微机系统导论 主要内容 微机系统组成 微机硬件系统结构 微处理器组成 存储器概述 微机工作过程 微机系统的主要性能指标

前言 第一台计算机 世界上第一台数字电子计算机1946 年在美国陆军阿伯丁弹道实验室研制成功，取名为 ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator )。 共用18000多个电子管、6000余个开关、7000个电阻、10000个电容器和50万条连线，重达30吨，占地170平方米，耗电140千瓦，运算速度5000次加法/秒。 尽管该计算机有诸多不足，如存储容量小、体积大、耗电多、可靠性差、使用不便等，但当时人们对它的速度还是相当满意。它的诞生宣布了电子计算机时代的到来。

前言 计算机发展经历4代 第一代电子计算机特点是使用电子管，20世纪40年末和50年代初获得重大发展； 第二代电子计算机于20世纪50年代中期问世，晶体管代替电子管，并增加了浮点运算； 1964年4月IBM360系统问世，成为使用集成电路的第三代电子计算机的著名代表； 70年以后，出现使用超大规模集成电路的第四代电子计算机，目前使用的计算机都属于第四代计算机；

前言 80 年代开始研制第五代计算机，目标是打破以往计算机固有的体系结构，使计算机具有像人一样的思维、推理和判断能力，向智能化发展，称为“智能计算机”。 目前，科学家们正在使计算机朝着巨型化、微型化、网络化、智能化和多功能化的方向发展。 巨型机的研制、开发和利用，代表着一个国家的经济实力和科学水平； 微型机的研制、开发和广泛应用，标志着一个国家科学普及的程度。

前言 微处理器发展经历6代 第1代：1972年研制的8位微处理器 Intel 8008，主要采用工艺简单、 速度较低的P沟道MOS电路； 第2代：1973年研制的，主要采用速度较快的N沟道MOS技术的8位微 处理器。代表产品有Intel的Intel 8085、Motorola的M6800、Zilog的 Z80等; 第3代：1978年研制的，主要采用H-MOS新工艺的16位微处理器。其 典型产品是Intel的Intel 8086;

前言 第4代：1985年起采用超大规模集成电路的32位微处理器，典型产品有 Intel的Intel 80386、Zilog的Z8000、惠普公司的HP-32等； 第5代：1993年Intel公司推出第五代32位微处理器芯片Pentium，外部 数据总线为64位，工作频率为66 - 200MHz； 第6代：1998年Intel公司推出PentiumⅡ、Celeron，后来又推出 Pentium Ⅲ。第六代都是更先进的32位高档微处理器，工作频率为300 - 860 MHz，主要用于高档微机或服务器。

微机系统组成 基本定义－1 [微处理器(μP,MP-microprocessor)]：由一片或几片大规模集成电 路组成的，具有运算器和控制器功能的中央处理器，也称为微处 理机。 大、中、小型中央处理器(CPU-Central Processing Unit)，微处 理器 (MPU-Microprocessing Unit)

微机系统组成 基本定义－2 [微型计算机(microcomputer)]：简称μC或MC，以微处理器为 核心，配上存储器、输入输出接口电路及系统总线所组成的计 算机，又称为主机或微电脑。 把微处理器、存储器、输入输出接口电路组装在一块或多块电 路板上或集成在单片芯片上，分别称为单板机、多板机或单片 微型计算机。

微机系统组成 基本定义－3 [微型计算机系统 (microcomputer system)]：简称μCS或MCS， 指以微型计算机为中心，配上相应的外围设备、电源和辅助电 路(通称硬件)，以及指挥微型机算机工作的系统软件所构成的系 统。

微型计算机 系统 (μCS) 硬件 软件 微型计算机(μC) 外围设备 电源 系统软件 用户(应用)软件 外部设备 过程控制I/O通道 A/D，D/A转换器 开关量，信号指示I/O器 键盘/显示器，光电图形 输入器，语音识别与合成器 行打印机，绘图仪，CRT终端 外存储器：磁带，磁盘，光盘 微处理器(μP) 内存储器 输入输出(I/O)接口电路 系统总线 地址总线(AB) 数据总线(DB) 控制总线(CB) 并行 串行 ROM，PROM，EPROM，EEPROM RAM 算术逻辑单元(ALU) 控制单元(CU) 寄存器阵列(RA)

微机系统组成 微机软件系统结构 系统软件：指不需要用户干预的能生成、准备和执行其他程序 所需的一组程序。 用户软件：各用户为解题或实现检测与实时控制等不同任务所 编制的应用程序，它也称为应用软件。

微机硬件系统结构 微处理器－微机的计算、控制中心，用来实现算术、 逻辑运算以及其他操作，并对全机进行控制。 存储器(主存或内存)－用来存储可以供微处理器直接运行的程序 或处理的数据。 输入/输出(I/O)－接口芯片是微处理器与外部输入/输出设备之间 的接口。 用总线将各个部件连接起来，面向系统的总线结构。

