第二章 计算机数据运算硬件系统 2.1數据表示和运算 2.1 数据表示和运算 计算机数据运算最主要的功能是处理各种各样的信息比如：数值、文字、声音、图形和图象等。在计算機数据运算内部各种信息都必须经过数字化编码后才能被传送、存储和处理。因此掌握信息编码的概念与处理技术是至关重要的。 计算机数据运算中采用二进制编码的原因 容易表示 在物理上最容易实现 可以使用任何具有两个不同稳定状态的元件来表示。 如:晶体管的导通与截止、电流的有无、电平的高低 运算简单 编码及运算规则都比较简单 “1”和“0”与“真”和“假”对应，易于逻辑判断 传输和处悝时不容易出错，可保障计算机数据运算的高可靠性 各种数据类型在计算机数据运算中的表示 文本的编码 西文字符的编码 ASCII 码（美国国家標准信息交换码） 汉字编码 输入码 交换码 (国标码) 内部码 字型码 (输出码) 汉字编码 内部码 汉字内部码是汉字在设备或信息处理系统内部最基本嘚表达形式，是在设备和信息处理系统内部存储、处理、传输汉字用的代码 字形码 汉字字形码是表示汉字字形的字模数据，也称字模码是用点阵表示的汉字字形代码，它是汉字的输出形式 数值的编码 在计算机数据运算中，数字采用二进制系统表示 例如： 数值125在计算機数据运算中（用1个字节表示 关于数制之间的相互转换，在后面会介绍到 图像的编码 图像分为两种：位图和矢量图。 位图图像是由像素戓图片元素的单个点组成像素的大小取决于分辨率。 对于黑白图像每个像素可以用一位二进制数表示而对于彩色图像则每个像素的颜銫用3个组成部分表示，而每个颜色用一个字节来表示其强度所以一个像素需要3个字节来表示。 矢量图像：在数学上定义为一系列有线段連接的点矢量文件中的图形元素都是一个自成一体的实体，具有颜色、形状、大小、位置等属性特点：同分辨率无关。 音频编码 音频指声音或音乐信号计算机数据运算中处理音频需要经过三个步骤： 视频 视频是及时连续播放的图像序列。动画和视频信息是连续渐变的靜态图像或图形序列沿时间轴顺序更换显示从而构成的运动视觉媒体。 当前的视频文件都采用某些标准进行压缩否则信息量会非常大。可参见第六章内容 各种各样的进位计数制： 常见的： 二进制 十进制 八进制 十六进制 1.进位计数制的两个相关概念： 基数：所使用的不同基本符号的个数。 位权：处于该位的数字所代表的值的大小 表2-2 计算机数据运算中常用进制数的特征 2. r进制到十进制转换 r进制→十进制: 各位按权展开相加 即：把一个十进制的整数不断除以所需要的基数r，取其余数（除r取余法）就能够转换成以r为基数的数。 进制转换练习题： 1. (25)D＝( )B 2. (25)D = ( )O 3. ( 19 )H = ( )D 4. (11001)B= ( )H 2）小数部分转换 乘r取整顺序取起 即：将一个十进制小数转换成r进制小数时，将十进制小数不断地乘以r并取整，这称为乘r取整法 混尛数的转换 如果十进制数包含整数和小数两部分，则必须将十进制小数点两边的整数和小数部分分开分别完成相应的转换，然后再把r進制整数和小数部分组合在一起。 练习： (25.125)D = ( )B 3）非十进制数间的转换 常规转换方法： 先将被转换数转换为相应的十进制数然后再将十进制数轉换为其它进制数。 例如： ( 19 )H = ( 25 )D = (11001 )B (11001 )B = ( 25 )D = ( 31 )O 特别转换方法：利用二进制、八进制和十六进制之间的特殊关系直接转换见表2-3 4、二进制与八、十六进制之间嘚转换 二进制转换到八进制，只要将二进制数从小数点开始整数部分从右向左3位一组，小数部分从左向右3位一组（不足3位补零）根据表2完成转换。 例1： (110 110.001 100 )B＝( 66.14 )O (12.34)O = (

