1、1第一章 微型计算机系统概述1.1 计算机的发展与应用 1.1.1 微型计算机的发展与分类 1.1.2 微型计算机的应用1.2微型计算机系统的构成 1.2.1 微型计算机的硬件系统 1.2.2 微型计算机的软件系统1.3 PC机系列体系结构 1.3.1 基于8088 PC总线的微机结构 1.3.2 基于80286 ISA总线的微机结构 1.3.3 基于80386 ISA总线的微机结构 1.3.4 基于80486 EISA总线的微机结构 1.3.5 基于Pentium ISA/PCI总线的微机结构21.1 计算机的发展与应用 人类第一台数字电子计算机：1946 年，美国宾夕法尼亚大学研制出。取名
2、为：ENIAC（Electronic numerical integrator and calculator）。 由著名数学家：冯诺依曼，推出了新的计算机系统结构，提出采用二进制、存储程序及在程序控制下执行的理念 。第一代：1946年1957年。 器件：电子管，磁芯和磁鼓存储器。 软件采用：机器语言和汇编语言，没有OS。 内存容量：仅为几KB。 运算速度：每秒5000 次的加法运算。 体积：非常非常庞大，用6楼计算机大楼。造价昂贵 性能：非常非常很差 3第二代：1957年1965年 采用晶体管：磁芯内存，磁盘外存，内存容量增至几十KB 运算速度：每秒十万次。 体积：大大减小，用1层楼，计算机中
3、心。 造价：价格降低、昂贵。 性能：大大提高。 软件采用高级言：COBOL、FORTRAN、ALGOL 等高级高级语言。第三代: 1965年1971年 采用集成电路：内存采用磁芯和半导体，磁盘外存 运算速度：可达每秒几十万次到每秒几百万次； 体积：更进一步大大减小、只用1个大房间。 价格更低。 软件：广泛采用了操作系统 。4第四代：1971年-现在 采用：超）大规模的集成电路。 微机诞生：1972年,4004, INTEL,BILL.盖次 运算速度：每秒上亿次的浮点运算 除了操作系统广泛采用外，产生了网络操作系统，数据库管理系统。51.1.1微型计算机的发展及分类1微型计算机的发展第一代（19
4、71年1972年）： 71 年推出了 4 位低档微机，其代表产品有 Intel 4004 72 年推出了 8 位 Intel 8008。 只有 48 条指令，时钟频率 500KHz；集成度每片 3500个晶体管。 第二代：1973年1977年 推出 8 位中高档微机, Intel 公司代表产品 8080、8085 Motorola 公司的 M6800 Zilog 公司的Z80。 6第三代：1978年1984年 推出 16 位微机 Intel 公司代表产品 8086/8088 Motorola 公司的 M68000 Zilog 公司的 Z8000。 1981年著名的 IBM 公司,推出了 IBM
5、/PC/XT 1984 年将之扩展为 IBM/PC/AT（Advance Technology） 1984 年 Intel 公司推出了新的一代 16 位 80286 微处理器。7 第四代： 1985年1999年 1985 年 Intel 公司推出了32位的 80386 微处理器 每片的集成度每片达 27.5 万晶体管 运行速度：每秒完成 500万指令（MIPS） 1989 年 Intel 公司推出了80486 微处理器 每片的集成度达 25 万晶体管 1993 年 Intel公司推出了 Pentium 芯片 每片的集成度达 310 万晶体管 运行速度：每秒完成 90MIPS 指令 1995 年
6、 Intel 公司推出了Pentium Pro 芯片 8 每片的集成度达 550 万晶体管 其内装有125KB/512KB高速缓存 CACHE 运行速度每秒完成 300MIPS 指令 1996 年将多媒体技术 MMX 用于 Pentium，推出多能奔腾芯片MMX Pentium； 1997 年又将 MMX 技术用于 Pentium Pro，推出 Pentium II 1999 年 Intel 公司，推出了 Pentium III； 2000 年 3 月推出 Pentium 4。第五代 2000年现在, 新一代 64 位的微处理器芯片已经诞生。 9n2 微型计算机的分类 常见的分类方式生要有 4
