微机——微型计算机系统组成及工作原理

微型计算机系统组成及工作原理

一、计算机的发展阶段
二、微型计算机系统组成
- 1、微型计算机系统组成框图
- 2、微型计算机的基本设计思想
- 3、微型计算机的硬件系统
- 4、微型计算机的软件系统
三、微型计算机的工作原理
四、微型计算机的分类
- 1、按CPU的字长分类
- 2、按微型计算机的利用形态分类
五、微型计算机的性能指标

一、计算机的发展阶段

1、电子数字积分计算机（ENIAC）1946年2月在美国宾夕法尼亚大学研制成功

18000个电子管
占地170平方米
重达30吨
耗电150千瓦
保存80个字节
每秒5千次加法运算
价值40万美元

2、计算机的发展阶段

按照构成计算机所采用的电子器件及其电路的变革

第一代：电子管计算机（46~57)
第二代：晶体管计算机 (58~64)
第三代：集成电路计算机(64~70)
第四代：大规模、超大规模集成电路计算机(71~ 现在）

微型计算机属于第四代计算机，是二十世纪70年代初期研制成功的。

3、
在微型计算机发展过程中，最有影响力的是 IBM PC 系列微型计算机，代表机型有 IBM PC/XT、PC/AT、80386、80486、Pentium(586)等。（我们主要学的就是8086系列）

迄今为止，微型计算机的硬件体系结构仍采用的是 冯.诺依曼建立的经典体系结构，即微型计算机的硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成。

二、微型计算机系统组成

1、微型计算机系统组成框图

2、微型计算机的基本设计思想

迄今为止，计算机仍沿用由美籍匈牙利数学家冯.诺依曼首先提出的体系结构。基本设计思想为：

    ① 以二进制形式表示指令和数据。② 程序和数据事先存放在存储器中，计算机在工作时能够高速地从存储器中取出指令加以执行。③ 由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五大部件组成计算机硬件系统。

微机体系结构的特点之一是采用了总线结构。

总线结构的优点：结构简单，易于维护，便于系统功能的扩充

3、微型计算机的硬件系统

微型计算机的硬件系统由微处理器、存储器、输入设备、输出设备和系统总线组成。

微处理器（MPU）：是计算机系统的核心部件，采用大规模或超大规模集成电路技术将运算器和控制器及总线接口单元集成在一块芯片上。

各种类型的微型计算机均采用微处理器作为中央处理单元（CPU）

运算器（算数逻辑单元ALU）：用来进行算数或逻辑运算以及移位循环等操作。

控制器（控制单元CU ）：全机的指挥控制中心。负责读取指令，指令译码，形成各种定时控制信号，向内部各功能单元发送相应的控制命令，协调各部件之间的工作。

寄存器阵列（RA）：相当于微处理器内部的RAM，用于暂存数据和运算结果。

总线接口：负责完成所有的总线操作，形成读/写存储器和输入/输出设备的地址信号和控制信号，实现MPU与存储器和外部设备的信息交换。

存储器：计算机系统的记忆装置，用来存储程序和数据。

1、主存一般就是指内存。CPU对内存的操作有两种：读操作:  CPU将内存单元的内容读入CPU内部，写操作:  CPU将其内部信息送到内存单元保存起来。2、有关位、字节、字、字长、存储单元地址及存储容量等的概念：位(Bit)：二进制信息的最小单位（0或1）字节(Byte)：由8位二进制数组成，可以存放在一个存储单元中。是字的基本组成单位。字长：指微处理器内部寄存器、运算器、内部数据总线等部件之间传输数据的宽度或位数。字长是字节的整数倍。字(Word): 计算机中作为一个整体来处理和运算的一组二进制数，是字节的整数倍。通常它与计算机内部的寄存器、算术逻辑单元、数据总线宽度相一致。每个字包括的位数称为计算机的字长，是计算机的重要性能指标。目前为了表示方便，常把一个字定义为16位，把一个双字定义为32位。 内存容量： 内存中存储单元的总数。通常以字节为单位，1Byte=8bit               1KB(千字节)=1024（210)字节1MB (兆字节) = 1024KB     1GB (吉字节) = 1024MB1TB (太字节) = 1024GB内存单元地址： 为了能识别不同的单元，每个单元都赋予一个编号，这个编号称之为内存单元地址。3、 按工作方式，内存可分为两大类：随机读写存储器RAM(Random Access Memory)和只读存储器ROM(Read Only Memory)。随机读写存储器可被CPU随机地读写，它用于存放将要被CPU执行的用户程序、数据以及部分系统程序。断电后，其中存放的所有信息将丢失。只读存储器中的信息只能被CPU读取，而不能由CPU任意地写入。断电后，其中的信息不会丢失。它用于存放永久性的程序和数据。如系统引导程序、监控程序、操作系统中的基本输入/输出管理程序（BIOS）等。

输入/输出设备（I/O设备）：外部设备，是人与计算机联系的桥梁，它们通过输入/输出接口（I/O接口）与微处理器连接，不同的外设必须通过不同的 I/O接口才能与微机相连。

