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第一章 微型计算机系统概述1.1 计算机的发展与应用 1.1.1 微型计算机的发展与分类 1.1.2 微型计算机的应用1.2微型计算机系统的构成 1.2.1 微型计算机的硬件系统 1.2.2 微型计算机的软件系统1.3 PC机系列体系结构 1.3.1 基于 8088 PC 总线的微机结构 1.3.2 基于 80286 ISA 总线的微机结构 1.3.3 基于 80386 ISA 总线的微机结构 1.3.4 基于 80486 EISA 总线的微机结构 1.3.5 基于 Pentium ISA/PCI 总线的微机结构

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1.1 计算机的发展与应用 人类第一台数字电子计算机： 1946 年，美国宾夕法尼亚大学研制出。取名为： ENIAC （ Electronic numerical integrator and calculator ）。 由著名数学家：冯 · 诺依曼，推出了新的计算机系统结构，提出

采用二进制、存储程序及在程序控制下执行的理念 。第一代： 1946 年－ 1957 年。 器件：电子管，磁芯和磁鼓存储器。 软件采用：机器语言和汇编语言，没有 OS 。 内存容量：仅为几 KB 。 运算速度：每秒 5000 次的加法运算。 体积：非常非常庞大，用 6 楼计算机大楼。造价昂贵 性能：非常非常很差

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第二代： 1957 年－ 1965 年 采用晶体管：磁芯内存，磁盘外存，内存容量增至几十 KB 运算速度：每秒十万次。 体积：大大减小，用 1 层楼，计算机中心。 造价：价格降低、昂贵。 性能：大大提高。 软件采用高级言： COBOL 、 FORTRAN 、 ALGOL 等高级高级语言。

第三代 : 1965 年－ 1971 年 采用集成电路：内存采用磁芯和半导体，磁盘外存 运算速度：可达每秒几十万次到每秒几百万次； 体积：更进一步大大减小、只用 1 个大房间。 价格更低。 软件：广泛采用了操作系统 。

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第四代： 1971 年 - 现在 采用：超）大规模的集成电路。 微机诞生： 1972 年 ,4004, INTEL,BILL. 盖次 运算速度：每秒上亿次的浮点运算 除了操作系统广泛采用外，产生了网络操作系统，数据库管理系统。

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1.1.1 微型计算机的发展及分类

1 ．微型计算机的发展第一代（ 1971 年－ 1972 年）：

71 年推出了 4 位低档微机，其代表产品有 Intel 4004 72 年推出了 8 位 Intel 8008 。 只有 48 条指令，时钟频率 500KHz ；集成度每片 3500 个晶体管。 第二代： 1973 年－ 1977 年 推出 8 位中高档微机 , Intel 公司代表产品 8080 、 8085 Motorola 公司的 M6800 Zilog 公司的 Z80 。

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第三代： 1978 年－ 1984 年 推出 16 位微机 Intel 公司代表产品 8086/8088 Motorola 公司的 M68000 Zilog 公司的 Z8000 。 1981 年著名的 IBM 公司 , 推出了 IBM/PC/XT 1984 年将之扩展为 IBM/PC/AT （ Advance Technology ） 1984 年 Intel 公司推出了新的一代 16 位 80286 微处理器。

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第四代： 1985 年－ 1999 年 1985 年 Intel 公司推出了 32 位的 80386 微处理器 每片的集成度每片达 27.5 万晶体管 运行速度：每秒完成 500 万指令（ MIPS ） 1989 年 Intel 公司推出了 80486 微处理器 每片的集成度达 25 万晶体管 1993 年 Intel 公司推出了 Pentium 芯片 每片的集成度达 310 万晶体管 运行速度：每秒完成 90MIPS 指令 1995 年 Intel 公司推出了 Pentium Pro 芯片

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每片的集成度达 550 万晶体管 其内装有 125KB/512KB 高速缓存 CACHE 运行速度每秒完成 300MIPS 指令 1996 年将多媒体技术 MMX 用于 Pentium ，推出多能奔腾芯片 MMX Pentium ； 1997 年又将 MMX 技术用于 Pentium Pro ，推出 Pentium II 1999 年 Intel 公司，推出了 Pentium III ； 2000 年 3 月推出 Pentium 4 。第五代 2000 年－现在 , 新一代 64 位的微处理器芯片已经诞生。