7、 种： 按字长来分：8 位微机，16 位微机，32 位微机和 64 位微机。 按用途来分：自动控制机和数据处理机。 按芯片型号分: 286 微机，386 微机，486 微机和 Pentium微机。 按组装的形式分：单片机，单板机和多板机。 10 （1）单片机： 将 CPU 、RAM、ROM、定时器、并行接口、串行接口、有的芯片还集成了 A/D、D/A 转换电路，集成在一块大规模集成电路的芯片上，这个芯片就是一台微型机器，简称为单片机。 其程序一般固化在 ROM 中直接运行； 一般采用标准总线和总线插板组成方式，由厂方提供大量的系列化的总线功能模板，供用户自己选择； 主要用于工业自动化控制，仪器
8、仪表及家用电器。 产品有Intel 公司的 MCS8051、8096P； Motorola 公司的 MC68HC05、MC68HC11 等。11 （2）单板机： CPU、存储器、I/O 接口及简单输入输出设备（主要是指小键盘和 LED）装在同一块印刷电路板上而组成的一台微型机器，简称为单板机。 有简单的 I/O 设备； 用机器语言、汇编语言进行编程 常用于一些较为简单的控制系统和进行教学 用Z80 芯片装配成 TP801，国内常见。 （3）多板机： 将 CPU、存储器、I/O 接口、驱动电路、电源分别制作成不同的印刷电路板，将这些电路板插在主板上的插槽上，由系统总线相连，所构成的计算机系统。
9、多板机的应用程序、系统程序，存放在硬盘上 功能很强，广泛应用的多板机有：IBM PC/XT、IBM PC/AT，PC286、PC386、PC486、Pentium系列。121.1.2 微型计算机的应用 1. 科学计算和数据处理 科学研究领域，如卫星轨道的计算、天气预报和地震勘探；工程设计，如大水坝的设计；社会经济管理，如进行经济普查； 2. 生产控制和试验控制 工农业生产的自动化，国防、交通实时监测、控制和管理，利用计算机可大大地高生产效率。 3. 计算机辅助设计 飞机制造、机械制造、建筑工程设计、集成电路设计，这些复杂的设计活中，使用计算机来进行辅助设计可以极在地提高设计的效率，提高质量，提
10、高自化的水平。 4. 办公自动化 政府事业单位、军队部门的信息化，企业的材料管理、生产管理，金融系统贷业务、证券市场的电子化，采用计算机和计算机网络技术，可实现管理的自动化和无纸化。 13 5. 文化教育 多媒体的教学已经成为学校进行教学的一个重要手段，网络教学、网络医疗网络会议都是计算机和计算机网络技术的应用。 6. 娱乐 多媒体技术在电影电视节目的设计、制作、合成，是计算机应用的很好事例。返回本章目录1412 微型计算机的系统构成 1.2.1 微型计算机的硬件系统 微型计算机的硬件系统的构成框图，包括微处理器 CPU 子系统、系统总线、存储器、I/O 接口及 I/O 设备，见图1.1 。
11、1. 微处理器子系统 微处理器（MPU）也称为中央处理机 CPU，采用大规模集成电路技术制作的芯片，CPU 内有控制器、运算器和寄存器；CPU 执行指令、进行运算、控制协调整个微机系统。 2. 存储器 用来存放程序和数据信息，分为主存储器（内存）和辅存储器（外存）；主存由半导体制成，存放当前正在执行的程序、数据和已经处理过的数据，它造价高、速度快、容量小；辅存包括硬盘和光盘，用来存放暂不运行的程序和暂不处理的数据，它造价低、速度慢、容量大，可长期保存。15 3. I/O 设备,见图1.1 输入设备和输出设备简称为 I/O 设备，也称为外围设备或外设，是微机进行输入和输出的工具和手段；通常微机配
12、制标准的 I/O 设备，包括显示器 CRT 和键盘，合称为控制台；微机上可选配鼠标、打印机、绘图仪、扫描仪等，作为外存的硬盘可看成输入设备，也可看成输出设备。 4. I/O 接口 众多的外部设备，其工作速度差别很大，其驱动的方法不相同，无法直接与 CPU 进行连接，它们必须通过 I/O 接口电路来与CPU相连。I/O 接口的作用：在外设与 CPU 之间进行数据缓冲，配匹速度，变换信号；各种外设接口，均作成相应的电路插板，俗称 “卡”。通常所说的显卡、声卡、打印卡。161.2.2 微型计算机的软件系统,见图1.2 1. 应用软件 系统软件本身不能解决用户自己的应用问题，人们针对某项应用所编制的，
