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1、第01章计算机基础1 1第1页，本讲稿共72页第一节第一节 概述概述 计计计计算算算算机机机机的的的的发发发发明明明明是是是是2020世世世世纪纪纪纪最最最最重重重重大大大大的的的的科科科科学学学学技技技技术术术术成成成成就就就就之之之之一一一一，它它它它使使使使人人人人类类类类文文文文明明明明进进进进入入入入了了了了一一一一个个个个崭崭崭崭新新新新的的的的时时时时代代代代，它它它它的的的的应应应应用用用用已已已已进进进进入入入入了了了了社社社社会会会会生生生生活活活活的的的的各各各各个个个个领领领领域域域域，有有有有力力力力地地地地推推推推动动动动了了了了社社社社会的发展。会的发展。会的发展
2、。会的发展。计算机的特性：计算机的特性：计算机的特性：计算机的特性：（1 1 1 1）高速度）高速度）高速度）高速度 （2 2 2 2）高度自动化）高度自动化）高度自动化）高度自动化 （3 3 3 3）具有记忆能力）具有记忆能力）具有记忆能力）具有记忆能力 （4 4 4 4）具有逻辑判断能力）具有逻辑判断能力）具有逻辑判断能力）具有逻辑判断能力 （5 5 5 5）高精度和高可靠性）高精度和高可靠性）高精度和高可靠性）高精度和高可靠性 2 2第2页，本讲稿共72页n n自自1946年年出出现现了了世世界界上上第第一一台台计计算算机机以以来来，电电子子计计算算机机经经历历了了电电子子管管、晶晶体体
3、管管、集集成成电路、大规模集成电路四代。电路、大规模集成电路四代。n n70年年代代出出现现的的由由大大规规模模集集成成电电路路组组成成的的微微型型电电子子计计算算机机，不不但但保保持持了了计计算算机机的的特特点点，而而且且体体积积小小、价价格格低低、不不需需要要严严格格的的环环境境条件，从而开拓了计算机普及的新时代。条件，从而开拓了计算机普及的新时代。n n近近年年来来逐逐步步普普及及的的单单片片微微型型计计算算机机，已已在在一一片片芯芯片片上上集集成成一一台台微微型型计计算算机机，更更加加充充分地发展了微型计算机的特点。分地发展了微型计算机的特点。3 3第3页，本讲稿共72页一、微型计算机
4、的组成一、微型计算机的组成外设外设外设外设主机主机主机主机CPUCPU计算机的基本结构计算机的基本结构计算机的基本结构计算机的基本结构4 4第4页，本讲稿共72页2.2.2.2.计算机的信息表示计算机的信息表示计算机的信息表示计算机的信息表示计算机处理的各种信息是以二进制代码表示的。计算机处理的各种信息是以二进制代码表示的。计算机处理的各种信息是以二进制代码表示的。计算机处理的各种信息是以二进制代码表示的。一台计算机所用的二进制代码的位数称一台计算机所用的二进制代码的位数称一台计算机所用的二进制代码的位数称一台计算机所用的二进制代码的位数称为该计算机的为该计算机的为该计算机的为该计算机的字长字
5、长字长字长。字长越长、能代表的数值越大，表示的字长越长、能代表的数值越大，表示的字长越长、能代表的数值越大，表示的字长越长、能代表的数值越大，表示的数值的有效位就越多，计算精度就越高。但数值的有效位就越多，计算精度就越高。但数值的有效位就越多，计算精度就越高。但数值的有效位就越多，计算精度就越高。但是位数越多，表示二进制代码的逻辑电路也是位数越多，表示二进制代码的逻辑电路也是位数越多，表示二进制代码的逻辑电路也是位数越多，表示二进制代码的逻辑电路也越多，计算机就变得庞大复杂。价格也贵了。越多，计算机就变得庞大复杂。价格也贵了。越多，计算机就变得庞大复杂。价格也贵了。越多，计算机就变得庞大复杂。
6、价格也贵了。微机的字长一般有：微机的字长一般有：微机的字长一般有：微机的字长一般有：1 1 1 1、4 4 4 4、8 8 8 8、16161616、32 32 32 32 位等。位等。位等。位等。使用最多的是使用最多的是使用最多的是使用最多的是8 8 8 8、16161616、32 32 32 32 位。位。位。位。5 5第5页，本讲稿共72页微型计算机结构微型计算机结构微型计算机结构微型计算机结构 把运算器、控制器集成在一块硅片上，成为独立的器件把运算器、控制器集成在一块硅片上，成为独立的器件把运算器、控制器集成在一块硅片上，成为独立的器件把运算器、控制器集成在一块硅片上，成为独立的器件该
