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文档简介
1 电子信息类专业学科基础课程 授课教师 侯俊钦 第三章微型计算机的基本工作原理 第3章微型计算机的基本工作原理 章节目录 微型计算机结构的简化形式 指令系统 1 2 3 程序设计 4 执行指令的例行程序 5 控制部件 6 微型计算机功能的扩展 7 初级程序设计举例 8 控制部件的扩展 9 现代技术在微型计算机中的应用 1微型计算机结构的简化形式 简化了的微型计算机 1 功能简单 只能做两个数的加减法 2 内存量小 只有一个16 8PROM 可编程序只读存储器 3 字长8位 二进制8位显示 4 手动输入 用拨动开关输入程序和数据 1微型计算机结构的简化形式 1 程序计数器PC计数范围由0000 1111 用十六进制可记作由0 F 每次运行之前 先复位至0000 当取出一条指令后 PC应加1 2 存储地址寄存器MAR接收来自PC的二进制程序号 作为地址码送至PROM去 简化了的微型计算机 PC 4 CPCLKCLREP MAR 4 LMCLK 16 8PROM 8 ER 16 8PROM 1微型计算机结构的简化形式 结构 每条横线与竖线都有一条由开关和二极管串联的电路将它们连接起来 操作 拨动开关 即可使该数据位置1或置0 从而达到使每个存储单元 写入 数据的目的 功能 实际上同时具有RAM和ROM的功能 简化了的微型计算机 3 可编程序只读存储器PROM 1微型计算机结构的简化形式 作用 从PROM接收到指令字 当LI 1 ER 1 同时将指令字分送到控制部件CON和W总线上去 指令字是8位的 MSBLSB最高有效位最低有效位左4位为最高有效位 高4位 称为指令字段 右4位为最低有效位 低4位 称为地址字段 4 指令寄存器IR IR CON 4 8 4 12 LICLKCLREI CLKCLR CPEPLMERLIEILAEASUEULBLO CON 1微型计算机结构的简化形式 2 CON有一个同步时钟 能发出脉冲CLK到各个部件去 使它们同步运行 3 在CON中有一个控制矩阵CM 能根据IR送来的指令发出12位的控制字 CON CPEPLMERLIEILAEASUEULBLO根据控制字中各位的置1或置0情况 计算机就能自动地按指令程序而有秩序地运行 5 控制部件CON 1 每次运行之前 CON先发出CLR 1 使有关的部件清0 此时 PC 0000IR 00000000 IR CON 4 8 4 12 LICLKCLREI CLKCLR CPEPLMERLIEILAEASUEULBLO CON 1微型计算机结构的简化形式 作用 储存计算机运行期间的中间结果 它能接收W总线送来的数据 LA 1 也能将数据送到W总线上去 EA 1 它还有一个数据输出端 将数据送至ALU去进行算术运算 注意 这个输出是双态的 即是立即地送去 而不受E门的控制 6 累加器A A 8 8 8 LACLKEA 1微型计算机结构的简化形式 7 算术逻辑部件ALU它只是一个二进制补码加法器 减法器 当SU 0 ALU 进行加法A B 当SU 1 ALU 进行减法A B 即 A B 8 寄存器B将要与A相加减的数据暂存于此寄存器 它到ALU的输出也是双态的 即无E门控制 A ALU B 8 8 8 8 8 LACLKEA SUEU LBCLK 8 ALU 1微型计算机结构的简化形式 作用 计算机运行结束时 累加器A中存有答案 如要输出此答案 就得送入O 此时EA 1 LO 1 则O A 典型的计算机具有若干个输出寄存器 称为输出接口电路 这样就可以驱动不同的外围设备 如打印机 显示器等 9 输出寄存器O O D 8 8 LOCLK 这是用发光二极管 LED 组成的显示器 每一个LED接到寄存器O的一位上去 当某位为高电位时 则该LED发光 因为寄存器O是8位的 所以这里也由8个LED组成显示器 10 二进制显示器D 中央处理器CPU 包括PC IR CON ALU A及B 记忆装置M MAR及PROM 输入 输出I O 包括O及D D也可称为其外围设备 简化了的微型计算机 分成3大部分 1微型计算机结构的简化形式 中央处理器 centralprocessingunit 缩写为CPU 