《微型計算機系統(tǒng)》word版

1.3  微型計算機系統(tǒng) 1.3.1 微型計算機系統(tǒng)的組成   首先介紹幾個基本概念。 1微處理器 微處理器簡稱MP（micro processor）或CPU，也稱為微處理機。是指由一片或幾片大規(guī)模集成電路組成的具有運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，它是微型計算機的主要組成部分。  2微型計算機 微型計算機簡稱為MC（micro computer）或mC。以微處理器CPU為核心，再配上一定容量的存儲器（RAM、ROM）、輸入/輸出接口電路，這三部分通過外部總線連接起來，便組成了一臺微型計算機。  3微型計算機系統(tǒng) 微型計算機系統(tǒng)簡稱為mCS或MCS（micro computer system），它以微型計算機為核心，再配備以相應的外圍設(shè)備、輔助電路和電源（統(tǒng)稱硬件）及指揮微型計算機工作的系統(tǒng)軟件，便構(gòu)成了一個完整的系統(tǒng)。 微處理器、微型計算機和微型計算機系統(tǒng)，是三個含義不同但又有密切關(guān)聯(lián)的基本概念，要特別注意對它們的理解和區(qū)別。微型計算機系統(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 微型計算機系統(tǒng)的組成1.3.2微型計算機系統(tǒng)的硬件組成由圖1.3可以看到，微型計算機系統(tǒng)的硬件主要包括微型計算機、外圍設(shè)備和電源，實際上就是用眼能看得見、用手能摸得著的機器系統(tǒng)部分。 圖1.3 微型計算機系統(tǒng)的組成1微型計算機 微型計算機結(jié)構(gòu)框圖如圖1.4所示。由圖可知：一臺微型計算機主要由微處理器CPU、存儲器、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 微型計算機結(jié)構(gòu)框圖 微處理器CPU由運算器和控制器兩部分組成。運算器主要用來完成對數(shù)據(jù)的運算，包括算術(shù)運算和邏輯運，控制器為整機的指揮控制中心，計算機的一切操作，如：數(shù)據(jù)輸入/輸出、打印、運算處理等都必須在控制器的控制下才能進行。存儲器是一個記憶裝置，用來存儲數(shù)據(jù)、程序、運算的中間結(jié)果和最后結(jié)果。包括隨機存取存儲器RAM和只讀存儲器ROM。輸入/輸出接口電路是微型計算機與外部設(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相匹配（相對來講都較慢），因而，主機和外設(shè)之間的信息傳遞都必須經(jīng)過接口電路加以合理的匹配、緩沖。輸入接口連接在主機的輸入端，用來將輸入設(shè)備（如鍵盤、鼠標等）接收的信息輸入到主機內(nèi)部，而輸出接口則接在主機的輸出端，用來將主機運算的結(jié)果或控制信號輸出到輸出設(shè)備（如CRT（cathode ray tube）顯示器、打印機等）。 CPU和機器內(nèi)部各部件的聯(lián)系，以及和微型機外部設(shè)備信息的傳遞都要通過總線來實現(xiàn)。在微型機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)的信號線。它的條數(shù)實際上就決定了微處理器與外部傳送數(shù)據(jù)通道的寬度，這個數(shù)值也稱作微處理器的字長。數(shù)據(jù)總線可以雙向傳遞數(shù)據(jù)信號，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，用來指定微處理器所訪問的存儲器和外部設(shè)備的地址。地址總線的條數(shù)決定了CPU所能直接訪問的地址空間。如地址總線為20位時，可訪問的地址范圍為220個，即為00000H到FFFFFH。地址總線采用三態(tài)輸出方式。 控制總線CB（control bus），它用來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，有的為輸入信號。通過這些聯(lián)絡(luò)線CPU可以向其他部件發(fā)出一系列的命令信號，其他部件也可以將工作狀態(tài)、請求信號送給CPU。  2外圍設(shè)備 外圍設(shè)備即微機的輸入/輸出設(shè)備，它是微機系統(tǒng)與周圍世界（包括使用計算機的人）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)換成計算機所能識別接收的信息，輸入給計算機。輸出設(shè)備把CPU計算和處理的結(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)備和過程控制輸入/輸出通道。