第一章-计算机基础知识

华南农业大学工程学院

代秋芳讲师

EmaiI:daiqiufang@scau.edu.cn

CelI/p>

2华南农业大学工程学院④

第1章计算机基础知识

参考书目

书名主编出版社

微型计算机原理及应用技术朱金钧机械工业

微型原理与接口技术彭虎电子工业

微型计算机原理林全新人民邮电

微机原理与接口技术汪吉鹏高等教育

微型计算机原理与接口技术倪继烈清华大学

微型计算机原理与汇编语言潘峰电子工业

计算机组成与汇编语言周明德清华大学

微机原理与接口技术李文英清华大学

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第1章计算机基础知识

第1章计算机基础知识

123带符号数的表示~\

计算机发展概述

1.2.4数的定点和浮点表示

1.1.1计算机发展概况

•1.3计算机系统的组成及程

1.1.2计算机的主要特点

序执行过程

1.1.3计算机的分类

1.3.1计算机硬件系统组成

1.1.4计算机的应用及程序执行过程

1.1.5计算机的发展趋势1.3.2计算机的软件系统

•1.2运算基础1.3.3微型计算机系统的组

1.2.1进位计数制成及特点

1.3.4微型计算机的主要技

、122二进制编码

术指标J

第1章计算机基础知识华南农业大学工程学院

1.1计算机发展概述

LL1计算机发展概况

世界上第一台现代意义的电子计算机

1946年美国宾夕法尼亚大学设计制造的ENIAC

18000个电子管

占地170平方米

重达30吨

耗电150千瓦

保存80个字节

每秒5千次加、减法

价值40万美元

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第1章计算机基础知识

LL1计算机发展概况

多一代电子管计算机（19457958年）

第二代晶体管计算机（1958〜1964年）

第三代集成电路计算机（1964-1971年）

第四代大规模集成电路计算机（1971年至今）

第1章计算机基础知识华南农业大学工程学院

薇昼锂靛爰展

摩尔定律：微处理器的集成度（IC上可容纳的晶体管

数目）每隔18个月就会翻一番，芯片的性能也随之提

高一倍

戈登•摩尔

世界头号CPU生产商

Intel公司的创始人之一

第1章计算机基础知识华南农业大学工程学院

transistors

100,000.000

10,000,000

1,000,000

100,000

10,000

1000

1970197519801985199019952000

DRAM和InteI的CPU两大类集成电路的规模几乎准

确按摩尔定律发展。

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第1章计算机基础知识

微处理器的发展

•第一代微处理器(1971〜1973)：以Intel4004和Intel

8008为代表。时钟频率1MHz,指令系统不完整，存

储器容量很小，只有几百字节，没有操作系统，只有

汇编语言O

最初的Intel4004微处理器采

用金顶白色陶瓷封装

后期才出现了普通黑陶瓷以

及塑料封装

卬第1章计算机基础知识华南农业大学工程学院

微处理器的发展I

摩尔将4004称之为“人类历史|

上最具革新性的产品之一”。

它是美国Intel公司1971年推出，

的第一款微处理器，也是全球

第一款微处理器，成本不到

100美元。

.4位

•含2300只晶体管

•芯片面积：13.5mm2

•16针双列直插DIP封装

•10um线宽的PMOS工艺

•时钟频率108KHz，

第1章计算机基础知识华南农业大学工程学院住

微处理器的发展

•第二代微处理器(1973〜1975)：以8位微处理器为基础，典

型的微处理器有Intel8080及Motorola公司的6800。时钟频率

2MHzo

•第三代微处理器(1975〜1977)：以8位微处理器为拳础，如

Intel8085>Z80及M6802。时钟频率2.5〜5MHz,采用MOS

(HMOS)工艺，有较完整的指令系统和较强的功能。