 常用的输入设备： 键盘、鼠标、扫描仪等常用的输出设备： 显示器、打印机、绘图仪等

总线：连接微型计算机各组成部分的一组信号线，包括 地址总线AB、数据总线DB、控制总线CB 等三类。

  地址总线AB：在对存储器或I/O端口进行访问时，传送 由CPU提供的要访问存储单元或I/O端口的地址信息，以便选中要访问的存储单元或I/O端口，是单向总线。 数据总线DB：从存储器取指令或读写操作数，对I/O端口进行读写操作时，指令码或数据信息通过数据总线送往CPU或由CPU送出，是双向总线。控制总线CB：各种控制或状态信息通过控制总线由CPU送往有关部件，或者从有关部件送往CPU。CB中每根线的传送方向是一定的，图1.3中CB作为一个整体，用双向表示

4、微型计算机的软件系统

系统软件：面向计算机的软件和面向用户的软件

面向计算机的软件：操作系统、监控程序、I/O驱动程序、编译与解释程序和各种诊断、检查、引导程序等
面向用户的软件：各种程序设计语言、实用程序、字处理程序等

应用软件：为了解决各类实际问题，利用计算机以及它所提供的各种系统软件，编写解决各种实际问题的程序。

如微软的办公软件Office等 。

用来编写应用软件的语言有机器语言、汇编语言和高级语言。

系统软件向应用软件提供服务，应用软件必须在系统软件的支持下才能运行。

三、微型计算机的工作原理

基本工作原理：
（1）先将程序和原始数据由输入设备通过输入接口输入存储器中保存；
（2）启动程序，将指令从存储器某个地址单元中取出送到CPU内部的指令寄存器暂存；
（3）控制器中的译码部件进行指令译码，并根据指令功能，向各个部件发出相应的擦偶哦命令，完成取操作数、运算、输出结果等规定的操作；
（4）运算结果可以直接通过输出接口传送给输出设备（如显示器或打印机），也可以先将结果存入存储器中，然后再输出。

微机的工作过程，实质上就是执行程序的过程，是不断地从内存取出指令并执行指令的过程。

四、微型计算机的分类

1、按CPU的字长分类

第一代 —— 4位或低档8位微处理器：CPU的字长为4位，系统传送的数据位为4位

代表产品：Intel公司1971年研制成功的4004（4位CPU）及1972年推出的低档8位CPU 8008。

 采用PMOS工艺，集成度约为2000只晶体管/片。指令系统比较简单，运算能力差， 速度慢（平均指令执行时间为10~20微秒）

第二代—— 中高档8位微处理器：8位微处理器，具有16位地址总线

代表产品：1974年Intel公司生产的8080 CPU， Zilog 公司生产的Z80 CPU、Motorola公司生产的MC6800 CPU以及Intel 公司1976年推出的8085CPU。

 采用NMOS工艺，集成度为9000只晶体管/片，指令的平均执行时间为1~2微秒。指令系统相对比较完善，已具有典型的计算机体系结构以及中断、存储器直接存取(DMA)功能。

第三代—— 16位微处理器：采用高性能的16位微处理器为其CPU，具有20位地址总线

代表产品：1978年Intel公司生产的8086 CPU、Zilog公司的Z8000 CPU和Motorola公司的MC6800 CPU。

 为方便原8位机用户，Intel公司在8086推出后不久便很快推出准16位的8088CPU，其指令系统与8086完全兼容，CPU内部结构仍为16位，但外部数据总线是8位的。并以8088为CPU组成了IBM PC、PC/XT等准16位微型计算机，由于其性能价格比高，很快占领了市场。

第四代——32位高档微处理器：目前使用最多的微型计算机

代表产品：Intel公司推出的32位微处理器芯片80386、80486、Pentium系列、Power PC系列

80386有两种结构：80386SX和80386DX。
80386SX内部结构位32位，外部数据总线为16位，采用80287作为协处理器，指令系统与80286兼容。80386DX内部结构、外部数据总线皆为32位，采用80387作为协处理器。

第五代——64位微处理器：

代表产品：AMD公司推出的Athlon 64和Athlon 64 FX、Intel公司发布的Pentium 4 6XX, Pentium 4 Extreme Edition、 Intel公司发布了64位的Celeron D CPU系列芯片

2、按微型计算机的利用形态分类

1、单片微型计算机
2、单板微型计算机
3、位片式微型计算机
4、微型计算机系统

五、微型计算机的性能指标

特点：功能强、可靠性高、价格低、适应性强、体积小、质量轻、维护方便

性能指标：

字长：字长越长，精度越高，贮存容量也越大
主频：决定了微型计算机的处理速度
主存容量：衡量微型计算机处理数据能力的重要指标
可靠性：故障率越低说明可靠性越高
兼容性：体现在数据处理、I/O接口、指令系统等方面的兼容性
性能价格比：衡量计算机产品优劣的综合性指标