1.3 微型计算机系统

1.3.1 微型计算机系统的组成

首先介绍几个基本概念。

1.微处理器

微处理器简称为MP（micro processor）或CPU，也称为微处理机，它是指由一片或几片大规模集成电路组成的具有运算和控制功能的中央处理单元。微处理器主要由算术逻辑部件ALU、寄存器以及控制器CU组成，它是微型计算机的主要组成部分。

2.微型计算机

微型计算机简称为MC（micro computer）或mC。以微处理器（CPU）为核心，再配上一定容量的存储器（RAM、ROM）和输入/输出接口电路，这三部分通过外部总线连接起来，便组成了一台微型计算机。

3.微型计算机系统

微型计算机系统简称为MCS（micro computer system）或mCS，它以微型计算机为核心，再配备以相应的外围设备、辅助电路和电源（统称硬件），以及指挥微型计算机工作的系统软件，便构成了一个完整的系统。

微处理器、微型计算机和微型计算机系统，是三个含义不同但又有密切关联的基本概念，要特别注意对它们的理解和区别。

1.3.2 微型计算机系统的硬件组成

微型计算机系统的组成如图1.3所示。

由图1.3可以看到，微型计算机系统的硬件主要包括微型计算机、外围设备和电源，实际上就是用眼能看得见、用手能摸得着的计算机系统部分。

1.微型计算机

微型计算机结构框图如图1.4所示。一台微型计算机主要由微处理器CPU、存储器、输入/输出接口电路及系统总线构成（虚线内部分）。

微处理器由运算器和控制器两部分组成。运算器主要用来完成对数据的运算，包括算术运算和逻辑运算。控制器为整机的指挥控制中心，计算机的一切操作，如数据输入/输出、打印、运算处理等都必须在控制器的控制下才能进行。

存储器是一个记忆装置，用来存储数据、程序、运算的中间结果和最终结果。存储器包括随机存取存储器RAM和只读存储器ROM。

输入/输出接口电路是微型计算机与外部设备联系的桥梁。由于外设的种类繁多，工作速度大部分不能和主机相匹配（相对来讲都较慢），因而，主机和外设之间的信息传递都必须经过接口电路加以合理地匹配、缓冲。输入接口连接在主机的输入端，用来将输入设备（如键盘、鼠标等）接收的信息输入到主机内部，而输出接口则接在主机的输出端，用来将主机运算的结果或控制信号输出到输出设备，如CRT（cathode ray tube）显示器、打印机等。

CPU和机器内部各部件的联系，以及和微型机外部设备信息的传递都要通过总线来实现。在微型机中通常使用的总线有数据总线、地址总线和控制总线，称为系统三总线。

数据总线（DB，data bus）是微处理器与外界传递数据的数据信号线。它的条数实际上决定了微处理器与外部传送数据通道的宽度，这个数值也称作微处理器的字长。数据总线可以双向传递数据信号，是一组双向、三态总线。

地址总线（AB，address bus）是由微处理器输出的一组地址信号线，用来指定微处理器所访问的存储器和外部设备的地址。地址总线的条数决定了CPU所能直接访问的地址空间。例如，地址总线为20位时，可访问的地址范围为220个，即为00000H～FFFFFH。地址总线采用三态输出方式。

控制总线（CB，control bus），它用来使微处理器的工作与外部电路的工作同步。其中有的为高电平有效，有的为低电平有效，有的为输出信号，有的为输入信号。通过这些联络线，CPU可以向其他部件发出一系列的命令信号，其他部件也可以将工作状态、请求信号送给CPU。

2.外围设备

外围设备即微机的输入/输出设备，它是微机系统与周围世界（包括使用计算机的人）通信联系的渠道。输入设备把程序、数据、命令转换成计算机所能识别接收的信息，输入给计算机。输出设备把CPU计算和处理的结果转换成人们易于理解和阅读的形式，输出到外部。外围设备包括外部设备和过程控制输入/输出通道。外部设备主要有：显示器、键盘、鼠标、打印机、调制解调器、网卡和扫描仪等。过程控制输入/输出通道主要有模数转换器、数模转换器、开关量及信号指示输入/输出器等。这些设备是组成一个微机基本系统必不可少的，它们的选型和指标的好坏对计算机应用环境和用户的工作效率有着重大的影响。

尽管输入/输出设备繁多，但它们有两个共同特点：第一，常采用机械的或电磁的工作原理，所以速度较慢，难以和纯电子的CPU及内存的工作速度相匹配；第二，要求的工作电平常常与CPU和内存等采用的标准（TTL，transistor-transistor logic）电平不一致。为了把输入/输出设备与计算机的CPU连接起来，还需要一个中间环节，即接口电路，用来进行信号的锁存、变换、隔离和外设选址，以保证信息和数据在外设与CPU和内存之间正常传送。