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2 ． 微型计算机的分类 常见的分类方式生要有 4 种： 按字长来分： 8 位微机， 16 位微机， 32 位微机和 64 位微机。 按用途来分：自动控制机和数据处理机。 按芯片型号分 : 286 微机， 386 微机， 486 微机和 Pentium微机。 按组装的形式分：单片机，单板机和多板机。

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（ 1 ）单片机： 将 CPU 、 RAM 、 ROM 、定时器、并行接口、串行接口、有的芯片还集成了 A/D、 D/A 转换电路，集成在一块大规模集成电路的芯片上，这个芯片就是一台微型机器，简称为单片机。

其程序一般固化在 ROM 中直接运行；

一般采用标准总线和总线插板组成方式，由厂方提供大量的系列化的总线功能模板，供用户自己选择；

主要用于工业自动化控制，仪器仪表及家用电器。

产品有 Intel 公司的 MCS8051 、 8096P ；

Motorola 公司的 MC68HC05 、 MC68HC11 等。

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（ 2 ）单板机： CPU、存储器、 I/O 接口及简单输入输出设备（主要是指小键盘和 LED）装在同一块印刷电路板上而组成的一台微型机器，简称为单板机。

有简单的 I/O 设备； 用机器语言、汇编语言进行编程 常用于一些较为简单的控制系统和进行教学 用 Z80 芯片装配成 TP801 ，国内常见。 （ 3 ）多板机： 将 CPU、存储器、 I/O 接口、驱动电路、电源分别制作成不同的印刷电

路板，将这些电路板插在主板上的插槽上，由系统总线相连，所构成的计算机系统。

多板机的应用程序、系统程序，存放在硬盘上 功能很强，广泛应用的多板机有： IBM PC/XT 、 IBM PC/AT ， PC286 、

PC386 、 PC486 、 Pentium 系列。

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1.1.2 微型计算机的应用

1. 科学计算和数据处理 科学研究领域，如卫星轨道的计算、天气预报和地震勘探；工程设计，如大水坝的设计；社会经济管理，如进行经济普查； 2. 生产控制和试验控制 工农业生产的自动化，国防、交通实时监测、控制和管理，利用计算机可大大地高生产效率。 3. 计算机辅助设计 飞机制造、机械制造、建筑工程设计、集成电路设计，这些复杂的设计活中，使用计算机来进行辅助设计可以极在地提高设计的效率，提高质量，提高自化的水平。 4. 办公自动化 政府事业单位、军队部门的信息化，企业的材料管理、生产管理，金融系统贷业务、证券市场的电子化，采用计算机和计算机网络技术，可实现管理的自动化和无纸化。

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5. 文化教育 多媒体的教学已经成为学校进行教学的一个重要手段，网络教学、网络医疗网络会议都是计算机和计算机网络技术的应用。 6. 娱乐 多媒体技术在电影电视节目的设计、制作、合成，是计算机应用的很好事例。返回本章目录

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1 ． 2 微型计算机的系统构成

1.2.1 微型计算机的硬件系统 微型计算机的硬件系统的构成框图，包括微处理器 CPU 子系统、系统总线、存储器、 I/O 接口及 I/O 设备，见图1.1 。 1. 微处理器子系统 微处理器（ MPU）也称为中央处理机 CPU，采用大规模集成电路技术制作的芯片， CPU 内有控制器、运算器和寄存器； CPU

执行指令、进行运算、控制协调整个微机系统。 2. 存储器 用来存放程序和数据信息，分为主存储器（内存）和辅存储器（外存）；主存由半导体制成，存放当前正在执行的程序、数据和已经处理过的数据，它造价高、速度快、容量小；辅存包括硬盘和光盘，用来存放暂不运行的程序和暂不处理的数据，它造价低、速度慢、容量大，可长期保存。

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3. I/O 设备 ,见图1.1 输入设备和输出设备简称为 I/O 设备，也称为外围设备或外设，是微机进行输入和输出的工具和手段；通常微机配制标准的 I/O 设备，包括显示器 CRT 和键盘，合称为控制台；微机上可选配鼠标、打印机、绘图仪、扫描仪等，作为外存的硬盘可看成输入设备，也可看成输出设备。 4. I/O 接口 众多的外部设备，其工作速度差别很大，其驱动的方法不相同，无法直接与 CPU 进行连接，它们必须通过 I/O 接口电路来与 CPU相连。 I/O 接口的作用：在外设与 CPU 之间进行数据缓冲，配匹速度，变换信号；各种外设接口，均作成相应的电路插板，俗称 “卡”。通常所说的显卡、声卡、打印卡。