是将程序计数功能 PC 指令寄存功能 IR 控制功能 CON 算术逻辑功能 ALU 以及暂存中间数据功能 A及B 集成在一块电路器件上的集成电路 IC 实用上的CPU要比这里的图例更为复杂些 但其主要功能是基本一样的 存储器M memory 在此图例中只包括存储地址寄存器 MAR 及可编程存储器 实际还包括了地址译码功能 这就是微型计算机的 内存 实际的 内存 要包括更多的内容 如ROM RAM及EPROM等 和更大的存储容量 输入及输出接口 I O 是计算机实行人机对话的重要部件 本简例中的输入将是人工设定PROM而没有输入电路接口只有输出有接口 O 实际微型计算机的输入设备多为键盘 输出则为监视器 即电视屏显示器 因而必须有专用的输出接口电路 3大部分功能 指令系统 LDA 将数据装入累加器A ADD 进行加法运算 SUB 进行减法运算 OUT 输出结果 HLT 停机 简化微机的指令 5条指令 控制部件能完成一系列例行程序 指令系统 助记符操作数注释LDAR9 把R9中的数据存入AADDRA 把RA中的数据与A的相加ADDRB 把RB中的数据与A的相加ADDRC 把RC中的数据与A的相加SUBRD 把A中的数据与RD的相减OUT 输出A中的数据 即结果HLT 停机 例如一个计算程序的格式如下 程序设计 1 编制汇编语言写的程序 2 助记符的翻译 3 存储器的分配 将指令清单中每一条指令都翻译成二进制码 机器码 称作操作码表 存储器中既要写入计算程序 也要存放参与运算的数据 因此 还得决定存储器中的存储单元应如何分配 这称为存储空间分配 在本微型机中就是要把PROM中的16个存储单元分配成两个区 程序存放区 指令区 和数据存放区 数据区 程序设计的步骤 程序设计 操作码表 由计算机制造厂提供的翻译表 它是每个助记符与二进制码的相应对照表 程序设计 存储器分配 PROM中的16个存储单元分配成两个区 程序存放区 指令区 和数据存放区 数据区 问题 如何根据助记符与二进制的对照表 操作码表 将上节例题中的每条指令的助记符译成二进制码 并将存储单元符号写成地址码 即R0 0000 R1 0001 R9 1001 程序设计 将源程序翻译成目的程序 助记符操作码LDA0000ADD0001SUB0010OUT1110HLT1111 LDAR9ADDRAADDRBSUBRCOUTHLT 源程序 目的程序 程序和数据都写到了存储器中 1CH18H14H10H F0HE0H2CH1BH1AH09H 该程序的功能是计算 16 20 24 28 程序设计 程序及数据的输入方法 执行指令的例行程序 计算机从开机到关机的全过程可概括为 取指令 执行指令 取指令 执行指令 计算机中的时间单位 由小到大 振荡周期 主频的倒数状态周期 节拍 若干个振荡周期CPU周期 若干个状态周期指令周期 若干个CPU周期 这里的指令周期对应课本上 机器周期 的概念 但一般的教科书上 机器周期 是和 CPU周期 为同一个概念 读取并执行完成一条指令的时间 一个CPU周期取指令 若干个CPU周期执行指令 执行指令的例行程序 指令周期 CPU周期 状态周期 节拍 执行一条指令的时间为一个机器周期 机器周期又可分为取指周期和执行周期 取指过程和执行过程机器都得通过不同的机器节拍 执行指令的例行程序 如果把一段程序的运行比作做一套广播体操每一节相当于一条指令 每一节的时间即为指令周期体操中每一节是等长的 而实际指令周期可以是不等长的 但均为CPU周期的整数倍每节的每一小节 一个1 2 3 4 相当与一个CPU周期一节体操通常分4小节 取指令需要1个小节即1个CPU周期 执行这条指令一般需要1至3个CPU周期每一小节的一个口令 1 2 3 4 相当于一个节拍每听到一个数完成一个分解动作 计算机则在每个节拍完成一个CPU周期的任务的一个步骤 执行指令的例行程序 各位输出端Q0 Q5的电位就是机器节拍T0 T5的电位 各节拍之间的转换是在时钟脉冲的负边缘开始的 6位的环形字 它用以控制6条电路 使它们依次轮流为高电位 T0 T1 T2 T3 T4和T5称为机器的节拍 环形计数器及机器节拍 执行指令的例行程序 取出指令的过程需要3个机器节拍 在清零和启动之后第1个节拍为T0 地址节拍 T0 1 在T0 1时 应将PC的内容 