1、微机原理与接口技术第1章 微型计算机概述1.1 计算机的发展概况计算机的发展概况1.2 微型计算机的基本结构微型计算机的基本结构1.3 微型计算机系统微型计算机系统1.4 微机的工作过程微机的工作过程1.5 PC系列微机的体系结构系列微机的体系结构1.1 计算机的发展概况1.1.1 世界第一台计算机的诞生与冯世界第一台计算机的诞生与冯诺伊曼计诺伊曼计算机结构算机结构 1946年，在美国的宾西法尼亚大学诞生了世界上年，在美国的宾西法尼亚大学诞生了世界上第一台电子计算机第一台电子计算机ENIAC。冯冯诺伊曼计算机结构诺伊曼计算机结构 计算机应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个部分组成
2、；数据和程序均以二进制代码形式不加区别地存放在存储器中，存放的位置由存储器的地址指定；计算机在工作时能够自动地从存储器中取出指令加以执行。第一台电子计算机ENIAC 冯诺伊曼首先提出的“存储程序”概念，以及由他首先规定的计算机的基本结构，人们称为“冯诺伊曼计算机结构”。归纳其基本内容，主要包括以下几点：计算机应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个部分组成；数据和程序均以二进制代码形式不加区别地存放在存储器中，存放的位置由存储器的地址指定；计算机在工作时能够自动地从存储器中取出指令加以执行。冯诺依曼计算机结构和冯诺依曼(a)运算器内存储器控制器外存储器输入设备输出设备CPU(b)1.
3、1.2 计算机的发展历程 第一代计算机 第二代计算机 第三代计算机 第四代计算机 第五代计算机第一代计算机的发展阶段为从20世纪40年代末到50年代中期，这个阶段的计算机以电子管为主要元件，也就是电子管时代的计算机。这一代计算机主要用于科学计算。20世纪50年代中期，晶体管取代电子管，大大缩小了计算机的体积，降低了成本，同时将运算速度提高了近百倍，这个时代的计算机也称为晶体管时代的计算机。在应用上，计算机不仅用于科学计算，而且开始用于数据处理和过程控制。20世纪60年代中期，集成电路问世之后，出现了中、小规模集成电路构成的第三代计算机。这一时期，实时系统和计算机通信网络有了一定的发展。20世纪
4、70年代初，出现了以大规模集成电路为主体的第四代计算机。这一代计算机的体积进一步缩小，性能进一步提高，发展了并行技术和多机系统，出现了精简指令集计算机(Reduced Instruction Set Computer，RISC)。微型计算机(Microcomputer)也是在第四代计算机时代产生的。主要目标是采用超大规模集成电路，在系统结构上类似人脑的神经网络，在材料上使用常温超导材料和光器件，在计算机结构上采用超并行的数据流计算等。1.1.3 微型计算机的发展历程 第一阶段第一阶段(1971-1973年年)第二阶段第二阶段(1974-1978年年)第三阶段第三阶段(1978-1981年年)第
5、四阶段第四阶段(1981-1991年年)第五阶段第五阶段(1992年以后年以后)第一阶段(19711973年)4位或位或8位低档微处理器和微型计算机时代，通常称位低档微处理器和微型计算机时代，通常称之为第一代，其典型的产品是之为第一代，其典型的产品是Intel 4004、Intel 8008微处理器以及由它们组成的微处理器以及由它们组成的MCS-4和和MCS-8微型计算微型计算机。系统结构和指令系统均比较简单，主要用于家机。系统结构和指令系统均比较简单，主要用于家用电器和简单的控制场合。其主要技术特点如下。用电器和简单的控制场合。其主要技术特点如下。(1)处理器为处理器为4位或低档位或低档8位
6、。位。(2)采用采用PMOS工艺，集成度低。工艺，集成度低。(3)运算功能较差，速度较慢。运算功能较差，速度较慢。(4)语言主要以机器语言或简单的汇编语言为主。语言主要以机器语言或简单的汇编语言为主。第二阶段(19741978年)8位中高档微处理器和微型计算机时代，通常称之为位中高档微处理器和微型计算机时代，通常称之为第二代，其典型产品是第二代，其典型产品是Intel公司的公司的8080/8085等微处等微处理器。其主要技术特点如下。理器。其主要技术特点如下。(1)处理器为中高档处理器为中高档8位。位。(2)采用采用NMOS工艺，集成度比第一代提高工艺，集成度比第一代提高4倍左右。倍左右。(3
