2022年微型计算机系统的组成 2.pdf

第 1 章微型计算机概述数字电子计算机系统俗称计算机或电脑，是一种具有高速数值运算、自动信息处理、逻辑判断和超强信息存储记忆功能的电子设备，也是一种能按照程序员事先安排的程序来工作，高速地处理各类数据信息的智能化设备。电子计算机是人类现代科技的重大成就之一，它起始于1946 年由美国宾夕法尼亚大学研制成功的第一台电子计算机ENIAC 。这是一台由电子管构成的重达30 吨并能按照事先安排的指令快速完成指定计算任务的现代意义上的电子计算机。自此，电子计算机及其相关技术经历了一个快速发展的过程。这期间，计算机的构成经历了电子管、晶体管、集成电路和大规模及超大规模集成电路的几个发展阶段，对应了电子计算机发展的4 个时代，而微型计算机属于第4 代电子计算机产品，属于超大规模集成电路计算机，是集成电路技术高度发展的产物。电子计算机按体积、性能、用途和价格指标可分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机5 类。从工作原理上来讲，微型机与其他计算机并没有本质的区别，所不同的是微型计算机（简称微机）是直接面向个人用户的，其结构、功能和售价也是全面适应个人用户的。微型计算机的核心部件是微处理器，其性能与微处理器的性能直接相关。微型计算机对现代社会的方方面面有着无可比拟的影响力。1.1 微型计算机发展概况微型计算机的发展是以微处理器的发展为特征的。微处理器自1971 年问世以来， 随着大规模集成电路技术的不断进步，在短短几十年的时间里以极快的速度发展。19711973 年，标志着第1 代微机的4 位和 8 位低档微处理器问世了，其代表性产品是 Intel 公司的 4004 和 8008 微处理器， 分别是 4 位和 8 位微处理器。 8008 算得上是世界上第一种 8 位的微处理器，其集成度约4000 个晶体管 /片，芯片主频仅1MHz 。19741977 年，出现了标志着第2 代微机的8 位中高档微处理器，其代表产品有Intel 8080、M6800 和 Z80 等，集成度有了大幅提高，已具备了典型的计算机体系结构，包括中断、 DMA 等控制功能，主频约2MHz 。由于有了较完善的指令系统，软件可采用BASIC 、Fortran 等高级语言及相应的编译程序。19781984 年进入了拥有16 位微处理器的第3 代微机时代。这个时代的微处理器代表产品是 Intel 8086 、Intel 8088 、M68000 和 Z8000 等，集成度和运算速度比上一代有了成名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 9 页 - - - - - - - - - 2微机原理与接口技术倍的提高，主频时钟已超越了5MHz 。处理器的指令系统也更加丰富和完善，也有了配套的操作系统和多任务处理功能。特别值得指出的是，1979 年， IBM 公司以 8088 作为个人计算机（ PC）IBM PC 系统的微处理器，自此开创了PC 时代。 1982 年， Intel 又推出了高性能的 16 位处理器80286，主频达20MHz ，各方面性能指标大幅提高。IBM PC/AT微机就是基于这款处理器的代表机型。19851992年是 32位微处理器时代， 对应第 4代微机。其代表产品是Intel 80386/80486 ，Motorola 的 M69030/68040 等，最为经典的80386 DX 集成度已高达每片27.5 万个晶体管，时钟频率达33MHz ， 而 Intel 于 1989 年推出的 80486 微处理器的集成度和速度要高于80386 DX 4 倍，特别是在其指令系统中首次采用了精简指令技术，可以在一个时钟周期内执行一条指令，大大提高了与内存的数据交换速度。19932005 年是奔腾（ Pentium）系列微处理器时代，对应第 5 代微机。 这个时代的微处理器的代表产品是Intel 的奔腾系列芯片。这个系列芯片的集成度、运算速度和性能均大大优于上一代的32 位微处理器， 使微机的发展在网络化、多媒体化和智能化等方面跨上了更高的台阶。2006 年至今应该属于单片多核或64 位微处理器时代。 通常认为 Intel 多核的酷睿（Core）系列微处理器是第6 代处理器。另一方面，AMD公司于2003 年推出了面向个人机的64位微处理器Athlon 64 和 Athlon 64 FX 被认为开创了又一个新的微机时代。随着大规模集成电路技术的不断发展，微处理器的不断更新换代，微型计算机正向着更微型、更高速、更廉价、更低能耗、更强功能和更多用途方向发展。