•第四代微处理器(1978〜1980)：以16位和准32位微处理学为

基础，如Intel8086、M6809和Z8000。时钟频率5MHz,采用

NMOS工艺。

・第五代微处理器(20世纪80年代)：代表产品80286和M68010,

字长为16位，集成度10万宣/片，lOMHzo80年代初，IBM公

司推出IBMPC。IBMPC采用80x86(80286>80386)微处理

器和MSDOS操作系统并公布了IBMPC的总线设计，其后又

出现Pentium系列

第1章计算机基础知识华南农业大学工程学院

Intel1997年推出的PentiumII微处理器芯片

♦32位

♦含7500000只晶体管

♦芯片面积：209mm2

♦16针双列直插DIP封装

♦0.35umCMOS工艺

♦时钟频率233〜300MHz

（昌•・第1章计算机基础知识华南农业大学工程学院④

1.1.2计算机的主要特点

自动性

准确性

2华南农业大学工程学院④

第1章计算机基础知识

微型计算机系统的三个层次

1、微处理器

»严格讲，微处理器rCPU,现在通常混用

>CPU：计算机中执行运算和控制功能的区域。算术

逻辑部件(ALU)和控制部件两大主要部分组成

»微处理器：把CPU和一组称为寄存器(Registers)

的特殊存储器集成在一片大规模集成电路或超大规模

集成电路封装之中

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第1章计算机基础知识

微型计算机系统的三个层次

2、微型计算机

以微处理器为核心，配上由大规模集成电路制作

的只读存储器（ROM）、读写存储器（RAM）、输

入/输出接口电路及系统总线等所组成的计算机。

»单片机（SCM）：将这些组成部分集成在一片超大

规模集成电路芯片上，称为单片微型计算机，简称单

片机。同一块芯片

»单板机：同一块电路板

A位片机：以位作为存储单位

2华南农业大学工程学院④

第1章计算机基础知识

微型计算机系统的三个层次

3、微型计算机系统

»微型计算机系统：以微型计算机为中心，配以相应

的外围设备以及控制微型计算机工作的软件

A裸机：微型计算机如果不配有软件

A软件：分系统软件和应用软件。

总结：微型计算机系统的三个层次

微处理器|二＞|微型计算机微型计算机系统

第1章计算机基础知识华南农业大学工程学院

三个层次微处理器、微型计算机和微型计算机系统

算术逻辑部件

微

累加器、寄存器处

理

控制器器

内部总线

微

微

型

内部存储器型

计

计

算

输入/输出接口算

机

系统总线机

系

外围设备统

系统软件

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第1章计算机基础知识

1.1.3计算机的分类

（从原理上）模拟计算机

数字计算机

（从用途上）专用计算机

通用计算机

（从字长上）4位、8位、16位机

32位、64位机

位片机

从结构上单片机、单板机

微机系统等

第1章计算机基础知识华南农业大学工程学院

1.1.4计算机的应用

航空航天

科学研究

家用电器

第1章计算机基础知识华南农业大学工程学院

LL4计算机的应用

第1章计算机基础知识华南农业大学工程学院

1.1.4计算机的应用

家用电器

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第1章计算机基础知识

LL5计算机技术的发展趋势

,两极化

/多媒体技术

网络化

智能化

非冯•诺依曼体系结构计算机

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・第•・1・章••计♦•算•・•机・■基••础••知•••识・♦•・

L2运算基础

1.2.1进位计数制

R进制数特点：

•具有R个不同数字符号：0、1、…•…、R-1

•逢R进一

R进制数S可用多项式（称为按权展开式）表示为:

n-\n-210-1-2-m

-1••••••

d^-jfiLM-W<-*■▼-*.

