第1章 微型计算机概论

第1章微型计算机概论1.1微型计算机概述1.2微型计算机系统组成1.3微机的主要性能指标及应用1.1微型计算机概述1.1.1微型计算机发展概况20世纪40年代，由美国宾夕法尼亚大学莫克利和埃克特领导的研究小组，研制成功了世界上第一台电子计算机ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorComputer)。ENIAC由17486个电子管、1500个继电器、7万个电阻器、1万个电容器和6千个开关组成。每秒钟能只能进行5000次加法运算或者400次乘法运算，仅相当于一个电子数字积分计算机。ENIAC的研制背景：第二次世界大战火炮射击表美国军方要求弹道研究院每天提供六张射击表200多名计算员花两个多月的时间才可完成一张射击表冯·诺依曼计算机结构1945年，冯·诺依曼发表了一份长达101页的报告，即著名的“关于EDVAC的报告草案”。报告提出的体系结构一直延续至今，即冯·诺伊曼结构。①计算机应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备共5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，存放位置由存储器的地址指定；③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；④……3

《微型计算机原理》“现代电子计算机之父”冯·诺依曼

美籍匈牙利数学家

1926年（22岁），获匈牙利布达佩

斯大学数学博士学位

1931年（28岁），成为普林斯顿大

学终身教授

1933年，转入普林斯顿高等研究院

1951~1953年，任美国数学会主席约翰·冯·诺依曼

1954年，任美国原子能委员会委员

John

Von

Neumann

1944年《博弈论与经济行为》

1903~1957

1945年“关于EDVAC的报告草案”1.1.1微型计算机发展概况（续1）冯·诺依曼提出了在数字计算机内部的存储器中存放程序的概念，这是所有现代电子计算机的模板，被称“冯·

诺依曼结构”。冯·诺依曼计算机的基本特点：(1)计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。(2)采用存储程序的方式，程序和数据放在同一个存储器中，指令和数据可以送到运算器中运算，即由指令组成的程序是可以修改的。(3)数据以二进制码表示。(4)指令按顺序执行。冯·诺依曼计算机结构图示冯·诺依曼计算机结构由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五部分组成。运算器控制器输入设备输出设备存储器数据程序和数据输入地址指令结果输出5

《微型计算机原理》冯·诺依曼计算机结构控制器结果输出地址指令

运算器数据

存储器命令

输出设备

状态输入设备命令和应答程序和数据输入

状

态

和

请

求命令和应答状态和请求1.1.1微型计算机发展概况（续2）随着集成电路技术的发展，微处理器得到了飞速发展。

第一代：4位和低档8位微处理器

4004→4040→8008

第二代：中高档8位微处理器

8080、MC6800、Z-80、6502

第三代：16位微处理器

8086∕8088→80286

、MC68000、Z80001.1.1微型计算机发展概况（续3）第四代：32位微处理器

MC68020、80386→80486→Pentium系列

第五代：64位微处理器

Itanium、64位RISC微处理器芯片1.1.2微型计算机的特点微型计算机除了具有一般电子数字计算机的运算速度快、计算精度高和通用性强等常规功能外，还具有如下特点：(1)可靠性高，对环境适应能力强。(2)体积小、重量轻、耗电省。(3)性价比高。(4)结构简单、设计灵活、适应性强。

(5)维护方便。

1.1.3微型计算机的分类按组织结构和规模分：单片机、单板机、个人计算机、笔记本电脑、掌上电脑

按微处理器位数分：

4位机、8位机、16位机、32位机、64位机。

按应用范围和表现形式分：

通用计算机、专用计算机超级计算机世界500强1993年~2011年国家分布3.日本：30台4.英国：27台1.美国：263台2.中国：74台6.德国：20台5.法国：23台2011年11月榜单世界上第一个商业微处理器Intel4004微处理器1971年诞生面积：4.2mm×3.2mm制造工艺：10微米晶体管数量：2250主频：最高740KHz字长：4位与4001/4002/4003共同构成了芯片组：

MCS-4（MicroComputerSet）为日本Busicom公司的计算器而研制基于Intel4004的产品基于4004的计算器Busicom141-PF（1971年）BusicomLE-120A电路板4003移位寄存器(I/O)4004微处理器4001只读存储器(ROM)4002随机存储器(RAM)1970年代的微处理器1972年，Intel推出8008微处理器1974年，Intel推出8080微处理器1976年，Zilog推出Z80微处理器1978年，Intel推出了首款16位微处理器8086，及其简化版80881970年代中期，微处理器的优势已经被业内人士所认同，RCA（美国无线电公司）、Honeywell、Fairchild、NI、AMD、Motorola以及Zilog等大批公司进入这一领域，竞争日益激烈。微型计算机的早期代表：IBMPC1981年，IBMPC5150诞生售价约1600美元Intel8088CPU，主频4.77MHz，内存16KB因开放性架构逐渐成为个人计算机的制造标准IBMPC的兴衰1984年，IBM税后净收益65.8亿美元1985年，IBM占据全球PC市场份额的80％

