第1章微型計算機的概述

RAMCPUROMBUS安徽師范大學(xué)數(shù)學(xué)計算機學(xué)院程桂花微機原理教學(xué)講義82848286第一章微型計算機概述安徽師范大學(xué)數(shù)學(xué)計算機學(xué)院程桂花一、微處理器、微型計算機和微型計算

機系統(tǒng)二、微型計算機的分類三、微型計算機的結(jié)構(gòu)四、8086/8088微型計算機硬件結(jié)構(gòu)簡圖六、相關(guān)的硬件知識五、微型計算機系統(tǒng)的主要性能指標第一章微型計算機概述安徽師范大學(xué)數(shù)學(xué)計算機學(xué)院程桂花一、微處理器、微型計算機和微型計算機系統(tǒng)

通常所說的"微電腦","微機"是簡略語，準確的稱謂應(yīng)是--微型計算機系統(tǒng)。微型計算機系統(tǒng)從全局到局部存在三個層次：微型計算機系統(tǒng)--微型計算機--微處理器，為了以后學(xué)習(xí)時不致混淆，首先有必要了解這三個層次的確切含義。1、微處理器

微處理器（Microprocessor）也常稱為微處理機，它并不是微型計算機，但它是微型計算機的核心部件。微處理器包括算術(shù)邏輯部件ALU（ArithmeticLogicUnit）,控制部件CU（ControlUnit）和寄存器組R（Registers）三個基本部分和內(nèi)部總線。相當(dāng)于一般計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的運算器和控制器的組合。通常由幾片（早期）或一片LSI、VLSI器件組成。其實，它就是一般計算機系統(tǒng)概念的中央處理器（CPU）。第一章微型計算機概述安徽師范大學(xué)數(shù)學(xué)計算機學(xué)院程桂花2、微型計算機微型計算機（MicroComputer）或簡稱微機是以微處理器為核心，加上由大規(guī)模集成電路制作的存儲器M（ROM和RAM）、I/O（輸入／輸出）接口和系統(tǒng)總線組成

微型計算機系統(tǒng)（MicroComputerSystem）是以微型計算機為核心，再配以相應(yīng)的外圍設(shè)備,電源、輔助電路和控制微型計算機工作的軟件而構(gòu)成的完整的計算機系統(tǒng)。軟件分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類。系統(tǒng)軟件是用來支持應(yīng)用軟件的開發(fā)與運行的，它包括操作系統(tǒng)、標準實用程序和各種語言處理程序等。應(yīng)用軟件是用來為用戶解決具體應(yīng)用問題的程序及有關(guān)的文檔和資料。3、微型計算機系統(tǒng)安徽師范大學(xué)數(shù)學(xué)計算機學(xué)院程桂花安徽師范大學(xué)數(shù)學(xué)計算機學(xué)院程桂花微型機的出現(xiàn)與發(fā)展，形成微型機獨特的分類：

1．按組成分類：[MC=MPU+M（ROM+RAM）+I/O接口+系統(tǒng)總線]

（1）多板機：MC各組成部分裝配在多個印刷電路板上的微型計算機。如PC機（臺式、便攜式、手持式）

（2）單板機：MC各組成部分裝配在一個印刷電路板上的微型計算機。用于教學(xué)、實驗等。

（3）單片機：有的微型計算機則是將這些組成部分集成在一個超大規(guī)模芯片上，則稱之為單片微型計算機，簡稱單片機。廣泛用于測控系統(tǒng)、儀器儀表、工業(yè)控制、通訊設(shè)備、家用電器等。因單片機廣泛用于嵌入式系統(tǒng)，亦常被稱為微控器（Micro-controller）

（4）位片機：MC各組成部分以MC=CPE（ALU+R）+CU+M+I/O接口的形式，配套積木式組裝，字長、指令系統(tǒng)靈活，可變，易擴展。廣泛用于高速實時專用系統(tǒng)，如：自控系統(tǒng)、武器系統(tǒng)、語音系統(tǒng)、高速外設(shè)等。但不具備系統(tǒng)軟件，由專門人員開發(fā)。

