DNA计算机原理、进展及难点

DNA计算机原理、进展及难点

(Ⅴ)：DNA分子的固定技术

许进1)，李菲1), 2)

1)(北京大学信息科学技术学院高可信软件技术教育部重点实验室，北京，100871)

2)(空军装备研究院，北京，100085)

摘要在DNA计算机的研制中，DNA分子的固定是首先需要处理的一个最为基本的技术问题。事实上，DNA分子的固定技术不仅是生物计算的一个基本技术，而且是整个基因工程、生物芯片、甚至某些疾病诊疗的基础。基于此，本文将对DNA分子的固定技术给予较为系统地研讨，包括基本原理、具体方法等。文中引入了“DNA分子固定系统”的结构体系，并对该结构体系中载体子系统、固定剂子系统、标记子系统这三个主要子系统进行了详细地论述。

关键词DNA计算机；DNA固定技术；固定系统；固定剂、载体、分子标记、磁珠分离技术；Acrdite TM技术

DNA Computer Principle, Advances and Difficulties(V): Immobilization Technology of DNA Molecule

Xu Jin1), Li Fei1)2)

1) (Institute of Software, School of Electronics Engineering and Computer Science,

Peking University, Key laboratory of High Confidence Software Technologies (Peking University)，Ministry of Education, Beijing, 100871)

2) (Equipment Academy of Air Force , Beijing 100085)

Abstract:In the research of DNA computer, immobilization of DNA molecule is an essential technology at first. Actually, immobilization of DNA molecule is not only a basic tool of biological computation, but also the foundation of the whole Genetic Engineering and bio-chip, even some disease treatment. In this paper, immobilization technology of DNA molecule, including its basic principle and factual methods is discussed in detail. The architecture of bio-molecular immobilization system is presented, and we mainly introduce its three subsystems—substrate system, fixer system and molecular marker system.

Key words: DNA computation; immobilization of DNA molecular; immobilization system; fixer;

substrate; molecular marker; magnetic bead purification; Acrydite TM technology;

1.引言

从目前的研究现状来看，DNA计算研究中主要存在三个难点，第一个是解空间指数爆

炸问题，即随着问题规模的增大所需要的DNA量呈指数增长；第二个难点是编码问题。对于规模较大的DNA计算而言，作为代表问题“数据”的DNA分子的编码涉及到诸如解链温T的一致性、特异性杂交的准确性、与DNA计算中各种生化操作的适应性等各种不同度

m

约束条件的限制。因而，DNA序列的编码问题是一个很困难的数学问题。许多学者认为这个问题是NP-完全问题[1][2][3]；第三个难点是解的检测问题。检测问题几乎“充满”了DNA计算的始终。其中如何给出快速准确的检测技术，以及如何利用现有的IT技术进行解的检测是DNA计算机研究中的重点[4]。从目前的研究现状来看，DNA传感器技术可能是DNA计算机检测中一个很有希望的工具。而DNA分子的固定技术则是DNA传感器中的一项关键技术。另外，DNA分子的固定技术在医疗、生物芯片以及基因工程等众多领域均为基础性的技术。

作为DNA计算中的“数据”－DNA分子，若在计算过程中只在溶液中进行杂交反应，而不受其它载体的约束，则我们把这种DNA分子称为无载体的DNA分子。若DNA分子被固定在某物体上，则把该物体称为DNA分子的载体。在DNA计算中，通常这些载体有诸如磁珠、凝胶、金属、玻璃等。而如何将DNA分子固定在这些载体上，即DNA分子的固定问题，不仅是DNA计算中的一个基本问题，也是研制DNA计算机必须解决的问题。本文拟重点对DNA分子的固定技术展开研讨。

实际上，DNA分子的固定技术不仅是研制DNA计算机的基本技术，而且是DNA计算模型研究中的常用技术[5]。如1994年Adleman所建立的求解有向Hamilton路问题的DNA 计算模型中就使用了将DNA分子固定在磁珠上的技术[6]，该研究组在2002年的DNA计算模型中使用了将DNA分子固定在聚丙烯酰胺凝胶上的固定技术[7]。文献[8]中所建立的枚举型图顶点着色DNA计算模型中也使用了磁珠固定DNA分子的技术等。文献[9]所建立的DNA计算模型中，固定DNA分子在玻璃上。

追其历史，生物分子固定技术的研究始于上世纪60年代，美国学者Clark首先采用了固定化酶方法制作酶电极[10]，其后，关于这方面的研究发展迅速[11][12]。目前DNA探针的固定方法主要有共价键合法、原位合成法、吸附法、自组装膜法、生物素-亲和素方法、Acrydite TM 技术等。

这里还要提及的是，我国在DNA固定技术及应用方面的研究也取得了可喜的成果，如姚守拙院士[13]，张先恩教授[14]等人的工作。另外，刘盛辉等[15]将石墨电极表面硅烷化导入氨基，然后用碳二亚胺( EDC )作偶联活化剂，在电极表面固定单链DNA。郑赛晶等[16]采用微孔穴充石蜡石墨电极固载ssDNA。黄海珍等[ 17 ]对DNA探针的固定方法作了详细评述。有关这方面一些详细的介绍参见文献[18]。

2.DNA分子的固定系统

本节引入了“DNA分子固定系统”的结构体系，以便于更能系统地刻画DNA分子的固定

技术。

所谓“DNA 分子固定系统”，是由载体子系统、对象子系统、固定剂子系统和标记子系统四个子系统构成。可将其定性地描述为：

()子系统标记固定剂子系统对象子系统，载体子系统，固定系统＝

, 如图2.1所示： 对象子系统固定剂子系统载体子系统

标记子系统

固定技术

图2.1 固定系统结构示意图

根据DNA 计算模型的不同，可能用到的DNA 载体也会不同。载体也称为支持物，是指作为固定相的材料[19]。常用的载体有诸如磁珠、凝胶、玻璃、量子点以及金箔等，如图

2.2所示： 金 箔

玻 璃

凝 胶磁珠量子点

载体子系统

图2.2 载体子系统

在DNA 计算中，固定的对象主要是DNA 分子。当然，在RNA 计算中的固定对象主要是RNA 分子，而在整个基因工程中的固定对象则是蛋白质、RNA 与DNA 为主体的生物大分子等，如图2.3所示：

DNA 分子

RNA 分子

蛋白质对象子系统

图2.3 生物计算中的对象子系统

所谓固定剂，是指将固定对象固定在特定载体上所需要的介质，多数采用的是偶联，如共价键的偶联，离子键、氢键、磁力等各种引力的吸附，另外还可采用生物素-亲和素技术、

分子自组装膜等，如图2.4所示：

共价键吸附法

分子自组装原位合成生物素亲和素

LB 膜

固定剂子系统

图2.4 固定剂子系统

固定DNA分子或者其它生物大分子的主要目的是用于检测。因此，被固定的DNA分子常常需要进行标记。标记DNA分子通常采用诸如荧光标记、放射性和非放射性核素标记等方法，如图2.5所示：

放射性标记非放射性标记

其它种类标记

标记子系统

图2.5 标记子系统

从下节开始，我们将围绕着固定系统中相应的子系统进行详细讨论。

3.载体子系统及其在DNA计算中的应用

本节将主要介绍DNA计算中常用的三种载体：①基于试管型DNA计算中常用的磁珠；

②基于凝胶电泳技术的载体－Acrydite；③关于表面计算中的玻璃或者金箔等作为载体的处理。

3.1 磁珠技术

在DNA计算中，经常需要将双链DNA序列中的一条固定起来，通过加热，让互补的另一条参与杂交反应。若在试管里进行杂交反应，则通常将一条DNA链固定在磁珠上。我们把将一条DNA链固定在磁珠上的技术称为磁珠固定分离技术，简称为磁珠技术。这里将主要介绍磁珠技术的机理，特别针对其在DNA计算中应用的原理给予详细介绍。

一般磁珠固定分离技术的基本方法是：通过抗原对偶联在磁珠表面的抗体或亲和配体的特异性识别，在外加磁场的作用下，达到分离、检测、纯化样品的目的[20]。磁珠分离方法主要有两类：一类是所谓的免疫-磁珠分离(Immuno-magnetic beads, IMB)，其方法是在磁珠表面包被特异性单克隆体，主要用于分离细菌和病毒[21][22]；另一类是所谓的探针-磁珠分离

(Probes-magnetic beads ，PMB)，具体操作是在磁珠表面包被亲和素，通过亲和素与生物素之间的特异性反应，将探针标记在磁珠表面。这种方法主要应用于捕捉核酸和PCR 扩增[23][24]，以及用于捕捉扩增产物，进行特异性分析[25]等。

采用磁珠作为DNA 分子载体有三大优势[26]：①亲水性磁性粒子能够比较稳定地悬浮在水溶液中，并可在外加磁场作用下定位于某一部位，其表面可固定各种功能分子如酶、抗体、DNA ，甚至细胞等，因此在分子生物学、免疫测定、细胞分离与分类、基础医学、临床诊断、临床治疗等方面具有良好的应用前景；②作为DNA 分子的固定化载体，磁珠有利于固定化DNA 分子从反应体系中分离和回收，还可以利用外部磁场控制磁性材料固定DNA 分子的运动和方向； ③磁珠作为DNA 分子的固定载体还具有以下优点：固定的DNA 分子可重复使用，降低成本；适合大规模连续化操作；将DNA 分子固定在磁性粒子表面后，DNA 分子的化学活性不受到任何影响。

由于在DNA 计算中主要采用PMB(探针-磁珠分离)方法，故在本文中只详细介绍这种方法。下面，我们将从磁珠的结构、材料与原理以及操作使用方法等几个方面来给予介绍。

(1). 磁珠结构

磁珠由载体微球和配基结合而成，一般直径为m 00.3~m 26.0μμ。理想的磁珠为均匀的球形，具有超顺磁性及保护性壳，其结构如图3.1所示，其中磁性材料主要有：γ- Fe 2O 4、Me-Fe 2O 4（Me = Co ，Mn ，Ni ）、Fe 3O 4、Ni 、Co 、Fe 、Fe-Co 和Ni-Fe 合金等，

图3.1 磁珠的基本结构图示

目前被研究最多且应用最广泛的是铁及其氧化物（Fe 、42O Fe 和43O Fe 等）[27]。高分子材料主要有：聚乙烯亚胺、聚乙烯醇、多糖(纤维素、琼脂糖、葡聚糖、壳聚糖等)和牛血清白蛋白等。磁珠表面常带有化学功能的基团，如-OH 、-NH 2、-COOH 和-CONO 2等，使得磁珠载体几乎可以偶联任何具有生物活性的蛋白[28][29]；功能配基主要有：配基必须具有生物专一性的特点，而且载体微球与配基结合后不影响或改变配基原有的生物学特性，保证微球的特殊识别功能。还可以在功能配基上配有亲和素。在单链DNA 分子5’-端加入与亲和素相配的生物素[30][31]。

