第第 11 章 微型计算机系统概述章 微型计算机系统概述

本章要点1.1 概述1.2 硬件系统1.3 微型计算机的一般工作原理1.4 微型计算机常用术语

本章要点本章要点

了解微型计算机的发展掌握计算机系统组成掌握计算机系统的层次结构理解微型计算机的工作原理及指令执行过程掌握微型计算机常用术语

本章重点与难点本章重点与难点

重点：微型计算机的基本组成微型计算机的工作原理微型计算机常用术语

难点：微型计算机的工作原理

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1.1 1.1 概述概述

1.1.1 计算机的发展概况1.1.2 微型计算机的分类1.1.3 微型计算机系统的组成1.1.4 微型计算机系统的层次结构

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1.1.1 1.1.1 计算机的发展概况计算机的发展概况

1946 年，第一台计算机在美国诞生。 60 多年来，根据计算机采用的逻辑元件来分，计算机经历了电子管计算机时代、晶体管计算机时代、集成电路计算机时代、大规模及超大规模集成电路计算机时代，如图1-1 所示。

图 1-1 计算机采用的逻辑元件

1.1.1 1.1.1 计算机的发展概况计算机的发展概况

20 世纪 70 年代初，随着大规模集成电路的出现，原来体积很大的中央处理器电路集成为一个只有十几平方毫米的半导体芯片，其称为微处理器。微处理器的出现，开创了微型计算机的新时代。微型计算机是第四代计算机的典型代表。

微处理器是计算机的核心部件，它的性能在很大程度上决定了微型计算机的性能。因此，微型计算机的发展是以微处理器的发展来更新换代的。

第一代4 位和低档 8 位机

Intel 4004/8008第二代

中高档 8 位机8080/8085 、 Z80 、 MC6800

第三代16 位机

Intel 8086 、 Z8000 、 80286

第四代32 位机

80386 、 80486

第五代32 位机

Intel Pentium

（ 1971-1973 ）主要应用于各种袖珍计算器、家电、交通灯控制等简单控制领域

（ 1973-1978 ）广泛用于数据处理、工业控制智能仪器仪表及家电等各个领域

（ 1978-1983 ）

（ 1984-1992 ）

（ 1993-1999 ）特点：

1 、速度越来越快。

2 、容量越来越大。

3 、功能越来越强。

第六代64 位机和双核Intel Intanium 、 Pentium D 、 Pentium EE 、

（ 2000 年以后）

1.1.2 1.1.2 微型计算机的分类微型计算机的分类

微型计算机按照它的应用对象可以分为以下三类： 单片机：将微处理器、部分存储器、输入输出接口都集成在一

块集成电路芯片上，一块芯片就构成了一台计算机，它被广泛应用于汽车、家电、工业过程控制、智能仪器仪表等领域。

单板机：将计算机的各个部分都组装在一块印制电路板上，包括微处理器 / 存储器 / 输入输出接口，还有简单的七段发光二极管显示器、小键盘、插座等。它适于进行生产过程的控制，也可以直接在实验板上操作，适用于教学。

PC 机：目前人们广泛使用的个人计算机

1.1.3 1.1.3 微型计算机系统的组成微型计算机系统的组成

1.1.4 1.1.4 微型计算机系统的层次结构微型计算机系统的层次结构

应用程序

BIOS

硬件逻辑电路

操作系统

低

高

1.2 1.2 硬件系统硬件系统

1.2.1 中央处理器的组成1.2.2 存储器1.2.3 总线（ Bus)1.2.4 输入／输出接口 (Input/Output Interface)

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1.2.1 1.2.1 中央处理器的组成中央处理器的组成

中央处理器（ CPU ）由运算器、控制器和寄存器阵列组成，是整个硬件系统的核心。微型机中将运算器、控制器和寄存器等相关部件集成在一块芯片中，又叫微处理器，通过专门的 CPU 插座安置在主板上。