二．微型計算機的分類安徽師范大學(xué)數(shù)學(xué)計算機學(xué)院程桂花2.按內(nèi)存儲器的組成分類：

（1）普林斯頓機：程序和數(shù)據(jù)共存于不加區(qū)分的同一內(nèi)存系統(tǒng)中。如通用微型計算機。

（2）哈佛機：程序和數(shù)據(jù)分存于嚴格區(qū)分的兩個內(nèi)存系統(tǒng)中。如單片機，DSP等。

3．按用途分類：

(1)個人計算機（PC）：通用微型機，體積小，價格較廉，并主要為每次一人使用，用戶界面“友好”。又可分為：臺式、便攜式、手持式。

(2)工作站（workstation）這里的工作站是指，具有完整人機交互界面，集高性能的計算和圖形于一身，可配置大容量的內(nèi)存和硬盤，I／O和網(wǎng)絡(luò)功能完善，使用多任務(wù)、多用戶操作系統(tǒng)的小型通用個人化的計算機系統(tǒng)。1983年美國APOLLO公司推出第一臺適合計算機輔助設(shè)計（CAD）的工作站，采用的是Motorola公司的68000系列的CISC芯片，并配有分辨率較高、尺寸較大的顯示器。由于工作站起步較晚，推出不久即是32位結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在已出現(xiàn)64位結(jié)構(gòu)，并普遍采用的是RISC處理器芯片。工作站采用的主要是UNIX操作系統(tǒng)。工作站在工程領(lǐng)域、商業(yè)領(lǐng)域及辦公領(lǐng)域中獲得廣泛的應(yīng)用。高檔個人計算機與工作站的距離正在縮小。高檔的PC機已達到抵檔工作站的規(guī)模。安徽師范大學(xué)數(shù)學(xué)計算機學(xué)院程桂花三．微型計算機的結(jié)構(gòu)目前的各種微型計算機系統(tǒng)，無論是簡單的單片機、單板機系統(tǒng)，還是較復(fù)雜的個人計算機（PC機）系統(tǒng)，從硬件體系結(jié)構(gòu)來看，采用的基本上是計算機的經(jīng)典結(jié)構(gòu)——馮．諾依曼結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的特點是：

·由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部分組成；

·數(shù)據(jù)和程序以二進制代碼形式不加區(qū)別地存放在存儲器中，存放位置由地址指定，地址碼也為二進制形式；

·控制器是根據(jù)存放在存儲器中的指令序列即程序來工作的，并由一個程序計數(shù)器（即指令地址計數(shù)器）控制指令的執(zhí)行?？刂破骶哂信袛嗄芰?，能根據(jù)計算結(jié)果選擇不同的動作流程。

由此可見，任何一個微型機系統(tǒng)都是由硬件和軟件兩大部分組成的。而其中硬件又由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五部分組成。圖1-1給出了具有這種結(jié)構(gòu)特點的微型計算機典型硬件組成框圖。微處理器MPU中包含了上述的運算器和控制器；RAM和ROM為存儲器；I/O外設(shè)及接口是輸入、輸出設(shè)備的總稱。各組成部分之間通過系統(tǒng)總線：包括地址總線AB、數(shù)據(jù)總線DB、控制總線CB聯(lián)系在一起。

※馮．諾依曼結(jié)構(gòu)

※單（套）總線結(jié)構(gòu)

※雙（套）總線結(jié)構(gòu)

※雙重總線結(jié)構(gòu)

目前的各種微型計算機系統(tǒng)，無論是簡單的單片機、單板機系統(tǒng)，還是較復(fù)雜的個人計算機（PC機）系統(tǒng)，從硬件體系結(jié)構(gòu)來看，采用的基本上是計算機的經(jīng)典結(jié)構(gòu)——馮．諾依曼結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的特點是：

·由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部分組成；

·數(shù)據(jù)和程序以二進制代碼形式不加區(qū)別地存放在存儲器中，存放位置由地址指定，地址碼也為二進制形式；

·控制器是根據(jù)存放在存儲器中的指令序列即程序來工作的，并由一個程序計數(shù)器（即指令地址計數(shù)器）控制指令的執(zhí)行。控制器具有判斷能力，能根據(jù)計算結(jié)果選擇不同的動作流程。