13、解决用户实际问题的程序；如财会软件。 2. 系统软件 系统软件最重要的当属操作系统 OS (Operating System）,基本作用是：负责管理整个系统的全部资源（指硬件资源和软件资源），具体为 CPU、微机的软件系统由系统软件和应用软件组成。存储器、I/O 设备等硬件资源，管理文件、目录、任务、进程等软件资源；方便用户，用户通过操作系统提供的各种功能来使用计算机，而不需要熟悉计算机的硬件。 操作系统通常由生产厂家提供，如早期的单用操作系统 MSDOS，多用户的 UNIX 和基于图形用户界面的 Window。17系统软件中还有语言处理程序，计算机语言是使用者与计算机之间进行交流的工具；人们
14、将要计算机来完成的事件编写成程序输入给计算机；计算机通过执行用户的程序来完成用户的工作。其中广泛使用的语言有 C 语言、VB、VC、Java 等，机器只能运行机器语言。返回本章目录1813 PC 机系列体系结构 1.3.1 基于 8088 PC 总线的微机结构 8088 微处理机，作为第一代机的 CPU，通过地址总线、数据总线和控制总线对整个机器进行调试和控制，其体系结构,如图 1.3 。 1. 8088 处理器：采用 4.77M 的工作频率，该频率通过 8284 对14.31818MHz 的晶体振荡 3 分频而得到的；每个时钟周期 210nm。 2. 8087 协处理器：8088 在最大模式
15、下可配接 8087协处理器用来进行浮点运算，使浮点运算速度提高 100 倍。 3. 存储器：64K 的 ROM 早期存放 32K 的 Basic 解释程序，另 32K 固化 BIOS，包括上电自检程序、系统引导程序、日时钟管理程序和基本的 I/O 设备的驱动程序 4. RAM 内存：IBM PC/XT 的主板上可接插 640K 的内存。 5. 8253/8254 可编程定时计数器：该片提供 3 个通道。通道 0 每 55ms 向 CPU 发一个时钟中断信号，通过计数，用来计算时 钟的时间；通道1 用于 DRAM 的刷新；通道2 输出方波到扬声器。 19 见图1.3。 6. 8259 可编程的中
16、断控制器：用于 8 级中断优先权的控制，负责对外部的中断进行优先排队，将最高级中断求发向 CPU 。 7. 8250 串行通信控制器：实现串行到并行，并行到串行的转换。 8. 8237 DMA 控制器：提供有 4 个通道起先高速数据传送。 通道0 用于动态存储器的刷新；通道1 留给用户；通道2 用于软盘与内存的 DMA 传送；通道3 用于硬盘与内存的 DMA 传送。 9. 8255 并行接口：提供 3个 8 位的并行端口。 A 端口用于读取键盘按键的扫描码。B 端口用于控制，包括键盘接口电路的串行并行之间的转换和扬声器的发声。C 端口用于读取系统状态，包括系统配置信息；如内存容量、显示器的类型
17、、软盘驱动器的个数等。 10. I/O 扩展槽：PC/XT 上有 8 个 62 线的扩展槽。 201.3.2 基于 80286 的 ISA 总线的微机结构 PC/AT 为 PC/XT 的扩展型，采用 80286 作 CPU，80286 微处理器有 24 根地址线，物理寻址空间 64K，16 根数据线；软盘驱动电路作在主板上，可选择 5.25 英寸的软盘驱动 3.5 英寸的软盘驱动器、20M 以上的硬盘驱动器；其体系结构见图1.4 。 1. 数字运算协处理器 80287 ：进行浮点运算。 2. 定时控制器 8254：有 3 个 16 位的定时计数通道。 3. 中断控制器重 8259：两个联级可管
18、理 15 个外中断源。其中 IRQ0 级中断分配给 定时器0，用来维持系统时钟的运行；IRQ1级中断用于键盘；IRQ8 用于实时时钟，IRQ13 级用于协处理器。其余的中断连到 I/O 通道，如 IRQ3 用于串行口 COM1；IRQ4 用于串行口 COM2；IRQ7 用于打印机。21 见图1.4 4. DMA 控制器8237：PC/AT 微机，在PC/XT 的基础上又连了一个DMA 控制器，又得到了3个DMA通道：即 通道5-通道7，支持16位的数据 DMA传送；而其它通道仍用于8位数据的DMA传送。 5. CMOS 芯片：采用 Motorola 公司生产的 M146818 芯片，其内含的实
