第1章微型计算机概述

第1章微型计算机概述

提要：自20世纪70年代初大规模集成电路组成的微型计

算机问世以来，仅30多年，微型计算机的硬件和软件系

统得到了飞速的发展，微型计算机在我国国民内经济各

个领域得到广泛的应用。本章介绍微型计算机的发

展概况、微机系统的组成、微机的主要性能指标

和采用的一些先进技术。

、.〔第1章微型计算机概述

1.1微型计算机的发展概况

1.2微型计算机的基础

1.3微型计算机系统

1.4微型计算机采用的先进技术

第1章微型计算机概述

微型计算机的发展概况

J---------------------

1946年，美国诞生了世界第一台电子计算机

“ENIAC一日ectronicNumericalIntegratorAndCalculator^

它

使用了18800个电子管和1500多个继电器，重量达30吨，占地

150平方米，耗电150千瓦，每秒完成5000次加法运算。

自从第一台计算机诞隼，计算机经历了

电子管

晶体管，

中小规模集成电路5个时代

大规模集成电路,

超大规模集成电路

第1章微型计算机概述

微型计算机的发展概况

微处理器推出了四代产品：

4位、

8位I微处理器

16位

32位）

最有影响力的是IBMPC系列微机，其代表机型有：

IBMPC/XT（8位机），PC/AT（16位机）

<80386微机（32位机）

,80486微机（32位机）

、Pentium586（32位机）

第1章微型计算机概述

微型计算机的发展概况

■JI--------------------

微型计算机的硬件体系米用冯・诺依曼(JohnVonNeumann)

结构。

r运算器

控制器

微型计算机硬件J存储器

输入设备

〔输出设备

一流水线技术

微型计算机采用的先进技术-虚拟存储器技术

I高速缓冲技术

第1章微型计算机概述

Xl.i微型计算机的发展概况

W------------------------------

1.L1微型计算机的发展

Intel处理引入最大时每个芯片上的通用寄数据总线最大外部可寻Caches

器时间钟频率晶体管数存器（位）址空间

（位）

Intel40041971444096(4)None

Intel800819718816KBNone

Intel808619788MHz2.9万16161MBNone

Intel286198212.5MHz13.4万161616MBNone

Intel386198520MHz27.5万32324GBCache

DX

Processor

Intel486198925MHz120万32324GBLl:8kB

DX

Processor

第1章微型计算机概述

:微型计算机的发展概况

Pentium199360MHz310万32644GBLl:16kB

Processor

Pentium1995200MHz550万326464GBLl:16kB

ProProcessorL2:256kB

or512kB

PentiumII1997266MHz700万326464GBLl:32kB

ProcessorL2:256kB

or512kB

PentiumIII1999500MHz820万326464GBLl:32kB

ProcessorL2:512kB

第1章微型计算机概述

1.1微型计算机的发展概况

1.L2计算机软件的发展

程

序r机器语言:由多个1和o组成的二进制代码

设

计

¥匚编语用助记符代替二进制码。

语g：

言

局级语言：FORTRAN、BASIC、C/C++、Pascal

DOS操作系统(DOSl.O—DOS6.2)

软件系统

MSWindows操作系统(Windows3.1Windows98

WindowsNT、Windows2000>WindowsXP)