由此可見，任何一個微型機系統(tǒng)都是由硬件和軟件兩大部分組成的。而其中硬件又由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五部分組成。圖1-1給出了具有這種結(jié)構(gòu)特點的微型計算機典型硬件組成框圖。微處理器MPU中包含了上述的運算器和控制器；RAM和ROM為存儲器；I/O外設(shè)及接口是輸入、輸出設(shè)備的總稱。各組成部分之間通過系統(tǒng)總線：包括地址總線AB、數(shù)據(jù)總線DB、控制總線CB聯(lián)系在一起。

安徽師范大學(xué)數(shù)學(xué)計算機學(xué)院程桂花三．微型計算機的結(jié)構(gòu)

※馮．諾依曼結(jié)構(gòu)

※單（套）總線結(jié)構(gòu)

※雙（套）總線結(jié)構(gòu)

※雙重總線結(jié)構(gòu)

目前的各種微型計算機系統(tǒng)，無論是簡單的單片機、單板機系統(tǒng)，還是較復(fù)雜的個人計算機（PC機）系統(tǒng)，從硬件體系結(jié)構(gòu)來看，采用的基本上是計算機的經(jīng)典結(jié)構(gòu)——馮．諾依曼結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的特點是：

·由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部分組成；

·數(shù)據(jù)和程序以二進制代碼形式不加區(qū)別地存放在存儲器中，存放位置由地址指定，地址碼也為二進制形式；

·控制器是根據(jù)存放在存儲器中的指令序列即程序來工作的，并由一個程序計數(shù)器（即指令地址計數(shù)器）控制指令的執(zhí)行?？刂破骶哂信袛嗄芰?，能根據(jù)計算結(jié)果選擇不同的動作流程。

由此可見，任何一個微型機系統(tǒng)都是由硬件和軟件兩大部分組成的。而其中硬件又由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五部分組成。圖1-1給出了具有這種結(jié)構(gòu)特點的微型計算機典型硬件組成框圖。微處理器MPU中包含了上述的運算器和控制器；RAM和ROM為存儲器；I/O外設(shè)及接口是輸入、輸出設(shè)備的總稱。各組成部分之間通過系統(tǒng)總線：包括地址總線AB、數(shù)據(jù)總線DB、控制總線CB聯(lián)系在一起。

有時也將微型計算機的這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)稱為單（套）總線結(jié)構(gòu)，簡稱總線結(jié)構(gòu)。采用總線結(jié)構(gòu)，可使微型計算機的系統(tǒng)構(gòu)造比較簡單，并且具有更大的靈活性和更好的可擴展性、可維護性。根據(jù)系統(tǒng)總線組織方法的不同，可把總線結(jié)構(gòu)分為單（套）總線、雙（套）總線、雙重總線三類

安徽師范大學(xué)數(shù)學(xué)計算機學(xué)院程桂花有時也將微型計算機的這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)稱為單（套）總線結(jié)構(gòu)，簡稱總線結(jié)構(gòu)。采用總線結(jié)構(gòu)，可使微型計算機的系統(tǒng)構(gòu)造比較簡單，并且具有更大的靈活性和更好的可擴展性、可維護性。根據(jù)系統(tǒng)總線組織方法的不同，可把總線結(jié)構(gòu)分為單（套）總線、雙（套）總線、雙重總線三類，如圖1-2所示。

安徽師范大學(xué)數(shù)學(xué)計算機學(xué)院程桂花有時也將微型計算機的這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)稱為單（套）總線結(jié)構(gòu)，簡稱總線結(jié)構(gòu)。采用總線結(jié)構(gòu)，可使微型計算機的系統(tǒng)構(gòu)造比較簡單，并且具有更大的靈活性和更好的可擴展性、可維護性。根據(jù)系統(tǒng)總線組織方法的不同，可把總線結(jié)構(gòu)分為單（套）總線、雙（套）總線、雙重總線三類，如圖1-2所示。

圖1.2(a)所示的是單（套）總線結(jié)構(gòu)。圖1.1所示的實際上就是這種結(jié)構(gòu)，在單總線結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)存儲器M和I/O使用唯一的一套信息通路，因而微處理器對存儲器和I/O的讀寫只能分時進行。大部分中低檔微機都是采用這種結(jié)構(gòu)，因為它的邏輯結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、實現(xiàn)容易。

