微型計算機系統(tǒng)組成

第1章微型計算機概括數(shù)字電子計算機系統(tǒng)俗稱計算機或電腦，是一種擁有高速數(shù)值運算、自動信息辦理、邏輯判斷和超強信息儲蓄記憶功能的電子設施，也是一種能依據(jù)程序員起初安排的程序來工作，高速地辦理各樣數(shù)據(jù)信息的智能化設施。電子計算機是人類現(xiàn)代科技的重要成就之一，它初步于1946年由美國賓夕法尼亞大學研制成功的第一臺電子計算機ENIAC。這是一臺由電子管構成的重達30噸并能依據(jù)起初安排的指令迅速達成指定計算任務的現(xiàn)代意義上的電子計算機。自此，電子計算機及其相關技術經(jīng)歷了一個迅速發(fā)展的過程。這時期，計算機的構成經(jīng)歷了電子管、晶體管、集成電路和大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路的幾個發(fā)展階段，對應了電子計算機發(fā)展的4個時代，而微型計算機屬于第4代電子計算機產(chǎn)品，屬于超大規(guī)模集成電路計算機，是集成電路技術高度發(fā)展的產(chǎn)物。電子計算機按體積、性能、用途和價錢指標可分為巨型機、大型機、中型機、小型機和微型機5類。從工作原理上來講，微型機與其余計算機并無實質的差異，所不一樣樣的是微型計算機（簡稱微機）是直接面向個人用戶的，其構造、功能和售價也是全面適應個人用戶的。微型計算機的核心零件是微辦理器，其性能與微辦理器的性能直接有關。微型計算機對現(xiàn)代社會的方方面面有著無可比較的影響力。1.1微型計算機發(fā)展大體微型計算機的發(fā)展是以微辦理器的發(fā)展為特色的。微辦理器自1971年問世以來，跟著大規(guī)模集成電路技術的不停進步，在短短幾十年的時間里以極快的速度發(fā)展。1971—1973年，標記住第1代微機的4位和8位低檔微辦理器問世了，其代表性產(chǎn)品是Intel企業(yè)的4004和8008微辦理器，分別是4位和8位微辦理器。8008算得上是世界上第一種

8位的微辦理器，其集成度約4000個晶體管/片，芯片主頻僅1MHz。1974—1977年，出現(xiàn)了標記住第2代微機的8位中高檔微辦理器，其代表產(chǎn)品有Intel8080、M6800和Z80等，集成度有了大幅提升，已具備了典型的計算機系統(tǒng)構造，包含中斷、DMA等控制功能，主頻約2MHz。因為有了較圓滿的指令系統(tǒng)，軟件可采納BASIC、Fortran等高級語言及相應的編譯程序。1978—1984年進入了擁有16位微辦理器的第3代微機時代。這個時代的微辦理器代表產(chǎn)品是Intel8086、Intel8088、M68000和Z8000等，集成度和運算速度比上一代有了成微機原理與接口技術倍的提升，主頻時鐘已超越了5MHz。辦理器的指令系統(tǒng)也更為豐富和圓滿，也有了配套的操作系統(tǒng)和多任務辦理功能。特別值得指出的是，1979年，IBM企業(yè)以8088作為個人計算機（PC）IBMPC系統(tǒng)的微辦理器，自此開創(chuàng)了PC時代。1982年，Intel又推出了高性能的16位辦理器80286，主頻達20MHz，各方面性能指標大幅提升。IBMPC/AT微機就是鑒于這款辦理器的代表機型。1985—1992年是32位微辦理器時代，對應第4代微機。其代表產(chǎn)品是Intel80386/80486，Motorola的M69030/68040等，最為經(jīng)典的80386DX集成度已高達每片27.5萬個晶體管，時鐘頻次達33MHz，而Intel于1989年推出的80486微辦理器的集成度和速度要高于80386DX4倍，特別是在其指令系統(tǒng)中初次采納了精簡指令技術，可以在一個時鐘周期內履行一條指令，大大提升了與內存的數(shù)據(jù)互換速度。