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

1.2.1微型计算机的硬件结构

1.2.1微型计算机的硬件结构

微型计算机的硬件结构体系采用冯・诺依曼建

立的经典结构。其主要特点是：微型计算机的

硬件由五大部分组成。

1.运算器、控制器、存储器、输入设备和输出

设备。

2.运算器、控制器、存储器、输入/输出设备

和总线。

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

11.2.1微型计算机的硬件结构

»AB

运算器>DB

>CB

控制器

［一输入设备

MPU存储器I/O接口

I-^输出设备

图1-1微型计算机硬件结构框图

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

1.2.1微型计算机的硬件结构

■微处理器是微机的核心，由运算器和控制器组

成，合称微处理器（CPU）。

■运算器用于对信息进行处理和运算；

■控制器根据程序的要求发出各种控制命令，协

调各部件之间的工作。

■存储器的作用是存储程序、数据和运算的结果。

■输入/输出设备由多个I/O接口和外部设备组

成，用于微机与外部交换信息。

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

1.2.1微型计算机的硬件结构

■总线是一组导线，用于各部件之间的信息传

输。微机的各组成部件通过总线连接起来。

■数据总线(DB・DataBus)：用来传送数据信

息、，由于数据信息可以在CPU和存储器、I/O

设备之间相互传送，故为双向总线。

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

1.2」微型计算机的硬件结构______________

■喂址总线(AB-AddressBus)：

用于传送CPU发出的地址信息，是单向总

线。微机中存储单元和I/O设备都有地址，在

交换信息前，CPU先通过传送地址信息找寻所

需交换信息存储器和I/O设备，然后经过数据

总线进行信息的交换。

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

1.2.1微型计算机的硬件结构

■控制总线(CB・ControlBus)：

用来传送控制信号、时序信号和状态信号。

由于有的信号由CPU发向存储器和I/O设备，

有的信号由存储器和I/O设备发向CPU,故控

制总线从整体上看是双向的。

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

，1.2.2微型计算机的硬件结构

■I

■常用的计数制有：十进制、八进制、十六进

制和二进制。

■十进制(D-decimal)

■十进制数码为0,1,2,3,4,5,6,7,8,

9共10个，权为10的累，逢十进一，借一当十。

■例如：(245.25)10=

2X102+4x101+5X100+2X1CH+5X10-2

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

n1.2.2微型计算机的硬件结构

Jr-----

■二进制(B-binary)

■二进制数码为0和1,权为2的哥，逢二进

一，借一当二。

■例如：

■(11110101.01)2

■=1X27+1X26+1X25+1X24+0X23

■+1X22+0x2i+1x20+0x2-i+1X2々

■=(245.25)10

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

1122微型计算机的硬件结构

Jr-二

■八进制(O-octal)

■八进制数码为0,1,2,3,4,5,6,7共8

个，权为8的哥，逢八进一，借一当八。

■例如：

■(365.2)8=3X82+6X81+5X80+2X8-1

(245.25)10

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

1.2.2微型计算机的硬件结构

■十六进制(H-hexadecimal)

■十六进制数码为0,1,2,3,4,5,6,7,

8,9,A,B,C,D,E,F共16个，其中A,

B,C,D,E,F分别表示十进制的10,11,

12,13,14,15；权为16的累，逢十六进

一，借一当十六。

例如：(F5.4)16=FX161+5X160+4X16-1

=(245.25)10

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

1.2.3数在计算机中的表示

-L机器数与真值

■机器数：一般情况，在数的最高位之前增设

一位符号位，。表示正数，1表示负数。这种符

号数码化的数叫机器数。

-真值：机器数所代表的数的本身叫真值。

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

1.2.3数在计算机中的表示

-机器数具有如下的特点：

■(1)机器字长是有限的，字长可决定数的表

示范围。

■(2)符号数值化，参与运算。

■(3)小数点按约定方式标出，而不是以专门

操作器件表示。

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

1.2.3数在计算机中的表示

■2.原码、反码和补码

■在计算机执行算术运算时，用原码实现乘、

除运算，用补码实现加、减运算。

■(1)原码表示法

■原码表示法是一种最简单的机器数表示法，

用最高位表示符号位，符号位为“0”表示该位

为正，符号位为T”表示该数为负，数值部分

就是原来的数值。

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

1.2.3数在计算机中的表示

-设定点数字长为n,原码定义为:

rX0<X<2^-1

[X]原=1

>1-X2n-i〈XWO

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

11.2.3数在计算机中的表示

■例如:X=+1101001,[X]M=X=01101001

X=-1101001,[X]原=2n-i—X

(-1101001)

=10000000+1101001

=11101001

■在原码表示中，真值。有两种不同的表示形式：

■[+0]原=00000000

■[-0]原=10000000

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

1.2.3数在计算机中的表示

-原码表示法的特点：直观易懂，机器数和真

值的相互转换很容易。

■用原码实现乘、除法的规则：

■当两个原码数相乘或相除时，积或商的数值

部分和符号部分分别计算；

■积或商的数值部分为两个原码数值部分的乘

积或求商；

■积或商的符号位为两个原码数符号的“异或'

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

1.2.3数在计算机中的表示

・例如:设[X]原=00000100,

求

[Y]m=10000010,XXY=?