n-10-1-m

位置表示法：用%“％.2…41。0・生1生2…%w书写表示数据

的方法

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CO第1章计算机基础知识

1、十进制数

特点：

­具有十个不同的数字符号，即0-9

,逢十进一

十进制数可用按权展开式表示

例如：

(758.75)10

=7X102+5Xl(P+8X10°+7X10/+5X102

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第1章计算机基础知识

2、二进制数

特点：

•具有两个不同的数字符号，即0和I

,逢二进一

二进制数可用按权展开式表示

例如：

421

(10110.101)2=1X2+0X23+1X2+1X2

+0X20+1X24+0X2-2+1X2召

=(22.625)io

第章计算机基础知识华南农业大学工程学院

・•・1・••♦••・•・■•••••••・♦•・

3、十六进制数

特点：

•具有十六个不同数字符号，即0-9,A-F

,逢十六进一

十六进制数可用按权展开式表示

例如：

211

(1AF.4)16=1X16+10X16+15X160+4X16

=(430.25)1。

第章计算机基础知识华南农业大学工程学院

・•・1・••♦••・•・■•••••••・♦•・

表1-1三种数制对照表

十进制二进制16进制十进制二进制16进制

000000910019

100011101010A

200102111011B

300113121100C

401004131101D

501015141110E

601106151111F

701117161000010

810008171000111

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第1章计算机基础知识

4.各种数制之间的转换

1）二进制、十六进制转换成十进制

•采用按权展开式计算求和的方法，如前例

2）十进制转换成二进制、十六进制〉~〉

•整数部分采用除基取余法

・小数部分采用乘基取整法

3）二进制与十六进制间的相互转换）~）

•每一位十六进制数对应四位二进制数

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第章计算机基础知识

・•・1・••♦••・•・■•••••••・♦•・

【例1-1】十进制数22.625转换为二进制数

T数部分:除基取余以（小数部分：乘基取整法\

2220.625

211••余0(低位)X2_______

山.25…取整数1(高位)

2|5•.余1

义2________

212..余1d.5・・・取整数0I

2|1•.余0

..余1(:位)X2

\0.0…取整数1（低位）

所以：(22)10=(10110)2(0.625)10=(0.101)

结果：(22.625)10=(10110.101)2

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第1章计算机基础知识

【例1-2】十进制数430.25转换为十六进制数

整数部分：小数部分：

16|4300.25

16|26…余14一E（低位）X16

4.0^・・取整数4

16I1…余10-△

0…余1（高位）

结果：（430.25）10=（1AE.4）16

•整数部分转换：每次只求整数商，将余数作为转

换结果的一位，重复对整数商除基数，一直除到

商为0%止。

・小数部分转换：每次把乘积的整数取走作为转换

结果的一位，对剩下的小数继续进行乘法运算。

»转换结果精确：对某些数可以乘到积的小数为0

（如上述两例）

A转换结果不精确：对某些数（如0・3）永远不能乘

到积的小数为0,这时要根据精度要求，取适当的

结果位数即可

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第1章计算机基础知识

将二进制数转换为十六进制数，只要以小数点为界,

分别向左和向右每四位二进制位为一组（若最高位或最

低位不够四位则补0）,每组对应转换为十六进制数即

可。

例如：十六进制数1AE.4

I；；；

000110101110.0100

即(1AE.4)16=(110101110.01)2

例如：二进制数110101110.01

0001101011110.0100

,、IIii

十六进制数1AE.4

即(110101110.01)2=(1AE.4)16

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第1章计算机基础知识

5.二进制数的算术运算

[例1-3]10100+1101=100001例1-41100001-10100=111

...............10100..........................................100001

+1101-11010

100001111~

【例1-5】1101X1011=10001111【例1・6】11100^101=101—11

...............1*101........................101—商

X1011loi^Yiiioo

1101

101

1101

00001000

+1101101

1000111111------余数

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第章计算机基础知识

・•・1・••♦••・•・■•••••••・♦•・

6.二进制数的逻辑运算

abNOTaNOTbaANDbaORbaXORb

0011000

0110011

1001011

1100110

【例L7】10100101AND10001011【例1-8】10100101OR10001011

=10000001=10101111

1010010110100101

AND10001011OR10001011

1000000110101111

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第章计算机基础知识

・•・1・••♦••・•・■•••••••・♦•・

【例1-9】NOT10100101=01011010

NOT10100101

01011010

【例1-10】10100101XOR10001011=00101110

10100101

XOR10001011

00101110

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第1章计算机基础知识

L2.2二进制编码

1、二进制编码的十进制数

•BCD码是十进制数，有10个不同的数字符号，且是逢

"十进位的；但它的每一位是用4位二进制编码来表示

的，因此称为二进制编码的十进制数。

•BCD码比较直观，如：

>(65)(01100101)

JLVFMJ

>(01001001.0111)BCD=(49.7)

