1.4 微型计算机系统概述

1.4.1 微型计算机系统的基本组成

微型计算机就是以微处理器为核心，配上随机存储器（RAM），只读存储器（ROM），系统总线、I/O接口及相应的辅助电路和各种接口插槽等构成的微型化的计算机主机装置，简称MC或μC。在微型计算机主机上配上各种外部设备和各种软件，就构成了微型计算机系统，简称微机系统。

微型计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成，其组成如图1.2所示。

1.硬件系统

硬件系统是微型计算机系统硬设备的总称，由图1.2可见它的两大组成部分是主机与外部设备，下面分别予以介绍。

1）主机

主机包括CPU、主存储器和I/O接口，通常这些芯片是安装在一块印制电路板上，称为主机板，简称主板。为了与外设连接，在主板上通常安装了若干插槽或者插座，与不同外设连接的接口电路板卡（如显示卡、声卡和网卡等）可以插入这些插槽，CPU通过这些板卡控制相应的外设工作，现在有些主板上已经集成了这些板卡的功能。主板是安装在机箱内的，称为主机板，主板的典型结构如图1.3所示。通过这张图可以进一步了解微型计算机的组成及工作原理。

先介绍微型计算机主板典型结构图1.3（a）中各主要部分的作用。

（1）CPU插座：用于安装CPU芯片的底座，其结构取决于CPU的封装形式，这是整个主板的核心部分。

（2）内存插槽：用于安装内存条（详见第3篇）的专用插槽，这是主机板上的存储器。

（3）总线扩展槽：包括PCI插槽、AGP插槽。PCI总线插槽用于插接PCI总线（详见第3篇）的板卡，不同的主板插槽数量不同，AGP插槽专门用于安装AGP显示卡。

（4）芯片组：它是主板的核心部件，用于控制、协调数据在CPU、内存与各部件之间的传输。通常芯片组有北桥芯片和南桥芯片组之分，北桥芯片主要负责对CPU与主存储器之间的数据传输及对扩展插槽等的操作。南桥芯片的主要功能是控制微型计算机系统内部的I/O接口和一些外设的接口，如IDE设备及一些附加设备等。

（5）BIOS芯片：该芯片是一块Flash存储器（详见第2章），它的作用是保存系统与外设之间的基本I/O程序、诊断程序和一些实用程序，其内容掉电时也不会丢失。

（6）IDE接口：它是两个40针的双排线插座，可以用于接硬盘和光盘驱动器（详见第3篇）。

（7）I/O接口：I/O接口（包括并行口和串行接口，见第3章）用于连接各种外设，如键盘、鼠标及显示器等。I/O接口的正视图见图1.3（b）。图中的COM1、COM2分别为两个9针的串行口，并行接口（LPT）是一个26针的插座。

（8）USB接口：可用于连接低速外设，由于其诸多特点，它已经逐渐取代了部分串行口和并行接口。

（9）CNR插槽：支持软声卡和局域网卡。

（10）锂电池：用于在计算机断电时，保存CMOS存储器中的数据和维持时钟正常工作。

2）外设

根据计算机用户的不同要求，现在已经出现了多种用于计算机的外设，如打印机、扫描仪、绘图仪、声音I/O设备等。台式微型计算机系统最基本的、必不可少的外设是显示器、鼠标和键盘，下面予以介绍。

（1）显示器：显示器是微型计算机系统必不可少的输出设备，它用于显示计算机的各种输出，例如，文字、图形、数字等。从显示器诞生至今，它已经由早期的阴极射线显示器（CRT）发展到现在的液晶显示器（LCD）。

（2）键盘：键盘是计算机硬件中必不可少的输入设备，通过键盘可以向计算机输入数字和文字及各种命令。键盘类型有多种，分类方法也较多，例如，可以按接触方式分，可以按按键个数分，还可以按与计算机的连接方式（有线与无线）分。键盘接口有PS/2与USB两种。

