第2章 计算机系统的结构组成与工作原理
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第2章计算机系统的组成
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2.2 计算机硬件系统
算
输 入 设 备 备 设 出
输
1.1 计算机硬件
2. 2. 1
微型计算机的硬件组成
微型计算机硬件系统由主机和常用外围设备两大部分 组成。 组成。 主机由中央处理器(CPU)和内存储器 和内存储器(ROM,RAM)组 主机由中央处理器 和内存储器 组 用来执行程序、处理数据， 成，用来执行程序、处理数据，主机芯片都安装在一 块电路板上，这块电路板称为主机板（主板）。 ）。为了 块电路板上，这块电路板称为主机板（主板）。为了 与外围设备连接， 与外围设备连，在主机板上还安装有若干个接口插 槽，可以在这些插槽上插入不同外围设备连接的接口 用来连接不同的外部设备。 卡，用来连接不同的外部设备。 主机与外围设备之间信息通过两种接口传输。 主机与外围设备之间信息通过两种接口传输。一种是 串行接口，如鼠标；一种是并行接口，如打印机。 串行接口，如鼠标；一种是并行接口，如打印机。
常用的总线结构有： 常用的总线结构有： （1）ISA总线 ） 总线 （2）MCA总线 ） 总线 （3）EISA总线 ） 总线 （4）VESA总线 ） 总线 （5）PCI总线 ） 总线
2. 2. 2
微型计算机的常见外设
微型计算机常用外围设备有显示器、键盘、 微型计算机常用外围设备有显示器 、 键盘 、 鼠标器 及外存储器。外存中常用的有硬磁盘（硬盘） 及外存储器 。 外存中常用的有硬磁盘 （ 硬盘 ） 、 软 磁盘（软盘）和光盘。 磁盘 （ 软盘 ） 和光盘 。 如果需要还可以根据用户的 要求配置打印机、绘图仪、投影仪； 要求配置打印机 、 绘图仪 、 投影仪 ； 同时为了联网 还可以配置调制解调器等通信设备。 ，还可以配置调制解调器等通信设备。 微机用键盘按照按键个数多少可分为84键 微机用键盘按照按键个数多少可分为 键、101键、 键 104键等几种，目前广泛使用的是 键等几种， 键等几种 目前广泛使用的是101键、104键标准 键 键标准 键盘。这两种键盘一般可分为四个区域： 键盘 。 这两种键盘一般可分为四个区域 ： 主键盘区 功能键区、编辑键区、小键盘区（数字键区） 、功能键区、编辑键区、小键盘区（数字键区）。
2.2 计算机硬件系统
算
输 入 设 备 备 设 出
输
1.1 计算机硬件
2. 2. 1
微型计算机的硬件组成
微型计算机硬件系统由主机和常用外围设备两大部分 组成。 组成。 主机由中央处理器(CPU)和内存储器 和内存储器(ROM,RAM)组 主机由中央处理器 和内存储器 组 用来执行程序、处理数据， 成，用来执行程序、处理数据，主机芯片都安装在一 块电路板上，这块电路板称为主机板（主板）。 ）。为了 块电路板上，这块电路板称为主机板（主板）。为了 与外围设备连接， 与外围设备连，在主机板上还安装有若干个接口插 槽，可以在这些插槽上插入不同外围设备连接的接口 用来连接不同的外部设备。 卡，用来连接不同的外部设备。 主机与外围设备之间信息通过两种接口传输。 主机与外围设备之间信息通过两种接口传输。一种是 串行接口，如鼠标；一种是并行接口，如打印机。 串行接口，如鼠标；一种是并行接口，如打印机。
常用的总线结构有： 常用的总线结构有： （1）ISA总线 ） 总线 （2）MCA总线 ） 总线 （3）EISA总线 ） 总线 （4）VESA总线 ） 总线 （5）PCI总线 ） 总线
2. 2. 2
微型计算机的常见外设
微型计算机常用外围设备有显示器、键盘、 微型计算机常用外围设备有显示器 、 键盘 、 鼠标器 及外存储器。外存中常用的有硬磁盘（硬盘） 及外存储器 。 外存中常用的有硬磁盘 （ 硬盘 ） 、 软 磁盘（软盘）和光盘。 磁盘 （ 软盘 ） 和光盘 。 如果需要还可以根据用户的 要求配置打印机、绘图仪、投影仪； 要求配置打印机 、 绘图仪 、 投影仪 ； 同时为了联网 还可以配置调制解调器等通信设备。 ，还可以配置调制解调器等通信设备。 微机用键盘按照按键个数多少可分为84键 微机用键盘按照按键个数多少可分为 键、101键、 键 104键等几种，目前广泛使用的是 键等几种， 键等几种 目前广泛使用的是101键、104键标准 键 键标准 键盘。这两种键盘一般可分为四个区域： 键盘 。 这两种键盘一般可分为四个区域 ： 主键盘区 功能键区、编辑键区、小键盘区（数字键区） 、功能键区、编辑键区、小键盘区（数字键区）。
计算机组成原理第二章(第三讲)
[例16] 参见图2.6，已知两个不带符号的二进制整 数A ＝ 11011，B ＝ 10101，求每一部分乘积项aibj 的值与p9p8……p0的值。 请同学们自己完成。
本讲总结
1. 溢出及其检测方法 2.基本的二进制加/减法器（难点，熟练掌握）
理解并熟练掌握图2.3
3.十进制加法器 4.原码并行乘法（难点，掌握） 理解并掌握图2.6
[ｘ]补＝0.1011 ， [ｘ ]补 ＋ [ｙ ]补
[ ｘ＋ｙ] 补
无进位
[ｙ]补＝0.1001 0.1011 0.1001 1.0100
有进位
两正数相加，结果为负，显然错误。
－－运算中出现了“上溢”
[又例] ｘ＝＋0.1011, ｙ＝＋0.0010， 求ｘ＋ｙ。
[解:]
[ｘ]补＝0.1011 ， [ｘ]补 ＋ [ｙ]补 无进位
计算机组成原理
3
2.2.3 溢出概念与检验方法
两个正数相加，结果为负（即：大于机器
所能表示的最大正数），称为上溢。 两个负数相加，结果为正（即：小于机器 所能表示的最小负数)，称为下溢。 运算出现溢出，结果就是错误的。
[例12] ｘ＝＋0.1011, ｙ＝＋0.1001，求ｘ＋ｙ。
[解:]
