第1章微机概论2009(网络)微机原理前言和

1、2009年8月6日1.教学内容和目标1.1 教学内容 掌握微计算机基本概念的基础上，学习、了解微计算机发展的新技术。课程以Intel微处理器为背景，围绕“基础”、“主线”和“关键技术”开展教学。1)掌握微型计算机的基本概念，以8086为例，介绍CPU、存储器、I/O接口、总线的结构、原理、时序、系统设计与编程，作为教学的基础；2) 结合微处理器的发展历程，了解微型计算机在性能和速度方面不断克服瓶颈效应，采用的新技术和方法。如386的虚拟存储、Pentium的超标量流水线、指令分支预测技术、PCI总线等，将微型计算机的技术发展作为贯穿教学的主线；3) 将微型计算机的关键技术如存储管理、中断、DM

2、A、系统总线、与外设的接口等，作为教学的重点，掌握微型计算机关键技术的要点和应用方法。序序 言言通过本课程的学习，将会有以下目的。通过本课程的学习，将会有以下目的。1) 1) 对微型计算机有整体概念，而不是拘泥某一代处对微型计算机有整体概念，而不是拘泥某一代处理机，在掌握基本概念和原理的基础上了解最新技理机，在掌握基本概念和原理的基础上了解最新技术。术。2) 2) 掌握微处理器的结构、微型计算机的关键技术。掌握微处理器的结构、微型计算机的关键技术。接口设计和编程方法。接口设计和编程方法。3) 3) 通过本课程的课堂教学、实验、课程设计，培养通过本课程的课堂教学、实验、课程设计，培养几种能力：时

3、序分析及接口设计能力、系统设计编几种能力：时序分析及接口设计能力、系统设计编程以及硬软件调试能力、自学能力程以及硬软件调试能力、自学能力 。1.2 1.2 教学目标教学目标培养能力培养能力1.3 1.3 本课程在网络工程专业课程的位置本课程在网络工程专业课程的位置2.1 2.1 注意基本能力的培养注意基本能力的培养; ;通过本课程学习建立微型计算机的整体概念，在掌握通过本课程学习建立微型计算机的整体概念，在掌握基本概念和原理的基础上了解微机发展的最新技术。基本概念和原理的基础上了解微机发展的最新技术。熟练掌握微处理器的结构、微型计算机的关键技术熟练掌握微处理器的结构、微型计算机的关键技术, ,

4、接口设计和编程方法。提高时序分析及接口设计能接口设计和编程方法。提高时序分析及接口设计能力、系统设计编程以及硬软件调试能力。力、系统设计编程以及硬软件调试能力。2.2 2.2 课程教学安排课程教学安排1.1.教学学时：教学学时：6060学时学时2.2.实验学时：实验学时：1414学时学时3.3.微型机接口技术课程设计微型机接口技术课程设计:2:2周周; ;成绩成绩( (独立计算独立计算) )2 2 教学要求教学要求3.1 3.1 戴梅萼戴梅萼微型计算机技术与应用微型计算机技术与应用从从1616位到位到3232位位（第五版）（第五版） 清华大学出版社清华大学出版社3.2 3.2 田艾平等田艾平等

5、, ,微型计算机技术微型计算机技术清华大学出版社清华大学出版社3.3 3.3 艾德才艾德才PentiumPentium系列微型计算机原理与接口技系列微型计算机原理与接口技术术, ,高等教育出版社高等教育出版社 3.4 3.4 杨全胜杨全胜现代微机原理与接口技术现代微机原理与接口技术( (第二版第二版) ), ,电子工业出版社电子工业出版社 3.5 3.5 孙德文孙德文微型计算机技术微型计算机技术， 高等教育出版社高等教育出版社 3.6 3.6 潘新民潘新民微型计算机原理微型计算机原理. .汇编汇编. .接口技术接口技术, ,希希望电子出版社望电子出版社3.7 3.7 马维华马维华微型计算机及接

6、口技术微型计算机及接口技术科学出版社科学出版社3.8 3.8 易先清易先清微型计算机原理与应用微型计算机原理与应用电子工业出版电子工业出版社社 3 3 参考书参考书第1章 微型计算机概述 人们通常按照计算机的功能、体积和价人们通常按照计算机的功能、体积和价格将它们分为微型机、小型机、中型机和大格将它们分为微型机、小型机、中型机和大型机。微型机的产生与发展是与大规模集成型机。微型机的产生与发展是与大规模集成电路的发展分不开的。由于采用了集成度相电路的发展分不开的。由于采用了集成度相当高的大规模集成电路和超大规模集成电路，当高的大规模集成电路和超大规模集成电路，使得微型机的体积小，重量轻，价格也相

7、对使得微型机的体积小，重量轻，价格也相对低廉，因此应用更加广泛。但从基本工作原低廉，因此应用更加广泛。但从基本工作原理和系统结构上说，微型机和小型机、中型理和系统结构上说，微型机和小型机、中型机、大型机等几类计算机没有本质上的区别。机、大型机等几类计算机没有本质上的区别。第一章第一章 概述概述1.1 计算机组成 1.1.1 数字计算机硬件系统由五大部分组成：运算器、控制器、存储器、 输入设备和输出设备。各部分相互连接框图为： 图 1-1(2) 采用存储程序方式 这是冯这是冯诺依曼思想的核心内容。如前所述，它意味着事先诺依曼思想的核心内容。如前所述，它意味着事先编制程序，事先将程序编制程序，事先

