目錄

一.微型計(jì)算機(jī)

?二.微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

1.微型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)?

馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)

總線

(1)微處理器(CPU)

運(yùn)算器

控制器

內(nèi)部寄存器?

(2)存儲(chǔ)器?

1.基本概念

2.內(nèi)存的操作

3.內(nèi)存的分類(lèi)

(3)I/O接口與輸入/輸出設(shè)備?

2.微型計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)

(1)系統(tǒng)軟件

操作系統(tǒng)

系統(tǒng)應(yīng)用程序

(2)用戶(應(yīng)用)軟件

三.微型計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程

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一.微型計(jì)算機(jī)

自 1946 年世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC 問(wèn)世以來(lái),計(jì)算機(jī)技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，在短短的幾十年里，計(jì)算機(jī)的發(fā)展已經(jīng)歷了四代: 電子管計(jì)算機(jī)、晶體管計(jì)算機(jī)、集成電路計(jì)算機(jī)、大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)。目前，各國(guó)正加緊研制和開(kāi)發(fā)第五代“非馮·諾依曼”計(jì)算機(jī)和第六代“神經(jīng)”計(jì)算機(jī)。

我們要研究的微型計(jì)算機(jī)屬于第四代計(jì)算機(jī).

微型計(jì)算機(jī)(Microcomputer)是由微處理器(CPU)、存儲(chǔ)器和 I/0接口電路組成的計(jì)算機(jī)

其中微處理器(Microprocessor)是微型計(jì)算機(jī)的核心，它是將計(jì)算機(jī)中的運(yùn)算器和控制成在一塊硅片上制成的集成電路芯片。這樣的芯片也被稱(chēng)為中央處理單元(Central Proce
Unit)，簡(jiǎn)稱(chēng)CPU。

30多年來(lái)，微處理器和微型計(jì)算機(jī)獲得了極快的發(fā)展，幾乎每?jī)赡晡⑻幚砥鞯募啥染鸵环?#xff0c;每2~4年更新?lián)Q代一次，現(xiàn)已進(jìn)入第五代。

1. 第一代(1971-1973):4位或低檔8位微處理器
2. 第二代(1974一1977):中高檔8位微處理器
3. 第三代(1978-1984):16位微處理器?
4. 第四代(1985-2004):32位微處理器?
5. 第五代(2005年以后):64位高檔微處理器

?二.微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(Microcomputer System)是指以微型計(jì)算機(jī)為中心，配以相應(yīng)的外圍設(shè)備、電源和輔助電路(統(tǒng)稱(chēng)硬件)以及指揮計(jì)算機(jī)工作的系統(tǒng)軟件所構(gòu)成的系統(tǒng)。與一般的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一樣，微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)也是由硬件和軟件兩部分組成的.

1.微型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)?

馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)

到目前為止，計(jì)算機(jī)仍沿用 1940年由馮·諾依曼首先提出的體系結(jié)構(gòu)。其基本設(shè)計(jì)思想為:

①以二進(jìn)制形式表示指令和數(shù)據(jù)

②程序和數(shù)據(jù)事先存放在存儲(chǔ)器中，計(jì)算機(jī)在工作時(shí)能夠高速地從存儲(chǔ)器中取出指令加以執(zhí)行。

③由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等五大部件組成計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)。

微機(jī)體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)之一是采用總線結(jié)構(gòu)，通過(guò)總線將微處理器(CPU)、存儲(chǔ)器(RAM和ROM)、I/O接口電路等連接起來(lái)，而輸入/輸出設(shè)備則通過(guò)I/O接口實(shí)現(xiàn)與微機(jī)的信息交換.,如下圖所示:

總線

所謂總線，是指計(jì)算機(jī)中各功能部件間傳送信息的公共通道，是微型計(jì)算機(jī)的重要組成部分。它們可以是帶狀的扁平電纜線，也可以是印刷電路板上的一層極薄的金屬連線.所有的信息都通過(guò)總線傳送。根據(jù)所傳送信息的內(nèi)容與作用不同，總線可分為以下三類(lèi):