计算机组成原理?第一章计算机系统概论?第二章运算方法和运算器?第三章存储系统?第四章指令系统?第五章中央处理器?第六章总线系统?第七章外围设备?第八章输入输出系统?第九章并行组织目录计算机组成原理3?上一讲回顾1
计算机组成原理
目录
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第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章
现在我们计算一个n位的行波进位加法器的时间延迟。 假如采用图2.3(a)所示的一位全加器并考虑溢出检测，那么n 位行波进位加法器的延迟时间ta为 ta＝n·2T＋9T＝(2n＋9)T (2.24) 9T为最低位上的两极“异或”门再加正溢出“异或”门 的总时间，2T为每级进位链的延迟时间。 当不考虑溢出检测时，有 ta＝(n-1)·2T＋9T (2.25) ta意味着加法器的输入端输入加数和被加数后，在最坏 情况下加法器输出端得到稳定的求和输出所需的最长时间。 显然这个时间越小越好。注意，加数、被加数、进位与和数 都是用电平来表示的，因此，所谓稳定的求和输出，就是指 稳定的电平输出。
第2章 计算机系统与计算机网络(2)——计算机硬件系统-大学计算机基础-戴红-清华大学出版社
【注】字长：计算机在同一时间内能够一次处理的二进制位数，其直接反映了计 算机的计算精度。微机字长从8位、16位、32位到目前的64位。 主频：CPU内核工作时的时钟频率，是CPU内数字脉冲信号震荡的速度，单位MHz或 GHz。在其他性能指标相同的情况下，CPU主频越高，其运算速度越快。 外频：CPU与主板之间同步运行的速度，多数情况下也是内存与主板之间同步运行 的速度，直接影响内存的访问速度和CPU同时接受来自外部设备数据的速度。 Cache命中率：CPU在Cache中找到所需内存中数据的比例。
பைடு நூலகம்
【注】硬盘容量：硬盘最主要的参数，以兆字节（MB）、千兆字节（GB）或百万 兆字节（TB)为单位，目前市场常见的硬盘容量为TB级。硬盘通常由重叠的一组盘 片构成，每个盘片可单面或双面存储数据，每个盘面一般配一个读写磁头。每个 盘面以其中心为圆心，不同半径的同心圆称为磁道，每个盘面都被划分为数目相 等的磁道，数据沿着轨道存放。具有相同半径的磁道形成一个圆柱——柱面，磁 盘的柱面数与一个盘单面上的磁道数相等。盘面又被分成大小一般为512个字节的 扇形区域——扇区，磁盘驱动器以扇区为单位访问磁盘。则可使用公式计算硬盘 容量为：磁头数*柱面数*磁道扇区数*每扇区字节数。
第2章 计算机系统与计算机网络
内容提要
本章包含两大部分，计算机系统和计算机网络。
2.1 图灵机与冯·诺依曼体系结构 2.2 计算机硬件系统 2.3 计算机软件系统 2.4 计算机网络
2.2 计算机硬件系统
图2-3 计算机硬件系统组成简图
2.2.1 主机
主板——机箱中的多层印刷电路板（PCB），提供CPU、内存、显卡等电子元器件的插槽， 是各种外部设备/元器件的接口及各种芯片的底盘，实现元器件之间的相互连接，目前多使 用玻璃纤维作为原材料。
第二章 计算机系统
9
图2.2 计算机组成结构图
• 1. 运算器 • 运算器由算术逻辑单元（Arithmetic and Logic Unit ,ALU）、累加器、状态寄存器、通用寄存器组等组成。算 术逻辑运算单元的的主要功能是算术运算和逻辑运算。 ※ 算术运算是指各种数值运算，比如：加、减、乘、除等。 ※ 逻辑运算是进行逻辑判断的非数值运算，比如：与、或、 非、比较、移位等。 • 计算机运行时，运算器的操作和操作种类由控制器决定。 运算器处理的数据来自存储器；处理后的结果数据送回存 储器或暂存在运算器中的寄存器。
表2.2 内、外存特点对比
• （1）内存储器 • 内存储器（简称内存）包括高速缓存（Cache）和主存储 器，主存储器又包括随机存储器（Random Access Memory， RAM ）和只读存储器（Read only Memory，ROM )。计算 机运行前，程序和数据由输入设备或外存送入内存，运算 开始，内存不仅要为其他部件提供信息，而且要保存运算 的中间结果和最终结果。 • CPU只与内存直接交换数据，内存的性能与容量直接影响 计算机的运行速度。
第2章 计算机系统
• • • •
2.1 2.2 2.3 2.4
计算机发展历程 计算机系统概述 微型计算机硬件组成 平板电脑
4
2Hale Waihona Puke 1 计算机发展历程20世纪中期以来，电子技术迅速发展，计算 机所采用的元器件经历了电子管、晶体管、集成 电路（IC）和超大规模集成电路（VLSI）四个阶 段，当今计算机技术正朝着巨型化、微型化、网 络化和智能化方向发展。表2.1是对计算机各个 发展阶段的概括。从目前计算机的研究情况可以 看到，未来计算机将有可能在超导计算机、光子 计算机、生物计算机、量子计算机等方面的研究 领域上取得重大的突破。
图2.2 计算机组成结构图
• 1. 运算器 • 运算器由算术逻辑单元（Arithmetic and Logic Unit ,ALU）、累加器、状态寄存器、通用寄存器组等组成。算 术逻辑运算单元的的主要功能是算术运算和逻辑运算。 ※ 算术运算是指各种数值运算，比如：加、减、乘、除等。 ※ 逻辑运算是进行逻辑判断的非数值运算，比如：与、或、 非、比较、移位等。 • 计算机运行时，运算器的操作和操作种类由控制器决定。 运算器处理的数据来自存储器；处理后的结果数据送回存 储器或暂存在运算器中的寄存器。
表2.2 内、外存特点对比
• （1）内存储器 • 内存储器（简称内存）包括高速缓存（Cache）和主存储 器，主存储器又包括随机存储器（Random Access Memory， RAM ）和只读存储器（Read only Memory，ROM )。计算 机运行前，程序和数据由输入设备或外存送入内存，运算 开始，内存不仅要为其他部件提供信息，而且要保存运算 的中间结果和最终结果。 • CPU只与内存直接交换数据，内存的性能与容量直接影响 计算机的运行速度。