(2). 磁珠固定分离技术在DNA 计算中应用原理及具体使用方法

磁珠技术是DNA计算中经常用到的一种分离技术，分离用的磁珠表面需要大量的羟基、羧基、羰基、氨基，通过洗液与DNA结合，在磁场的作用下从溶液中分离出DNA，再用一种洗液使DNA从磁珠表面分离出来，最后通过磁场把废的磁珠分离出来，得到纯的DNA 溶液。通常用亲和素-生物素方法进行磁珠固定分离。

图3.2 磁珠在DNA计算中的应用原理示意图

磁珠技术在DNA计算中的应用的基本原理是：利用生物素-亲和素法将计算问题中的探针DNA分子固定到磁珠上，探针DNA分子与待测溶液中的靶分子进行杂交反应后，再用磁力架将带有双链DNA的磁珠分离出来，其示意图如图3.2所示。具体操作步骤如下[32]：第一步、在磁性粒子表面共价结合链霉亲和素，使得磁性粒子能够吸附连有生物素的核苷酸探针，达到快速、有效分离靶分子的目的；

第二步、取库链DNA 于试管中, 加入生物素修饰的靶分子，进行反应，然后加入磁珠中，反应后弃去上清；

第三步：用SSC洗磁珠, 弃去上清。再加入SSC后用磁力架快速分离, 将上清转移至新的试管中；

第四步：根据计算需要，可以多次重复第三步，由此可以得到分离出来的靶DNA分子。

3.2 凝胶载体

上一节我们给出了作为载体磁珠的结构与性质，并讨论了磁珠在DNA计算中的作用。在这一小节里，将给出在DNA计算中，另外的主要载体--凝胶的结构与性质。凝胶主要应用于电泳之中，而电泳分离技术则是DNA计算中的一个最为基本的环节。聚丙烯酰胺凝胶电泳是以聚丙烯酰胺凝胶作为支持介质的电泳方法。在这种支持介质上可根据被分离物质分子大小和分子电荷多少来分离。

(1). 聚丙烯酰胺凝胶

聚丙烯酰胺（Polyacrylamide）简称PAM，由丙烯酰胺单体聚合而成，是一种水溶性线型高分子物质[33]。

聚丙烯酰胺凝胶的作用原理如下[34][35]： a) 絮凝作用原理：PAM 用于絮凝时，与被絮凝物种类表面性质，特别是动电位，粘度、

浊度及悬浮液的PH 值有关。颗粒表面的动电位，是颗粒阻聚的原因，加入表面电荷相反的PAM ，能速动电位降低而凝聚。

b) 吸附架桥：PAM 分子链固定在不同的颗粒表面上，各颗粒之间形成聚合物的桥，使

颗粒形成聚集体而沉降。

c) 表面吸附：PAM 分子上的极性基团颗粒的各种吸附。

d) 增强作用：PAM 分子链与分散相通过种种机械、物理、化学等作用，将分散相牵连

在一起，形成网状，从而起增强作用。

丙烯酰胺称单体，甲叉双丙烯酰胺称交联剂，在水溶液中，单体和交联剂通过自由基引发的聚合反应形成凝胶。在聚丙烯酰胺凝胶形成的反应过程中，需要有催化剂参加，催化剂包括引发剂和另速剂两部分[36]。引发剂在凝胶形成中提供始自由基，通过自由基的传递，使丙烯酰胺成为自由基，发动聚合反应，加速剂则可加快引发剂放自由基的速度。常用的引发剂和加速剂的配伍如下表：

表3.1 聚合反应催化剂配伍 引发剂

加速剂 （NH ４）２S ２O ８

TEMED （NH ４）２S ２O ８

DMAPN 核黄素 TEMED

其中 (NH 4)2S 2O 8是过硫酸胺；TEMED 是N ，N ，N ，N'四甲基乙二胺；DMAPN 是β--二甲基胺基丙晴； 用过硫酸铵引发的反应称化学聚合反应；用核黄素引发，需要强光照射反应液，称光聚合反应。聚丙烯酰胺聚合反应可受下列因素影响[37]：

a) 大气中氧能淬灭自由基，使聚合反应终止，所以在聚合过程中要使反应液与空气隔绝； b) 某些材料如有机玻璃，能抑制聚合反应；

c) 某些化学药物可以减慢反应速度，如赤血盐；

d) 温度高聚合快，温度低聚合慢。

以上几点在制备凝胶时必须加以注意。凝胶的筛孔，机械强度及透明度等很大程度上由凝胶的浓度和交联决定。每100亳升凝胶溶液中含有单体和交联剂的总克数称凝胶浓度，常用T%表达；凝胶溶液中交联剂占单体和交联体总量的百分数称为交联度，常用C%表示.

聚丙烯酰胺凝胶电泳可分为连续的和不连续的两类，前者指整个电泳系统中所用缓冲 液，pH 值和凝胶网孔都是相同的，后者是指在电泳系统中采用了两种或两种以上的缓冲液，pH 值和孔径，不连续电泳能使稀的样品在电泳过程中浓缩成层，从而提高分辨能力。

单体丙烯酰胺的分子为：2CH ＝CH －CO －2NH ；交联剂N ，N-甲叉双丙烯酰胺的分子结构为2CH ＝CH －CO －NH －2CH －NH －CO －CH ＝2CH 。乙烯基2CH ＝CH －一个接一个的聚合作用从而形成丙烯酰胺链的交联，构成了如下三维空间凝胶网络图，如图3.3所示：

图3.3 聚丙烯酰胺凝胶结构

(2). Acrydite TM技术

为了较详细地讨论Acrydite TM技术，以及下面叙述方便，我们在此先给出聚合DNA分

子的基本单元--核苷酸的分子结构，如图3.4所示：

图3.4 核苷酸结构

其中为核苷酸所携带的碱基，为鸟嘌呤、腺嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶其中一种。

Acrydite?是一种可连接寡核苷酸作为5'端修饰的基于丙烯酸亚磷酰胺的化学物质，Acrydite的分子式是C19H36N3O3P。分子量为385.48。经Acrydite修饰的寡核苷酸能与硫醇修饰的表面发生共价反应或能够合并进入聚丙烯酰胺凝胶。它也可以使高分子通过丙烯酸共价结合到表面支持物，经Acrydite修饰的高分子可以通过丙烯酸单体聚合，还能与巯基或硅

烷表面反应[38][39]。

这一技术由Kenney[40]于1998年首次提出，目前较大规模的DNA计算，20个变量的3－SAT问题也是由此固定技术实现的[41]。该方法在DNA计算中的原理是：利用常规的DNA 合成技术，将酰胺分子引入到寡聚核苷酸的5' 端，结合有酰胺分子的寡聚核苷酸探针可以和酰胺溶液混合，从而形成含有探针的凝胶层，而凝胶分离时则使用标准的方法[42]。这种技术应用于DNA计算中，可以使一些问题得到很好的改善。Acrydite修饰的DNA分子与聚丙烯酰胺凝胶相连如图3.5所示：

图3.5 Acrydite修饰DNA与聚丙烯酰胺联结

采用Acrydite技术固定DNA分子时，其优点有如下几个方面：

a)Acrydite修饰物的连接比耦合更加稳定。在多种不同温度及PH值的水溶液条件下，

Acrydite修饰的核苷酸都比较稳定；

b)Acrydite修饰物可以在固相表面形成共价键。Acrydite修饰物与固相表面连接可以

形成高稳定性的C-C键或硫醚键，在标准的分子生物学规则中，这些键在通常情

况下是十分稳定的；

c)结合效率高。Acrydite连接DNA分子的效率通常高达90%以上；

d)用途广泛。Acrydite修饰的DNA分子可以固定在玻璃、凝胶聚合物或层析介质上：

i.用于微阵列的玻璃显微镜幻灯片。巯基和丙烯酰胺的连接具有稳定的化学性

质，可以使Acrydite修饰的DNA分子固定在玻璃显微镜幻灯片上从而形成微

阵列；

ii.当Acrydite修饰物与另一种单体如丙烯酰胺共聚合时，产物为一附着DNA的交联凝胶，DNA在聚合物中的浓度决定于加入DNA的浓度和Acrydite修饰

物相对于聚合物单体的比率。此类交联凝胶可以应用于电泳捕获阵列；

iii.当Acrydite修饰物与固定表面覆盖着丙烯基的另一种单体相聚合时（如塑料表面覆盖丙烯硅烷），Acrydite修饰物会与此单体在固定表面形成一层凝胶层，

Acrydite的浓度和凝胶层的性能可以在一定范围内有所调整，使得表面具有特

殊功能，如疏水性；

iv.当Acrydite修饰物与另一种单体如丙烯酰胺共聚合（不使用交联剂）时，产物是带有DNA分子的线性聚合体，线性聚合体具有广泛应用，例如，线性聚合

体和一些丙烯酰胺衍生物形成的物质在室温下是可溶解的，但是在高于45℃

时会凝结和沉淀，这种由室温决定溶解度的性质可以广泛应用于多种分离过

程。

在图3.6中，我们利用Acrydite TM技术与巯基表面、凝胶和玻璃相连的原理图[43]。

图3.6 1、Acrydite修饰物与巯基反应，形成稳定的硫醚键；2、Acrydite修饰物与其它丙烯酸根共聚合（如

聚丙烯酰胺）3、Acrydite与玻璃表面相连

Acrydite将DNA与凝胶交联的操作通常采用目前分子生物实验室广泛使用的标准凝胶聚合技术[44]，过程中不需要高活性的化学交联剂。Acrydite连接DNA可以达到表面密度为200fmol可杂交的探针/mm2。这个密度相比利用其他连接方法要有利的多。

通过升高凝胶温度或在缓冲溶液中加入变性剂，还可以测试单核苷酸的多态性，这种方法同样适用于测试PCR样品扩增中的变异。另外，Acrydite凝胶技术还可以广泛应用于其它研究领域，例如基因表达分析和核酸从样品中的提取纯化。

3.3 玻片或其他载体

在DNA计算研究中，表面计算中固定DNA分子的支持物最多的是玻璃和金片，其中玻片是研究和应用最多的DNA分子固定支持物，因为它具有如下几个优点[45][46]：

a)价格低廉，且所固定的DNA样品可以共价结合在预处理后的玻片表面上；

b)玻片是一种刚硬的介质，耐高温，可以经受高离子强度溶液的清洗；

c)玻片是一种非孔性材料，杂交体积可以减至最小，从而加快了探针与目标DNA之间杂

交和退火的过程；

d)玻片荧片信号本底低，背影干扰小；

e)可使用双荧光甚至多荧光检测系统，在一个反应中同时对两个以上的样品进行并行处

理。

由于玻片是平面结构，上样量小，使得检测的灵敏度低，因此可以对玻片的表面进行改性，通过各种化学反应在表面引入各种官能团（氨基、醛基、羧基、环氧基、巯基等），使DNA与玻片表面的官能团共价结合，从而稳定地固定于玻片表面。在DNA计算中，通常采用的玻片预处理方法有如下两种：