7、芯片称为微处理器或微处理机（该芯片称为微处理器或微处理机（该芯片称为微处理器或微处理机（该芯片称为微处理器或微处理机（MicroprocessorMicroprocessor），也称），也称），也称），也称CPUCPU。存储器（存储器（存储器（存储器（MemoryMemory）也已经集成为一块块独立的芯片。）也已经集成为一块块独立的芯片。）也已经集成为一块块独立的芯片。）也已经集成为一块块独立的芯片。算术逻辑部件（算术逻辑部件（算术逻辑部件（算术逻辑部件（ALUALU ）工作寄存器组工作寄存器组工作寄存器组工作寄存器组 控制部件控制部件控制部件控制部件 时钟电路控制电路时钟电路控制电路时钟电路
8、控制电路时钟电路控制电路 6 6第6页，本讲稿共72页微处理器芯片、存储器芯片与输入微处理器芯片、存储器芯片与输入微处理器芯片、存储器芯片与输入微处理器芯片、存储器芯片与输入/输出接口电输出接口电输出接口电输出接口电路芯片（简称路芯片（简称路芯片（简称路芯片（简称I/OI/O接口）构成了微型计算机（接口）构成了微型计算机（接口）构成了微型计算机（接口）构成了微型计算机（Micro-Micro-ComputerComputer），芯片之间用），芯片之间用），芯片之间用），芯片之间用总线总线总线总线（BusBus）连接）连接）连接）连接 所谓总线，就是在微型计算机各芯片之间或芯所谓总线，就是在微型
9、计算机各芯片之间或芯所谓总线，就是在微型计算机各芯片之间或芯所谓总线，就是在微型计算机各芯片之间或芯片内部各部件之间传输信息的一组公共通信线。片内部各部件之间传输信息的一组公共通信线。片内部各部件之间传输信息的一组公共通信线。片内部各部件之间传输信息的一组公共通信线。图图图图1-31-3表示各芯片之间的一组表示各芯片之间的一组表示各芯片之间的一组表示各芯片之间的一组8 8位数据总线，该数据总线位数据总线，该数据总线位数据总线，该数据总线位数据总线，该数据总线由由由由8 8根传输导线组成，可以在芯片根传输导线组成，可以在芯片根传输导线组成，可以在芯片根传输导线组成，可以在芯片1 1、2N2N之间
10、并行传之间并行传之间并行传之间并行传送送送送8 8位二进制数构成的信息。位二进制数构成的信息。位二进制数构成的信息。位二进制数构成的信息。7 7第7页，本讲稿共72页很多计算机采用三总线结构：很多计算机采用三总线结构：数据总线数据总线数据总线数据总线DBDBDBDB（Data BusData BusData BusData Bus）在芯片之间传送数据信息；）在芯片之间传送数据信息；）在芯片之间传送数据信息；）在芯片之间传送数据信息；地址总线地址总线地址总线地址总线ABABABAB（Address BusAddress BusAddress BusAddress Bus）传送地址信息；）传送地址
11、信息；）传送地址信息；）传送地址信息；控制总线控制总线控制总线控制总线CBCBCBCB（Control BusControl BusControl BusControl Bus）传送控制命令。）传送控制命令。）传送控制命令。）传送控制命令。有有有有的的的的计计计计算算算算机机机机用用用用一一一一组组组组总总总总线线线线分分分分时时时时传传传传送送送送地地地地址址址址和和和和数数数数据据据据信信信信息息息息，称称称称为为为为地地地地址址址址/数数数数据据据据分分分分时时时时复复复复用用用用总总总总线线线线。在在在在微微微微处处处处理理理理器器器器内内内内部部部部往往往往往往往往只只只只使使使使用
12、用用用一一一一组组组组总总总总线线线线，称称称称为单总线结构。为单总线结构。为单总线结构。为单总线结构。微型计算机采用总线结构的优点微型计算机采用总线结构的优点:可可可可以以以以提提提提高高高高计计计计算算算算机机机机扩扩扩扩展展展展存存存存储储储储器器器器芯芯芯芯片片片片及及及及I/OI/OI/OI/O芯芯芯芯片片片片的的的的灵灵灵灵活活活活性性性性。因因因因为为为为挂挂挂挂在在在在总总总总线线线线上上上上的的的的芯芯芯芯片片片片数数数数量量量量原原原原则则则则上上上上是是是是没没没没有有有有限限限限制制制制的的的的，需需需需要要要要增增增增加加加加芯芯芯芯片片片片时时时时，只只只只需需需需