第2章 计算机系统
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2.1 2.2 2.3 2.4
计算机发展历程 计算机系统概述 微型计算机硬件组成 平板电脑
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2Hale Waihona Puke 1 计算机发展历程20世纪中期以来，电子技术迅速发展，计算 机所采用的元器件经历了电子管、晶体管、集成 电路（IC）和超大规模集成电路（VLSI）四个阶 段，当今计算机技术正朝着巨型化、微型化、网 络化和智能化方向发展。表2.1是对计算机各个 发展阶段的概括。从目前计算机的研究情况可以 看到，未来计算机将有可能在超导计算机、光子 计算机、生物计算机、量子计算机等方面的研究 领域上取得重大的突破。
第二章 微型计算机系统
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外存：永久性存储器 外存：永久性存储器
存储器与存储系统
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存储器是一种具有保存和存取信息（程序、数据） 存储器是一种具有保存和存取信息（程序、数据） 是一种具有保存和存取信息 的设备/器件，是计算机系统不可或缺的资源。 的设备/器件，是计算机系统不可或缺的资源。 现代微型计算机的存储系统结构： 现代微型计算机的存储系统结构： 高速缓存--主存 外存 主存-高速缓存--主存--外存 为什么采用这种结构？ 为什么采用这种结构？ 指令执行速度依赖于内存读写速度 高速CPU需配置高速内存 高速CPU需配置高速内存 大软件需配置大容量内存 高速度 大容量 17
13
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问：内存与外存是一回事吗？
• 能被计算机系统总线直接相连控制的存储器称为内存； 能被计算机系统总线直接相连控制的存储器称为内存； • 通过I/O接口才能被 接口才能被CPU控制的存储器称为外存。 控制的存储器称为外存。 通过 接口才能被 控制的存储器称为外存
第2章 微型计算机系统
硬件和软件系统
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软件 程序及其配套的 数据、文档等
软件
计算机 系统
硬件 “看得见、摸得着 ”的物理载体
硬件
2
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7
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问：主机包含哪些部件？ CPU又是什么意思？ 又是什么意思？ 主机包含哪些部件？ CPU又是什么意思 答：
第2章 计算机系统的组成与工作原理_习题参考答案
第2章习题参考答案一、选择题1．计算机主机是由CPU和（ D ）构成的。
A．控制器B．输入/输出设备C．运算器D．内存储器2．在计算机软件系统中，用来管理计算机硬件和软件资源的是（ B ）。
A．程序设计语言B．操作系统C．诊断程序D．数据库管理系统3．I/O接口位于（ C ）。
A．主机和I/O设备之间B．主机和总线之间C．总线和I/O设备之间D．CPU和内存储器之间4．计算机中表示信息的最小单位（ A ）。
A．位B．字节C．字D．字长5．计算机中基本的存取单位是（ B ）。
A．位B．字节C．字D．字长6．微型计算机中的Cache是（ B ）。
A．只读存储器B．高速缓冲存储器C．可编程只读存储器D．可擦除可再编程只读存储器7．配置高速缓冲存储器（Cache）是为了解决（ C ）问题。
A．内存与辅助内存之间速度不匹配B．CPU与辅助内存之间速度不匹配C．CPU与内存储器之间速度不匹配D．主机与外设之间速度不匹配8．采用PCI的奔腾微型计算机，其中的PCI是（ B ）。
A．产品型号B．总线标准C．微型计算机系统名称D．微处理器型号二、填空题1．电子计算机能够快速、准确地按照人们的意图进行工作的基本思想是（存储程序），这个思想是由（冯·诺伊曼）提出的，按照这个思想，计算机由5大部件组成，它们是（控制器）、（运算器）、（存储器）、（输入设备）、（输出设备）。
2．CPU是由（运算器）和（控制器）组成的。
3．根据功能的不同，可将内存储器分为（随机存取存储器或RAM）和（只读存储器或ROM）两种。
4．在表示存储器的容量时，MB的准确含义是（220字节）。
5．5678.123=(1 0110 0010 1110.0001 1111 01)2=(13056.0764)8=（162E.1F4）H。
6．同一个字母的大小写，（小写）字母的ASCII码值比（大写）字母的ASCII码值要大（32）。
7．微型计算机采用总线结构，根据传送信息的种类不同，系统总线分为（数据总线）、（地址总线）和（控制总线）。
第2章 计算机网络体系结构
2．1．1．研究制定计算机网络体系结构的科学方法 在初期的自由竞争中，计算机网络体系结构在短时间内得 到了迅速发展，但是伴随着计算机网络形式的多样化、复杂 性，也出现了许多问题。 例如，用户的资源和数据存储在采用不同操作系统的主 机中，这些主机分布在网络的不同地方，需要在不同的传输 媒体上实现采用不同操作系统的主机之间的通信；如何解决 异种机和异种网络互连问题；特别是系统的互连成为一个大 问题。