19、时时钟为系统提供年、月、日、星期、时、分、秒信息；防止丢失信息保证实时时钟的准确性，该芯片由后备电池供电。 6. 内存：系统板上安装了 256K 或 512K 的 RAM，以后扩展为 640K。 7. ROM BIOS：系统板上安装了64K 的 ROM，可扩展到128K 。 8. I/O 扩展槽：为保持与 PC 机的兼容性，保留了原来 62 线的总线插槽，在插槽的另一端增加了36 线，新插槽，合拼成 98 线的称为 “AT总线”，就是 ISA 总线。这样在 80286 即 AT 的主板上有 6 个 98 线的 ISA 总线，有 2 个 62 线的 XT 总线。 9. 并行接口：没有采用 825
20、5 芯片，为保持与 PC/XT 的兼容，键盘接口电路由 8042 微控制器；系统信息由 CMOS ROM 146818 芯片提供。221.3.3 基于 80386 的 ISA 总线的微机结构 采用了 Intel 公司的 80386 微处理器的80386机器，80387协处理器用于浮点运算；采用 ISA 总线来连接系统中的各个部件；具有高速缓冲器 CACHE，采用一组多功能芯片代替原来的单功能的接口控制芯片；80386 微机体系结构见图1.5 1. 采用 ISA 总线: 代替原来的 PC 总线，性能上兼容 PC/AT总线，并且是一个公开的总线协议。 2. 系统系统芯片由几个多功能芯片组成: 芯片
21、组代替PC/XT机中的多个单功能芯片组；由 85C320AT 总线信号控制器、85C310 Cache 存储器控制器、85C330 数缓冲器、82C206 集成外围控制器组成的芯片组。 3. 支持 24 位地址线，16 位数据线: 15 级硬件中断、7 个DMA 通道。23 见图1.5。 4. 采用单列式 SIMM 存储组件: 进行封装的动态存储器作为内存条，主板支持单条 256K、1M，总容量可达到 16M。 5. 80386 微机有 8 个 8位的扩展槽：6个 6位的扩展槽。 6. 核心逻辑芯片: 将 CPU 的局部总线与 ST/ISA、XT 总线进行隔离，速度慢的 ROM BIOS 、键
22、盘、鼠标连接到系统核心逻辑上，高速的主存储、高速缓存 Cache 直接连接到 CPU 的局部总线上，核心逻辑将 2 个 DMA 控制器 8237 以级联方式组合，2 个中断控制器也以级联方式组合。 241.3.4 基于 80486 的 EISA 总线的微机结构 80486 微机采用了 Intel 公司的 80486 微处理器，内集成了协处理器 80387，前期采用总线 ISA 其结构，后来采用了EISA (扩展的工业标准结构) 总线标准，功能上、电气上能连接PC/XT 微机、PC/AT 微机的 ISA 总线相兼容，其体系结构框图见图1.6。 1. 总线：时针为 8M，总线宽度 32 位，最高的
23、数据传输率为33M 。 2. 采用单列式存储器组件: SIMM 封装的 DRAM 内存条，支持 256K、1M 、4M 的单条。 3. 采用一组多功能芯片: 系统系统芯片由几个多功能芯片组成的芯片组，代替 PC/XT 机中的多个单功能芯片；由 82C461、系统控制器、82C362 总线控制器、82C465 Cache 控制器等集成外围控制组成芯片组。 4. 80486 采用单项列式存储器: 组件 SIMM 封装的动态存储器内存条，支持单项条256KB、1MB、4MB，总容量可达32MB。 25 见图1.6 5. 机内除有多个 ISA 总线标准 8位、16 位扩展槽外。还有多个 EISA 标准
24、的 32 位扩展槽；VESA 总线插槽较贵，一般用于高档的微机和服务器中。 6. 地址线支持 32位: 可寻址 4GB 的存储空间，也支持64KB的 I/O 端口寻址，支持 11级中断， 7. 32 位数据线: 支持 8位、16位、32 位的数据存取。261.3.5 基于 Pentium 的 ISA/PCI 总线： 南桥北桥的微机体系结构 Pentium 机的体系结构，改变了主板的结构，使微机体系结构发生了根本性的变化，根据各个部件处理、传输信息的速度，采用了3级总线结构：CPU总线、局部总线（PCI）和系统总线（ISA）。 CPU总线 64 位数据线，32 位的地址线，66MHZ (或者10