• 地址總線AB(Address Bus): 在對(duì)存儲(chǔ)器或IO端口進(jìn)行訪問(wèn)時(shí)，傳送由 CPU提供的要訪問(wèn)存儲(chǔ)單元或I/O 端口的地址信息，以便選中要訪問(wèn)的存儲(chǔ)單元或 IO 端口。AB是單向總線。
• 數(shù)據(jù)總線 DB(Data Bus): 從存儲(chǔ)器取指或讀寫(xiě)操作數(shù)，對(duì)IO端口進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)，指令碼或數(shù)據(jù)信息通過(guò)數(shù)據(jù)總線送往 CPU或由 CPU送出。DB 是雙向總線
• 控制總線CB(Control Bus): 各種控制或狀態(tài)信息通過(guò)控制總線CPU送往有關(guān)部件，或者從有關(guān)部件送往 CPU。CB 中每根線的傳送方向是一定的，上圖中CB作為一個(gè)整體，用雙向表示。

采用總線結(jié)構(gòu)時(shí)，系統(tǒng)中各部件均掛在總線上，可使微機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，并具有更好的可擴(kuò)展性。一個(gè)部件(插件)只要符合總線標(biāo)準(zhǔn)就可以直接插入系統(tǒng)，為用戶對(duì)系統(tǒng)功能的擴(kuò)充或升級(jí)提供了很大的靈活性。

(1)微處理器(CPU)

微處理器結(jié)構(gòu):

運(yùn)算器

運(yùn)算器又稱(chēng)算術(shù)邏輯單元(ALU，Arithmetic Logic Unit)，用來(lái)進(jìn)行算術(shù)或邏輯運(yùn)算以及移位循環(huán)等操作。參加運(yùn)算的兩個(gè)操作數(shù)一個(gè)來(lái)自累加器A(Accumulator)，另一個(gè)來(lái)自內(nèi)部數(shù)據(jù)總線，可以是數(shù)據(jù)緩沖寄存器 DR(Data Register)中的內(nèi)容，也可以是寄存器陣列RA(RegisterArray)中某個(gè)寄存器的內(nèi)容。

控制器

控制器又稱(chēng)控制單元(CU，Control Unit)，是全機(jī)的指揮控制中心。它負(fù)責(zé)把指令逐條從存儲(chǔ)器中取出，經(jīng)譯碼分析后向全機(jī)發(fā)出取數(shù)、執(zhí)行、存數(shù)等控制命令，以保證正確完成程序所要求的功能?？刂破髦邪ㄒ韵聨撞糠?

• 指令寄存器IR(Instruction Register): 用來(lái)存放從存儲(chǔ)器取出的將要執(zhí)行的指令碼當(dāng)執(zhí)行一條指令時(shí)，先把它從內(nèi)存取到數(shù)據(jù)緩沖寄存器 DR 中，然后再傳送到指令寄存器R中。
• 指令譯碼器 ID(Instruction Decoder): 用來(lái)對(duì)指令存器IR 中的指令操作碼字段(指控制信令中用來(lái)說(shuō)明指令功能的字段)進(jìn)行譯碼，以確定該指令應(yīng)執(zhí)行什么操作。
• 可編程邏輯陣列 PLA(Programmable Logic Array): 用來(lái)產(chǎn)生取指令和執(zhí)行指令所需要的各種微操作控制信號(hào)，并經(jīng)過(guò)控制總線 CB 送往有關(guān)部件，從而使計(jì)算機(jī)完成相應(yīng)的操作

內(nèi)部寄存器?