4．美国电气电子工程师学会 美国电气电子工程师学会(Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)于1963年由美国电气工程师 学会(AIEE)和美国无线电工程师学会(IRE)合并而成，是美 国规模最大的制定标准的专业学会。 IEEE由大约17万名从事电气工程、电子和有关领域的专 业人员组成，分设1O个地区和206个地方分会，设有31个技 术委员会。 IEEE制定的标准内容有：电气与电子设备、试验方法、元 器件、符号、定义以及测试方法等。 IEEE最引人注目的成就之一是通过802方案对LAN和城域网 MAN进行的标准化。802方案含局域网和城域网各方面上百个 单独的规范，符合IEEE的LAN包括以太网(IEEE 802．3)和令 牌环网(802，5)，802系列标准和所有规范限于物理层和／ 或数据链路层。
5．美国电子工业协会 美国电子工业协会(Electronic Industries Association， EIA)创建于1924年，当时名为无线电制造商协会(Radio Manufacturers Association，RMA)，总部设在弗吉尼亚的 阿灵顿。
第2章 大学计算机基础简明教程
快，修改源程序后都必须重新编译。一般高级语言（C/C++、 PASCAL、FORTRAN、COBOL等）都是采用编译方式。
编译程序 源程序 目标程序 连接程序 可执行程序
数据
计算结果
22
.C
.OBJ
.EXE
实用程序
完成一些与管理计算机系统资源及文件有关的任务 系统设置软件 （不必直接修改注册表） 超级兔子软件、Windows优化大师 诊断程序（识别并且改正计算机系统存在的问题 ） 控制面板的系统 备份程序（备份程序把硬盘上的文件复制到其他存储设备上） “附件|系统工具|”的“备份” 反病毒程序 文件压缩程序
23
2.3.2应用软件
为某一专门的应用目的而开发的软件称为应用软件 。 例如： 1. 办公软件包 2. 图形和图象处理软件 3.数据库系统 4. Ineternet服务软件 5.娱乐与学习软件
24
2.4 微型计算机系统的组成
2.4.1 微型计算机概述
常见微机系统
25
微机基本结构：显示器、键盘和主机
演示：计算机基本工作原理
11
计算机基本工作原理
指令的串行执行是当执行指令的三个部件依次全部完成后，才开 始下一条指令的执行，在此过程中在执行某功能部件时，其他两个 功能部件是不工作的。
取指令 分析指令 (a ) 指 令 的 串 行 执 行 执行指令
2.指令的并行执行 指令的并行执行就是使这三个功能部件并行工作，则可提高计算 机执行指令的速度，现在的计算机一般采用流水线技术。 则有三条指令的并行执行均理论速度是串行执行的3倍
汇编语言
将机器指令的代码用英文助记符来表示，代替机器语言中 的指令和数据。例如用ADD表示加、SUB表示减、JMP表示程 序跳转等等，这种指令助记符的语言就是汇编语言。 例如，计算 A=15+10 的汇编语言程序： MOV A，15 ：把15放入累加器A中 ADD A，10 HLT ：10与累加器A相加，结果存入A中 ：结束，停机
编译程序 源程序 目标程序 连接程序 可执行程序
数据
计算结果
22
.C
.OBJ
.EXE
实用程序
完成一些与管理计算机系统资源及文件有关的任务 系统设置软件 （不必直接修改注册表） 超级兔子软件、Windows优化大师 诊断程序（识别并且改正计算机系统存在的问题 ） 控制面板的系统 备份程序（备份程序把硬盘上的文件复制到其他存储设备上） “附件|系统工具|”的“备份” 反病毒程序 文件压缩程序
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2.3.2应用软件
为某一专门的应用目的而开发的软件称为应用软件 。 例如： 1. 办公软件包 2. 图形和图象处理软件 3.数据库系统 4. Ineternet服务软件 5.娱乐与学习软件
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2.4 微型计算机系统的组成
2.4.1 微型计算机概述
常见微机系统
25
微机基本结构：显示器、键盘和主机
演示：计算机基本工作原理
11
计算机基本工作原理
指令的串行执行是当执行指令的三个部件依次全部完成后，才开 始下一条指令的执行，在此过程中在执行某功能部件时，其他两个 功能部件是不工作的。
取指令 分析指令 (a ) 指 令 的 串 行 执 行 执行指令
2.指令的并行执行 指令的并行执行就是使这三个功能部件并行工作，则可提高计算 机执行指令的速度，现在的计算机一般采用流水线技术。 则有三条指令的并行执行均理论速度是串行执行的3倍
汇编语言
将机器指令的代码用英文助记符来表示，代替机器语言中 的指令和数据。例如用ADD表示加、SUB表示减、JMP表示程 序跳转等等，这种指令助记符的语言就是汇编语言。 例如，计算 A=15+10 的汇编语言程序： MOV A，15 ：把15放入累加器A中 ADD A，10 HLT ：10与累加器A相加，结果存入A中 ：结束，停机
第2章微型计算机系统的组成及工作原理
2.5.6 ISA总线的定义与应用
2. ISA总线的信号线定义 ——98芯插槽，包括地址线、数据线、控制线、时钟和电源线 (1)地址线：SA019和LA1723 (2)数据线：SD015 (3)控制线：AEN、BALE、 IOR 和 IOW、 SMEMR和 SMEMW
MEMR 和 MEMW、 MEM CS16 和 I/O CS16 、SBHE
2.1.2 微机系统的软件配置
系统软件、工具软件、应用软件、用户应用程序
.3 微机系统中的信息流与信息链
1. 微机系统中信息流与信息链的构成 信息流：存储器中的数据、程序代码；接口寄存器中的I/O数据、 状态、I/O命令 信息链：信息流在系统中流动的路径； 包括物理(硬件)环节和逻辑(软件)环节 2. 微机系统中信息流与信息链 ——早期微机系统/现代微机系统中的信息链 3. 研究信息流与信息链的意义 ——通过信息流从整体上认识微机体系结构和组成微机系统的各 部件之间的关系
2.5.7 现代微机总线技术的新特点
