计算机硬件技术基础/计算机基础课程系列教材

作者简介

江西峡江人，1969年毕业于哈尔滨军事工程学院，现为国防科技大学教授。长期从事电子技术、微型计算机应用、自动测控和故障诊断方面的教学与科研。先后负责完成国家“863”等各类科研、教研项目20余项，获全国科学大会奖和国家级教学成果二等奖各1项，军队级教学成果一等奖2项，国家部委级教学成果奖和科技进步奖多项；编著出版国家级、军队级重点／规划教材和 “面向21世纪课程教材”等著作18部，发表学术论文60余篇，获全国电子类专业优秀教材一等奖1次、全国普通高等学校优秀教材二等奖1次、中国图书奖1次和各级各类优秀论文奖多次。获全军优秀教师，首届全军院校“育才奖”金奖和第一届全国高等学校“国家级教学名师奖”等荣誉称号。

内容简介

第一章微机系统组成及工作原理1．1微机系统概述1·1·1微机系统的三个层次 通常所说的"微电脑"、"微机"等，准确地讲应该叫微型计算机系统。微机系统中从局部到全局存在三个层次：微处理器一微机一微机系统。为了以后学习时不致混淆，首先有必要了解这三个层次的不同内涵。 1．微处理器 ． 微处理器(Micr。processor)也叫微处理机，它本身并不是计算机，但它是微机的核心部件。微处理器包括算术逻辑部件ALU(Arithmetic Logic Unit)、控制部件(Control unit)和寄 存器组(Registers)三个基本部分，通常由一片或几片LSI、VISI器件组成。 2．微型计算机 微型计算机(Micro Computer，以下简称微机)是以微处理器为核心，加上由大规模集成电路制作的存储器(ROM和RAM)、输入／输出接口和系统总线组成的。有的微机则是将这些组成部分集成在一个超大规模芯片上，则称之为单片微机，简称单片机。 3．微机系统 微机系统(Micr。Computer System)是以微机为核心，再配以相应的外围设备、电源、辅助电路和控制微机工作的软件而构成的完整的计算系统。软件分为系统软件和应用软件两大类。系统软件是用来支持应用软件的开发与运行的，它包括操作系统、标准实用程序和各种语言处理程序等。应用软件是用来为用户解决具体应用问题的程序及有关的文档和资料。 要注意，在上述的三个层次中，单纯的微处理器不是计算机，单纯的微机也不是完整的计算系统，它们都不能独立工作。只有微机系统才是完整的计算系统，才具有实用意义，才司以正常工作。1·1．2微机系统的主要性能指标 微机系统和一般计算机系统一样，衡量其性能好坏的技术指标主要有以下五方面。 1．字长 字长是计算机内部一次可以处理的二进制数码的位数。一般一台计算机的字长决定于它的通用寄存器、内存储器、ALu的位数和数据总线的宽度。字长越长，一个字所能表示的数据精度就越高；因此在完成同样精度的运算时，则数据处理速度越高。然而，字长越长，计算机的硬件代价相应也增大。为了兼顾精度／速度与硬件成本两方面，有些计算机允许采用变字长运算。 一般情况下，CPU的内、外数据总线宽度是一致的。但有的cPU为了改进运算性能，加宽了CP[J的内部总线宽度，致使内部字长和对外数据总线宽度不一致。如I：ntel 8088／80188的内部数据总线宽度为16位，外部为8位。对这类芯片，称之为"准××位"CPU，因此Intel8088／80188被称为"准16位"CPU。 2．存储器容量 存储器容量是衡量计算机存储二进制信息量大小的一个重要指标。存储二进制信息的基本单位是位(b，bit)。一般把8个二进制位组成的通用基本单元叫做字节(B，Byte)。微机中通常以字节为单位表示存储容量，并且将1 024 B简称为l KB，1 024 KB简称为1 MB(兆字节)，1 024 MB简称为1 GB(吉字节)，1 024 GB简称为1 TB(太字节)。 存储器容量包括内存容量和外存容量。内存容量又分最大容量和实际装机容量。最大容量由cPU的地址总线位数决定，如8位CPU的地址总线为16位，其最大内存容量为64KB；．Pentium处理器的地址总线为32位，其最大内存容量为4 GB。而装机容量则由所用软件环境决定，如现行PC系列机，采用windows环境，内存必须在4 MB以上；采用windows95，内存必须在8 MB以上；而采用w。indows 98，内存必须在32 MB以上等。 外存容量是指硬盘、软盘、磁带和光盘等的容量，通常主要指硬盘容量，其大小应根据实际应用的需要来配置。 目前市场上流行的Pentium系列微机大多具有几十至几百MB内存装机容量和几十、上百GB外存容量。 3．运算速度 计算机的运算速度一般用每秒钟所能执行的指令条数来表示。由于不同类型的指令所需时间长度不同，因而运算速度的计算方法也不同。常用计算方法有： (1)根据不同类型的指令出现的频度，乘上不同的系数，求得统计平均值，得到平均运算速度。这时常用MIPs(Millions of Instr3action Per Second，即百万条指令／秒)作单位。 (2)以执行时间最短的指令(如加法指令)为标准来估算速度。 (3)直接给出CPU的主频和每条指令的执行所需的时钟周期。主频一般以MHz为单位。 4．外设扩展能力 这主要指计算机系统配接各种外部设备的可能性、灵活性和适应性。一台计算机允许配接多少外部设备，对于系统接口和软件研制都有重大影响。在微机系统中，打印机型号、显示屏幕分辨率、外存储器容量等，都是外设配置中需要考虑的问题。 5．软件配置情况 软件是计算机系统必不可少的重要组成部分，它配置是否齐全，直接关系到计算机性能 的好坏和效率的高低。例如是否有功能很强、能满足应用要求的操作系统和高级语言、汇编 语言，是否有丰富的、可供选用的工具软件和应用软件等，都是在购置计算机系统时需要考 虑的。 1．2微机系统的硬件结构 1．2．1 三总线结构及分类 目前的各种微机系统，无论是简单的单片机、单板机系统，还是较复杂的个人计算机 (PC机)系统，以至超级微机和微巨机系统，从体系结构来看，采用的基本上是计算机的经典 结构--冯·诺依曼结构。这种结构的特点是： (1)由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。 (2)数据和程序以二进制代码形式不加区别地存放在存储器中，存放位置由地址指定， 地址码也为二进制形式。 (3)控制器是根据存放在存储器中的指令序列即程序来工作的，并由一个程序计数器 (即指令地址计数器)控制指令的执行。控制器具有判断能力，能根据计算结果选择不同的 动作流程。 由此可见，任何一个微型机系统都是由硬件和软件(程序)两大部分组成的。而其中硬 件又由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。图1．1给出了具有这种 结构特点的微机典型硬件组成框图。微处理器MPu中包含了上述的运算器和控制器；RAM和ROM为存储器；I／O外设及接口是输入、输出设备的总称。各组成部分之间通过地址总线AB、数据总线DB、控制总线cB联系在一起。