8、将程序( (包含指令和数据包含指令和数据) )存入主存储器中，存入主存储器中，计算机在运行程序时就能自动地、连续地从存储器中依次取计算机在运行程序时就能自动地、连续地从存储器中依次取出指令且执行。这是计算机能高速自动运行的基础。计算机出指令且执行。这是计算机能高速自动运行的基础。计算机的工作体现为执行程序，计算机功能的工作体现为执行程序，计算机功能 。 如果程序现在是顺序执行的，每取出一条指令后PC内容加l，指示下一条指令该从何处取得。如果程序将转移到某处，就将转移的目标地址送入PC，以便按新地址读取后继指令。所以，PC就像一个指针，一直指示着程序的执行进程，也就是指示控制流的形成。虽然程序与

9、数据都采用二进制代码，仍可按照PC的内容作为地址读取指令，再按照指令给出的操作数地址去读取数据。由于多数情况下程序是顺序执行的，所以大多数指令需要依次地紧挨着存放，除了个别即将使用的数据可以紧挨着指令存放外、一般将指令和数据分别存放在该程序区的不同区域内。(3) 由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成计算机系统，并规定了这五部分的基本功能。上述这些概念奠定了现代计算机的基本结构思想，到目前为止，绝大多数计算机仍沿用这一体制，即冯诺依曼型计算机体制。 算术运算算术运算逻辑运算逻辑运算存放数据存放数据和程序和程序将信息转换成机将信息转换成机器能识别的形式器能识别的形式将结果转换成

10、将结果转换成人们熟悉的形式人们熟悉的形式指挥程序指挥程序运行运行冯冯诺依曼计算机硬件框图诺依曼计算机硬件框图存储器存储器输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器输出设备输出设备 输出设备输出设备 输入设备输入设备 运算器运算器 控制器控制器 存储器存储器计算结果计算结果程序和数据程序和数据 计算机的组成部件控制流控制流CS数据流数据流DS1.1.3 1.1.3 计算机硬件框图计算机硬件框图1. 1. 以存储器为中心的计算机硬件框图以存储器为中心的计算机硬件框图ALUALU主存主存辅存辅存CPUCPU主机主机I/OI/O硬件硬件CUCU2.2.现代计算机硬件框图现代计算机硬件框图存储器存储器输入

11、设备输入设备运算器运算器输出设备输出设备控制器控制器ALUALUCPU主机主机I/OI/OCUCU主主存存 最早的电子计算机由电子管组成，被称为第一代计算机，那时电子计算机的一台主机，就要占用几个房间。第二代计算机是晶体管计算机，它也有衣柜大小。集成电路的诞生，不仅使计算机的体积大大缩小，计算速度和功能也大大增强。如果将集成电路计算机归为第三代，那么第四代就是基于大规模和超大规模集成电路的计算机。在微处理器刚刚起步的七十年代，人们将基于微处理器的计算机称作微计算机，随着技术的进步，微处理器被广泛应用在各种类型的计算机中，多个Pentium处理器组成的工作站，功能比普通PC强出很多。这种按照组成

12、计算机的元器件来界定的方法又模糊了。目前，严格界定什么是微型计算机变得有些困难。但是，不约而同，大家把台式计算机一类的个人计算机、结构相对简单的工业控制计算机等等统称为微型计算机。1.2 1.2 什么是微型计算机什么是微型计算机 微处理器是微型计算机控制和处理的核心。如图微处理器是微型计算机控制和处理的核心。如图所示，微处理器的组成主要有个三部分：所示，微处理器的组成主要有个三部分： 算术逻辑部件算术逻辑部件ALUALU，执行算术运算和逻辑操作。，执行算术运算和逻辑操作。 控制部件，产生一定的时序，控制指令所规定的控制部件，产生一定的时序，控制指令所规定的操作的执行。操作的执行。 寄存器，用于

13、存放指令、操作数和中间结果等。寄存器，用于存放指令、操作数和中间结果等。 这三个部分通过微处理器的内部总线相连。这三个部分通过微处理器的内部总线相连。 随着微电子技术的发展，特别是超大规模集成电随着微电子技术的发展，特别是超大规模集成电路技术的发展，微处理器的性能越来越强，工作频率路技术的发展，微处理器的性能越来越强，工作频率越来越高。从越来越高。从IntelIntel公司的世界上第一个四位微处理公司的世界上第一个四位微处理器器40044004，到今天功能强大的，到今天功能强大的Pentium 4Pentium 4，其功能已经，其功能已经与小型、中型乃至大型机相差无几。与小型、中型乃至大型机相