• 程序計(jì)數(shù)器 PC(Program Counter)

程序計(jì)數(shù)器有時(shí)也被稱(chēng)為指令指針(P，Instruction Pointer)，它被用來(lái)存放下一條要執(zhí)行指令所在存儲(chǔ)單元的地址。在程序開(kāi)始執(zhí)行前，必須將它的起始地址，即程序的第一條指令所在的存儲(chǔ)單元地址送入 PC。當(dāng)讀取指令時(shí)，CPU將自動(dòng)修改 PC 內(nèi)容，以便使其保持的總是將要執(zhí)行的下一條指令的地址。由于大多數(shù)指令是按順序執(zhí)行的，因此修改的辦在計(jì)算機(jī)內(nèi)部法通常只是簡(jiǎn)單地對(duì)PC加1。但遇到跳轉(zhuǎn)等改變程序執(zhí)行順序的指令時(shí)，后繼指令的地址便于對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行進(jìn)制信息，每個(gè)有(即PC的內(nèi)容)將從指令寄存器中的地址字段得到。

• 地址寄存器AR(Address Register)
• 數(shù)據(jù)緩沖寄存器DR(Data Register)
• 累加器A(Accumulator)
• 標(biāo)志寄存器FLAGS(Flag Register)
• 寄存器陣列RA(Register Array)

(2)存儲(chǔ)器?

這里介紹的存儲(chǔ)器是指內(nèi)存儲(chǔ)器(又稱(chēng)為主存或內(nèi)存)。它是微型計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)和記憶裝置，用來(lái)存放指令、原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果和最終結(jié)果。

1.基本概念

(1)位(Bit):二進(jìn)制信息的最小單位(0 或1)。

(2) 字節(jié)(Byte):由 8 位二進(jìn)制數(shù)組成，可以存放在一個(gè)存儲(chǔ)單元中。字節(jié)是字的基本組成單位。

(3)字(Word):?計(jì)算機(jī)中作為一個(gè)整體來(lái)處理和運(yùn)算的一組二進(jìn)制數(shù)，是字節(jié)的整數(shù).通常它與計(jì)算機(jī)內(nèi)部的寄存器、算術(shù)邏輯單元、數(shù)據(jù)總線寬度相一致。每個(gè)字包括的位數(shù)稱(chēng)為計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)，是計(jì)算機(jī)的重要性能指標(biāo)。

(4)內(nèi)存容量: 內(nèi)存中存儲(chǔ)單元的總數(shù)。通常以字節(jié)為單位，1024字節(jié)記作 1KB,2的20次方字節(jié)記作1MB。

(5)內(nèi)存單元地址:為了能識(shí)別不同的單元，每個(gè)單元都賦予一個(gè)編號(hào)，這個(gè)編號(hào)稱(chēng)為內(nèi)存單元地址。顯然，各內(nèi)存單元的地址與該地址對(duì)應(yīng)的單元中存放的內(nèi)容是兩個(gè)完全不同的概念，不可混淆。

2.內(nèi)存的操作

CPU對(duì)內(nèi)存的操作有兩種:讀或?qū)憽?/strong>讀操作是 CPU將內(nèi)存單元的內(nèi)容讀入 CPU 內(nèi)部而寫(xiě)操作是 CPU將其內(nèi)部信息送到內(nèi)存單元保存起來(lái)。顯然，寫(xiě)操作的結(jié)果改變了被寫(xiě)內(nèi)存單元的內(nèi)容，是破壞性的，而讀操作是非破壞性的，即該內(nèi)存單元的內(nèi)容在信息被讀出之后仍保持原信息不變。

3.內(nèi)存的分類(lèi)

按工作方式，內(nèi)存可分為兩大類(lèi):隨機(jī)讀寫(xiě)存儲(chǔ)器RAM(RandomAccessMemory)和只讀存儲(chǔ)器ROM(Read Only Memory)。

隨機(jī)讀寫(xiě)存儲(chǔ)器可被CPU隨機(jī)地讀寫(xiě)，它用于存放將要被CPU執(zhí)行的用戶程序、數(shù)據(jù)以及部分系統(tǒng)程序。斷電后，其中存放的所有信息將丟失。
只讀存儲(chǔ)器中的信息只能被 CPU讀取，而不能由CPU 任意地寫(xiě)入。斷電后，其中的信息不會(huì)丟失。只讀存儲(chǔ)器用于存放永久性的程序和數(shù)據(jù)，如系統(tǒng)引導(dǎo)程序、監(jiān)控程序、操作系統(tǒng)中的基本輸入/輸出管理程序(BIOS)等。

(3)I/O接口與輸入/輸出設(shè)備?

