乔少杰 sjqiao@home.swjtu.edu.cn qiaoshaojie@gmail.com 微机原理与接口技术 第一章、概 述 乔少杰 sjqiao@home.swjtu.edu.cn qiaoshaojie@gmail.com

课程设置 平时成绩（30%） 作业 点名 期末考试（约70%） 不超出作业的范围

大纲 微型计算机的发展 微型计算机的分类 微型计算机的系统组成及结构 微型计算机的主要性能指标 常见的通用微处理器及80X86 CPU系列

微型计算机的发展 CPU的发展 1971年的 Intel 4004，其字长为4位，内部集成了2300 个晶体管 集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍，当价格不变时；或者说，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18个月翻两倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。

CPU 发展趋势 􀁺 处理速度越来越快(时钟频率、指令并行执行度越来越 高) 􀁺 片内一级Cache及二级Cache越来越大 􀁺 处理数据的位数越来越长 􀁺 可寻址的内存空间越来越大 􀁺 高性能指令越来越多 􀁺 集成度越来越高 􀁺 多核化 字长：电脑技术中对CPU在单位时间内(同一时间)能一次处理的二进制数的位数叫字长。 位：在数字电路和电脑技术中采用二进制，代码只有“0”和“1”，其中无论是 “0”或是“1”在CPU中都是 一“位”。

一级缓存&二级缓存 用少量的高速内存和大量的低速内存结合使用，共同为处理 器提供数据。这样就兼顾了性能和使用成本的最优。而那些 高速的内存因为是处于CPU和内存之间的位置，又是临时存 放数据的地方，所以就叫做缓冲存储器了，简称“缓存”。 L1 Cache(一级缓存)是CPU第一层高速缓存，分为数据缓存和 指令缓存。内置的L1高速缓存的容量和结构对CPU的性能影 响较大，不过高速缓冲存储器均由静态RAM组成，结构较复 杂，在CPU管芯面积不能太大的情况下，L1级高速缓存的容 量不可能做得太大。一般服务器CPU的L1缓存的容量通常在 32—4096KB。 二级缓存是比一级缓存速度更慢，容量更大的内存，主要就 是做一级缓存和内存之间数据临时交换的地方用

外部设备的发展 内存容量越来越大，速度越来越快（提高集成度， 改变读写制式） 硬盘容量越来越大，速度越来越快（改变传输制式， 提高磁信息记录密度，大容量缓存） 显示器分辨率越来越高，闪烁越来越低，非CRT化 （液晶，等离子） 显示适配卡显示速度越来越高（图象的硬加速和大 容量缓存） 串行外设接口传输率越来越高（RS-232 → USB → 1394） 网卡速度越来越高，基于网络的设备越来越多 所有外设的即插即用化（Plug In and Play,简PnP）

操作系统的发展 单任务、单用户、字符方式（DOS） 多任务、单用户、图形方式（WINDOWS 工作站版） 多任务、单用户、字符方式（UNIX，LINUX工作站 版） 多任务、多用户、字符方式（UNIX，LINUX 服务器 版） 基于网络的分布式系统及网格计算系统

微型计算机的分类 通用型微机：个人用台式或笔记本微机；微机服务 器；通用工控机；微机图形工作站等。 专用型微机：单板机；单片机；DSP；嵌入式处理 器；模块组合机（如PC104）等。 DSP（digital signal processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。

微型计算机的系统组成及结构

地址总线 地址总线AB（Address Bus）,是主控部件用于寻址受 控部件每个字节单元地址的信号线的集合。地址总 线的数量将决定主控部件的寻址能力或寻址空间的 大小。例如20根地址线的寻址范围为220=1024K字 节单元（1K=1024）。 地址总线俗称Where Bus，意指其作用是用于指定数据 存放的地点。

数据总线 数据总线DB（Data Bus），是主控部件与用地址总 线所寻址的受控部件数据单元进行数据传送的信号 线的集合。数据总线的数量（位数）将决定主控部 件与受控部件之间一次最多可交换的二进制数据的 位数（通常称为微机的字长）。 数据总线俗称What Bus，意指其作用是承载传送的具 体内容。