（3）鼠标：鼠标是一种快速定位设备，通过鼠标移动或者点击操作可以大大简化键盘操作，所以目前鼠标也成为计算机必不可少的输入设备。鼠标接口也有PS/2与USB两种。

此外，在微型计算机系统中还有一个图中没有画出但又极为重要不可缺少的部分，即总线结构，这部分将在第16章中专门介绍。

2.软件系统

软件系统是微型计算机为了运行、管理、维护和应用计算机所配置或者用户自行编制的各种程序的总称。这些程序或存在于内存储器中，或存放在外存储器中。微型计算机在没有安装任何软件之前称之为“裸机”。“裸机”是不能工作的。因此，硬件和软件是组成微型计算机系统必不可少的组成部分。软件系统主要包括系统软件和应用软件两大部分。

1）系统软件

系统软件包括操作系统、语言处理程序和一些服务程序。系统软件是由机器的设计者或销售商提供给用户的。

（1）操作系统。操作系统（Operating System，OS）是应用软件的运行环境，是硬件系统首先应安装的软件，是软件中的核心程序，是计算机系统的指挥调度中心，操作系统的主要功能：合理地组织整个计算机的工作流程，管理和调度各种软、硬件资源，包括CPU、存储器、I/O设备和软件，检查程序和机器的故障，为其他应用软件提供支持等，用户通过操作系统便可方便地使用计算机。操作系统常驻留在磁盘中，又称DOS（Disk Operation System）。目前，常用的操作系统主要有Windows、DOS、UNIX和Linux等。

有了操作系统的微型计算机系统所有资源都将由操作系统统一管理，用户不必过问各部分资源的分配使用情况，而只需学会使用它的一些命令。

（2）语言处理程序。计算机常用的程序设计语言可分为机器语言、汇编语言和高级语言三类（详见3.2节），语言处理程序是用于处理汇编语言程序和高级语言程序（在处理前把它们称为源程序），使它们转化为计算机能识别的机器语言程序。语言处理程序有三类，其中汇编程序用于处理汇编语言源程序，常用的有ASM和MASM等。编译程序或解释程序用于处理各种高级语言程序，常用的高级语言如C语言、PASCAL、BASIC等都配有相应的编译程序或解释程序。

（3）其他系统软件。包括一些服务程序或者工具软件。例如，常用的服务程序有：文本编辑程序、连接程序、定位程序、调试程序和诊断排错程序等。常用的工具软件有汉字输入程序、PC tools程序、硬盘管理程序、设备管理程序、网络和通信管理程序等。

2）应用软件

应用软件有两类，一类是软件开发商为用户提供的字、表处理程序（如Word、Excel等），软件开发程序（如Auto CAD、Photoshop等），数据库管理程序（如FoxBASE、Access等）；另一类是用户利用计算机及其所提供的各种系统软件、程序设计语言为解决各种实际问题而开发的程序。本书将在讲述指令系统的基础上，用汇编语言程序设计应用程序。

1.4.2 微型计算机的分类

微型计算机的分类方法有多种，例如，可以按字长分类，也可以按速度分类等，但目前较常用的分类方法是按照用途和指令系统的特点。

1.按用途

按用途可如下分类。

1）台式PC

这是应用最广泛的一种办公用计算机，本书也主要是以这种微型计算机为例介绍。

2）便携机

便携机是一种体积小，重量轻的PC，携带方便。它又分为笔记本计算机和掌上机两种。

（1）笔记本计算机外形像一个笔记本，显示器和键盘鼠标分别是本的两面，其基本配置、功能略低于同期台式机，与相同配置的台式机相比，价格较高。

（2）掌上机是一种体积更小，重量更轻的PC，它的键盘与屏幕均较小，可以在屏幕上以书写的形式录入。

3）服务器

服务器也是一种微型计算机，但它通常是由多个高端微处理器芯片组成，它的存储容量配置很大，且输入/输出速度很快，所以适用于高速数据处理和网络传输，通常用于网络服务。

4）工业控制计算机

工业控制计算机主要用于环境较恶劣的工业现场等的控制，而工业现场一般连续工作时间长、振动强烈，灰尘多，还经常出现很高的电磁干扰等情况。所以虽然它的基本配置、功能与台式机相似，但与普通计算机相比它必须具有以下特点：机箱采用钢结构，有较强的防磁、防尘、防冲击的能力，电源有较强的抗干扰能力，所有功能卡等都经过特殊工业处理，使其耐高、低温，抗振及工作可靠性指标要比普通PC高得多。