13、通通通通过过过过缓缓缓缓冲冲冲冲器器器器挂挂挂挂到到到到总总总总线线线线上上上上就就就就行行行行了了了了。但但但但是是是是，总总总总线线线线一一一一次次次次只只只只能能能能传传传传送送送送一一一一个个个个数数数数据据据据，使使使使计计计计算算算算机的工作速度受到了影响。机的工作速度受到了影响。机的工作速度受到了影响。机的工作速度受到了影响。8 8第8页，本讲稿共72页通常计算机系统通常由多块印刷电路板制成：主板显卡声卡存储器接口网卡输入输出接口内存条内存条第9页，本讲稿共72页单片机系统单片机芯片外围器件CPU内存中断控制逻辑通用接口运算器寄存器组控制器并行I/O口串行UART定时/计数器AD
14、C0809、DAC0832825382518255A、81552764、6264指令系统应用程序硬件部分软件部分1010第10页，本讲稿共72页印制电路板印制电路板 印制电路板 印制电路板印制电路板印制电路板 印制电路板 印制电路板印制电路板印制电路板 印制电路板 印制电路板印制电路板印制电路板 印制电路板 印制电路板印制电路板印制电路板 印制电路板 印制电路板CPU芯片内存条内存条存储器接口存储器芯片输入输出接口输入输出接口芯片定时计数器芯片A/D、D/A芯片单板机印印刷刷电电路路板板二、单片微型计算机二、单片微型计算机.单板机单板机第11页，本讲稿共72页 单 硅 晶 片 CPU存储器控制
15、电路定时器时钟电路I/O口单片机2.单片机单片机第12页，本讲稿共72页集成芯片1313第13页，本讲稿共72页第二节微处理器第二节微处理器图图图图1-51-5是典型的是典型的是典型的是典型的8 8位微处理器的结构框图，包括运算器、控制器、工作寄存器位微处理器的结构框图，包括运算器、控制器、工作寄存器位微处理器的结构框图，包括运算器、控制器、工作寄存器位微处理器的结构框图，包括运算器、控制器、工作寄存器组三部分。该微处理器的外部采用三总线结构，内部是单总线结构。组三部分。该微处理器的外部采用三总线结构，内部是单总线结构。组三部分。该微处理器的外部采用三总线结构，内部是单总线结构。组三部分。该微
16、处理器的外部采用三总线结构，内部是单总线结构。1414第14页，本讲稿共72页一、运算器一、运算器n n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。n n1.算术逻辑单元和累加器n n算术逻辑单元ALU是微型计算机执行算术运算和逻辑运算的主要部件。它有两个输入 端：一 个 输 入 端 与 累 加 器A（Accumulator）相连，另一个输入端与暂存寄存器TR相连。ALU的输出端与内部总线相连。1515第15页，本讲稿共72页累加器累加器累加器累加器A A是一个是一个是一个是一个8 8位寄存器。很多位寄存器。很多位寄存器。很多位寄存器。很多8
17、 8位双操作数运算位双操作数运算位双操作数运算位双操作数运算，如执行下列指令时，如执行下列指令时，如执行下列指令时，如执行下列指令时，ADDAADDA，#24H#24H；（；（；（；（A A）（A A）+24H+24HADDAADDA，R0R0；（；（；（；（A A）（A A）+（R0R0）ANLAANLA，R1R1；（；（；（；（A A）（A A）（R1R1）一一一一个个个个操操操操作作作作数数数数来来来来自自自自A A，运运运运算算算算结结结结果果果果又又又又送送送送回回回回A A，所所所所以以以以累累累累加加加加器器器器A A是是是是一一一一个个个个使使使使用用用用十十十十分分分分频频频
18、频繁繁繁繁的的的的特特特特殊殊殊殊功功功功能能能能寄寄寄寄存存存存器器器器。另另另另一一一一个个个个操操操操作作作作数数数数可可可可来来来来自自自自CPUCPU内内内内部部部部的的的的工工工工作作作作寄寄寄寄存存存存器器器器，也也也也可可可可来来来来自自自自存存存存储储储储器器器器或或或或接接接接口口口口电电电电路路路路。无无无无论论论论是是是是哪哪哪哪一一一一种种种种情情情情况况况况，它它它它总总总总是是是是通通通通过过过过内内内内部部部部总总总总线线线线送送送送来来来来的的的的。由由由由于于于于总总总总线线线线只只只只能能能能分分分分时时时时传传传传送送送送数数数数据据据据，故故故故用用用
19、用暂暂暂暂存存存存器器器器在在在在内内内内部部部部总总总总线线线线与与与与ALUALU之之之之间间间间起起起起缓缓缓缓冲冲冲冲作作作作用用用用。在在在在执执执执行行行行上上上上面面面面的的的的指指指指令令令令时时时时，内内内内部部部部总总总总线线线线先先先先传传传传送送送送一一一一个个个个操操操操作作作作数数数数至至至至TRTR，然然然然后后后后由由由由控控控控制制制制器器器器控控控控制制制制ALUALU对对对对A A和和和和TRTR中中中中的的的的内内内内容容容容进进进进行行行行运运运运算算算算，运运运运算算算算结结结结果果果果再再再再通通通通过过过过内内内内部部部部总总总总线线线线传传传传