14、差无几。1.3 1.3 微处理器、微计算机、微计算机系统微处理器、微计算机、微计算机系统图1-2 微处理器微计算机是微计算机系统的主体。微计算机的组成可微计算机是微计算机系统的主体。微计算机的组成可以分为以分为4 4个基本部分：个基本部分： 1.1.微处理器微处理器。微处理器是微计算机执行指令的核心部。微处理器是微计算机执行指令的核心部件。件。 2.2.主存储器主存储器。存储器是存储信息的部件，用来存储当。存储器是存储信息的部件，用来存储当前正在使用的程序和数据。前正在使用的程序和数据。 3.3.I/OI/O接口接口。微计算机和外部设备之间的联系是通过。微计算机和外部设备之间的联系是通过I/O

15、I/O接口实现的。如显示器的接口、外存储器的接接口实现的。如显示器的接口、外存储器的接口等。口等。 4.4.总线总线。总线是联系微处理器和其他部件的链路。总。总线是联系微处理器和其他部件的链路。总线分为地址总线、数据总线和控制总线，分别用于线分为地址总线、数据总线和控制总线，分别用于传输地址、数据和控制信息。传输地址、数据和控制信息。图1-3 微计算机微型计算机系统可以分为硬件系统和软件系统。微型计算机系统可以分为硬件系统和软件系统。硬件系统是由微型计算机所包含的基本硬件，硬件系统是由微型计算机所包含的基本硬件，和为用户提供人机交互手段以及大规模数据存储能力和为用户提供人机交互手段以及大规模数

16、据存储能力所配置的外部设备组成。常见的外部设备如键盘、鼠所配置的外部设备组成。常见的外部设备如键盘、鼠标、显示器、硬盘、打印机等等。标、显示器、硬盘、打印机等等。软件系统包括系统软件、编译程序、数据库管理软件系统包括系统软件、编译程序、数据库管理软件和各种应用软件等。系统软件用于有效地管理计软件和各种应用软件等。系统软件用于有效地管理计算机系统的各种资源，合理地组织计算机的工作流程算机系统的各种资源，合理地组织计算机的工作流程, ,并为用户提供友好的人机接口。最常见的系统软件如并为用户提供友好的人机接口。最常见的系统软件如操作系统。操作系统。微计算机系统只有在硬件系统与软件系统相互微计算机系统

17、只有在硬件系统与软件系统相互配合下才能正常而有效地工作。配合下才能正常而有效地工作。图1-4 微计算机系统思考题思考题一、选择题一、选择题1.80861.8086是是( )( )。A.A.单片机单片机 B.B.单板机单板机 C.C.微处理器微处理器 D.D.微机系统微机系统 分析：8086是Intel公司80X86系列微处理器的最早产品。 答案：C2.单片机是( )。A.微处理器B.微型计算机 C.微机系统D.中央处理器 分析：单片机是单片微型计算机，它集成了构成一个微型计算机所必备的微处理器(CPU)、内存储器以及I/O接口。答：B 二、填空题二、填空题1.1.计算机由五大部分组成，分别是、

18、计算机由五大部分组成，分别是、和。、和。 2.702.70年代初，美国年代初，美国IntelIntel公司在世界上首先推出了公司在世界上首先推出了4 4位位并行运算的单片处理器和并行运算的单片处理器和8 8位处理器位处理器。 运算器控制器存储器 输入设备输出设备40044004 8008 8008 5.微处理器由三大部分组成，它们是、和 ，这三部分之间的信息交换是通过来实现的。运算器 控制器 寄存器阵列 总线 随着微电子技术的发展，微型计算机的技术日新月异。微随着微电子技术的发展，微型计算机的技术日新月异。微处理器和其它功能单元遵循摩尔定律，每隔两年集成度和性能处理器和其它功能单元遵循摩尔定律

19、，每隔两年集成度和性能增长一倍，价格却下降一半。增长一倍，价格却下降一半。7070年代初期年代初期,Intel,Intel公司推出第一公司推出第一个通用的个通用的8 8位微处理器位微处理器80808080，它由三片集成电路组成，总的晶，它由三片集成电路组成，总的晶体管数约为体管数约为5 5千个，数据线宽度为千个，数据线宽度为8 8位，地址线为位，地址线为1616位，最大寻位，最大寻址空间址空间64K64K字节。它共有字节。它共有7878条指令，主频只有条指令，主频只有1MHz1MHz。当时微处。当时微处理器组成的微机系统价格十分昂贵理器组成的微机系统价格十分昂贵, ,微处理器控制的电器还十微处

20、理器控制的电器还十分鲜见。仅仅十几年后的今天，分鲜见。仅仅十几年后的今天， 单片的单片的Pentium 4Pentium 4集成了大约集成了大约4 4千千2 2百万个晶体管。百万个晶体管。P4P4是是3232位微处理器，外部数据总线的宽度位微处理器，外部数据总线的宽度为为6464位，最大寻址空间为位，最大寻址空间为64G64G字节，主频高达字节，主频高达2200MHz2200MHz，运行速，运行速度约为每秒度约为每秒3030亿条指令。组成的系统远远超出了早期中型乃至亿条指令。组成的系统远远超出了早期中型乃至大型机的性能。由于价格低廉，使得基于大型机的性能。由于价格低廉，使得基于P4P4的微型计