即第1个地址码 送入MAR 并通过MAR而达到PROM 所以 此时应有 EP 1 即PC准备放出数据LM 1 即MAR准备接收数据控制部件发出的控制字CON CPEPLMERLIEILAEASUEULBLO 011000000000 取指周期 执行指令的例行程序 2 储存节拍 T1 1 在T1 1时 应将PROM中由PC送来的地址码所指定的存储单元中的内容送到IR 同时IR立即将其高4位送至控制部件 因此 在此节拍到来之前 即应准备好 ER 1即PROM准备放出数据LI 1即IR准备接收数据所以 CON 000110000000 取指周期 执行指令的例行程序 3 增量节拍 T2 1 在T2 1时 应使PC加1 做好下一条指令的取指准备 因此 CP 1 即命令PC计数 所以 此时 CON 100000000000 这样3节拍的取指周期 对任何一条指令都是一样的 取指周期 执行指令的例行程序 指令取出来 再将其高4位送入控制部件去进行分析 决定下面应如何执行 下面的3节拍 T3 T4 T5 就称为执行周期 4 T3 1时IR已将从PROM来的指令码的高4位送至控制部件进行分析 此高4位是与LDA相应的二进制码 0000 控制部件经过分析后就发出命令 EI 1 将IR的低4位送至W总线 LM 1 MAR接收此低4位数作为地址并立即送至PROM 所以CON 001001000000 执行周期 LDA指令 执行指令的例行程序 5 T4 1应将PROM的数据区的存储单元 如R9 即1001 的内容送入累加器A 即 ER 1 PROM准备放出数据 LA 1 A准备接收数据 即CON 000100100000 执行周期 LDA指令 执行指令的例行程序 6 T5 1因为T4 1时 已将数据存放入A中 所以 LDA的例行程序就已完成 T5节拍就变成空拍 即有 CON 000000000000 执行周期 LDA指令 执行指令的例行程序 第2 3 4的ADD的指令 其取指周期仍和LDA9H是一样的 但PC中的内容已不是0000而是PC 1 即0001了 T4节拍从PROM中来的数据不再送入累加器A 而是送入寄存器B 这样A和B的数据就能直接被送入ALU相加 在T5节拍 将A和B的内容相加的结果还要送回到A去 所以要求LA 1 EU 1 由于ALU在实行相加时 要求SU 0 所以没出现SU 执行周期 ADD指令 执行指令的例行程序 第5条是要求减法运算所以最后一个节拍中出现SU 1 因而控制字变成 CON 000000101100第6条指令要求将累加器的内容送入输出寄存器 而与存储器PROM无关 所以只在T3节拍要求LO 1 EA 1 而T4及T5节拍为空拍 第7条指令只要求不再运行下去 即要求CLK时钟停发脉冲 这便是由控制器直接发出停止信号 所以在T3节拍发出HLT 停机信号 后T4及T5节拍也是空拍 执行周期 减法及HLT 执行指令的例行程序 4 PC IR CON MAR 16 8PROM A ALU B O D 4 8 8 8 8 4 8 8 8 8 8 4 12 CPCLKCLREP LICLKCLREI LACLKEA SUEU LBCLK LOCLK CLKCLR LMCLK ER 8 CPEPLMERLIEILAEASUEULBLO 0H 4 4 0 执行下面程序LDAR9ADDRA 注意观察取指周期和执行周期 执行指令的例行程序 4 PC IR CON MAR 16 8PROM A ALU B O D 4 8 8 8 8 4 8 8 8 8 8 4 12 CPCLKCLREP LICLKCLREI LACLKEA SUEU LBCLK LOCLK CLKCLR LMCLK ER 8 CPEPLMERLIEILAEASUEULBLO LDAR9的指令码 执行指令的例行程序 4 PC IR CON MAR 16 8PROM A ALU B O D 4 8 8 8 8 4 8 8 8 8 8 4 12 CPCLKCLREP LICLKCLREI LACLKEA SUEU LBCLK LOCLK CLKCLR LMCLK ER 8 CPEPLMERLIEILAEASUEULBLO 4 9 执行指令的例行程序 4 PC IR CON MAR 16 8PROM A ALU B O D 