控制总线 控制总线CB（Control Bus），是那些用于操控地址 总线和数据总线信号的生成和时机，实现主控部件 指定数据传送过程所需的全部控制信号的集合。同 样的微机中不同的操作过程所用到的控制信号子集 是有差异的。 控制总线俗称When Bus，意指其作用是确定信息传送 的严格时序。

存储器 ROM为只读存储器，用于固化存放微机启动时所需 的系统自检、系统初始化、操作系统引导等程序， 以及一些常用的可供上层程序调用的最底层硬件操 作子程序。这部分程序在PC系列微机中称为BIOS（ Basic Input/Output System），它们是在主机出厂时由 生产厂写入的。其内容除了必要的升级之外是不允 许用户改动的。作为ROM的芯片，可以是EPROM、 E2ROM或者FLASH ROM。 RAM为可读写存储器，是微机当前所运行的系统程 序和用户程序及数据的存放体。出于器件集成度和 制造成本的考虑，目前微机中的RAM都采用的是动 态存储器DRAM。具体表现为内存条的形式。

外设接口 用于转接主控部件和外部设备的数据中转类型接口 部件 用于辅助CPU完成系统管理控制的辅助控制类型接口部件 数据中转类型接口部件的主要任务是使CPU通过系统 总线能够和不同反应速度、不同数据格式（如串行数 据）、不同信号电平（如RS-232电平、不同信号形式 （如模拟信号）的各种外设进行可靠的数据传输。 用于辅助CPU完成系统管理控制的辅助控制类型接口部件 辅助控制类型接口部件的作用是按照CPU的命令完成某种系统管理或控制功能的部件，如中断控制器8259，定时计数器8253等。

性能指标 字长：计算机内部一次可处理的二进制数的最多位数。 前有4位； 8位；16位；32位；64位 速度：常用每秒执行的指令数衡量。 有每秒百万次定点指令MIPS（Million Instructions Per Second） 每秒百万次浮点指令操作MFLOPS（Million Floating-point Operations Per Second) 内存空间：CPU地址线可直接寻址的内存字节数目。 目前有64K(16位)；1M(20位)；16M(24位)；4G(32位)；64G(36位) 系统结构及外部设备配置情况： CPU芯片组结构 系统总线结构（ISA；EISA；VESA；PCI等） 主板上高速缓存（二级Cache）多少 可配置的内存类型及最大容量 第 1 章 概 述 6 支持硬盘的工作模式（ATA；PIO；DMA；SCSI等） 支持显示模式（ISA；EISA；VESA；PCI；AGP等） 支持串口模式（RS232；USB；1394等）

部分常用的通用型微处理器

8086~80386 系列CPU 的主要成员

80486 系列CPU

Pentium 系列CPU

习题

1. 微型计算机有哪些主要特征？ 微型计算机与早期的小型计算机，甚至中型、大型 计算机在性能上区别有着很强的时间性，例如目前 的微机不仅已超过了以前的许多小型机而且在某些 性能上超过了一些中型、大型机。但微型计算机与 它们相比还是有一些主要特征，如CPU集成；字长 仅为4~64位；地址空间64K~64G；且外设相对简单。

2. 微机系统的硬件结构主要有哪些组成部分？ 微型计算机的硬件结构从原理上看是由四大功能部 件组成的，它们分别是微机硬件核；系统总线；存 储器；外设接口及外设。

3. 微机硬件核的主要作用是什么？ 1．微机硬件核 硬件核是微机内可以产生各类规范的系统总线信号 并由此操控微机内的其它组成部件的最基本的硬件 组成部分，由CPU和必要的外部辅助器件（芯片组） 构成。 由8086/8088CPU构成的台式系统中，微机硬件核内 除了CPU外还包括系统时钟产生电路以及系统总线 生成电路（用于产生各类独立系统总线信号的电路， 包括产生地址总线信号的地址锁存器；用于产生数 据总线信号的双向数据收/发器；用于产生控制总 线信号的控制总线器件）。