1993—2005年是奔跑（Pentium）系列微辦理器時代，對應第5代微機。這個時代的微辦理器的代表產(chǎn)品是Intel的奔跑系列芯片。這個系列芯片的集成度、運算速度和性能均大大優(yōu)于上一代的32位微辦理器，使微機的發(fā)展在網(wǎng)絡化、多媒體化和智能化等方面跨上了更高的臺階。2006年到現(xiàn)在應當屬于單片多核或64位微辦理器時代。平常以為Intel多核的酷睿（Core）系列微辦理器是第6代辦理器。另一方面，AMD企業(yè)于2003年推出了面向個人機的64位微辦理器Athlon64和Athlon64FX被以為開創(chuàng)了又一個新的微機時代。跟著大規(guī)模集成電路技術的不停發(fā)展，微辦理器的不停更新?lián)Q代，微型計算機正向著更微型、更高速、更低價、更低能耗、更強功能和更多用途方向發(fā)展。1.2微型計算機系統(tǒng)的構成微型計算機及其圓滿系統(tǒng)的構造和構成是與整個電子技術、集成電路技術以及計算機技術的發(fā)展親密聯(lián)系的，而這全部又決定了微機系統(tǒng)的基天性能和功能。但就現(xiàn)代一個不算長的歷史階段而言，典型的微機系統(tǒng)的構成有其一致性。微辦理器、微型計算機與微型計算機系統(tǒng)間的關系1．微辦理器（Microprocessor）微辦理器是整個微型計算機的核心零件和總控制單元，決定了微機的基天性能；微處理器就是把運算器、寄存器組和控制器集成在一個超大規(guī)模集成電路芯片上的功能零件，是擁有計算機系統(tǒng)運算和控制功能的中央辦理單元（CentralProcessingUnit，CPU）。2．微型計算機（MicroComputer，MC）微型計算機是以微辦理器芯片為核心，配以必然規(guī)模的半導體儲蓄器、系統(tǒng)總線（包·2·微型計算機概括第1章括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線）及其控制單元、硬盤、輸入/輸出（Input/Output，I/O）接口電路和協(xié)助電路構成的裝置，構成了微型計算機的基本硬件構造，即裸機。3．微型計算機系統(tǒng)（MicroComputerSystem，MCS）微型計算機系統(tǒng)是以微型計算機為主體，配上輸入設施、輸出設施、外面儲蓄器設施、電源、機箱以及系統(tǒng)軟件和應用軟件構成的系統(tǒng)，簡稱“微機系統(tǒng)”。純真的微型計算機整體上但是一個硬件模塊的組織構造，自己沒法運轉；假如在微機中成立起必需的軟件，就能獨立履行程序，達成運算和邏輯判斷功能。但是，微機所運轉的程序和所需的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過外面設施輸入，而運算達成后的結果也需要顯示器或打印機之類外面設施輸出幫助顯示或打印出來。明顯，微型計算機除了需要軟件外，還要裝備必需的輸入和輸出設施，全部這全部就構成了能投入實質應用的微型計算機系統(tǒng)。微辦理器、微型計算機與微型計算機系統(tǒng)是3個含義不一樣樣但又親密有關的見解，對應著互為依存的各樣軟硬件零件，三者的關系可以用如圖1-1所示的構造來描繪。微辦理器（CPU）：運算器、控制器、寄存器組等系統(tǒng)總線：地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線微型計算機輸入/輸出接口：各樣串行、并行接口電路儲蓄器：RAM、ROM、高速緩沖儲蓄器、硬盤等微型計算機系統(tǒng)系統(tǒng)軟件：操作系統(tǒng)、服務性軟件、數(shù)據(jù)庫管理軟件等軟件系統(tǒng)、應用軟件：匯編語言、編譯系統(tǒng)、各樣軟件包、文字辦理系統(tǒng)等外面設施：鍵盤、鼠標、顯示器、打印機、外面儲蓄器（如U盤、挪動硬盤）等圖1-1微型計算機系統(tǒng)的構成微機系統(tǒng)基本構造圖1-2給出了微機系統(tǒng)的硬件構成基本電路構造表示圖。