《微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》word版

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1、1.3? 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 　 1.3.1 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成 ? 　　　　　 　 　　首先介紹幾個(gè)基本概念。 1．微處理器 　　微處理器簡(jiǎn)稱MP（micro processor）或CPU，也稱為微處理機(jī)。是指由一片或幾片大規(guī)模集成電路組成的具有運(yùn)算和控制功能的中央處理單元。微處理器主要由算術(shù)邏輯部件ALU、寄存器以及控制器CU組成，它是微型計(jì)算機(jī)的主要組成部分。 ? 2．微型計(jì)算機(jī) 　　微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱為MC（micro computer）或mC。以微處理器CPU為核心，再配上一定容量的存儲(chǔ)器（RAM、ROM）、輸入/輸出接口電路，這三部分通過(guò)外

2、部總線連接起來(lái)，便組成了一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)。 ? 3．微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 　　微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)稱為mCS或MCS（micro computer system），它以微型計(jì)算機(jī)為核心，再配備以相應(yīng)的外圍設(shè)備、輔助電路和電源（統(tǒng)稱硬件）及指揮微型計(jì)算機(jī)工作的系統(tǒng)軟件，便構(gòu)成了一個(gè)完整的系統(tǒng)。 　　微處理器、微型計(jì)算機(jī)和微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是三個(gè)含義不同但又有密切關(guān)聯(lián)的基本概念，要特別注意對(duì)它們的理解和區(qū)別。微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成如圖1.3所示。下面分別介紹各部分的組成及功能。 圖1.3 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成 1.3.2　微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件組成 　　由圖1.3可以看到，微型計(jì)算機(jī)

3、系統(tǒng)的硬件主要包括微型計(jì)算機(jī)、外圍設(shè)備和電源，實(shí)際上就是用眼能看得見、用手能摸得著的機(jī)器系統(tǒng)部分。 圖1.3 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成 1．微型計(jì)算機(jī) 　　微型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)框圖如圖1.4所示。由圖可知：一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)主要由微處理器CPU、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口電路及系統(tǒng)總線構(gòu)成（虛線上的部分）。 圖1.4 微型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)框圖 　　微處理器CPU由運(yùn)算器和控制器兩部分組成。運(yùn)算器主要用來(lái)完成對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)算，包括算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)，控制器為整機(jī)的指揮控制中心，計(jì)算機(jī)的一切操作，如：數(shù)據(jù)輸入/輸出、打印、運(yùn)算處理等都必須在控制器的控制下才能進(jìn)行。 　　存儲(chǔ)器是一個(gè)記憶裝

4、置，用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、程序、運(yùn)算的中間結(jié)果和最后結(jié)果。包括隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM和只讀存儲(chǔ)器ROM。 　　輸入/輸出接口電路是微型計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備聯(lián)系的橋梁，由于外設(shè)的種類繁多，工作速度大部分不能和主機(jī)相匹配（相對(duì)來(lái)講都較慢），因而，主機(jī)和外設(shè)之間的信息傳遞都必須經(jīng)過(guò)接口電路加以合理的匹配、緩沖。輸入接口連接在主機(jī)的輸入端，用來(lái)將輸入設(shè)備（如鍵盤、鼠標(biāo)等）接收的信息輸入到主機(jī)內(nèi)部，而輸出接口則接在主機(jī)的輸出端，用來(lái)將主機(jī)運(yùn)算的結(jié)果或控制信號(hào)輸出到輸出設(shè)備（如CRT（cathode ray tube）顯示器、打印機(jī)等）。 　　CPU和機(jī)器內(nèi)部各部件的聯(lián)系，以及和微型機(jī)外部設(shè)備信息的傳遞都

5、要通過(guò)總線來(lái)實(shí)現(xiàn)。在微型機(jī)中通常使用的總線有數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線，稱為系統(tǒng)三總線。 ??? 數(shù)據(jù)總線DB（data bus）是微處理器與外界傳遞數(shù)據(jù)的信號(hào)線。它的條數(shù)實(shí)際上就決定了微處理器與外部傳送數(shù)據(jù)通道的寬度，這個(gè)數(shù)值也稱作微處理器的字長(zhǎng)。數(shù)據(jù)總線可以雙向傳遞數(shù)據(jù)信號(hào)，是一組雙向、三態(tài)總線。 　　地址總線AB（address bus）是由微處理器輸出的一組地址線，用來(lái)指定微處理器所訪問(wèn)的存儲(chǔ)器和外部設(shè)備的地址。地址總線的條數(shù)決定了CPU所能直接訪問(wèn)的地址空間。如地址總線為20位時(shí)，可訪問(wèn)的地址范圍為220個(gè)，即為00000H到FFFFFH。地址總線采用三態(tài)輸出方式。

