微机组成与组装技术及应用教程第1章

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1、第1章 微机系统概述本章学习重点p了解微机系统的发展 p了解微机体系结构的概念 p认识大中型计算机系统的典型结构 p了解常用的微机性能指标 p了解微机性能评价技术 p了解微机的使用环境1.1 微机系统及其发展1.1.1 微机系统的基本概念 p微型计算机是由运算器、控制器、存储器、输 入设备以及输出设备五大部分组成的。 p把运算器和控制器合称为中央处理器（CPU） 。 p中央处理器和内存储器则合称为主机。 p输入设备、输出设备和外存储器统称为外围设 备，简称外设。1.1 微机系统及其发展1.微处理器微处理器是一个由算术逻辑运算单元、控制器单元、 寄存器组以及内部系统总线等单元组成的大规模集成 电

2、路芯片，通常又简称为CPU。 2.微型计算机微型计算机是以微处理器芯片为核心，配上内存芯片 、I/O接口电路以及输入设备、输出设备、磁盘设备 以及电源机箱等部件构成的硬件装置，简称微型机或 微机。 3.微型计算机系统微型计算机系统是以微型计算机为主体，配上系统软 件与应用软件组成的系统，简称微机系统。1.1 微机系统及其发展1.1.2微机系统的发展阶段微型计算机诞生于20世纪70年代初，又简称微 机。微型计算机与大、中、小型计算机是有区 别的，其中主要在于微机的CPU采用了大规模 、超大规模集成电路技术，而其他类型的计算 机的CPU则是由相当多的分离元件电路或集成 电路所组成。1.1 微机系统

3、及其发展根据微处理器的字长和功能，微型计算机的发展大致 可分为以下几个阶段： 第一阶段（ 1971 1973 年）是 4 位和 8 位低档微 处理器时代，通常称为第一代。 p 其典型产品是 Intel4004 和 Intel8008 微处理器和 分别由它们组成的 MCS-4 和 MCS-8 微机。 p 基本特点是采用 PMOS 工艺，集成度低，系统结构和 指令系统都比较简单。图1-1 第一台微处理器Intel 4004的内外部结 构1.1 微机系统及其发展第二阶段（ 1974 1977 年）是8位中高档微处理器时代，通 常称为第二代。 p 其典型产品是 Intel8080/8085 、 Mot

4、orola 公司的 MC6800 、 Zilog 公司的 Z80 等，以及各种 8 位单片机。 p 特点是采用 NMOS 工艺，集成度提高约 4 倍，运算速度提高约 10-15 倍，指令系统比较完善。图1-2 第一台微型计算机Altair 88001.1 微机系统及其发展第三阶段（ 1978 1984 年）是16微处理器时代,通 常称为第三代。 p 其典型产品是 Intel 公司的 8086/8088 、 80286 ， Motorola 公司的 M68000 ， Zilog 公司的 Z8000 等 微处理器。 p 其特点是采用 HMOS 工艺，集成度（20000-70000 晶 体管/片）和

5、运算速度（基本指令执行时间是 0.5s ）都比第二代提高了一个数量级。指令系统更加丰富 、完善，采用多级中断、多种寻址方式、段式存储机 构、硬件乘除部件，并配置了软件系统。 1.1 微机系统及其发展第四阶段（ 1985 1992 年）是 32 位微处理器时 代，又称为第四代。 p 其典型产品是 Intel公司的 80386/80486 ，Motorola 公司的 M68030/68040 等。 p 其特点是采用 HMOS 或 CMOS 工艺，集成度高达 100 万晶体管/片，具有 32 位地址线和 32 位数据总线。 每秒钟可完成 600 万条指令（ MIPS ， Million Instru

6、ctions Per Second ）。 1.1 微机系统及其发展第五阶段（ 1993 年以后）是奔腾（ Pentium ）系列 微处理器时代，通常称为第五代。p 典型产品是 Intel 公司的奔腾系列芯片及与之兼容的 AMD 的 K6 系列微处理器芯片。内部采用了超标量指 令流水线结构，并具有相互独立的指令和数据高速缓 存。等。 p 其特点为该微处理器是高档32位微处理器；微处理器 芯片集成度达2800万管/片；时钟主频高达2GHz或更高 ；支持多用户多任务操作系统。1.2微机体系结构1.2.1系统结构概念 p计算机系统结构也可称为计算机体系结构,即 计算机的概念性结构和功能特性。它的主要任