(1). 氨基硅烷化预处理

先将玻片硅羟基化，再用3-氨丙基三乙氧基硅烷化，这样可以使得玻片表面带上氨基的官能团，此官能团可以与多种偶联剂作用，来固定末端修饰的DNA分子。

利用戊二醛分子作为偶联剂时，戊二醛分子两端的醛基可以与玻片上的氨基及DNA连接起来[47]，该反应条件温和，操作简便，可在4～40℃及pH6.0～8.0条件下进行。

若利用二异硫氰酸酯作为偶联剂时，2个异硫氰酸酯基分别与玻片上的氨基和

NH2(CH2)6—修饰的DNA的氨基发生偶联反应，从而将DNA分子固定。可能残存未反应的异硫氰酸酯需要进行封闭，减少非特异性吸附，连接后的结构如图3.7所示[48]：

图3.7 通过二异硫氰酸酯将DNA固定在玻片上

在水溶性碳二亚胺EDC的存在下，末端带有羧基的DNA分子可以通过酰胺键与玻片

上的氨基偶联，连接过程如图3.8所示[49]：

图3.8 A 氨基修饰的DNA与富马酸酐反应，转化为羧基修饰的DNA；B 与带有苯环氨基的玻片

连接；C 与带有丙基氨基的玻片连接

酰胺键可以在温和的条件下定量形成，并且生成稳定的产物，其中两个步骤--在玻片上引入氨基和在氨基修饰的DNA上引入羧基都很容易实现，预处理完后的偶联反应过程一步完成，不需要引入手臂分子，也不需要中间分离和提纯，是一种方便、有效的固定DNA分子的方法[50]。

(2). 环氧乙烷基预处理

在玻片表面还经常引入化学活性很强的环氧乙烷基团，它与羟基、氨基和巯基之间都可产生较为稳定的化学键，所以可以用于固定末端带有羟基、氨基和巯基修饰的DNA分子。

在玻片表面引入末端环氧基团最常用的方法是用3-缩水甘油氧丙基三甲氧基硅烷(COPS ) 和硅羟基化的玻片进行硅烷化反应，使玻片表面产生末端环氧乙烷基团，可以与带有羟基、氨基、巯基的DNA分子偶联，如图3.9是带有巯基的DNA分子通过环氧基团固定在硅羟基化的玻片上[51]。

图3.9 带有环氧乙烷基团的玻片与巯基修饰的DNA分子偶联还有一种方法在玻片表面引入末端环氧基团[52]：先将玻片引入羟基或氨基等基团，再

与二环氧乙烷化合物反应。二环氧乙烷化合物通常都含有一长链亲水手臂分子，在其末端带有反应活性的环氧乙烷基，环氧乙烷基和玻片表面的氨基或羟基之间反应结合成较稳定的化学键，而另一端保留了可以和带有羟基、氨基、巯基的DNA分子反应的环氧乙烷基团。这种方法可以使玻片表面与固定的DNA之间带上不同长度的长链手臂分子。但是反应过程中的高交联和损伤会使环氧乙烷活性基团减少，进而减少了DNA的固定化密度。所以偶联时高浓度的羟基、氨基、巯基修饰的DNA参与反应，才能保证DNA的固定化效率。

(3). DNA分子在金片上的固定

金片是指通过真空蒸发到硅片或玻片表面的一层金膜，金膜可以与巯基产生强烈的作用，通过Au—S键将DNA固定。比较成熟的在金片上固定DNA分子的方法是将DNA的3’端或5’端用HS（CH2）6修饰，然后在Au表面自组装[53]，如图3.10所示：

图3.10 金表面的自组装膜

此种方法通过调节巯基修饰的DNA在金片表面的自组装时间可以控制DNA的固定化密度，并且在适当的固定密度下，探针对于目标DNA分子有着很高的杂交效率。在固定DNA以后，还需要用烷基硫醇对金片表面进行封闭以减少非特异性吸附，因为金片表面对DNA能够产生非特异性吸附。

在自组装过程中，还可以加入聚赖氨酸间接固定DNA分子，能够起到两个作用：①可以封闭金表面，减少DNA分子的非特异性吸附；②在利用SPR测定DNA杂交时，可以增加金表面有机物分子的质量。

4 固定剂子系统

将DNA分子固定在某载体上，类似将一张“画”挂在一个“墙壁”上。DNA分子相当于“画”，而“墙壁”则相当于载体。就好像画不可能直接挂在墙壁上一样，DNA分子也不可能直接与相应的载体结合。根据墙壁的不同，挂画的方式也不同，可能用钉子的方法，也可能用胶水或浆糊等粘贴的方法等。

对于将DNA分子固定在一个载体上也有类似的方法。根据载体的不同而确定不同的方

法。目前DNA计算中所采用的载体主要磁珠、凝胶，玻璃或金属表面等。一般而言DNA 分子的固定技术主要有如下6种类型，这六种类型相当于“钉子，或者胶水与浆糊”等的功能。它们分别是：共价固定法、生物素-亲和素反应系统、吸附法、原位合成法、有序自组装技术和LB膜技术。下面将分别给予简要介绍。

4.1 共价固定方法

共价结合法，也称为共价固定法，是通过双官能试剂的功能团或偶联活化剂，使生物活性分子与不容性载体表面上的反应基团发生化学反应形成共价键（如酰胺键、酯键、醚键等）的一种固定化方法，是应用最多的固定方法之一。这种固定方法的优势是结合牢固、得到的修饰层稳定，DNA分子以一端固定，结构灵活，易进行分子杂交，载体不易被生物降解以及使用寿命长等；该固定技术的不足是操作步骤较多，若利用酶活化载体时，酶活性易被降解，且制备具有高活性的固定化酶比较困难。

共价结合一般分为两步进行[54]：:

(1)首先活化载体，引入活性键合基团，将不容性载体表面进行修饰，使其带上各种固定所需要的活性基团，如羟基、氨基等，以便和探针DNA结合；

(2)通过双官能试剂或偶联活化剂使载体与探针DNA结合。常用活化试剂有氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)、环氧丙基三甲基硅烷(GOPS)等。常用双功能试剂有戊二醛(GA)、对硝基苯氯甲酸酯(NPC)、二溴乙烯等。

共价键合法的载体有无机载体和有机载体两种，一般主要采用有机载体，很少用无机载体[55]。

共价键合法是固定探针比较理想的方法，在制备DNA 电化学生物传感器中得到广泛应用。通常是通过共价键将探针固定到电极上，根据不同的电极表面，可以采用不同的共价键合方法。对于金电极，主要是利用金与硫形成金2硫键，还可以利用巯基标记的探针将其固定到金电极。这里要强调的是：缓冲溶液、固定温度、固定时间、链的长短等因素对探针的有效固定均有影响。

4.2 生物素-亲和素固定法

生物素-亲和素系统(biotin-avidin system，BAS)，是70年代后期应用于免疫学，并得到迅速发展的一种新型生物反应放大系统。由于它具有生物素与亲和素之间的高度亲和力及多级放大效应，并与荧光素、酶、同位素等免疫标记技术有机地结合，使各种示踪免疫分析的特异性和灵敏度进一步提高；生物素分子又易于活化，与核酸分子偶联率高而不影响核酸分子的生物活性，所以BAS已经广泛应用于生物医学实验研究的各个领域，既可用于微量抗原、抗体及受体的定量、定性检测研究中，亦可制成亲和介质用于各类反应体系中反应物的分离、纯化。另外BAS也在生物传感器研究中也起到了重要的作用[56]，主要是关于BAS

的固定化问题以及应用BAS 固定生物物质的问题的研究。BAS 的固定化有多种形式：亲和素可以直接地不可逆吸附到 Au 、Ag 等电极表面上形成亲和素单分子层；生物素也可以吸附在电极表面形成生物素分子的固定层，从而来固定BAS 体系。

生物素(biotin)是动、植物体内广泛分布的一种小分子生长因子，又名辅酶R 或维生素H 。生物素的分子式为：S N O H C 231610，其分子量：244.31。生物素又叫维生素H 。生物素分子有两个环状结构，其中 I 环为咪唑酮环，是与亲和素结合的主要部位； II 环为噻吩环， C2 上有一戊酸侧链，其末端羧基是结合抗体和其他生物大分子的唯一结构，经化学修饰后，生物素可成为带有多种活性基团的衍生物——活化生物素[25]。

自然界中至少存在有两种生物素，一种是α-生物素(存在于蛋黄中)，另一种是β-生物素(存在于肝脏中)。它们的基本化学结构相同，都是噻吩环与尿素相结合而成的环化合物。不同的是，α-生物素带有异戊酸侧链，β-生物素有戊酸侧链，其结构如图4.1所示[57]。生物素难溶于水，易溶于二甲基甲酰胺(DMF)。

α-生物素 β-生物素

图4.1 两个类型的生物素分子结构

生物素固定连接DNA 时，需要将DNA 分子氨基化，然后才能与生物素分子结合，连接后的分子（β生物素-DNA 分子）如图4.2所示：

图4.2 β生物素连接DNA分子

亲和素亦称抗生物素蛋白、卵白素或亲和素，是从卵白蛋白中提取的一种碱性糖蛋白。等电点(pI)为10-10.5，含糖约l0％，分子量为68kDa。纯品为白色粉末，易溶于水，在pH9-13的溶液中性质保持稳定，耐热并耐受多种蛋白水解酶的作用，80℃加热2min，仍保持活性，特别是和生物素结合后十分稳定。但对强光和Fe2+比较敏感。亲和素由4个相同的亚基组成，能结合4个分子的生物素。亲和素与生物素之间的亲和力极强，比抗原与抗体的亲和力至少高1万倍，因此二者能快速结合，而且反应不受外界干扰，具有高度特异性和稳定性[58]。

亲和素主要包括卵白亲和素、链亲和素、卵黄亲和素及类亲和素等。后两种因其特异性亲和力低，研究不多，前两种目前已深入研究并得到广泛应用。

亲和素与生物素的结合，虽不属免疫反应，但特异性强，亲和力大，两者一经结合就极为稳定。由于1个亲和素分子有4个生物素分子的结合位置，可以连接更多的生物素化的分子，形成一种类似晶格的复合体。因此把亲和素和生物素与ELISA偶联起来，就可大提高ELISA的敏感度。

在固定DNA探针时，一般是将亲和素共价偶联或通过静电作用吸附到支持物上，随后将生物素连接的DNA通过生物素与亲和素之间的专一性亲和作用而固定。用共价偶联的方法固定亲和素比直接吸附亲和素有更好的稳定性及重现性。以Au电极为例，可以将电极氨基化和羧基化，再连接亲和素，利用亲和作用固定连有生物素的DNA分子，固定过程如图4.3所示：