7、)运算速度提高运算速度提高1015倍。倍。(4)采用机器语言、汇编语言或高级语言，后期配采用机器语言、汇编语言或高级语言，后期配有操作系统。有操作系统。第三阶段(19781981年)16 位微处理器和微型计算机时代，通常称之为第三位微处理器和微型计算机时代，通常称之为第三代，其典型产品是代，其典型产品是Intel公司的公司的8086/8088及及80286等等微处理器。其主要技术特点如下。微处理器。其主要技术特点如下。(1)处理器为处理器为16位。位。(2)采用采用HMOS工艺，集成度比第二代提高一个数工艺，集成度比第二代提高一个数量级量级(一个数量级就是一个数量级就是10的的1次方次方)。(
8、3)运算速度比第二代提高一个数量级。运算速度比第二代提高一个数量级。(4)采用汇编语言、高级语言并配有软件系统。采用汇编语言、高级语言并配有软件系统。第四阶段(19811991年)32位微处理器和微型计算机时代，通常称之为第四位微处理器和微型计算机时代，通常称之为第四代，其典型产品是代，其典型产品是Intel公司的公司的80386/80486等微处理等微处理器，以及相应的器，以及相应的IBM PC 兼容机，如兼容机，如386、486等。其等。其主要技术特点如下。主要技术特点如下。(1)处理器为高性能的处理器为高性能的16位或位或32位处理器。位处理器。(2)采用采用HMOS或或CMOS工艺，集
9、成度在工艺，集成度在100万晶体万晶体管管/片以上。片以上。(3)运算速度再次提高。运算速度再次提高。(4)部分软件硬件化。部分软件硬件化。第五阶段(1992年以后)高档的高档的32位及位及64位微处理器时代，是奔腾系列处位微处理器时代，是奔腾系列处理器和奔腾系列微型计算机时代，通常称之为第五理器和奔腾系列微型计算机时代，通常称之为第五代，其典型产品是代，其典型产品是Intel公司的公司的Pentium、Pentium、Pentium III、Pentium 4、Itanium(安腾安腾)等。等。Intel 4004 Intel 8008 Intel 8086 Intel 80286 Inte
10、l 80386 Intel 80486 Pentium Pentium MMX Pentium Pro Pentium Pentium Pentium 4 Intel Xeon 系列 Intel Core 系列 典型的CPU芯片图 1.2 微型计算机的基本结构1.2.1 微型计算机结构组成微型计算机结构组成 微处理器微处理器主存储器主存储器总线总线I/O接口和接口和I/O设备设备 各部件之间通过地址总线各部件之间通过地址总线(Address Bus，AB)，数据总线，数据总线(Data Bus，DB)和控制总线和控制总线(Control Bus，CB)相互连接与通信。相互连接与通信。另外，微型
11、计算机通过另外，微型计算机通过I/O接口与输入接口与输入/输出设备相接，完成各输出设备相接，完成各种输入种输入/输出操作。输出操作。DB微型计算机的基本结构微处理器（CPU）I/O接口内存储器数据总线DB控制总线CBI/O设备地址总线AB状态控制（1）微处理器 微处理器也称微处理机，是整个微型计算机的中央微处理器也称微处理机，是整个微型计算机的中央处理部件，由运算器和控制器组成，用来执行程序处理部件，由运算器和控制器组成，用来执行程序指令，完成各种运算和控制功能。指令，完成各种运算和控制功能。（2）主存储器 存储器是微机的存储和记忆装置，用来存放数据和程序。存储器是微机的存储和记忆装置，用来存
12、放数据和程序。根据存储器和根据存储器和CPU的关系，存储器可分为主存储器的关系，存储器可分为主存储器(简称主简称主存，又称内存存，又称内存)和辅助存储器和辅助存储器(简称辅存，又称外存简称辅存，又称外存)。主存储器是主存储器是CPU可以直接对它进行读出或写入可以直接对它进行读出或写入(也称访问也称访问)的的存储器，用来存放当前正在使用或经常要使用的程序和数存储器，用来存放当前正在使用或经常要使用的程序和数据；它的容量较小，速度较快，但价格较高。外存用来存据；它的容量较小，速度较快，但价格较高。外存用来存放相对来说不经常使用的程序和数据，在需要时与内存进放相对来说不经常使用的程序和数据，在需要时