6、 　　控制總線CB（control bus），它用來(lái)使微處理器的工作與外部電路的工作同步。其中有的為高電平有效，有的為低電平有效，有的為輸出信號(hào)，有的為輸入信號(hào)。通過(guò)這些聯(lián)絡(luò)線CPU可以向其他部件發(fā)出一系列的命令信號(hào)，其他部件也可以將工作狀態(tài)、請(qǐng)求信號(hào)送給CPU。 ? 2．外圍設(shè)備 　　外圍設(shè)備即微機(jī)的輸入/輸出設(shè)備，它是微機(jī)系統(tǒng)與周圍世界（包括使用計(jì)算機(jī)的人）通信聯(lián)系的渠道。輸入設(shè)備是把程序、數(shù)據(jù)、命令轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)所能識(shí)別接收的信息，輸入給計(jì)算機(jī)。輸出設(shè)備把CPU計(jì)算和處理的結(jié)果轉(zhuǎn)換成人們易于理解和閱讀的形式，輸出到外部。外圍設(shè)備包括外部設(shè)備和過(guò)程控制輸入/輸出通道。外部設(shè)備主

7、要有：顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)、調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)卡和掃描儀等。過(guò)程控制輸入/輸出通道主要有模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、開關(guān)量及信號(hào)指示輸入/輸出器等。這些設(shè)備是組成一個(gè)微機(jī)基本系統(tǒng)必不可少的，它們的選型和指標(biāo)的好壞對(duì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用環(huán)境和用戶的工作效率有著重大的影響。 　　盡管輸入/輸出設(shè)備繁多，但它們有兩個(gè)共同特點(diǎn)：一是常采用機(jī)械的或電磁的工作原理，所以速度較慢，難以和純電子的CPU及內(nèi)存的工作速度相匹配；二是要求的工作電平常常與CPU和內(nèi)存等采用的標(biāo)準(zhǔn)TTL（transistor-transistor logic）電平不一致。為了把輸入/輸出設(shè)備與計(jì)算機(jī)的CPU連接起來(lái)，還需要一個(gè)中間環(huán)節(jié)，

8、即接口電路，用來(lái)進(jìn)行信號(hào)的鎖存、變換、隔離和外設(shè)選址，以保證信息和數(shù)據(jù)在外設(shè)與CPU和內(nèi)存之間正常傳送。 ? 3．電源 電源是保證微機(jī)系統(tǒng)能正常運(yùn)行的工作電源。PC的電源將220V交流電轉(zhuǎn)換成±5V和±12V四種DC（直流）電壓。一般臺(tái)式機(jī)的電源功率為150～220W，立式機(jī)的電源功率為220～400W，電源中由風(fēng)扇提供對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的冷卻。電源應(yīng)滿足最低安全標(biāo)準(zhǔn)，不產(chǎn)生干擾電視和無(wú)線電的電磁輻射。 1.3.3? 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件組成 　　微機(jī)系統(tǒng)的軟件分為系統(tǒng)軟件、程序設(shè)計(jì)軟件和用戶軟件。計(jì)算機(jī)軟件的層次圖如圖1.5所示。 圖1.5 計(jì)算機(jī)軟件層次圖 1．系統(tǒng)軟

9、件 　　系統(tǒng)軟件是由計(jì)算機(jī)生產(chǎn)廠家提供給用戶的一組程序。這組程序是用戶使用機(jī)器時(shí)為產(chǎn)生、準(zhǔn)備和執(zhí)行用戶程序所必須的。 　　系統(tǒng)軟件的核心是操作系統(tǒng)（operating system）。它的主要功能是對(duì)系統(tǒng)的軟、硬件資源進(jìn)行合理的管理，為用戶創(chuàng)造方便、有效和可靠的計(jì)算機(jī)工作環(huán)境。 　? 操作系統(tǒng)的主要部分是常駐監(jiān)督程序。只要一開機(jī)，它就開始運(yùn)行，它可以接收用戶命令，并使操作系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。操作系統(tǒng)分為八個(gè)程序分支。 　　(1) 文件管理程序：用來(lái)處理存放在外存儲(chǔ)器中的大量信息，它可以和外存儲(chǔ)器的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序相連接，對(duì)存放在其中的信息以文件的形式進(jìn)行存取、復(fù)制及其他