图4.3 亲和法固定DNA分子

基于生物素-亲和素反应系统固定DNA分子的方法凭借简便、温和、高效的特点，在DNA

固定技术领域中越来越受到重视。

4.3 吸附法

所谓吸附法是通过非共价键作用将探针DNA分子直接或恒电位吸附到载体（多为电极）表面，或由探针DNA片段中的磷酸根负离子与载体表面带正电荷的修饰层通过静电作用而固定。吸附法主要分为物理吸附、化学吸附和恒电位吸附三种，其中物理吸附包括静电吸附、范德华力吸附；化学吸附包括氢键吸附、离子键吸附。

（1）物理吸附。Pang [59]等将ssDNA 或dsDNA溶液直接滴至新抛光的玻碳电极表面，涂匀，在空气中自然晾干，无菌二次水冲洗，充分浸泡，即得到几乎为单分子层的DNA修饰电极。此外，还可以利用这一原理将单链DNA固定在石墨电极、金电极及汞电极表面，制成DNA修饰电极。

（2）恒电位吸附。Wang[60]等利用恒电位富集方法将DNA探针修饰到碳糊电极上，他们先将电极在+1.7V下活化1 min，然后将电极浸入含有DNA 的电解质溶液中在+0.5V富集2 min即可固定探针DNA分子。此种固定方法简单、快捷，但探针DNA分子的再生较为困难。

（3）化学吸附。分别利用带正电荷的聚吡咯、阳离子聚合物壳聚糖将单链DNA固定在电极上，可以大大提高探针DNA的固定效率[61][62]。

吸附法固定DNA，操作步骤简单，固定化速度快，但是在高盐浓度的溶液中很容易解脱，因此不宜在高盐浓度的条件下使用[63]。吸附法固定DNA大多数是通过DNA片段与支持物上的多个作用点完成的，甚至DNA片段可能平躺于支持物表面，因而DNA固定化密度可能较小。由于多个作用点固定DNA使DNA片段的运动自由度减小，这极大地影响了DNA与互补DNA的杂交效率。

在电化学传感器中，可以对洁净的电极进行活化,在电极表面产生一层亲水性界面, 通过此界面将探针吸附固定于其上[64 ]。还有将生物素吸附到电极上，通过生物素亲和素的亲和作用将探针固定到电极表面。然而，这种装置不能严格清洗，因为它不是共价键合, 在杂交过程中可能脱附, 而且DNA 结构会发生扭曲, 使固定的DNA 无法进行杂交, 导致杂交效

率很低。因此吸附法没有成为DNA 电化学传感器制备的主要方法。

4.4 原位合成法

1989年Koch[65]等发明了一种新的DNA分析技术称原位DNA合成技术（Primed in situ labeling），简称PRINS。其基本原理是变性的染色体与未标记的DNA探针发生原位特异性配对，然后以该DNA探针作引物，再利用DNA聚合酶大片断将引物原位延伸，同时在反应混合液中加入标记的脱氧核糖核苷三磷酸，这样就可以对新合成的DNA进行同步标记，可以

直接检测出引物原位延伸的位置。这一技术步骤简便、快速，且不需克隆DNA作探针，因而成为DNA固定技术中的重要手段。这项技术的优点具体有以下几方面[66]：（1）可以使用高浓度的探针以缩短反应时间；

（2）使用大量的探针时不会导致背景污染，因为未杂交的探针没有被标记；

（3）信号的强度不受引物大小的影响，寡核苷酸引物和较长的克隆探针一样可以检测出染色体上的微小变异；

（4）孵育时间短，可以较好地保存染色体和其他细胞结构。

光化学引导下的原位DNA合成技术是在载体上原位合成DNA探针序列。合成时将传统的以亚磷酰胺为基础的DNA合成技术加以修饰，亚磷酰胺5末端改为光不稳定的保护基团，在透光位点紫外光照射下，发生光化学作用可以除去保护基团，通过合成连接子贴附于载体上，再用A、T、C、G4种核苷液冲洗，发生化学偶合形成DNA探针。此种方法已用于DNA 芯片研究[67]。

4.5 自组装技术（self-assembly SA)

分子自组装是生命系统中最本质的内容之一。大量复杂的、具有生物学功能的超分子系统(蛋白质、核酸、生物膜、脂质体等)正是通过分子自组装形成的[68]。此外，分子自组装也是分子合成中的重要手段之一，是构成具有某种功能的材料(液晶、多层膜、单层膜、功能性表面等)的有力工具。由于这些材料具有新奇的光、电、催化等功能和特性，在分子器件、分子调控等方面有潜在的应用价值，因而分子自组装体系的设计与研究引起了研究者极大的兴趣，近年来受到了广泛的重视[69][70]。

有序自组装法就是基于分子的自组（分子间化学键）作用，在固体表面自然形成高度有序的单分子层的方法。分子自组装的本质是分子与分子在一定条件下依赖非共价键分子间作用力(氢键、范德华力、静电力、疏水作用力、π—π堆积作用、阳离子—π吸附作用等)自发连接成结构稳定的分子聚集体的过程。在DNA固定技术中，一般是利用一端带巯基的DNA 片段，在金电极表面上形成自组装单分子膜来固定核酸分子。

制作DNA分子自组装膜的过程如图4.4所示。分子自组装的基底材料可以是硅、石英、云母、玻璃等，为防止贵金属(Au、Ag、Pd等)膜从基底上脱落，通常先在基底上形成一层cr膜(膜厚几个nm)作为过渡层或粘接层，然后再在其上制备Au、Ag等膜。制备贵金属膜的方法有真空蒸镀、溅射等，膜厚一般为50～200nm。有机硫化合物自组装到金膜表面，形成----SAMs。活泼官能团一X(一X= -OH，-COOH，-NH2)可以将DNA分子耦联到修饰化的金膜表面，形成稳定的DNA分子敏感膜。

图4.4 在Au膜表面自组装DNA分子膜

目前，在生物、化学传感器的研究中，具有识别功能、特别是具有分子识别功能的敏感膜或敏感材料是决定传感器质量的重要因素[71]，将大大提高传感器的灵敏度和选择性。分子自组装技术可以得到结构有序的、机械强度和稳定性好的敏感膜；可实现具有分子实现功能的敏感膜；通过偶联层可实现敏感膜的固定化；同时由分子自组装技术形成的敏感膜对化学环境、热、外压和时间稳定性高，因此利用分子自组装技术固定DNA分子已成为DNA 传感器的研究热点，也成为利用DNA传感器进行DNA计算中解的检测的一项关键技术。

4.6. LB膜技术

在DNA计算研究中，用于活体测定的微型仪器的直径通常在微米级，所以生物膜的制作及应用于微米生物传感器引起了学者的广泛关注。Langmuir Blogett膜的基本原理[14]是许多生物分子（如脂质分子和一些蛋白质分子）在洁净的水表面展开后能形成水不溶性液态单分子膜，小心压缩表面积使液态膜逐渐过渡到成为一个分子厚度的拟固态膜，称为LB膜。经仔细安排，可完整移至固体介质表面，并按需要实现分子层的可控累积，实现对膜厚的精确控制，典型LB膜的沉积方式如图4.5所示。

LB膜实验对液体的纯度、pH和温度都有着极高的要求，液相通常是纯水，操作压力通

过压力传感器和计算机反馈系统调整。

（a）表面的单分子膜（b）第一次抽出基片

（c）第二次插入基片（d）第二次抽出基片

图4.5 典型LB膜的沉积方式（参照Joyce-Loebl公司LB膜仪产品说明绘制）利用LB膜技术固定DNA分子主要有两个优点：一是分子膜可以制得很薄（数纳米），厚度和层数可以精确控制；二是可以获得高密度的分子膜，由此可能协调响应速度和响应活性这对矛盾。

5. 分子标记技术

在遗传试验与育种实践中，如果发现了新的基因，就需要对基因进行标记。遗传标记主要有四种类型[72]：形态标记（morphological marker）、细胞标记（cytological markers）、生化标记（Biochemical marker）和分子标记（molecular marker）。早在1923年，Sax等[73]就提出利用微效基因与主基因的紧密连锁，对微效基因进行选择的设想。但由于形态标记数目有限，而且许多标记是不利性状，因而难以广泛应用。细胞标记主要依靠染色体核型和带型，数目有限。近年来，分子生物学的发展为植物遗传标记提供了一种基于DNA变异的新技术手段，即分子标记技术[74]。与其它标记方法相比，分子标记具有无比的优越性。它直接以DNA形式出现，在植物体的各个组织、各发育时期均可检测到，不受季节、环境的限制，不存在表达与否的问题；数量极多，遍及整个基因组；多态性高，利用大量引物、探针可完成覆盖基因组的分析；表现为中性，即不影响目标性状的表达，与不良性状无必然的联系；许多标记为共显性，能够鉴别出纯合的基因型与杂合的基因型，提供完整的遗传信息[75]。

在DNA计算机的研制中，探针DNA分子的标记是一项常用技术，这项技术经过十几年的发展，目前已有十多种标记方法，主要分为两大类。

5.1. 基于Southern杂交的分子标记

这类标记利用限制性内切酶酶切不同生物体的DNA分子，然后用特异探针进行Southern杂交，通过放射性自显影或非同位素显色技术揭示DNA的多态性。主要有(1). 限制性片段长度多态性（Restriction Fragment Length Polymorphism）

限制性片段长度多态性，简称RFLP，是出现最早，应用最广泛的DNA标记技术之一[76]。RFLP标记非常稳定，它是一种共显性标记，在分离群体中可区分纯合体与杂合体，提供标

计算机组成原理实验报告

福建农林大学计算机与信息学院信息工程类实验报告系：计算机科学与技术专业：计算机科学与技术年级： 09级 姓名：张文绮学号： 091150022 实验课程：计算机组成原理 实验室号：___田405 实验设备号： 43 实验时间：2010.12.19 指导教师签字：成绩： 实验一算术逻辑运算实验 1．实验目的和要求 1. 熟悉简单运算器的数据传送通路； 2. 验证4位运算功能发生器功能(74LS181)的组合功能。 2．实验原理 实验中所用到的运算器数据通路如图1-1所示。其中运算器由两片74181

以并/串形式构成8位字长的ALU。运算器的输出经过一个三态门(74245)和数据总线相连，运算器的两个数据输入端分别由两个锁存器(74373)锁存，锁存器的输入连接至数据总线，数据开关INPUT DEVICE用来给出参与运算的数据，并经过一个三态门(74245)和数据总线相连，数据显示灯“BUS UNIT”已和数据总线相连，用来显示数据总线内容。 图1-2中已将用户需要连接的控制信号用圆圈标明(其他实验相同，不再说明)，其中除T4为脉冲信号，其它均为电平信号。由于实验电路中的时序信号均已连至W/R UNIT的相应时序信号引出端，因此，在进行实验时，只需将W/R UNIT 的T4接至STATE UNIT的微动开关KK2的输出端，按动微动开关，即可获得实验所需的单脉冲，而S3，S2，S1，S0，Cn，LDDR1，LDDR2，ALU-B，SW-B各电平控制信号用SWITCH UNIT中的二进制数据开关来模拟，其中Cn，ALU-B，SW-B为低电平控制有效，LDDR1，LDDR2为高电平有效。 3．主要仪器设备（实验用的软硬件环境） ZYE1603B计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。 4．操作方法与实验步骤