1.2 微型计算机系统的组成微型计算机及其完整系统的结构和组成是与整个电子技术、集成电路技术以及计算机技术的发展紧密联系的，而这一切又决定了微机系统的基本性能和功能。但就现代一个不算长的历史阶段而言，典型的微机系统的组成有其一致性。1.2.1 微处理器、微型计算机与微型计算机系统间的关系1微处理器（Microprocessor）微处理器是整个微型计算机的核心部件和总控制单元，决定了微机的基本性能；微处理器就是把运算器、寄存器组和控制器集成在一个超大规模集成电路芯片上的功能部件，是具有计算机系统运算和控制功能的中央处理单元（Central Processing Unit ，CPU） 。2微型计算机（MicroComputer，MC）微型计算机是以微处理器芯片为核心，配以一定规模的半导体存储器、系统总线（包名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 9 页 - - - - - - - - - 3微型计算机概述第 1 章括数据总线、地址总线和控制总线）及其控制单元、硬盘、输入/输出（ Input/Output ，I/O）接口电路和辅助电路构成的装置，构成了微型计算机的基本硬件结构，即裸机。3微型计算机系统（MicroComputer System，MCS ）微型计算机系统是以微型计算机为主体，配上输入设备、输出设备、外部存储器设备、电源、机箱以及系统软件和应用软件组成的系统，简称“微机系统”。单纯的微型计算机总体上只是一个硬件模块的组织结构，本身无法运行；如果在微机中建立起必要的软件，就能独立执行程序，完成运算和逻辑判断功能。但是，微机所运行的程序和所需的数据需要通过外部设备输入，而运算完成后的结果也需要显示器或打印机之类外部设备输出帮助显示或打印出来。显然，微型计算机除了需要软件外，还要配备必要的输入和输出设备，所有这一切就构成了能投入实际应用的微型计算机系统。微处理器、微型计算机与微型计算机系统是3个含义不同但又密切相关的概念，对应着互为依存的各类软硬件部件，三者的关系可以用如图 1-1 所示的结构来描述。微型计算机系统系统软件：操作系统、服务性软件、数据库管理软件等微型计算机外部设备：键盘、鼠标、显示器、打印机、外部存储器（如U盘、移动硬盘）等微处理器（ CPU）： 运算器、控制器、寄存器组等系统总线： 地址总线、数据总线、控制总线输入 /输出接口： 各类串行、并行接口电路存储器： RAM 、ROM 、高速缓冲存储器、硬盘等、软件系统应用软件：汇编语言、编译系统、各种软件包、文字处理系统等图 1-1 微型计算机系统的组成1.2.2 微机系统基本结构图 1-2 给出了微机系统的硬件组成基本电路结构示意图。微机硬件系统由微处理器、存储器、译码控制模块、系统总线控制模块、系统总线、输入/输出接口电路和各类外部设备等部件组成。在如图1-2 所示的微机结构中，CPU 是核心部件，通过系统总线控制模块和译码控制模块，来控制地址总线、数据总线和系统总线，与其他部件进行数据和信息交换，完成指定的计算和控制任务。系统总线控制模块微处理器CPU存储器各类外部设备输入和输出接口电路控制总线数据总线地址总线系统总线译码控制模块微型计算机主机名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 9 页 - - - - - - - - - 4微机原理与接口技术图 1-2 微机系统的硬件基本结构具体而言， CPU 指挥控制模块， 经由系统总线把需要执行的指令代码从存储器中取出，进入 CPU 后实行执行指令的操作，完成各类运算、逻辑判断，或对外设进行输入或输出的控制操作，从而完成程序员预设的各类任务。在这个过程中，存储器是微机存放和记忆程序、数据的重要部件。通常把位于主机内部用于暂时存放程序和数据的存储器称为内存，也称为主存，由只读存储器（ROM ）和随机存储器（ RAM ）两部分组成，属于主板（焊有所有微机芯片的印刷电路板，即PCB）内的存储器，而主板外或主机外部的用于存放大量信息的存储器则称为外存。外存分为两大部分，一部分是硬盘存储器，用于存储微机运行必需的系统软件和应用软件。对于现代微机来说，微机的独立运算和控制已完全无法实质性地离开硬盘，因此硬盘存储器应该属于微机主机内部的部件，但属于主板外存储器。另一部分属于主机外部的，可以暂时不介入微机运行和控制的辅助型存储器，包括 U 盘、光盘、移动硬盘等大存储量存储器。输入 /输出接口电路是设置在外部设备（简称外设）与系统总线之间的专门电路，又称I/O 接口，用于协调CPU 与外设之间的信息和数据的交换。