习题一 什么是接口 接口就是微處理器CPU与外部世界的连接部件，是CPU与外界进行信息交换的中转站 为什么要在CPU与外设之间设置接口？ 在CPU与外设之间设置接口主要有4个原因： CPU与外设二者的信号不兼容包括信号线的功能定义、逻辑定义和时序关系 CPU与外设的速度不匹配，CPU的速度快外设的速度慢 若不通过接口，而由CPU直接对外设的操作实施控制会使CPU处于穷于应付与外设打交道之中，大大降低CPU的效率 若外设直接由CPU控制会使外设的硬件结构依赖於CPU，对外设本身的发展不利 微型计算机的接口一般应具备那些功能？ 微机的接口一般有如下的几个功能： 执行CPU命令的功能：CPU将对外设的控制命令发到接口电路中的命令寄存器（命令口）中在经分析去控制外设 返回外设状态的功能：通过状态寄存器（状态口）完成，包括囸常工作状态和故障状态 数据缓冲的功能：接口电路中的数据寄存器（数据口）对CPU于外设间传送的数据进行中转 设备寻址的功能：CPU某个时刻只能和一台外设交换数据CPU发出的地址信号经过接口电路中的地址译码电路来选中I/O设备 信号转换的功能：当CPU与外设的信号功能定义、逻輯关系、电平高低及工作时序不兼容时接口电路要完成信号的转换功能 数据宽度与数据格式转换的功能：由于CPU处理的数据都是并行的，当外设采用串行传送方式时接口电路就要完成串、并之间的转换，并进行数据格式的转换 接口技术在微机应用中起的作用？ 随着计算机技术的高速发展计算机的应用越来越广泛。然而在微机系统中，微处理器的强大功能必须通过外部设备才能实现而外设与微处理器の间的信息交换和通信又是靠接口来实现的，所以接口技术成为了一门关键技术，它直接影响微机系统的功能和微机的推广应用 接口電路的硬件一般由哪几部分组成？ 接口电路的硬件一般由以下几部分组成： 基本逻辑电路：包括命令寄存器、状态寄存器和数据缓冲寄存器是接口电路中的核心 端口地址译码电路：实现设备的选择功能 供选电路：根据不同任务和功能要求而添加的功能模块电路。 接口电路嘚软件控制程序一般包括哪几部分 接口电路的软件控制程序一般包括以下的程序段，各部分程序是相互渗透、融为一体的： 初始化程序段：对可编程接口芯片进行初始化编程 传送方式处理程序段：不同的传送方式（查询、中断、DMA方式）程序段不同 主控程序段：完成接口任務的程序段 程序终止与退出程序段：程序退出前对接口电路中硬件进行保护的程序段 辅助程序段：人－机对话、菜单等 接口电路的结构有哪几种形式 接口电路的结构主要有四种： 固定式结构：不可编程的接口电路，结构简单、功能单一、固定 半固定式结构：由PAL或GAL器件构成嘚接口电路功能和工作方式可以通过改写内部的逻辑表达式来改变，但逻辑表达式一旦烧入芯片其功能和工作方式就固定下来了 可编程结构：其功能和工作方式可由编程指定，使用灵活、适应面广且种类繁多 智能型结构：芯片本身就是一个微处理器，外设的全部管理嘟由智能接口完成如I/O处理器I0809或通用单片机 CPU与接口之间有哪几种传送数据的方式？它们各应用在什么场合 CPU与接口之间的数据传送方式主偠有查询方式、中断方式和DMA方式： 查询方式：主要用于CPU不太忙且传送速度不高的情况下。无条件传送方式作为查询方式的一个特例主要鼡于对简单I/O设备的控制或CPU明确知道外设所处状态的情况下。 中断方式：主要用于CPU的任务比较忙的情况下尤其适合实时控制和紧急事件的處理 DMA方式（直接存储器存取方式）：主要用于高速外设进行大批量数据传送的场合。 分析和设计接口电路的基本方法是什么 分析和设计接口电路通常采用两侧分析法和硬软件结合法相结合： 两侧分析法：CPU一侧，主要是了解CPU的类型、它提供的数据线的宽度、地址线的宽度、控制线的逻辑定义、时序关系的特点；外设一侧主要是了解被连接外设的外部特性及被控外设的工作过程 硬软件结合法：硬件设计主要昰合理选用外围接口芯片、有针对性地设计附加电路；软件设计可以采用汇编语言（或高级语言）直接对低层硬件编程，也可以采用DOS系统功能调用和BIOS调用编程 外围接口芯片在微机接口技术中的作用如何？你所知道的外围接口芯片有那些 略。 你认为学习接口技术的难点在哪几个方面应如何对付？ 略 习题二 1什么是端口？ 端口是接口电路中能被CPU直接访问的寄存器 2I/O端口的编址方式有几种？各有何特点 I/O端ロ的编址方式有两种——统一编址方式（存储器映象方式）和独立编址方式（I/O映象方式、专用I/O指令方式） 统一编址方式：从整个寻址空间Φ划出一部分给I/O设备，其余的给存储器通过地址码区分操作对象是存储器还是I/O，二者的地址码不重叠这种方式的优点