1.2.1 1.2.1 中央处理器的组成中央处理器的组成

1. 运算器 计算机中加工和处理数据的功能部件。主要包

括算术逻辑部件（ ALU ），用于对数据进行加工处理，进行算术和逻辑运算。

ALU

数 据寄 存器 1#

数 据寄 存器 2#

存储器

外设

图 1-4 运算器的逻辑结构

1.2.1 1.2.1 中央处理器的组成中央处理器的组成

2. 控制器 控制器具有控制和指挥计算机内各功能部件协同动作，完成计算机程序的功能。它包括：

程序计数器（ PC ）：存放下一条将要执行的指令所在存储单元的地址。

指令寄存器（ IR）：保存当前正在执行的一条指令。 指令译码器（ ID）：将指令的操作码翻译成机器能识别的命令信号。

时序信号发生器：根据指令译码器（ ID）产生的命令信号产生具体的控制信号。

3. 寄存器阵列 包括一组通用寄存器组和专用寄存器。

1.2.2 1.2.2 存储器存储器

存储器是计算机系统中的一种记忆设备，用来存放程序、数据、运算结果以及各种需要保存的信息。包括：

内存高速缓存外存

1.2.3 1.2.3 总线（总线（ Bus)Bus)

1. 按总线的层次结构 微处理器级总线 系统级总线 外设总线

2．按总线传送信息的类别 地址总线 数据总线 控制总线

1.2.4 1.2.4 输入／输出接口输入／输出接口 (Input/Output Interf(Input/Output Interface)ace)

主机与外部设备之间的信息交换是通过输入 / 输出接口来进行的。输人 / 输出接口简称 I/O 接口，由图1-5可以看出，接口在这里起着主机与外部设备之间数据通信的“桥梁”的作用。

图 1-5 微型计算机的硬件系统功能模块

1.3 1.3 微型计算机的一般工作原理微型计算机的一般工作原理

1.3.1 程序和指令1.3.2 存储程序工作原理1.3.3 微型计算机的工作过程

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1.3.1 1.3.1 程序和指令程序和指令

冯·诺依曼提出计算机由 5个部分组成，即运算器、控制器、存储器、输人设备和输出设备；计算机内采用二进制；计算机采用程序存储和程序控制的工作方式，即事先把程序加载到计算机的存储器中，当机器加电并启动后，计算机便会自动按照程序的要求进行工作。

图 1-6 冯 ·诺依曼计算机结构示意图

1.3.1 1.3.1 程序和指令程序和指令

所谓程序，就是为实现某项既定的任务而向计算机发出的一组有一定顺序的基本操作命令的集合。这些基本操作命令就称为指令。指令由操作码和操作数两部分组成，即操作性质（如加、减、乘、除、比较大小等）和参加操作的对象（如数据或数据存放的地址等）。机器指令的集合称为指令系统。

1.3.2 1.3.2 存储程序工作原理存储程序工作原理

存储程序和程序控制原理的基本点就是指令驱动，即按照任务要求事先编好程序，然后把程序和所需的数据输入计算机存储器中保存起来。当机器启动时，根据内部指令指针给出的程序第一条指令的地址，控制器就可依据程序指定的逻辑顺序从存储器中一条条周而复始地读取指令、分析指令、执行指令，直到完成全部指令操作为止。这样就能自动连续地完成程序所描述的全部工作，即控制器通过指令流的串行驱动实现程序控制。

1.3.3 1.3.3 微型计算机的工作过程微型计算机的工作过程

计算机每执行一条指令，都包含着两个基本的步骤，即取指令和执行指令。

图 1-8 程序执行过程示意图

取指令 执行指令PC

1.3.3 1.3.3 微型计算机的工作过程微型计算机的工作过程

在进行计算前，应做如下工作：（ 1 ）、用助记符号指令（汇编语言）编写程序（源程

序）；（ 2 ）、用汇编软件（汇编程序）将源程序汇编成计算

机能识别的机器语言程序；（ 3 ）、将数据和程序通过输入设备送入存储器中存放。

1.3.3 1.3.3 微型计算机的工作过程微型计算机的工作过程

完成 5+6= ？的程序：

MOV A ， 05H /B0H 05H ；把 05 送入累加器 A

ADD A ， 06H /04H 06H ； 06 与 A 中内容相加， 结果存入累加器 A

HLT /F4H ；停止所有操作。

1.3.3 1.3.3 微型计算机的工作过程微型计算机的工作过程

1 、取指令阶段的执行过程：（设程序从 00H 开始存放）（ 1 ）、将程序计数器（ PC 或 IP ）的内容送地址寄存器 AR 。（ 2 ）、程序计数器 PC 的内容自动加 1 变为 01H ，为取下一