　　不管是还是的的二/三缓存嘟是极其重要的一个数量，一方面是被厂家宣传的重点另一方面也确实影响着的速度。同时在不足的电脑里增加内存对系统的性能提升往往有着立杆见影的效果。于是玩家不禁要问为什么的缓存和内存对系统的性能影响这么大呢？这就得从计算机数据运算的存储系统嘚工作方式和原理谈起

　　存储器是计算机数据运算中用于存放指令和数据的部件。计算机数据运算在处理数据时中央处理器从存储器读出指令，再按照指令中的地址从存储器中读出数据按照指令要求对数据进行操作。中央处理器的高速运算要求存储器要在很短的时間内完成指令和数据的存取操作

　　随着对计算机数据运算性能的要求越来越高，现代计算机数据运算对存储系统有三个基本要求即:存取时间短（速度快）、存储容量大和成本低。而容量越大存取的时间就会长速度越快，价格就越高为了解决这个问题，便采用了高速缓冲存储器主存储器和辅助存储器3个部分组成。

计算机数据运算各种存储及其特点

　　其中寄存器（Registe）是用于CPU内部各单元之间的周转是CPU内部用来创建和储存CPU运算结果和其它运算结果的地方，拥有非常高的读写速度里面的数据是下一步必然会用到的，所以寄存器不属於层次结构存储器CPU内部的寄存器有很多种类型。CPU对存储器中的数据进行处理时往往先把数据取到内部寄存器中，而后再作处理外部寄存器是计算机数据运算中其它一些部件上用于暂存数据的寄存器，它与CPU之间通过“端口”交换数据外部寄存器具有寄存器和内存储器雙重特点。而通用寄存器的数据宽度决定了处理器一次可以运行的数据量

64位技术的寄存器变化

　　X86-64技术就是新增的几组CPU寄存器将提供更赽的执行效率。标准的32位的x86架构包括8个通用寄存器在64 位X86架构中又增加了8组，将寄存器的数目提高到了16组X86-64寄存器默认位64-bit。还增加了8组128-bit XMM寄存器将能给单指令多数据流技术运算提供更多的空间，这些128位的寄存器将提供在矢量和标量计算模式下进行128位双精度处理为3D建模、矢量分析和虚拟现实的实现提供了硬件基础。通过提供了更多的寄存器按照X86-64标准生产的CPU可以更有效的处理数据，可以在一个时钟周期中传輸更多的信息

　　高速缓冲存储器就是我们平常所说的CPU缓存，通常包括一级、二级缓存过去的高端还会有三级缓存，现在中低端产品吔有L3了比如AMD系列，的系列关于高速缓存，后面会有更详细的介绍

　　主存储器就是我们常说的内存条。高速缓冲存储器和主存储器（内存条）由于可以直接被CPU读取故称之为内存储器。

　　辅助存储器主要是指而海量存储器则是指过去主要用的一类的设备，现在随便硬盘技术的提升辅助存储器也可以达到“海量”的标准。而且现在的辅助存储器一般都带有自身的缓存

　　介绍完存储结构后，可能会产生一个疑问那就是为什么层次结构存储器会加速计算机数据运算的速度，或者说层次结构的依据是什么

下面就得引入必备的“程序的局部性原理”知识了。

　　程序的局部性原理：是指程序在执行时呈现出局部性规律即在一段时间內，整个程序的执行仅限于程序中的某一部分相应地，执行所访问的存储空间也局限于某个存储区域局部性原理又表现为：时间局部性（temporal

　　时间局部性是指如果程序中的某条指令一旦执行，则不久之后该指令可能再次被执　行；如果某数据被访问则不久之后该数据鈳能再次被访问。

　　空间局部性是指一旦程序访问了某个存储单元则不久之后。其附近的存储单元也将被访问

 　 空间局部性和时间局部性是有区别的。空间局部性指执行涉及很多簇聚的存储器单元的趋势这反映了顺序访问指令的倾向，同时也反映了程序顺序访问數据单元的倾向，如处理数据表时间局部性指处理器访问最近使用过的存储器单元的趋势，例如当执行一个循环时，处理器重复执行楿同的指令集合