13、与内存进行成批的数据交换，行成批的数据交换，CPU不能直接对外存进行访问。外存不能直接对外存进行访问。外存的特点是存储容量大，价格较低，但存取速度较慢。的特点是存储容量大，价格较低，但存取速度较慢。按读、写能力，它又分为只读存储器按读、写能力，它又分为只读存储器(Read Only Memory，ROM)和随机存取存储器和随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)两两大类。大类。主存储器通常由存储体和有关的控制逻辑电路组成。存储体主存储器通常由存储体和有关的控制逻辑电路组成。存储体是由存储元件是由存储元件(如磁芯、半导体电路等如磁芯、半导体电路等)组成的一个信息存储组成
14、的一个信息存储阵列。存储体中存放着程序和数据信息，而要对这些信息进阵列。存储体中存放着程序和数据信息，而要对这些信息进行存取，必须通过有关的控制逻辑电路才能实现。存储体被行存取，必须通过有关的控制逻辑电路才能实现。存储体被划分为若干个存储单元，每个单元存放一串二进制信息，也划分为若干个存储单元，每个单元存放一串二进制信息，也称存储单元的内容。为了便于存取，每个存储单元有一个对称存储单元的内容。为了便于存取，每个存储单元有一个对应的编号，称为存储单元的地址。存储单元的应的编号，称为存储单元的地址。存储单元的“地址地址”与与“内容内容”的区别。常将此对应地比喻成办公桌的的区别。常将此对应地比喻成办
15、公桌的“抽屉号抽屉号”与与“抽屉里的物品抽屉里的物品”。为了对存储器进行读为了对存储器进行读/写操作，控制器除了要给出地址外，写操作，控制器除了要给出地址外，还要给出启动读、写操作的控制信号。这些控制信号到底何还要给出启动读、写操作的控制信号。这些控制信号到底何时发出，要由机器的操作时序决定。图时发出，要由机器的操作时序决定。图1-5给出了计算机存给出了计算机存储器的基本结构。储器的基本结构。00单元03单元02单元01单元04单元05单元FF单元单元内容图1-5 模型机的存储器结构图地址译码器控制逻辑地址000102030405FFABCPU送来的控制信号DB（3）总线 总线总线(Bus)，
16、是计算机部件与部件之间进行数据信息传输的一，是计算机部件与部件之间进行数据信息传输的一组公共信号线及相关的控制逻辑。它是一组能为计算机的多个组公共信号线及相关的控制逻辑。它是一组能为计算机的多个部件服务的公共信息传输通路，能分时地发送与接收各部件的部件服务的公共信息传输通路，能分时地发送与接收各部件的信息。总线属于微型计算机的重要组成部件之一。信息。总线属于微型计算机的重要组成部件之一。图图1-4中，微处理器、主存储器和中，微处理器、主存储器和I/O接口之间通过地址总线、接口之间通过地址总线、数据总线和控制总线三组总线相连。通常将这三组总线统称为数据总线和控制总线三组总线相连。通常将这三组总线
17、统称为系统总线系统总线(System Bus)。数据总线用来传送数据信息数据总线用来传送数据信息(包括二进制代码形式的指令包括二进制代码形式的指令)。从。从传输方向看，数据总线是双向的，通常它和微处理器本身的位传输方向看，数据总线是双向的，通常它和微处理器本身的位数数(即字长即字长)相一致。相一致。地址总线用来传送地址信息。地址总线是单向的，地址总线的地址总线用来传送地址信息。地址总线是单向的，地址总线的位数决定微处理器可以直接访问的主存或位数决定微处理器可以直接访问的主存或I/O接口的地址范围。接口的地址范围。控制总线用来传送控制信息。控制总线用来传送控制信息。（4）I/O接口和I/O设备
18、I/O接口是微机与接口是微机与I/O设备之间的桥梁，是数据进出微机的通设备之间的桥梁，是数据进出微机的通道，也是微机与道，也是微机与I/O设备协同工作的协调者。设备协同工作的协调者。I/O设备是指那些为微机提供数据或信息的输入设备设备是指那些为微机提供数据或信息的输入设备(如扫描如扫描仪、键盘、鼠标等仪、键盘、鼠标等)和那些接收从微机中输出的信息或数据和那些接收从微机中输出的信息或数据的输出设备的输出设备(如打印机、显示器等如打印机、显示器等)。1.2.2 CPU的组成与功能CPU是微型计算机的核心部件，主要包括运算是微型计算机的核心部件，主要包括运算器、控制器、寄存器阵列、内部总线。一个器、
19、控制器、寄存器阵列、内部总线。一个典型的典型的CPU结构如图结构如图1-6所示所示。运算器。运算器。控制器。控制器。寄存器阵列。寄存器阵列。内部总线。内部总线。CPU的典型结构 1.运算器 实现算术运算实现算术运算(+、-、比较、比较)和逻辑运算和逻辑运算(与、或、非、与、或、非、异或、移位异或、移位)功能。它以算术逻辑部件功能。它以算术逻辑部件(Arithmetic Logic unit，ALU)为核心，再加上累加器为核心，再加上累加器(Accumulator)A、程序状态标志、程序状态标志寄存器寄存器(Flag Register)F及暂存器等。及暂存器等。ALU用来完成二进制数的算术运算和