10、管理操作。 　　(2) I/O驅(qū)動(dòng)程序：用來(lái)對(duì)I/O設(shè)備進(jìn)行控制和管理。當(dāng)系統(tǒng)程序或用戶程序需要使用I/O設(shè)備時(shí)，只要發(fā)出命令，執(zhí)行I/O驅(qū)動(dòng)程序，便能完成CPU與I/O設(shè)備之間的信息傳送。 　　(3) 文件編輯程序：文件是指由字母、數(shù)字和符號(hào)等組成的一組信息，它可以是一個(gè)用匯編語(yǔ)言或高級(jí)語(yǔ)言編寫的程序，也可以是一組數(shù)據(jù)或一份報(bào)告。文件編輯程序用來(lái)建立、輸入或修改文件，并將它存入內(nèi)存儲(chǔ)器或外存儲(chǔ)器中。 　　(4) 裝入程序：用來(lái)把保存在外存儲(chǔ)器中的程序傳送到內(nèi)存，以便機(jī)器執(zhí)行。 　　(5) 翻譯程序：微型計(jì)算機(jī)是通過(guò)逐條執(zhí)行程序當(dāng)中的指令來(lái)完成人們所給予的任務(wù)的。所以，

11、當(dāng)用戶想讓微機(jī)按照人的意圖去工作時(shí)，就必須把要做的工作、完成的算法及解題的步驟編成一段程序。目前機(jī)器中常用的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言有三種。第一種是機(jī)器語(yǔ)言，是機(jī)器能夠直接識(shí)別的惟一的一種語(yǔ)言。第二種是匯編語(yǔ)言，計(jì)算機(jī)并不能直接識(shí)別和執(zhí)行匯編語(yǔ)言，需要經(jīng)過(guò)駐留在機(jī)器內(nèi)部的翻譯程序（匯編程序）將匯編語(yǔ)言編寫的程序翻譯成機(jī)器語(yǔ)言。第三種是高級(jí)語(yǔ)言，計(jì)算機(jī)同樣不能直接識(shí)別和執(zhí)行高級(jí)語(yǔ)言，和匯編語(yǔ)言一樣，也必須經(jīng)過(guò)翻譯程序（解釋程序或編譯程序）翻譯成機(jī)器語(yǔ)言后才能執(zhí)行。 　　(6) 連接程序：用來(lái)將要執(zhí)行的程序與庫(kù)文件或其他程序模塊連接在一起，形成機(jī)器能執(zhí)行的程序。 　　(7) 調(diào)試程序：是系統(tǒng)提

12、供給用戶的能監(jiān)督和控制用戶程序的一種工具。它可以裝入、修改、顯示或逐條執(zhí)行一個(gè)程序。 　　(8) 系統(tǒng)程序庫(kù)：是各種標(biāo)準(zhǔn)程序、子程序及一些文件的集合，可以被系統(tǒng)程序或用戶程序調(diào)用。 ? 2．程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言 　　程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言是人與計(jì)算機(jī)通信的工具。人們要計(jì)算機(jī)完成什么任務(wù)就必須將怎樣做的方法、步驟編成程序，準(zhǔn)確地告訴計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)只能直接識(shí)別和執(zhí)行機(jī)器語(yǔ)言，它是一種機(jī)器直接可以識(shí)別和執(zhí)行的用0，1組成的二進(jìn)制代碼編寫的程序。而用機(jī)器語(yǔ)言編制程序非常麻煩，效率又低，且易出錯(cuò)，讀起來(lái)也非常困難。為此，人們很自然地想到利用計(jì)算機(jī)本身的分析處理能力，讓它承擔(dān)繁瑣乏味的工作，因此人們創(chuàng)造了

13、匯編語(yǔ)言，它是一種用助記符、符號(hào)地址、標(biāo)號(hào)、變量及運(yùn)算符編寫的程序，計(jì)算機(jī)并不能直接識(shí)別和執(zhí)行匯編語(yǔ)言，必須通過(guò)駐留在機(jī)器中的匯編程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)換成機(jī)器能識(shí)別和執(zhí)行的機(jī)器語(yǔ)言。匯編語(yǔ)言比直接采用機(jī)器語(yǔ)言編程要方便許多，但由于它是面向機(jī)器的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，通常是為特定的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的，通用性較差，于是人們又想到一種更接近人們的思維習(xí)慣和自然語(yǔ)言（如英語(yǔ)），易于人們理解和描述解題方法的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，這就是所謂的高級(jí)語(yǔ)言。目前應(yīng)用最多的有BASIC，F(xiàn)ORTRAN，COBOL，PASCAL和C等10多種語(yǔ)言。值得強(qiáng)調(diào)的是，高級(jí)語(yǔ)言也必須經(jīng)過(guò)解釋程序或編譯程序轉(zhuǎn)換為機(jī)器語(yǔ)言，才能被機(jī)器識(shí)別和執(zhí)行。 ?