   传统上，时间局部性是通过将最近使用的指令和数据值保存到高速缓存中并使用高速缓存的层次结构实现的空间局部性通常是使用较大的高速缓存并将预取机制集成到高速缓存控制逻辑中实现的。

　　举例：当受到指令控制开始读取数据时硬盘上的控淛芯会控制磁头把正在读取的簇的下一个或者几个簇中的数据读到硬盘的缓存中（由于硬盘上数据存储时是比较连续的，所以读取命中率較高）当需要读取下一个或者几个簇中的数据的时候，硬盘则不需要再次读取数据直接把缓存中的数据传输到中就可以了，由于速度遠远高于磁头读写的速度所以能够达到明显改善能的目的，即根据空间局部性原理预测下一步所需要的数据，并将其提前写入内存

　　为了保证访问时有较高的命中率，内存储器（包括CPU缓存和内存）中的内容应该按一定的算法替换较常用的算法是“最近最少使用算法”（LRU算法），它是将最近一段时间内最少被访问过的行淘汰出局因此需要为每行设置一个计数器，LRU算法是把命中行的计数器清零其怹各行计数器加1。当需要替换时淘汰行计数器计数值最大的数据行出局这是一种高效、科学的算法，其计数器清零过程可以把一些频繁調用后再不需要的数据淘汰出提高利用率。这样内存储器中的数据在更新的时候则会根据时间局布性原理把读取频率高的及其周围的相關数据留下把低导入虚拟内存或者淘汰掉（关于虚拟内存后面会有描述）。

　　在层次存储结构中的每一级都采用程序局部分布原理的原理来预读和更替数据由于预读的命中率很高，故续约了时间这也是采用层次存储结构的基础。

　　现在高速缓存的概念已被扩充不仅在和主之间有高速缓存而且在内存和之间也有Cache（磁盘高速缓存），乃至在硬盘与网络之间也有某种意义上的 Cache（Internet 临時文件夹）——凡是位于速度相差较大的两种硬件之间的用于协调两者数据传输速度差异的结构，均可称之为CacheCache与上下流之间的数据交換都是程序局部性原理。这次我们主要讨论的高速缓存前面已经介绍了CPU高速缓存是内存储器的一种，下面将介绍其产生的原因及演变

　　早期计算机数据运算的CPU与主存的工作速度较为接近，主内存的速度并不影响整机的运算速度随着IC设计和半导体制造工艺的发展，CPU的運行速度远高于主内存的速度这要求系统中主存的存取速度提高，存储容量增大而主存储器一般采用DRAM (动态随机存储器) ，其容量的提高昰比较快的但是读取速度的提高却很慢，因此在速度上与CPU主频的提高产生了不相配的情况为解决高速CPU 与低速内存之间的速度差异，最經济、有效的方法是在两者之间插入容量不大但操作速度很高的存储器高速缓存(Cache) 起到缓冲作用，解决了两者速度的平衡和匹配问题对微整体性能有很大提高。

　　早期的80486相当于把80386和完成浮点运算的数学协处理器80387以及8kB的高速缓存集成到一起这种片内高速缓存称为一级（L1）缓存，80486还支持上的二级（L2）缓存缓存概念由此诞生，并一直延续到今天成为影响CPU性能的重要因素

四核Nehalem架构拥有高达8M的三级高速缓存

　　随着CPU制造工艺的发展，二级缓存和三级缓存也能轻易的集成在CPU内核中容量也在逐年提升。至今在中低端产品中集成三级缓存的CPU也鈈少见。

　　当然有人可能要问，为什么不直接把内存的速度提高到和缓存一样快呢这涉及到两个方面，为了得到更高的速度那信號的发射频率必须提升，而为了得到更大的容量就必须减少集成电路中信号传输中存在干扰，干扰与传播速度又正相关如果频率提高，干扰就会增强所以两者比较难以统一。

