微型计算机原理知识点总结(一)

目录

一.微型计算机

 二.微型计算机系统

1.微型计算机硬件系统 

冯·诺依曼体系结构

总线

(1)微处理器(CPU)

运算器

控制器

内部寄存器 

(2)存储器 

1.基本概念

2.内存的操作

3.内存的分类

(3)I/O接口与输入/输出设备 

2.微型计算机软件系统

(1)系统软件

操作系统

系统应用程序

(2)用户(应用)软件

三.微型计算机的工作过程

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一.微型计算机

自 1946 年世界上第一台电子计算机ENIAC 问世以来,计算机技术得到了突飞猛进的发展，在短短的几十年里，计算机的发展已经历了四代: 电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机、大规模及超大规模集成电路计算机。目前，各国正加紧研制和开发第五代“非冯·诺依曼”计算机和第六代“神经”计算机。

我们要研究的微型计算机属于第四代计算机.

微型计算机(Microcomputer)是由微处理器(CPU)、存储器和 I/0接口电路组成的计算机

其中微处理器(Microprocessor)是微型计算机的核心，它是将计算机中的运算器和控制成在一块硅片上制成的集成电路芯片。这样的芯片也被称为中央处理单元(Central Proce
Unit)，简称CPU。

30多年来，微处理器和微型计算机获得了极快的发展，几乎每两年微处理器的集成度就要翻一番，每2~4年更新换代一次，现已进入第五代。

1. 第一代(1971-1973):4位或低档8位微处理器
2. 第二代(1974一1977):中高档8位微处理器
3. 第三代(1978-1984):16位微处理器 
4. 第四代(1985-2004):32位微处理器 
5. 第五代(2005年以后):64位高档微处理器

 二.微型计算机系统

微型计算机系统(Microcomputer System)是指以微型计算机为中心，配以相应的外围设备、电源和辅助电路(统称硬件)以及指挥计算机工作的系统软件所构成的系统。与一般的计算机系统一样，微型计算机系统也是由硬件和软件两部分组成的.

1.微型计算机硬件系统 

冯·诺依曼体系结构

到目前为止，计算机仍沿用 1940年由冯·诺依曼首先提出的体系结构。其基本设计思想为:

①以二进制形式表示指令和数据

②程序和数据事先存放在存储器中，计算机在工作时能够高速地从存储器中取出指令加以执行。

③由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五大部件组成计算机硬件系统。

微机体系结构的特点之一是采用总线结构，通过总线将微处理器(CPU)、存储器(RAM和ROM)、I/O接口电路等连接起来，而输入/输出设备则通过I/O接口实现与微机的信息交换.,如下图所示:

总线

所谓总线，是指计算机中各功能部件间传送信息的公共通道，是微型计算机的重要组成部分。它们可以是带状的扁平电缆线，也可以是印刷电路板上的一层极薄的金属连线.所有的信息都通过总线传送。根据所传送信息的内容与作用不同，总线可分为以下三类:

• 地址总线AB(Address Bus): 在对存储器或IO端口进行访问时，传送由 CPU提供的要访问存储单元或I/O 端口的地址信息，以便选中要访问的存储单元或 IO 端口。AB是单向总线。
• 数据总线 DB(Data Bus): 从存储器取指或读写操作数，对IO端口进行读写操作时，指令码或数据信息通过数据总线送往 CPU或由 CPU送出。DB 是双向总线
• 控制总线CB(Control Bus): 各种控制或状态信息通过控制总线CPU送往有关部件，或者从有关部件送往 CPU。CB 中每根线的传送方向是一定的，上图中CB作为一个整体，用双向表示。

采用总线结构时，系统中各部件均挂在总线上，可使微机系统的结构简单，易于维护，并具有更好的可扩展性。一个部件(插件)只要符合总线标准就可以直接插入系统，为用户对系统功能的扩充或升级提供了很大的灵活性。

(1)微处理器(CPU)

微处理器结构:

运算器

运算器又称算术逻辑单元(ALU，Arithmetic Logic Unit)，用来进行算术或逻辑运算以及移位循环等操作。参加运算的两个操作数一个来自累加器A(Accumulator)，另一个来自内部数据总线，可以是数据缓冲寄存器 DR(Data Register)中的内容，也可以是寄存器阵列RA(RegisterArray)中某个寄存器的内容。

控制器

控制器又称控制单元(CU，Control Unit)，是全机的指挥控制中心。它负责把指令逐条从存储器中取出，经译码分析后向全机发出取数、执行、存数等控制命令，以保证正确完成程序所要求的功能。控制器中包括以下几部分:

• 指令寄存器IR(Instruction Register): 用来存放从存储器取出的将要执行的指令码当执行一条指令时，先把它从内存取到数据缓冲寄存器 DR 中，然后再传送到指令寄存器R中。
• 指令译码器 ID(Instruction Decoder): 用来对指令存器IR 中的指令操作码字段(指控制信令中用来说明指令功能的字段)进行译码，以确定该指令应执行什么操作。
• 可编程逻辑阵列 PLA(Programmable Logic Array): 用来产生取指令和执行指令所需要的各种微操作控制信号，并经过控制总线 CB 送往有关部件，从而使计算机完成相应的操作

