第1章微型计算机的概述

RAMCPUROMBUS安徽师范大学数学计算机学院程桂花微机原理教学讲义82848286第一章微型计算机概述安徽师范大学数学计算机学院程桂花一、微处理器、微型计算机和微型计算

机系统二、微型计算机的分类三、微型计算机的结构四、8086/8088微型计算机硬件结构简图六、相关的硬件知识五、微型计算机系统的主要性能指标第一章微型计算机概述安徽师范大学数学计算机学院程桂花一、微处理器、微型计算机和微型计算机系统

通常所说的"微电脑","微机"是简略语，准确的称谓应是--微型计算机系统。微型计算机系统从全局到局部存在三个层次：微型计算机系统--微型计算机--微处理器，为了以后学习时不致混淆，首先有必要了解这三个层次的确切含义。1、微处理器

微处理器（Microprocessor）也常称为微处理机，它并不是微型计算机，但它是微型计算机的核心部件。微处理器包括算术逻辑部件ALU（ArithmeticLogicUnit）,控制部件CU（ControlUnit）和寄存器组R（Registers）三个基本部分和内部总线。相当于一般计算机系统结构中的运算器和控制器的组合。通常由几片（早期）或一片LSI、VLSI器件组成。其实，它就是一般计算机系统概念的中央处理器（CPU）。第一章微型计算机概述安徽师范大学数学计算机学院程桂花2、微型计算机微型计算机（MicroComputer）或简称微机是以微处理器为核心，加上由大规模集成电路制作的存储器M（ROM和RAM）、I/O（输入／输出）接口和系统总线组成

微型计算机系统（MicroComputerSystem）是以微型计算机为核心，再配以相应的外围设备,电源、辅助电路和控制微型计算机工作的软件而构成的完整的计算机系统。软件分为系统软件和应用软件两大类。系统软件是用来支持应用软件的开发与运行的，它包括操作系统、标准实用程序和各种语言处理程序等。应用软件是用来为用户解决具体应用问题的程序及有关的文档和资料。3、微型计算机系统安徽师范大学数学计算机学院程桂花安徽师范大学数学计算机学院程桂花微型机的出现与发展，形成微型机独特的分类：

1．按组成分类：[MC=MPU+M（ROM+RAM）+I/O接口+系统总线]

（1）多板机：MC各组成部分装配在多个印刷电路板上的微型计算机。如PC机（台式、便携式、手持式）

（2）单板机：MC各组成部分装配在一个印刷电路板上的微型计算机。用于教学、实验等。

（3）单片机：有的微型计算机则是将这些组成部分集成在一个超大规模芯片上，则称之为单片微型计算机，简称单片机。广泛用于测控系统、仪器仪表、工业控制、通讯设备、家用电器等。因单片机广泛用于嵌入式系统，亦常被称为微控器（Micro-controller）

（4）位片机：MC各组成部分以MC=CPE（ALU+R）+CU+M+I/O接口的形式，配套积木式组装，字长、指令系统灵活，可变，易扩展。广泛用于高速实时专用系统，如：自控系统、武器系统、语音系统、高速外设等。但不具备系统软件，由专门人员开发。