系统总线包括数据总线、地址总线和控制总线，简称三总线。系统总线把CPU、存储器和输入 /输出接口电路有机地连接起来，用来传送微机内部各部件间的信息；数据总线传送各类数据，其中包括指令代码、运算数据、中间数据和结果数据；地址总线上的信息主要是针对存储器具体存储单元或具体外设对象的地址信息，这些地址信息指出了数据的来源或传送的目的地； 控制总线传送CPU 对存储器或I/O 设备的控制命令和I/O 设备对 CPU的请求服务的信号。整个系统总线的工作由系统总线控制模块统一安排和指挥。外部设备，即I/O 设备，可以分成两个部分，一部分是指直接为计算机本身的顺利运行而服务的，必须与外界及时进行信息与数据交换的输入和输出设备，如键盘、鼠标器、扫描仪、图形或文字识别仪、条码读入器、模/数和数 /模转换器等；另一部分是暂时不会影响计算机运行的外设，如打印机、外部存储器（如U 盘、光盘等）、开环控制对象（如步进电机）、大屏幕 LED 显示器、 VGA 显示器等。1.2.3 微机硬件系统的典型配置如图 1-2 所示，微机硬件系统由主机和外设组成。主机包括PCB 主板、 I/O 接口卡（又称适配器）以及电源、机箱等部件；微机的外设很丰富，典型的外设有键盘、鼠标、显示器、打印机、光盘驱动器、网卡、摄像头等设备。PC 主机大部分电路包括集成电路芯片和接插模块，是安装在机箱内的PCB 主机板上的，外部设备通过输入/输出接口与主机板相连。主板几乎集中了微机系统的全部功能，控制着系统各部分之间的指令流和数据流，能够根据系统的要求调度各个子系统并为实现系统的自动化管理提供完整的硬件保证。主板上最常规的部件是CPU、系统支持芯片组、内存芯片、I/O 接口、总线扩展槽、键盘或鼠标接口、可充电电池以及各种开关和跳线等，还集成了显示卡、声效卡、网卡、名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 9 页 - - - - - - - - - 5微型计算机概述第 1 章调制解调卡等接口部件。主板上的存储器包括高速缓存和用作主存的大容量动态随机存取存储器。主板上还有一种只读存储器，用于上电自检程序、基本外设输入/输出控制程序和系统配置程序等。主板上还安装有总线接口插槽，即总线插槽，可用于插接各类I/O 接口卡。通过这些插槽，可将外设I/O 接口卡连接到系统总线上，从而把外设与主机连在一起。键盘、鼠标、扬声器的接口电路一般直接集成在系统主板上，由一专门处理器来控制，整个处理器负责将键盘按键产生的扫描码转换成能表示字符的ASCII 码，而将鼠标送来的电脉冲转换成光标的移动数据，并产生相应中断后，把输入数据传送给CPU 进行处理。主板上的总线接口插槽通过插在上面的各种功能用途的接口卡极大延伸了计算机的功能和用途，这些接口卡包括声卡、显示卡、图形采集卡、录音卡等。现代微机中，外部设备除了能利用主机的接口插槽和对应的接口卡与系统连接外，也能直接通过主板上专设的I/O 接口电路或者通过无线方式与主机系统连接，这些外设包括异步串口接口的外设、基于USB 接口的外设和蓝牙设备，即无线接口设备等。1.2.4 微机软件系统微型计算机系统不但需要有功能齐全的硬件来支持，还必须有专门的软件来配合，这样，计算机才能真正处理信息。软件就是能通过微机硬件系统完成特定任务的CPU指令代码的集合。微型计算机能正常工作的所有软件的总和称为软件系统。软件系统可分为系统软件和应用软件两大部分，其中，系统软件用来支持应用软件的开发和运行，主要包括操作系统、系统检测软件和编译软件等软件；而应用软件则是用来为用户解决某种具体问题的程序软件。图 1-3 中列出了这两类软件的部分内容。下面对这两类软件做简要说明。1操作系统在管理计算机中各部件协调工作的软件中，规模较大、功能较强、结构较复杂的软件称为操作系统 （Operating System）软件，或称操作系统。 操作系统的工作要点主要有如下两点：（1）方便用户使用计算机。操作系统为用户提供了一整套方便使用整个计算机系统的方法，因此可以把操作系统看作是用户与计算机系统间的媒介或协调者。（2）提高计算机的使用效率。在用户对计算机系统的具体硬件结构完全不熟悉的情况下，却可通过操作系统提供的一整套功能很强的命令调用相关软件来高效地使用计算机。操作系统本身是由许多程序软件组成的，其中许多软件负责管理计算机底层硬件的各个部件进行协调工作。此外，各种应用程序、语言处理程序和辅助处理程序等软件都在操作系统的管理、协调和控制下运行。