I/O接口是微型計(jì)算機(jī)與輸入/輸出設(shè)備之間信息交換的橋梁。

I/O 接口也稱(chēng)為 O 適配器，不同的外設(shè)必須通過(guò)不同的IO接口才能與微機(jī)相連。所以，I/O接口是微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)不可缺少的重要組成部件。任何一個(gè)微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的研制和開(kāi)發(fā)，實(shí)際上都是 I/O 接口的研制和開(kāi)發(fā)。

2.微型計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)

所謂軟件，就是為了管理、維護(hù)計(jì)算機(jī)以及為完成用戶的某種特定任務(wù)而編寫(xiě)的各種程序的總和。計(jì)算機(jī)的工作就是運(yùn)行程序，通過(guò)逐條地從存儲(chǔ)器中取出程序中的指令并執(zhí)行指令規(guī)定的操作而實(shí)現(xiàn)某種特定的功能，因此，軟件是微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不可缺少的組成部分。微型計(jì)算機(jī)的軟件包括系統(tǒng)軟件和用戶(應(yīng)用)軟件。

(1)系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件是指不需要用戶干預(yù)的，為其他程序的開(kāi)發(fā)、調(diào)試以及運(yùn)行等建立一個(gè)良好環(huán)境的程序，主要包括操作系統(tǒng) OS(Operating System)和系統(tǒng)應(yīng)用程序。

操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)是一套復(fù)雜的系統(tǒng)程序，用于提供人機(jī)接口和管理、調(diào)度計(jì)算機(jī)的所有硬件及軟件等?？捎脕?lái)編寫(xiě)用戶與軟件資源。其中最為重要的核心部分是常駐監(jiān)控程序，計(jì)算機(jī)啟動(dòng)后，常駐監(jiān)控程序始終存放在內(nèi)存中，它接收用戶命令，并執(zhí)行相應(yīng)的操作:操作系統(tǒng)還包括用于執(zhí)行 /O 操作的 I/O 驅(qū)動(dòng)程序，每當(dāng)用戶程序或其他系統(tǒng)程序需要使用 I/O 設(shè)備時(shí)，通常并不是該程序執(zhí)行IO 操作，而是由操作系統(tǒng)利用 O 驅(qū)動(dòng)程序來(lái)執(zhí)行任務(wù):此外，操作系統(tǒng)還包括用于管理存放在外存中大量數(shù)據(jù)的文件管理程序，文件管理程序和 I/O 驅(qū)動(dòng)程序配合使用，用于文件的存取、復(fù)制和其他處理。

系統(tǒng)應(yīng)用程序

系統(tǒng)應(yīng)用程序很多，如用來(lái)編寫(xiě)用戶應(yīng)用軟件的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、使用戶程序執(zhí)行的編譯程序和解釋程序以及文字處理等服務(wù)性工具程序。

• 程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言
• 編譯和解釋程序
• 服務(wù)性工具程序

(2)用戶(應(yīng)用)軟件

用戶(應(yīng)用)軟件是和系統(tǒng)軟件相對(duì)應(yīng)的，是用戶為解決各種實(shí)際問(wèn)題，利用計(jì)算機(jī)以及它所提供的各種系統(tǒng)軟件，編制解決各種實(shí)際問(wèn)題的程序，如數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、辦公化軟件等?？捎脕?lái)編寫(xiě)用戶軟件的語(yǔ)言有機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言等。

三.微型計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程

在對(duì)微型計(jì)算機(jī)的基本組成有了基本了解之后，我們通過(guò)在一簡(jiǎn)化的模型機(jī)(8 位機(jī))上運(yùn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的程序來(lái)說(shuō)明微型計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程。

微型計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程