20、逻辑运算，累加器用来完成二进制数的算术运算和逻辑运算，累加器A是是CPU中工作最频繁的寄存器。在进行算术、逻辑运算时，累中工作最频繁的寄存器。在进行算术、逻辑运算时，累加器加器A往往在运算前暂存一个操作数往往在运算前暂存一个操作数(如被加数如被加数)，而运算后又，而运算后又保存其结果保存其结果(如代数和如代数和)；也用于；也用于CPU与存储器和输入与存储器和输入/输出接输出接口电路间的数据传送。口电路间的数据传送。标志寄存器标志寄存器F用来存放运算结果的一些特征，如有无进位、用来存放运算结果的一些特征，如有无进位、借位等；另外，借位等；另外，CPU的某种内部控制信息的某种内部控制信息(如是否允
21、许中断等如是否允许中断等)也反映在标志寄存器中。通常称前者为状态标志，后者为控也反映在标志寄存器中。通常称前者为状态标志，后者为控制标志。制标志。暂存器用来暂时存放操作数。暂存器用来暂时存放操作数。2.控制器 控制器是指挥和控制计算机各部件协调动作的功能部件，发控制器是指挥和控制计算机各部件协调动作的功能部件，发出控制信号，实现控制指令执行的功能。它从存储器中逐条出控制信号，实现控制指令执行的功能。它从存储器中逐条取出指令，翻译指令代码，并产生各种控制信号指挥整个计取出指令，翻译指令代码，并产生各种控制信号指挥整个计算机有条不紊地工作，一步一步地完成指令序列所规定的任算机有条不紊地工作，一步一
22、步地完成指令序列所规定的任务。同时控制器还要接收输入务。同时控制器还要接收输入/输出输出(I/O)设备的请求信号以设备的请求信号以及运算器操作状况的反馈信息，以决定下一步的工作任务。及运算器操作状况的反馈信息，以决定下一步的工作任务。控制器主要由定时控制逻辑电路、指令寄存器控制器主要由定时控制逻辑电路、指令寄存器(Instruction Register，IR)、指令译码器、指令译码器(Instruction Decoder，ID)组成。组成。IR存放当前正在执行的指令代码；存放当前正在执行的指令代码；ID对指令代码进行分析、译对指令代码进行分析、译码，根据指令译码的结果，输出相应的控制信号；
23、定时控制码，根据指令译码的结果，输出相应的控制信号；定时控制逻辑电路产生出各种操作电位、不同节拍的信号、时序脉冲逻辑电路产生出各种操作电位、不同节拍的信号、时序脉冲等执行此条命令所需的全部控制信号。实现控制指令的执行。等执行此条命令所需的全部控制信号。实现控制指令的执行。控制逻辑阵列产生一系列微操作命令信号。当微操作的条件控制逻辑阵列产生一系列微操作命令信号。当微操作的条件(如指令的操作性质、各功能部件送来的如指令的操作性质、各功能部件送来的“反馈信息反馈信息”、工作、工作节拍信号等节拍信号等)满足时，就发出相应的微操作命令，以控制各个满足时，就发出相应的微操作命令，以控制各个部件的微操作。部
24、件的微操作。将最基本的不可再分的简单操作称为将最基本的不可再分的简单操作称为“微操作微操作”，控制微操，控制微操作的命令信号称为作的命令信号称为“微命令微命令”，它是比，它是比“指令指令”更基本、更更基本、更小的操作命令，如开启某个控制电位，清除某寄存器或将数小的操作命令，如开启某个控制电位，清除某寄存器或将数据输入到某个寄存器等。通常一条指令的执行就是通过一串据输入到某个寄存器等。通常一条指令的执行就是通过一串微命令的执行来实现的。控制器的基本任务就是根据各种指微命令的执行来实现的。控制器的基本任务就是根据各种指令的要求，综合有关的逻辑条件和时间条件产生相应的微命令的要求，综合有关的逻辑条件
25、和时间条件产生相应的微命令。令。为了让各种操作能按照一定的时间关系有序地进行，计算机为了让各种操作能按照一定的时间关系有序地进行，计算机内设有一套时序信号，给出时间标志。计算机的各个功能部内设有一套时序信号，给出时间标志。计算机的各个功能部件按照统一的时钟或节拍信号，一个节拍一个节拍地快速而件按照统一的时钟或节拍信号，一个节拍一个节拍地快速而有秩序地完成各种操作任务。通常将一条指令的整个执行时有秩序地完成各种操作任务。通常将一条指令的整个执行时间定义为一个指令周期间定义为一个指令周期(Instruction Cycle)；每个指令周期再划；每个指令周期再划分为几个机器周期分为几个机器周期(Ma