20、送到累加器送到累加器送到累加器送到累加器A A。微微微微型型型型计计计计算算算算机机机机的的的的运运运运算算算算器器器器可可可可执执执执行行行行加加加加法法法法、减减减减法法法法等等等等算算算算术术术术运运运运算算算算，有有有有些些些些微微微微机机机机还还还还可可可可执执执执行行行行乘乘乘乘法法法法和和和和除除除除法法法法操操操操作作作作。运运运运算算算算器器器器执执执执行行行行的的的的逻逻逻逻辑辑辑辑运运运运算算算算有有有有与与与与、或或或或、求求求求反反反反、异异异异或或或或、清清清清零零零零、移移移移位等。位等。位等。位等。1616第16页，本讲稿共72页2 2、标志寄存器、标志寄存器、
21、标志寄存器、标志寄存器 标标标标志志志志寄寄寄寄存存存存器器器器F F（FlagFlag）又又又又称称称称状状状状态态态态寄寄寄寄存存存存器器器器，用用用用来来来来存存存存放放放放ALUALU运运运运算算算算结结结结果果果果的的的的一一一一些些些些特特特特征征征征，如如如如溢溢溢溢出出出出（OVOV）、进位（）、进位（）、进位（）、进位（C C）、辅助进位（）、辅助进位（）、辅助进位（）、辅助进位（ACAC）、奇偶（）、奇偶（）、奇偶（）、奇偶（P P）等。）等。）等。）等。3 3、二、二、二、二十进制调整电路十进制调整电路十进制调整电路十进制调整电路 计计计计算算算算机机机机在在在在进进进进
22、行行行行二二二二十十十十进进进进制制制制数数数数运运运运算算算算时时时时，要要要要对对对对运运运运算算算算结结结结果果果果进进进进行行行行调调调调整整整整，这这这这由由由由二二二二十十十十进进进进制制制制调调调调整整整整电电电电路路路路（BCDBCD调整电路）实现。调整电路）实现。调整电路）实现。调整电路）实现。1717第17页，本讲稿共72页二、控制器二、控制器二、控制器二、控制器 控制器由指令寄存器控制器由指令寄存器控制器由指令寄存器控制器由指令寄存器IRIR、指令译码器、指令译码器、指令译码器、指令译码器IDID及定时与控制电路三部分组及定时与控制电路三部分组及定时与控制电路三部分组及定
23、时与控制电路三部分组成。成。成。成。计算机工作时，由定时与控制电路按照一定的时间顺序发出一系列控制计算机工作时，由定时与控制电路按照一定的时间顺序发出一系列控制计算机工作时，由定时与控制电路按照一定的时间顺序发出一系列控制计算机工作时，由定时与控制电路按照一定的时间顺序发出一系列控制信号，使计算机各部件能按一定的时间节拍协调一致地工作，从而使指信号，使计算机各部件能按一定的时间节拍协调一致地工作，从而使指信号，使计算机各部件能按一定的时间节拍协调一致地工作，从而使指信号，使计算机各部件能按一定的时间节拍协调一致地工作，从而使指令得以执行。令得以执行。令得以执行。令得以执行。一个指令的执行分成取
24、指令和执行指令两个阶段。具体步骤为：一个指令的执行分成取指令和执行指令两个阶段。具体步骤为：一个指令的执行分成取指令和执行指令两个阶段。具体步骤为：一个指令的执行分成取指令和执行指令两个阶段。具体步骤为：1 1、从存储器中取回该指令的机器码，送指令寄存器寄存，直至该指令执行、从存储器中取回该指令的机器码，送指令寄存器寄存，直至该指令执行、从存储器中取回该指令的机器码，送指令寄存器寄存，直至该指令执行、从存储器中取回该指令的机器码，送指令寄存器寄存，直至该指令执行完毕。完毕。完毕。完毕。2 2、由指令译码器译码，以识别该指令需要实施何种操作。、由指令译码器译码，以识别该指令需要实施何种操作。、由
25、指令译码器译码，以识别该指令需要实施何种操作。、由指令译码器译码，以识别该指令需要实施何种操作。3 3、由定时与控制电路产生一系列控制信号，送到计算机各部件以、由定时与控制电路产生一系列控制信号，送到计算机各部件以、由定时与控制电路产生一系列控制信号，送到计算机各部件以、由定时与控制电路产生一系列控制信号，送到计算机各部件以执行这一指令。执行这一指令。执行这一指令。执行这一指令。1818第18页，本讲稿共72页定定定定时时时时与与与与控控控控制制制制电电电电路路路路除除除除了了了了接接接接收收收收译译译译码码码码器器器器送送送送来来来来的的的的信信信信号号号号外外外外，还还还还接接接接收收收收