外部設(shè)備主要有：顯示器、鍵盤、鼠標、打印機、調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)卡和掃描儀等。過程控制輸入/輸出通道主要有模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、開關(guān)量及信號指示輸入/輸出器等。這些設(shè)備是組成一個微機基本系統(tǒng)必不可少的，它們的選型和指標的好壞對計算機應用環(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，但它們有兩個共同特點：一是常采用機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)存等采用的標準TTL（transistor-transistor logic）電平不一致。為了把輸入/輸出設(shè)備與計算機的CPU連接起來，還需要一個中間環(huán)節(jié)，即接口電路，用來進行信號的鎖存、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 電源是保證微機系統(tǒng)能正常運行的工作電源。PC的電源將220V交流電轉(zhuǎn)換成±5V和±12V四種DC（直流）電壓。一般臺式機的電源功率為150220W，立式機的電源功率為220400W，電源中由風扇提供對整個系統(tǒng)的冷卻。電源應滿足最低安全標準，不產(chǎn)生干擾電視和無線電的電磁輻射。1.3.3  微型計算機系統(tǒng)的軟件組成 微機系統(tǒng)的軟件分為系統(tǒng)軟件、程序設(shè)計軟件和用戶軟件。計算機軟件的層次圖如圖1.5所示。 圖1.5 計算機軟件層次圖1系統(tǒng)軟件 系統(tǒng)軟件是由計算機生產(chǎn)廠家提供給用戶的一組程序。這組程序是用戶使用機器時為產(chǎn)生、準備和執(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）。它的主要功能是對系統(tǒng)的軟、硬件資源進行合理的管理，為用戶創(chuàng)造方便、有效和可靠的計算機工作環(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，它就開始運行，它可以接收用戶命令，并使操作系統(tǒng)執(zhí)行相應的動作。操作系統(tǒng)分為八個程序分支。 (1) 文件管理程序：用來處理存放在外存儲器中的大量信息，它可以和外存儲器的設(shè)備驅(qū)動程序相連接，對存放在其中的信息以文件的形式進行存取、復制及其他管理操作。(2) I/O驅(qū)動程序：用來對I/O設(shè)備進行控制和管理。當系統(tǒng)程序或用戶程序需要使用I/O設(shè)備時，只要發(fā)出命令，執(zhí)行I/O驅(qū)動程序，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)字和符號等組成的一組信息，它可以是一個用匯編語言或高級語言編寫的程序，也可以是一組數(shù)據(jù)或一份報告。文件編輯程序用來建立、輸入或修改文件，并將它存入內(nèi)存儲器或外存儲器中。(4) 裝入程序：用來把保存在外存儲器中的程序傳送到內(nèi)存，以便機器執(zhí)行。(5) 翻譯程序：微型計算機是通過逐條執(zhí)行程序當中的指令來完成人們所給予的任務(wù)的。所以，當用戶想讓微機按照人的意圖去工作時，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。目前機器中常用的程序設(shè)計語言有三種。第一種是機器語言，是機器能夠直接識別的惟一的一種語言。第二種是匯編語言，計算機并不能直接識別和執(zhí)行匯編語言，需要經(jīng)過駐留在機器內(nèi)部的翻譯程序（匯編程序）將匯編語言編寫的程序翻譯成機器語言。第三種是高級語言，計算機同樣不能直接識別和執(zhí)行高級語言，和匯編語言一樣，也必須經(jīng)過翻譯程序（解釋程序或編譯程序）翻譯成機器語言后才能執(zhí)行。 (6) 連接程序：用來將要執(zhí)行的程序與庫文件或其他程序模塊連接在一起，形成機器能執(zhí)行的程序。 (7) 調(diào)試程序：是系統(tǒng)提供給用戶的能監(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)行一個程序。 (8) 系統(tǒng)程序庫：是各種標準程序、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)計語言 程序設(shè)計語言是人與計算機通信的工具。