计算机组成原理答案

第二章运算方法和运算器练习 一、填空题 1. 补码加减法中，（符号位）作为数的一部分参加运算，（符号位产生的进位）要丢掉。 2. 为判断溢出，可采用双符号位补码，此时正数的符号用（00）表示，负数的符号用（11）表示。 3. 采用双符号位的方法进行溢出检测时，若运算结果中两个符号位（不相同），则表明发生了溢出。若结果的符号位为（01），表示发生正溢出；若为（10），表示发生负溢出。 4. 采用单符号位进行溢出检测时，若加数与被加数符号相同，而运算结果的符号与操作数的符号（不一致），则表示溢出；当加数与被加数符号不同时，相加运算的结果（不会产生溢出）。 5. 利用数据的数值位最高位进位C和符号位进位Cf的状况来判断溢出，则其表达式为over=（C⊕Cf）。 6. 在减法运算中，正数减（负数）可能产生溢出，此时的溢出为（正）溢出；负数减（正数）可能产生溢出，此时的溢出为（负）溢出。 7. 补码一位乘法运算法则通过判断乘数最末位Yi和Yi-1的值决定下步操作，当 YiYi-1=（10）时，执行部分积加【-x】补，再右移一位；当YiYi-1=（01）时，执行部分积加 【x】补，再右移一位。 8. 浮点加减运算在（阶码运算溢出）情况下会发生溢出。 9. 原码一位乘法中，符号位与数值位（分开运算），运算结果的符号位等于（两操作数符号的异或值）。 10. 一个浮点数，当其补码尾数右移一位时，为使其值不变，阶码应该（加1）。 11. 左规的规则为：尾数（左移一位），阶码（减1）。 12. 右规的规则是：尾数（右移一位），阶码（加1）。 13. 影响进位加法器速度的关键因素是（进位信号的传递问题）。 14. 当运算结果的补码尾数部分不是（11.0×××××或00.1×××××）的形式时，则应进行规格化处理。当尾数符号位为（01）或（10）时，需要右规。 15. （进位信号的产生与传递逻辑）称为进位链。

《计算机组成基础学习知识原理》教学方案计划大纲

《计算机组成原理》教学大纲 本门课程的教学目标和要求： 《计算机组成原理》是计算机科学与技术专业的一门核心专业基础课。通过本课程的学习，使学生掌握计算机系统的基本组成、计算机中数据的表示方法、计算机各硬件部件的功能和工作原理等，为学生学习计算机专业课打下坚实的基础。要求学生： 1.从总体上了解计算机硬件、软件、计算机主要部件的基本概念； 2.掌握计算机中各种数据的表示方法； 3.掌握运算器的功能、组成和工作原理； 4.掌握广泛使用的各类半导体存储器的工作原理和特性、主存储器系统的设计、多级存储器层次结构； 5.掌握CPU的组成、CPU各个部件在计算机运行过程中的作用、如何实现各条指令的功能； 6.掌握指令的格式、常见的寻址方式和指令的主要类型； 7.掌握总线的概念、特性和几种常用的总线标准； 8.掌握几种基本的信息交换方式和常用的外围设备的工作原理。 教学重点和难点： 本课程重点是：运算方法和运算器、存储系统、中央处理器。 本课程难点是：存储系统和中央处理器。 教学对象：计算机科学与技术专业本科大学生。 教学方式：采用多媒体教学。 教学时数：60学时。 教学具体内容及学时分配：

第一章概论（2学时） 教学目标和要求： 通过学习本章，使学生了解计算机硬件、软件的概念和计算机的基本组成，从总体上认识计算机。要求学生： 1.了解计算机的分类和应用领域； 2.了解计算机硬件的概念和基本组成； 3.了解计算机层次结构。 教学重点和难点： 本章重点：计算机硬件、软件的概念和计算机的基本组成。 无难点。 教学方式：课堂讲授2学时。 第一节计算机系统简介（0.5学时） 一、计算机系统简介 计算机软件、硬件概念。 二、计算机层次结构 将计算机的层次结构。 第二节计算机的基本组成（1学时） 一、数字计算机的硬件组成 介绍数字计算机的基本组成。 二、计算机的工作步骤 介绍数字计算机的工作步骤。 第三节计算机硬件的主要技术指标（0.5学时）计算机硬件的主要技术指标。

计算机组成原理课后答案

… 第一章计算机系统概论 什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件硬件和软件哪个更重要 计算机系统：计算机硬件、软件和数据通信设备的物理或逻辑的综合体 计算机硬件：计算机的物理实体 计算机软件：计算机运行所需的程序及相关资料 硬件和软件在计算机系统中相互依存，缺一不可，因此同样重要 如何理解计算机系统的层次结构 实际机器M1向上延伸构成了各级虚拟机器，机器M1内部也可向下延伸而形成下一级的微程序机器M0，硬件研究的主要对象归结为传统机器M1和微程序机器M0，软件研究对象主要是操作系统及以上的各级虚拟机 》 说明高级语言、汇编语言和机器语言的差别及其联系。 机器语言是可以直接在机器上执行的二进制语言 汇编语言用符号表示指令或数据所在存储单元的地址，使程序员可以不再使用繁杂而又易错的二进制代码来编写程序 高级语言对问题的描述十分接近人们的习惯，并且还具有较强的通用性 如何理解计算机组成和计算机体系结构 计算机体系结构是对程序员可见的计算机系统的属性 计算机组成对程序员透明，如何实现计算机体系结构所体现的属性 冯·诺依曼计算机的特点是什么 。 由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成 指令和数据以同一形式（二进制形式）存于存储器中 指令由操作码、地址码两大部分组成 指令在存储器中顺序存放，通常自动顺序取出执行 以运算器为中心（原始冯氏机） 画出计算机硬件组成框图，说明各部件的作用及计算机硬件的主要技术指标。 计算机硬件各部件 运算器：ACC, MQ, ALU, X ' 控制器：CU, IR, PC 主存储器：M, MDR, MAR I/O设备：设备，接口 计算机技术指标： 机器字长：一次能处理数据的位数，与CPU的寄存器位数有关 存储容量：主存：存储单元个数×存储字长 运算速度：MIPS, CPI, FLOPS 解释概念 & 主机：计算机硬件的主体部分，由 CPU+MM（主存或内存）组成 CPU：中央处理器，是计算机硬件的核心部件，由运算器+控制器组成 主存：计算机中存放正在运行的程序和数据的存储器，可随机存取；由存储体、各种逻辑部件及控制电路组成

量子计算机

量子计算机 量子计算机（quantum computer）是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装臵。当某个装臵处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。 组长：黄桢 组员：鲍成晓、陈成川、葛广杰、胡龙 演讲：黄桢 问题回答：葛广杰 资料收集：鲍成晓、陈成川、胡龙、黄桢、葛广杰 PPT制作：鲍成晓、陈成川、黄桢

目录 第1章量子计算机 (3) 第1.1章有趣的量子理论 (4) 第2章概念 (4) 第2.1章经典计算机的特点 (4) 第2.2章量子计算机的特点 (5) 第2.3章量子计算机能做什么 (6) 第2.4章量子计算机的工作原理 (7) 第2.5章目前发展的系统 (9) 第3章名称的不同 (9) 第3.1章关于在中国台湾的名称 (9) 第3.2章关于在中国大陆的名称 (9) 第4章展望 (10) 第4.1章未来 (10) 第4.2章量子计算机的广阔前景 (10) 第5章研发现状 (10) 第5.1章世界首台量子计算机在美国问世 (10) 第5.2章最新研究结果 (11) 第5.3章国内量子计算机发展现状 (12) 第6章第一台商业化量子计算机 (12)

第1章量子计算机 量子计算机，早先由理查德·费曼提出，一开始是从物理现象的模拟而来的。可他发现当模拟量子现象时，因为庞大的希尔伯特空间使资料量也变得庞大，一个完好的模拟所需的运算时间变得相当可观，甚至是不切实际的天文数字。理查德·费曼当时就想到，如果用量子系统构成的计算机来模拟量子现象，则运算时间可大幅度减少。量子计算机的概念从此诞生。 量子计算机，或推而广之——量子资讯科学，在1980年代多处于理论推导等纸上谈兵状态。一直到1994年彼得·秀尔（Peter Shor）提出量子质因子分解算法后，因其对于现在通行于银行及网络等处的RSA加密算法可以破解而构成威胁之后，量子计算机变成了热门的话题。除了理论之外，也有不少学者着力于利用各种量子系统来实现量子计算机。 半导体靠控制集成电路来记录和运算信息，量子电脑则希望控制原子或小分子的状态，记录和运算信息。 图2：布洛赫球面乃一种对于二阶量子系统之纯态空间的几何表示法，是建立量子计算机的基础。 20世纪60年代至70年代，人们发现能耗会导致计算机中的芯片发热，极大地影响了芯片的集成度，从而限制了计算机的运行速度。研究发现，能耗来源于计算过程中的不可逆操作。那么，是否计算过程必须要用不可逆操作才能完成呢？问题的答案是：所有经典计算机都可以找到一种对应的可逆计算机，而且不影响运算能力。既然计算机中的每一步操作都可以改造为可逆操作，那么在量子力学中，它就可以用一个幺正变换来表示。早期量子计算机，实际上是用量子力学语言描述的经典计算机，并没有用到量子力学的本质特性，如量子态的叠加性和相干性。在经典计算机中，基本信息单位为比特，运算对象是各种比特序列。与此类似，在量子计算机中，基本信息单位是量子比特，运算对象是量子比特序列。所不同的是，量子比特序列不但可以处于各种正交态的叠加态上，而且还可以处于纠缠态上。这些特殊的量子态，不仅提供了量子并行计算的可能，而且还将带来许多奇妙的性质。与经典计算机不同，量子计算机可以做任意的幺正变换，在得到输出态后，进行测量得出计算结果。因此，量子计算对经典计算作了极大的扩充，在数学形式上，经典计算可看作是一类特殊的量子计算。量子计算机对每一个叠加分量进行变换，所有这些变换同时完成，并按一定的概率幅叠

计算机组成原理电子教案

《计算机组成原理》电子教案 课程名称：计算机组成原理 适用专业：计算机科学与技术网络工程课程总学时：80学时 编写时间： 2006年9月

本课程是计算机专业本科生的核心课程，是主干必修课。课程以阐述原理为主，讲述计算机系统及其各功能部件的工作原理以及逻辑实现，计算机系统及其各功能部件的设计原理以及并行处理技术。设置这一课程的目的是使学生掌握计算机的基本工作原理，掌握计算机各主要部件的硬件结构、相互联系和作用，掌握计算机系统的设计原理以及软硬件的界面，从而对整个计算机系统有完整的了解，为计算机专业的后继课程的学习打下基础。 一、本课程得主要内容 1、计算机系统概论 2、运算方法和运算器 3、存储器 4、计算机指令系统 5、控制器 6、总线系统 7、外围设备 8、输入、输出系统 二、本课程教学重点与难点 重点：信息编码和数据表示 控制器 存储系统 输入输出系统 三、教材选用 《计算机组成原理》白中英.科学出版社， 四、参考教材： 主要参考书： 1、李亚明.《计算机组成与系统结构》.清华大学出版社.2001