圖1.2(b)是雙（套）總線結(jié)構(gòu)的示意圖：I/O和M各自具有到MPU的總線通路，這種結(jié)構(gòu)的MPU可以分別在兩套總線上同時與M和I/O口交換信息，相當(dāng)于展寬了總線帶寬，提高了總線的數(shù)據(jù)傳輸速率。目前有的單片機和高檔微機就是采用這種結(jié)構(gòu)。不過在這種結(jié)構(gòu)中，MPU要同時管理與M和I/O的通信，這勢必加重MPU在管理方面的負擔(dān)，為此，現(xiàn)在通常采用專門的I/O處理芯片即所謂的智能I/O接口，來履行I/O管理任務(wù)，以減輕MPU的負擔(dān)。

圖1.2(c)所示的是雙重總線結(jié)構(gòu)：在這種結(jié)構(gòu)中,主MPU通常通過局部總線訪問局部M和局部I/O，這時的工作方式與單總線情況是一樣的。也經(jīng)常作為主設(shè)備訪問全局M和I/O。當(dāng)某其它并列微處理器需要對全局M和全局I/O訪問時，必須由總線控制邏輯統(tǒng)一安排才能進行，這時該微處理器就是系統(tǒng)的主控設(shè)備。比如圖中的DMA控制器也可成為系統(tǒng)的主控設(shè)備，全局I/O外設(shè)和全局M之間便可利用系統(tǒng)總線進行DMA操作。在其他處理器進行全局I/O的同時，主MPU還可以通過局部總線對局部M或局部I/O進行訪問。顯然，這種結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)雙重總線上并行工作：并且對等效總線帶寬的增加、系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸效率的提高效果更明顯。目前各種高檔微型機和工作站基本上都是采用這種雙重總線結(jié)構(gòu)。四、8086/8088微型計算機硬件結(jié)構(gòu)簡圖CPU80888284ARAM8259A8255A82538237A總線擴展插槽顯示卡、打印卡、串行通訊、驅(qū)動器卡等擴展連接外部設(shè)備使用圍繞PC機展開，分析微機的組成及工作原理ROM828682828288五、微型計算機系統(tǒng)的主要性能指標1．字長

字長是計算機內(nèi)部一次可以處理的二進制數(shù)碼的位數(shù)。一般一臺計算機的字長決定于它的通用寄存器、內(nèi)存儲器、ALU的位數(shù)和內(nèi)部數(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；在完成同樣精度的運算時，則數(shù)據(jù)處理速度越高。然而，字長越長，計算機的硬件代價相應(yīng)也增大。為了兼顧精度／速度與硬件成本兩方面，有些計算機允許采用變字長運算。

一般情況下，CPU的內(nèi)、外數(shù)據(jù)總線寬度是一致的。但有的CPU為了改進運算性能，加寬了CPU的內(nèi)部總線寬度，致使內(nèi)部字長和對外數(shù)據(jù)總線寬度不一致。如Inte18088/80188的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線寬度為16位，外部為8位，對這類芯片，稱之為“準XX位”CPU，因此Intel8088/80188被稱為“準16位”CPU，而PentiumCPU的外部數(shù)據(jù)總線寬度卻是內(nèi)部字長的2倍。2．存儲器容量

存儲器容量是衡量計算機存儲二進制信息量大小的一個重要指標。它指的是存儲設(shè)備可容納二進制信息的最大字節(jié)數(shù)。存儲二進制信息的基本單位是位(bit)。一般把8個二進制位組成的通用基本單元叫作字節(jié)B(Byte的縮寫）。微型計算機中通常以字節(jié)為單位表示存儲容量，并且將1024B簡稱為1KB，1024KB簡稱為1MB（兆字節(jié)），1024MB簡稱為1GB（吉字節(jié)），1024GB簡稱為1TB（太字節(jié)）。286以上的高檔微機一般都具有1MB以上的內(nèi)存容量和40MB以上的外存容量。目前市場上流行的微機大多具有128～512MB內(nèi)存容量和10～200GB外存容量。