14、3．用戶軟件 　　用戶軟件是用戶為滿足實(shí)時(shí)系統(tǒng)的需要編制的一組子程序，從而建立起自己的程序庫(kù)，以提高不同類型用戶的工作效率。不管計(jì)算機(jī)的硬件和系統(tǒng)軟件多么好，若沒(méi)有為完成特定任務(wù)而編寫的用戶軟件，整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)也將是毫無(wú)意義的。 　　應(yīng)當(dāng)指出，硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)是相輔相成的，共同構(gòu)成了微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，缺一不可。用戶通過(guò)軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)發(fā)生聯(lián)系，在系統(tǒng)軟件的干預(yù)下使用硬件系統(tǒng)?，F(xiàn)代的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)之間的分界線并不明顯，總的趨勢(shì)是兩者統(tǒng)一融合，在發(fā)展上互相促進(jìn)。 1.3.4? 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo) 1．字長(zhǎng) 　　字長(zhǎng)指計(jì)算機(jī)內(nèi)部一次可以處理的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)。

15、字長(zhǎng)越長(zhǎng)，計(jì)算機(jī)所能表示的數(shù)據(jù)精度越高，在完成同樣精度的運(yùn)算時(shí)數(shù)據(jù)的處理速度越高。但字長(zhǎng)越長(zhǎng)，機(jī)器中的通用寄存器、存儲(chǔ)器、ALU的位數(shù)和數(shù)據(jù)總線的位數(shù)都要增加，硬件代價(jià)增大，因此應(yīng)考慮精度、速度和成本兼顧的原則來(lái)決定微型計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)。PC/XT微機(jī)的字長(zhǎng)為16位；386、486微機(jī)的字長(zhǎng)為32位；586微機(jī)的字長(zhǎng)為32位或64位。 ? 2．存儲(chǔ)器容量 　　存儲(chǔ)器容量是衡量計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)二進(jìn)制信息量大小的一個(gè)重要指標(biāo)。微型計(jì)算機(jī)中通常以字節(jié)為單位表示存儲(chǔ)容量，如B (byte), KB (kilobyte), MB (megabyte), GB (gigabyte), TB(terabyt

16、e) 和 PB (petabyte)。 1KB＝＝1024B 1MB＝＝1024KB 1GB＝＝1024MB 1TB＝＝1024GB 1PB＝＝1024TB 3．運(yùn)算速度 　　計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度以每秒鐘能執(zhí)行的指令條數(shù)來(lái)表示。由于不同類型的指令執(zhí)行時(shí)所需的時(shí)間長(zhǎng)度不同，因而有幾種不同的衡量運(yùn)算速度的方法。 　?。?）MIPS（百萬(wàn)條指令/秒）法，根據(jù)不同類型指令出現(xiàn)的頻度，乘上不同的系數(shù)，求得統(tǒng)計(jì)平均值，得到平均運(yùn)算速度，用MIPS作單位衡量。 　?。?）最短指令法，以執(zhí)行時(shí)間最短的指令（如傳送指令、加法指令）為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)計(jì)算速度。 　?。?）直接計(jì)算，給出CPU的主頻和每條指令執(zhí)行所需要的時(shí)鐘周期，可以直接計(jì)算出每條指令執(zhí)行所需的時(shí)間。 ? 4．?dāng)U展能力 　　主要指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置各種外設(shè)的可能性和適應(yīng)性。如一臺(tái)計(jì)算機(jī)允許配接多少種外設(shè)，對(duì)計(jì)算機(jī)的功能有重大影響。 ? 5．軟件配置情況 　　軟件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分。一臺(tái)計(jì)算機(jī)軟件是否配置齊全，是關(guān)系到計(jì)算機(jī)性能的重要標(biāo)志。 　　一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是硬件和軟件相結(jié)合的統(tǒng)一整體。用戶應(yīng)當(dāng)根據(jù)自己的需要和應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)配置微機(jī)系統(tǒng)硬、軟件的種類和數(shù)量。確定微機(jī)系統(tǒng)配置的基本原則是滿足使用的要求，并兼顧近期發(fā)展的擴(kuò)展需要。