微机系统与接口教案第一章

第1章微型计算机基础

1.1 微型计算机概述

1.1.1 计算机的发展20世纪40年代，无线电技术和无线电工业的发展为电

子计算机的研制准备了物质基础，1943年～1946年，美国宾夕法尼亚大学研制的ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer，电子数字积分器和计算机)是世界上第一台电子计算机。当时，第二次世界大战正在进行，为了完成新武器在弹道问题中许多复杂的计算，在美国陆军部的资助下开展了这项研究工作，ENIAC计算机于1945年年底完成，1946年2月正式交付使用。因为ENIAC计算机是最早问世的一台电子数字计算机，所以人们认为它是现代计算机的始祖。ENIAC计算机共用18 000多个电子管，1500个继电器，重达30吨，占地170平方米，耗电140 kW，每秒钟能进行5000次加法计算，领导研制的是宾夕法尼亚大学的莫克利(J.W.Mauchly)和埃克特(J.P.Eckert)。该计算机存在两个主要缺点，一是存储容量太小，只能存20个字长为10位的十进制数；二是用线路连接的方法来编排程序，因此每次解题都要依靠人工改接连线，准备时间大大超过实际计算时间。

在研制ENIAC计算机的同时，冯·诺依曼(V on Neumann)与莫尔小组合作研制了EDV AC计算机，该计算机采用了存储程序方案，其后开发的计算机都采用这种方式，称为冯·诺依曼计算机。冯·诺依曼计算机具有如下基本特点：

(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，指令和数据一样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) 指令由操作码和地址码组成。

(5) 指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器(即程序计数器PC)指明要执行的指令所在的单元地址，一般按顺序递增，也可按运算结果或外界条件而改变。

(6) 机器以运算器为中心，输入/输出设备与存储器间的数据传送都通过运算器。

冯·诺依曼计算机开辟了“存储程序自动控制”现代计算机的先河，目前的计算机基本是基于冯·诺依曼计算机的模型和原理研制的。

根据电子计算机所采用的逻辑器件的发展，一般把电子计算机的发展分成四个阶段，习惯上称为四代：

第一代：电子管计算机时代(从1946年第一台计算机研制成功到20世纪50年代后期)。

第二代：晶体管计算机时代(从20世纪50年代中期到60年代后期)。

第三代：集成电路计算机时代(从20世纪60年代中期到70年代前期)。

第四代：大规模集成电路计算机时代。

1.1.2 微型计算机的特点

微型计算机与其他类型计算机相比具有如下特点：

(1) 功能强。

(2) 可靠性高。

(3) 价格低。

(4) 适应性强。

(5) 周期短，见效快。

(6) 体积小，重量轻，耗电省。

(7) 维护方便。

1.1.3 微型计算机的指标

1．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。它与微处理器内部寄存器以及CPU内部数据总线宽度是一致的，字长越长，所表示的数据精度就越高。2．存储容量

存储容量是衡量微机内部存储器能存储二进制信息量大小的一个技术指标。通常把8位二进制代码称为一个字节(Byte)，16位二进制代码称为一个字(Word)，把32位二进制代码称为一个双字(DWord)。存储器容量一般以字节为最基本的计量单位。一个字节记为1B，1024个字节记为1 KB，1024 KB记为1 MB，1024 MB 记为1 GB，而1024 GB记为1 TB。3．指令执行时间

指令执行时间是指计算机执行一条指令所需的平均时间，其长短反映了计算机执行一条指令运行速度的快慢。它一方面决定于微处理器工作时钟频率，另一方面又取决于计算机指令系统的设计、CPU的体系结构等。微处理器工作时钟频率指标可表示为多少兆赫兹，即MHz；微处理器指令执行速度指标则表示为每秒运行多少百万条指令(MIPS，Millions of Instructions Per Second)。

4．系统总线

系统总线是连接微机系统各功能部件的公共数据通道，其性能直接关系到微机系统的整体性能。5．外部设备配置

在微机系统中，外部设备占据了重要的地位。计算机信息输入、输出、存储都必须由外设来完成，微机系统一般都配置了显示器、打印机、网卡等外设。6．系统软件配置

系统软件也是计算机系统不可缺少的组成部分。微机硬件系统仅是一个裸机，它本身并不能运行，若要运行，必须有基本的系统软件支持，如DOS、Windows 等操作系统。1.1.4 微型计算机的分类

微型计算机的品种繁多，系列各异，最常见的有以下几种分类方法。

1. 按微处理器的位数分类

按微处理器的位数分为4位机、8位机、16位机、32位机、64位机，即分别以4位、8位、16位、32位、64位处理器为核心组成的微型计算机。

2. 按微型计算机的用途分类

按微型计算机的用途分为通用机和专用机两类。3. 按微型计算机的档次分类

按微型计算机的档次可分为低档机、中档机和高档机。计算机的核心部件是它的微处理器，也可以根据所使用的微处理器档次将微型计算机分为8086机、286机、386机、486机、586(Pentium)机、PentiumⅡ机、PentiumⅢ机和Pentium 4机等。

4. 按微型计算机的组装形式和系统规模分类

按微型计算机的组装形式和系统规模可分为单片机、个人计算机。

单片机是将微型计算机的主要部件：微处理器、存储器、输入/输出接口等集成在一片大规模集成电路芯片上形成的微型计算机，它具有完整的微型计算机功能。单片机具有体积小、可靠性高、成本低等特点，广泛应用于智能仪器、仪表、家用电器、工业控制等领域。

1.2 微型计算机系统

1.2.1 微型计算机

微型计算机是以微处理器芯片为核心，配以存储器、I/O接口、输入/输出设备以及相应的辅助电路而构成的裸机，简称微机。从结构上讲，它以微处理器为中心，通过总线把I/O设备、存储器等连接成一个整体。根据总线使用方法的不同，微型计算机可以有不同的组织方式。图1.1给出了微型计算机组成框图。

1．运算器

运算器是对数据信息进行加工处理的部件，它主要由算术逻辑运算单元(ALU)组成，在控制器的指挥下可以完成各种算术运算、逻辑运算和其他操作。2．控制器

控制器是统一指挥和有效控制计算机各部件协调工作的关键部件，是微型计算机的指挥控制神经中枢。它从存储器中逐条地取出指令、分析指令，并向各部件发出相应的控制信号，使它们一步步地执行指令所规定的操作。另一方面，它又接收运算器、存储器以及输入/输出设备的反馈信息，以确定程序的执行顺序。3．存储器

存储器是存放程序和数据的部件，它是一个记忆装置，是计算机能够实现存储程序工作原理的基础，存储器分为主存储器和辅助存储器。主存储器又称内存，通常由半导体存储器组成。

4．输入/输出设备

输入/输出(I/O)设备又称外设，通过I/O接口与CPU相连，它是计算机与外部世界联系的桥梁。计算机硬件的五大部件是通过总线连接起来的，所谓总线是一组公共信号线，它能分时地发送和接收各部件的信息。1.2.2 微型计算机系统