26、CPUCPU外外外外部部部部送送送送来来来来的的的的信信信信号号号号，如如如如中中中中断断断断请请请请求求求求信信信信号号号号、复复复复位位位位信信信信号号号号等等等等，这这这这些些些些信信信信号号号号由由由由控控控控制制制制总总总总线线线线送送送送入入入入。定定定定时时时时与与与与控控控控制制制制电电电电路路路路产产产产生生生生的的的的控控控控制制制制信信信信号号号号一一一一部部部部分分分分用用用用于于于于CPUCPU内内内内部部部部，控控控控制制制制CPUCPU各各各各部部部部件件件件的的的的工工工工作作作作，另另另另一一一一部部部部分分分分通过控制总线输出，用于控制存储器和通过控制总线输
27、出，用于控制存储器和通过控制总线输出，用于控制存储器和通过控制总线输出，用于控制存储器和I/OI/O接口电路的工作。接口电路的工作。接口电路的工作。接口电路的工作。1919第19页，本讲稿共72页三、工作寄存器三、工作寄存器三、工作寄存器三、工作寄存器微微微微型型型型计计计计算算算算机机机机的的的的CPUCPU内内内内部部部部通通通通常常常常设设设设置置置置工工工工作作作作寄寄寄寄存存存存器器器器组组组组。设设设设置置置置工工工工作作作作寄寄寄寄存存存存器器器器后后后后，参参参参加加加加运运运运算算算算的的的的操操操操作作作作数数数数及及及及运运运运算算算算的的的的中中中中间间间间结结结结果果
28、果果可可可可以以以以存存存存放放放放在在在在寄寄寄寄存存存存器器器器中中中中，而而而而不不不不必必必必每每每每次次次次都都都都送送送送入入入入存存存存储储储储器器器器存存存存放放放放。这这这这样样样样可可可可提提提提高高高高计计计计算算算算机机机机的的的的工工工工作作作作速速速速度度度度，还还还还能能能能简简简简化化化化指指指指令令令令的的的的机机机机器器器器代代代代码码码码。工工工工作作作作寄寄寄寄存存存存器器器器还还还还可以寄存片内外数据存储器低可以寄存片内外数据存储器低可以寄存片内外数据存储器低可以寄存片内外数据存储器低8 8位地址。位地址。位地址。位地址。2020第20页，本讲稿共72
29、页四、程序计数器四、程序计数器四、程序计数器四、程序计数器程程程程序序序序计计计计数数数数器器器器PCPC（ProgramProgram CounterCounter）是是是是管管管管理理理理程程程程序序序序执执执执行行行行次次次次序序序序的的的的特特特特殊殊殊殊功功功功能能能能寄寄寄寄存存存存器器器器。它它它它没没没没有有有有物物物物理理理理地地地地址址址址，主主主主要要要要用用用用来来来来存存存存放放放放即即即即将将将将执执执执行行行行的的的的指指指指令令令令地地地地址址址址。它它它它是是是是一一一一个个个个1616位位位位寄寄寄寄存存存存器器器器，可可可可用用用用来来来来对对对对64K6
30、4K程程程程序序序序存存存存储储储储器器器器直直直直接接接接寻寻寻寻址址址址。程程程程序序序序的的的的执执执执行行行行有有有有两两两两种种种种情情情情况况况况按按按按照照照照顺顺顺顺序序序序执执执执行行行行和和和和跳跳跳跳转转转转。为为为为此此此此，程程程程序序序序计计计计数数数数器器器器具具具具有有有有下下下下述述述述三三三三种种种种功能。功能。功能。功能。1 1、复复复复位位位位功功功功能能能能：计计计计算算算算机机机机通通通通电电电电时时时时有有有有上上上上电电电电复复复复位位位位，运运运运行行行行时时时时有有有有操操操操作作作作复复复复位位位位（按按按按钮钮钮钮复复复复位位位位）。复复
31、复复位位位位时时时时计计计计算算算算机机机机进进进进入入入入初初初初始始始始状状状状态态态态，PCPC的的的的内内内内容容容容将将将将自自自自动动动动清清清清零。零。零。零。2 2、计数功能、计数功能、计数功能、计数功能3 3、基基基基址址址址寄寄寄寄存存存存器器器器功功功功能能能能：在在在在变变变变址址址址寻寻寻寻址址址址中中中中，它它它它作作作作为为为为1616位位位位基基基基址址址址寄寄寄寄存存存存器器器器用用用用，将将将将当当当当前前前前指指指指令令令令的的的的首首首首址址址址加加加加1 1后后后后存存存存入入入入PCPC中中中中，然然然然后后后后再再再再与与与与累累累累加加加加器器器
