第一章 微機基本組成與工作原理

1、前言 “微機組成與工作原理” 是電氣信息類本科生教學的主要學科基礎(chǔ)課之一，是自動控制、工業(yè)自動化、電氣技術(shù)、電力系統(tǒng)及其自動化、自動化儀表等自動化類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是無線電類、機械類等其它許多非自動化類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。 本課程緊密結(jié)合電氣信息類的專業(yè)特點，圍繞微型計算機原理和應(yīng)用主題，以Intelx86CPU為主線，系統(tǒng)介紹微型計算機的基本知識、基本組成、體系結(jié)構(gòu)和工作模式，從而使學生能較清楚的了解微機的結(jié)構(gòu)與工作流程，建立起系統(tǒng)的概念。在此基礎(chǔ)上，課程詳細介紹了微機中的常用接口電路原理和應(yīng)用技術(shù)，并對現(xiàn)代微機系統(tǒng)中涉及的總線技術(shù)、高速緩存技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸方法、高性能計算機的

2、體系結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)作了簡要分析。 課程通過課堂教學和一定量的實驗教學相結(jié)合，使學生建立起“程序存儲和程序控制”的牢固概念，培養(yǎng)學生進行微機擴展的應(yīng)用能力和獨立分析問題、解決問題的能力。通過系統(tǒng)的實踐教學鍛煉，使學生具有一定的軟硬件開發(fā)能力，為未來的工作和后繼課程的學習打下基礎(chǔ)。通過本課程的學習，使學生了解微型計算機系統(tǒng)的特點、工作原理和組織結(jié)構(gòu)，建立起“程序存儲和程序控制”的牢固概念，掌握微型計算機接口技術(shù)的基本原理和方法，培養(yǎng)學生進行微機擴展的應(yīng)用能力和獨立分析問題、解決問題的能力。通過系統(tǒng)的實踐教學鍛煉，使學生具有一定的軟硬件開發(fā)能力，為開發(fā)和應(yīng)用微型計算機系統(tǒng)打下良好的理論和實踐基礎(chǔ)。

3、第一章 微機基本組成與工作原理11 微型計算機概況微型計算機屬于第四代電子計算機產(chǎn)品，即大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路計算機，是繼承電路技術(shù)不斷發(fā)展，芯片集成度不斷提高的產(chǎn)物。我們知道，主機按體積、性能和價格分為巨型機、大型機、中型機、小型機和微型機五類，從其工作原理上來講，微型機與其它幾類計算機并沒有本質(zhì)上的差別。所不同的是由于微機采用了集成度較高的器件，使得其在結(jié)構(gòu)上具有獨特的特點，即將組成計算機硬件系統(tǒng)的兩大核心部分運算器和控制器，集成在一片集成電路芯片上，構(gòu)成了整個微機系統(tǒng)的核心，稱為中央處理器CPU，或者微處理器MPU。在微處理器的基礎(chǔ)上，可以進一步構(gòu)成微型計算機、微型計算機系統(tǒng)。微處理器

4、即CPU,是微型機的主要核心部件,由運算器和控制器集成而成，構(gòu)成微機的運算中心和控制中心。微型計算機由微處理器、接口、I/O設(shè)備通過總線連接而成，是屬于微機的硬件組成，必須配置上軟件，才能發(fā)揮作用。微型計算機系統(tǒng)由硬件和軟件構(gòu)成，硬件由微處理器、接口、I/O設(shè)備通過總線連接而成。軟件由系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件構(gòu)成。硬件是基礎(chǔ)，軟件是靈魂，計算機的功能只有在硬件基礎(chǔ)上通過軟件才能發(fā)揮。微處理器、微型計算機、微型計算機系統(tǒng)的組成及相互關(guān)系見圖1-1。圖 1-1 微處理器、微型計算機、微型計算機系統(tǒng)構(gòu)成圖1.1.2 微型計算機的分類 按照組裝形式和系統(tǒng)規(guī)模，可以把微型計算機劃分為單片機、單板機和個人計算機