26、chine Cycle)；每个机器周期又分为几个；每个机器周期又分为几个时钟周期。时钟周期是机器操作的最小时间单位，它由机器时钟周期。时钟周期是机器操作的最小时间单位，它由机器的主频来决定。的主频来决定。3.寄存器阵列 存放参加运算的数据、中间结果、地址等。寄存器阵列实际存放参加运算的数据、中间结果、地址等。寄存器阵列实际上相当于微处理器内部的存储器，包括一组通用寄存器和专上相当于微处理器内部的存储器，包括一组通用寄存器和专用寄存器。通用寄存器用来存放参加运算的数据、中间结果用寄存器。通用寄存器用来存放参加运算的数据、中间结果或地址。或地址。CPU内部有了这些寄存器之后，就可避免频繁地访内部有
27、了这些寄存器之后，就可避免频繁地访问存储器，可缩短指令长度和指令执行时间，提高机器的运问存储器，可缩短指令长度和指令执行时间，提高机器的运行速度，也给编程带来方便。专用寄存器包括程序计数器行速度，也给编程带来方便。专用寄存器包括程序计数器(Program Counter，PC)、堆栈指示器等，它们的作用是固定、堆栈指示器等，它们的作用是固定的，用来存放地址或地址基值。的，用来存放地址或地址基值。其中，程序计数器其中，程序计数器(PC)也称指令计数器，它用来指出计算机也称指令计数器，它用来指出计算机要执行的指令所在存储单元的地址，具有自动增量计数的功要执行的指令所在存储单元的地址，具有自动增量计
28、数的功能。能。4.内部总线 在在CPU内部，运算器、控制器、寄存器阵列三部分之间的信内部，运算器、控制器、寄存器阵列三部分之间的信息交换是通过总线结构来实现的。内部总线用来连接微处理息交换是通过总线结构来实现的。内部总线用来连接微处理器的各功能部件并传送微处理器内部的数据和控制信号。器的各功能部件并传送微处理器内部的数据和控制信号。注意：注意：内部总线分为内部数据总线和地址总线，它们分别通过数据内部总线分为内部数据总线和地址总线，它们分别通过数据缓冲器和地址缓冲器与芯片外的系统总线相连。缓冲器和地址缓冲器与芯片外的系统总线相连。缓冲器用来暂时存放信息缓冲器用来暂时存放信息(数据或地址数据或地址
29、)，它具有驱动放大能，它具有驱动放大能力。力。1.3 微型计算机系统1.3.1 组成组成 硬件硬件 主要包括主机主要包括主机(即微型计算机即微型计算机)和外围设备。和外围设备。软件软件硬件只是微机系统的物理基础，只有硬件的微机系统称为裸机。裸硬件只是微机系统的物理基础，只有硬件的微机系统称为裸机。裸机必须配备各种软件才能做人们想要它们做的事情。机必须配备各种软件才能做人们想要它们做的事情。软件就是为运行、管理和维护计算机系统或为实现某一功能而编写软件就是为运行、管理和维护计算机系统或为实现某一功能而编写的各种程序的总和及其相关资料。它是程序、数据和有关文档的集的各种程序的总和及其相关资料。它是
30、程序、数据和有关文档的集合，其中程序是完成任务所需要的一系列指令序列，文档则是为了合，其中程序是完成任务所需要的一系列指令序列，文档则是为了便于了解程序所需要的阐明性资料。便于了解程序所需要的阐明性资料。软件系统分为系统软件和应用软件。软件系统分为系统软件和应用软件。微型机系统硬件外围设备过程控制I/O通道A/D,D/A转换器开关量等外部设备键盘、鼠标等输入设备显示器、打印机等输出设备 软驱、硬盘及磁带等外存储器主 机微处理器(CPU)运算器(ALU，算术逻辑运算单元)控制器(控制单元CU)寄存器阵列(RA)内存储器RAM ROM,EPROM，E2PROM,Cache等软件系统软件应用软件图1
31、-7 微型计算机系统组成图支撑软件BIOS与操作系统系统总线数据总线地址总线控制总线 I/O接口电路并行I/O 串行I/O1.3.2 微型计算机的分类1.按微处理器按微处理器CPU字长分类字长分类(1)4位微机位微机 用用4位微处理器作位微处理器作CPU，其数据总线宽度为，其数据总线宽度为4位，一个字节数据要分两次来传位，一个字节数据要分两次来传送或处理，是微型机的低级阶段。送或处理，是微型机的低级阶段。(2)8位微机位微机 用用8位微处理器作位微处理器作CPU，其数据总线宽度为，其数据总线宽度为8位。位。8位微机中字长和字节是同一位微机中字长和字节是同一个概念。个概念。(3)16位微机位微机