21、算机可以的微型计算机可以在中小学校以及大学生中普及。谈及微处理器的应用，小至微在中小学校以及大学生中普及。谈及微处理器的应用，小至微处理器控制的玩具、家电、通信设备，大至互联网、用于航空处理器控制的玩具、家电、通信设备，大至互联网、用于航空航天的卫星、火箭控制，在当前信息时代微计算机中无处不航天的卫星、火箭控制，在当前信息时代微计算机中无处不在。下面以在。下面以IntelIntel系列微处理器为例，回顾微计算机发展的历系列微处理器为例，回顾微计算机发展的历程。程。1.4 1.4 微型计算机的发展概况微型计算机的发展概况 第一个通用的第一个通用的8 8位微处理器位微处理器80808080诞生于诞

22、生于19741974年。后来年。后来8085 8085 将将80808080的三片结构集成为一片，并将其优化。的三片结构集成为一片，并将其优化。80858085和其它器件和其它器件接口方便以及中断系统功能完善等特点使它在很长时间内被广接口方便以及中断系统功能完善等特点使它在很长时间内被广泛地应用在计算机控制系统当中。泛地应用在计算机控制系统当中。80808080和和80858085奠定了奠定了80 x8680 x86系系列的雏形。列的雏形。19781978年，年，80 x8680 x86系列的第一代系列的第一代1616位微处理器问世。在位微处理器问世。在8 8位位微处理器中，指令的读取和执行都

23、是串行进行的。微处理器中，指令的读取和执行都是串行进行的。80868086第一次第一次将流水线的思想引进微处理器，实现了指令级的流水。此外，将流水线的思想引进微处理器，实现了指令级的流水。此外，还把对存储器分段管理的机制引入处理器，扩大了处理器寻址还把对存储器分段管理的机制引入处理器，扩大了处理器寻址的能力。的能力。80868086只有整数运算指令，浮点和其它复杂函数的运算只有整数运算指令，浮点和其它复杂函数的运算由协处理器由协处理器80878087完成。和完成。和80868086配套的还有配套的还有I/OI/O处理器处理器80898089。虽。虽然然80868086的功能在当时不算强大。但在

24、的功能在当时不算强大。但在80878087和和80898089的配合组成的的配合组成的系统中，却有较为强大的计算能力和系统中，却有较为强大的计算能力和I/OI/O处理能力。处理器升处理能力。处理器升级为级为1616位以后，为了能和原来丰富的与位以后，为了能和原来丰富的与8 8位处理器配套的器件位处理器配套的器件兼容，兼容，IntelIntel推出了推出了80888088，从而也就出现了应用极其广泛的基，从而也就出现了应用极其广泛的基于于80888088微处理器的微处理器的IBM PC-XTIBM PC-XT以及兼容系统。以及兼容系统。80888088外部的数据外部的数据总线是总线是8 8位的位

25、的, ,内部除了微小的差异以外，和内部除了微小的差异以外，和80868086的结构相同。的结构相同。1.4.1 Intel 1.4.1 Intel 系列微处理器系列微处理器Intel 4004第一章第一章 微型计算机的系统结构与工作原理微型计算机的系统结构与工作原理 1982 1982年，年，8028680286诞生，虽然诞生，虽然8028680286和和80868086都同为都同为1616位处理器，位处理器，8028680286在性能上有了很大的提高。在性能上有了很大的提高。8028680286将将存储器的保护管理模式引入存储器的保护管理模式引入CPUCPU的体系结构，从的体系结构，从802

26、8680286开始，处理器支持实地址模式和虚拟保护模式。基于开始，处理器支持实地址模式和虚拟保护模式。基于8028680286的的IBMIBM个人计算机即个人计算机即IBM PC/ATIBM PC/AT。 8038680386是是Intel Intel 公司公司8585年推出的第一个年推出的第一个3232位微处位微处理器，内部寄存器均为理器，内部寄存器均为3232位，位，3232根地址线，最大地址根地址线，最大地址空间为空间为4G4G字节，字节，386DX386DX包含包含2727万万5 5千个晶体管。在微处千个晶体管。在微处理器内部，理器内部，8038680386增加了系统管理等专用寄存器，

27、集增加了系统管理等专用寄存器，集成了规范的存储管理部件，并按照速度的不同，采用成了规范的存储管理部件，并按照速度的不同，采用了分级的总线结构。了分级的总线结构。8038680386也是第一个支持片外也是第一个支持片外CacheCache的的CPUCPU。因此，基于。因此，基于386386的微计算机系统，总体性能上的微计算机系统，总体性能上有了很大提高。有了很大提高。 80486 80486将将8K8K字节的字节的CacheCache集成在处理器芯片集成在处理器芯片内部，极大的提高存储器访问的速度。内部，极大的提高存储器访问的速度。486486采采用了取指、两级译码、执行和写回五级流水，用了取指