微機硬件系統(tǒng)由微辦理器、儲蓄器、譯碼控制模塊、系統(tǒng)總線控制模塊、系統(tǒng)總線、輸入/輸出接口電路和各樣外面設施等零件構成。在如圖1-2所示的微機構造中，CPU是核心零件，經(jīng)過系統(tǒng)總線控制模塊和譯碼控制模塊，來控制地址總線、數(shù)據(jù)總線和系統(tǒng)總線，與其余零件進行數(shù)據(jù)和信息交換，達成指定的計算和控制任務。微型計算機主機地址總線微處系統(tǒng)總系統(tǒng)總線數(shù)據(jù)總線輸入和輸出各樣理器線控制外面控制總線接口電路CPU模塊設施儲蓄器譯碼控制模塊·3·微機原理與接口技術圖1-2微機系統(tǒng)的硬件基本構造詳細而言，CPU指揮控制模塊，經(jīng)由系統(tǒng)總線把需要履行的指令代碼從儲蓄器中拿出，進入CPU后推行履行指令的操作，達成各樣運算、邏輯判斷，或對外設進行輸入或輸出的控制操作，進而達成程序員預設的各樣任務。在這個過程中，儲蓄器是微機寄存和記憶程序、數(shù)據(jù)的重要零件。平常把位于主機內部用于臨時寄存程序和數(shù)據(jù)的儲蓄器稱為內存，也稱為主存，由只讀儲蓄器（ROM）和隨機儲蓄器（RAM）兩部分構成，屬于主板（焊有全部微機芯片的印刷電路板，即PCB）內的儲蓄器，而主板外或主機外面的用于寄存大批信息的儲蓄器則稱為外存。外存分為兩大多數(shù)，一部分是硬盤儲蓄器，用于儲蓄微機運轉必需的系統(tǒng)軟件和應用軟件。關于現(xiàn)代微機來說，微機的獨立運算和控制已圓滿沒法實質性地走開硬盤，因此硬盤儲蓄器應當屬于微機主機內部的零件，但屬于主板外儲蓄器。另一部分屬于主機外面的，可以臨時不介入微機運轉和控制的協(xié)助型儲蓄器，包含U盤、光盤、挪動硬盤等大儲蓄量儲蓄器。輸入/輸出接口電路是設置在外面設施（簡稱外設）與系統(tǒng)總線之間的專門電路，又稱I/O接口，用于協(xié)調CPU與外設之間的信息和數(shù)據(jù)的互換。系統(tǒng)總線包含數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線，簡稱三總線。系統(tǒng)總線把CPU、儲蓄器和輸入/輸出接口電路有機地連結起來，用來傳達微機內部各零件間的信息；數(shù)據(jù)總線傳達各樣數(shù)據(jù)，此中包含指令代碼、運算數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)和結果數(shù)據(jù)；地址總線上的信息主假如針對儲蓄器詳細儲蓄單元或詳細外設對象的地址信息，這些地址信息指出了數(shù)據(jù)的來源或傳達的目的地；控制總線傳達CPU對儲蓄器或I/O設施的控制命令和I/O設施對CPU的懇求服務的信號。整個系統(tǒng)總線的工作由系統(tǒng)總線控制模塊一致安排和指揮。外面設施，即I/O設施，可以分紅兩個部分，一部分是指直接為計算機自己的順利運轉而服務的，必然與外界及時進行信息與數(shù)據(jù)互換的輸入和輸出設施，如鍵盤、鼠標器、掃描儀、圖形或文字鑒識儀、條碼讀入器、模/數(shù)和數(shù)/模變換器等；另一部分是臨時不會影響計算機運轉的外設，如打印機、外面儲蓄器（如U盤、光盤等）、開環(huán)控制對象（如步進電機）、大屏幕LED顯示器、VGA顯示器等。微機硬件系統(tǒng)的典型配置如圖1-2所示，微機硬件系統(tǒng)由主機和外設構成。