《微机组成与组装技术及应用教程》第1章

第1章微机系统概述,本章学习重点,了解微机系统的发展了解微机体系结构的概念认识大中型计算机系统的典型结构了解常用的微机性能指标了解微机性能评价技术了解微机的使用环境,1.1微机系统及其发展,1.1.1微机系统的基本概念微型计算机是由运算器、控制器、存储器、输入设备以及输出设备五大部分组成的。把运算器和控制器合称为中央处理器（CPU）。中央处理器和内存储器则合称为主机。输入设备、输出设备和外存储器统称为外围设备，简称外设。,1.1微机系统及其发展,1.微处理器微处理器是一个由算术逻辑运算单元、控制器单元、寄存器组以及内部系统总线等单元组成的大规模集成电路芯片，通常又简称为CPU。2.微型计算机微型计算机是以微处理器芯片为核心，配上内存芯片、I/O接口电路以及输入设备、输出设备、磁盘设备以及电源机箱等部件构成的硬件装置，简称微型机或微机。3.微型计算机系统微型计算机系统是以微型计算机为主体，配上系统软件与应用软件组成的系统，简称微机系统。,1.1微机系统及其发展,1.1.2微机系统的发展阶段微型计算机诞生于20世纪70年代初，又简称微机。微型计算机与大、中、小型计算机是有区别的，其中主要在于微机的CPU采用了大规模、超大规模集成电路技术，而其他类型的计算机的CPU则是由相当多的分离元件电路或集成电路所组成。,1.1微机系统及其发展,根据微处理器的字长和功能，微型计算机的发展大致可分为以下几个阶段：第一阶段（19711973年）是4位和8位低档微处理器时代，通常称为第一代。其典型产品是Intel4004和Intel8008微处理器和分别由它们组成的MCS-4和MCS-8微机。基本特点是采用PMOS工艺，集成度低，系统结构和指令系统都比较简单。,图1-1第一台微处理器Intel4004的内外部结构,1.1微机系统及其发展,第二阶段（19741977年）是8位中高档微处理器时代，通常称为第二代。其典型产品是Intel8080/8085、Motorola公司的MC6800、Zilog公司的Z80等，以及各种8位单片机。特点是采用NMOS工艺，集成度提高约4倍，运算速度提高约10-15倍，指令系统比较完善。,图1-2第一台微型计算机Altair8800,1.1微机系统及其发展,第三阶段（19781984年）是16微处理器时代,通常称为第三代。其典型产品是Intel公司的8086/8088、80286，Motorola公司的M68000，Zilog公司的Z8000等微处理器。其特点是采用HMOS工艺，集成度（20000-70000晶体管/片）和运算速度（基本指令执行时间是0.5s）都比第二代提高了一个数量级。指令系统更加丰富、完善，采用多级中断、多种寻址方式、段式存储机构、硬件乘除部件，并配置了软件系统。,1.1微机系统及其发展,第四阶段（19851992年）是32位微处理器时代，又称为第四代。其典型产品是Intel公司的80386/80486，Motorola公司的M68030/68040等。其特点是采用HMOS或CMOS工艺，集成度高达100万晶体管/片，具有32位地址线和32位数据总线。每秒钟可完成600万条指令（MIPS，MillionInstructionsPerSecond）。,1.1微机系统及其发展,第五阶段（1993年以后）是奔腾（Pentium）系列微处理器时代，通常称为第五代。典型产品是Intel公司的奔腾系列芯片及与之兼容的AMD的K6系列微处理器芯片。内部采用了超标量指令流水线结构，并具有相互独立的指令和数据高速缓存。等。其特点为该微处理器是高档32位微处理器；微处理器芯片集成度达2800万管/片；时钟主频高达2GHz或更高；支持多用户多任务操作系统。,1.2微机体系结构,1.2.1系统结构概念计算机系统结构也可称为计算机体系结构,即计算机的概念性结构和功能特性。它的主要任务是研究软件、硬件功能分配和对软硬件界面的确定。不同程序员所看到的计算机有不同的属性。在层次结构的各个级上都有它的体系结构。,1.2微机体系结构,1.2.2微机组成和系统结构区分微机组成和微机系统结构这两个基本概念:微机系统结构是指那些能够被程序员所见到的微机的属性，即概念性的结构与功能特性，通常是指用机器语言编程的程序员（包括汇编程序设计者）所看到的传统机器的属性不同程序员所看到的计算机有不同的属性。微机组成是微机系统结构的逻辑实现，包括机器内部的数据的组成以及逻辑设计等，指如何实现微机体系结构所体现的属性，它包含了许多对程序员来说是透明的硬件细节。,1.2微机体系结构,1.2.2微机组成和系统结构了解系列机和兼容机的概念，对选择何种微机也是非常有帮助的:系列机是指一个厂家生产的、具有相同的系统结构但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。兼容机是指不同厂家生产的、具有相同系统结构的微机，它的思想与系列机是一致的。,1.2微机体系结构,1.2.3大中型微机系统的典型结构大中型微机系统的设计目标主要在于系统功能的扩大与效率的提高。图1-3所示是大、中型微机系统的典型结构。