32、器A A中中中中的的的的8 8位位位位地地地地址址址址偏移量相加后形成变址寻址的实际地址。偏移量相加后形成变址寻址的实际地址。偏移量相加后形成变址寻址的实际地址。偏移量相加后形成变址寻址的实际地址。2121第21页，本讲稿共72页2 2、计数功能：、计数功能：、计数功能：、计数功能：CPUCPU读取一条指令时，总是将读取一条指令时，总是将读取一条指令时，总是将读取一条指令时，总是将PCPC的的的的内容作为当前指令地址，并经地址总线送到存储器，内容作为当前指令地址，并经地址总线送到存储器，内容作为当前指令地址，并经地址总线送到存储器，内容作为当前指令地址，并经地址总线送到存储器，从而从该地址单元
33、中取回指令的机器码，送到指令寄从而从该地址单元中取回指令的机器码，送到指令寄从而从该地址单元中取回指令的机器码，送到指令寄从而从该地址单元中取回指令的机器码，送到指令寄存器。同时，每取回指令代码的一个字节，存器。同时，每取回指令代码的一个字节，存器。同时，每取回指令代码的一个字节，存器。同时，每取回指令代码的一个字节，PCPC的内容的内容的内容的内容自动加自动加自动加自动加1 1（加法计数）。因此，在取回指令进入执行（加法计数）。因此，在取回指令进入执行（加法计数）。因此，在取回指令进入执行（加法计数）。因此，在取回指令进入执行指令的阶段，指令的阶段，指令的阶段，指令的阶段，PCPC的内容已是
34、按顺序排列的下一条指的内容已是按顺序排列的下一条指的内容已是按顺序排列的下一条指的内容已是按顺序排列的下一条指令的地址。令的地址。令的地址。令的地址。2222第22页，本讲稿共72页第三节存储器n n存储器的主要指标：容量和存取速度。容量越大，则记忆的信息越多，计算机的功能就越强。由于存储器的存取速度比CPU、ALU的运算速度要低，所以存储器的工作速度是影响计算机工作速度的主要因素。目前存储器存取数据的时间为数百ns到数十ns。2323第23页，本讲稿共72页一、存储器的分类n n根据存储器的位置，可分为内存储器和外存储器。根据存储器的位置，可分为内存储器和外存储器。内内存储器存储器一般由半导
35、体集成电路芯片组成，用来存放一般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。它在主机内通过总当前运行所需要的程序与数据。它在主机内通过总线直接与线直接与CPUCPU连接，具有体积小，存取速度快等优连接，具有体积小，存取速度快等优点，但它的容量有限。点，但它的容量有限。外存储器外存储器则在主机外，是作为则在主机外，是作为计算机的外设之一，它必须通过系统总线与计算机的外设之一，它必须通过系统总线与CPUCPU进行进行联系，具有容量大、体积大、存取速度慢等特点，通常用联系，具有容量大、体积大、存取速度慢等特点，通常用来存放暂时不用的数据和程序。它不能直接参与计算机的来存放暂时不用的
36、数据和程序。它不能直接参与计算机的运算，一般情况下外存储器只与内存储器成批交换信息。运算，一般情况下外存储器只与内存储器成批交换信息。通常采用容量较大的磁带、磁盘、光盘作为外存储器。磁通常采用容量较大的磁带、磁盘、光盘作为外存储器。磁带、磁盘、光盘的数量可随意增加，从这个意义上说，外带、磁盘、光盘的数量可随意增加，从这个意义上说，外存储器的容量是无限的。存储器的容量是无限的。2424第24页，本讲稿共72页按结构与使用功能按结构与使用功能按结构与使用功能按结构与使用功能分，内存储器又可分为随分，内存储器又可分为随分，内存储器又可分为随分，内存储器又可分为随机存储器（又称读机存储器（又称读机存储
37、器（又称读机存储器（又称读/写存储写存储写存储写存储器）器）器）器）RAMRAM（RandomRandomAccessMemoryAccessMemory）和只读）和只读）和只读）和只读存储器存储器存储器存储器ROMROM（ReadReadOnlyMemoryOnlyMemory）两大类。）两大类。）两大类。）两大类。RAMRAM和和和和ROMROM又可以细分又可以细分又可以细分又可以细分为若干种，如图为若干种，如图为若干种，如图为若干种，如图1-61-6所示。所示。所示。所示。2525第25页，本讲稿共72页二、随机存储器RAMn n随机存储器可随时地对存储器中的数据进行读出/写入操作，它的