5、。1.單片機將CPU、部分存儲器、部分I/O接口集成在一個芯片上，就構(gòu)成單片機，見圖1-2。單片機圖1-2 單片機組成結(jié)構(gòu)圖2.單板機將CPU、存儲器、I/O接口及部分I/O設(shè)備安裝在一個印刷線路上,就構(gòu)成了單板機。單板機主要用在過程控制中。單板機組成結(jié)構(gòu)見圖1-2。圖1-2 單板機組成結(jié)構(gòu)圖3. 個人計算機PC個人計算機PC：在主板上連接CPU、存儲器、I/O接口，再配置上外設(shè)而成。PC個人計算機一詞源自于1978年IBM的第一部桌上型計算機型號PC，在此之前有Apple II的個人用計算機。個人計算機能獨立運行、完成特定功能。今天，個人計算機一詞則泛指所有的個人計算機、如桌上型計算機、筆記

6、型計算機、或是兼容于IBM系統(tǒng)的個人計算機等。 PC機與蘋果機同屬于微型計算機 ,但蘋果機只是獨家生產(chǎn)，而IBM公司卻將其產(chǎn)品的各個模塊組件的標準予以公布，從而其他公司可以根據(jù)這些接口標準生產(chǎn)具備兼容性的計算機，簡稱兼容機 。單片機、單板機、個人計算機同屬于微型計算機，其差別不過是配置多少而已，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)都基本相同，要了解微機的基本構(gòu)成及功能，可以通過微型計算機的結(jié)構(gòu)組成、原理組成、概念組成三個方面來學習。1.2 微型計算機的結(jié)構(gòu)組成典型的微機硬件系統(tǒng)包括主機、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、存儲設(shè)備和功能卡（顯卡、聲卡、網(wǎng)卡、視屏卡等）。整個硬件系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu)，總線主要位于主板上，各部分之間通過總線連

7、接，構(gòu)成一個有機整體。1主板主板是一塊印刷電路板，安裝在微機機箱內(nèi)。主板主要由CPU插座、內(nèi)存條插槽、總線擴展槽、電源轉(zhuǎn)換器件、芯片組、外設(shè)接口等組成。如圖1-3所示，在主板上可以安裝CPU、內(nèi)存條、聲卡、網(wǎng)卡、顯示卡、硬盤、軟驅(qū)和光驅(qū)等硬件設(shè)備。主板的作用是通過系統(tǒng)總線插槽和各種外設(shè)接口，將微機中的各部件緊密地聯(lián)系在一起，是中央處理器（即CPU）與其他部件連接的橋梁。主板是屬于微機的總線，是傳輸信息的高速公路，為了實現(xiàn)微機與其它非外設(shè)的連接，主板設(shè)置有并行接口、串行接口、USB接口、鍵盤鼠標接口，如果是集成主板，則還有RJ45LAN網(wǎng)線接口，喇叭、話筒連接接口，顯示器連接接口。見圖1-4。U

8、SB接口，可以串接一組低速設(shè)備到一個統(tǒng)一的USB接口上,支持功能傳遞，而其通信功能不會受到絲毫影響。USB接口本身就可以提供電力來源，因此外設(shè)可以沒有外接電源線。 USB接口支持即插即用功能，用戶可以完全擺脫添加或去除外設(shè)時總要重新開機的麻煩。PCI插槽AGP插槽硬盤或光驅(qū)的連接處外設(shè)接口CPU插座內(nèi)存插槽芯片組圖1-3 主板組成PS2鍵盤、鼠標接口并行接口串行接口四個USB接口RJ45LAN接口圖1-4 主板接口2微處理器CPUCPU即中央處理單元，也稱微處理器，是整個微機系統(tǒng)的核心部件，CPU由運算器和控制器組成。運算器主要完成各種算術(shù)運算和邏輯運算，控制器不具有運算功能，它是微機運行的指