•与二进制之间不能直接转换，要用十进制作为中间桥

梁，即先将BCD码转换为十进制数，然后再转换为二

进制数；反之亦然。

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第章计算机基础知识

・•・1・••♦••・•・■•••••••・♦•・

表1-2BCD编码表

十进制8421BCD码十进制8421BCD码

0000060110

1000170111

2001081000

3001191001

401001000010000

501011100010001

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第1章计算机基础知识

2、字母与字符的编码

/二进制编码：字母和字符也必须按照特定的规则，

用二进制编码才能在机器中表示

/编码方式：编码可以有各种方式，目前微机中最普

遍采用的是ASCII码(AmericanStandardCodefor

InformationInterchange,美国标准信息交换码)

/ASCH码：采用7位二进制编码，故可表示27=128个

字符，包括数码(0-9),以及英文字母等可打印字符

/汉字编码：采用国标码(GB18030-2000)

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第章计算机基础知识

・•・1・••♦••・•・■•••••••・♦•・

1.2.3带符号数的表示

V、原码）

］正数的符号位用0表示，负数的符号位用1表示,

数值位（二进制）保持不变。

原码的定义为:

»若X2+0,则［X^=X

A若XW-0,则［X］原=2"i-X其中〃为原码的位数

»若X2+0,则［X^=X

A若Xe0,贝U［X］反=2〃+X-L其中〃为反码位数

特点：

A」；.常需种表示方法:［+0］反=00000000,［-0］反

»胞三港，制反码真值范围为-127〜+127；16位反码真

值范围为-32767〜+32767

»带符号数用反码表示，最高位为符号位

第1章计算机基础知识华南农业大学工程学院

模的概念:

A补码的引入：钟表上，如果现在时间是6点整，而钟

表却指着8点整，快了2小时，校准的方法是正拨10

小时或倒拨2小时,结果都正确，即：8+10=6(mod

12)顺拨，8-2=6(mod12)倒拨。

A钟表的时针的模：在钟表上，指针正拨12小时或倒

拨12小时，其时间值是相等的，即在钟表上X+12=X

-12(mod12)o对钟表来说，它的时针的模为12

An位二进制数的模：n位二进制数的计数范围为。〜

(2«-1),在该计数器上加2n或减2n结果是不变的,

我们称2n为n位计数系统的模。

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第1章计算机基础知识

补码的定义：对〃为二进制数，模为2〃

A如果X2+0,则［司补=(2wXi+X)MOD2n=X

>如果xw-0,则［X］补=(2〃+X)MOD2n=2n-1+X

+1=［X］反+1

正数与原码同。负数符号位不变，其余各位取反加1

例：［+3］补=［+3］原=［+3］反=00000011

［-3］补=［-3］反+1=11111100+1=11111101

［+0］补=［+0］原=［+0］反=00000000

卜0］补=［0］反+1=11111111+1=00000000

第1章计算机基础知识华南农业大学工程学院

<3：耳卜码;

8位带符号的补码特点

>［+0］补=［—0］补=00000000

>8位二进制补码真值范围为-128〜+127；16位补码真

值范围为-32768〜+32767o

»符号位与其余位：最高位为符号位，“0”正“1”负

/当符号位为“0”时，其余位为此数的二进制值；

/当符号位为“1”时，其余位不是此数的二进制值，

其值为后面各位按位取反，在最低位加1。

『［X±YM=［X］补+［土Y］补，当采用补码表示时，

可以把减法运算转换为加法运算。

__________________________________________________________________y

U___________________________A

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表-3数的表示方法

十进制数二进制数原码反码补码

-128-10000000■■■■■■■■10000000

-127-1111111111111111000000010000001

-126-1111110111111101000000110000010

•••

-2-0000010100000101111110111111110

-1-0000001100000011111111011111111

-0-0000000100000001111111100000000

+0+0000000000000000000000000000000

+1+0000001000000010000000100000001

+2+0000010000000100000001000000010

•••

+126+1111110011111100111111001111110

+127+11中11盟111110111111101111111

Z"[/、f——L

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第章计算机基础知识

・•・1・••♦••・•・■•••••••・♦•・

补码符号位扩展（如8位扩展到16位）

•有符号数

»符号位为“0”全补“0”

A符号位为“1”全补“1”

•无符号数：全补“0”