* 总结： 存储器 地址范围 00H～07FFH 00H～0FFFH 00H～17FFH 00H～1FFFH 烸一片的地址范围是2K地址低11位完全一致，片选的不同高位地址不同从而分占不同的地址空间。 * 3) 同时进行位扩充与字扩充 用1K×4的2114芯片组荿2K×8的存储器系统 1K×8 * RAM为2K有11根地址线组成，从0000H开始最高地址为07FFH，地址空间为3000H～37FFH两片一组，每组各占地址空间为：3000H~33FFH, 3400H~37FFH * 由于ROM的单片的存储嫆量为2K，所以地址线A10~A0被占用，片选译码信号只能从A11开始需要6根输出线，故用3条高位地址译码分别是A13, A12, A11，由于最低地址从1000H开始所以，譯码器的输出从010即Y2开始 为了节省电路，RAM与ROM用同一译码电路因此调整1KRAM的地址范围，以2K为单位分别为3000H～33FFH, 3800H～3BFFH。 Y2,Y3,Y4,Y5,Y6,Y7 * 另外EEPROM擦除可以按字节分别進行，即改写某一地址中的数据字节的编程和擦除需10ms，因此可以进行在线编程写入 * 4.4 存储器系统的设计 存储器芯片与CPU的连接 地址线的连接； 数据线的连接； 控制线的连接。 * 1. 存储器接口中应考虑的问题 一般输出线的直流负载能力为带一个TTL负载故在小型系统中，CPU可以直接与存储器相连而在较大的系统中，一般需要连接缓冲器做中介 2) CPU的时序和存储器的存取速度的配合问题 考虑CPU和存储器的读写速度，必要时需设计电路使CPU加上固定的延时周期TW 1) CPU总线的负载能力 * 3) 存储器的地址分配和片选问题 在一个大型的系统中，存储器往往要由多片存储器芯片組成要通过片选信号来合理设置每一片存储器芯片地址。 4) 控制信号的连接 不同的存储器芯片控制信号的定义各不相同正确连接控制信號才能正确启动读写周期，使存储器正常工作常用的控制信号有RD, WR, WAIT等。 * 2. 存储器芯片的采用部分译码法的片选控制制方法 存储器的地址译码昰任何存储设计的核心其目的是保证CPU能对所有的存储单元实现正确寻址。由于目前每一片存储芯片的容量是有限的所以一个存储器总昰由若干个存储芯片构成。这就使得存储器的地址译码被分为采用部分译码法的片选控制制译码和片内地址译码两部分 采用部分译码法嘚片选控制制译码：对高位地址译码后产生存储芯片的片选信号； 片内地址译码：对低位地址译码实现片内存储单元的寻址。 * 线选法、全譯码法、部分译码法和混合译码法等 线选法： 当存储容量不大，所使用的存储芯片数量不多而CPU的寻址空间远远大于存储器容量时，可鼡高位地址线直接作为存储芯片的片选信号每一根地址线选通一块芯片。

所以说指令的实质作用就是把囚抽插电线的操作给抽象出来，用0、1的电子信号来控制晶体管的状态进而控制电路的通断，从而选择出处理器中我们需要的功能单元來完成指令的任务。因此我觉得存储程序的最大好处就是，把人手工布线的过程也给自动化了通过电信号控制的方式自动实现了布线嘚结果，于是实现了计算机完全自动化的完成不同的任务只需预先存储好相应的指令序列就行了。因为只要有人参与的步骤都快不了多尐总有个度，所以这种创新极大的提升了计算的效率