32、 用用16位微处理器作位微处理器作CPU，数据总线宽度为，数据总线宽度为16位。位。(4)32位微机位微机 32位微机使用位微机使用32位的微处理器作位的微处理器作CPU，从应用角度看，字长，从应用角度看，字长32位是较位是较理想的理想的(5)64位微机位微机 64位微机使用位微机使用64位微处理器作位微处理器作CPU，是目前的主流机型。，是目前的主流机型。2.按微型计算机的组装形式分类按微型计算机的组装形式分类(1)单片机单片机 将将CPU、部分存储器、部分、部分存储器、部分I/O接口集成在一个芯片上，一个芯片就接口集成在一个芯片上，一个芯片就是一台微型机，则该微型机就称为单片微型计算机，简
33、称单片机。是一台微型机，则该微型机就称为单片微型计算机，简称单片机。单片机在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信和分布单片机在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信和分布式控制系统、家用电器等领域的应用日益广泛。式控制系统、家用电器等领域的应用日益广泛。(2)单板机单板机 将将CPU、存储器、存储器、I/O接口及部分接口及部分I/O设备安装在一个印刷线路板上。设备安装在一个印刷线路板上。这块印刷线路板就是一台完整的微型机，称为单板微型计算机，简这块印刷线路板就是一台完整的微型机，称为单板微型计算机，简称单板机。称单板机。通常只能应用于一些简单控制系统和教学中，现已被单片机、通常只
34、能应用于一些简单控制系统和教学中，现已被单片机、PC机机替代。替代。(3)个人计算机个人计算机(Personal Computer，PC)是指便于搬动而且不需要维护的计算机。它是面向个人单独使用的是指便于搬动而且不需要维护的计算机。它是面向个人单独使用的一类微机，实现各种计算、数据处理及信息管理等功能。一类微机，实现各种计算、数据处理及信息管理等功能。图1-8 单片机组成及外形图 图1-9 单板机组成及外形图3.按计算机的综合性能指标分类按计算机的综合性能指标分类 依据计算机的综合性能指标依据计算机的综合性能指标(运算速度、存储容量、输入运算速度、存储容量、输入/输出输出能力、规模大小、软件配
35、置能力、规模大小、软件配置)可将计算机分为可将计算机分为巨型机巨型机大型机大型机小型机小型机微型机微型机工作站工作站 1.3.3 微型机的主要技术指标 主频。主频。字长。字长。运算速度。运算速度。主存容量和存取时间。主存容量和存取时间。可靠性。可靠性。性价比。性价比。1.主频主频 主频也叫做时钟频率，就是主时钟不断产生的时钟脉冲主频也叫做时钟频率，就是主时钟不断产生的时钟脉冲的固定频率。用来表示微处理器的运行速度，主频越高的固定频率。用来表示微处理器的运行速度，主频越高表明表明CPU运行越快，主频的单位是运行越快，主频的单位是MHz、GHz。早期微处理器的主频与外部总线的频率相同，从早期微处理
36、器的主频与外部总线的频率相同，从80486开开始，主频始，主频=外部总线频率外部总线频率 倍频系数。倍频系数。外部总线频率通常简称为外频，外频越高说明微处理器外部总线频率通常简称为外频，外频越高说明微处理器与系统内存数据交换的速度越快，因而微型计算机的运与系统内存数据交换的速度越快，因而微型计算机的运行速度也越快。行速度也越快。倍频系数是微处理器的主频与外频之间的相对比例系数。倍频系数是微处理器的主频与外频之间的相对比例系数。通过提高外频或倍频系数，可以使微处理器工作在比标通过提高外频或倍频系数，可以使微处理器工作在比标称主频更高的时钟频率上，这就是所谓的超频。称主频更高的时钟频率上，这就是所
37、谓的超频。2.字长字长 字长是指微机系统中字长是指微机系统中CPU一次能处理的二进制位数。一次能处理的二进制位数。它决定着计算机内部寄存器、它决定着计算机内部寄存器、ALU和数据总线的位数，直和数据总线的位数，直接影响着机器的硬件规模和造价。接影响着机器的硬件规模和造价。字长直接反映了一台计算机的计算精度，字长越长，说字长直接反映了一台计算机的计算精度，字长越长，说明明CPU所能处理的数据精度越高，处理速度越快，存储容所能处理的数据精度越高，处理速度越快，存储容量越大，通常字长是字节的整数倍。量越大，通常字长是字节的整数倍。目前微机的字长主要有目前微机的字长主要有32位和位和64位。位。3.运