人們要計算機完成什么任務(wù)就必須將怎樣做的方法、步驟編成程序，準確地告訴計算機。計算機只能直接識別和執(zhí)行機器語言，它是一種機器直接可以識別和執(zhí)行的用0，1組成的二進制代碼編寫的程序。而用機器語言編制程序非常麻煩，效率又低，且易出錯，讀起來也非常困難。為此，人們很自然地想到利用計算機本身的分析處理能力，讓它承擔繁瑣乏味的工作，因此人們創(chuàng)造了匯編語言，它是一種用助記符、符號地址、標號、變量及運算符編寫的程序，計算機并不能直接識別和執(zhí)行匯編語言，必須通過駐留在機器中的匯編程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)換成機器能識別和執(zhí)行的機器語言。匯編語言比直接采用機器語言編程要方便許多，但由于它是面向機器的程序設(shè)計語言，通常是為特定的計算機設(shè)計的，通用性較差，于是人們又想到一種更接近人們的思維習慣和自然語言（如英語），易于人們理解和描述解題方法的程序設(shè)計語言，這就是所謂的高級語言。目前應用最多的有BASIC，F(xiàn)ORTRAN，COBOL，PASCAL和C等10多種語言。值得強調(diào)的是，高級語言也必須經(jīng)過解釋程序或編譯程序轉(zhuǎn)換為機器語言，才能被機器識別和執(zhí)行。  3用戶軟件 用戶軟件是用戶為滿足實時系統(tǒng)的需要編制的一組子程序，從而建立起自己的程序庫，以提高不同類型用戶的工作效率。不管計算機的硬件和系統(tǒng)軟件多么好，若沒有為完成特定任務(wù)而編寫的用戶軟件，整個計算機系統(tǒng)也將是毫無意義的。應當指出，硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)是相輔相成的，共同構(gòu)成了微型計算機系統(tǒng)，缺一不可。用戶通過軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)發(fā)生聯(lián)系，在系統(tǒng)軟件的干預下使用硬件系統(tǒng)?，F(xiàn)代的計算機硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)之間的分界線并不明顯，總的趨勢是兩者統(tǒng)一融合，在發(fā)展上互相促進。1.3.4  微型計算機系統(tǒng)的性能指標 1字長 字長指計算機內(nèi)部一次可以處理的二進制數(shù)的位數(shù)。字長越長，計算機所能表示的數(shù)據(jù)精度越高，在完成同樣精度的運算時數(shù)據(jù)的處理速度越高。但字長越長，機器中的通用寄存器、存儲器、ALU的位數(shù)和數(shù)據(jù)總線的位數(shù)都要增加，硬件代價增大，因此應考慮精度、速度和成本兼顧的原則來決定微型計算機的字長。PC/XT微機的字長為16位；386、486微機的字長為32位；586微機的字長為32位或64位。  2存儲器容量 存儲器容量是衡量計算機存儲二進制信息量大小的一個重要指標。微型計算機中通常以字節(jié)為單位表示存儲容量，如B (byte), KB (kilobyte), MB (megabyte), GB (gigabyte), TB(terabyte) 和 PB (petabyte)。 1KB1024B1MB1024KB1GB1024MB1TB1024GB1PB1024TB3運算速度 計算機的運算速度以每秒鐘能執(zhí)行的指令條數(shù)來表示。由于不同類型的指令執(zhí)行時所需的時間長度不同，因而有幾種不同的衡量運算速度的方法。 （1）MIPS（百萬條指令/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)計平均值，得到平均運算速度，用MIPS作單位衡量。 （2）最短指令法，以執(zhí)行時間最短的指令（如傳送指令、加法指令）為標準來計算速度。 （3）直接計算，給出CPU的主頻和每條指令執(zhí)行所需要的時鐘周期，可以直接計算出每條指令執(zhí)行所需的時間。  4擴展能力 主要指計算機系統(tǒng)配置各種外設(shè)的可能性和適應性。如一臺計算機允許配接多少種外設(shè)，對計算機的功能有重大影響。  5軟件配置情況 軟件是計算機系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分。一臺計算機軟件是否配置齊全，是關(guān)系到計算機性能的重要標志。 一個計算機系統(tǒng)是硬件和軟件相結(jié)合的統(tǒng)一整體。用戶應當根據(jù)自己的需要和應用場合來配置微機系統(tǒng)硬、軟件的種類和數(shù)量。確定微機系統(tǒng)配置的基本原則是滿足使用的要求，并兼顧近期發(fā)展的擴展需要。