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1.2.2 微型计算机的软件系统 ,见图 1.2

1. 应用软件 系统软件本身不能解决用户自己的应用问题，人们针对某项应用所编制的，解决用户实际问题的程序；如财会软件。 2. 系统软件 系统软件最重要的当属操作系统 OS (Operating System ） , 基本作用是：负责管理整个系统的全部资源（指硬件资源和软件资源），具体为 CPU、微机的软件系统由系统软件和应用软件组成。存储器、 I/O 设备等硬件资源，管理文件、目录、任务、进程等软件资源；方便用户，用户通过操作系统提供的各种功能来使用计算机，而不需要熟悉计算机的硬件。 操作系统通常由生产厂家提供，如早期的单用操作系统 MSDOS ，多用户的 UNIX 和基于图形用户界面的 Window。

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系统软件中还有语言处理程序，计算机语言是使用者与计算机之间进行交流的工具；人们将要计算机来完成的事件编写成程序输入给计算机；计算机通过执行用户的程序来完成用户的工作。其中广泛使用的语言有 C 语言、 VB 、 VC 、 Java 等，机器只能运行机器

语言。

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1． 3 PC 机系列体系结构

1.3.1 基于 8088 PC 总线的微机结构 8088 微处理机，作为第一代机的 CPU，通过地址总线、数据总线和控

制总线对整个机器进行调试和控制，其体系结构 ,如图 1.3 。 1. 8088 处理器：采用 4.77M 的工作频率，该频率通过 8284 对 14.318

18MHz 的晶体振荡 3 分频而得到的；每个时钟周期 210nm 。 2. 8087 协处理器： 8088 在最大模式下可配接 8087协处理器用来进行

浮点运算，使浮点运算速度提高 100 倍。 3. 存储器： 64K 的 ROM 早期存放 32K 的 Basic 解释程序，另 32K 固化 BIOS ，包括上电自检程序、系统引导程序、日时钟管理程序和基本的 I/O 设备的驱动程序

4. RAM 内存： IBM PC/XT 的主板上可接插 640K 的内存。 5. 8253/8254 可编程定时计数器：该片提供 3 个通道。通道 0 每 55ms 向 CPU 发一个时钟中断信号，通过计数，用来计算时 钟的时间；通道 1 用于 DRAM 的刷新；通道 2 输出方波到扬声器。

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见图1.3。 6. 8259 可编程的中断控制器：用于 8 级中断优先权的控制，负责对外部的中断进行优先排队，将最高级中断求发向 CPU 。 7. 8250 串行通信控制器：实现串行到并行，并行到串行的转换。 8. 8237 DMA 控制器：提供有 4 个通道起先高速数据传送。 通道 0 用于动态存储器的刷新；通道 1 留给用户；通道 2 用于软盘与内存的 DMA 传送；通道 3 用于硬盘与内存的 DMA 传送。 9. 8255 并行接口：提供 3 个 8 位的并行端口。 A 端口用于读取键盘按键的扫描码。 B 端口用于控制，包括键盘接口电路的串行并行之间的转换和扬声器的发声。 C 端口用于读取系统状态，包括系统配置信息；如内存容量、显示器的类型、软盘驱动器的个数等。 10. I/O 扩展槽： PC/XT 上有 8 个 62 线的扩展槽。

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1.3.2 基于 80286 的 ISA 总线的微机结构

PC/AT 为 PC/XT 的扩展型，采用 80286 作 CPU， 80286 微处理器有 24 根地址线，物理寻址空间 64K ， 16 根数据线；软盘驱动电路作在主板上，可选择 5.25 英寸的软盘驱动 3.5 英寸的软盘驱动器、 20M 以上的硬盘驱动器；其体系结构见图1.4 。 1. 数字运算协处理器 80287 ：进行浮点运算。 2. 定时控制器 8254 ：有 3 个 16 位的定时计数通道。 3. 中断控制器重 8259 ：两个联级可管理 15 个外中断源。其中 IRQ0 级中断分配给 定时器 0 ，用来维持系统时钟的运行； IRQ1级中断用于键盘； IRQ8 用于实时时钟， IRQ13 级用于协处理器。其余的中断连到 I/O 通道，如 IRQ3 用于串行口 COM1 ； IRQ4 用于串行口 COM2 ； IRQ7 用于打印机。