2、王爱英.《计算机组成与结构》.清华大学出版社.1998 3、江义鹏.《计算机组成原理》.人民邮电出版社.1998 4、胡越明.《计算机组成和系统结构》.上海科学技术文献出版社.1999 五、教学手段：多媒体课件+版书 六、课程内容和学时分配 （整体安排按信息表示、信息处理、信息输出思路。） 1、计算机系统概论 教学内容： 1、计算机系统的基本构成 2、计算机系统的层次结构 3、计算机系统结构、组成及其实现 4、计算机的性能评价 5、计算机发展简史 6、计算机的应用 基本要求： 通过本章的学习，要求了解整个计算机系统由硬件和软件两部分构成，其中硬件部分包括运算器、控制器、存储器、输入输出设备等五大功能部件构成。通过总线相互连成一个完整的硬件系统；软件部分包括系统软件、应用软件两大部分。通过对计算机层次结构的了解，明确计算机组成原理课程的任务和目的。了解计算机中的一些基本概念，包括性能指标、计算机发展简史以及计算机的应用。 教学重点： 1、计算机系统的基本构成 2、计算机系统的层次结构 3、计算机系统结构、组成及其实现 教学难点：计算机系统的层次结构、系统结构、组成及其实现的关系。明确计算机组成原理课程的任务和目的。 其它： 4、计算机的性能评价（字长、容量、速度、时间、MIPS） 5、计算机发展简史（ENIAC、冯氏计算机、其它自学） 6、计算机的应用（科学计算与数据处理的区别）

微型计算机原理及应用试题库答案

微型计算机原理及应用试题库及答案 一、填空 1.数制转换 A）125D=（ 11111101 ）B =（ 375 ）O=（ 0FD ）H=（0001 0010 0101 ）BCD B）10110110B=（ 182 ）D =（ 266 ）O=（ 0B6 ）H=（0001 1000 0010 ）BCD 2.下述机器数形式可表示的数值范围是(请用十进制形式写出):单字节无符号整数0~255；单字节有符号整数-128~+127。 注：微型计算机的有符号整数机器码采用补码表示，单字节有符号整数的范围为-128~+127。 3.完成下列各式补码式的运算，并根据计算结果设置标志位SF、ZF、CF、OF。指出运算结果有 效否。 A）00101101+10011100= B）11011101+10110011= 4.十六进制数2B．4Ｈ转换为二进制数是__00101011.0100，转换为十进制数是__43.25____。 5.在浮点加法运算中，在尾数求和之前，一般需要（对阶）操作，求和之后还需要进行（规格化） 和舍入等步骤。 6.三态门有三种输出状态：高电平、低电平、（高阻）状态。 7.字符“A”的ASCII码为41H，因而字符“E”的ASCII码为（45H），前面加上偶校验位后代 码为（C5）H。 8.数在计算机中的二进制表示形式称为（机器数）。 9.在计算机中，无符号书最常用于表示（地址）。 10.正数的反码与原码（相等）。 11.在计算机中浮点数的表示形式有（阶码）和（尾码）两部分组成。 12.微处理器中对每个字所包含的二进制位数叫（字长）。 13.MISP是微处理的主要指标之一，它表示微处理器在1秒钟内可执行多少（百万条指令） 14.PC机主存储器状基本存储单元的长度是（字节）. 15.一台计算机所用的二进制代码的位数称为___字长_________，8位二进制数称为__ 字节____。 16.微型计算机由（微处理器）、（存储器）和（I/O接口电路）组成。 17.8086CPU寄存器中负责与I/O端口交换数据的寄存器为（AX,AL） 18.总线有数据总线、地址总线、控制总线组成，数据总线是从微处理器向内存储器、I/O接口 传送数据的通路；反之，它也是从内存储器、I/O接口向微处理器传送数据的通路，因而它可以在两个方向上往返传送数据，称为（双向总线）。 19.一个微机系统所具有的物理地址空间是由(地址线的条数)决定的，8086系统的物理地址空间 为（1M）字节。 20.运算器包括算术逻辑部件（ALU），用来对数据进行算术、逻辑运算，运算结果的一些特征由 （标志寄存器）存储。 21.控制寄存器包括指令寄存器、指令译码器以及定时与控制电路。根据（指令译码）的结果， 以一定的时序发出相应的控制信号，用来控制指令的执行。 22.根据功能不同，8086的标志为可分为（控制）标志和（状态）标志位。 23.8086/8088CPU内部有（14）个（16位）的寄存器。 24.在8086/8088的16位寄存器中，有（4）各寄存器可拆分为8位寄存器使用。他们是 （AX,BX,CX,DX）,他们又被称为（通用寄存器）。 25.8086/8088构成的微机中，每个主存单元对应两种地址（物理地址）和（逻辑地址）。 26.物理地址是指实际的（20）为主存储单元地址，每个存储单元对应唯一的物理地址，其范围 是（00000H-FFFFFH）。

计算机原理试题及答案

计算机组成原理试题及答案 一、选择题（每题3分，共36分） 1、下列数中最小的数是（）。B A （1010010）2 B （00101000）BCD C （512）8D（235）16 2、某机字长16位，采用定点整数表示，符号位为1位，尾数为15位，则可表示的最大正整数为（），最小负整数为（）。 A A +（215-1），-(215-1) B +(215-1),-（216-1） C +（214-1），-(215-1) D +(215-1), -(1-215) 3、运算器虽由许多部件组成，但核心部分是（） B A 数据总线 B 算术逻辑运算单元 C 多路开关 D 累加寄存器 4、在定点运算器中，无论采用双符号位还是采用单符号位，都必须要有溢出判断电路，它一般用（）来实现 C A 与非门 B 或非门 C 异或门 D 与或非门 5、立即寻址是指（） B A 指令中直接给出操作数地址 B 指令中直接给出操作数 C 指令中间接给出操作数 D 指令中间接给出操作数地址 6、输入输出指令的功能是（） C A 进行算术运算和逻辑运算 B 进行主存与CPU之间的数据传送 C 进行CPU与I/O设备之间的数据传送 D 改变程序执行的顺序 7、微程序控制器中，机器指令与微指令的关系是（） D A 一段机器指令组成的程序可由一条微指令来执行 B 一条微指令由若干条机器指令组成 C 每一条机器指令由一条微指令来执行 D 每一条机器指令由一段用微指令编成的微程序来解释执行 8、相对指令流水线方案和多指令周期方案，单指令周期方案的资源利用率和性价比（）A A 最低 B 居中 C 最高 D 都差不多 9、某一RAM芯片，其容量为1024×8位，除电源端和接地端外，连同片选和读/写信号该芯片引出腿的最小数目为（） B A 23 B 20 C 17 D 19 10、在主存和CPU之间增加Cache的目的是（）。 C A 扩大主存的容量 B 增加CPU中通用寄存器的数量 C 解决CPU和主存之间的速度匹配 D 代替CPU中寄存器工作 11、计算机系统的输入输出接口是（）之间的交接界面。 B A CPU与存储器 B 主机与外围设备 C 存储器与外围设备 D CPU与系统总线 12、在采用DMA方式的I/O系统中，其基本思想是在（）之间建立直接的数据通路。B A CPU与存储器 B 主机与外围设备 C 外设与外设 D CPU与主存 二、判断题（每题3分，共15分） 1、两个补码相加，只有在最高位都是1时有可能产生溢出。（×） 2、相对寻址方式中，操作数的有效地址等于程序计数器内容与偏移量之和（√） 3、指令是程序设计人员与计算机系统沟通的媒介，微指令是计算机指令和硬件电路建立联系的媒介。（√）

最新微型计算机原理及应用知识点总结

微型计算机原理及应用知识点总结

第一章计算机系统 一、微机系统的基本组成 1.微型计算机系统由硬件和软件两个部分组成。 (1)硬件: ①冯●诺依曼计算机体系结构的五个组成部分：运算器，控制器，存储器，输入设备，输入设备。其特点是以运算器为中心。 ②现代主流的微机是由冯●诺依曼型改进的，以存储器为中心。 ③冯●诺依曼计算机基本特点： 核心思想：存储程序； 基本部件：五大部件； 信息存储方式：二进制； 命令方式：操作码（功能）+地址码（地址），统称机器指令； 工作方式：按地址顺序自动执行指令。 (2)软件: 系统软件：操作系统、数据库、编译软件 应用软件：文字处理、信息管理（MIS）、控制软件 二、系统结构 系统总线可分为3类：数据总线 DB(Data Bus)，地址总线 AB(Address Bus)，控制总线 CB(Control Bus)。 根据总线结构组织方式不同，可分为单总线、双总线和双重总线3类。

总线特点：连接或扩展非常灵活， 有更大的灵活性和更好的可扩展 性。 三、工作过程 微机的工作过程就是程序的执行过 程,即不断地从存储器中取出指令,然后执行指令的过程。 ★例：让计算机实现以下任务：计算100＋100H＝？并将结果保存在16920H的字单元内。 编程运行条件： CS=1000H,IP=100H,DS=1492H 将机器指令装入计算机的存储器 计算机自动地进行计算(执行) 计算机工作过程大致描述： （1）分别从CS和IP寄存器中取出1000和100经地址加法器运算后，通过总线控制，找到对应地址的机器指令，第一条汇编指令的第一个机器指令为B8，对应的地址为10100H；将B8取出，通过总线和指令队列到达执行部分电路控制，给CPU发出信号。