软件系统系统软件应用软件标准程序库各种语言处理软件操作系统计算机网络软件文字处理软件数据处理软件信息管理软件系统检测软件辅助设计软件用户软件图 1-3 微机系统的软件分类名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 9 页 - - - - - - - - - 6微机原理与接口技术2程序设计语言及其处理软件计算机语言就是计算机程序的特定编写规则，依据这种规则编写出的程序将成为用户与计算机之间交流的媒介。人们需要通过编写的程序软件告诉计算机完成指定的任务。然而，计算机（或者说是CPU）真正能“懂”的“语言”是被称为机器语言的程序编码（或指令代码）。因此，从程序员能方便地使用和辨认的计算机语言所对应的程序到CPU 能直接辨认的指令编码集合，需要有一个类似于“翻译员”的软件来沟通程序员和CPU 之间的信息交流。这种“翻译”软件称为计算机语言编译软件，或程序设计语言处理软件。不同的程序设计软件对应不同的编译软件。程序设计语言主要有汇编语言和高级语言。汇编语言是一种用助记符和符号地址等表示的直接面向CPU 的程序设计语言。 用汇编语言编写的程序称为汇编程序。与 CPU 能直接识别的机器语言相比，汇编语言更易于程序员编写、识别、阅读和调试。但是汇编语言程序必须通过特定的处理软件，即汇编程序编译软件将其翻译成机器代码（目标程序）。由于汇编语言的语句与机器指令代码是一一对应的，因此对于不同的CPU，针对同一问题所编的汇编语言程序是不能通用的，即汇编语言不具有通用性，特别是对于不熟悉计算机底层硬件情况的程序员，在使用上会感到很不方便。高级语言的出现完全解决了汇编语言中存在的使用不便的问题。高级语言不是直接面向 CPU 的，而是面向问题和用户的，具有良好的可移植性和可操作性。自然，计算机也同样并不能直接执行高级语言程序。高级语言源程序必须通过编译程序或解释程序翻译成机器语言，计算机才能识别和执行。随着计算机应用的推广和计算机技术发展的深入，面向不同问题、适应不同领域、适用不同对象的各种高级语言一直在不断出现。到目前为止， 已有两百多种计算机高级语言，其中被广泛使用的有BASIC 、Fortran、Pascal、C、Visual Basic 、Java和 C+等十多种。3应用程序软件与系统软件不同，应用程序软件是解决用户具体问题的，是用户在各自的业务领域中开发和使用的各种程序，如科学计算软件、数据处理软件、信息管理软件、工程设计软件和事务管理软件等。这其中，许多软件属于用户以不同高级语言编写的程序软件。随着计算机应用在不同领域中的不断拓展，这类程序软件的种类将持续增加。1.2.5 微型计算机的性能指标微型计算机性能优劣是由其系统结构、指令系统、硬件组成、外部设备以及软件配置情况等因素决定的，只有综合各项指标，才能正确评价与衡量计算机性能的高低。下面介绍几项主要评估指标。1 CPU 字长CPU 字长就是计算机的字长，它决定了计算机内部一次可以处理的二进制代码的位数。通常， CPU 的字长也决定着计算机的通用寄存器、内存储器、运算器的位数和数据总线的宽度。字长越长，一个字所能表示的数据精度就越高，在完成同样精度的运算时数据处理速度越快。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 9 页 - - - - - - - - - 7微型计算机概述第 1 章2存储器容量与速度存储器 （这里主要指主存）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，也是计算机技术发展进步的一个主要标志。一般地，计算机主存的存储容量越大，功能就越强。微型计算机中一般以字节B（Byte 的缩写， 1Byte 表示 8 位二进制信息）为单位表示存储容量，如128MB 。存储器工作的速度在某种程度上也影响着计算机的性能。存储器的速度决定了存储器执行一次完整的读/写操作所需的时间，同时也间接决定了CPU 的工作速度。3 CPU 指令执行时间计算机的运算速度主要取决于CPU 的指令执行时间， 一般用每秒钟所能执行的指令条数表示。由于不同类型的指令所需时间长度不同，因而运算速度的计算方法也不同，常用的计算方法如下：（1）根据不同类型的指令出现的频繁程度乘上不同的系数，求得统计平均值，得到平均运算速度，单位是MIPS（Millions of Instruction Per Second ，百万条指令/秒） 。（2）直接给出 CPU 的时钟频率（主频）和执行每条指令所需的时钟周期。主频一般以MHz 为单位，在很大程度上决定了计算机的运行速度。例如，80386 的主频是 33MHz，Pentium的主频是 133MHz ，Pentium MMX 的主频是 230MHz ，三者的运行速度有很大的差别。