主機包含PCB主板、I/O接口卡（又稱適配器）以及電源、機箱等零件；微機的外設很豐富，典型的外設有鍵盤、鼠標、顯示器、打印機、光盤驅動器、網(wǎng)卡、攝像優(yōu)等設施。PC主機大多數(shù)電路包含集成電路芯片和接插模塊，是安裝在機箱內的PCB主機板上的，外面設施經(jīng)過輸入/輸出接口與主機板相連。主板幾乎集中了微機系統(tǒng)的全部功能，控制著系統(tǒng)各部分之間的指令流和數(shù)據(jù)流，可以依據(jù)系統(tǒng)的要求調動各個子系統(tǒng)并為實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化管理供給圓滿的硬件保證。主板上最常例的零件是CPU、系統(tǒng)支持芯片組、內存芯片、I/O接口、總線擴展槽、鍵盤或鼠標接口、可充電電池以及各樣開關和跳線等，還集成了顯示卡、聲效卡、網(wǎng)卡、·4·微型計算機概括第1章調制解調卡等接口零件。主板上的儲蓄器包含高速緩存和用作主存的大容量動向隨機存取儲蓄器。主板上還有一種只讀儲蓄器，用于上電自檢程序、基本外設輸入/輸出控制程序和系統(tǒng)配置程序等。主板上還安裝有總線接口插槽，即總線插槽，可用于插接各樣I/O接口卡。經(jīng)過這些插槽，可將外設I/O接口卡連結到系統(tǒng)總線上，進而把外設與主機連在一同。鍵盤、鼠標、揚聲器的接口電路一般直接集成在系統(tǒng)主板上，由一專門辦理器來控制，整個辦理器負責將鍵盤按鍵產(chǎn)生的掃描碼變換成能表示字符的ASCII碼，而將鼠標送來的電脈沖變換成光標的挪動數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生相應中止后，把輸入數(shù)據(jù)傳達給CPU進行辦理。主板上的總線接口插槽經(jīng)過插在上邊的各樣功能用途的接口卡極大延長了計算機的功能和用途，這些接口卡包含聲卡、顯示卡、圖形采集卡、錄音卡等。現(xiàn)代微機中，外面設施除了能利用主機的接口插槽和對應的接口卡與系統(tǒng)連結外，也能直接經(jīng)過主板上專設的I/O接口電路或許經(jīng)過無線方式與主機系統(tǒng)連結，這些外設包含異步串口接口的外設、鑒于USB接口的外設和藍牙設施，即無線接口設施等。微機軟件系統(tǒng)微型計算機系統(tǒng)不單要要有功能齊備的硬件來支持，還必然有專門的軟件來配合，這樣，計算機才能真實辦理信息。軟件就是能經(jīng)過微機硬件系統(tǒng)達成特定任務的CPU指令代碼的會合。微型計算機能正常工作的全部軟件的總和稱為軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)可分為系統(tǒng)軟件和應用軟件兩大多數(shù)，此中，系統(tǒng)軟件用來支持應用軟件的開發(fā)和運轉，主要包含操作系統(tǒng)、系統(tǒng)檢測軟件和編譯軟件等軟件；而應用軟件則是用來為用戶解決某種詳細問題的程序軟件。圖1-3中列出了這兩類軟件的部分內容。

操作系統(tǒng)系系統(tǒng)檢測軟件計算機網(wǎng)絡軟件統(tǒng)軟軟各樣語言辦理軟件件標準程序庫件文字辦理軟件系應協(xié)助設計軟件統(tǒng)用用戶軟件軟數(shù)據(jù)辦理軟件件信息管理軟件圖1-3微機系統(tǒng)的軟件分類下邊對這兩類軟件做簡要說明。1．操作系統(tǒng)在管理計算機中各零件協(xié)調工作的軟件中，規(guī)模較大、功能較強、構造較復雜的軟件稱為操作系統(tǒng)（OperatingSystem）軟件，或稱操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的工作重點主要有以下兩點：（1）方便用戶使用計算機。