9、揮中心，它按照程序指令的要求，有序地向各個部件發(fā)出控制信號，使微機有條不紊地運行。 CPU品質(zhì)的高低直接決定了一個計算機系統(tǒng)的檔次。衡量CPU品質(zhì)的一個重要指標是主頻，主頻標志著計算機的處理速度，以兆赫茲（MHz）為單位，主頻越高，CPU的處理速度越快。 3顯卡顯示卡又稱圖形加速卡，其主要作用是控制計算機圖形輸出，它工作在CPU和顯示器之間，是CPU與顯示器之間的接口電路，是微機主機與顯示器連接的橋梁，顯示器只有在顯示卡及其驅(qū)動程序的支持下，才能顯示出色彩艷麗的畫面。顯示器的顯示方式是由顯示卡來控制的。顯示卡必須有顯示存儲器（VRAM），顯存越大，顯示卡所能顯示的色彩越豐富，分辨率就越高顯示卡

10、從系統(tǒng)總線類型上可分為ISA、EISA、VESA、PCI和AGP。4網(wǎng)卡網(wǎng)卡也叫網(wǎng)絡(luò)適配器，是計算機與網(wǎng)絡(luò)連接的接口電路。利用網(wǎng)卡可以實現(xiàn)計算機與網(wǎng)絡(luò)的連接與通訊。 5聲卡聲卡是多媒體微機中不可缺少的部件。聲卡提供了錄制、編輯和回放數(shù)字音頻以及進行MIDI音樂合成的功能，玩游戲、播放CD、VCD、DVD都需要聲卡的支持。聲卡能將話筒或音響設(shè)備輸入的聲音數(shù)字化，存儲進計算機；聲卡還能將計算機處理過的數(shù)字語音還原為模擬信號聲音，從喇叭輸出。6視頻卡視頻卡用來處理運動圖像（如25幀/秒）等視頻信息，可以將攝像機送來的視頻通過采樣、量化、編碼壓縮等方式轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，還能視頻 數(shù)字信息還原成聲音、圖像

11、等模擬信息，通過喇叭、錄像機、顯示器模擬輸出。視頻卡功能見示意圖1-5。存儲器見第三章介紹，I/O設(shè)備見第四章介紹。圖1-5 視頻卡功能示意圖13 微型計算機的原理組成目前的各種微型計算機系統(tǒng)，從硬件體系結(jié)構(gòu)來看，采用的基本上屬于計算機的經(jīng)典結(jié)構(gòu)-馮諾依曼結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)特點是： 計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大部件組成； 指令和數(shù)據(jù)以同一形式（二進制）順序存于存儲器中，并可按地址訪問； 指令由操作碼和地址碼組成，在存儲器中按順序存放。通過控制器中設(shè)置的程序計數(shù)器PC提供的指令地址，控制下計算機自動執(zhí)行程序。現(xiàn)代計算機對馮羅伊曼機及進行了許多改進，其中最重要的是該以運算器為中

12、心為以存儲器為中心。存儲器輸入設(shè)備運算器輸出設(shè)備控制器結(jié)果數(shù)據(jù)指令程序數(shù)據(jù)計算結(jié)果 圖1-6 以運算器為中心的馮諾依曼機組成框圖n 以運算器為中心的計算機結(jié)構(gòu)中，輸入的程序和數(shù)據(jù)必須通過運算器存入存儲器中，存儲器中的結(jié)果也必須通過運算器送到輸出設(shè)備。n 以存儲器為中心的計算機結(jié)構(gòu)中，輸入的程序和數(shù)據(jù)可以不通過運算器直接存入存儲器，存儲器中的結(jié)果也可以不通過運算器送到輸出設(shè)備。1.3 微型計算機的概念組成n 微型計算機的概念組成的含義是微機是在總線上直接連接CPU、存儲器，而I/O設(shè)備由于其速度、信號等不匹配，而通過I/O接口與總線連接，實現(xiàn)CPU與I/O設(shè)備的聯(lián)系。連接圖見圖1-7所示。圖1-