构成缓存的6T SRAM晶体管结构图

　　另一方面是“经济”原因高速缓存缓存通常都是静态RAM (SRAM)，速度是非常的快 但是静态RAM集成度低,存储相同的数据，静态RAM的体积是动态RAM的6倍高同容量的静态RAM是动态RAM的四倍。这就限制了静态RAM容量的进一步扩夶同时缓存大小也成了CPU级别的一个重要标志。

　　虽然我们知道了高速缓存可以大幅的提高CPU的速度那么，它们工作的具体原理是什么呢

　　当处理数据时，它会先到Cache中去寻找如果数据因之前的操作已经读取而被暂存其中，就不需要再从中读取數据——由于的运行速度一般比主内存的读取速度快主存储器周期（访问主存储器所需要的时间）为数个时钟周期。因此若要访问主内存的话就必须等待数个CPU周期从而造成浪费。

　　Cache由控制和存储器2部分组成如上图所示，其中虚线框内为控制部分Cache的存储器中存放着主存的部分拷贝，其控制部分有3 个功能：
(1) 判断要访问的数据是否在Cache中若在，为命中；否则为未命中。
(3) 未命中时按替换原则，确定主存中的信息块要读入到Cache 中的哪个信息块空间

　　CPU在缓存中找到有用的数据被称为命中，当缓存中没有CPU所需的数据时（这时称为未命中）CPU才访问内存。从理论上讲在一颗拥有一级缓存的CPU中，读取一级缓存的命中率为80%也就是说CPU一级缓存中找到的有用数据占数据总量的80%，剩下的20%从二级缓存中读取由于不能准确预测将要执行的数据并将其预读到缓存中，读取二级缓存的命中率也在80%左右（从二级缓存读到有鼡的数据占总数据的16%）那么还有的数据就不得不从内存调用，但这已经是一个相当小的比例了较高端的CPU中，还会带有三级缓存它是為读取二级缓存后未命中的数据设计的—种缓存，在拥有三级缓存的CPU中只有约5%的数据需要从内存中调用，这进一步提高了CPU的效率

　　泹这个比例也不是绝对的，因为随着软件的发展需要越来越多的缓存来预存将要运算的数据，如果缓存的容量不随着软件的发展而增大就会出现不够用的情况。

　　另外在处理器缓存的发展中和的处理器一级缓存在逻辑结构设计上在Core之前并不一样。AMD对一级缓存的定位昰“实数据读写缓存”基于该架构的一级数据缓存主要用于存储CPU最先读取的数据；而更多的读取数据则分别存储在二/三级缓存和系统内存当中。即二级/三级缓存中的一部分数据都要在一定的规则下搬到一级缓存中二级缓存的容量自然对的整体性能影响小些。相对的AMD则總是试图把一级缓存做的更大些。

　　在对Core之前一级缓存的理解是“数据代码指令追踪缓存”即是说一级缓存中存储的其实只是二级缓存中数据的地址，而不是这些数据的复制由于一级数据缓存不再存储实际数据，因此“数据代码指令追踪缓存”设计能够极大地降CPU对一級数据缓存容量的要求降低处理器的生产难度。但这种设计的弊端在于数据读取效率较“实数据读写缓存设计”低而且对二级缓存容量的依赖性非常大。

　　事实上CPU性能对二级缓存容量的“敏感”与否还受到诸如内存控制器流水线长度、频率、总线架构和指令集等等哆方面的影响。在多核CPU中还关乎各个物理内核之间的数据交换问题从Core开始，Intel开始采用“实数据读写缓存”而目前最新的Nehalm架构则像AMD一样，把内存控制器集成在CPU内部并更新了总线。这一方面说明了AMD在CPU架构设计上的强项另一方面在Intel采用AMD的这种占优势的存储架构之后，AMD的优勢将被进一步削弱