解：积的数值=0000100X0000010=0001000

积的符号=0㊉1=1

贝ij：XXY=10001000

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

1.2.3数在计算机中的表示

■(2)反码表不法

在反码表示法中，正数的反码就等于真值，

负数的反码是把其原码除符号位以外的各位

按位取反。

-设定点整数字长为n,反码定义为：

rX0<X<2n-i

凶反=<

1(2n-l)+X-2"X<0

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

1.2.3数在计算机中的表示

■例如：X=+1101001,[X]^=X=01101001

X=-1101001,

凶反=(27)+X

=(28-1)+(-1101001)

=(100000000-1)+(-1101001)

=11111111-1101001

=10010110

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

1.2.3数在计算机中的表示

或者：对于负数X=-1101001

其原码［X］原=11101001

则反码［X］反=10010110

在反码表示中，真值。有两种不同的表示形式:

［+0］反=00000000

［-0］反=11111111

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

1.2.3数在计算机中的表示

■(3)补码表示法

设定点整数字长为n,补码定义为:

「X0<X〈2n-1

[XX=Y

I2n+X-2n-KX<0

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

]]11.2.3数在计算机中的表示___________

■例如：X=+1101001,[X]补=X=01101001

X=-1101001,

凶补=2n+X

=28+(-1101001)

=100000000-1101001

=10010111

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

J.11.2.3数在计算机中的表示

■或者：对于负数X=-1101001

其原码［X］原=1110100

反码［X］反=10010110

补码［X］补=［X］反+1=10010110+1

=10010111

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

■L2.3数在计算机中的表示_________________

Jr-----

■在补码表示中，真值0的表示形式是唯一的：

［+0］补=［-0］补=00000000

［凶补］补=凶原

■补码表示法的特点：使符号位参加运算，从而

简化了加、减法的规则，使减法运算转换为加

法运算，简化可运算电路。

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

1.2.3数在计算机中的表示

补码加、减法的规则是：［X+刈补=凶补+［Y］补

［X-Y］补=［X］补+［-Y］补

-已知［Y］补，如何求［-Y］补?

-如果已知［Y］补，那么对［Y］补的每一位（包括符

号位）都按位求反，然后再在末位加1,结果

即为［-Y］补。已知为］补求［-Y］补的过程叫变补。

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

1.2.3数在计算机中的表示

・喝如:设［X］补=00000100,

［Y］tt=11110010,求：［X+Y］补和［X-丫］补

■解：［X+Y］补=［X］补+［Y］补

=00000100+11110010

二11110110（-10的补码）

［X-Y］补=凶补+［-Y］补

=00000100+（00001101+1）

=00010010+00001110

=00010010（18的补码）

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

1.2.3数在计算机中的表示

■3.有符号数与无符号数

(1)无符号数：通常表示一个数的绝对值，

即数的各位都用来表示数值的大小。对于一

个8位二进制数，只能表示0・255范围内的数。

因此」要表示大于255的数，必须采用多字节

来表示。

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

1.2.3数在计算机中的表示

■单字节（表示的范围。〜255）

数值位

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

11.2.3数在计算机中的表示

多字节:

7654321076543210

数值位

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

1.2.3数在计算机中的表示

■（2）有符号数：用来表示一个任意位长的正

数或负数。一般是，用一个数的最高位表示

符号位,用“0”表示正号,用T”表示负号，而

其余的位为数值位。

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

1.2.3数在计算机中的表示

■单字节（表示的范围・128〜+127）

符号位数值位

第i章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

1.2.3数在计算机中的表示

■多字节

7654321076543210

数值位

符号位

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

1.2.3数在计算机中的表示

4,定点数和浮点数

■在计算机中，对小数点的处理有两种：定点

数和浮点数。

■(1)定点数：是指小数点的位置固定不

变，常用的定点数有下列两种。

小数点固定在符号位之后，如1.1010111；机器中

所有数均为小数。

小数点固定在最低位之后，如11010111.；机器中所

有数均为整数。

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

1.2.3数在计算机中的表示

（2）浮点数

浮点数亩阶码和尾数两部分组成。对任意一

个带符号的二进制数N的一般形式可表示为：

N=±SX2士〕

S：二进制小数，称为尾数（尾数的符号位

包括在内）；

J：数的阶码，为二进制整数（阶码的符号位

包括在内）

2：阶码的底。

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

1.2.3数在计算机中的表示

■例如:一个浮点数-0.101011010X2-0001。的

表示格式如下。

1514131211109876543210

1000101101011010

阶码尾数

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

■|1.2.3数在计算机中的表示_________________

--------------------

-(3)规格化数与“溢出”

-为了提高浮点数的表示精度，数采用规格化表

示法。

■规格化数：如果尾数的第一位有效数字是1

(不包括符号位)时，该数既是规格化数。

■例如：1.1010111,0.1010001,0.1000000

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

1.2.3数在计算机中的表示

-非规格化数：当尾数的第一位有效数字是0

（不包括符号位），时，该数是非规格化数。

■例如：1.0100000,1.0111111,0.0111111

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

1.2.3数在计算机中的表示

■溢出：当两个有符号数进行补码运算，若运算

结果的绝对值超过运算装置的容量时，数值部

分就会发生溢出，占据符号位的位置，导致错

误的结果，这种现象通常成为补码溢出，简称

“溢出”。这和正常运算符号位的进位自动丢失

性质上是不同的。例如：某运算装置共有5

位，除最高位表示符号位外，还有4位用来表

示数值。

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

数在计算机中的表示

J--1-.2-.3--------

-先看下面两组运算。

■(1)计算13+7=?

+130i1101B

+)+___L+)0J0、1、1、1B

+201：0~~1~~00B=-12

十进制运算二进制补码运算

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

1.2.3数在计算机中的表示

■(2)计算(-4)+(-4)=?

-41i1100B

+)-4+)、1、|1、100B

1▲~~FTl~~000B=-8

符号位的进位自动丢掉

十进制运算二进制补码运算

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

1.2.3数在计算机中的表示

-(1)的运算结果显然是错的，产生错误的原

因是由于两个数相加后的数值超出了加法装置

所允许位数(数值部分4位)，因而从数值的

最高位向符号位产生了进位，或者说这种现象

是由于“溢出”而造成的。

■(2)的结果显然是正确的，由符号位产生的

进位自动丢失

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

1.2.3数在计算机中的表示

■为了保证运算结果的正确性，计算机必须能够判别出

是正常进位还是发生了溢出错误。

■微机中常用的溢出判别称为双高位判别法，并常用

“异或'电路来实现溢出判别。其表达式为：

■Cs㊉Cp=1表示发生溢出

■式中：

■Cs—最高位（符号位）产生进位的情况。

■Cs=1,有进位；Cs=0,无进位。

■Cp——次高位（数值部分最高位）向符号位产生进

位的情就。CP=1,有迸位；CP=0,无进位。

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

1.2.3数在计算机中的表示

■由表达式可知：

■1）当运算结果中，Cs和Cp状态不同时（为01或10）

时，产生溢出；

■2）当运算结果中，Cs和Cp状态相同（为0㊉0或

1㊉1）时，不产生溢出。

在发现溢出时，Cs㊉Cp=01为正溢出（上溢出），

通常出现在两个正数相加时；Cs㊉Cp=10为负溢出

（下溢出），通常出现在两个负数相加时。

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

1.2.3数在计算机中的表示

■考察上面的两例。例(1)中，Cs㊉CP=O㊉1=1,有

溢出，为正溢出。例(2)中，Cs㊉CP=1㊉1=0,

无溢出，从而可知：一个正数和一个负数相加，和肯

定不溢出。下面举例说明溢出判别。

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

1.2.3数在计算机中的表示

■例1

01000000B（+6钠补码）

+）0、1000001B（+6的补码）

1000000~~1~~1~~（-12的补码）

■由于Cs㊉CP=0㊉1=1产生了溢出，并且是正

溢出，导致运算结果出错（两个正数相加得到

负数的结果）。

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

>-1.2.3数在计算机中的表示

■例2.