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见图1.4 4. DMA 控制器 8237 ： PC/AT 微机，在 PC/XT 的基础上又连了

一个 DMA 控制器，又得到了 3 个 DMA通道：即 通道 5-通道 7 ，支持 16 位的数据 DMA传送；而其它通道仍用于 8 位数据的 DMA传送。

5. CMOS 芯片：采用 Motorola 公司生产的 M146818 芯片，其内含的实时时钟为系统提供年、月、日、星期、时、分、秒信息；防止丢失信息保证实时时钟的准确性，该芯片由后备电池供电。

6. 内存：系统板上安装了 256K 或 512K 的 RAM ，以后扩展为 640K 。

7. ROM BIOS ：系统板上安装了 64K 的 ROM ，可扩展到 128K 。 8. I/O 扩展槽：为保持与 PC 机的兼容性，保留了原来 62 线的

总线插槽，在插槽的另一端增加了 36 线，新插槽，合拼成 98 线的称为 “ AT 总线”，就是 ISA 总线。这样在 80286 即 AT 的主板上有 6 个 98 线的 ISA 总线，有 2 个 62 线的 XT 总线。

9. 并行接口：没有采用 8255 芯片，为保持与 PC/XT 的兼容，键盘接口电路由 8042 微控制器；系统信息由 CMOS ROM 146818 芯片提供。

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1.3.3 基于 80386 的 ISA 总线的微机结构

采用了 Intel 公司的 80386 微处理器的 80386 机器， 80387协处理器用于浮点运算；采用 ISA 总线来连接系统中的各个部件；具有高速缓冲器 CACHE ，采用一组多功能芯片代替原来的单功能的接口控制芯片； 80386 微机体系结构见图 1.5

1. 采用 ISA 总线 : 代替原来的 PC 总线，性能上兼容 PC/AT总线，并且是一个公开的总线协议。

2. 系统系统芯片由几个多功能芯片组成 : 芯片组代替 PC/XT 机中的多个单功能芯片组；由 85C320AT 总线信号控制器、 85C310 Cache 存储器控制器、 85C330 数缓冲器、 82C206 集成外围控制器组成的芯片组。

3. 支持 24 位地址线， 16 位数据线 : 15 级硬件中断、 7 个DMA 通道。

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见图1.5。 4. 采用单列式 SIMM 存储组件 : 进行封装的动态存储器作为

内存条，主板支持单条 256K 、 1M ，总容量可达到 16M 。 5. 80386 微机有 8 个 8 位的扩展槽： 6 个 6 位的扩展槽。 6. 核心逻辑芯片 : 将 CPU 的局部总线与 ST/ISA 、 XT 总线

进行隔离，速度慢的 ROM BIOS 、键盘、鼠标连接到系统核心逻辑上，高速的主存储、高速缓存 Cache 直接连接到 CPU 的局部总线上，核心逻辑将 2 个 DMA 控制器 8237 以级联方式组合， 2 个中断控制器也以级联方式组合。

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1.3.4 基于 80486 的 EISA 总线的微机结构

80486 微机采用了 Intel 公司的 80486 微处理器，内集成了协处理器 80387 ，前期采用总线 ISA 其结构，后来采用了 EISA (扩展的工业标准结构 ) 总线标准，功能上、电气上能连接 PC/XT 微机、 PC/AT 微机的 ISA 总线相兼容，其体系结构框图见图1.6。

1. 总线：时针为 8M ，总线宽度 32 位，最高的数据传输率为 33M 。

2. 采用单列式存储器组件 : SIMM 封装的 DRAM 内存条，支持 256K 、 1M 、 4M 的单条。

3. 采用一组多功能芯片 : 系统系统芯片由几个多功能芯片组成的芯片组，代替 PC/XT 机中的多个单功能芯片；由 82C461 、系统控制器、 82C362 总线控制器、 82C465 Cache 控制器等集成外围控制组成芯片组。

4. 80486 采用单项列式存储器 : 组件 SIMM 封装的动态存储器内存条，支持单项条 256KB 、 1MB 、 4MB ，总容量可达 32MB 。

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见图1.6 5. 机内除有多个 ISA 总线标准 8 位、 16 位扩展槽外。还有多个 EISA 标准的 32 位扩展槽； VESA 总线插槽较贵，一般用于高档的微机和服务器中。 6. 地址线支持 32 位 : 可寻址 4GB 的存储空间，也支持 64KB的 I/O 端口寻址，支持 11 级中断， 7. 32 位数据线 : 支持 8 位、 16 位、 32 位的数据存取。