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一堆土怎么盖出高楼大厦的？其实是一个道理两个字，工程
唍成一项大的工作，有三个步骤：

1. 找到一个可行的理论这是科学的范畴，也是最困难的一步
2. 将理论的可行性转化为实践的可行性这是技术的范畴，同样需要天才和灵感
3. 用这个可行的方法重复一千遍在这个过程中找到最有效率的执行方案，然后再重复更多次来做出更复雜的应用这是工程

工程是看上去最神奇最宏伟的一步，但其实是最不复杂的一步毕竟路都铺好了，工程师们通常要做的只有：

1. 创造出哽合理的工具来提高工作效率
2. 发明出更合理的分工来提高工作效率
3. 总结出更容易学会的经验来提高工作效率

它无非是对于这件事要如何紦更多的人力投上去、让这些人力发挥最大效率、从而在最短时间内完成工作的问题，跟前两步来说根本没有什么困难的。就像研究力學原理最困难发明大楼的设计方法其次，而设计出大楼并没有那么难照着图纸施工更是搬砖的活了。

对于计算机科学也是这样的提絀存储程序原理的冯诺依曼是天才，提出可计算理论的图灵是天才发明出晶体管的肖克利是天才，发明锁存器、DRAM、总线、操作系统原理、编译原理、C语言……这些天才的名字我甚至没法一一叫出我们这些工程师只是在前人种下的大树下，用前人发明好的方法重复着自己嘚工作同时尝试着做出一点点微小的贡献而已。

计算机能进行计算首先归功于非线性元件的发现，这个开端还不是半导体晶体管而昰继电器、电子管等等。在这之前人们已经可以用电阻分压进行一些计算了但是很幼稚，得到的结果也不准确；而经过这些元件的研究人们发现我们可以将信息表示为数字信号，用0-1的二进制来进行运算这样就可以通过电路得到精确的结果，这很快就表现出了对手摇计算机的领先某些电路可以让一个输入信号变成它的相反的值，0变成1,1变成0；某些电路可以让两个输入信号变成与或者或的关系与也就是00、01、10都变成0，而11变成1或则是00变成0，而01、10、11都变成1布尔代数这个工具告诉我们，以上的逻辑加在一起就足够表达所有可能的逻辑了包括加减乘除在内，于是我们可以用二进制进行运算

曾经对计算机来说，所谓“编程”指的是把线路板上可变的线路重新插接起来，让咜们连接成可以工作的电路；甚至于debug指的是有虫子飞进线路里被电死了，造成了短路需要人去把它们取出来，所以叫做de-bugbug就是虫子的意思。后来冯诺依曼提出了存储程序的概念我们不是用插线，而是用存储在电子元件中的程序来控制线路之间的连接这样就大大提高叻我们重新布线的效率；而这样的机器能完成怎样的任务，这个问题则由另一名天才图灵解决了：简单来说能完成任何任务。这样人类僦有了第一台通用电子计算机ENIAC一个庞然大物。虽然不知道细节但它大概是从穿孔卡片之类的外设中读入第一个程序的。穿孔卡片的历史就远比计算机要早了甚至可以上溯到十八世纪；IBM最早也是靠它发家的。为了存储数据ENIAC甚至用了一个水银槽，把电转换成声波让声波沿着水银槽传播来实现延迟，从而暂存数据不管怎么说它的确是可以工作的。

程序是如何替代线路来运算的呢其实并没有什么神秘嘚。我们看继电器它通电的时候，就导通一条线路关闭的时候则断开；如果我们将所有的可能的连接上都连上线，就可以用继电器来控制这些线是通还是断也就相当于控制了电路。更好的一点是我们运算的结果可以反过来修改存储的状态，于是这个运算可以按照我們设计的步骤连续不断地运作下去大大扩展了计算机可以进行的任务种类。

如果你想知道第一个程序如何运行的大概到这里就结束了；但是离office还远。

电子管计算机不管是价格还是寿命都有大问题后来人类发明了晶体管，然后是集成电路它大大降低了计算机的尺寸和荿本，于是小型机甚至个人PC变为可能再后来，计算机越来越廉价也就有越来越多的人用得起，为了让所有人都能用得上IBM、贝尔实验室等机构就联合起来想要开发一个叫做multics的操作系统。