10010010B（T10的补码）

+）>10100100B（-9%勺补码）

1~~~~1~~1~~0~~1~~1~~

■由于Cs㊉CP=1㊉0=1,产生了溢出，并且是

负溢出，结果出错

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

1.2.3数在计算机中的表示

■例3.

10001011B（T17的补码）

+）、0、1、1、1、10、0、1B（+121的补码）

100000100B（+的补码）

■一个负数和一个正数相加，结果不溢出。

■Cs㊉Cp=1㊉1=0

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

1.2.4数的编码方法

L2.4数的编码方法

-计算机采用的是二进制数。在计算机中表示

的数、字母、符号等都以特定的二进制码来

表示，也就是二进制编码。

■二进制编码就是以若干位二进制数的不同组

合来表示一组数、字母及符号的方法。

■1.BCD(BinaryCodedDecimal)码是以

4位二进制编码的不同组合来表示十进制数

0〜9o

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

1.2.4数的编码方法

■在计算机中较常用的是8421BCD码。这种

BCD码用四位二进制数表示十进制数的数码

0〜9,而这四位的权从高位到低位依次为8、

4、2、lo

■例如：(208)10=(001000001000)842IBCD

■(1001000101110101)842IBCD=(9175)10

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

1.2.4数的编码方法

■2.ASCII码

■目前，在微机、通讯设备和仪器仪表中广泛采用的是

美国标准信息交换码ASCIICAmericanStandard

CodeforInformationInterchanged码。它用7位二

进制码表示一个字母或符号，共能表示27=128个不

同的字符。其中包括数字0〜9共10个数字，英文26

个大写字母，26个小写字母，32个通用控制符号和

34个专用字符。

第1章微型计算机概述

1.2微型计算机基础

]124数的编码方法_____________________

-------------------------------

■常用的ASCII编码：

.数字0〜9的ASCII编码为30H〜39H；

■大写字母A〜Z的ASCII编码为41H〜5AH；

■小写字母a〜z的ASCII编码为61H〜7AH；

・回车符CR的ASCII编码为0DH；

■换行符LF的ASCH编码为0AH；

■换页符FF的ASCII编码为0CH。

第1章微型计算机概述

1.3微型计算机系统

1.3.1微机系统的硬件

■1.3微机计算机系统

1.3.1微机系统的硬件

「台式

微型

计算机Y

便携式

「主机

外设接口卡

硬件［输入/输出设备

〔电源

第1章微型计算机概述

1.3微型计算机系统

11.3.1微机系统的硬件

■1.主机

「机箱

主机彳主板(MotherBoard)

，接口电路(Interface)