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1.3.5 基于 Pentium 的 ISA/PCI 总线： 南桥北桥的微机体系结构

Pentium 机的体系结构，改变了主板的结构，使微机体系结构发生了根本性的变化，根据各个部件处理、传输信息的速度，采用了 3 级总线结构： CPU总线、局部总线（ PCI ）和系统总线（ ISA ）。

CPU总线 64 位数据线， 32 位的地址线， 66MHZ ( 或者 100MHZ) 的总线时钟频率；局部总线（ PCI ）为 32 位（或 64 位）数据 /地址 分时复用同步总线，通过北桥芯片与速度更高的 CPU 相连；系统总线为 16 位数据线， 20 位地址线。系统总线为 16 位数据线， 20 位地址线；这种设计提高了微机的性能。桥路芯片起到了速度缓冲、电平转换和控制协议的转换作用； Pentium 微型机系统结构框图

见图1.7 。 1. 南桥芯片 82371 ：与 IDE 接口、 ISA 总线等低速设备相连，南桥芯片用来管理系统中的低速设备。

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见图 1.7 。 2. 北桥芯片 82439HX ：与 CPU、内存、 L2 （二级高速缓存） CACHE 、局部总线等高速设备相连，南桥芯片用来管理系统中的高速设备。 3. 有一个 IDE 接口，一个 USB 接口，一个红外线接口 :这种结构设计，即使微处理器及局部总线发生了变动，只需改变北桥芯片，而不影响众多的外围芯片系列。本章结束返回目录

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图 1.1 微型计算机的硬件系统组成

处

理

器

子

系

统

系

统

总

线

形

成

I/O设备 I/O接口

地址线

数据线

控制线

存储器

返回 14 返回 15

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图 1.2 微型计算机系统组成

微型计算机系统

硬件

主机

外设

微处理器

运算器

控制器

寄存器组

存储器 ROM

RAM

系统总线

数据总线

地址总线

控制总线

I/O接口电路

输入输出设备

外存储器

软件 系统软件

操作系统等

程序设计语言

应用软件（数据库，软件包）等

返回 16

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图 1.3 8088 PC/XT 微机体系结构图

8088CPU

(4.77MHZ)

ROM BIOS DRAM 控制器 RAM存储器

8259 中断控制器

DMA控制器

8237 2个

8250 串行通讯控制器

8255 并行接口

8253 定时计数器 总 线缓冲 器

8284

时钟发生器 8087协处理器(可选)

返回 18 返回 19

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图 1.4 80286 PC/AT 微机体系结构图

6个 ISA

2 个 PC

80286CPU

( 8 MHZ )

DRAM

控制器

RAM

存储器

8254

定时计数器

总

线缓冲

8259 × 2

中断控制器

并行接口

8284时钟发生器

8237X2 DMA控制器

80287协处理器

( 可选 )

ROM BIOS

返回 20 返回 21

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图 1.5 80386 微机体系结构图

6个 AT/ISA

扩展插槽

8

个

XT

插

槽

8位总线

ISA总线

80386

CPU

DRAM、L2、

Cache控制器

L2 Cache

125K-512K

DRAM

4-32M

CMOS ROM

实时时钟/日历

8042 MPU

键盘/鼠 标控制器

核心逻芯片组

（82C380）包括：

时间/计数器

总线缓冲器

扩展总线控制器

7个 DMA 通道

15级中断

ROM BIOS 64K-128K

返回 22 返回 23

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图 1.6 80486 EISA 微机系统结构图

8位总线

EISA总线

ISA总线

80486

CPU

DRAM、L2、

Cache控制器

EISA 核心逻芯片组（82380）

包括： 时间/计数器

EISA总线扩展控制器

7个 DMA 通道

15级中断

DRAM

4-32M

L2 Cache

512K

ROM BIOS

64K－128K

CMOS ROM

实时时钟/日历

8042 MPU

键盘/鼠 标控制器

返回 24 返回 25

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图 1.7 典型的 Pentium 微机系统结构图

红外线接口１个

IDE接口 1个

USB接口 1个

PCI总线 2-3个

PCI插槽

CPU ( Pentium )

L2 Cache

512K

DRAM

L2 控制器 主存 DRAM

8-256M

（南桥芯片）

82371

系统 BIOS

(北桥芯片)

82439HX

返回 26 返回 27