第1章 基础知识
1.1 概述
1946年，世界上第一台计算机ENIAC在美国问世以来，计算机技术的发展日新月异，在五十多年的历史中，先后经历了电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机，到大规模、超大规模集成电路计算机这样四代的更替。目前已有了第五代“非冯·诺依曼”计算机和第六代“神经”计算机的研制计划。
所谓“非冯·诺依曼”计算机，是将现有的计算机系统结构进行改革，把电脑仿真为人脑的结构。每个人的脑体只有900克左右，但它能存储和处理及其大量的信息，并具有分析和综合的能力，这就是人的智能。计算机研究有一个分支，叫人工智能，就是所谓第五代的人工智能计算机。
生物大脑神经网络可看成一个大规模并行处理的、紧密耦合的、能自行重组的计算机网络。神经网络使人能有效地组织和处理信息，对神经网络研究，并从大脑工作的模型中抽取计算机设计的模型，这就是所谓第六代的神经网络计算机。
计算机按其性能、价格、体积、规模不同可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机和单片机六类。
其中微型计算机诞生于20世纪70年代。由于其体积小、价格低，在各行各业的得到了广泛的应用。
微型计算机的发展历史是和大规模集成电路的发展密不可分的。1963年、1964年研制出了小规模集成电路SSI（Small Scale Integration）。到60年代后期，在一个几平方毫米大的硅片上，已可集成数千个晶体管，这就出现了大规模集成电路LSI（Large Scale Integration）,为微型计算机的核心部件微处理器的生产打下了基础。现代最新型的集成电路已可在单个芯片上集成上千万个晶体管，线宽小于0.13μm，工作频率已超过2GHz。 到目前为止，微型计算机的核心部件微处理器（说明）的发展过程大致可分为六代（参见P.4表1-1）：
1.第一代4位或低档8位微处理器（说明“位”的概念） 其发展大约从1971年到1973年。1971年美国Intel公司研制成功世界上第一个微处理器Intel4004，并于次年推出低档8位微处理器Intel8008。
第一代微处理器指令系统较简单，运算能力较弱，速度也较慢，执行一条指令需10～20μS，即0.05MIPS（million instruction per second）,软件主要用机器语言（说明）和汇编语言（说明），它主要用于计算器及各种家用电器上。
2.第二代高档8位微处理器
1973年至1978年，各公司相继推出了第二代高档8位微处理器。1973年，美国Intel公司率先推出了Intel8080，这是一个划时代的产品，它是第一个真正实用于微型计算机的微处理器。它的存储器寻址空间（说明）增加到64K字节，并扩充了指令集，指令执行速度达0.5MIPS。软件方面，除使用汇编语言外，还可使用BASIC、FORTRAN等高级语言，后期产品，如以8085A、Z80及MC6502等CPU为核心的具有磁盘和各种外设的微型计算机，还可用简单的操作系统，如CP/M（Control Program/Monitor）。
这个时期推出的微处理器除Intel公司的产品（8080、8085）外，还有Zilog公司的
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Z80及Motorola公司的M6800等。
3. 第三代16位微处理器
1977年前后，超大规模集成电路（VLSI）研制成功，在一块芯片上可集成上万个晶体管，为研制16位微机创造了条件。1978年，Intel公司率先推出8086，为与原8位机兼容，又同时推出了准16位的微处理器8088。它的内部结构是16位，但外部数据总线是8位，其指令系统与8086完全兼容。以8088芯片为核心的IBMPC及PC/XT等准16位微型计算机很快占领了市场。
在此同时，Zilog及Motorola公司也相继推出了同一级别的产品Z8000及MC68000等。
16位微处理器比8位微处理器集成度提高了一个数量级，功能大大增强。主要表现在以下各个方面：
△数据总线的位数由8位增加到16位，大幅度提高数据处理能力（举例说明）。 △地址总线由16位增加到20位，扩大了寻址范围。
△时钟频率达5～40MHz,基本指令执行时间约0.15μS。系统运算速度大大提高，同时内部结构也作了改进。采用“流水线”结构（简单说明），处理速度明显加快。另外内部通用寄存器增多，减少对存储器访问（说明），且大多数通用寄存器都可作累加器使用。
△扩充了指令系统，指令功能大大加强，寻址方式（说明）也较为丰富。由于指令系统指令数量多，复杂程度高，故这类计算机称为复杂指令系统计算机CISC（Complex Instruction Set Computer）.