第1章微型计算机概述

1.3微型计算机系统

1.3.1微机系统的硬件

2,外设接口卡

「显示接口卡

声卡

外设接口卡j解压卡

调制解调卡

〔传真卡

第1章微型计算机概述

1.3微型计算机系统

1.3.1微机系统的硬件

3,输入输出设备

r键盘

显示器

打印机

输入输出设备j鼠标

调制解调器

.网卡

扫描仪

第1章微型计算机概述

1.3微型计算机系统

微机系统的硬件

1B1.3.1

-二

4.电源

微型计算机的电源为220V交流电。

内部将220V电压转换成±5V、±12V四种DC电

压。

微型计算机的电源台式机功率为150〜

220W；立式机功率为220〜400W。

第1章微型计算机概述

1.3微型计算机系统

1.3.2微机系统的软件

■1.3.2微机系统的软件

-微机系统中的软件包括系统软件和应用软件

两大类。

■系统软件指使用和管理计算机的各种软件。

操作系统

各种高级语言处理程序

基本系统软件1编译系统

各种服务程序

数据库管理程序

第1章微型计算机概述

1.3微型计算机系统

1.3.3微机系统的性能指标

1.3.3微机系统的性能指标

存储器容量

性能指标《运算速度

扩展能力

I软件配置情况

第1章微型计算机概述

1.3微型计算机系统

1.3.3微机系统的性能指标

■1,字长

■字长指计算机内部一次可以处理的二进制的

位数。字长越长，计算机所能表示的数据精

度越高，在完成同样精度的运算时数据的处

理速度越高。

■PC/XT微机的字长为16位；

■386、486微机的字长为32位；

・586微机的字长为32位或64位。

第1章微型计算机概述

1.3微型计算机系统

1.3.3微机系统的性能指标

■2,存储器容量

■存储器容量是衡量计算机存储二进制信息量

大小的一个重要指标。微型计算机中通常以

一字节为单位表示存储容量。

■2io=lO24B=lKB

■220=1O24KB=1MB

■230=1O24MB=1GB

■240=1O24GB=1TB

第1章微型计算机概述

1.3微型计算机系统

1.3.3微机系统的性能指标

■3,运算速度

■计算机的运算速度以每秒钟能执行的指令条

数来表示。

■MIPS（MillionsofInstructionsperSecond

百万条指令/秒）法

■最短指令法

■直接计算

第1章微型计算机概述

1.3微型计算机系统

1.3.3微机系统的性能指标

■4,扩展能力

■主要指计算机系统配置各种外设的可能性和适

应性。

■5.软件配置情况

■软件是计算机系统不可缺少的重要组成部分。

一台计算机软件是否配置齐全，是关系到计算

机性能的重要指标。

第1章微型计算机概述

1.4微机系统采用的先进技术

1.4.1流水线技术

■1.4.1流水线技术

■指令流水线(InstructionPipelining)技术是一种

将每条指令分解为多步，并使不同指令的各步重叠操

作，以实现几条指令并行操作，加速程序执行速度的

一种技术。

■流水线的实现是通过增加计算机硬件来实现的。通常

一条指令的执行分为预取指令、译码、地址生成、取

操作数、指令执行等多个步骤，每个步骤都需要有相

应的硬件电路在支持。才能实现流水线作业。

第1章微型计算机概述

1.4微机系统采用的先进技术

1.4.2高速缓冲存储器技术

1.4.2高速缓冲存储器技术

■在80386以后的微型机中，为了加快运算速

度，都增设；一级或二级的高速小容量存

储器，称之为高速缓冲存储器。高速缓冲存

储器的存取速度比微机中的主存储器要快一

个数量级，大体和CPU的处理速度相当。

第1章微型计算机概述

1.4微机系统采用的先进技术

1.4.2高速缓冲存储器技术

■对Cache的工作原理可以进行如下描述：具有

Cache的计算机，当CPU需要进行存储器存取

时，首先检查所需数据是否在Cache中。如果

存在，则可以直接存取其中的数据而不必插入

任何等待状态，这是最佳情况，称为高速命口。

当CPU所需信息不在Cache中时，则需切换存

取主储器，由于速度较慢，需要插入等待状

态，这种情况称高速未命「：。

第1章微型计算机概述

1.4微机系统采用的先进技术

1.4.2高速缓冲存储器技术

在CPU存取主存储器的时候，按照最优化

原则将存储信息同时写入到Cache中，以保证

下次可能的高速命中。因此，同一数据可能同

时存储在主存储器和Cache中；同样，按照优

化算法，可以淘汰Cache中的一些不常使用的

数据。

第1章微型计算机概述

1.4微机系统采用的先进技术