4 8 8 8 8 4 8 8 8 8 8 4 12 CPCLKCLREP LICLKCLREI LACLKEA SUEU LBCLK LOCLK CLKCLR LMCLK ER 8 CPEPLMERLIEILAEASUEULBLO 执行指令的例行程序 4 PC IR CON MAR 16 8PROM A ALU B O D 4 8 8 8 8 4 8 8 8 8 8 4 12 CPCLKCLREP LICLKCLREI LACLKEA SUEU LBCLK LOCLK CLKCLR LMCLK ER 8 10H CPEPLMERLIEILAEASUEULBLO 执行完了LDAR9指令将数据装入了累加器A 执行指令的例行程序 4 PC IR CON MAR 16 8PROM A ALU B O D 4 8 8 8 8 4 8 8 8 8 8 4 12 CPCLKCLREP LICLKCLREI LACLKEA SUEU LBCLK LOCLK CLKCLR LMCLK ER 8 CPEPLMERLIEILAEASUEULBLO 1H 4 4 1 进入第二条指令的取指周期 10H 执行指令的例行程序 4 PC IR CON MAR 16 8PROM A ALU B O D 4 8 8 8 8 4 8 8 8 8 8 4 12 CPCLKCLREP LICLKCLREI LACLKEA SUEU LBCLK LOCLK CLKCLR LMCLK ER 8 CPEPLMERLIEILAEASUEULBLO 10H ADDRA的指令码 执行指令的例行程序 4 PC IR CON MAR 16 8PROM A ALU B O D 4 8 8 8 8 4 8 8 8 8 8 4 12 CPCLKCLREP LICLKCLREI LACLKEA SUEU LBCLK LOCLK CLKCLR LMCLK ER 8 CPEPLMERLIEILAEASUEULBLO 4 A 10H 执行指令的例行程序 4 PC IR CON MAR 16 8PROM A ALU B O D 4 8 8 8 8 4 8 8 8 8 8 4 12 CPCLKCLREP LICLKCLREI LACLKEA SUEU LBCLK LOCLK CLKCLR LMCLK ER 8 CPEPLMERLIEILAEASUEULBLO 8 10H 24H 执行指令的例行程序 4 PC IR CON MAR 16 8PROM A ALU B O D 4 8 8 8 8 4 8 8 8 8 8 4 12 CPCLKCLREP LICLKCLREI LACLKEA SUEU LBCLK LOCLK CLKCLR LMCLK ER 8 CPEPLMERLIEILAEASUEULBLO 24H 8 完成了ADDRA指令的执行相加的结果装入了累加器A 控制部件 它包括下列主要部件 1 环形计数器 RC 2 指令译码器 ID 3 控制矩阵 CM 4 其他控制电路 其中 环形计数器 指令译码器 控制矩阵称为控制器 控制部件的构成 使计算机能够成为自动机的关键部件 控制部件 指令译码器 IR高4位就是各种控制动作的代码 控制部件 控制矩阵 T0 T1 T2 T3 T4 T5 T5T4T3T2T1T0 CPEPLMERLIEILAEASUEULBLO LDAADDSUBOUT 控制部件 启动和清除按钮 运行 停止触发器 时钟震荡器 射极跟随器 环形计数器 指令译码器 控制矩阵 指令字段 高4位 HLT CON CLR CLK 控制器 控制部件结构图 启动和清除按钮 运行 停止触发器 存储程序 按地址顺序执行 这就是冯 诺伊曼模型计算机的工作原理 其他控制电路 微型计算机功能的扩展 CPU的本质特征自动机高速CPU功能强 运行效率高 指令丰富增强CPU功能 改进控制器 ALU 寄存器等核心部件 子程序计数器SC 8 8 PC 8 8 MAR 8 256 12RAM 12 MDR 12 12 IR 12 8 CON 8 12 输入寄存器 12 12 A 12 ALU 12 B 变址寄存器 12 输出寄存器 12 12 12 12 12 12 28 LSCLK CSES LPCLKEP LICLR CLKEI LMCLK WEME