4软件配置情况软件是计算机系统必不可少的重要组成部分，配置是否齐全和软件本身的性能将直接关系到计算机性能的好坏和效率的高低。1.3 微型计算机的特点及应用领域微型计算机是当今计算机应用领域中最主流的机型，这是因为它具有其他类型计算机不可比拟的特点，这些特点包括功能强、性能优越、体积小、重量轻、功耗低、价格低、结构灵活、维护方便、应用面广等。基于这些特点，微型计算机的应用已广泛而深入地渗透到人类社会的各个领域；从科研、生产、国防、文化、教育、卫生直至家庭生活，都离不开计算机提供的服务。计算机大幅度地提高了生产效率和生活质量，计算机使社会生产力达到了前所未有的水平。微机的应用领域可归纳成如下几类。1科学计算科学计算也称数值计算，是指用计算机来解决科学研究和工程技术中所出现的复杂的计算问题。在工程技术领域，包括航天航空、汽车、造船、建筑、气象预报等，在基础研究，包括生物信息研究、基因预测、医学病理分析等，都离不开计算机的高速计算功能，而进行这些计算也正是计算机的特长。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 9 页 - - - - - - - - - 8微机原理与接口技术2信息处理信息处理也称数据处理。目前，大部分计算机都被用于数据处理，其中包括对各种数据信息的收集、存储、整理、分类、统计、分析和利用等，其目的是获取有用的信息作为决策的依据。现代社会是信息化社会，随着生产力的高度发展，导致信息量急剧膨胀，当今的信息数据已经和物质、能量一起被列为人类社会活动的三大支柱。计算机信息处理已广泛地应用于办公室自动化、企事业计算机辅助管理与决策、文字处理、文档管理、情报检索、激光照排、电影电视动画设计、会计电算化、医疗诊断等各行各业。信息已经形成了独立的产业，多媒体技术更为信息产业的腾飞插上了翅膀。3自动控制在现代工程领域，微型计算机普遍用于生产过程的自动控制，从而有效地提高了劳动生产率。过去工业控制主要采用模拟电路，响应速度慢、精度低、自动化程度低，现在已逐渐被数字计算机控制所代替。计算机控制系统把工业现场的模拟量经模/数转换电路送给计算机，由计算机进行数据采集、显示，并通过数/模电路进行实时控制生产过程。计算机控制系统除了应用于工业生产外，还被广泛应用于交通、邮电、卫星通信等。4计算机辅助工程在许多领域的工程中，计算机可用于辅助设计（CAD ） 、辅助制造（ CAM ） 、辅助教学（CAI ） 、辅助测试（ CAT）等方面，统称为计算机辅助工程。例如，应用计算机图形学，可以对产品结构、部件和零件等进行计算、分析、比较和制图，其方便之处是能够随时更改参数，反复迭代、优化直到满意为止。在此基础上，再进一步输出零部件图表，并控制数控机床把设计的产品加工出来，甚至利用计算机控制的所谓“3D 打印机”直接将产品零件或产品本身“打印”出来。5人工智能人工智能（ AI ）是利用计算机模拟人类的某些智力活动，例如，对图形和声音的识别、推理、学习和处理问题，从而代替和优化人的智力劳动，提高劳动的效率。人工智能是计算机应用的一个崭新领域，目前这方面的研究尚处于初级阶段。人工智能的研究领域主要包括自然语言理解、智能机器人、博弈、专家系统、自动定理证明等方面。人工智能理论的新突破，特别是人工神经网络和DNA芯片技术研究和应用，更加需要计算机新型人工智能技术的加入。6计算机网络计算机技术和通信技术相结合，可以将分布在不同地点的计算机连接在一起，从而形成计算机网络。 人们在网络中可以实现软件、硬件和信息资源的共享。特别是 Internet 的出现更是打破了地域的限制，缩短了传递信息的时间，改变了人类的生活方式。7智能产品智能产品包括各类仪器仪表和智能生活用品。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 9 页 - - - - - - - - - 9微型计算机概述第 1 章习题1-1 微处理器和微型计算机的发展经历了哪些阶段？有哪些代表性的芯片？1-2 微型计算机硬件结构主要由哪些部分组成？各部分的主要功能和特点是什么？1-3 微型计算机系统软件的主要特点是什么？包括哪些内容？1-4 微处理器、微型计算机和微型计算机系统三者之间有何区别和联系？1-5 微型计算机的总线有哪几类？总线结构的特点是什么？1-6 衡量微机系统性能主要有哪些技术指标？名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 9 页 - - - - - - - - -