7、 务是研究软件、硬件功能分配和对软硬件界面 的确定。p不同程序员所看到的计算机有不同的属性。p在层次结构的各个级上都有它的体系结构。 1.2微机体系结构1.2.2微机组成和系统结构区分微机组成和微机系统结构这两个基本概念: p 微机系统结构是指那些能够被程序员所见到的微机的 属性，即概念性的结构与功能特性，通常是指用机器 语言编程的程序员（包括汇编程序设计者）所看到的 传统机器的属性不同程序员所看到的计算机有不同的 属性。 p 微机组成是微机系统结构的逻辑实现，包括机器内部 的数据的组成以及逻辑设计等，指如何实现微机体系 结构所体现的属性，它包含了许多对程序员来说是透 明的硬件细节。1.2微机

8、体系结构1.2.2微机组成和系统结构了解系列机和兼容机的概念，对选择何种微机也 是非常有帮助的: p系列机是指一个厂家生产的、具有相同的系统 结构但具有不同组成和实现的一系列不同型号 的机器。 p兼容机是指不同厂家生产的、具有相同系统结 构的微机，它的思想与系列机是一致的。 1.2微机体系结构1.2.3 大中型微机系统的典型结构 大中型微机系统的设计目标主要在于系统功能的扩大与效率的提高。图 1-3所示是大、中型微机系统的典型结构。在系统连接上分为四级：主 机、通道、设备控制器和外部设备。图1-3 大、中型微机系统的典型结构1.3微机性能指标1.3.1 微机的主要性能指标 一台微型计算机功能的

9、强弱或性能的好坏，不是 由某项指标来决定的，而是由它的系统结构、 指令系统、硬件组成、软件配置等多方面的因 素综合决定的。主要性能指标有以下几个： p字长 计算机的字长越长，计算机的功能就越强，运算精度越高。常见 的计算机字长有8位、16位、32位和64位。 p主频率 运算速度是计算机的主要性能指标。主频率就是描述运算速度的 重要参数。1.3微机性能指标p 存储容量 存储容量是指一个功能完备的存储器能存储的二进制形式信息的 最大数量，度量单位是位、字节、KB、MB和GB。 p 数据传输速率 数据传输速率是指在单位时间内主机与外设之间交换信息的数量 。度量单位是“位/秒”或“字节/秒”。 p 兼

10、容性 计算机的软件兼容性是指一台计算机上的程序不加任何修改可在 另一台计算机上正确运行的特性。 p 外设扩展能力 一台微型计算机可配置外部设备的数量以及配置外部设备的类型，对整个系统的性能有重大影响。 p 软件配置情况 软件配置情况直接影响微型计算机系统的使用和性能的发挥。通 常应配置的软件有：操作系统、计算机语言以及工具软件等 1.3微机性能指标目前常用的性能评价技术有：测量技术、模型技术和分析技术.1测量技术p 测量是最基本、最重要的系统性能评价手段。测试设 备向被测设备输入一组测试信息并收集被测设备的原 始输出，然后进行选择、处理、记录、分析和综合， 并且解释其结果。p 测量工具分硬件工

11、具和软件工具两类。p 硬件监测工具的监测精度和分辨率高，对系统干扰少 ；软件监测工具则灵活性和兼容性好，适用范围广。 1.3微机性能指标2模拟技术 p 在系统的设计、优化、验证和改进（如功能升级）过 程中，不可能或不便于采用测量方法和分析方法时， 可以构造模拟模型来近似目标系统，进而了解目标系 统的特性。 p 模拟模型包括系统模型和工作负载(环境)模型。系统 模型和工作负载模型是相互联系和相互影响的，它们 采用程序语言描述。 p 模拟模型建立后，需要检验它的合理性、准确度等， 还要设计模拟试验,对感兴趣的输出值进行统计分析 、误差分析等数据处理。 1.3微机性能指标3分析技术p可为计算机系统建