38、数据读出/写入时间都很短。但断电后RAM中存放的信息将丢失。RAM适宜存放原始数据、中间结果及最后的运算结果，因此又被称作数据存储器。n n随机存储器按其信息保存的方法不同可分为静态RAM和动态RAM。2626第26页，本讲稿共72页1 1、静态、静态、静态、静态RAMRAMSRAMSRAM（StaticRAMStaticRAM）SRAMSRAM用用用用触触触触发发发发器器器器存存存存储储储储信信信信息息息息，只只只只要要要要不不不不断断断断电电电电，信信信信息息息息就就就就不不不不会会会会丢丢丢丢失失失失。除非进行改写，否则其存储信息不会改变。除非进行改写，否则其存储信息不会改变。除非进行改
39、写，否则其存储信息不会改变。除非进行改写，否则其存储信息不会改变。2 2、动态、动态、动态、动态RAMRAMDRAMDRAM（DynamicRAMDynamicRAM）DRAMDRAM依靠依靠依靠依靠电容电容电容电容存储信息，充电后为存储信息，充电后为存储信息，充电后为存储信息，充电后为“1 1”，放电后为，放电后为，放电后为，放电后为“0 0”。由于集成电路中电容的容量很小，且存在泄漏电流。由于集成电路中电容的容量很小，且存在泄漏电流。由于集成电路中电容的容量很小，且存在泄漏电流。由于集成电路中电容的容量很小，且存在泄漏电流的放电作用，高电平的保持时间只有几个的放电作用，高电平的保持时间只有
40、几个的放电作用，高电平的保持时间只有几个的放电作用，高电平的保持时间只有几个msms。为了保存。为了保存。为了保存。为了保存信息，每隔信息，每隔信息，每隔信息，每隔1 12ms2ms必须对高电平的电容重新充电，这必须对高电平的电容重新充电，这必须对高电平的电容重新充电，这必须对高电平的电容重新充电，这称为称为称为称为DRAMDRAM的定时刷新的定时刷新的定时刷新的定时刷新。2727第27页，本讲稿共72页DRAMDRAM与与与与SRAMSRAM相相相相比比比比，具具具具有有有有集集集集成成成成度度度度高高高高、功功功功耗耗耗耗低低低低、价价价价格格格格低低低低等等等等优优优优点点点点，但但但但
41、需需需需为为为为其其其其设设设设置置置置刷刷刷刷新新新新电电电电路路路路，因因因因而而而而与与与与CPUCPU的的的的连连连连接接接接比比比比SRAMSRAM复复复复杂杂杂杂。所所所所以以以以当当当当计计计计算算算算机机机机系系系系统统统统的的的的内内内内存存存存容容容容量量量量较较较较小小小小时时时时（几几几几KBKB几几几几十十十十KBKB），常常常常采采采采用用用用SRAMSRAM芯芯芯芯片片片片，不不不不但但但但可可可可省省省省去去去去一一一一套套套套动动动动态态态态刷刷刷刷新新新新电电电电路路路路，而而而而且且且且此此此此时时时时“功功功功耗耗耗耗稍稍稍稍大大大大，速速速速度度度度稍
42、稍稍稍低低低低”相相相相对对对对于于于于系系系系统统统统来来来来说说说说都都都都不不不不是是是是主主主主要要要要矛矛矛矛盾盾盾盾，如如如如单单单单片片片片机机机机应应应应用用用用系系系系统统统统。DRAMDRAM则则则则被被被被广广广广泛泛泛泛用用用用于于于于内内内内存存存存量量量量较较较较大大大大的的的的系系系系统统统统，因因因因为为为为不不不不仅仅仅仅解解解解决决决决了了了了“体体体体积积积积小小小小”的的的的问问问问题题题题，而而而而且且且且“功功功功耗耗耗耗小小小小、速速速速度度度度高高高高”的的的的优优优优点点点点十十十十分分分分突突突突出出出出。相相相相反反反反，增增增增设设设设动
43、动动动态态态态刷刷刷刷新新新新电电电电路路路路的的的的缺缺缺缺点点点点相相相相对对对对于于于于整整整整个个个个系系系系统统统统的的的的造造造造价价价价及及及及复复复复杂杂杂杂性性性性都都都都不不不不是是是是主主主主要矛盾了，如要矛盾了，如要矛盾了，如要矛盾了，如PCPC个人计算机系统。个人计算机系统。个人计算机系统。个人计算机系统。2828第28页，本讲稿共72页三、只读存储器ROMn n只读存储器中的内容在使用时不能被修改，只能读出其中内容，即使突然断电，信息也不会丢失。也就是说，计算机运行时，CPU只能从中读出原先写入的信息，却不能将信息再写入其中。因此ROM适宜存放程序、常数、表格等，因
44、此又称为程序存储器。n n按照不同的制造工艺，ROM可分为以下四种：2929第29页，本讲稿共72页1 1、掩模、掩模、掩模、掩模ROMROM用用用用户户户户只只只只能能能能读读读读出出出出内内内内容容容容而而而而不不不不能能能能改改改改写写写写。掩掩掩掩模模模模ROMROM只只只只能能能能应应应应用用用用于于于于有固定程序且批量很大的产品中。有固定程序且批量很大的产品中。有固定程序且批量很大的产品中。有固定程序且批量很大的产品中。2 2、可编程、可编程、可编程、可编程ROMROM可可可可编编编编程程程程ROMROM又又又又称称称称PROMPROM（ProgrammableProgrammab
