第1章微型計算機的概述

RAMCPUROMBUS安徽師范大學數(shù)學計算機學院程桂花微機原理教學講義82848286第一章微型計算機概述安徽師范大學數(shù)學計算機學院程桂花一、微處理器、微型計算機和微型計算

機系統(tǒng)二、微型計算機的分類三、微型計算機的結構四、8086/8088微型計算機硬件結構簡圖六、相關的硬件知識五、微型計算機系統(tǒng)的主要性能指標第一章微型計算機概述安徽師范大學數(shù)學計算機學院程桂花一、微處理器、微型計算機和微型計算機系統(tǒng)

通常所說的"微電腦","微機"是簡略語，準確的稱謂應是--微型計算機系統(tǒng)。微型計算機系統(tǒng)從全局到局部存在三個層次：微型計算機系統(tǒng)--微型計算機--微處理器，為了以后學習時不致混淆，首先有必要了解這三個層次的確切含義。1、微處理器

微處理器（Microprocessor）也常稱為微處理機，它并不是微型計算機，但它是微型計算機的核心部件。微處理器包括算術邏輯部件ALU（ArithmeticLogicUnit）,控制部件CU（ControlUnit）和寄存器組R（Registers）三個基本部分和內部總線。相當于一般計算機系統(tǒng)結構中的運算器和控制器的組合。通常由幾片（早期）或一片LSI、VLSI器件組成。其實，它就是一般計算機系統(tǒng)概念的中央處理器（CPU）。第一章微型計算機概述安徽師范大學數(shù)學計算機學院程桂花2、微型計算機微型計算機（MicroComputer）或簡稱微機是以微處理器為核心，加上由大規(guī)模集成電路制作的存儲器M（ROM和RAM）、I/O（輸入／輸出）接口和系統(tǒng)總線組成

微型計算機系統(tǒng)（MicroComputerSystem）是以微型計算機為核心，再配以相應的外圍設備,電源、輔助電路和控制微型計算機工作的軟件而構成的完整的計算機系統(tǒng)。軟件分為系統(tǒng)軟件和應用軟件兩大類。系統(tǒng)軟件是用來支持應用軟件的開發(fā)與運行的，它包括操作系統(tǒng)、標準實用程序和各種語言處理程序等。應用軟件是用來為用戶解決具體應用問題的程序及有關的文檔和資料。3、微型計算機系統(tǒng)安徽師范大學數(shù)學計算機學院程桂花安徽師范大學數(shù)學計算機學院程桂花微型機的出現(xiàn)與發(fā)展，形成微型機獨特的分類：

1．按組成分類：[MC=MPU+M（ROM+RAM）+I/O接口+系統(tǒng)總線]

（1）多板機：MC各組成部分裝配在多個印刷電路板上的微型計算機。如PC機（臺式、便攜式、手持式）

（2）單板機：MC各組成部分裝配在一個印刷電路板上的微型計算機。用于教學、實驗等。

（3）單片機：有的微型計算機則是將這些組成部分集成在一個超大規(guī)模芯片上，則稱之為單片微型計算機，簡稱單片機。廣泛用于測控系統(tǒng)、儀器儀表、工業(yè)控制、通訊設備、家用電器等。因單片機廣泛用于嵌入式系統(tǒng)，亦常被稱為微控器（Micro-controller）

（4）位片機：MC各組成部分以MC=CPE（ALU+R）+CU+M+I/O接口的形式，配套積木式組裝，字長、指令系統(tǒng)靈活，可變，易擴展。廣泛用于高速實時專用系統(tǒng)，如：自控系統(tǒng)、武器系統(tǒng)、語音系統(tǒng)、高速外設等。但不具備系統(tǒng)軟件，由專門人員開發(fā)。