4. 什么是微机的三总线，它们各自的作用是什么？ （1）地址总线AB（Address Bus）,是主控部件用于寻址受控部件每个 字节单元地址的信号线的集合。地址总线的数量将决定主控部件的 寻址能力或寻址空间的大小。例如20根地址线的寻址范围为 220=1024K字节单元（1K=1024）。 地址总线俗称Where Bus，意指其作用是用于指定数据存放的地点。 第 1 章 概 述 4 （2）数据总线DB（Data Bus），是主控部件与用地址总线所寻址的 受控部件数据单元进行数据传送的信号线的集合。数据总线的数量 （位数）将决定主控部件与受控部件之间一次最多可交换的二进制 数据的位数（通常称为微机的字长）。 数据总线俗称What Bus，意指其作用是承载传送的具体内容。 （3）控制总线CB（Control Bus），是那些用于操控地址总线和数据 总线信号的生成和时机，实现主控部件指定数据传送过程所需的全 部控制信号的集合。同样的微机中不同的操作过程所用到的控制信 号子集是有差异的。 控制总线俗称When Bus，意指其作用是确定信息传送的严格时序。 以上的三总线也有3W总线或W3总线的俗称。

5. 微机内常有的半导体存储器有哪些类型，各自有什么特点？ 3．存储器（特指半导体存储器） 微型计算机中必备的存储器有两种：ROM和RAM (1) ROM为只读存储器，用于固化存放微机启动时所需的系 统自检、系统初始化、操作系统引导等程序，以及一些常用 的可供上层程序调用的最底层硬件操作子程序。这部分程序 在PC系列微机中称为BIOS（Basic Input/Output System），它们 是在主机出厂时由生产厂写入的。其内容除了必要的升级之 外是不允许用户改动的。作为ROM的芯片，可以是EPROM、 E2ROM或者FLASH ROM。 (2) RAM 为可读写存储器，是微机当前所运行的系统程序和 用户程序及数据的存放体。出于器件集成度和制造成本的考 虑，目前微机中的RAM都采用的是动态存储器DRAM。具体 表现为内存条的形式。

6. 微机中的外设有哪两种类型，各自的主要作用是什么？ (1) 数据中转类型接口部件的主要任务是使CPU通过系 统总线能够和不同反应速度、不同数据格式（如串行数 据）、不同信号电平（如RS-232电平、不同信号形式 （如模拟信号）的各种外设进行可靠的数据传输。所以 也就存在着各式各样的数据中转类型的接口电路，如串 行接口，并行接口，模拟/数字转换接口等。 (2) 辅助控制类型接口部件的作用是按照CPU的命令完 成某种系统管理或控制功能的部件，如中断控制器8259， 定时计数器8253等。这类功能部件由于CPU采用了与数 据中转类型接口部件完全相同的寻址和访问方式，所以 归类于外设接口功能部件类，尽管它们并不衔接任何外 设。

7. 微型计算机有哪些主要技术指标，它们的意义是什么？ 字长：计算机内部一次可处理的二进制数的最多位数。 前有4位； 8位；16位；32位；64位 速度：常用每秒执行的指令数衡量。 有每秒百万次定点指令MIPS（Million Instructions Per Second） 每秒百万次浮点指令操作MFLOPS（Million Floating-point Operations Per Second) 内存空间：CPU地址线可直接寻址的内存字节数目。 目前有64K(16位)；1M(20位)；16M(24位)；4G(32位)；64G(36位) 系统结构及外部设备配置情况： CPU芯片组结构 系统总线结构（ISA；EISA；VESA；PCI等） 主板上高速缓存（二级Catch）多少 可配置的内存类型及最大容量 第 1 章 概 述 6 支持硬盘的工作模式（ATA；PIO；DMA；SCSI等） 支持显示模式（ISA；EISA；VESA；PCI；AGP等） 支持串口模式（RS232；USB；1394等）