微机硬件系统结构 系统总线：用来传送信息的公共导线，可以是带状的扁平电缆线，也可是印刷电路板上的一层极薄的金属连线。 所有信息都是通过总线在CPU、M、I/O中间传送。 根据传送信息的内容与作用，总线分为3类： 数据总线 (Data Bus, DB) 地址总线 (Address Bus, AB) 控制总线 (Control Bus, CB) 总线结构：系统中各部件均挂在总线上，可使微机系统的结构比较简单，易于维护，并有更大的灵活性和更好的可扩展性。

微机总线结构 根据总线结构组织方式不同，分为： 单总线 双总线 双重总线

微机总线结构 CPU M I/O接口 外设 单总线结构：M和I/O使用同一组信息通路，采取分时操作 。 结构简单，成本低。中低档微机采用此结构。 M I/O接口 CPU 外设

微机总线结构 CPU M I/O接口 外设 双总线结构：M和I/O各有一组连通CPU的总线，可同时操作。 拓宽了总线宽度，提高了传输效率，高档微机采用此结构。 CPU负担加重，可采用专门处理芯片(智能I/O接口)减轻负担。 M I/O接口 CPU 外设 存储器总线 I/O总线

微机总线结构 CPU 局部I/O 全局M 全 局I/O 局部M 总线 控制逻辑 缓冲器 DMA控制器 双重总线结构：具有局部总线与全局总线，并行操作。 提高了数据处理和传输效率，高档微机和工作站采用此结构。 缓冲器 CPU 局部I/O 局部总线 总线 控制逻辑 局部M DMA控制器 全局M 全 局I/O 全局总线

微处理器组成 三部分组成： 运算器 控制器 内部寄存器阵列

微处理器组成 运算器 又称为算术逻辑单元 (Arithmetic and Logic Unit, ALU) 用来进行算术或逻辑运算，以及位移循环等操作。 参加运算的两个操作数： 一个来自累加器A (Accumulator) 另一个来自内部数据总线： 数据寄存器DR (Data Register) 寄存器阵列RA 运算结果送回至累加器A暂存

微处理器组成 控制器 1. 指令寄存器 (Instruction Register, IR) 存放从存储器取出的将要执行的指令 (操作码)。 2. 指令译码器 (Instruction Decoder, ID) 对指令寄存器IR中的指令译码，确定该指令执行什么操作。 3. 可编程逻辑阵列 (Programmable Logic Array, PLA) 也称为定时与控制电路，产生取指令和执行指令所需的各种微操作控制信号。

微处理器组成 内部寄存器 1. 累加器 A (Accumulator) 2. 数据寄存器 DR (Data Register) 算术逻辑运算时 运算前：保存一个操作数 运算后：保存结果 2. 数据寄存器 DR (Data Register) 暂存数据或指令。

微处理器组成 3. 程序计数器 PC (Program Counter) 4. 标志寄存器 F (Flag Register) 存放正待取出的指令的地址。 程序按顺序逐条执行，PC具有自动加1的功能。 4. 标志寄存器 F (Flag Register) 寄存执行指令时所产生的结果或状态的标志信号。

微处理器组成 5. 地址寄存器 AR (Address Register) 6. 寄存器阵列 RA (Register Array) 存放正要取出的指令的地址或操作数的地址，根据此地址从存储器中取出指令。 6. 寄存器阵列 RA (Register Array) 若干通用寄存器和专用寄存器。

存储器概述 基本概念 存储器是微机的存储和记忆部件，用来存放程序和数据(包括原始数据、中间结果与最终结果)。 在计算机内部，程序和数据都是用0、1二进制代码形式来表示的。每一个0或1就叫做1位信息。

存储器概述 【字节(byte)】：8位二进制代码为1个字节。 【字(word)】：2个字节组成1个字，表示16位数据。 【字长】：计量处理二进制代码位长的单位； 表示计算机数据总线上1次能够处理的信息的位数； 如：8位机，16位机，32位机等。 【内存(主存)】：内存划分为很多个存储单元(称内存单元)。 每个存储单元存放1个字节的二进制信息； 表示数据或指令。 【存储容量】：存储单元的总数目，取决于地址线的根数。 【地址】：赋予每个存储单元1个编号，通常用16进制数表示。

存储器概述 存储器组成 随机存取存储器由存储体、地址译码器、控制电路组成。 随机存取：所有存储单元均可随机被访问，既可以读出也 可以写入信息。 存储体：若有8根地址线，存储容量为28=256个单元， 地址编号00H~FFH（0000 0000～1111 1111） 地址译码器：接收来自AB送来的地址码， 经译码器译码，选中相应的某个存储单元， 从中读出信息或写入信息。 控制电路：控制存储器的读/写操作过程。

微机工作过程 微机的工作过程就是执行程序的过程，而程序由指令序列组成。 执行程序的过程，就是执行指令序列的过程。 执行每一条指令，都包括取指令与执行指令两个基本阶段, 因此微机的工作过程，也就是不断地取指令和执行指令的过程。

微机系统的性能指标 微机系统性能：主板与CPU、外设配置、总线结构以及软件配置 微机系统的主要性能指标分以下几个方面： 最佳整体性能评估与最佳购买性能评估 主板的结构与性能 微处理器的性能指标 硬盘的性能指标 允许配置的外设数量 总线的性能指标 软件的配置