28、、两级译码、执行和写回五级流水，在流水线上多数指令的执行一个时钟周期就能在流水线上多数指令的执行一个时钟周期就能完成。虽然，首批完成。虽然，首批486486的主频从的主频从386DX386DX的的20MHz20MHz仅提高到了仅提高到了25MHz25MHz，指令的执行速度却提高了，指令的执行速度却提高了3 3倍多，从倍多，从386386的的6MIPS6MIPS（每秒百万指令流）提高（每秒百万指令流）提高到到20MIPS20MIPS。从。从8048680486开始，数值运算协处理器开始，数值运算协处理器被集成在主处理器内部，意味着处理器功能的被集成在主处理器内部，意味着处理器功能的又一进步。又一

29、进步。 九十年代初，九十年代初，PentiumPentium微处理器问世微处理器问世, ,这个这个3232位的位的微处理器把外部数据总线的宽度扩充到微处理器把外部数据总线的宽度扩充到6464位，也就是位，也就是说处理器每次可以传送说处理器每次可以传送8 8个字节。个字节。PentiumPentium内部集成了内部集成了8KB8KB的代码的代码CacheCache和和8KB8KB的数据的数据Cache,Cache,独立的代码独立的代码CacheCache和数据和数据CacheCache避免了同时进行取指和读写操作数时产避免了同时进行取指和读写操作数时产生的生的CacheCache访问冲突。访问冲

30、突。PentiumPentium采用了超标量流水线和采用了超标量流水线和指令分支预测技术指令分支预测技术, ,集成了高性能的浮点处理单元。集成了高性能的浮点处理单元。多数情况下多数情况下, ,超标量流水线每个时钟周期可以执行两超标量流水线每个时钟周期可以执行两条整型指令和一条浮点处理指令。整数处理能力比条整型指令和一条浮点处理指令。整数处理能力比486486提高两倍，浮点处理能力比提高两倍，浮点处理能力比486486提高提高5-105-10倍。图倍。图1-1-4 4是不同频率下是不同频率下80386 80386 到到 PentiumPentium的性能比较图。从的性能比较图。从图中可以看出，相

31、同频率（图中可以看出，相同频率（100MHz100MHz）的）的PentiumPentium比比80486 iCOMP80486 iCOMP指数提高指数提高2 2倍。倍。 继继IntelIntel第五代微处理器第五代微处理器PentiumPentium之后，第六代微之后，第六代微处理器处理器Pentium ProPentium Pro在在2 2年以后面世。年以后面世。Pentium ProPentium Pro处处理器内部同时集成了理器内部同时集成了16KB16KB的的L1 CacheL1 Cache和和256/512KB256/512KB的的L2 CacheL2 Cache。并通过指令乱序执

32、行以及重排序缓冲器进。并通过指令乱序执行以及重排序缓冲器进一步提高指令级的并行性。一步提高指令级的并行性。Pentium ProPentium Pro的首批的首批CPUCPU频频率就达到率就达到200MHz200MHz，性能为，性能为440MIPS440MIPS。 19971997年，年，Pentium IIPentium II处理器诞生，处理器诞生，PIIPII内部内部L1L1级级指令指令CacheCache和数据和数据CacheCache分别增加到分别增加到16MB16MB，内部，内部L2L2级级CacheCache仍为仍为256/512KB256/512KB。它在超标量流水线结构中增强。

33、它在超标量流水线结构中增强了了MMXMMX指令的处理能力。从指令的处理能力。从PIIPII开始采用了双独立总线开始采用了双独立总线结构结构, ,一条用于连接处理器内核和一条用于连接处理器内核和L2 Cache,L2 Cache,一条连接一条连接系统总线系统总线, ,处理器可以在处理器可以在2 2条总线上同时传送数据。条总线上同时传送数据。 Pentium III Pentium III在在PIIPII的基础上进一步提高了性能，的基础上进一步提高了性能，它的集成度达到它的集成度达到820820万晶体管，第一批万晶体管，第一批CPUCPU的主频为的主频为500MHz500MHz，运行速度为，运行速

34、度为1000MIPS1000MIPS。P IIIP III的最高频率为的最高频率为1.40GHz1.40GHz。P IIIP III具有具有256 bit256 bit宽的宽的CacheCache数据总线，它数据总线，它增加了增加了128128位的位的SIMDSIMD（单指令多数据）寄存器，用于（单指令多数据）寄存器，用于Internet Internet 流式流式 SIMD SIMD 扩展。扩展。P IIIP III还增强了动态执行还增强了动态执行的微结构。的微结构。P4P4采用了混合流水线技术和快速执行引擎，增强采用了混合流水线技术和快速执行引擎，增强的浮点和多媒体单元。的浮点和多媒体单元

35、。P4P4的的L1L1级级CacheCache增加了增加了12K12K的执的执行跟踪行跟踪Cache Cache ，系统总线达到，系统总线达到400 MHz400 MHz。 P4P4的主频达的主频达到到2200MHz2200MHz，指令执行速度高达，指令执行速度高达3000MIPS3000MIPS。Socket 478接口的Pentium 4处理器 Socket 478接口Socket 478接口的Pentium 4处理器的Pentium 4处理器 Intel Core 2 Duo Intel Core 2 Duo 微处理器微处理器 通用微型计算机的硬件由五个部分组成：通用微型计算机的硬件由五