二．微型计算机的分类安徽师范大学数学计算机学院程桂花2.按内存储器的组成分类：

（1）普林斯顿机：程序和数据共存于不加区分的同一内存系统中。如通用微型计算机。

（2）哈佛机：程序和数据分存于严格区分的两个内存系统中。如单片机，DSP等。

3．按用途分类：

(1)个人计算机（PC）：通用微型机，体积小，价格较廉，并主要为每次一人使用，用户界面“友好”。又可分为：台式、便携式、手持式。

(2)工作站（workstation）这里的工作站是指，具有完整人机交互界面，集高性能的计算和图形于一身，可配置大容量的内存和硬盘，I／O和网络功能完善，使用多任务、多用户操作系统的小型通用个人化的计算机系统。1983年美国APOLLO公司推出第一台适合计算机辅助设计（CAD）的工作站，采用的是Motorola公司的68000系列的CISC芯片，并配有分辨率较高、尺寸较大的显示器。由于工作站起步较晚，推出不久即是32位结构，现在已出现64位结构，并普遍采用的是RISC处理器芯片。工作站采用的主要是UNIX操作系统。工作站在工程领域、商业领域及办公领域中获得广泛的应用。高档个人计算机与工作站的距离正在缩小。高档的PC机已达到抵档工作站的规模。安徽师范大学数学计算机学院程桂花三．微型计算机的结构目前的各种微型计算机系统，无论是简单的单片机、单板机系统，还是较复杂的个人计算机（PC机）系统，从硬件体系结构来看，采用的基本上是计算机的经典结构——冯．诺依曼结构。这种结构的特点是：

·由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成；

·数据和程序以二进制代码形式不加区别地存放在存储器中，存放位置由地址指定，地址码也为二进制形式；

·控制器是根据存放在存储器中的指令序列即程序来工作的，并由一个程序计数器（即指令地址计数器）控制指令的执行。控制器具有判断能力，能根据计算结果选择不同的动作流程。

由此可见，任何一个微型机系统都是由硬件和软件两大部分组成的。而其中硬件又由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。图1-1给出了具有这种结构特点的微型计算机典型硬件组成框图。微处理器MPU中包含了上述的运算器和控制器；RAM和ROM为存储器；I/O外设及接口是输入、输出设备的总称。各组成部分之间通过系统总线：包括地址总线AB、数据总线DB、控制总线CB联系在一起。

※冯．诺依曼结构

※单（套）总线结构

※双（套）总线结构

※双重总线结构

目前的各种微型计算机系统，无论是简单的单片机、单板机系统，还是较复杂的个人计算机（PC机）系统，从硬件体系结构来看，采用的基本上是计算机的经典结构——冯．诺依曼结构。这种结构的特点是：

·由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成；

·数据和程序以二进制代码形式不加区别地存放在存储器中，存放位置由地址指定，地址码也为二进制形式；

·控制器是根据存放在存储器中的指令序列即程序来工作的，并由一个程序计数器（即指令地址计数器）控制指令的执行。控制器具有判断能力，能根据计算结果选择不同的动作流程。

由此可见，任何一个微型机系统都是由硬件和软件两大部分组成的。而其中硬件又由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。图1-1给出了具有这种结构特点的微型计算机典型硬件组成框图。微处理器MPU中包含了上述的运算器和控制器；RAM和ROM为存储器；I/O外设及接口是输入、输出设备的总称。各组成部分之间通过系统总线：包括地址总线AB、数据总线DB、控制总线CB联系在一起。

安徽师范大学数学计算机学院程桂花三．微型计算机的结构

※冯．诺依曼结构

※单（套）总线结构

※双（套）总线结构

※双重总线结构

目前的各种微型计算机系统，无论是简单的单片机、单板机系统，还是较复杂的个人计算机（PC机）系统，从硬件体系结构来看，采用的基本上是计算机的经典结构——冯．诺依曼结构。这种结构的特点是：

·由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成；

·数据和程序以二进制代码形式不加区别地存放在存储器中，存放位置由地址指定，地址码也为二进制形式；

·控制器是根据存放在存储器中的指令序列即程序来工作的，并由一个程序计数器（即指令地址计数器）控制指令的执行。控制器具有判断能力，能根据计算结果选择不同的动作流程。

由此可见，任何一个微型机系统都是由硬件和软件两大部分组成的。而其中硬件又由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。图1-1给出了具有这种结构特点的微型计算机典型硬件组成框图。微处理器MPU中包含了上述的运算器和控制器；RAM和ROM为存储器；I/O外设及接口是输入、输出设备的总称。各组成部分之间通过系统总线：包括地址总线AB、数据总线DB、控制总线CB联系在一起。