二．微型計算機的分類安徽師范大學數(shù)學計算機學院程桂花2.按內存儲器的組成分類：

（1）普林斯頓機：程序和數(shù)據(jù)共存于不加區(qū)分的同一內存系統(tǒng)中。如通用微型計算機。

（2）哈佛機：程序和數(shù)據(jù)分存于嚴格區(qū)分的兩個內存系統(tǒng)中。如單片機，DSP等。

3．按用途分類：

(1)個人計算機（PC）：通用微型機，體積小，價格較廉，并主要為每次一人使用，用戶界面“友好”。又可分為：臺式、便攜式、手持式。

(2)工作站（workstation）這里的工作站是指，具有完整人機交互界面，集高性能的計算和圖形于一身，可配置大容量的內存和硬盤，I／O和網絡功能完善，使用多任務、多用戶操作系統(tǒng)的小型通用個人化的計算機系統(tǒng)。1983年美國APOLLO公司推出第一臺適合計算機輔助設計（CAD）的工作站，采用的是Motorola公司的68000系列的CISC芯片，并配有分辨率較高、尺寸較大的顯示器。由于工作站起步較晚，推出不久即是32位結構，現(xiàn)在已出現(xiàn)64位結構，并普遍采用的是RISC處理器芯片。工作站采用的主要是UNIX操作系統(tǒng)。工作站在工程領域、商業(yè)領域及辦公領域中獲得廣泛的應用。高檔個人計算機與工作站的距離正在縮小。高檔的PC機已達到抵檔工作站的規(guī)模。安徽師范大學數(shù)學計算機學院程桂花三．微型計算機的結構目前的各種微型計算機系統(tǒng)，無論是簡單的單片機、單板機系統(tǒng)，還是較復雜的個人計算機（PC機）系統(tǒng)，從硬件體系結構來看，采用的基本上是計算機的經典結構——馮．諾依曼結構。這種結構的特點是：

·由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五大部分組成；

·數(shù)據(jù)和程序以二進制代碼形式不加區(qū)別地存放在存儲器中，存放位置由地址指定，地址碼也為二進制形式；

·控制器是根據(jù)存放在存儲器中的指令序列即程序來工作的，并由一個程序計數(shù)器（即指令地址計數(shù)器）控制指令的執(zhí)行。控制器具有判斷能力，能根據(jù)計算結果選擇不同的動作流程。

由此可見，任何一個微型機系統(tǒng)都是由硬件和軟件兩大部分組成的。而其中硬件又由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五部分組成。圖1-1給出了具有這種結構特點的微型計算機典型硬件組成框圖。微處理器MPU中包含了上述的運算器和控制器；RAM和ROM為存儲器；I/O外設及接口是輸入、輸出設備的總稱。各組成部分之間通過系統(tǒng)總線：包括地址總線AB、數(shù)據(jù)總線DB、控制總線CB聯(lián)系在一起。

※馮．諾依曼結構

※單（套）總線結構

※雙（套）總線結構

※雙重總線結構

目前的各種微型計算機系統(tǒng)，無論是簡單的單片機、單板機系統(tǒng)，還是較復雜的個人計算機（PC機）系統(tǒng)，從硬件體系結構來看，采用的基本上是計算機的經典結構——馮．諾依曼結構。這種結構的特點是：

·由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五大部分組成；

·數(shù)據(jù)和程序以二進制代碼形式不加區(qū)別地存放在存儲器中，存放位置由地址指定，地址碼也為二進制形式；

·控制器是根據(jù)存放在存儲器中的指令序列即程序來工作的，并由一個程序計數(shù)器（即指令地址計數(shù)器）控制指令的執(zhí)行?？刂破骶哂信袛嗄芰?，能根據(jù)計算結果選擇不同的動作流程。

由此可見，任何一個微型機系統(tǒng)都是由硬件和軟件兩大部分組成的。而其中硬件又由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五部分組成。圖1-1給出了具有這種結構特點的微型計算機典型硬件組成框圖。微處理器MPU中包含了上述的運算器和控制器；RAM和ROM為存儲器；I/O外設及接口是輸入、輸出設備的總稱。各組成部分之間通過系統(tǒng)總線：包括地址總線AB、數(shù)據(jù)總線DB、控制總線CB聯(lián)系在一起。

安徽師范大學數(shù)學計算機學院程桂花三．微型計算機的結構

※馮．諾依曼結構

※單（套）總線結構

※雙（套）總線結構

※雙重總線結構

目前的各種微型計算機系統(tǒng)，無論是簡單的單片機、單板機系統(tǒng)，還是較復雜的個人計算機（PC機）系統(tǒng)，從硬件體系結構來看，采用的基本上是計算機的經典結構——馮．諾依曼結構。這種結構的特點是：

·由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五大部分組成；

·數(shù)據(jù)和程序以二進制代碼形式不加區(qū)別地存放在存儲器中，存放位置由地址指定，地址碼也為二進制形式；

·控制器是根據(jù)存放在存儲器中的指令序列即程序來工作的，并由一個程序計數(shù)器（即指令地址計數(shù)器）控制指令的執(zhí)行。控制器具有判斷能力，能根據(jù)計算結果選擇不同的動作流程。

由此可見，任何一個微型機系統(tǒng)都是由硬件和軟件兩大部分組成的。而其中硬件又由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五部分組成。圖1-1給出了具有這種結構特點的微型計算機典型硬件組成框圖。微處理器MPU中包含了上述的運算器和控制器；RAM和ROM為存儲器；I/O外設及接口是輸入、輸出設備的總稱。各組成部分之間通過系統(tǒng)總線：包括地址總線AB、數(shù)據(jù)總線DB、控制總線CB聯(lián)系在一起。