3. 总线桥 (1) 总线桥 ——总线转换器和控制器，是两种不同总线间的总线接口 内部包含兼容协议及总线信号和数据缓冲电路；把一条总线映 射到另一条总线上 北桥：连接CPU总线和PCI总线的桥 南桥：连接PCI总线和本地总线(如ISA)的桥 (2) PCI总线芯片组 ——实现总线桥功能的一组大规模集成专用电路 保持主板结构不变前提下，改变这些芯片组的设计，即可适应 不同微处理器的要求 4. 多级总线结构中接口与总线的连接
2.4 I/O设备与I/O设备接口
2.4.1 I/O设备及其接口的作用
1. I/O设备的作用 2. I/O设备接口的作用——连接与转换
2.4.2 I/O设备的类型及设备的逻辑概念
新编大学计算机基础教程-贾宗福第2章
ROM中存储的数据可以被任意读取，断电 后，ROM中的数据仍保持不变，但不可以 写入数据。 常常用来存放系统软件（如 ROM BIOS）、监控程序等不随时间改变的 代码或数据。
16
CPU
Cach e 主存
辅存
17
8G内存 280元
18
辅存储器
存储容量大、成本低、速度慢。 必须先调入内存储器再被运算器控制器处
软件系统是在计算机硬件设备上运行的各 种程序、相关的文档和数据的总称。
4
图灵机
1936年，英国数学家阿兰·图灵在题为《论 可计算数及其在判定问题上的应用》的论文 中，提出了可进行数字计算的理论模型 — 图 灵机（Turing Machine）。图灵机不是具体的 计算机，是思想模型，其基本思想是用机器 来模拟人们用纸和笔进行数学运算的过程。
新编大学计算机基础教程 -贾宗福第2章
2.1 计算机系统组成 2.2 计算机工作原理 2.3 微型计算机系统的组成 2.4 计算机的主要技术指标及性能评价
2
1. 计算机系统的组成
一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。
硬件系统是计算机系统中有电子类、机械 类、光电类等器件组成的各种计算机部件 和设备的总称，是组成计算机的物理实体， 是计算机完成各项工作的物质基础。
22
输出设备
输出设备用于将计算机处理结果或中间结 果以人们可识别的形式（如显示、打印、绘 图）表达出来。
常见的有显示器、打印机、绘图仪、影像 输出系统、语音输出系统、磁记录设备等。
辅存储器即是输入设备也是输出设备。
23
2.1.4 计算机软件系统
计算机软件系统是指在计算机硬件上运行的各种程序以 及有关的文档资料。使用不同的计算机软件，可以让计算 机完成许多不同的工作。 计算机软件一般分为系统软件和应用软件两大类。 系统软件是指与计算机系统有关的面向系统本身的软件。 主要负责对整个计算机系统进行调度、管理、监控、服务 等功能。提供给用户一个便利的操作界面和提供编制应用 软件的资源环境。 应用软件是由计算机用户在各自的业务领域内开发和使 用的、用于解决各种实际问题的应用程序。
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CPU
Cach e 主存
辅存
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8G内存 280元
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辅存储器
存储容量大、成本低、速度慢。 必须先调入内存储器再被运算器控制器处
软件系统是在计算机硬件设备上运行的各 种程序、相关的文档和数据的总称。
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图灵机
1936年，英国数学家阿兰·图灵在题为《论 可计算数及其在判定问题上的应用》的论文 中，提出了可进行数字计算的理论模型 — 图 灵机（Turing Machine）。图灵机不是具体的 计算机，是思想模型，其基本思想是用机器 来模拟人们用纸和笔进行数学运算的过程。
新编大学计算机基础教程 -贾宗福第2章
2.1 计算机系统组成 2.2 计算机工作原理 2.3 微型计算机系统的组成 2.4 计算机的主要技术指标及性能评价
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1. 计算机系统的组成
一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。
硬件系统是计算机系统中有电子类、机械 类、光电类等器件组成的各种计算机部件 和设备的总称，是组成计算机的物理实体， 是计算机完成各项工作的物质基础。
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输出设备
输出设备用于将计算机处理结果或中间结 果以人们可识别的形式（如显示、打印、绘 图）表达出来。
常见的有显示器、打印机、绘图仪、影像 输出系统、语音输出系统、磁记录设备等。
辅存储器即是输入设备也是输出设备。
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2.1.4 计算机软件系统
计算机软件系统是指在计算机硬件上运行的各种程序以 及有关的文档资料。使用不同的计算机软件，可以让计算 机完成许多不同的工作。 计算机软件一般分为系统软件和应用软件两大类。 系统软件是指与计算机系统有关的面向系统本身的软件。 主要负责对整个计算机系统进行调度、管理、监控、服务 等功能。提供给用户一个便利的操作界面和提供编制应用 软件的资源环境。 应用软件是由计算机用户在各自的业务领域内开发和使 用的、用于解决各种实际问题的应用程序。
第二章 计算机组成原理知识点
第二章计算机组成原理2.1计算机的组成与分类2.1.1计算机的发展与作用作用：①速度快，通用性强②具有多种多样的信息处理能力，不仅能进行复杂的数学运算，而且能对图像，文字和声音等多种形式的信息进行获取，编辑，转换，存储，展现等处理③信息存储容量大，存取速度高④具有互联，互通和互操作的特性，计算机网络不仅能进行信息的交流与共享，还可借助网络上的其他计算机协同完成复杂的信息处理任务。