有时也将微型计算机的这种系统结构称为单（套）总线结构，简称总线结构。采用总线结构，可使微型计算机的系统构造比较简单，并且具有更大的灵活性和更好的可扩展性、可维护性。根据系统总线组织方法的不同，可把总线结构分为单（套）总线、双（套）总线、双重总线三类

安徽师范大学数学计算机学院程桂花有时也将微型计算机的这种系统结构称为单（套）总线结构，简称总线结构。采用总线结构，可使微型计算机的系统构造比较简单，并且具有更大的灵活性和更好的可扩展性、可维护性。根据系统总线组织方法的不同，可把总线结构分为单（套）总线、双（套）总线、双重总线三类，如图1-2所示。

安徽师范大学数学计算机学院程桂花有时也将微型计算机的这种系统结构称为单（套）总线结构，简称总线结构。采用总线结构，可使微型计算机的系统构造比较简单，并且具有更大的灵活性和更好的可扩展性、可维护性。根据系统总线组织方法的不同，可把总线结构分为单（套）总线、双（套）总线、双重总线三类，如图1-2所示。

图1.2(a)所示的是单（套）总线结构。图1.1所示的实际上就是这种结构，在单总线结构中，系统存储器M和I/O使用唯一的一套信息通路，因而微处理器对存储器和I/O的读写只能分时进行。大部分中低档微机都是采用这种结构，因为它的逻辑结构简单、成本低廉、实现容易。

图1.2(b)是双（套）总线结构的示意图：I/O和M各自具有到MPU的总线通路，这种结构的MPU可以分别在两套总线上同时与M和I/O口交换信息，相当于展宽了总线带宽，提高了总线的数据传输速率。目前有的单片机和高档微机就是采用这种结构。不过在这种结构中，MPU要同时管理与M和I/O的通信，这势必加重MPU在管理方面的负担，为此，现在通常采用专门的I/O处理芯片即所谓的智能I/O接口，来履行I/O管理任务，以减轻MPU的负担。

图1.2(c)所示的是双重总线结构：在这种结构中,主MPU通常通过局部总线访问局部M和局部I/O，这时的工作方式与单总线情况是一样的。也经常作为主设备访问全局M和I/O。当某其它并列微处理器需要对全局M和全局I/O访问时，必须由总线控制逻辑统一安排才能进行，这时该微处理器就是系统的主控设备。比如图中的DMA控制器也可成为系统的主控设备，全局I/O外设和全局M之间便可利用系统总线进行DMA操作。在其他处理器进行全局I/O的同时，主MPU还可以通过局部总线对局部M或局部I/O进行访问。显然，这种结构可以实现双重总线上并行工作：并且对等效总线带宽的增加、系统数据处理和数据传输效率的提高效果更明显。目前各种高档微型机和工作站基本上都是采用这种双重总线结构。四、8086/8088微型计算机硬件结构简图CPU80888284ARAM8259A8255A82538237A总线扩展插槽显示卡、打印卡、串行通讯、驱动器卡等扩展连接外部设备使用围绕PC机展开，分析微机的组成及工作原理ROM828682828288五、微型计算机系统的主要性能指标1．字长

字长是计算机内部一次可以处理的二进制数码的位数。一般一台计算机的字长决定于它的通用寄存器、内存储器、ALU的位数和内部数据总线的宽度。字长越长，一个字所能表示的数据精度就越高；在完成同样精度的运算时，则数据处理速度越高。然而，字长越长，计算机的硬件代价相应也增大。为了兼顾精度／速度与硬件成本两方面，有些计算机允许采用变字长运算。

一般情况下，CPU的内、外数据总线宽度是一致的。但有的CPU为了改进运算性能，加宽了CPU的内部总线宽度，致使内部字长和对外数据总线宽度不一致。如Inte18088/80188的内部数据总线宽度为16位，外部为8位，对这类芯片，称之为“准XX位”CPU，因此Intel8088/80188被称为“准16位”CPU，而PentiumCPU的外部数据总线宽度却是内部字长的2倍。2．存储器容量