有時也將微型計算機的這種系統(tǒng)結構稱為單（套）總線結構，簡稱總線結構。采用總線結構，可使微型計算機的系統(tǒng)構造比較簡單，并且具有更大的靈活性和更好的可擴展性、可維護性。根據(jù)系統(tǒng)總線組織方法的不同，可把總線結構分為單（套）總線、雙（套）總線、雙重總線三類

安徽師范大學數(shù)學計算機學院程桂花有時也將微型計算機的這種系統(tǒng)結構稱為單（套）總線結構，簡稱總線結構。采用總線結構，可使微型計算機的系統(tǒng)構造比較簡單，并且具有更大的靈活性和更好的可擴展性、可維護性。根據(jù)系統(tǒng)總線組織方法的不同，可把總線結構分為單（套）總線、雙（套）總線、雙重總線三類，如圖1-2所示。

安徽師范大學數(shù)學計算機學院程桂花有時也將微型計算機的這種系統(tǒng)結構稱為單（套）總線結構，簡稱總線結構。采用總線結構，可使微型計算機的系統(tǒng)構造比較簡單，并且具有更大的靈活性和更好的可擴展性、可維護性。根據(jù)系統(tǒng)總線組織方法的不同，可把總線結構分為單（套）總線、雙（套）總線、雙重總線三類，如圖1-2所示。

圖1.2(a)所示的是單（套）總線結構。圖1.1所示的實際上就是這種結構，在單總線結構中，系統(tǒng)存儲器M和I/O使用唯一的一套信息通路，因而微處理器對存儲器和I/O的讀寫只能分時進行。大部分中低檔微機都是采用這種結構，因為它的邏輯結構簡單、成本低廉、實現(xiàn)容易。

圖1.2(b)是雙（套）總線結構的示意圖：I/O和M各自具有到MPU的總線通路，這種結構的MPU可以分別在兩套總線上同時與M和I/O口交換信息，相當于展寬了總線帶寬，提高了總線的數(shù)據(jù)傳輸速率。目前有的單片機和高檔微機就是采用這種結構。不過在這種結構中，MPU要同時管理與M和I/O的通信，這勢必加重MPU在管理方面的負擔，為此，現(xiàn)在通常采用專門的I/O處理芯片即所謂的智能I/O接口，來履行I/O管理任務，以減輕MPU的負擔。

圖1.2(c)所示的是雙重總線結構：在這種結構中,主MPU通常通過局部總線訪問局部M和局部I/O，這時的工作方式與單總線情況是一樣的。也經常作為主設備訪問全局M和I/O。當某其它并列微處理器需要對全局M和全局I/O訪問時，必須由總線控制邏輯統(tǒng)一安排才能進行，這時該微處理器就是系統(tǒng)的主控設備。比如圖中的DMA控制器也可成為系統(tǒng)的主控設備，全局I/O外設和全局M之間便可利用系統(tǒng)總線進行DMA操作。在其他處理器進行全局I/O的同時，主MPU還可以通過局部總線對局部M或局部I/O進行訪問。顯然，這種結構可以實現(xiàn)雙重總線上并行工作：并且對等效總線帶寬的增加、系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸效率的提高效果更明顯。目前各種高檔微型機和工作站基本上都是采用這種雙重總線結構。四、8086/8088微型計算機硬件結構簡圖CPU80888284ARAM8259A8255A82538237A總線擴展插槽顯示卡、打印卡、串行通訊、驅動器卡等擴展連接外部設備使用圍繞PC機展開，分析微機的組成及工作原理ROM828682828288五、微型計算機系統(tǒng)的主要性能指標1．字長

字長是計算機內部一次可以處理的二進制數(shù)碼的位數(shù)。一般一臺計算機的字長決定于它的通用寄存器、內存儲器、ALU的位數(shù)和內部數(shù)據(jù)總線的寬度。字長越長，一個字所能表示的數(shù)據(jù)精度就越高；在完成同樣精度的運算時，則數(shù)據(jù)處理速度越高。然而，字長越長，計算機的硬件代價相應也增大。為了兼顧精度／速度與硬件成本兩方面，有些計算機允許采用變字長運算。

一般情況下，CPU的內、外數(shù)據(jù)總線寬度是一致的。但有的CPU為了改進運算性能，加寬了CPU的內部總線寬度，致使內部字長和對外數(shù)據(jù)總線寬度不一致。如Inte18088/80188的內部數(shù)據(jù)總線寬度為16位，外部為8位，對這類芯片，稱之為“準XX位”CPU，因此Intel8088/80188被稱為“準16位”CPU，而PentiumCPU的外部數(shù)據(jù)總線寬度卻是內部字長的2倍。2．存儲器容量