△可处理多种数据类型。如二进制位、压缩BCD码、非压缩BCD码、字节、字、双字、字串等（说明）。
△中断（说明）功能增强。
△具有构成多微处理器系统能力。 △配有较强的系统软件。
1982年，Intel公司又推出16位高级微处理器80286，它具有多任务系统所必需的任 务转换功能。同年Motorola公司也推出了同类型的MC68010。这两种微处理器的数据总线虽仍是16位的，但地址总线增加到24位，使存储器直接寻址能力达到16MB，在20世纪80年代中、后期及90年代初期，80286成为个人计算机的主流CPU。
4.第四代32位高档微处理器
1985年，Intel公司推出第四代微处理器80386，它是一种与8086向上兼容的超级微处理器，具有32位数据线，32位地址线，存储器直接寻址能力达4GB，其执行速度达3～4MIPS。同时推出的还有Motorola公司的MC68020等产品。32位微处理器无论从结构、功能、应用范围等各个方面看，可以说是小型机的微型化，已接近同时期小型机的水平。
随着大规模集成电路工艺水平的进一步提高，1989年，Intel公司又推出了性能更高的32位微处理器80486，它在芯片上集成120万个晶体管，是80386的4倍。80486时在微处理器80386的基础上集成数字协处理器80387及8KB容量的高速缓冲存储器而构成的。它采用了RISC（Reduction Instruction Set Computer精简指令系统计算机）技术，与RAM进行高速数据交换的突发总线等先进技术。这些新技术的采用，使80486在同等时钟频率下，处理速度要比80386快2到4倍。同期推出的产品还有Motorola公司的MC68030及其后继产品MC68040等。
5. 第五代32位高档微处理器
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1993年，Intel公司又推出了新的32位微处理器Pentium（奔腾），它集成了330万个晶体管，数据线64位，地址线36位，工作频率为60/66MHz, 处理速度达110MIPS。1994年又推出了第二代Pentium（以P54C代称），工艺更先进，工作频率达90/100 MHz。在体系结构上，Pentium在内核中采用更先进的RISC技术，它汇集了CISC和RISC技术的优点。同时采用超标量结构，拥有两条“流水线”，使之每个时钟周期内最多可执行两条指令。同时内置高性能的浮点运算部件及两个8K字节的超高速的缓冲存储器，使整个微处理器的性能大大提高。
同时推出第五代微处理器的还有IBM、Apple和Motorola三家联盟的PowerPC及AMD公司的K5等产品。
6.第六代Pentium微处理器
1996年，Intel公司推出了Pentium Pro，该微处理器采用了0.35μm的工艺，时钟频率为200MHz，运算速度达200MIPS。
1998年到2001年，Intel公司又先后推出了Pentium Pro的改进型产品PentiumⅡ和PentiumⅢ。CPU的集成度已高达1千万个晶体管，时钟频率达1GHz以上，其他公司类似产品还有AMD公司的K7等产品。
近年来，市场上已推出PentiumⅣ系列，其CPU集成度已达2千5百万个晶体管，工作频率达到2GHz。
1.2 计算机中的数制
日常生活中，人们惯于用十进制来计数，但计算机只能识别由“0”和“1”构成的二进制代码（说明为什么），而用二进制表示的数又显得冗长，为阅读和书写方便，往往采用十六进制数。为此，首先要掌握这三种数制及其之间的转换关系。
1.2.1 常用计数制
1.十进制数
1）十进制数中有0～9共十个数字符号。 2）逢10进1（10为基数）。
3）各位数的“权”为10。 例：（3256.87）10 = 3×103＋2×102＋5×101＋6×100＋8×10-1＋7×10-2=3256.87 即：（D）10 = Dn-1×10n-1＋Dn-2×10n-2＋?＋D1×101＋D0×100＋D-1×10-1＋?＋D-m×10-m
n?1i
=
?Di??mi?10
i式中n表示小数点左边的位数（自0开始），m表示小数点右边的位数（自1开始）。
2.二进制数
1）二进制数中只有0、1两个数字符号。 2）逢2进1 （2为基数）。
3）各位数的“权”为2i。 例：（1010.11）2 = 1×23＋0×22＋1×21＋0×20＋1×2-1＋1×2-2 = 10.75 即：（B）2 = Bn-1×2n-1＋Bn-2×2n-2＋?＋B1×21＋B0×20＋B-1×2-1＋?＋B-m×2-m
3
n?1=
?Bi??mii?2
3.十六进制数
1）十六进制数共有十六个数字符号0～9及A～F。 2）逢16进1。
3）各位数的“权”为16i.