12、立一种用数学方程式表示的 模型，进而在给定输入条件下通过计算获得目 标系统的性能特性。 p可以应用排队论来描述计算机系统中的这类现 象。p计算机系统的分析模型一般是某种网状的排队 系统，求解往往是困难的。有些复杂的计算机 系统要建立它的分析模型就很困难。因此分析 技术的应用是有局限性的。1.4微机使用环境微机同其它仪器设备一样，对使用环境有一定的要 求。为保证微机系统可靠、稳定运行，减少故障，延 长使用寿命，有关微机的使用环境及日常维护要注意 以下事项： 1. 交流电源的影响微机设备对电网电压的允许范围一般是180V-230V， 电源电压过低会使机器自动保护，但如果电压超过 230V，则容易造

13、成微机电源的损坏，这时则要有选择 地使用稳压电源。交流电源对计算机的影响大致有两 方面： p 电源掉电交流电源突然掉电对计算机影响最大，那怕是几秒钟，几个 周波，轻者丢失内存的数据和程序，重者可使某些硬件损坏。1.4微机使用环境p 电网噪声和瞬变电压 电网上也会存在电压噪声，这些噪声分为周期性的和非周期性 的。周期性噪声可能由负载开关补偿电容开关不良引起;非周期 性噪声可能是一种变电压或电压闪动、雷电、重型设备的开动引 起;特别是接地不良也是产生瞬变电压的原因。2地线系统的影响地线可分为工作地和保护地两大类。工作地可分为交流地和 直流地两类。关于接地电阻及相互关系规定为:交流工作地的接 地电阻

14、不宜大于40，安全保护地的接地电阻不应大于40。计算机 系统直流地电阻大小，应根据不同计算机系统的要求而定。1.4微机使用环境3温度的影响温度对计算机工作的稳定性、可靠性影响很大。要使热量从发 热源向周围环境散发，必须使环境温度低于机内温度，并保持一 定的差值。高温除了对电路可靠性有直接影响外，对精密机械、 对介质都有不良影响。如磁盘驱动器，不仅对温度有严格规定， 对温度变化的梯度也有一定限制。工作环境的温度应保持在15 35之间。4湿度的影响和温度一样，相对湿度对计算机的可靠性及寿命有直接影响。 计算机要求环境的相对湿度在20% 80% 之间，才可以保障计 算机的正常工作。1.4微机使用环境

15、5静电的影响在空气过于干燥的情况下，静电荷可能积累成很高的电位差 ，破坏MOS芯片的电性能，使电路工作不稳定。静电还破坏已经 记录在介质上的信息、吸附尘埃，并转移到磁头上，造成读写操 作错误。人体带有静电，用手接触电路板时，也可能损坏电路板 。6尘埃的影响 造成接插件的接触不良；降低发热元器件的散热效率 ；造成绝缘不良；增加机械磨损，尤其对软盘、磁带 不仅会使读出写入信息出错，还会划伤盘片和带基， 甚至损坏磁头。所以计算机不用时最好用防尘罩盖好 。1.4微机使用环境7微机的日常维护进行预防性的日常维护和定期维护。所谓预防性维护，指定 期或不定期对系统及设备作例行的测试、检查，保持设备的清洁 等

16、。预防性维护可分日维护、月维护及年维护等几级，维护内容 应根据不同设备情况和环境条件制定。8.软件维护除了硬件维护外，微机还需要定期或不定期进行软件维护，以 保证系统的可靠运行。因微机在长时间的使用过程中，由于各种 原因，可能会使系统文件破坏，可定期检查程序运行日志。第1章 微机系统概述本章小结本章首先介绍了微机系统的基本概念，微处理器的 发展以及引起的微机系统的革新过程。继而介绍了微 机系统机构的概念，微机组成与微机体系结构的区别 ，和大中型计算机系统的典型结构为下一章的计算机 组成和工作原理奠定了基础。本章还讨论了微机的主 要性能指标及性能评价的技术。最后为大家介绍了微 机的使用环境，主要强调了硬件方面的因素。