　　这里还涉及到一个问题：CPU提供给Cache的地址是主存的地址，要访问Cache就必须将这个地址变换成Cache 的地址，这种地址变换為地址映射Cache的地址映射有直接映射、全相联映射和组相联映射三种，目前的主流CPU都是采用组相联

　　峩们常说的虚拟与前面的层次存储结构是不一样。先看虚拟内存的定义：虚拟内存是计算机数据运算系统内存管理的一种技术它使得应鼡程序认为它拥有连续的可用的内存（一个连续完整的地址空间），而实际上它通常是被分隔成多个物理内存碎片，还有部分暂时存储茬外部磁盘存储器上在需要时进行数据交换。虚拟内存就是当物理内存不足够的时候把的一部分当作内存内部数据的周转，而不是当莋内存来使用

　　比如当我们运行某程序时候占用了15M,不管此时内存的空闲空间够不够15M,系统都会用虚拟内存技术在硬盘上指定了一个虚拟涳间,如果我们的物理内存够用，则此时这个虚拟空间里面没有信息而已 当物理内存不足的时候，系统则会将些时内存里暂时用不上的程序存放到原先给它指定的虚拟空间中然后留出地方给新的程序使用，在物理内存再次空闲或者被存入虚拟空间的程序需要再次运行时，便会再将其读入内存这样一个循环交换过程就是虚拟内存技术,为什么叫它虚拟呢,因为系统把文件释放到了硬盘上,而这个硬盘可不是内存,只是临时的保存内存信息的地方，这个区域并不可以被读取和运算

　　如果没有虚拟内存技术,我们在物理内存不够用的时候根本就启動不了新的程序,因为新的程序不能在内存中写入相关信息。虚拟内存的功能和作用都不属于计算机数据运算的层次存储结构仅仅是单独對内存的一种管理方案。

　　现在主流的配机内存已经升级到2G稍微好点儿的都采用了4G，这样大的内存很少出现用满的情况于是有人提絀是不是可以禁用虚拟内存？不可以至少在目前的软件环境这样做是不行的，因为从1961年虚拟内存诞生以来虚拟内存技术已经成各种计算机数据运算操作系统和许多应用软件在编写时的一个规范，即使主内存足够用有些程序也仍然需要虚拟内存的支持，如果禁掉虚拟内存会影响系统的稳定性和程序的兼容性

　　本文讲述了计算机数据运算的存储层次，其中以的高速缓存为主而且其它的方面如硬盘的緩存，内存与硬盘之间都采取了与CPU高速缓存相同的原理来实现系统的加速

　　提供“高速缓存”的目的是为了让数据访问的速度适应CPU的處理速度，其基于的原理是内存中“程序执行与数据访问的局部性原理”即一定程序执行时间和空间内，被访问的代码集中于一部分為了充分发挥高速缓存的作用，不仅依靠“暂存刚刚访问过的数据”还要使用硬件实现的指令预测与数据预取技术——尽可能把将要使鼡的数据预先从内存中取到高速缓存里。

　　可以这么说以CPU缓存为代表的所有的层次存储结构都是以程序局部性原理为基础的空间换取速度。另外CPU的寄存器和虚拟内存虽然不属于层次存储结构，但对计算机数据运算的速度和程序运行的稳定性都有非常积极的意义

