指令寄存器中的过程。每执行一条指令，微处理器的时序控制器都要发出一系列特定的控制信号。微处理器的时序就是指微处理器执行各种指令的动作过程及其在时间上的对应关系。

② 取指周期和总线周期

微处理器取出并执行一条指令，都要完成一系列的操作。由于指令的操作功能不同，执行一条指令所需要的时间也不尽相同。为分析方便，可将一条指令的执行过程分为若干个不同的基本操作，完成每一个基本操作所需的时间称为机器周期。任何一条指令的第一个机器周期都是取指令的过程，故称为取指周期。而微处理器完成的每一个基本的动作都是在时钟脉冲的作用下，一步一步完成的，故每个时钟周期是微处理器处理动作的最小的时间单位，称为T周期或T状态。时钟周期可通过微处理器的时钟主频计算得到。通常把CPU通过总线对微处理器外部（存储器或I/O接口）进行一次访问所需时间称为一个总线周期。一个总线周期一般包含4个时钟周期。

一个取指周期包括若干个机器周期，一个机器周期由若干个时钟周期组成。

时序部件产生计算机系统各个部件所需要的时序信号。

4.总线（BUS）

微处理器采用内部总线结构，内部总线是各部件（如运算器、寄存器、控制器、Cache等）之间传输信息的公共通道。系统总线是连接CPU、存储器或I/O端口等部件之间的总线，在总线上流动的信息大致可分为两类：一类是数据和程序，数据包括程序运行所需的原始数据和程序运行的结果以及这些数据的地址信息。另一类是控制器向各部件发出的控制命令以及各部件发给控制器的状态信息。微处理器利用三组总线即数据总线DB（Data Bus）、地址总线AB（Address Bus）和控制总线CB（Control Bus）分别传输指令及指令执行过程中相关的数据、地址信息和控制信息。（1）数据总线

数据总线是在CPU、存储器或I/O端口等部件之间传递数据的通道，每次传输一个“计算机字”，因此，其宽度（根数）通常与计算机的字长一致。无论对CPU、存储器还是I/O端口来说，数据总线是有“进”有“出”的，所以数据总线的传输是双向的。（2）地址总线

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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