2.按指令系统

不同的微处理器有不同的指令系统，如果按指令系统的一些共同特点分类，则可以分为复杂指令系统（Complex Instruction Set Computer，CISC）和精简指令系统（Reduced Instruction Set Computer，RISC）。

1）复杂指令系统计算机

采用复杂指令系统的计算机被称为复杂指令集计算机，它是由早期出现的处理器发展而来，例如，像Intel x86系列，当增加新功能后，就要增加新指令，同时为了保持向上兼容，还必须保留原有的指令。因而其指令系统越来越庞大，寻址方式越来越复杂，到Pentium系列其指令数已经超过300条。此外，其不同指令的执行时间不同。但这种指令也有许多优点，如有较强的处理高级语言的能力，这对提高计算机的性能是有益的。此外，该类指令编译后生成的指令程序较小，执行较快，采取指令的次数少，占用较少的内存。

2）精简指令系统计算机

采用精简指令系统的计算机被称为精简指令集计算机，它是通过简化指令，使计算机的结构更加简单、合理，并增加了大量通用寄存器，从而提高了CPU的运算速度。目前，出现了多种采用精简指令系统的微处理器，尽管结构不完全相同，但它们具有如下共同特点。

指令格式和寻址方式简单，指令条数少，执行一条指令的时间最多为一个计算机周期，大多数操作在寄存器之间进行。加强了处理器并行能力：RISC指令集能够非常有效地适合于采用流水线、超流水线和超标量技术，从而实现指令级并行操作，提高处理器的性能。目前常用的处理器内部并行操作技术基本上是基于RISC体系结构发展和走向成熟的。由于上述特点，它的主要优点是可以提高CPU的运算速度。

1.4.3 微型计算机系统的发展

由于需求的不断扩大和相关技术的飞速发展，使微型计算机系统自诞生以来这30多年中进化神速，PC的主要生产商IBM公司所用的处理器芯片来自Intel公司，操作系统来自微软公司，不久之后就催生了微软和Intel公司这两大PC时代的霸主。为促使PC产业的健康发展，IBM公司对所有厂商开放PC工业标准，从而使得这一产业迅速地发展成为20世纪80年代的主导性产业，并造就了Compaq等一大批IBM PC“兼容机”制造厂商。

微型计算机系统的发展很大程度上决定于其核心部件微处理器（Micro-Processor Unit，MPU）即CPU的发展。而微处理器的主要生产厂商Intel公司从早期的80x86系列，后来又发展到Pentium系列等，产品不断更新换代，使其性能不断提高。

在此期间，与Intel公司竞争的AMD、Motorola、Cyrix等公司也相继推出了自己的高档微处理器。例如，AMD的K6系列，Duron（钻龙）等系列，Motorola公司的MPC800等系列产品。这些产品在性能与价格上与Intel公司产品相当，所以都具有一定竞争力。

后来这几个公司又都相继出了性能更高的双核、4核芯片。2001年，Intel公司与HP公司联合推出了IA-64位微处理器。与此同时，AMD公司也推出了AMD x86-64微处理器。

总之，微处理器发展的步伐从来没有减慢，其性能在不断提高，功能在不断加强，所采用的技术也在不断地完善和发展。例如，CPU从单核发展到多核，高速缓冲存储器从一级发展到两级甚至多级，指令操作从非流水线操作到普通流水线操作再发展到超级指令流水线操作等，上述技术都在不同程度上提高了计算机的运行速度，加强了它的计算功能。另外，其外形结构从早期的典型计算机主机加显示器、键盘，到结构小巧的笔记本计算机和目前出现的一体机、平板计算机等，使计算机系统的体积更小，使用更方便。

微型计算机系统外设的种类在不断增加，其性能和外观也在不断完善。