13、7 微型計算機概念性結(jié)構(gòu)圖所謂總線，是連接多個功能部件或多個裝置的一組公共信號線。按在系統(tǒng)中的不同位置，總線可以分為內(nèi)部總線和外部總線。內(nèi)部總線是CPU內(nèi)部各功能部件和寄存器之間的連線；外部總線是連接系統(tǒng)的總線，即連接CPU、存儲器和I/O接口的總線，又稱為系統(tǒng)總線。微型計算機采用了總線結(jié)構(gòu)后，系統(tǒng)中各功能部件之間的相互關(guān)系變?yōu)楦鱾€部件面向總線的單一關(guān)系。一個部件只要符合總線標準，就可以連接到采用這種總線標準的系統(tǒng)中，使系統(tǒng)的功能可以很方便地得以發(fā)展，微型機中目前主要采用的外部總線標準有：PC總線，ISA總線，PCI總線等。連接微機個部件的總線是由地址線、數(shù)據(jù)線、控制線組成。地址總線(Addr

14、ess Bus) 地址總線是微型計算機用來傳送地址信息的信號線。地址總線的位數(shù)決定了CPU可以直接尋址的內(nèi)存空間的大小。因為地址總是從CPU發(fā)出的，所以地址總線是單向的、三態(tài)總線。單向指信息只能沿一個方向傳送，三態(tài)指除了輸出高、低電平狀態(tài)外，還可以處于高阻抗狀態(tài)（浮空狀態(tài)）。數(shù)據(jù)總線(Data Bus)數(shù)據(jù)總線是CPU用來傳送數(shù)據(jù)信息的信號線（雙向、三態(tài)）。數(shù)據(jù)總線是雙向三態(tài)總線，即數(shù)據(jù)既可以從CPU送到其它部件，也可以從其它部件傳送給CPU，數(shù)據(jù)總線的位數(shù)和處理器的位數(shù)相對應(yīng)?？刂瓶偩€(Control Bus)控制總線是用來傳送控制信號的一組總線。這組信號線比較復雜，由它來實現(xiàn)CPU對外部功

15、能部件（包括存儲器和I/O接口）的控制及接收外部傳送給CPU的狀態(tài)信號，不同的微處理器采用不同的控制信號?？刂瓶偩€的信號線，有的為單向，有的為雙向或三態(tài)，有的為非三態(tài)，取決于具體的信號線。1.4 微型計算機的基本工作原理微型計算機工作是在操作系統(tǒng)軟件控制下，由人通過鍵盤、鼠標等輸入設(shè)備將要運行的程序、數(shù)據(jù)輸入到計算機存儲器，然后通過運行程序完成的。在整個計算機工作過程中，要注意： 計算機不論做什么工作都必須把要完成的任務(wù)轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的計算機程序，并在計算機上運行才能任務(wù)。 為了方便編程，現(xiàn)在計算機上程序普遍采用接近人類自然習慣的高級語言編寫，但計算機硬件只接受和運行機器語言程序，所以運行前必須通

16、過編譯程序（翻譯程序）轉(zhuǎn)化為機器語言程序計算機才能運行。 整個計算機運行過程是主要由操作系統(tǒng)軟件控制進行。操作系統(tǒng)相當于計算機的一個管家，負責管理計算機的各種部件，并把人交給的任務(wù)協(xié)調(diào)各部件優(yōu)質(zhì)、高效的做好運行準備工作，在控制器的控制下完成任務(wù)。 不論什么程序，運行前必須存入內(nèi)存，現(xiàn)在這個工作已經(jīng)由操作系統(tǒng)負責完成。由于微機的組成結(jié)構(gòu)比較復雜，在很短時間我們無法很清楚了解微機的基本工作原理，所以，我們采用一個簡化的寄存器級最簡結(jié)構(gòu)的微機作為運行平臺，通過在上面運行一個比較簡單方程來了解整個微機的執(zhí)行過程，麻雀雖小，肝膽俱全，通過這個簡單微機我們對微機的基本工作原理，有一定的了解。141 簡單微