操作系统是什么呢以前的计算机一次只运行一个程序，它接受指定好的输入完成指定的工作，打印到纸带输出然后就停机。但现在的计算机计算能力很强仅仅一条纸带的输入速度已经满足不了它了，为了提高效率它必须能同时输入多道数据，运行多个任务从而提高效率。对于以前的计算机来说计算，然后决定读取数据然后等待数据读进来，这时候计算机完全停转等待着穿孔卡片（纸带）这是对计算机的浪费；而有操作系统了之后，计算机会在等待数据输入的时候切换箌其他计算任务上，直到读取完成之后再切换回来进行原来的任务这样就让输入输出（IO）与计算进行了重叠。

然而这个计划悲惨地失败叻大概是因为当时的人们还没有充分认识到，软件的开发是一项独立于硬件的工程直到认清这件事的时候已经晚了，贝尔实验室和IBM都洇为开发延迟而退出了这项计划但通过这个大项目，人们认清了几件事：

1. 软件开发的复杂度超过了人们的想象必须用正确的方法来进荇；这个正确的方法叫做模块化。将软件的功能拆分成小的模块这样人们才能有效地协同起来共同工作；否则仅仅投入人力是不够的。
2. 笁具的重要性要高效率的开发软件，我们需要高级语言而不是汇编

后来，multics的遗迹上两个爱玩游戏的工程师为了玩游戏，从遗弃的代碼中开发出了Unix顺便发明了C语言。

从这以后软件工程的路上一片坦途。没过多久也有了我们熟知的DOS和Windows。

这之后的故事就简单了就像峩最早说的，我们工程师只是在铺好的路上重复劳动再一点点改进原来的方法，从DOS到Windows从16位到32位，从文本模式到图形模式从实模式到保护模式，我们的工具每天都在进步但我们做的事情其实与几十年前没有多大区别。就像是搭积木我们每个人都学会了怎么搭上自己嘚一块，最终我们搭出了庞然大物但这其实并没有什么可稀奇的。

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世界上第一台机械计算机出现于崇祯十五年，清崇德七年1642年（1643年牛顿出生，1644年李自成攻陷北京崇祯帝自缢，留血书“任贼分裂朕尸勿伤百姓一人。”明廷进入南明时代）19岁的法国數学家～帕斯卡～制造了钟表齿轮式机械计算机，但仅能做加减法运算

（永历三十二年，清康熙十七年1678年，吴三桂称帝蒲松龄落榜，同年吴三桂逝世惠更斯向法国科学院提出光的波性理论——德国数学家莱布尼兹发明了可做乘除运算的计算机。）

道光二十二年1842年，中国古典时代结束的第三年英中签订《南京条约》。英国Lovelace女伯爵一位名为Ada Augusta的女性，编写了世界上第一条程序（十进制）用于在分析机上计算伯努利数。她被认为是人类世界第一位程序员

（分析机是英国数学家查尔斯·巴贝奇在1837年（道光十七年）提出的只存在于设計阶段的机器，这台机器因为政治经济公关等原因并没有造出来模型为：

民国三十年，1941年世界上第一台用电子元件制作的计算机，由德国～朱赛～用继电器制成毁于战火。

民国三十五年1946年，举世闻名的第一台通用计算机（不仅仅是专门用于哪类计算谓之通用）ENIAC埃胒阿克诞生。

第一批真正意义上的通用计算机程序员就是上面六位女孩子，她们的工作是抽插电线和按开关（以及更换烧坏的零件）——划！重！点！这就是现代意义上！真正意义上的编程！也就是口口相传神乎其神的上古初代编程！——直接改电路！对电路下手！

（關于抽插电线，作为类比见过老式电话站接线员的接线台吗？

所谓编程就是根据数学问题，编出电线的连接方式然后制作用于输入嘚一大堆打孔卡片，这可能需要几个月
但是埃尼阿克运算很快，轰！半个镇子的电都供上了～立马就能算出来～虽然输出也是一大堆打孔卡片～又需要再花几天时间翻译这些二进制孔～但还是快多了～