存儲器容量是衡量計算機存儲二進制信息量大小的一個重要指標。它指的是存儲設備可容納二進制信息的最大字節(jié)數(shù)。存儲二進制信息的基本單位是位(bit)。一般把8個二進制位組成的通用基本單元叫作字節(jié)B(Byte的縮寫）。微型計算機中通常以字節(jié)為單位表示存儲容量，并且將1024B簡稱為1KB，1024KB簡稱為1MB（兆字節(jié)），1024MB簡稱為1GB（吉字節(jié)），1024GB簡稱為1TB（太字節(jié)）。286以上的高檔微機一般都具有1MB以上的內存容量和40MB以上的外存容量。目前市場上流行的微機大多具有128～512MB內存容量和10～200GB外存容量。

3．運算速度

計算機的運算速度一般用每秒鐘所能執(zhí)行的指令條數(shù)來表示。由于不同類型的指令所需時間長度不同，因而運算速度的計算方法也不同。常用計算方法有：

1）根據(jù)不同類型的指令出現(xiàn)的頻度，乘上不同的系數(shù)，求得統(tǒng)計平均值，得到平均運算速度，這時常用MIPS（MillionsofInstructionPerSecond即百萬條指令／秒）作單位。

2）以執(zhí)行時間最短的指令（如加法指令）為標準來估算速度。

3）直接給出CPU的主頻和每條指令的執(zhí)行所需的時鐘周期。主頻一般以MHZ為單位。

主頻為CPU的額定工作頻率，亦稱內頻，為CPU工作周期的最小時序，直接反映了CPU的工作速度。目前，微機的主頻提升較快，但與之相關的系統(tǒng)總線工作速率（外頻）因受主板芯片組和內存工作頻率的制約，提升較慢。

4．外設擴展能力

這主要指計算機系統(tǒng)配接各種外部設備的可能性、靈活性和適應性。一臺計算機允許配接多少外部設備，對于系統(tǒng)接口和軟件研制都有重大影響，在微型計算機系統(tǒng)中，打印機型號、顯示屏幕分辨率，外存儲器容量等，都是外設配置中需要考慮的問題。

5．軟件配置情況

軟件是計算機系統(tǒng)必不可少的重要組成部分，它配置是否齊全，直接關系到計算機性能的好壞和效率的高低。例如是否有功能很強，能滿足應用要求的操作系統(tǒng)和高級語言、匯編語言，是否有豐富的、可供選用的應用軟件等，都是在購置計算機系統(tǒng)時需要考慮的。

六、 相關的硬件知識

常用兩種基本電路：三態(tài)門和D觸發(fā)器（一）三態(tài)門1.NMOS的三態(tài)門電路分析T為低電平時輸出為高阻抗(三態(tài))T為高點平時輸出為輸入的反相TAF+5VTAF表示反相或低電平有效2.三態(tài)門符號TAFTAFTAF三態(tài)門具有單向導通和三態(tài)的特性在計算機系統(tǒng)中三態(tài)門的主要作用有哪些？ 具有轉換開關的作用 具有緩沖器的作用3.常用集成電路芯片 74LS系列的74LS244，74LS245， Intel系列的8286等。74LS2448位單向緩沖器分成4位的兩組，每組的控制端連接在一起?？刂贫说碗娖接行?、輸出與輸入同相。74LS2458位雙向緩沖器控制端連接在一起，低電平有效?？梢噪p向導通，輸出與輸入同相。Intel82868位雙向緩沖器控制端連接在一起，低電平有效?？梢噪p向導通，輸出與輸入同相。㈡D觸發(fā)器1.常用的D觸發(fā)器DQCQDQCQ電平鎖存上升沿鎖存電平鎖存：高電平通過，低電平鎖存上升沿鎖存：通常用負脈沖觸發(fā)鎖存負脈沖的上升沿DQCQSetClr帶有異步置位清零的電平控制的鎖存器2.常用集成電路芯片74LS273具有異步清零的上升沿鎖存器LE電平鎖存引腳OE輸出允許引腳74LS373具有三態(tài)輸出的電平鎖存器STB電平鎖存引腳OE輸出允許引腳Intel8282具有三態(tài)輸出的電平控制鎖存器㈢在總線中的應用三態(tài)門：功率放大、導通開關D觸發(fā)器：信號保持，也可用作導通開關。器件共用總線時，一般使用三態(tài)電路。在需要使用總線的時候打開三態(tài)門；不使用總線的時候關閉三態(tài)門，使之處于高阻抗狀態(tài)。常用的總線復用技術：