1991年，IBM亏损28.6亿美元1992年，IBM亏损49.7亿美元

2005年，联想以17.5亿美元

收购了IBM的全球PC业务第一台微型计算机：Altair爱德华·罗伯茨EdwardRoberts1942~2010Altair

8800包含两块集成电路，Intel8080微处理器和一块256字节的存储器面板上的8个手动开关和几排小灯泡作为输入和输出1974年，微型仪器与自动测量系统公司（简称MITS公司）出品，每台售价397美元。1975年，全部2000台销售一空。“苹果”的传奇史蒂夫·沃兹尼亚克史蒂夫·乔布斯1975年，AppleI微型计算机的早期代表：AppleII1977年，苹果电脑AppleII问世售价约1300美元摩托罗拉6502CPU，主频1MHz，内存4KB1980~1990年代美国教育系统电脑的实际标准VisiCalc电子表格软件史蒂夫·乔布斯（1955.2.24~2011.10.5）2010iPad2007iPhone

1984Macintosh1991年，StevenJobs和BillGates在交谈当前微型计算机的主要形态及衍生服务器台式机笔记本平板电脑智能手机嵌入式微机1.2微型计算机系统组成

从系统组成来的观点来看，微型计算机系统通常由硬件系统和软件软件系统两大部分组成，其组成框图如图1-1。图1-1计算机系统的基本组成1.2.1微型计算机的硬件系统

微型计算机的硬件系统以微处理器为核心，配以内存储器以及输入输出（I/O）接口和相应的辅助电路而构成，采用总线结构来实现相互之间的信息传递。图1-2为典型的微型计算机硬件系统的构成框图。1.2.1微型计算机的硬件系统（续1）

微处理器

微处理器的全部电路集成在一块大规模集成电路中。它包括运算器（ALU）、寄存器组、控制器，这3个基本部分由内部总线连接在一起。微处理器把一些信号通过寄存器或缓冲器送到集成电路的引线上，以便与外部的微机总线相连接。其内部结构如图1-3所示。

图1-3微处理器内部结构图1.2.1微型计算机的硬件系统（续2）

存储器微存储器是微机中重要的组成部分，它用来存放和记忆程序和数据的装置。显然，存储器的容量越大，能记忆的信息越多，计算机的功能就越强。微机上的存储器分为“内部存储器”和“外部存储器”两类。内部存储器位于主机的内部的电路板上，用于暂时存放程序和数据，CPU可以通过总线直接访问，通常造价高、速度快，但是容量小；外部存储器位于主机外部，用于存放大量的信息，如暂不运行的程序和暂不处理的数据，CPU要通过I/O接口进行访问，通常造价低、容量大、数据可以长期保存，但是速度慢。30

《微型计算机原理》存储器基本结构

地址的位数由控

制器地址线的位

数确定

每个存储单元中

内容的位数由设

计计算机时对存

储器的编址方法

确定1.2.1微型计算机的硬件系统（续3）

I/0设备和I/O接口I/O设备是指微机上配备的输入/输出设备，也称为外部设备或外围设备（简称外设），它主要为微机提供具体的输入/输出手段。输入设备是微机系统用来接受信息的部件，目前常见的有键盘、鼠标、摄像头、扫描仪等。输出设备的种类比较多，常用的有显示器、打印机语音输出装置等。由于各种外设的工作速度、驱动方法各异，不能直接将它们简单的连接到总线与CPU进行连接。因此，需要一个接口部件，来完成它们之间的速度匹配、信号变换、与CPU联络等工作。这部分电路被称为I/O接口电路，简称I/O接口。38

《微型计算机原理》4.输入设备

输入设备

用来输入数据和程序的装置

其功能是将外界的信息转换成机内的表示形式

并传送到计算机内部

常见输入设备有键盘、鼠标、图形数字化仪、

图像扫描仪等39

《微型计算机原理》5.输出设备

输出设备

用来输出数据和程序的装置

其功能是将计算机内的数据和程序转换成人们

所需要的形式并传送到计算机外部

常见的输出设备有显示器、打印机、绘图机等1.2.1微型计算机的硬件系统（续4）

系统总线

系统总线是微机中各种部件之间传递信息的一组公共数据传输线路。通常把CPU芯片内部的总线称为内部总线，而连接系统各部件间的总线称为外部总线或称为系统总线。

数据总线(DB)：用于CPU与内存或I/O接口之间的数据传递。地址总线(AB)：用于传送存储单元或I/O接口的地址信息。控制总线(CB)：传送控制器的各种控制信息。

①

地址总线（

Address

Bus，简称AB或ABus）

②

数据总线（Data

Bus，简称DB或DBus）

③

控制总线（Control

Bus，简称CB或CBus）

CPU9

《微型计算机原理》微型计算机的基本结构微处理器存储器

I/O接口外设地址总线AB数据总线DB单向双向控制总线CB

双向1.2.2微型计算机的软件系统

微机的软件系统由系统软件、应用软件和支撑软件组成。

系统软件：它是一类对计算机系统本身进行管理与控制的软件，它提供用户使用计算机操作环境以及应用软件的运行环境。如：WindowsXP、Windows7、Windows8等。

运用软件：它是指用户利用计算机以及计算机所提供的各种系统软件，开发解决各种实际问题的程序。如：绘图软件AutoCAD、图像处理软件Photoshop、QQ游戏平台等。支撑软件：传支撑各种软件的开发与维护的软件，又称为软件开发环境。如：WebSphere、Studio.NET等。1.3微型计算机的主要性能指标及应用1.3.1微型计算机的主要性能指标

字长：微机的字长是指微处理器内部一次可以并行处理二进制代码的位数

，它一般决定于微机的通用寄存器、内存储器、ALU的位数和数据总线的宽度。字长越长，所表示的数据精度就越高；在完成同样精度的运算时，字长越长的微处理器数据处理速度越高。