1.4.2高速缓冲存储器技术

所以，提高高速命中率的最好方法是尽量使

Cache存放CPU最近一直在使用的指令与数据，当

Cache装满后，可将相对长期不用的数据删除，提高

Cache的使用效率。为保持Cache中数据与主存储

器中数据的一致性，避免CPU在读写过程中，将

Cache中的新数据遗失，造成错误的读数据，确保

Cache中更新过程的数据不会因覆盖而消失，必须将

Cache中的数据更新及时准确地反映到主存储器中，

这是一个写入过程，通常采用的处理方法有：直写式、

缓冲直写式与回写式三种。

第1章微型计算机概述

1.4微机系统采用的先进技术

1.4.2高速缓冲存储器技术

■1.直写式系统：CPU对Cache写入时，将数

据同时写入到主存储器中，这样可保证Cache

中的内容与主存储器的内容完全一致。这种方

式比较直观，而且简单、可靠，但由于每次对

Cache更新时都要对主存储器进行写操作，而

这必须通过系统总线来完成，因此总线工作频

繁，系统运行速度就会受到影响。

第1章微型计算机概述

1.4微机系统采用的先进技术

1.4.2高速缓冲存储器技术

■2.缓冲直写式系统：为解决直写式系统对总线速度

的影响问题，在主存储器的数据写入时增加缓冲器区。

当要写入主存储器的数据被缓冲器锁存后，CPU便

可执行下一个周期的操作，不必等待数据写入主存储

器。这相对于给主存储器增加了一个单向单次高速

缓存。比如，在写入周期之后可以紧接着一个数据已

存在于Cache中的读取周期，这样就可避免直写式系

统造成的操作延时。但这个缓冲器只能存储一次写入

的数据，当连续两次写操作发生时，CPU仍需等待。

第1章微型计算机概述

1.4微机系统采用的先进技术

1.4.2高速缓冲存储器技术

■3.回写式系统：以前的两种写入方式系统，

都是在写Cache的同时，对主存储器进行写操

作。实际上这不仅是对总线带宽的占用，浪费

了宝贵的执行时间，而且对于有的情况是不必

要的，可以通过增加额外的标准来判断是否有

必要更新数据。回写式系统就是通过在Cache

中的每一数据块的标志字段中加入一更新位，

解决主存储器不必要的写操作。

第1章微型计算机概述

1.4微机系统采用的先进技术

1.4.2高速缓冲存储器技术

比如，若Cache中的数据曾被CPU更新过但还

未同时更新主存储器，则该更新位被置1。每

次CPU将一块新内容写入Cache时，首先，检

查Cache中该数据块的更新位，若更新位为

0,则将数据直接写入Cache；反之，若更新位

为1,则先将Cache中的该项内容写入到主存

储器中相应的位置，再将新数据写回到Cache

中。

第1章微型计算机概述

1.4微机系统采用的先进技术

1.4.2高速缓冲存储器技术

与直写式系统相比,回写式系统可省下一

些不必要的立即回写操作，而在许多情况下这

是很频繁出现的。即使一个Cache被更新，若

未被新的数据所取代，则没有必要立刻进行主

存储器的写操作。也就是说，实际写入主存储

器的次数，可能少于CPU实际所执行的写入周

期的次数，但回写式系统的结构较复杂，

Cache也必须用额外的容量用来存彳诸标志。

由于回写系统的高效率，现代的Cache大

多采取这种方式进行操作。

第1章微型计算机概述

1.4微机系统采用的先进技术

L1A3虚拟存储器技术

■1.4.3虚拟存储器技术

■虚拟存储技术是在内存储器和外存储器之间增加一定

的硬件和软件支持，使内存和外存形成一个有机的整

体。

■计算机在操作时，将程序预先存放在外存储器中，有

系统软件操作系统统一管理和调度，按照某种置换酸

法将外存的内容依次调入内存中被CPU执行。这样，

对使用者来说，从CPU看到的是一个速度接近内存而

容量却与外存相当的假象存储器，称为虚拟存储器。

第1章微型计算机概述

1.4微机系统采用的先进技术

11.4.3虚拟存储器技术

/CPU\

/寄存器'

高速缓存

主存储器

辅助存储器

大容量辅助存储器

第1章微型计算机概述

1.4微机系统采用的先进技术

1.4.2RISC技术

1.4.4RISC(ReducedInstruction

Computing)精简指令技术

精简指令集技术简称RISC。起主导思想是

精简CPU芯片中指令的数目，简化芯片的复

杂程度，使指令的执行速度更快

第一谭

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不着多赦前机器叔稀点的衣不必.反移去木之积衬兮民三

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