例：（2AE.4）16 = 2×16＋10×16＋14×16＋4×16 = 586.25
n-1n-210-1-m
即：（H）10 = Hn-1×16＋Hn-2×16＋?＋H1×16＋H0×16＋H-1×16＋?＋H-m×16
n?12
1
0
-1
=
?Hi??mii?16
4.其他进制数（略）
需要指出的是，除了用基数作下标来表示数的进制外，还可再数的后面加上字母B（Binary）、H（Hexadecimal）、D（Decimal）来分别表示二进制数、十六进制数和十进制数，而十进制数后面的D往往可以省略。
1.2.2各种数制之间的转换
由于人们习惯使用十进制数，计算机只能识别二进制数，而人们编程又多采用十六进制数，因此必然会产生不同进位制之间的转换问题。
1.非十进制数转换为十进制数
按“权”展开，例见P7例1-5。 2.十进制数转换为非十进制数 （1）十进制数转换为二进制数 整数部分与小数部分分别转换。 整数部分：“除2取余”。 小数部分：“乘2取整”。
例：将十进制数112.25转换为二进制数。 整数部分：
2 112 2 56 0 2 28 0 2 14 0 2 7 0 2 3 1 2 1 1 0 1
小数部分：
0.25 × 2
0.5 0 0.5 × 2
1.0 1
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从而得：（112.25）10 = （1110000.01）2 或写作：112.25 = 1110000.01B （2）十进制数转换为十六进制数 同样整数部分与小数部分分别转换。 整数部分：“除16取余”。
小数部分：“乘16取整”。
例：将十进制数301.6875转换为十六进制数。 整数部分：
16 301 16 18 D 16 1 2 0 1
小数部分：
0.6875
× 16 4.1250
＋ 6.875
11.0000 B
从而得到（301.6875）10 = （12D.B）16
或写作：301.6875 = 12D.BH
需要指出的是，如要将十进制数转换为二进制数，为避免除2次数过多出现差错，往往先将之变为十六进制数，后再变为二进制数，而后者的转换是非常方便的。
3.二进制数与十六进制数之间的转换 （1）二进制数转换为十六进制数
“四位一撇”法：
例：将二进制数110100110.101101B转换为十六进制数 1,1010,0110.1011,01 = 1A6.B4H（注意：首尾要补零） （2）十六进制数转换为二进制数 “以四代一”法：
例：将十六进制数2A8F.6DH转换为二进制数
2A8F.6DH = 10,1010,1000,1111.0110,1101B
1.3 无符号二进制数的算术运算和逻辑运算
1.3.1 二进制数的算术运算（略）
1.3.2 无符号数的表示范围
1.无符号二进制数的表示范围
8位二进制数的表示范围为OOH～FFH（0～255）,16位二进制数的表示范围为0000H～FFFFH（0～65535）,一个n位的无符号数，它可表示数的范围为0～2n-1。
如运算结果超出数的表示范围，将产生溢出，结果将出错。例见P.11例1-13。 2.无符号二进制数的溢出判断
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