第1章计算机基础知识华南农业大学工程学院住

匚U码运算的溢出及其判断方&>

»溢出：指运算结果超出了规定长度数据的表数范围，

在此特指带符号数的补码运算溢出。

A字长为n位的补码表示的带符号数，最高位为符号，

其余n-1位表示数值，表数范围为-2%i〜+2鹏・1。如

果一个运算的结果超出了这个范围，就称为补码溢

出（简称溢出），这时运算结果是错误的。

A例如，对于8位字长的二进制补码数，其表数范围为■

128〜+127。如果运算结果超出了此范围，就会产生

溢出O

第1章计算机基础知识华南农业大学工程学院住

•已知［60］补=00111100,［-60］补=11000100

［100］补=01100100,［-100］补=10011100

［60］补=00111100160］补=11000100［60］补=00111100

+［100］补=01100100+1100］补=10011100+1100］补=10011100

1010000010110000011011000

I自然丢失—」1I

符号符号符号

［60+100］补=10100000,两正数相加，结果为负，错误

［(-60)+(-100)］#=01100000,两负数相加，结果为正，错误

［60+(-100)］补=11011000:40,正确

2第1章计算机基础知识华南农业大学工程学院应

A判断溢出的方法：有很多，如例根据参加加法运

算的两个数据的符号及运算结果的符号可以判断是

否溢出。

A计算机判断溢出的方法：根据加法运算中在最高

位与次高位的两个进位来判断。

设8位二进制数的各位记为D7D6D5…D。,运算中两

个口6位的进位记为C6,两个D7位的进位记为C7,用

OV=C7XORC6（XOR是逻辑异或运算）判别式可

以判断溢出情况。如果ov=o,表示结果无溢出，否

则当OV=1时，表示结果有溢出。

注意：进位与溢出的区别

第章计算机基础知识华南农业大学工程学院

・•・1・••♦••・•・■•••••••・♦•・

1.2.4数的定点和浮点表示

（定点表示

・约定小数点在符号位之后、数值部分最高位

定之前，因此数据是纯小数，故又称定点小数

点

小其格式为:符号位数值部分（尾数）

数

法t—小数点位置

定点小数法比例因子的选择：例如有两个数为:

010.01和001.100,若进行两数相加时：

010.01+001.100=（0.1001+0.0110）X22,该比

例因子选为22,而且两数相加结果仍小于1。J

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第1章计算机基础知识

(定点表示法〕

a

)

二

・约定小数点的位置固定在数值部分的最低位

定

点之后，也就是把数表示为纯整数

整

数其格式为:符号位数值部分(尾数)

法

小数点位置一t

］定点整数表示法也有比例因子的选择问题，例丁

如上例两个数化为定点整数运算则为

(010.01+001.100)=(01001+00110)X2-2,

I该比例因子选为2・2。J

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第1章计算机基础知识

（浮点表示法）

•在浮点表示法中，小数点的位置是不固定的或者说

是可浮动的。一般来说，任何一个二进制数的浮点表

示格式为：

PfP$2…PmS!S...S

Sf2n

阶符阶码数符尾数

,任何一个二进制数，它的浮点数可表示为：二

N=2PXS

®..第1章计算机基础知识华南农业大学工程学院4

（浮点表示法）

例如：二进制数N=2+uX0JL01L在浮点机中的表示

格式为:

0001101011

阶本曲码

怖定：当尾数满足0・5W|S1<1时，即为规格化数。叫

尾数的最高有效位是有效数字L而不是0。对定点表

示法，选择恰当的比例因子实现规格化；对浮点表示

'法，需要调整阶码的数值实现规格化。J

例如：N=2+iiX0.0101,这是非规格化浮点数

改写成：N=2+1。X0.1010,这是规格化浮点数。

第1章计算机基础知识华南农业大学工程学院住

•定点表示法与浮点表示法的比较

产字长32位，数符占1位，\

尾数占31位,贝！J：

定点小数表示范围：2-31W|S|W1-2-31

I四点整数表示范围：1W|S|W231-1J

衣字长32位，其中阶码8位（包括1位阶符），24

位尾数（包括1位数符），其最在阶码为27-1=127

范围：2T28X2-23W|S|W2127X（1-2一23）

3似：—2127wSW2127J

浮点数的运算比定点数的运算复杂，浮点数需要先

“对阶”，然后两个尾数才能相加减。

《瞿…第德•安复秋荽燃1风•华南农业大学工程学院

1.3计算机系统的组成及程序执行过程

VonNeumann计算机体系结构要点

•采用二进制数的形式表示指令和数据

・将指令序列（程序）和数据预先存

入计算机的存储器中

・计算机硬件由运算器、控制器、存储器「输入设

备、输出设备五大部分组成

冯•诺依曼型计算机工作原理的核心是“存储程序”