3.电源

电源是保证微机系统能正常运行的工作电源。PC机的电源将220V交流电转换成±5V和±12V四种DC（直流）电压。一般台式机的电源功率为150～220W，立式机的电源功率为220～400W，电源中由风扇提供对整个系统的冷却。电源应满足最低安全标准，不产生干扰电视和无线电的电磁辐射。

1.3.3 微型计算机系统的软件组成

微机系统的软件分为系统软件、程序设计软件和用户软件。计算机软件的层次图如图1.5所示。

1.系统软件

系统软件是由计算机生产厂家提供给用户的一组程序。这组程序是用户使用机器时为产生、准备和执行用户程序所必需的。

系统软件的核心是操作系统（OS，operating system）。它的主要功能是对系统的软、硬件资源进行合理管理，为用户创造方便、有效和可靠的计算机工作环境。

操作系统的主要部分是常驻监督程序。只要一开机，它就开始运行，它可以接收用户命令，并使操作系统执行相应的动作。操作系统分为8个程序分支。

（1）文件管理程序：用来处理存放在外存储器中的大量信息，它可以和外存储器的设备驱动程序相连接，对存放在其中的信息以文件的形式进行存取、复制及其他管理操作。

（2）I/O驱动程序：用来对I/O设备进行控制和管理。当系统程序或用户程序需要使用I/O设备时，只要发出命令，执行I/O驱动程序，便能完成CPU与I/O设备之间的信息传送。

（3）文件编辑程序：文件是指由字母、数字和符号等组成的一组信息，它可以是一个用汇编语言或高级语言编写的程序，也可以是一组数据或一份报告。文件编辑程序用来建立、输入或修改文件，并将它存入内存储器或外存储器中。

（4）装入程序：用来把保存在外存储器中的程序传送到内存中，以便机器执行。

（5）翻译程序：微型计算机是通过逐条执行程序当中的指令来完成人们所给予的任务的。所以，当用户想让机器按照人的意图去工作时，就必须把要做的工作、完成的算法及解题的步骤编成一段程序。

（6）链接程序：用来将要执行的程序与库文件或其他程序模块链接在一起，形成机器能执行的程序。

（7）调试程序：是系统提供给用户的能监督和控制用户程序的一种工具。它可以装入、修改、显示或逐条执行一个程序。

（8）系统程序库：是各种标准程序、子程序及一些文件的集合，可以被系统程序或用户程序调用。

2.用户软件

用户软件是用户为满足实时系统的需要编制的一组子程序，从而建立起自己的程序库，以提高不同类型用户的工作效率。不管计算机的硬件和系统软件多么好，如果没有为完成特定任务而编写的用户软件，整个计算机系统也将是毫无意义的。

应当指出，硬件系统和软件系统是相辅相成的，共同构成了微型计算机系统，缺一不可。用户通过软件系统与硬件系统发生联系，在系统软件的干预下使用硬件系统。现代的计算机硬件系统和软件系统之间的分界线并不明显，总的趋势是两者统一融合，在发展上互相促进。

1.3.4 微型计算机系统的性能指标

1.字长

字长指计算机内部一次可以处理的二进制数的位数。字长越长，计算机所能表示的数据精度越高，在完成同样精度的运算时数据的处理速度越高。但字长越长，机器中的通用寄存器、存储器、ALU的位数和数据总线的位数都要增加，硬件代价增大，因此应考虑精度、速度和成本兼顾的原则来决定微型计算机的字长。PC/XT微机的字长为16位；386、486微机的字长为32位；586微机的字长为32位或64位。

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。微型计算机中通常以字节为单位表示存储容量，如B（byte）、KB（kilobyte）、MB（megabyte）、GB（gigabyte）、TB（terabyte）和PB（petabyte）。

1KB=210=1024B

1MB=220=1024KB

1GB=230=1024MB

1TB=240=1024GB

1PB=250=1024TB

3.运算速度

计算机的运算速度以每秒能执行的指令条数来表示。由于不同类型的指令执行时所需的时间长度不同，因而有几种不同的衡量运算速度的方法。

（1）MIPS（百万条指令每秒）法，根据不同类型指令出现的频度，乘上不同的系数，求得统计平均值，得到平均运算速度，用MIPS作为单位衡量。

（2）最短指令法，以执行时间最短的指令（如传送指令、加法指令）为标准来计算速度。

（3）直接计算，给出CPU的主频和每条指令执行所需要的时钟周期，可以直接计算出每条指令执行所需的时间。

4.扩展能力

扩展能力主要指计算机系统配置各种外设的可能性和适应性。例如，一台计算机允许配接多少种外设，对计算机的功能有重大影响。

5.软件配置情况

软件是计算机系统不可缺少的重要组成部分。一台计算机软件是否配置齐全，是关系到计算机性能的重要标志。

一个计算机系统是硬件和软件相结合的统一整体，用户应当根据自己的需要和应用场合来配置微机系统硬件、软件的种类和数量。确定微机系统配置的基本原则是，满足使用的要求，并兼顾近期发展的扩展需要。