存储器容量是衡量计算机存储二进制信息量大小的一个重要指标。它指的是存储设备可容纳二进制信息的最大字节数。存储二进制信息的基本单位是位(bit)。一般把8个二进制位组成的通用基本单元叫作字节B(Byte的缩写）。微型计算机中通常以字节为单位表示存储容量，并且将1024B简称为1KB，1024KB简称为1MB（兆字节），1024MB简称为1GB（吉字节），1024GB简称为1TB（太字节）。286以上的高档微机一般都具有1MB以上的内存容量和40MB以上的外存容量。目前市场上流行的微机大多具有128～512MB内存容量和10～200GB外存容量。

3．运算速度

计算机的运算速度一般用每秒钟所能执行的指令条数来表示。由于不同类型的指令所需时间长度不同，因而运算速度的计算方法也不同。常用计算方法有：

1）根据不同类型的指令出现的频度，乘上不同的系数，求得统计平均值，得到平均运算速度，这时常用MIPS（MillionsofInstructionPerSecond即百万条指令／秒）作单位。

2）以执行时间最短的指令（如加法指令）为标准来估算速度。

3）直接给出CPU的主频和每条指令的执行所需的时钟周期。主频一般以MHZ为单位。

主频为CPU的额定工作频率，亦称内频，为CPU工作周期的最小时序，直接反映了CPU的工作速度。目前，微机的主频提升较快，但与之相关的系统总线工作速率（外频）因受主板芯片组和内存工作频率的制约，提升较慢。

4．外设扩展能力

这主要指计算机系统配接各种外部设备的可能性、灵活性和适应性。一台计算机允许配接多少外部设备，对于系统接口和软件研制都有重大影响，在微型计算机系统中，打印机型号、显示屏幕分辨率，外存储器容量等，都是外设配置中需要考虑的问题。

5．软件配置情况

软件是计算机系统必不可少的重要组成部分，它配置是否齐全，直接关系到计算机性能的好坏和效率的高低。例如是否有功能很强，能满足应用要求的操作系统和高级语言、汇编语言，是否有丰富的、可供选用的应用软件等，都是在购置计算机系统时需要考虑的。

六、 相关的硬件知识

常用两种基本电路：三态门和D触发器（一）三态门1.NMOS的三态门电路分析T为低电平时输出为高阻抗(三态)T为高点平时输出为输入的反相TAF+5VTAF表示反相或低电平有效2.三态门符号TAFTAFTAF三态门具有单向导通和三态的特性在计算机系统中三态门的主要作用有哪些？ 具有转换开关的作用 具有缓冲器的作用3.常用集成电路芯片 74LS系列的74LS244，74LS245， Intel系列的8286等。74LS2448位单向缓冲器分成4位的两组，每组的控制端连接在一起。控制端低电平有效、输出与输入同相。74LS2458位双向缓冲器控制端连接在一起，低电平有效。可以双向导通，输出与输入同相。Intel82868位双向缓冲器控制端连接在一起，低电平有效。可以双向导通，输出与输入同相。㈡D触发器1.常用的D触发器DQCQDQCQ电平锁存上升沿锁存电平锁存：高电平通过，低电平锁存上升沿锁存：通常用负脉冲触发锁存负脉冲的上升沿DQCQSetClr带有异步置位清零的电平控制的锁存器2.常用集成电路芯片74LS273具有异步清零的上升沿锁存器LE电平锁存引脚OE输出允许引脚74LS373具有三态输出的电平锁存器STB电平锁存引脚OE输出允许引脚Intel8282具有三态输出的电平控制锁存器㈢在总线中的应用三态门：功率放大、导通开关D触发器：信号保持，也可用作导通开关。器件共用总线时，一般使用三态电路。在需要使用总线的时候打开三态门；不使用总线的时候关闭三态门，使之处于高阻抗状态。常用的总线复用技术：