38、算速度运算速度 运算速度是衡量计算机性能的一个重要指标，在硬件一运算速度是衡量计算机性能的一个重要指标，在硬件一定的情况下，运算速度快慢与机器所执行的操作及主时定的情况下，运算速度快慢与机器所执行的操作及主时钟频率有关，执行的操作不同，所需要的时间不同，其钟频率有关，执行的操作不同，所需要的时间不同，其运算速度也不同，执行同一种操作使用同一计算方法，运算速度也不同，执行同一种操作使用同一计算方法，机器主时钟频率不同，运算速度也不同。机器主时钟频率不同，运算速度也不同。现在普遍采用单位时间内执行指令的条数作为运算速度现在普遍采用单位时间内执行指令的条数作为运算速度指标，常用百万条指令每秒指标，常
39、用百万条指令每秒(Millions of Instruction Per Second)表示，并以表示，并以MIPS作为缩写。由于执行不同类型的作为缩写。由于执行不同类型的指令所需时间长度不同，所以指令所需时间长度不同，所以MIPS通常是根据不同指令通常是根据不同指令出现的频度乘上不同的系数求得的统计平均值。出现的频度乘上不同的系数求得的统计平均值。4.主存容量和存取时间主存容量和存取时间 主存容量是指主存储器所能存储二进制信息的总量。主存容量是指主存储器所能存储二进制信息的总量。主存容量越大，可存放的数据越多，可同时执行的程序主存容量越大，可存放的数据越多，可同时执行的程序也越多，相对来说，
40、也越多，相对来说，CPU访问外部存储器的次数会减少，访问外部存储器的次数会减少，机器的处理能力就越强。机器的处理能力就越强。主存容量是受地址线宽度限制的，比如主存容量是受地址线宽度限制的，比如Pentium的地址线的地址线有有32条，则最大主存空间是条，则最大主存空间是4 GB。现代微机通常配备现代微机通常配备256 MB，512 MB甚至甚至l GB的主存。的主存。微型机内主存完成一次读微型机内主存完成一次读/写所需要的时间称为主存储器写所需要的时间称为主存储器的存取时间，该时间越短存取速度就越快。的存取时间，该时间越短存取速度就越快。5.可靠性可靠性 计算机的可靠性是一个综合的指标，一般常
41、用平均无故计算机的可靠性是一个综合的指标，一般常用平均无故障运行时间来衡量。障运行时间来衡量。平均无故障运行时间是指在相当长的运行时间内，用机平均无故障运行时间是指在相当长的运行时间内，用机器的工作时间除以运行时间内的故障次数所得的结果。器的工作时间除以运行时间内的故障次数所得的结果。它是一个统计值，此值越大，则说明计算机的可靠性越它是一个统计值，此值越大，则说明计算机的可靠性越高，即故障率降低。高，即故障率降低。6.性价比性价比 性价比是机器性能与价格的比值，它是衡量计算机产品性价比是机器性能与价格的比值，它是衡量计算机产品性能优劣的一个综合性指标。性价比的比值越大越好。性能优劣的一个综合性
42、指标。性价比的比值越大越好。一般来说，微型机的性价比要比其他类型计算机的性价一般来说，微型机的性价比要比其他类型计算机的性价比高得多。比高得多。1.3.4 应用 科学计算与数据处理科学计算与数据处理 工业控制工业控制 自动化仪器、仪表装置自动化仪器、仪表装置 计算机辅助设计计算机辅助设计 计算机仿真计算机仿真 人工智能人工智能 信息管理与办公自动化信息管理与办公自动化1.4 微机的工作过程1.4.1 指令与程序指令与程序 指令是用来指挥和控制计算机执行某种操作的命令指令是用来指挥和控制计算机执行某种操作的命令通常一条指令包括操作码和操作数两部分通常一条指令包括操作码和操作数两部分:操作码部分用
43、来指操作码部分用来指出操作性质，如加法运算、减法运算、移位操作等；操作数出操作性质，如加法运算、减法运算、移位操作等；操作数部分用来指明操作数部分用来指明操作数(即参与运算的数即参与运算的数)或操作数的地址。或操作数的地址。指令的操作码和操作数在机器内部均以二进制形式来表示。指令的操作码和操作数在机器内部均以二进制形式来表示。各自所占的二进制位数决定了指令的操作类型的多少及操作各自所占的二进制位数决定了指令的操作类型的多少及操作数地址范围的大小。数地址范围的大小。一台计算机所能识别和执行的全部指令称为该机的指令系统一台计算机所能识别和执行的全部指令称为该机的指令系统 按照一定的顺序去控制计算机
44、完成某一工作的指令序列称为按照一定的顺序去控制计算机完成某一工作的指令序列称为程序程序机器是不能直接识别符号程序的，还必须将其翻译或转换为机器是不能直接识别符号程序的，还必须将其翻译或转换为二进制代码程序，才能被计算机直接识别和执行。这种翻译二进制代码程序，才能被计算机直接识别和执行。这种翻译和转换工作通常也是由计算机中专门的程序自动完成的，这和转换工作通常也是由计算机中专门的程序自动完成的，这就是后边将介绍的汇编程序就是后边将介绍的汇编程序(汇编器汇编器)。1.4.2 指令的执行过程概括而言，一条指令的执行过程可以分概括而言，一条指令的执行过程可以分为为3个基本阶段或过程，即：个基本阶段或过