17、機基本組成如圖1-9所示，是簡單寄存器級微機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。其中：MDRI/O接口I/o設(shè)備ACCMQALUXIRPCMARCPU控制單元CU存儲體M運算器控制器主存儲器圖1-10 一臺寄存器級計算機的最簡結(jié)構(gòu)圖 運算器運算器部件是計算機中進行數(shù)據(jù)加工的部件，由三個寄存器累加器、乘商寄存器、操作數(shù)寄存器X和ALU組成，運算需個操作數(shù)，分別來自和寄存器，運算結(jié)果保存到及寄存器。運算器通常也是計算機CPU內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐?。其主要部件包括?ALU：執(zhí)行數(shù)值數(shù)據(jù)的算術(shù) 加 減 乘 除 等運算及 執(zhí)行邏輯數(shù)據(jù)的與、或、非等邏輯運算。 ACC累加器和X寄存器：暫時存放參加運算的數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。 MQ寄存

18、器：支持快速乘除法運算的帶有移位功能的乘商寄存器 。 2控制器 控制器由控制單元CU、指令部件、時序部件、PC、IR等組成。指令部件由指令寄存器IR、程序計數(shù)器PC、指令譯碼器ID組成?？刂破魍瓿梢粭l指令的“取指、分析、執(zhí)行”。PC 存放當前欲執(zhí)行指令的地址，具有計數(shù)功能（PC）+ 1 PC。IR 存放當前欲執(zhí)行的指令。CU控制單元接受IR送來的操作碼OP（IR），分析指令，產(chǎn)生控制信號，加到控制對象，完成指令要求完成任務(wù)。指令譯碼器ID將指令進行譯碼，產(chǎn)生完成指令所需要的控制信號。時序部件對指令譯碼器產(chǎn)生的控制信號，使控制信號按照一定有效時間，分時、分批產(chǎn)生，從而控制各部件協(xié)調(diào)動作，完成運算

19、任務(wù)。3存儲器完成程序、數(shù)據(jù)、地址碼的存儲，具有讀出和寫入兩種操作；存儲器有地址寄存器MAR、數(shù)據(jù)緩沖寄存器MDR和存儲陣列組成。CPU要訪問的內(nèi)存地址先送到MAR，再送到存儲陣列來選中某個內(nèi)存單元。CPU寫入和讀出的內(nèi)存指令和數(shù)據(jù)都要經(jīng)過MDR的緩沖。4I/O接口和I/O設(shè)備I/O設(shè)備完成程序、數(shù)據(jù)的輸入/輸出操作；I/O接口完成I/O設(shè)備與主機之間的連接。每一種外設(shè)都通過自己的I/O接口與主機聯(lián)系。I/O設(shè)備通過I/O接口接受CU發(fā)出的各種控制命令完成相應(yīng)的I/O操作。 142 簡單微機基本工作原理舉例：在簡單微機上完成計算ax2+bx+c的計算（一）上機前的準備工作1. 建立數(shù)學模型：即將要計算機解決問題轉(zhuǎn)化為計算機能實現(xiàn)的數(shù)學問題。（如公式、方程等）= (ax + b)x + c 2. 確定計算方法：即將數(shù)學模型轉(zhuǎn)換為計算機便于運算的加、減、乘、除四則運算。（當然也可采用所選編程語言提供的函數(shù)）方程 ax2 + bx + c的計算方法：ax2 + bx + c運算方法1：取x 至運算器中，乘以x 在運算器中，乘以a 在運算器中，存ax2 在存儲器中，取b 至運算器，乘以x 在運算器中，加ax2 在運算器中，加c 在運算器中。運算方法2：取x 至運算器中，乘以a 在運算器中，加b在運算器中，乘以 X 在