在系统连接上分为四级：主机、通道、设备控制器和外部设备。,图1-3大、中型微机系统的典型结构,1.3微机性能指标,1.3.1微机的主要性能指标一台微型计算机功能的强弱或性能的好坏，不是由某项指标来决定的，而是由它的系统结构、指令系统、硬件组成、软件配置等多方面的因素综合决定的。主要性能指标有以下几个：字长计算机的字长越长，计算机的功能就越强，运算精度越高。常见的计算机字长有8位、16位、32位和64位。主频率运算速度是计算机的主要性能指标。主频率就是描述运算速度的重要参数。,1.3微机性能指标,存储容量存储容量是指一个功能完备的存储器能存储的二进制形式信息的最大数量，度量单位是位、字节、KB、MB和GB。数据传输速率数据传输速率是指在单位时间内主机与外设之间交换信息的数量。度量单位是“位/秒”或“字节/秒”。兼容性计算机的软件兼容性是指一台计算机上的程序不加任何修改可在另一台计算机上正确运行的特性。外设扩展能力一台微型计算机可配置外部设备的数量以及配置外部设备的类型，对整个系统的性能有重大影响。软件配置情况软件配置情况直接影响微型计算机系统的使用和性能的发挥。通常应配置的软件有：操作系统、计算机语言以及工具软件等,1.3微机性能指标,目前常用的性能评价技术有：测量技术、模型技术和分析技术.1测量技术测量是最基本、最重要的系统性能评价手段。测试设备向被测设备输入一组测试信息并收集被测设备的原始输出，然后进行选择、处理、记录、分析和综合，并且解释其结果。测量工具分硬件工具和软件工具两类。硬件监测工具的监测精度和分辨率高，对系统干扰少；软件监测工具则灵活性和兼容性好，适用范围广。,1.3微机性能指标,2模拟技术在系统的设计、优化、验证和改进（如功能升级）过程中，不可能或不便于采用测量方法和分析方法时，可以构造模拟模型来近似目标系统，进而了解目标系统的特性。模拟模型包括系统模型和工作负载(环境)模型。系统模型和工作负载模型是相互联系和相互影响的，它们采用程序语言描述。模拟模型建立后，需要检验它的合理性、准确度等，还要设计模拟试验,对感兴趣的输出值进行统计分析、误差分析等数据处理。,1.3微机性能指标,3分析技术可为计算机系统建立一种用数学方程式表示的模型，进而在给定输入条件下通过计算获得目标系统的性能特性。可以应用排队论来描述计算机系统中的这类现象。计算机系统的分析模型一般是某种网状的排队系统，求解往往是困难的。有些复杂的计算机系统要建立它的分析模型就很困难。因此分析技术的应用是有局限性的。,1.4微机使用环境,微机同其它仪器设备一样，对使用环境有一定的要求。为保证微机系统可靠、稳定运行，减少故障，延长使用寿命，有关微机的使用环境及日常维护要注意以下事项：1.交流电源的影响微机设备对电网电压的允许范围一般是180V-230V，电源电压过低会使机器自动保护，但如果电压超过230V，则容易造成微机电源的损坏，这时则要有选择地使用稳压电源。交流电源对计算机的影响大致有两方面：电源掉电交流电源突然掉电对计算机影响最大，那怕是几秒钟，几个周波，轻者丢失内存的数据和程序，重者可使某些硬件损坏。,1.4微机使用环境,电网噪声和瞬变电压电网上也会存在电压噪声，这些噪声分为周期性的和非周期性的。周期性噪声可能由负载开关补偿电容开关不良引起;非周期性噪声可能是一种变电压或电压闪动、雷电、重型设备的开动引起;特别是接地不良也是产生瞬变电压的原因。2地线系统的影响地线可分为工作地和保护地两大类。工作地可分为交流地和直流地两类。关于接地电阻及相互关系规定为:交流工作地的接地电阻不宜大于40，安全保护地的接地电阻不应大于40。计算机系统直流地电阻大小，应根据不同计算机系统的要求而定。,1.4微机使用环境,3温度的影响温度对计算机工作的稳定性、可靠性影响很大。要使热量从发热源向周围环境散发，必须使环境温度低于机内温度，并保持一定的差值。高温除了对电路可靠性有直接影响外，对精密机械、对介质都有不良影响。如磁盘驱动器，不仅对温度有严格规定，对温度变化的梯度也有一定限制。工作环境的温度应保持在1535之间。4湿度的影响和温度一样，相对湿度对计算机的可靠性及寿命有直接影响。计算机要求环境的相对湿度在20%80%之间，才可以保障计算机的正常工作。,1.4微机使用环境,5静电的影响在空气过于干燥的情况下，静电荷可能积累成很高的电位差，破坏MOS芯片的电性能，使电路工作不稳定。静电还破坏已经记录在介质上的信息、吸附尘埃，并转移到磁头上，造成读写操作错误。人体带有静电，用手接触电路板时，也可能损坏电路板。6尘埃的影响造成接插件的接触不良；降低发热元器件的散热效率；造成绝缘不良；增加机械磨损，尤其对软盘、磁带不仅会使读出写入信息出错，还会划伤盘片和带基，甚至损坏磁头。所以计算机不用时最好用防尘罩盖好。,1.4微机使用环境,7微机的日常维护进行预防性的日常维护和定期维护。所谓预防性维护，指定期或不定期对系统及设备作例行的测试、检查，保持设备的清洁等。预防性维护可分日维护、月维护及年维护等几级，维护内容应根据不同设备情况和环境条件制定。8.软件维护除了硬件维护外，微机还需要定期或不定期进行软件维护，以保证