AminusXminus LDED CLK CLKCLR LNCLKEN LACLKEA S3S1EU S2S0 LBCLK LOCLR LXCLKEX INXDEX 功能扩充后的微型计算机结构图 XminusXzero AnimusAzero AzeroXzero 微型计算机功能的扩展 它本身也相当于一个程序计数器 不过它不由CLR来清零 而可由LS门来置数 一旦置数 即为其子程序的开始地址 SC的位数为8位 LS 装入 的可控门 ES 输出 的可控门 即3态门 CS 计数 的控制端 子程序计数器SC 8 8 LSCLK CSES 扩展的功能 1 子程序计数器SC 微型计算机功能的扩展 用RAM作为主存储器 RAM的存储单元为256个 字长为12位 可以随机存取 除MAR 存储地址寄存器 外 还有一个MDR 存储数据寄存器 扩展的功能 PC 8 8 LPCLKEP 2 程序计数器PC PC增加了一个LP门 这就使得PC可以接收跳转地址 换句话说 PC可以不从00H开始 3 随机存取存储器RAM MAR 8 256 12RAM 12 MDR 12 12 LMCLK WEME LDED CLK 微型计算机功能的扩展 控制端改为S S3S2S1S0 4位16种组合 只用其中的10种 以得到3种算术运算和7种逻辑运算 4 控制部件CON 扩展的功能 此CON将要产生一个28位的控制字 LSCSESLPCPEPLMWEMELDEDLIEILNENLAEAS3S2S1S0EULBLXINXDEXEXLO 5 算术逻辑部件ALU CON 28 CLKCLR AzeroXzero 微型计算机功能的扩展 新增加的一种寄存器 它可以用指令使其加1或减1 INX 加1指令助记符 其控制端符号为INX DEX 减1指令助记符 其控制端符号为DEX 扩展的功能 变址寄存器 12 12 LXCLKEX INXDEX XminusXzero 6 变址寄存器X 微型计算机功能的扩展 在访问存储器指令 MRI 和转移指令的执行期间 高4位代表指令字段 低8位代表地址字段 MSB4位 LSB8位 CONW总线在运算指令执行期间 高8位代表指令字段 而低4位可为任意数 因为它不代表任何意义 MSB8位 LSB4位 CON不用 扩展的功能 IR 12 8 8 LICLR CLKEI 7 指令寄存器IR 微型计算机功能的扩展 指令的扩展 5种 28种 访问存储器类指令指令中的操作数之一在存储器中转移指令可根据条件决定程序流程的跳转将指令地址段内容有条件地装入PC或SC逻辑运算指令作用对象仅限于ALU A和B各类逻辑运算以及子程序返回 输入输出 停机等 初级程序设计举例 初级程序是包括下列的程序模式 1 简单程序 程序一统到底 中间没有任何分支和跳转 2 分支程序 程序进行中 根据判断程序执行的不同结果而分别跳转至其他子程序去 3 循环程序 程序进行过程中 在某一循环体进行若干次循环运行 然后再继续前进 4 调用子程序 程序进行至某一阶段 调用存储于某存储区中的某个子程序 然后返回至主程序继续运行下去 程序模式 初级程序设计举例 例 跳转指令及其如何形成循环程序的简例 R0LDA6H把 R6 装入A去R1SUB7H从 A 减去 R7 指R2JAM5H A 负 则转移至R5令R3JAZ5H A 0 则转移至R5区R4JMP1H无条件转移至R1R5HLT 数R625 10 据区R79 10 初级程序设计举例 例 循环程序利用变址寄存器可以设计一个循环程序 R0LDX5H将 R5 装入变址器XR1DEX命 X 减1R2JIZ4H X 0 则转移至R4R3JMP1H无条件转移至R1R4HLT停机R53 10 R5 3 10 数据 初级程序设计举例 例3 3 乘法计算的程序R0NOPR1LDXAHR2CLAR3DEXR4ADD9H7次返回R5JIZ7HR6JMP3HR7OUT转出循环R8HLTR912 10 RA8 10 利用循环程序可作乘法计算 例如要求12 10 8 10 就是要求将12 10 连加8次 这就可以利用循环程序 让它进行8次循环 R0INP 将外部数据装入AR1XCH 将 A 和 X 互换 初级程序设计举例 程序清单如下 R0INP 将I0装入累加器AR1LDB9H 将 R9 装入寄存器BR2AND 将 B 