45、le ROMROM）。它它它它在在在在出出出出厂厂厂厂时时时时不不不不写写写写入入入入信信信信息息息息，用用用用户户户户可可可可根根根根据据据据自自自自己己己己的的的的需需需需要要要要将将将将程程程程序序序序写写写写入入入入PROMPROM，但但但但只只只只能能能能写写写写入入入入一一一一次次次次，程程程程序序序序一一一一经经经经写写写写入入入入就就就就不能被改写。不能被改写。不能被改写。不能被改写。3030第30页，本讲稿共72页3 3、紫外线可擦除可编程、紫外线可擦除可编程、紫外线可擦除可编程、紫外线可擦除可编程ROMROM紫紫紫紫外外外外线线线线可可可可擦擦擦擦除除除除可可可可编编编编程
46、程程程ROMROM，又又又又称称称称EPROMEPROM（ErasableErasable PROMPROM），用用用用户户户户可可可可将将将将程程程程序序序序写写写写入入入入EPROMEPROM。如如如如果果果果要要要要改改改改写写写写程程程程序序序序，可可可可用用用用紫紫紫紫外外外外线线线线进进进进行行行行擦擦擦擦除除除除，然然然然后后后后重重重重新新新新写写写写入入入入新新新新程程程程序序序序。一一一一片片片片EPROMEPROM芯片，可反复多次被擦除和写入。芯片，可反复多次被擦除和写入。芯片，可反复多次被擦除和写入。芯片，可反复多次被擦除和写入。4 4、电可擦除可编程、电可擦除可编程、
47、电可擦除可编程、电可擦除可编程ROMROM电电电电 可可可可 擦擦擦擦 除除除除 可可可可 编编编编 程程程程ROMROM，又又又又 称称称称EEPROMEEPROM或或或或E E2 2PROMPROM（ElectricallyElectrically ErasableErasable PROMPROM），这这这这是是是是一一一一种种种种近近近近年年年年来来来来发发发发展展展展起起起起来来来来的的的的只只只只读读读读存存存存储储储储器器器器。由由由由于于于于采采采采用用用用电电电电擦擦擦擦除除除除方方方方式式式式，而而而而且且且且擦擦擦擦除除除除、写写写写入、读出的电源都用入、读出的电源都用入
48、、读出的电源都用入、读出的电源都用+5V+5V，故能在应用系统中在线改写。，故能在应用系统中在线改写。，故能在应用系统中在线改写。，故能在应用系统中在线改写。3131第31页，本讲稿共72页四、存储器容量 存存存存储储储储器器器器是是是是由由由由许许许许多多多多存存存存储储储储单单单单元元元元组组组组成成成成的的的的，每每每每个个个个存存存存储储储储单单单单元元元元又又又又由由由由若若若若干干干干存存存存放放放放1 1位位位位二二二二进进进进制制制制代代代代码码码码的的的的存存存存储储储储元元元元组组组组成成成成。存存存存储储储储单单单单元元元元越越越越多多多多，存存存存储储储储元元元元越越越
49、越大大大大，则则则则存存存存储储储储器器器器的的的的容容容容量量量量就就就就越越越越大大大大。一一一一个个个个存存存存储储储储器器器器芯芯芯芯片片片片的的的的容容容容量量量量常常常常用用用用有有有有多多多多少少少少个个个个存存存存储储储储单单单单元元元元以以以以及及及及每每每每个个个个存存存存储储储储单单单单元元元元可可可可存存存存放放放放多多多多少少少少位位位位二二二二进进进进制制制制数数数数码码码码来来来来表表表表示示示示。例例例例如如如如，某某某某存存存存储储储储器器器器芯芯芯芯片片片片有有有有20482048个个个个单单单单元元元元，每每每每个个个个存存存存储储储储单单单单元元元元可可
50、可可存存存存放放放放4 4位位位位二二二二进进进进制制制制代代代代码码码码，则则则则常常常常以以以以2048420484或或或或2K42K4表表表表示示示示该该该该存存存存储储储储器器器器芯芯芯芯片片片片的的的的容容容容量量量量。一一一一般般般般计计计计算算算算机机机机的的的的每每每每个个个个存存存存储储储储单单单单元元元元均均均均可可可可存存存存放放放放8 8位位位位二二二二进进进进制制制制代代代代码码码码，即即即即1 1个个个个字字字字节节节节，所所所所以以以以存存存存储储储储器器器器容容容容量量量量一一一一般般般般以以以以字字字字节节节节为为为为单单单单位位位位。例例例例如如如如，某某某