2.1.2 计算机的逻辑组成计算机系统由硬件和软件两部分组成。
硬件是计算机系统中所有实际物理装置的总称。
软件是指计算机中运行的各种程序及其处理的数据和相关的文档。
CPU，内存存储器，总线等构成计算机的“主机”输入/输出设备和外存储器称为“外设”承担系统软件和应用软件运行任务的处理器称为“中央处理器”使用多个CPU实现超高速计算的技术称为“并行处理”总线是用于在CPU，内存，外存和各种输入输出设备之间传输信息并协调它们工作的一种部件（含传输线和控制电路）计算机系统中的I/O设备一般都通过I/O接口与各自的控制器连接，然后由控制器与I/O总线相连2.1.3计算机的分类巨型机，大型机，服务器，个人计算机，嵌入式计算机微处理器（µP或MP），通常指使用单片大规模集成电路制成的，具有运算和控制功能的部件SOC：单个集成电路芯片中包含微处理器，存储器，输入/输出控制与接口电路，电子系统模拟电路，数字/模拟混合电路和无线通信使用的射频电路2.2 CPU的结构与原理2.2.1 CPU的作用与组成匈牙利数学家冯·诺依曼的“存储程序控制”原理CPU的根本任务是执行指令CPU的组成：寄存器组（用来临时存放参加运算的数据和运算得到的中间结果），运算器：也称算术逻辑部件（ALU），控制器：指令计数器（用来存放CPU正在执行的指令的地址）和指令寄存器（用来保存当前正在执行的指令）2.2.2 指令与指令系统指令是构成程序对的基本单位，采用二进制表示，指令由操作码和操作数地址组成，CPU所能执行的全部指令称为指令系统2.2.3 CPU的性能指标字长，主频，CPU总线速度，高速缓存的容量与结构，指令系统，逻辑结构，内核个数 TFLOPS（万亿条浮点指令/秒）MIPS（百万条定点指令/秒），MFLOPS（百万条浮点指令/秒）2.3 PC主机的组成2.3.1 主板，芯片组与BIOSCPU芯片和内存条分别通过主板上的CPU插座和存储器插槽安装在主板上，PC机常用外围设备通过扩充卡或I/O接口与主板相连，扩充卡借助卡上的印刷插头插在主板上的PCI总线插槽中主板上还有两块特别有用的集成电路：一块是闪烁存储我，其中存放的是BIOS，它是PC机软件中最基础的部分，没有它机器就无法启动，另一个集成电路芯片是CMOS存储器，其中存放者与计算机系统相关的一些参数（称为配置信息），包括当前的日期和时间，开机口令，已安装的光驱和硬盘的个数及类型等，CMOS 芯片是一种易失性存储器，它由主板上的电池供电，即使计算机关机后它也不会丢失所存储的信息芯片组由北桥芯片（MCH）和南桥芯片（ICH）组成，CPU时钟信号由芯片组提供芯片组还决定了主板上所能安装的内存最大容量，速度及可使用的内存条的类型每次机器加电时，CPU首先执行BIOS程序，它具有诊断计算机故障和加载操作系统并启动其运行的功能BIOS:加电自检程序，引导装入程序，CMOS设置程序，基本外围设备的驱动程序内存储器由称为存储器芯片的半导体集成电路组成，RAM目前多采用MOS型半导体集成电路芯片制成DRAM:电路简单，集成度高，功耗小，成本低SRAM:电路复杂，集成度低，功耗大，成本高每个存储单元都有一个地址，CPU按地址对存储器进行访问存储器的存取时间指的是从CPU给出存储器地址开始到存储器读出数据并送回到CPU所需要的时间解决主存速度慢的方法是：①采用cache存储器②改进存储器芯片的电路与工艺，并对DRAM的存储控制技术进行改进2.3.3 I/O总线与I/O接口CPU芯片与北桥芯片相互连接总线称为CPU总线（前端总线FSB），I/O设备控制器与CPU，存储器之间相互交换信息，传输数据的一组公用信号线称为I/O总线，总线上有三类信号：数据信号，地址信号和控制信号总线带宽（MB/S）=(数据线宽度/8)X总线工作频率（MHZ）X每个总线周期的传输次数PCI-E是PC机I/O总线的一种新标准，采用高速串行传输USB电源（5V,100mA～500Ma） USB3.0的电流是1A2.4常用输入设备扫描仪的性能指标：①扫描仪的光学分辨率：普通家用扫描仪分辨率在1600～3200dpi②色彩位数③扫描幅面④与主机的接口2.5 常用输出设备显示器的刷新频率越高，图像的稳定性越好，响应时间越小越好。
第2章 计算机系统组成
磁盘驱动器接口
可接显卡
可接声卡、网卡、视频卡 等绝大多数输入/输出设 备
2.1.7 总线
总线（Bus）是计算机 各种功能部件之间传送 信息的公共通信干线， 它是由导线组成的硬件 线束。
划分为数据总线、地 址总线和控制总线
总线接口
❖ 与主板连接的接口主要ISA、EISA、VESA、PCI、 AGP、PCI-E等几种。
▪ 字长是计算机在单位时间内能 一次处理的二进制数的位数。 一般是16位、32位或64位。
▪ 主频就是CPU内核工作时的时 钟频率，反映了计算机的工作 速度。
Intel酷睿2四核 Q9400
2.1.6 主板
▪PC机的主机及其附属电路都装在一块电路板上，称为主机板 （Main Board，又称主板或系统板, 集成电路板 ）
Random Accessed Memory)
RAM特点：可读 出，也可写入， 断电后存储内容 立即消失。
高速缓冲存储器（高速缓存）
❖ 一种反应相当快的内存，主要作用是缓解高速CPU与低 速RAM的速度冲突问题。
❖ 当CPU执行任务时，高速缓存用来存放最近或经常用到 的数据和指令，减少对内存储器的存取次数，以加快执行 速度。
❖ 它的造价较低，容量远比内存大，但存取速度要慢 得多，CPU存取外部存储器的数据必须将数据先 调入内部存储器。
2.1.5 CPU
❖ 中央处理单元（CPU）是计算机 的心脏，包括控制器与运算器两 大模块。在CPU指令执行之前， 程序指令和数据必须先放进内存 中。
❖ CPU有两个重要的性能指标是字 长和主频。
（3）存储器 存储器（Memory）是计算机系统中的记忆设备, 计算机中的全
部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终 运行结果都保存在存储器中。
可接显卡