36、个部分组成： 中央中央处理器、处理器、 内存储器、内存储器、 外存储器、外存储器、 输入输入/ /输出设备和输出设备和总线。图总线。图 1- 3 1- 3 所示为通用微型计算机系统结构。所示为通用微型计算机系统结构。1. 1. 内存储器内存储器 微型计算机系统的内存储器由大规模集成电路芯微型计算机系统的内存储器由大规模集成电路芯片（片（LSILSI）或超大规模集成电路芯片）或超大规模集成电路芯片(VLSI)(VLSI)构成构成, ,主要主要用来存储数据和程序。内存储器中存放着两类信息：用来存储数据和程序。内存储器中存放着两类信息：一类是待处理的数据和运算结果，另一类是处理数据一类是待处理的数据

37、和运算结果，另一类是处理数据的程序。的程序。 待处理的数据有不同类型待处理的数据有不同类型: : 数值计算的原数值计算的原始数据为一般数值型数据；文字处理的原始数据为字始数据为一般数值型数据；文字处理的原始数据为字符型数据；符型数据； 而图像处理方面的原始数据则为像素等而图像处理方面的原始数据则为像素等等。等。 程序也依用途、程序也依用途、 功能和数据类型不同而不同。功能和数据类型不同而不同。1.5 1.5 微型计算机的硬件系统微型计算机的硬件系统只读存储器，用来存储微机系统管理程序只读存储器，用来存储微机系统管理程序BIOS等等(芯片制造时写入芯片制造时写入)。只能读出，不能。只能读出，不能

38、写入。写入。随机存储器，用来暂时存储用户输入的数据随机存储器，用来暂时存储用户输入的数据与程序。可随机地读出与写入。与程序。可随机地读出与写入。 整个微机的核心是微处理器整个微机的核心是微处理器(up, MPU)，也，也称称CPU。它包含算术逻辑部件。它包含算术逻辑部件ALU、寄存器组、寄存器组及控制部件。及控制部件。ALU ： 算术运算、逻辑运算算术运算、逻辑运算寄寄 存存 器：存放操作数、中间结果、地址、标器：存放操作数、中间结果、地址、标志等信息志等信息控制部件：整个机器控制中心，包括程序计控制部件：整个机器控制中心，包括程序计数器数器IP、指令寄存器、指令寄存器IR、指令译、指令译码器

39、码器ID、控制信息产生电路。、控制信息产生电路。微型计算机常用的输入设备有键盘、鼠标、微型计算机常用的输入设备有键盘、鼠标、数字化仪、图像扫描仪、数码相机等。数字化仪、图像扫描仪、数码相机等。微型计算机常用的输出设备有微型计算机常用的输出设备有CRT显显示器、打印机和绘图仪等。示器、打印机和绘图仪等。由于各种外设的工作速度、驱动方式差别由于各种外设的工作速度、驱动方式差别很大，无法与很大，无法与CPU直接匹配，所以不可能把它们简单直接匹配，所以不可能把它们简单地连到系统总线，需要有一个接口电路充当它们和地连到系统总线，需要有一个接口电路充当它们和CPU间的桥梁，通过该电路完成信号的变换、数据的

40、间的桥梁，通过该电路完成信号的变换、数据的缓冲、与缓冲、与CPU联络等工作。在微机系统中，较复杂的联络等工作。在微机系统中，较复杂的I/O接口电路一般都做在电路板上，这种电路板又称为接口电路一般都做在电路板上，这种电路板又称为“卡卡(Card)”，由卡的一侧，由卡的一侧 引出连接外界的插座，另一引出连接外界的插座，另一侧侧 做成插入端，只要将它们插入总线槽做成插入端，只要将它们插入总线槽(I/O通道通道)就连就连到了系统总线。到了系统总线。 所谓所谓“总线总线”，是指传递信息的一组公用，是指传递信息的一组公用导线。系统总线导线。系统总线(System Bus)是指从处理器子系是指从处理器子系统

41、引出的若干信号线，统引出的若干信号线，CPU通过它们与存储器通过它们与存储器和和I/O设备进行信息交换。系统总线一般分为三设备进行信息交换。系统总线一般分为三组：组：数据总线：数据总线：DB(Data Bus)地址总线：地址总线：AB(Address Bus)控制总线：控制总线：CB(Control Bus)地址总线地址总线(Address Bus)： 传送地址信息、传送地址信息、CPU在在AB总线上输出将总线上输出将要访问的内存单元或要访问的内存单元或I/O端口地址、该总线为端口地址、该总线为单向，地址总线的位数决定了单向，地址总线的位数决定了CPU可以直接可以直接寻址的内存单元范围。寻址的