计算机组成原理习题解答全解

《计算机组成原理》习题解答 第1章 1. 解释概念或术语：实际机器、虚拟机器，机器指令、机器指令格式，主机、CPU、主存、I/O、PC、IR、ALU、CU、AC、MAR、MDR，机器字长、存储字长、指令字长、CPI、T C、主频、响应时间、吞吐量、MIPS、MFLOPS。 答：略 2. 如何理解计算机系统的层次结构？说明高级语言、汇编语言及机器语言的差别与联系。 答：⑴计算机系统是由软件和硬件结合而成的整体。为了提高计算机系统的好用性，程序设计语言的描述问题能力越来越强，各种程序设计语言大体上是一种层次结构，即高等级编程语言指令包含低等级编程语言指令的全部功能。 对于使用不同层次编程语言的程序员来说，他们所看到的同一计算机系统的属性是不同的，这些属性反映了同一计算机系统的不同层次的特征，即同一计算机系统可划分成多个层次结构，不同层次的结构反映的计算机系统的特征不同而已。 ⑵机器语言是能够被计算机硬件直接识别和执行的程序设计语言，机器语言是一种面向硬件的、数字式程序设计语言；汇编语言和高级语言均用符号表示机器语言指令，指令很容易阅读和编写、但不能被硬件直接识别和执行，它们均是一种面向软件的、符号式程序设计语言；相对于汇编语言而言，高级语言描述问题的能力更强；高级语言和汇编语言程序必须翻译成机器语言程序后，才能在计算机硬件上执行。 3. 计算机系统结构、计算机组成的定义各是什么？两者之间有何关系？ 答：计算机系统结构是指机器语言程序员或编译程序编写者所看到的计算机系统的属性，包括概念性结构和功能特性两个方面。主要研究计算机系统软硬件交界面的定义及其上下的功能分配。 计算机组成是指计算机硬件设计人员所看到的计算机系统的属性。主要研究如何合理地逻辑实现硬件的功能。 计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现。 4. 冯·诺依曼模型的存储程序原理包含哪些内容、对计算机硬件和软件有哪些要求？冯·诺依曼模型计算机的特点有哪些？ 答：存储程序原理是指程序和数据预先存放在存储器中，机器工作时自动按程序的逻辑顺序从存储器中逐条取出指令并执行。 存储程序原理要求存储器是由定长单元组成的、按地址访问的、一维线性空间结构的存储部件；要求软件指令支持用地址码表示操作数在存储器中的地址，指令长度为存储单元长度的倍数，编程语言中必须有转移型指令，以实现程序存储顺序到程序逻辑顺序的转变。 冯·诺依曼模型计算机的特点可归纳为如下几点： ⑴计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成； ⑵存储器是由定长单元组成的、按地址访问的、一维线性空间结构； ⑶程序由指令组成，指令和数据以等同地位存放在存储器中； ⑷机器工作时自动按程序的逻辑顺序从存储器中逐条取出指令并执行； ⑸指令由操作码和地址码组成，操作码用于表示操作的性质，地址码用于表示操作数在

(完整版)计算机原理练习题答案

《计算机原理》练习题 一、填空题 1、为区别不同的进制，在数的末尾用字母表示，二进制为B ，十六进制为H ，十进制为D 。 2、8位二进制数组成一个字节，它是单片机中数的基本单位。 3、硬件技术中三种基本的无源器件是电阻、电容、电感。 4、电感对电流的作用效果可以总结为：阻交流、通直流，交流电流频率越高，电感对电流的阻抗效应越强。 5、电容对电流的作用效果可以总结为：隔直流、通交流，交流电流频率越高，电容对电流的阻抗效应越弱。 6、晶体二极管的一个最重要特征是单向导电。 7、晶体三极管的主要作用是电流放大作用。 8、微机硬件的五大部件是：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。 9、单片机又称为微控制器（MCU）。 10、单片机就是在一块芯片上集成了中央处理部件（CPU）、存储器（RAM、ROM）、定时器/计数器和各种输入/输出（I/O）接口等片上外设的微型计算机。 11、单片机构成的四要素是CPU 、ROM 、RAM 和片上外设，它们相互之间通过总线连接。 12、8051单片机是8 位CPU。 13、时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号。 14、时钟周期（振荡周期）是指为单片机提供时钟信号的振荡源的周期。 15、机器周期是指单片机完成某种基本操作所需要的时间，它由12 个时钟周期组成。 16、假设单片机时钟频率f=12MHz，则时钟周期为1/12 us，机器周期为1 us。 17、假设单片机时钟频率f=6MHz，则时钟周期为1/6 us，机器周期为2 us。 18、单片机的存储系统包含三大部分：程序存储器（ROM）、数据存储器(RAM) 和特殊功能寄存器(SFR) 。 19、从物理地址空间来看，MCS-51单片机有四个存储器地址空间：即片内ROM 和片外ROM 以 及片内RAM 和片外RAM 。 20、从逻辑上看，单片机存储空间可分为三个部分：64KB程序存储器、256B数据存储器和64KB 数据存储器。 21、在单片机的引脚中，XTAL1和XTAL2用于连接时钟电路。 22、在单片机的引脚中，RESET用于连接复位电路。 23、在单片机的引脚中，EA=1，表示使用内部程序存储器。 24、在单片机的引脚中，EA=0，表示使用外部程序存储器。 25、单片机的时钟电路有：外部时钟电路和内部时钟电路。 26、单片机的并行端口有：P0 、P1 、P2 、P3 。其中P0 端口外接电路时要加上拉电阻，P3 端口主要使用其第二功能。 27、当单片机外接地址总线时，P2 端口作为地址总线高8位，P0 端口作为地址总线低8位。 28、当单片机外扩存储器时，作为数据总线的是P0 端口。 29、单片机复位后，PC= 0000H ，SP= 07H ，P0~P3= 0FFH 。 30、51单片机引脚P3.2的第二功能是：INT0外部中断0输入端，P3.3的第二功能是：INT1外部中断1输入端，P3.4的第二功能是：T0外部计数脉冲输入端0 ，P3.5的第二功能是：T1外部计数脉冲输入端1 。 31、单片机最小系统是能让单片机工作起来的一个最基本的组成电路。 32、C语言程序的基本结构有：顺序结构、选择结构和循环结构。 33、C语言程序中，有且仅有一个main 函数。 34、C程序的基本单位是函数。 35、C语言程序的执行是从main 函数开始，也是在main 函数中结束。 36、在C语言程序的运行过程中，我们称其值不能被改变的量为：常量；其值可以改变的量为：变量。 37、C语言中的变量必须先定义，后使用。 38、C语言规定给变量起名时，只能使用字母、数字、下划线，而且第一个字符不能是数字。 39、C语言中，定义数组a[10]，则数组a的第一个元素是：a[0] ，最后一个元素是a[9] 。 40、C语言中，执行语句：x=7/3;则x的值为：2 。 41、C语言中，执行语句：x=7%3;则x的值为：1 。

微型计算机原理与应用知识点总结

第一章计算机基础知识 一、微机系统的基本组成 1. 微型计算机系统由硬件和软件两个部分组成。 (1) 硬件: ①冯●诺依曼计算机体系结构的五个组成部分：运算器，控制器，存储器，输入设备，输入 设备。其特点是以运算器为中心。 ②现代主流的微机是由冯●诺依曼型改进的，以存储器为中心。 ③冯●诺依曼计算机基本特点： 核心思想：存储程序； 基本部件：五大部件； 信息存储方式：二进制； 命令方式：操作码（功能）+地址码（地址），统称机器指令； 工作方式：按地址顺序自动执行指令。 (2) 软件: 系统软件：操作系统、数据库、编译软件 应用软件：文字处理、信息管理（MIS）、控制软件 二、微型计算机的系统结构 大部分微机系统总线可分为 3 类：数据总线DB(Data Bus) ，地址总线AB(Address Bus)，控制总线CB(Control Bus) 。 总线特点：连接或扩展非常灵活，有更大的灵活性和更好的可扩展性。 三、工作过程 微机的工作过程就是程序的执行过程, 即不断地从存储器中取出指令, 然后执行指令的过程。★例：让计算机实现以下任务：计算计算7+10=？ 程序：mov al,7 Add al,10 hlt

指令的机器码： 10110000 （OP ） 00000111 00000100 （OP） 00001010 11110100 （OP ） 基本概念： 2. 微处理器、微型计算机、微型计算机系统 3. 常用的名词术语和二进制编码 （1）位、字节、字及字长

（2）数字编码 （3）字符编码 （4）汉字编码 4. 指令、程序和指令系统 习题： 1.1 ，1.2 ，1.3 ，1.4 ，1.5 第二章8086／8088 微处理器 一、8086／8088 微处理器 8086 微处理器的内部结构：从功能上讲，由两个独立逻辑单元组成，即执行单元EU和总线 接口单元BIU。 执行单元EU包括：4 个通用寄存器（AX，BX，CX，DX，每个都是16 位，又可拆位，拆成 2 个8 位）、4 个16 位指针与变址寄存器（BP，SP，SI ，DI）、16 位标志寄存器FLAG（6 个状 态标志和 3 个控制标志）、16 位算术逻辑单元(ALU) 、数据暂存寄存器； EU功能：从BIU 取指令并执行指令；计算偏移量。 总线接口单元BIU 包括：4 个16 位段寄存器（CS(代码段寄存器) 、DS(数据段寄存器) 、SS(堆 栈段寄存器) 和ES(附加段寄存器) ）、16 位指令指针寄存器IP （程序计数器）、20 位地址加 法器和总线控制电路、 6 字节（8088 位4 字节）的指令缓冲队列； BIU 功能：形成20 位物理地址；从存储器中取指令和数据并暂存到指令队列寄存器中。 3、执行部件EU和总线接口部件BIU 的总体功能：提高了CPU的执行速度；降低对存储器的 存取速度的要求。 4、地址加法器和段寄存器 由IP 提供或由EU按寻址方式计算出寻址单元的16 位偏移地址( 又称为逻辑地址或简称为偏 移量) ，将它与左移 4 位后的段寄存器的内容同时送到地址加法器进行相加，最后形成一个 20 位的实际地址( 又称为物理地址) ，以对应存储单元寻址。 要形成某指令码的物理地址（即实际地址），就将IP 的值与代码段寄存器CS（Code Segment）左移 4 位后的内容相加。 【例假设CS＝4000H，IP ＝0300H，则指令的物理地址PA＝4000H× 1 0H＋0300H＝40300H。

计算机组成原理实验

实验一基础汇编语言程序设计 一、实验目的： 1、学习和了解TEC-XP16教学实验系统监控命令的用法。 2、学习和了解TEC-XP16教学实验系统的指令系统。 3、学习简单的TEC-XP16教学实验系统汇编程序设计。 二、预习要求： 1、学习TEC-XP16机监控命令的用法。 2、学习TEC-XP16机的指令系统、汇编程序设计及监控程序中子程序调用。 3、学习TEC-XP16机的使用，包括开关、指示灯、按键等。 4、了解实验内容、实验步骤和要求。 三、实验步骤： 在教学计算机硬件系统上建立与调试汇编程序有几种操作办法。 第一种办法，是使用监控程序的A命令，逐行输入并直接汇编单条的汇编语句，之后使用G命令运行这个程序。缺点是不支持汇编伪指令，修改已有程序源代码相对麻烦一些，适用于建立与运行短小的汇编程序。 第二种办法，是使用增强型的监控程序中的W命令建立完整的汇编程序，然后用M命令对建立起来的汇编程序执行汇编操作，接下来用G命令运行这个程序。适用于比较短小的程序。此时可以支持汇编伪指令，修改已经在内存中的汇编程序源代码的操作更方便一些。 第三种办法，是使用交叉汇编程序ASEC，首先在PC机上，用PC机的编辑程序建立完整的汇编程序，然后用ASEC对建立起来的汇编程序执行汇编操作，接下来把汇编操作产生的二进制的机器指令代码文件内容传送到教学机的内存中，就可以运行这个程序了。适用于规模任意大小的程序。