45、程，即：取指令取指令分析指令分析指令执行指令执行指令 开始执行程序时，程序计数器PC中保存第一条指令的地址，它指明了当前将要执行的指令存放在存储器的哪一个单元中。控制器把PC中保存的指令地址送往存储器的地址寄存器AR，并发出“读命令”。存储器按给定的地址读出指令，经由数据寄存器DR送往控制器，保存在指令寄存器IR中。指令译码器ID对指令寄存器IR中的指令进行译码，分析指令的操作性质，并由控制逻辑阵列向存储器、运算器等有关部件发出微操作命令。当需要由存储器向运算器提供操作数时，控制器根据指令的地址部分，形成操作数所在的存储器单元地址，并送往存储器的MAR，然后向存储器发出“读命令”。从存储器读出
46、的数据经由MDR直接送往运算器。与此同时，控制器命令运算器对数据进行指令规定的运算。一条指令执行完毕后，控制器就要接着执行下一条指令。为了把下一条指令从存储器取出来，通常控制器把PC的内容自动加上一个值，以形成下一条指令的地址；而在遇到转移指令时，控制器则把“转移地址”送往PC。总之，PC中存放的是下一条指令所在存储单元的地址。控制器不断重复步骤，每重复一次，就执行了一条指令，直到整个程序执行完毕。程序的执行过程就是周期性和重复性地进行上述过程的操作。1.4.3 微机的工作过程1.计算机的工作原理计算机的工作原理冯冯诺依曼结构的计算机的基本工作原理可概括为诺依曼结构的计算机的基本工作原理可概括
47、为“存储程序存储程序”和和“程序控制程序控制”当要微机完成某项工作的时候，必须先设计解决问题的算当要微机完成某项工作的时候，必须先设计解决问题的算法，然后根据算法，编写有关的程序，准备所需要的数据。法，然后根据算法，编写有关的程序，准备所需要的数据。“存储程序存储程序”就是把这些事先编写好的程序和数据存储到就是把这些事先编写好的程序和数据存储到存储器中保留起来。存储器中保留起来。机器启动后，根据给出的程序中第一条指令的存储地址，机器启动后，根据给出的程序中第一条指令的存储地址，取出第一条指令，然后控制器就可以依据存储程序中的指令顺取出第一条指令，然后控制器就可以依据存储程序中的指令顺序周而复始
48、地取指令、分析指令和执行指令，直到完成全部的序周而复始地取指令、分析指令和执行指令，直到完成全部的指令操作，这就是所谓的指令操作，这就是所谓的“程序控制程序控制”。2.从程序到电子信号从程序到电子信号 用汇编语言写成的指令代码必须转换成机器能够识用汇编语言写成的指令代码必须转换成机器能够识别的二进制指令流。同样，一个用高级语言描述的别的二进制指令流。同样，一个用高级语言描述的程序，需要经过编译、连接、执行，才能最终变成程序，需要经过编译、连接、执行，才能最终变成一个个电子的数据信号、地址信号或控制信号，完一个个电子的数据信号、地址信号或控制信号，完成所需的工作。图成所需的工作。图1-10给出了
49、这样一个转换的大致给出了这样一个转换的大致流程。流程。无论是高级语言程序还是汇编程序，最终都要转换无论是高级语言程序还是汇编程序，最终都要转换成机器能识别的机器指令，这些机器指令再在成机器能识别的机器指令，这些机器指令再在CPU的工作下转换成各类电子信号。表的工作下转换成各类电子信号。表1-2中列出了部分中列出了部分x86指令和控制信号之间的关系。指令和控制信号之间的关系。二进制机器指令序列(作业)二进制机器指令流(进程、线程)电路中的电子信号高级语言源程序汇编语言源程序控制信号通过接口部件控制外设运作 控制信号直接控制CPU各部件运作编译、连接汇编、连接操作系统调度或BOOT引导CPU取指、
50、译码、运算图1-10 软件到电子信号的转换过程表表1-2 部分部分X86指令与控制信号的关系指令与控制信号的关系指令指令产生的信号产生的信号含义含义IN AL,21HIORC读读I/O端口端口OUT 21H,ALIOWC写写I/O端口端口MOV AX,21HMRDC读内存读内存MOV 21H,AXMWTC写内存写内存二进制的机器指令序列仅仅是存放在外存中的可执行文件，不能产生任何的信号，必须要调入到内存中实际运行起来。通常可执行文件是由操作系统的作业调度程序调度到内存中成为进程，再由进程调度程序调度进CPU运行环境中才能正式运行，并产生各类信号的。而操作系统本身的核心部分则是由系统的BOOT引