42、内存单元范围。数据总线数据总线(Data Bus)： 传送数据信息的总线。在传送数据信息的总线。在CPU进行读操进行读操作时，内存或外设的数据通过作时，内存或外设的数据通过DB总线送往总线送往CPU；在；在CPU进行写操作时，进行写操作时，CPU数据通过数据通过DB总线送往内存或外设，所以该总线为双向总线送往内存或外设，所以该总线为双向总线。总线。控制总线控制总线(Control Bus)： 传送控制信息的总线。其中，有些信号传送控制信息的总线。其中，有些信号线将线将CPU的控制信号和状态信号送往外设，的控制信号和状态信号送往外设，外设请求或联络信号送往外设请求或联络信号送往CPU，个别信号线

43、，个别信号线兼有以上两种情况。所以在讨论控制总线的兼有以上两种情况。所以在讨论控制总线的传送方向时要具体到某一个信号，它们可能传送方向时要具体到某一个信号，它们可能是输出、输入或者双向的。是输出、输入或者双向的。系统总线使用特点：系统总线使用特点：(1) 在某一时刻，只能由一个总线主控设在某一时刻，只能由一个总线主控设备控制系统总线，其他总线主控设备必须放备控制系统总线，其他总线主控设备必须放弃对总线的控制。弃对总线的控制。(2) 在连接系统的各个设备中，某一时刻在连接系统的各个设备中，某一时刻只能有一个发送者向总线发送信号，但可以只能有一个发送者向总线发送信号，但可以有多个设备从总线同时获得

44、信号。有多个设备从总线同时获得信号。是一种用于控制的微处理器芯片，其组成是一种用于控制的微处理器芯片，其组成实际是由微型计算机的实际是由微型计算机的CPU、部分存储器和输、部分存储器和输入入/输出接口等部件集成在一块芯片上。换句话输出接口等部件集成在一块芯片上。换句话说，一个单片机几乎就是一个专用的计算机，说，一个单片机几乎就是一个专用的计算机，只要配上少量的外部电路和设备就可以构成具只要配上少量的外部电路和设备就可以构成具体的应用系统。体的应用系统。(1).单片微型机单片微型机(单片机单片机)： 常用于家用电常用于家用电器、智能化仪表、器、智能化仪表、工业测量。工业测量。7. 微型机类型微型

45、机类型(2).单板微型机单板微型机(单板机单板机)：把微处器芯片、存储器芯片、把微处器芯片、存储器芯片、I/O接口芯片接口芯片和小键盘、数码显示器等必要的输入和小键盘、数码显示器等必要的输入/输出设备输出设备装配在一块印刷电路板上就构成了单板微型计算装配在一块印刷电路板上就构成了单板微型计算机系统。机系统。常用于过程控制。常用于过程控制。 计算机软件系统（简称软件）应包括计算机运行计算机软件系统（简称软件）应包括计算机运行所需的各种程序、数据、文件、手册和有关资料。凡所需的各种程序、数据、文件、手册和有关资料。凡不配软件的计算机称为不配软件的计算机称为“裸机裸机”。 软件可分为系统软件和应用软

46、件两大类。系统软软件可分为系统软件和应用软件两大类。系统软件用来支持应用软件的开发与运行，它包括操作系统、件用来支持应用软件的开发与运行，它包括操作系统、实用程序和语言处理程序。应用软件是用来为用户解实用程序和语言处理程序。应用软件是用来为用户解决某种应用问题的程序及有关的文件和资料。决某种应用问题的程序及有关的文件和资料。 硬件、系统软件和应用软件相互之间的关系如图硬件、系统软件和应用软件相互之间的关系如图 1- 6 1- 6 所示。所示。 图中表明计算机的基础是硬件，在此基图中表明计算机的基础是硬件，在此基础上建造了一层系统软件（操作系统和应用程序），础上建造了一层系统软件（操作系统和应用

47、程序），再在系统软件的基础上又建造各种语言处理程序。在再在系统软件的基础上又建造各种语言处理程序。在此基础上，应用软件的开发与运行就十分方便。此基础上，应用软件的开发与运行就十分方便。 最最外层是用户，用户通过应用软件使用计算机。外层是用户，用户通过应用软件使用计算机。 用户用户与应用软件之间通过键盘、显示器等设备与计算机通与应用软件之间通过键盘、显示器等设备与计算机通信。信。 1.6 1.6 微型计算机的软件系统微型计算机的软件系统图1-5 微型计算机层次结构1. 1. 操作系统操作系统 在管理计算机各模块协调动作的程序中，规模较大、在管理计算机各模块协调动作的程序中，规模较大、功 能 较

48、强 、 结 构 复 杂 的 程 序 称 为 操 作 系 统功 能 较 强 、 结 构 复 杂 的 程 序 称 为 操 作 系 统（Operating SystemOperating System）。而简单一些的管理程序（如）。而简单一些的管理程序（如单 板 机 管 理 程 序 ） 称 为 监 控 程 序 （单 板 机 管 理 程 序 ） 称 为 监 控 程 序 （ M o n i t o r M o n i t o r ProgramProgram）。不管是操作系统还是监控程序，）。不管是操作系统还是监控程序， 其主要其主要作用有两点：作用有两点： (1) (1) 方便用户使用计算机。操作系统