可接声卡、网卡、视频卡 等绝大多数输入/输出设 备
2.1.7 总线
总线（Bus）是计算机 各种功能部件之间传送 信息的公共通信干线， 它是由导线组成的硬件 线束。
划分为数据总线、地 址总线和控制总线
总线接口
❖ 与主板连接的接口主要ISA、EISA、VESA、PCI、 AGP、PCI-E等几种。
▪ 字长是计算机在单位时间内能 一次处理的二进制数的位数。 一般是16位、32位或64位。
▪ 主频就是CPU内核工作时的时 钟频率，反映了计算机的工作 速度。
Intel酷睿2四核 Q9400
2.1.6 主板
▪PC机的主机及其附属电路都装在一块电路板上，称为主机板 （Main Board，又称主板或系统板, 集成电路板 ）
Random Accessed Memory)
RAM特点：可读 出，也可写入， 断电后存储内容 立即消失。
高速缓冲存储器（高速缓存）
❖ 一种反应相当快的内存，主要作用是缓解高速CPU与低 速RAM的速度冲突问题。
❖ 当CPU执行任务时，高速缓存用来存放最近或经常用到 的数据和指令，减少对内存储器的存取次数，以加快执行 速度。
❖ 它的造价较低，容量远比内存大，但存取速度要慢 得多，CPU存取外部存储器的数据必须将数据先 调入内部存储器。
2.1.5 CPU
❖ 中央处理单元（CPU）是计算机 的心脏，包括控制器与运算器两 大模块。在CPU指令执行之前， 程序指令和数据必须先放进内存 中。
❖ CPU有两个重要的性能指标是字 长和主频。
（3）存储器 存储器（Memory）是计算机系统中的记忆设备, 计算机中的全
部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终 运行结果都保存在存储器中。
第二章计算机组成原理——23教材
央
器
处
数据
理
器
启动 完成
I/O 控制器 k 控制
I/O 设备 k
I/O操作中若干控制部件的作用
CPU
负责启动I/O操作
I/O控制器
负责在I/O操作期间对I/O设备进行全程控制
DMA控制器（Direct Memory Access）
DMA: 直接存储器访问 负责实现I/O设备与主存储器之间的直接数据传输的控制
2.3 PC机的主机
2.3.1 主板、芯片组与BIOS 2.3.2 内存储器 2.3.3 I/O总线和I/O接口
PC机的物理组成
- 机箱、显示器、键盘、鼠标器等
台式
机
机箱内包含
- 主板、硬盘、软驱、光驱、电
源、风扇等
主板上安装
– CPU、芯片组、内存条、总线
插槽、I/O控制器、I/O端口、
机
显示器接口 扬声器接口
箱
麦克风接口
背
板
电话线/MODEM接口
照
片
鼠标接口 电源接口
打印机(并行)接口 (游戏)操纵杆接口
名称
串行口
并行口 (增强式) USB（1.1）
USB（2.0）
IEEE 1394a IEEE 1394b
SATA
数据传 输方式
串行, 双向
并行, 双向
串行, 双向
串行, 双向
串行, 双向
I/O控制器
键盘、鼠标器等的I/O控制器较简单，集成在主板 的芯片内；
音频、视频等设备的I/O控制器较复杂，制作成适 配卡（扩充卡或控制卡），插在主板的PCI扩充槽 内，如：显卡等。
I/O 操作过程
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冯· 诺依曼体系结构 P32
一．功能部件
五大部分 运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备 以存储器为中心
二．信息表示：二进制
计算机内部的控制信息和数据信息均采用二进制表示，并 存放在同一类存储器中，采用相同的访问电路。
三．工作原理：存储程序/指令(控制)驱动
编译链接生成的可执行程序(包括指令和数据) 保存在辅助 存储器中；程序开始运行时，计算机在不需要人工干预的情况 下由控制器自动、高速地依次从存储器中取出指令并加以执行。 在冯· 诺依曼体系结构中， 内存属于存储器， 在 硬盘属于输入/输出设备
汇编（汇编程序）
指令是发送到CPU的命令，指示CPU执行一个特定的处理。 CPU可以处理的全部指令集合称为指令集。指令集结构（
ISA ）是体系结构的主要内容之一。ISA功能设计实际就是
确定软硬件的功能分配。
指令通常包含操作码和操作数两部分。操作码指明要完成操 作的性质，如加、减、乘、除、数据传送、移位等；操作数 指明参加上述规定操作的数据或数据所存放的地址。
程序存储
程序执行 体系结构 特点
接插线进行，程 序不存储
手工执行 无 第一台数字式电 子计算机
存储程序，指令驱动
程序控制的自动执行 冯· 诺依曼体系结构，是所有 现代计算机的原型和范本 第一台存储程序计算机
早期的计算机结构（无总线）
早期计算机各组成部分之间通过芯片引脚直接连接
模型机体系结构
基于总线的冯· 诺依曼架构模型机
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计算机组成
2015-4-19
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计算机体系结构、组成及实现区分
【例1】 ① 确定是否有乘法指令属于 计算机体系结构 。 ② 乘法指令是用专门的乘法器实现，还是经加法器用重 复的相加和右移操作来实现，属于 计算机组成 。 ③ 乘法器、加法器的物理实现，如器件的选定(器件集成 度、类型、数量、价格)及所用微组装技术等，属于 计算机实现
1. 2.
改进：指令集(RISC/CISC)、分层存储器 、高速总线/接口 改变：多种并行技术：流水线、超标量、多机/核、多线程
2.4 计算机体系结构分类 Flynn 2.5 计算机性能评测
字长、存储容量、运算速度
2.6 习题
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计算机执行C语言程序实现1+2求和功能
1.