3．運算速度

計算機的運算速度一般用每秒鐘所能執(zhí)行的指令條數(shù)來表示。由于不同類型的指令所需時間長度不同，因而運算速度的計算方法也不同。常用計算方法有：

1）根據(jù)不同類型的指令出現(xiàn)的頻度，乘上不同的系數(shù)，求得統(tǒng)計平均值，得到平均運算速度，這時常用MIPS（MillionsofInstructionPerSecond即百萬條指令／秒）作單位。

2）以執(zhí)行時間最短的指令（如加法指令）為標準來估算速度。

3）直接給出CPU的主頻和每條指令的執(zhí)行所需的時鐘周期。主頻一般以MHZ為單位。

主頻為CPU的額定工作頻率，亦稱內(nèi)頻，為CPU工作周期的最小時序，直接反映了CPU的工作速度。目前，微機的主頻提升較快，但與之相關(guān)的系統(tǒng)總線工作速率（外頻）因受主板芯片組和內(nèi)存工作頻率的制約，提升較慢。

4．外設(shè)擴展能力

這主要指計算機系統(tǒng)配接各種外部設(shè)備的可能性、靈活性和適應(yīng)性。一臺計算機允許配接多少外部設(shè)備，對于系統(tǒng)接口和軟件研制都有重大影響，在微型計算機系統(tǒng)中，打印機型號、顯示屏幕分辨率，外存儲器容量等，都是外設(shè)配置中需要考慮的問題。

5．軟件配置情況

軟件是計算機系統(tǒng)必不可少的重要組成部分，它配置是否齊全，直接關(guān)系到計算機性能的好壞和效率的高低。例如是否有功能很強，能滿足應(yīng)用要求的操作系統(tǒng)和高級語言、匯編語言，是否有豐富的、可供選用的應(yīng)用軟件等，都是在購置計算機系統(tǒng)時需要考慮的。

六、 相關(guān)的硬件知識

常用兩種基本電路：三態(tài)門和D觸發(fā)器（一）三態(tài)門1.NMOS的三態(tài)門電路分析T為低電平時輸出為高阻抗(三態(tài))T為高點平時輸出為輸入的反相TAF+5VTAF表示反相或低電平有效2.三態(tài)門符號TAFTAFTAF三態(tài)門具有單向?qū)ê腿龖B(tài)的特性在計算機系統(tǒng)中三態(tài)門的主要作用有哪些？ 具有轉(zhuǎn)換開關(guān)的作用 具有緩沖器的作用3.常用集成電路芯片 74LS系列的74LS244，74LS245， Intel系列的8286等。74LS2448位單向緩沖器分成4位的兩組，每組的控制端連接在一起?？刂贫说碗娖接行А⑤敵雠c輸入同相。74LS2458位雙向緩沖器控制端連接在一起，低電平有效。可以雙向?qū)?，輸出與輸入同相。Intel82868位雙向緩沖器控制端連接在一起，低電平有效?？梢噪p向?qū)?，輸出與輸入同相。㈡D觸發(fā)器1.常用的D觸發(fā)器DQCQDQCQ電平鎖存上升沿鎖存電平鎖存：高電平通過，低電平鎖存上升沿鎖存：通常用負脈沖觸發(fā)鎖存負脈沖的上升沿DQCQSetClr帶有異步置位清零的電平控制的鎖存器2.常用集成電路芯片74LS273具有異步清零的上升沿鎖存器LE電平鎖存引腳OE輸出允許引腳74LS373具有三態(tài)輸出的電平鎖存器STB電平鎖存引腳OE輸出允許引腳Intel8282具有三態(tài)輸出的電平控制鎖存器㈢在總線中的應(yīng)用三態(tài)門：功率放大、導(dǎo)通開關(guān)D觸發(fā)器：信號保持，也可用作導(dǎo)通開關(guān)。器件共用總線時，一般使用三態(tài)電路。在需要使用總線的時候打開三態(tài)門；不使用總線的時候關(guān)閉三態(tài)門，使之處于高阻抗狀態(tài)。常用的總線復(fù)用技術(shù)：