49、为使用者提供方便用户使用计算机。操作系统为使用者提供一套方便地使用整个系统的手段，一套方便地使用整个系统的手段， 因此，可把操作因此，可把操作系统看作是用户和计算机系统间的接口。系统看作是用户和计算机系统间的接口。 (2) (2) 提高计算机使用效率。用户通过操作系统提供提高计算机使用效率。用户通过操作系统提供一套功能很强的命令（操作系统语言），调用有关程一套功能很强的命令（操作系统语言），调用有关程序来使用计算机。序来使用计算机。 为此，用户在不需要熟悉计算机为此，用户在不需要熟悉计算机硬件的情况下，只要熟悉操作系统的各种命令就能方硬件的情况下，只要熟悉操作系统的各种命令就能方便高效地使用计

50、算机。便高效地使用计算机。 操作系统实际上是一个相当大的程序系统，操作系统实际上是一个相当大的程序系统， 它本身它本身又由许多程序组成，又由许多程序组成， 这些程序分别管理磁盘、输入这些程序分别管理磁盘、输入输出、输出、CPUCPU、内存储器以及处理中断等等。此外，、内存储器以及处理中断等等。此外，各种实用程序、语言处理程序以及应用程序都在操作各种实用程序、语言处理程序以及应用程序都在操作系统的管理和控制下运行。系统的管理和控制下运行。 操作系统把所有的硬件操作系统把所有的硬件和软件都协调地管理起来使计算机各个部件协调地按和软件都协调地管理起来使计算机各个部件协调地按要求发挥自己的作用。要求发

51、挥自己的作用。 操作系统通常都由生产厂家操作系统通常都由生产厂家提供，例如常用单用户操作系统提供，例如常用单用户操作系统MSCDMSCD* *2DOS2DOS，分时、，分时、多用户多用户UNIXUNIX系统以及基于图形用户界面的系统以及基于图形用户界面的Windows 95Windows 95、 Windows 98Windows 98和和Windows 2000Windows 2000等。等。 2. 语言处理程序 计算机语言是人与计算机进行交流的工具。人们将需要计算机完成的工作编成程序，准确地告诉计算机。计算机只懂得机器语言，而用机器语言编制程序非常麻烦，且效率低，易出错， 读起来也非常困难

52、。为此，人们很自然想到利用计算机本身的分析处理能力，让它承担繁琐乏味的工作。最初人们把指令的操作码和地址码都用易于记忆的助记符表示，以摆脱二进制的麻烦， 这就是汇编语言。它比直接采用机器语言编制程序要方便些， 但还不够，于是人们又想到一种接近人的思维习惯，易于人所理解和描述解题方法的程序设计语言，这就是所谓高级语言。机器语言和汇编语言称为低级语言。经过不断完善发展，高级语言有两百多种，其中被广泛使用的有BASIC、FORTRAN、COBOL、 PASCAL、C语言、VB、Java和C+等十多种语言。 3. 3. 应用软件应用软件 操作系统和语言处理程序均属系统软件范围，操作系统和语言处理程序均

53、属系统软件范围， 它为用户提供了一个良好的开发和使用环境，使应用它为用户提供了一个良好的开发和使用环境，使应用软件的开发、使用更容易，效率也更高。但系统软件软件的开发、使用更容易，效率也更高。但系统软件本身不能用于解决某些特定的应用问题。专为解决某本身不能用于解决某些特定的应用问题。专为解决某些特定问题而设计的软件称为应用软件。些特定问题而设计的软件称为应用软件。 不管计算不管计算机的硬件和系统软件多么好，若没有完成特定任务的机的硬件和系统软件多么好，若没有完成特定任务的应用软件，整个计算机系统将毫无用处。要开发具有应用软件，整个计算机系统将毫无用处。要开发具有实用意义的应用软件并不容易，编制

54、一个较复杂的应实用意义的应用软件并不容易，编制一个较复杂的应用软件要花费相当可观的人力、物力和时间。较好的用软件要花费相当可观的人力、物力和时间。较好的方法是尽量选用商品化的应用软件包，以避免重复劳方法是尽量选用商品化的应用软件包，以避免重复劳动。动。 微型计算机性能优劣由它的系统结构、指令系统、微型计算机性能优劣由它的系统结构、指令系统、硬件组成、外部设备以及软件配备是否齐全等因素决硬件组成、外部设备以及软件配备是否齐全等因素决定。只有综合各项指标，才能正确评价与衡量计算机定。只有综合各项指标，才能正确评价与衡量计算机性能高低。下面介绍几项主要评估指标。性能高低。下面介绍几项主要评估指标。 1. CPU1. CPU字长字长 计算机的字长决定了计算机内部一次可以处理的计算机的字长决定了计算机内部一次可以处理的二进制代码的位数。它决定着计算机的通用寄存器、二进制代码的位数。它决定着计算机的通用寄存器、加法器、数据总线等部件位数，因此，它的长短直接加法器、数据总线等部件位数，因此，它的长短直接影响硬件成本。影响硬件成本。 字长越长，一个字所能表示的数据精度就越高。字长越