微机系统的性能指标 最佳整体性能评估与最佳购买性能评估 1、最佳整体性能评估 (5方面) 性能(67％)、可用性(17％)、特征(8％)、技术创新(4%)、 价格(4%) 2、最佳购买性能评估 与整体性能评估相比，其评估项目基本相同，但各项权重不同。 价格(50%)、性能(30％)、可用性(10％)、特征(10％)

微机系统的性能指标 主板的结构与性能 主板又称为母板、主机板、系统板等，是微机硬件系统中最 重要的部件，其结构与性能如何将直接影响到微机各个部件 之间的相互配合及其整体性能。 主板上集中了微机的主要部件和接口电路： CPU、内存条和高速缓存芯片、系统芯片组等直接装在主板上； 硬盘、软驱和光驱通过数据总线与主板相连； 鼠标、键盘和各种扩充卡经外设接口或扩展槽装或接插在主板上。

微机系统的性能指标 微处理器的性能指标 1、字长：CPU内部一次能同时处理的数据的位数。 字长标志计算精度，字长越长，精度越高，但制造工艺越复杂。 微机的字长有1、4、8、16、32位等，相应的就有1位机、4位机、 8位机、16位机以及32位机等。 目前，一般用户最常用的是32位机。

微机系统的性能指标 2、内存容量：以字节为单位计算的。 8位机中，16条地址线，寻址范围是 216＝64 KB 16位机中，20条地址线，寻址范围是 220=1024KB=1 MB 32位机中，32条地址线，寻址范围是 232=4GB=4*1024 MB

微机系统的性能指标 3、指令系统：微机的核心部件微处理器都有各自的指令系统。 16位微处理器Intel 8086，有24种寻址方式，148条基本指令，能 满足单任务、 单用户系统的多种应用需要。

微机系统的性能指标 4、运算速度：微机性能综合体现，微处理器执行指令的速率。 运算速度用以衡量计算机运算的快慢程度，与诸多因素有关，如机器主频、执行何种操作、主存本身速度等。 平均速度：根据不同类型指令在计算过程中出现的频繁程度， 乘上不同系数，求得统计平均值。 以执行时间最短的指令的标准来计算速度。 直接给出每条指令的实际执行时间和机器的主频。

微机系统的性能指标 5、主频：指 CPU 的时钟频率，以Hz为单位。是判定微处理器 执行性能的一个基本指标。 8086 最高主频为 10 MHz Pentium 主频为 100 MHz Pentium II 最高主频为 450 MHz Pentium III 最高主频为 850 MHz Pentium 4 最高主频已达到 3.8 GHz 【MIPS (Million Instruction Per Second)】：每秒内执行的百万条指令数，是微处理器执行速度的一种量度方式。 8086执行速度为 0.4~1.3 MIPS Pentium III 执行速度为 300 MIPS

微机系统的性能指标 硬盘的性能指标 1、容量：用户优先考虑的指标。 以 MB (兆)和 GB(千兆)为单位 2、速度：硬盘速度在微机系统中的作用仅次于CPU和内存。 主轴电机转速：4200/5400/7200/10000 rpm 3、安全性：提高抗外界震动或抗瞬间冲击以及数据传输纠错。 众多厂家开发了一些硬盘安全技术和软件。

微机系统的性能指标 允许配置的外设数量 允许挂接的外设数量越多，微机的功能越强。 常规的人机交互设备：如键盘、鼠标、显示器、打印机等。 常用通讯设备：如网卡和调制解调器。 扫描仪

微机系统的性能指标 总线的性能指标 总线结构是微机性能的重要指标之一。 ISA (Industry Standard Architecture) 是工业标准体系结构 总线的简称，是PC/AT机及其兼容机所使用的16位标准系统扩展总线，又称PC-AT总线，其数据传输率为16MB/s。 EISA (Extended ISA)，数据和地址总线均增加为32位，数 据传输率为33MB/s，适合32位微机系统。

微机系统的性能指标 PCI (Peripheral Component Interconnect)是外设互连总线的简称，是Intel公司推出的32/64位标准总线，数据传输率为132MB/s，用于Pentium以上的微机系统。 AGP (Accelerated Graphics Port)是加速图形端口，是专门为提高视频带宽而设计的总线规范。数据传输率提高到266MB/s (x1模式)、532MB/s(模式)或1.064GB/s(x4模式)。

微机系统的性能指标 总线的主要性能指标包括： 总线的带宽： 单位时间内总线上可传输的数据量，以MB/s为单位。 总线的位宽： 能同时传输的数据位数，如16位、32位、64位等。 工作频率一定的条件下，总线带宽与总线位宽成正比。 总线的工作频率： 也称为总线的时钟频率，以MHz为单位。用于协调总线上 的各种操作的时钟频率。工作频率越高，则总线带宽越宽。 总线带宽 ＝(总线位宽/8) x 总线工作频率 (MB/s)

微机系统的性能指标 软件的配置 指微机系统配置的操作系统和应用程序。

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