和“程序控制”，即“集中顺序控制”。

第1章计算机基础知识华南农业大学工程学院;及;

1.3.1计算机的硬件系统组成及程序执行过程

计算机的基本硬件组成

第1章计算机基础知识华南农业大学工程学院住

2、运算器、存储器和控制器

•运算器主要包括能完成加、减、乘、除算术运算及

逻辑运算的电路以及多个寄存器。

地址内容

「♦在微型机中存储单元通常以8bi0

020

131即1字节为单位。为了能唯一确定

2-18并找到任一个存储单元，计算机对

每一存储单元都指定一个唯一的编

号，称之为存储单元的地址，地址

I通常从0开始顺序编排。J

n186

图1-2存储单元的地址与内容

华南农业大学工程学院⑥

《日”•第博•立复外圣典选映3…

2、运算器、存储器和控制器

“令指厂箱令寄存需1

G空制苦

II

:J制信号:

控制器的组成

第1章计算机基础知识华南农业大学工程学院住

2、运算器、存储器和控制器

数据总线DB

ACC暂存器1暂存器2指令寄存器IR控制读/写控制电路

地

通用

线

总

址

存

寄

译

组

器指令译码器IDCB

算术逻辑单元码存储

专

用

器

寄

存单元

ALU外部

器

组>

控制信号控制

发生器A信号

IP

地址总线AB内部控制信号

图1-3简单计算机的硬件电路结构示意图

a华南农业大学工程学院④

第1章计算机基础知识

3、程序执行过程

程序的执行过程就是执行指令序列的过程，也

就是一条条地执行指令的过程。

每一条指令的执行：

»取指阶段：先从存储器中取出指令

A分析执行阶段：然后由控制器进行分析译码、发

出一系列控制信号完成该指令的执行

2华南农业大学工程学院④

第1章计算机基础知识

4、控制器设计

G)按照其产生微操作微程序控制器

控控制信号的方式

制

器传统的组合

逻辑控制器

+微程序技术的基本原理：把指令的执行分解成若干

个微操作，用微指令将这些微操作编成微程序，通

过执行微程序来完成这些微操作，即执行了指令。

华南农业大学工程学院④

第1章计算机基础知识

1.3.2计算机的软件系统

1、系统软件

由机器设计者提供，使用和管理计算机的软件称为系统软件

一厂机器的监控管理程序、

操作系统、调试程序、故障诊断野

第章计算机基础知识华南农业大学工程学院

・•・1・••♦••・•・■•••••••・♦•・

2、应用软件

「♦硬件建立了计算机的物质基础；软件则扩大了计算机的;

功能。硬件和软件只有结合起来，才能完成各种功能，才

是一个完整的计算机系统。

・软件可看做是用户与计算机硬件系统的接口。软件之间

［又是逐层依赖的。J

华南农业大学工程学院④

第章计算机基础知识

・•・1・••♦••・•・■•••••••・♦•・

用户

应用软件

系统软件

硬件系统

图b7计算机系统的功能模型

华南农业大学工程学院④

第1章计算机基础知识

1.3.3微型计算机系统的组成及特点

L微型机硬件结构及特点

fe总线是微型机中连接各功能部件并传送信息的一所

信号线，主要分为三大类，即地址总线AB(Address

Bus)、数据总线DB(DataBus)和控制总线CB

1(ControlBus)。总线结构是微型机的独特结构,

图『7微型机的外部结构特点

■第1章计算机基础知识华南农业大学工程学院

1.3.3微型计算机系统的组成及特点

2、微型机硬件系统的组成

算术逻辑部件

微

累加器、寄存器处

理

控制器器

内部总线

微

微

型

内部存储器型

计

计

算

输入/输出接口算

机

系统总线机

系

外围设备统

系统软件

图-6微处理器、微型计

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第1章计算机基础知识

中央处理器主板