25、0MHZ) 的总线时钟频率；局部总线（PCI）为 32 位（或 64 位）数据/地址 分时复用同步总线，通过北桥芯片与速度更高的 CPU 相连；系统总线为 16 位数据线，20 位地址线。系统总线为 16 位数据线，20 位地址线；这种设计提高了微机的性能。桥路芯片起到了速度缓冲、电平转换和控制协议的转换作用；Pentium 微型机系统结构框图 见图1.7 。 1. 南桥芯片 82371：与 IDE 接口、ISA 总线等低速设备相连，南桥芯片用来管理系统中的低速设备。 27 见图1.7。 2. 北桥芯片 82439HX：与 CPU、内存、L2（二级高速缓存）CACHE、局部总线等高速设备相连，
26、南桥芯片用来管理系统中的高速设备。 3.有一个 IDE 接口，一个 USB 接口，一个红外线接口:这种结构设计，即使微处理器及局部总线发生了变动，只需改变北桥芯片，而不影响众多的外围芯片系列。本章结束返回目录28图1.1 微型计算机的硬件系统组成 处 理 器 子 系 统 系 统 总 线 形 成 I/O 设备 I/O 接口 地址线 数据线 控制线 存储器 返回14返回1529图1.2 微型计算机系统组成 微型计算机系统 硬件 主机 外设 微处理器 运算器 控制器 寄存器组 存储器 ROM RAM 系统总线 数据总线 地址总线 控制总线 I/O接口电路 输入输出设备 外存储器 软件 系统软件 操作
27、系统等 程序设计语言 应用软件（数据库，软件包）等 返回1630图1.3 8088 PC/XT 微机体系结构图 8088CPU (4.77MHZ) ROM BIOS DRAM 控制器 RAM存储器 8259 中断控制器 DMA控制器 8237 2个 8250 串行通讯控 制器 8255 并行接口 8253 定时计数器 总 线缓冲 器 8284 时钟发生器 8087协处理器(可 选) 返回18返回1931图1.4 80286 PC/AT 微机体系结构图 6 个 ISA 2 个 PC 80286CPU ( 8 MHZ ) DRAM 控制器 RAM 存储器 8254 定时计数器 总 线缓冲 8259
28、 2 中断控制器 并行接口 8284 时钟发生器 8237X2 DMA 控制器 80287 协处理器 ( 可选 ) ROM BIOS 返回20返回2132图 1.5 80386微机体系结构图 6 个 AT/ISA 扩展插槽 8 个 XT 插 槽 8 位总线 ISA 总线 80386 CPU DRAM、L2、 Cache 控制器 L2 Cache 125K-512K DRAM 4-32M CMOS ROM 实时时钟/日历 8042 MPU 键盘/鼠 标控制器 核心逻芯片组 （82C380）包括： 时间/计数器 总线缓冲器 扩展总线控制器 7 个 DMA 通道 15 级中断 ROM BIOS 64
29、K-128K 返回22返回2333 图 1.6 80486 EISA微机系统结构图 8 位总线 EISA 总线 ISA 总线 80486 CPU DRAM、L2、 Cache 控制器 EISA 核心逻芯片组（82380） 包括： 时间/计数器 EISA 总线扩展控制器 7 个 DMA 通道 15 级中断 DRAM 4-32M L2 Cache 512K ROM BIOS 64K128K CMOS ROM 实时时钟/日历 8042 MPU 键盘/鼠 标控制器 返回24返回2534图 1.7 典型的Pentium 微机系统结构图 红外线接口个 IDE 接口 1 个 USB 接口 1 个 PCI 总线 2-3 个 PCI 插槽 CPU ( Pentium ) L2 Cache 512K DRAM L2 控制器 主存 DRAM 8-256M （南桥芯片） 82371 系统 BIOS (北桥芯片) 82439HX 返回26返回27