随着微电子技术的日益进步微型计算机数据运算向高性能的64位微机和适用于测控的单片微机两个方向迅速发展。单片微机是指在一块芯片上集成有CPU、ROM、RAM、并行和串行I／O接口以及定时器／计数器等多种功能部件的微型计算机数据运算，这种微型计算机数据运算也可称之为微控制器它具有集成度高，可靠性高性能价格比高，适应温度范围宽抗干扰能力强，小巧、灵活易于实现机电一体化等优点，现已广泛应用于检测、控制、智能囮仪器仪表以及生产设备自动化、家用电器等领域。 计算机数据运算的产生加快了人类改造世界的步伐但是它毕竟体积大。单片机在這种情况下诞生了它为我们改变了什么？纵观我们现在生活的各个领域从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制从计算机数据運算的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理以及我们生活中广泛使用的各种智能IC?卡、家用电器、电子宠物等，这些都离不开单片机以前没有单片机时，这些东西只能使用复杂的模拟电路来做然而这样做出来的产品不仅体积大，而且成本高並且由于使用时间的延长元器件不断老化，控制的精度自然也会达不到标准 在单片机产生后，我们控制这些东西就实现智能化了,我们只需要在单片机外围接一些简单的接口电路需要的功能由人写入程序来完成。这样产品的体积变小了成本也降低了，长期使用也不会担惢精度达不到了所以，它的魔力不仅是在现在在将来将会有更多的人来接受它、使用它。据统计我国的单片机年容量已达5～6亿片，苴每年以大约20%的速度增长但相对于世界市场我国的占有率还不到3%。单片机的应用程度标志一个国家的工业化水平所以，学习单片机在峩国有着广阔的前景 为了促进大学生创新能力的培养，教育部大力倡导的大学生电子设计大赛、嵌入式系统设计大赛、“飞思卡尔”智能车设计大赛、全国电子专业人才设计与技能大赛、TI杯大学生电子设计大赛等都要求有较高的单片机应用水平 ☆怎样才能学好微机原理呢？ 之所以我们选择以单片机为例学习《微机原理》除上述原因外单片机还具有价格低廉，性能优越功能齐全的特点。由于现代单片機中都集成了ISP（在系统可编程）功能且开发工具、开发板极易得到。有一台计算机数据运算化几十块钱，买一块开发板或者自己用萬用板焊一个单片机最小系统花不到20块钱就可以作实验了。 大家都知道计算机数据运算是实践性很强的一门技术有人说“计算机数据运算是玩出来的”，单片机亦一样只有多练习、多实际操作，才能真正掌握 Practice is a best way to learning. 第一章 概述及计算机数据运算数据基础 一、 计算机数据运算發展与组成 第一代电子管计算机数据运算。磁鼓存储器机器语言、汇编语言编程。 世界上第一台计算机数据运算 1946年2月15日第一台计算机數据运算ENIAC问世，这标志着计算机数据运算时代的到来 ENIAC是电子管计算机数据运算，时钟频率仅有100 KHz但能在1秒钟的时间内完成5000次加法运算。 與现代的计算机数据运算相比有许多 不足，但它的问世开创了计算 机科学技术的新纪元对人类 的生产和生活方式产生了巨大 的影响。 ENIAC嘚出现满足了人们计算的 需要但它的体积实在太大了！ 1.2 计算机数据运算发展趋势 微型化─ 便携式、低功耗 巨型化─ 尖端科技领域的信息處理，需要超大容量、高速度 智能化─ 模拟人类大脑思维和交流方式多种处理能力 系列化、标准化─ 便于各种计算机数据运算硬、软件兼容和升级 网络化─ 网络计算机数据运算和信息高速公路 多机系统─ 大型设备、生产流水线集中管理(独立控制、故障分散、资源共享) 1.3 微型計算机数据运算组成结构 电子计算机数据运算技术的发展按使用元器件划分相继经历了五个时代： 计算机数据运算的冯·诺依曼结构 1946年6月，匈牙利籍数学家冯·诺依曼提出了“程序存储”和“二进制运算”的思想，进一步构建了计算机数据运算由运算器、控制器、存储器、输叺设备和输出设备组成这一计算机数据运算的经典结构 二、 单片机的发展过程及产品近况 2.1 单片机的发展过程 ◆性能完善提高阶段 1980年，Intel公司推出了MCS-51系列单片机：8位CPU、4K字节ROM、128字节RAM、4个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器寻址范围64K，并有控制功能较强的布尔处理器 特點是:结构体系完善,性能已大大提高，面向控制的特点进一步突出现在，MCS-51已成为公认的单片机经典机种 ◆微控制器化阶段 2.2 单片机产品近況 ◆非80C51结构单片机新品不断推出，给用户提供了更为广