操作系統(tǒng)為用戶供給了一整套方便使用整個計算機系統(tǒng)的方法，因此可以把操作系統(tǒng)看作是用戶與計算機系統(tǒng)間的媒介或協(xié)調者。2）提升計算機的使用效率。在用戶對計算機系統(tǒng)的詳細硬件構造圓滿不熟習的狀況下，卻可經(jīng)過操作系統(tǒng)供給的一整套功能很強的命令調用有關軟件來高效地使用計算機。操作系統(tǒng)自己是由很多程序軟件構成的，此中很多軟件負責管理計算機基層硬件的各個零件進行協(xié)調工作。其余，各樣應用程序、語言辦理程序和協(xié)助辦理程序等軟件都在操作系統(tǒng)的管理、協(xié)調解控制下運轉?！?·微機原理與接口技術2．程序設計語言及其辦理軟件計算機語言就是計算機程序的特定編寫規(guī)則，依據(jù)這種規(guī)則編寫出的程序將成為用戶與計算機之間交流的媒介。人們需要經(jīng)過編寫的程序軟件告訴計算機達成指定的任務。然而，計算機（或許說是CPU）真實能“懂”的“語言”是被稱為機器語言的程序編碼（或指令代碼）。因此，從程序員能方便地使用和鑒其余計算機語言所對應的程序到CPU能直接鑒其余指令編碼會合，需要有一個近似于“翻譯員”的軟件來交流程序員和CPU之間的信息交流。這種“翻譯”軟件稱為計算機語言編譯軟件，或程序設計語言辦理軟件。不一樣樣的程序設計軟件對應不一樣樣的編譯軟件。程序設計語言主要有匯編語言和高級語言。匯編語言是一種用助記符和符號地址等表示的直接面向CPU的程序設計語言。用匯編語言編寫的程序稱為匯編程序。與CPU能直接識其余機器語言比較，匯編語言更易于程序員編寫、鑒識、閱讀和調試。但是匯編語言程序必然經(jīng)過特定的辦理軟件，即匯編程序編譯軟件將其翻譯成機器代碼（目標程序）。因為匯編語言的語句與機器指令代碼是一一對應的，因此關于不一樣樣的CPU，針對同一問題所編的匯編語言程序是不可以通用的，即匯編語言不擁有通用性，特別是關于不熟習計算機基層硬件狀況的程序員，在使用上會感覺很不方便。高級語言的出現(xiàn)圓滿解決了匯編語言中存在的使用不便的問題。高級語言不是直接面CPU的，而是面向問題和用戶的，擁有優(yōu)秀的可移植性和可操作性。自然，計算機也相同其實不可以直接履行高級語言程序。高級語言源程序必然經(jīng)過編譯程序或解說程序翻譯成機器語言，計算機才能鑒識和履行。跟著計算機應用的推行和計算機技術發(fā)展的深入，面向不一樣樣問題、適應不一樣樣領域、適用不一樣樣對象的各樣高級語言向來在不停出現(xiàn)。到當前為止，已有兩百多種計算機高級語言，此中被廣泛使用的有BASIC、Fortran、Pascal、C、VisualBasic、Java和C++等十多種。3．應用程序軟件與系統(tǒng)軟件不一樣樣，應用程序軟件是解決用戶詳細問題的，是用戶在各自的業(yè)務領域中開發(fā)和使用的各樣程序，如科學計算軟件、數(shù)據(jù)辦理軟件、信息管理軟件、工程設計軟件和事務管理軟件等。這此中，很多軟件屬于用戶以不一樣樣高級語言編寫的程序軟件。跟著計算機應用在不一樣樣領域中的不停拓展，這種程序軟件的種類將連續(xù)增添。微型計算機的性能指標微型計算機性能利害是由其系統(tǒng)構造、指令系統(tǒng)、硬件構成、外面設施以及軟件配置狀況等要素決定的，只有綜合各項指標，才能正確談論與權衡計算機性能的高低。下邊介紹幾項主要評估指標。1．CPU字長CPU字長就是計算機的字長，它決定了計算機內部一次可以辦理的二進制代碼的位數(shù)。平常，CPU的字長也決定著計算機的通用寄存器、內儲蓄器、運算器的位數(shù)和數(shù)據(jù)總線的寬度。字長越長，一個字所能表示的數(shù)據(jù)精度就越高，在達成相同精度的運算時數(shù)據(jù)辦理速度越快?！?