条指令作好准备。（ 3 ）、地址寄存器 AR 将 00H 通过地址总线送至存储器地址

译码器译码，选中 00H 单元。（ 4 ）、 CPU 发出“读”命令。（ 5 ）、所选中的 00 单元的内容 B0H 读至数据总线 DB 上。（ 6 ）、经数据总线 DB ，读出的 B0H 送至数据寄存器 DR 。（ 7 ）、数据寄存器 DR 将其内容送至指令寄存器 IR 中，经

过译码 CPU“ 识别”出这个操作码为“ MOV A ， 05H”指令，于是控制器发出执行这条指令的各种控制命令。

1.3.3 1.3.3 微型计算机的工作过程微型计算机的工作过程

PC

AR

ALU

A B

DR

IR

ID

PLA00H

1

00H

2

00 B0H01 05H02 04H03 06H

04 F4H

3

4

读命令

B0H

5 6

B0H

7

控制信号

（取第一条指令操作示意图）

1.3.3 1.3.3 微型计算机的工作过程微型计算机的工作过程

2 、执行指令阶段的执行过程：（ 1 ）、将程序计数器（ PC 或 IP ）的内容送地址寄存器 AR 。（ 2 ）、程序计数器 PC 的内容自动加 1 变为 02H ，为取下

一条指令作好准备。（ 3 ）、地址寄存器 AR 将 01H 通过地址总线送至存储器地

址译码器译码，选中 01H 单元。（ 4 ）、 CPU 发出“读”命令。（ 5 ）、所选中的 01H 单元的内容 05H 读至数据总线 DB 上。（ 6 ）、经数据总线 DB ，读出的 05H 送至数据寄存器 DR 。（ 7 ）、由控制码计算机已知到读出的是立即数，并要求将

它送入累加器 A 中，所以数据寄存器 DR 通过内部总线将05H 送入累加器 A 中。

1.3.3 1.3.3 微型计算机的工作过程微型计算机的工作过程

PC

AR

ALU

A B

DR

IR

ID

PLA02H

1

01H

2

00 B0H01 05H02 04H03 06H04 F4H

3

4读命令

05H5 6

7

控制信号

05H

（执行第一条指令操作示意图）

例：计算 1+2=?

汇编语言程序 对应的机器指令 对应的操作

MOV AL, 1 10110000 将立即数 1传送到累加寄存器 AL中

00000001ADD Al, 2 00000100 计算两个数的和，结果存放到 AL中

00000010MOV [0008], AL 10100010 将 AL 中的数传送到地址单元 0008

00001001 00000000

HLT 11110100 停机

1.3.3 1.3.3 微型计算机的工作过程微型计算机的工作过程

1.3.3 1.3.3 微型计算机的工作过程微型计算机的工作过程

1.4 1.4 微型计算机常用术语微型计算机常用术语

1．数据单位位（ bit ， b）：“位”是计算机所能处理的最

小数据单位，它只能有两种状态：“ 0”或“ 1”。

字节（ Byte ， B ）： 1 个字节包含 8个二进制位 (8 bit) ，通常缩写为 B

1 KB＝ 210=1024 B 1 MB＝ 220=1024 KB 1 GB＝ 230=1024 MB 1 TB＝ 240=1024 GB

字（Word）：微处理器一次可以直接处理的二进制数码位数的基本单位。微处理器的字长有 4位、 8 位、 16位、 32位和 64位等

1.4 1.4 微型计算机常用术语微型计算机常用术语

2.兼容性系统兼容向上兼容向下兼容

3.主频主频外频倍频系数

4．MIPS：每秒钟能执行多少百万条指令。

1.4 1.4 微型计算机常用术语微型计算机常用术语

5 ．微处理器的生产工艺 在硅材料上生产微处理器时内部各元器件间连接线

的宽度，一般以 µm为单位，目前微处理器的生产工艺已经达到 0.18µm。

6．微处理器的集成度 微处理器芯片上集成的晶体管的密度。

7. 寻址空间与实际存储容量 寻址空间由 CPU地址总线的根数决定。实际存储容量是主板上实际插的内存芯片的存储容量，小于或等于寻址空间，根据需要进行选择。

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