指令举例
二进制操作码助记 符：与动作一一对 应
目/源操作数：
例：
MOV
R0，#2
；R0
;注释 R1+R2
ADD R0,R1,R2
操作码：由CPU设计人员定义，具有固定的写法和意义。
操作数：可由编程人员采用不同方式给出。
模型机工作原理
计算机的工作本质上就是执行程序的过程。
指令执行的基本过程可以分为取指令(fetch)、分析指令 (decode)和执行指令(execute)三个阶段。 ① 取指令
N个输入端的译码器可以输出2N个引脚
模型机内存储器
AB
CB DB
存储器用来存放当前的运行程序和数据 存储器组织由许多字节单元组成，每个单元都有一个唯一的编号（存储单 元地址），其中保存的信息称为存储单元内容 访问(读或写)存储单元 ：存储单元地址经地址译码后产生相应的选通信号， 同时在控制信号的作用下读出存储单元内容到数据缓冲器，或将数据缓冲 器中的内容写入选定的单元
【例2】 ① 主存容量与编址方式(按位、按字节、按字访问等)的 确定属于 计算机体系结构 。 ② 为达到所定性能价格比，主存速度应多快，在逻辑结 构上需采用什么措施(如多体交叉存储等)属于 计算机组成 。 ③ 主存系统的物理实现，如存储器器件的选定、逻辑电 路的设计、微组装技术的选定属于 计算机实现 。
生成可执行程序过程
a) b) c)
分析问题并得到解决方法 编写源代码（sum.c，保存在硬盘上) 编译、链接得到可执行程序(sum.exe ，保存在硬盘上) 数据段（程序中定义的变量） 代码段（程序中的可执行语句） 可执行程序从硬盘加载到内存（加载方式：操作系统或硬件加载）：变 量加载到数据段，可执行语句加载到代码段，并把程序计数器（ PC）初 始化为代码段的首地址 CPU根据当前PC值从内存读取一条指令到CPU内部，并更新PC = PC + N(N为一条指令的长度） 分析该指令功能 执行该指令功能，然后跳转到步骤b)，直到程序最后一条指令
当程序已在存储器中时，首 先根据程序入口地址取出一 条程序，为此要发出指令地 址及控制信号
② 分析指令
即指令译码，是指对当前取 得的指令进行分析，指出它 要求什么操作，并产生相应 的操作控制命令。
取指令，P C 值加1
Y
PC值由操作系统初 始化为程序的入口 地址(c语言中是 main函数第一行)
停机 ?
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模型机总线结构
C P U
存储器 I/O接口 输入/输出设备 AB CB DB
按传输信息的不同，可将总线分为三类： 地址总线（AB） 、控制总线（CB）和数据总线（DB）
地址总线通常是单向的，由主设备(如CPU)发出，用于选择读写对象(如 某个特定的存储单元或外部设备)； 数据总线用于数据交换，通常是双向的； 控制总线包括真正的控制信号线(如读/写信号)和一些状态信号线(如是否 已将数据送上总线)，用于实现对设备的监视和控制。
总线子系统：作为公共通道连接各子部件，用于实现各部件之间的数据、
信息等的传输和交换
CPU子系统：集成了运算器、控制器和寄存器的超大规模集成电路芯片
存储器子系统：用来存放当前的运行程序和数据
输入输出子系统：用于完成计算机与外部的信息交换
ARM寄存器：R0，R1，……，R15 x86寄存器: AX(AH,AL), BX(BH,BL), CX(CH,CL), DX(DH,DL)
1. 计算机体系结构是人眼看不见的东西，而计算机组成是人眼可 见的 2. 计算机组成是计算机的外部，是使用人员所关心的系统硬件指 标参数；而计算机实现是计算机的内部，是制造人员关心的内容
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3.
3. 相同体系结构(同系列)的计算机具有相同的结构和不同的组成。
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计算机体系结构
1946年，美国宾夕法尼亚大学莫尔学院的物理学博士Mauchley
模型机CPU子系统
地址总线AB
地址缓冲器 内部总线
数据总线DB
数据缓冲器
指令寄存器IR 时钟脉冲源
操作码 , 地址码
脉冲分配器 指令译码器ID 微操作控制电路
通用寄存器组 堆栈指针SP 程序计数器PC
输入1
输入2
算术逻辑单元ALU
结果寄存器
标志寄存器
控制器
控制总线PU读写存储器步骤
计算机系统层次结构 （P31、P39）
现代计算机是软件、硬件和网络组件的复杂综合体， 其基本功能包括信息的存储、处理和交换 2. 计算机功能通过软件实现还是硬件实现，取决于所需 的速度、灵活性、成本、可靠性、更新频率等因素 3. 软件实现：灵活，硬件简单，成本低，但是速度慢 硬件实现：速度快，灵活性差，硬件复杂，成本高 4. 软硬件的逻辑等价性可以表现为：硬件软化（如 RISC思想）、软件硬化（如CISC思想）、固件化（ 如微程序）技术 （同三种IP核对照理解） ； 5. 计算机划分层次的好处（P31）
第二章 计算机系统的结构组成与工作原理
2.1 计算机系统的基本结构与组成
1. 2.
层次模型 Hierarchy 结构Architecture、组成Organization与实现Realization
2.2 计算机系统的工作原理
1. 2.
冯· 诺依曼计算机架构 模型机：系统结构、指令集、工作流程
2.3 计算机体系结构的改革
程序的执行过程
取指令、分析指令、执行指令
内存储器 内容 地址 1000H B0H 1001H 5CH 1002H 04H 1003H 2EH
汇编源代码
MOV ADD ACC，5CH ACC,ACC,2EH
AB
地 址 译 码
③
汇编链接 后的可执 ④ 行文件调 读控制 入内存储 器,PC DB 赋 值1000H
指令系统层（机器语言指令） 硬核 级
系统、 Web浏览器、设备驱动、中断服务程 操作系统虚拟机 操作系统层 序
机器语言级
微体系结构层 硬件系统：异常处理机构、指令系统、 微程序级 （微程序） CPU、存储器、I/O及通信子系统 数字逻辑层（硬件）
寄存器级（硬件）
（a）软硬件实现
（b）语言功能
(1)图自下而上反映了系统逐级生成的过程，自上而下反映了系统求解问题的 过程； (2)图中的虚拟机：与某种特殊编程语言对应的假想硬件机器。
3.
CPU写存储器步骤
① ② ③ ④
CPU把需要写数据的存储单元地址放到地址锁存器（地址总线） 存储器对地址译码后产生相应的存储单元选通信号 CPU数据放到数据缓冲器(数据总线) CPU发出存储器写控制信号，存储器在写信号的作用下将数据缓冲 器中的内容写入选定的单元
模型机指令系统
汇编语言源程序 高级语言源程序 机器语言程序 编译或解释（编译程序） （目标代码）
…… 总线表示方式
3-8译码器
218 A H
B C G1 G2A G2B
Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7
C 0 0 0 0 1 1 1 1
B 0 0 1 1 0 0 1 1
A 0 1 0 1 0 1 0 1
输出有效引脚 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7
74LS138 3-8译码器
MOV ACC，5CH ADD ACC ， ACC, 2EH ; ACC = 5CH, ACC 为CPU内部的寄存器 ; ACC = ACC + 2EH