在这里我们只采用第一种方法。 在TEC-XP16机终端上调试汇编程序要经过以下几步： 1、使教学计算机处于正常运行状态（具体步骤见附录联机通讯指南）。 2、使用监控命令输入程序并调试。 ⑴用监控命令A输入汇编程序 >A 或>A 主存地址 如：在命令行提示符状态下输入： A 2000↙；表示该程序从2000H（内存RAM区的起始地址）地址开始 屏幕将显示： 2000： 输入如下形式的程序： 2000: MVRD R0，AAAA ；MVRD 与R0 之间有且只有一个空格，其他指令相同 2002: MVRD R1，5555 2004: ADD R0，R1 2005: AND R0，R1 2006: RET ；程序的最后一个语句，必须为RET 指令 2007:（直接敲回车键，结束A 命令输入程序的操作过程） 若输入有误，系统会给出提示并显示出错地址，用户只需在该地址重新输入正确的指令即可。 ⑵用监控命令U调出输入过的程序并显示在屏幕上 >U 或>U 主存地址

微型计算机原理及应用(答案)

微型计算机原理及应用（第3版）（修订本）答案 习题 1 一、选择题 1.A 2.C 3.B 4.B 5.A 6.A 7.B 8.C 9.C 10.C 11.C 12.A 13.D 14.A 15.D 16.C 在GB2312-80国家标准中，16~55区为一级汉字、56~87区为二级汉字。 DBB5H－A0A0H = 3B15H 3BH = 59 DBB5H属于二级汉字。 二、完成下列不同进制数的转换 1.⑴270 = 100001110B ⑵455 =1 11000111B ⑶0.8125 = 0.1101B ⑷720.3125 = 1011010000.0101B 2.⑴1001001B = 73 ⑵11001100B = 204 ⑶0.0101B = 0.3125 ⑷11011.1011B = 27.6875 3.⑴11100011B = E3H ⑵10001111B = 8FH ⑶0.0011101B = 0.3AH ⑷110011011.01011B = 19B.58H 4.⑴A21H = 101000100001H ⑵4B7H = 10010110111B ⑶0.00A3H = 0.0000000010100011B ⑷2E8.0D5H = 1011101000.000011010101B 三、完成下列机器数和真值的转换 1.⑴[11001B]补= 00011001B ⑵[－11001B]补= 11100111B ⑶[100000B]补= 00100000B ⑷[－100000B]补= 11100000B 2.⑴[65]补= 01000001B ⑵[－75]补= 10110101B ⑶[120]补= 01111000B ⑷[－100]补= 10011100B 3.⑴[1000]补= 0000001111101000B ⑵[－12]补= 1111111111110100B ⑶[800]补= 0000001100100000B ⑷[－3212]补=1 111001*********B 4.⑴[10000001B]补= －127 ⑵[01100110B]补= +102 ⑶[0111011101110111B]补= 30583 ⑷[1000000000000001B]补= －32767 四、完成下列各数值和机器编码的转换 1.⑴01100011B=99 压缩的BCD码= 10011001 非压缩的BCD码= 0000100100001001 ⑵01010000B=80 压缩的BCD码= 10000000 非压缩的BCD码= 0000100000000000 ⑶0000001100001111B=783 压缩的BCD码= 0000011110000011 非压缩的BCD码= 000001110000100000000011 ⑷0001111111111111B=8191 压缩的BCD码= 1000000110010001 非压缩的BCD码= 00001000000000010000100100000001 2.⑴换行0AH ⑵字母“Q”51H ⑶ASCII码“7”37H ⑷空格20H ⑸汉字“隘”(国标码) 30H、2FH ⑹汉字“保”(内码) B1H、A3H 3.⑴[15]补= 00001111 ⑵15的压缩BCD数= 00010101B

计算机组成原理实验完整版

河南农业大学 计算机组成原理实验报告 题目简单机模型实验 学院信息与管理科学学院 专业班级计算机科学与技术2010级1班 学生姓名张子坡（1010101029） 指导教师郭玉峰 撰写日期：二○一二年六月五日

一、实验目的： 1.在掌握各部件的功能基础上，组成一个简单的计算机系统模型机； 2．了解微程序控制器是如何控制模型机运行的，掌握整机动态工作过程； 3定义五条机器指令，编写相应微程序并具体上机调试。 二、实验要求： 1.复习计算机组成的基本原理； 2.预习本实验的相关知识和内容 三、实验设备： EL-JY-II型计算机组成原理试验系统一套，排线若干。 四、模型机结构及工作原理： 模型机结构框图见实验书56页图6-1. 输出设备由底板上上的四个LED数码管及其译码、驱动电路构成，当D-G和W/R均为低电平时将数据结构的数据送入数据管显示注：本系统的数据总线为16位，指令、地址和程序计数器均为8位。当数据总线上的数据打入指令寄存器、地址寄存器和程序寄存器时，只有低8位有效。 在本实验我们学习读、写机器指令和运行机器指令的完整过程。在机器指令的执行过程中，CPU从内存中取出一条机器指令到执行结束为一个指令周期，指令由微指令组成的序列来完成，一条机器指令对应一段微程序。另外，读、写机器指令分别由相应的微程序段来完成。

为了向RAM中装入程序和数据，检查写入是否正确，并能启动程序执行，必须设计三个控制操作微程序。 存储器读操作（MRD）：拨动清零开关CLR对地址、指令寄存器清零后，指令译码器输入CA1、CA2为“00”时，按“单步”键，可对RAM连续读操作。 存储器写操作（MWE）：拨动清零开关CLR对地址、指令寄存器清零后，指令译码器输入CA1、CA2为“10”时，按“单步”键，可对RAM连续写操作。 启动程序（RUN）：拨动开关CLR对地址、指令寄存器清零后，指令译码器输入CA1、CA2为“11”时，按“单步”键，即可转入第01号“取指”微指令，启动程序运行。 注：CA1、CA2由控制总线的E4、E5给出。键盘操作方式有监控程序直接对E4、E5赋值，无需接线。开关方式时可将E4、E5接至控制开关CA1、CA2，由开关控制。 五、实验内容、分析及参考代码： 生成的下一条微地址 UA5 UA0 MS5 MS0 微地址

计算机原理 试题及答案

计算机组成原理试卷A 一、选择题（每小题2分，共30分） 1．下列数中最小的数是______。 A.（100100）2 B.（43）8 C.（110010）BCD D.（25）16 2．计算机经历了从器件角度划分的四代发展历程，但从系统结构上来看，至今绝大多数计算机仍属于______型计算机。 A.实时处理 B.智能化 C.并行 D.冯.诺依曼 3．存储器是计算机系统中的记忆设备，它主要用来______。 A.存放数据 B.存放程序 C.存放微程序 D.存放数据和程序 4．以下四种类型指令中，执行时间最长的是______。 A.RR型指令 B.RS型指令 C.SS型指令 D.程序控制指令 5. 计算机的外围设备是指______。 A.输入/输出设备 B.外存储器 C.远程通信设备 D.除了CPU和内存以外的其它设备 6．堆栈寻址方式中，设A为通用寄存器，SP为堆栈指示器，M SP为SP指示器的栈顶单元，如果操作动作是：（A）→M SP，（SP）-1→SP，那么出栈操作的动作应为______。 A.（M SP）→A，（SP）+1→SP B.（SP）+1→SP，（M SP）→A C.（SP）-1→SP，（M SP）→A D.（M SP）→A，（SP）-1→SP 7．某寄存器中的值有时是地址，因此只有计算机的______才能识别它。 A.译码器 B.判别程序 C.指令 D.时序信号 8. 寄存器间接寻址方式中，操作数处在______。 A.通用寄存器 B.主存单元 C.程序计数器 D.堆栈 9. 假定下列字符码中有奇偶校验位，但没有数据错误，采用偶校验的字符码是______。 A.11001011 B.11010110 C.11000001 D.1100101 10.不是发生中断请求的条件是______。 A.一条指令执行结束 B.一次I/O操作结束 C.机器内部发生故障 D.一次DMA操作结束 11.指令系统中采用不同寻址方式的目的主要是______。 A实现存贮程序和程序控制B缩短指令长度，扩大寻址空间，提高编程灵活性C可以直接访问外存D提供扩展操作码的可能并降低指令译码难度 12.某SRAM芯片，其容量为512×8位，除电源和接地端外，该芯片引出线的最小数目应 是______。 A 23 B 25 C 50 D 19 13.算术右移指令执行的操作是______。 A 符号位填0，并顺次右移1位，最低位移至进位标志位；

量子计算机原理及发展前景

量子计算机原理及发展前景 量子力学和计算机理论，这两个看起来互不相关的领域，其结合却产生了一门富于成效的学科：量子计算机。文章介绍了量子计算机原理、基本概念和历史背景，它相对于经典计算机的优越性，它的构造和实验方案，以及实现量子计算的困难及其克服途径，最后展望了量子计算机的发展前景。 一、量子计算机的概念及发展背景 1996年，美国《科学》周刊科技新闻中报道，量子计算机引起了计算机理论领域的革命。同年，量子计算机的先驱之一，Bennett在英国《自然》杂志新闻与评论栏声称，量子计算机将进入工程时代。目前，有关量子计算机的理论和实验正迅猛发展，那么，什么是量子计算机呢？ 量子计算机，顾名思义，就是实现量子计算的机器。要说清楚量子计算，首先看经典计算。经典计算机从物理上可以被描述为对输入信号序列按一定算法进行变换的机器，其算法由计算机的内部逻辑电路来实现。经典计算机具有如下特点： （1）其输入态和输出态都是经典信号，用量子力学的语言来描述，也即是：其输入态和输出态都是某一力学量的本征态。如输入二进制序列0110110，用量子记号，即|0110110＞。所有的输入态均相互正交。对经典计算机不可能输入如下叠加态： C1|0110110 ＞＋C2|1001001＞。 （2）经典计算机内部的每一步变换都将正交态演化为正交态，而一般的量子变换没有这个性质，因此，经典计算机中的变换（或计算）只对应一类特殊集。 相应于经典计算机的以上两个限制，量子计算机分别作了推广。量子计算机的输入用一个具有有限能级的量子系统来描述，如二能级系统（称为量子比特）,量子计算机的变换（即量子计算）包括所有可能的么正变换。因此量子计算机的特点为： [1]量子计算机的输入态和输出态为一般的叠加态，其相互之间通常不正交； [2]量子计算机中的变换为所有可能的么正变换。得出输出态之后，量子计算机对输出态进行一定的测量，给出计算结果。 由此可见，量子计算对经典计算作了极大的扩充，经典计算是一类特殊的量子计算。量子计算最本质的特征为量子叠加性和相干性。量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种经典计算，所有这些经典计算同时完成，并按一定的概率振幅叠加起来，给出量子计算机的输出结果。这种计算称为量子并行计算。量子并行处理大大提高了量子计算机的效率，使得其可以完成经典计算机无法完成的工作，如一个很大的自然数的因子分解（后面将叙及）。量子相干性在所有的量子超快速算法中得到了本质性的利用。 量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究，而研究可逆计算机是为了克服计算机中的