与 A 进行 与 运算R3JAZ6H A 0 则转移至R6R4LDAAH 将 RA 装入累加器AR5JMP7H 无条件转至R7R6LDABH 将 RB 装入累加器AR7OUT 输出 A 至显示器R8HLT 停机R9000000000001 掩码 RA111111111111奇数标志RB000000000000偶数标志 例 逻辑运算的例子设计一个程序 用以测试某个来自接口电路的输入数I0 12位 以确定该数是否为奇数 如I0为奇数 即最后一位为1 则显示一个111111111111 如I0是偶数 最后一位为0 则显示一个000000000000 初级程序设计举例 例 子程序设计设计一个计算x2 y2 z2 的计算程序 由于x2 y2和z2在形式上都是一样的 是求一个数的平方值 这不但本题用得着 在做其他数学运算时也常用得着 因此可将x2做成一个子程序而存于存储器中一个固定的区域中 用到时 即可将其调出使用 初级程序设计举例 RF2STACAH 将 A 暂存于RCARF3LDXCAH 将 RCA 装入XRF4CLA 累加器A清零循环程序RF5DEX X 减1循环体RF6ADDCAH 将 RCA 与 A 相加x个x相加的过程RF7JIZF9H X 0 则转移到RF9RF8JMPF5H 无条件转移至RF5RF9BRB 返回主程序RC6xRC7y 被运算的数据RC8zRC9RCA 运算过程暂存地址 将此子程序存于以RF2为起始地址 其地址为F2H 即11110010的存储单元 的一个区域中 则可设计其程序如下 初级程序设计举例 R00LDAC6HR01JMSF2HR02STAC9HR03LDAC7HR04JMSF2HR05ADDC9HR06STAC9HR07LDAC8HR08JMSF2HR09ADDC9HR0AOUTR0BHLT 主程序的运算 x2 y2 z2 42 62 82 RC64 10 RC76 10 RC88 10 控制部件的扩展 控制矩阵 环形计数器 T5 T4 T3 T2 T1 T0 28 CON 28位 指令译码 8 27 HLT CLKCLR 一个具有27 6 4 37个输入端28个输出端的极其复杂的组合逻辑电路 Aminus Azero Xminus Xzero 控制器的结构 控制部件的扩展 组合逻辑电路的缺点不灵活 不规整 布线复杂微程序控制1951 设计计算机的最好方法 M V Wilkes核心思想 用程序 软件方式 产生控制字 控制部件实现技术的发展 控制部件的扩展 将每条指令从取指令到执行指令的过程 表示为若干小步骤 微操作 的序列每个微操作对应的控制信号编码为微指令微指令存储在控制存储器中取出对应的微指令就产生该微操作对应的控制信号因此 一条指令的执行过程就转化为一系列的微指令的执行过程控制逻辑摆脱了复杂的组合逻辑电路改为存储控制器和存储在其中的微指令实现 微程序控制 现代技术在微型计算机中的应用 一种具有存储 记忆 功能的高速自动信息处理机 增加地址线位数 增加寻址空间 虚拟存储器技术 弥补物理内存的不足 增加寄存器数量更高的主频流水线技术高速缓存技术双核 多核 更加丰富和强大的指令系统 物质基础 微电子技术 VLSI技术的飞速发展 计算机的本质 现代技术在微型计算机中的应用 与8位机相比 除明显的处理字长不同外 还有下述优点 1 更多的寄存器 可以减少CPU对存储器访问的次数 提高处理速度 2 增加了存储器寻址范围 16 32位地址字允许CPU直接对几百万个地址进行寻址 3 更大的指令系统 包括16位乘法及除法指令 块移动指令等 简化了编程 从而加快了软件的开发 16 32位微型计算机的优点 现代技术在微型计算机中的应用 4 更高的速度 采用了新型的半导体技术 时钟频率可以从过去8MHz提高到33MHz至1GHz 因此加快了微处理器的运算速度 5 新的结构 微型计算机的内部组织管理采用微程序控制及流水线技术 加快了取指周期和访问存储器操作 在某些情况下运行的速度 达到数量级的增长 6 存储器管理的改进 在硬件上增添高速缓冲存储器 而在软件上采用虚拟存储技术 使微型计算机中执行最慢的存储器存取速度得到很大的提高 也使微型计算机的主存储器在
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