·微型計算機概括第1章2．儲蓄器容量與速度儲蓄器（這里主要指主存）容量是權衡計算機儲蓄二進制信息量大小的一個重要指標，也是計算機技術發(fā)展進步的一個主要標記。一般地，計算機主存的儲蓄容量越大，功能就越強。微型計算機中一般以字節(jié)B（Byte的縮寫，1Byte表示8位二進制信息）為單位表示儲蓄容量，如128MB。儲蓄器工作的速度在某種程度上也影響著計算機的性能。儲蓄器的速度決定了儲蓄器履行一次圓滿的讀/寫操作所需的時間，同時也間接決定了CPU的工作速度。3．CPU指令履行時間計算機的運算速度主要取決于CPU的指令履行時間，一般用每秒鐘所能履行的指令條數(shù)表示。因為不一樣樣種類的指令所需時間長度不一樣樣，因此運算速度的計算方法也不一樣樣，常用的計算方法以下：1）依據(jù)不一樣樣種類的指令出現(xiàn)的屢次程度乘上不一樣樣的系數(shù)，求得統(tǒng)計均勻值，獲得均勻運算速度，單位是MIPS（MillionsofInstructionPerSecond，百萬條指令/秒）。2）直接給出CPU的時鐘頻次（主頻）和履行每條指令所需的時鐘周期。主頻一般以MHz為單位，在很大程度上決定了計算機的運轉速度。比方，80386的主頻是33MHz，Pentium的主頻是133MHz，PentiumMMX的主頻是230MHz，三者的運轉速度有很大的差異。4．軟件配置狀況軟件是計算機系統(tǒng)必不可以少的重要構成部分，配置能否齊備和軟件自己的性能將直接關系到計算機性能的利害和效率的高低。1.3微型計算機的特色及應用領域微型計算機是現(xiàn)在計算機應用領域中最主流的機型，這是因為它擁有其余種類計算機不可以比較的特色，這些特色包含功能強、性能優(yōu)勝、體積小、重量輕、功耗低、價錢低、構造靈巧、保護方便、應用面廣等。鑒于這些特色，微型計算機的應用已廣泛而深入地浸透到人類社會的各個領域；從科研、生產(chǎn)、國防、文化、教育、衛(wèi)生直至家庭生活，都離不開計算機供給的服務。計算機大幅度地提升了生產(chǎn)效率和生活質量，計算機使社會生產(chǎn)力達到了空前未有的水平。微機的應用領域可概括成以下幾類。1．科學計算科學計算也稱數(shù)值計算，是指用計算機來解決科學研究和工程技術中所出現(xiàn)的復雜的計算問題。在工程技術領域，包含航天航空、汽車、造船、建筑、氣象預告等，在基礎研究，包含生物信息研究、基因展望、醫(yī)學病理分析等，都離不開計算機的高速計算功能，而進行這些計算也正是計算機的專長?！?·微機原理與接口技術2．信息辦理信息辦理也稱數(shù)據(jù)辦理。當前，大多數(shù)計算機都被用于數(shù)據(jù)辦理，此中包含對各樣數(shù)據(jù)信息的采集、儲蓄、整理、分類、統(tǒng)計、分析和利用等，其目的是獲得合用的信息作為決議的依據(jù)。現(xiàn)代社會是信息化社會，跟著生產(chǎn)力的高度發(fā)展，致使信息量急劇膨脹，現(xiàn)在的信息數(shù)據(jù)已經(jīng)和物質、能量一同被列為人類社會活動的三大支柱。計算機信息辦理已廣泛地應用于辦公室自動化、企事業(yè)計算機協(xié)助管理與決議、文字辦理、文檔管理、情報檢索、激光照排、電影電視動畫設計、會計電算化、醫(yī)療診療等各行各業(yè)。信息已經(jīng)形成了獨立的家產(chǎn)，多媒體技術更為信息家產(chǎn)的跳躍插上了翅膀。3．自動控制在現(xiàn)代工程領域，微型計算機廣泛用于生產(chǎn)過程的自動控制，進而有效地提升了勞動生產(chǎn)率。過去工業(yè)控制主要采納模擬電路，響應速度慢、精度低、自動化程度低，現(xiàn)在已漸漸被數(shù)字計算機控制所取代