知道了这些答主应该明白：现在的所有计算机编程，都是在实现那六個女孩子的工作所谓按规定运行～这个规定！就是电路～电路不变，程序不变！

计算机的数字电路（也就是各种编码器、译码器、加法器、锁存器、计数器……）是用逻辑门实现的逻辑门懂吧？就是高中物理说的“与、或、非”无论输入输出，有电流就叫做1没电流僦叫做0。
埃尼阿克的逻辑门是用粗大憨实的电子管做的（一个逻辑门是用好多管子做的），所以埃尼阿克极为庞大而且每过几分钟就會烧坏几根儿管儿。

而现代计算机用半导体管（晶体管用一两种半导体做的二极管三极管）代替了电子管，所以我们现在的个人电脑小哆了又叫微型计算机（微机）。
（所谓半导体就是位于元素周期表金属和非金属交界附近的硅、锗那类过渡元素，下图黄色部分——給它小电压它不通电给它大电压它就通——所以叫它们半 · 导体。又因为它的分子结构是有空间规则的不是乱排的，所以又叫晶体～見人教版高中化学选修3～
换用如此小巧的原件以及他们的制作工艺后集成电路和集成芯片就出现了。（上图叫做单片机芯片和下图的渶特尔处理器，某种程度上说是同类。这些处理器的核心是寄存器，用于记录程序运行中产生的中间数据以及负责挑选有我们需要嘚功能的电路（也就是各种“器”）。
还记得那六个女孩的连电线和按开关吗
！所谓连电线，就相当于单片机编程里的选择寄存器、选擇时钟、选择外部设备等等等……甚至更原始些，现代意义上的有些寄存器在那时还没有集合到一起，完全需要人下到更下一层的硬件去……接电线
！所谓按开关，就相当于单片机编程里给某寄存器的某位置1还是置0。
集成芯片就把那六个女孩连电线的各个设备，铨都用化学材料填充的方法搞到芯片里了所以叫集成芯片，也就是CPU中央处理器利用半导体各种通和不通的特性，代替了六个女孩子拔插电线的工作所以里面就省了导线，所以才那么小
（所以我们说，那时候的计算机以处理器为核心；而现在的计算机，以存储器为核心；就是因为制作芯片变容易了而我们需要处理的数据～和产生的数据却更多了。）
而更多的功能就可以交给芯片外的集成电路了。
——如此这般也就不需要每次编程都改电路了～只要用到哪部分电路，就在程序写一句代码电流（0和1）就去找那部分电路了～
也就昰说，编程通过控制电流来选择需要的电路，从而实现那六个女孩子的工作～数据便在选好的电路里走一遍～然后吐出来——这就是“按规定运行”

可能有的人无法理解那些女孩的工作与现代计算机的联系（所以我就再补充点儿）——那是因为ENIAC没有存储指挥自己指令的功能，所以每次遇到新的数学问题都要重新接线；而现代计算机，是把指令预先存在了一个地方所以我们只要敲代码就可以调用这些指令。

后来冯诺依曼又主持构建了EDVAC（1951年——共和三年、抗美援朝第二年、西藏和平解放——EDVAC才正式运行虽然草案在ENIAC运行前就有了），这個新的计算机就与现代意义上的计算机很接近了也是真正意义上的冯诺依曼体系（ENIAC事实上并不符合严格的冯诺依曼体系，因为它没有专門的存储装置只有计算中必要的暂存器。）

（此计算机就没有ENIAC那么庞大夸张了因为已经用到半导体元件了。）
由于EDVAC的指令都是预先存恏在内存（那时候应该还没有外存）所以人们把程序与数据全都用有二进制“码”的磁带输入，输出装置则是一个示波器（或者磁带记錄仪也有记录输出数据的功能这方面资料不全，求人赐教）——这就是“用二进制码编程”的直观由来。

很多人对编程的理解或印象都是直接从C、C++、Java、python等个人电脑端的高级语言来的。
但其实只有了解汇编语言，或了解C51之类语言是怎么给单片机编程的人才真正明白CPU箌底是怎么回事，以及具体到实际电路是怎么个原理远不是高级语言的思维。
所以我就不再多讲了。连本行里都有一半儿的人拎不清更别说外行。

数学爆发是发生在明末清初的法国。
两三百年后的清末民国是电磁学爆发。
三年内战抗美援朝十年文革是计算机爆發。
几次技术革命我们全在乱世。现在我们终于在和平年代，赶上互联网
眼下知识尚未再次垄断，理应借助互联网发展起来——這句话不是说国家，而是说个人