内部寄存器 

• 程序计数器 PC(Program Counter)

程序计数器有时也被称为指令指针(P，Instruction Pointer)，它被用来存放下一条要执行指令所在存储单元的地址。在程序开始执行前，必须将它的起始地址，即程序的第一条指令所在的存储单元地址送入 PC。当读取指令时，CPU将自动修改 PC 内容，以便使其保持的总是将要执行的下一条指令的地址。由于大多数指令是按顺序执行的，因此修改的办在计算机内部法通常只是简单地对PC加1。但遇到跳转等改变程序执行顺序的指令时，后继指令的地址便于对存储器进行进制信息，每个有(即PC的内容)将从指令寄存器中的地址字段得到。

• 地址寄存器AR(Address Register)
• 数据缓冲寄存器DR(Data Register)
• 累加器A(Accumulator)
• 标志寄存器FLAGS(Flag Register)
• 寄存器阵列RA(Register Array)

(2)存储器 

这里介绍的存储器是指内存储器(又称为主存或内存)。它是微型计算机的存储和记忆装置，用来存放指令、原始数据、中间结果和最终结果。

1.基本概念

(1)位(Bit):二进制信息的最小单位(0 或1)。

(2) 字节(Byte):由 8 位二进制数组成，可以存放在一个存储单元中。字节是字的基本组成单位。

(3)字(Word): 计算机中作为一个整体来处理和运算的一组二进制数，是字节的整数.通常它与计算机内部的寄存器、算术逻辑单元、数据总线宽度相一致。每个字包括的位数称为计算机的字长，是计算机的重要性能指标。

(4)内存容量: 内存中存储单元的总数。通常以字节为单位，1024字节记作 1KB,2的20次方字节记作1MB。

(5)内存单元地址:为了能识别不同的单元，每个单元都赋予一个编号，这个编号称为内存单元地址。显然，各内存单元的地址与该地址对应的单元中存放的内容是两个完全不同的概念，不可混淆。

2.内存的操作

CPU对内存的操作有两种:读或写。读操作是 CPU将内存单元的内容读入 CPU 内部而写操作是 CPU将其内部信息送到内存单元保存起来。显然，写操作的结果改变了被写内存单元的内容，是破坏性的，而读操作是非破坏性的，即该内存单元的内容在信息被读出之后仍保持原信息不变。

3.内存的分类

按工作方式，内存可分为两大类:随机读写存储器RAM(RandomAccessMemory)和只读存储器ROM(Read Only Memory)。

随机读写存储器可被CPU随机地读写，它用于存放将要被CPU执行的用户程序、数据以及部分系统程序。断电后，其中存放的所有信息将丢失。
只读存储器中的信息只能被 CPU读取，而不能由CPU 任意地写入。断电后，其中的信息不会丢失。只读存储器用于存放永久性的程序和数据，如系统引导程序、监控程序、操作系统中的基本输入/输出管理程序(BIOS)等。

(3)I/O接口与输入/输出设备 

I/O接口是微型计算机与输入/输出设备之间信息交换的桥梁。

I/O 接口也称为 O 适配器，不同的外设必须通过不同的IO接口才能与微机相连。所以，I/O接口是微型计算机应用系统不可缺少的重要组成部件。任何一个微机应用系统的研制和开发，实际上都是 I/O 接口的研制和开发。

2.微型计算机软件系统

所谓软件，就是为了管理、维护计算机以及为完成用户的某种特定任务而编写的各种程序的总和。计算机的工作就是运行程序，通过逐条地从存储器中取出程序中的指令并执行指令规定的操作而实现某种特定的功能，因此，软件是微型计算机系统不可缺少的组成部分。微型计算机的软件包括系统软件和用户(应用)软件。

(1)系统软件

系统软件是指不需要用户干预的，为其他程序的开发、调试以及运行等建立一个良好环境的程序，主要包括操作系统 OS(Operating System)和系统应用程序。

操作系统

操作系统是一套复杂的系统程序，用于提供人机接口和管理、调度计算机的所有硬件及软件等。可用来编写用户与软件资源。其中最为重要的核心部分是常驻监控程序，计算机启动后，常驻监控程序始终存放在内存中，它接收用户命令，并执行相应的操作:操作系统还包括用于执行 /O 操作的 I/O 驱动程序，每当用户程序或其他系统程序需要使用 I/O 设备时，通常并不是该程序执行IO 操作，而是由操作系统利用 O 驱动程序来执行任务:此外，操作系统还包括用于管理存放在外存中大量数据的文件管理程序，文件管理程序和 I/O 驱动程序配合使用，用于文件的存取、复制和其他处理。

系统应用程序

系统应用程序很多，如用来编写用户应用软件的程序设计语言、使用户程序执行的编译程序和解释程序以及文字处理等服务性工具程序。

• 程序设计语言
• 编译和解释程序
• 服务性工具程序

(2)用户(应用)软件

用户(应用)软件是和系统软件相对应的，是用户为解决各种实际问题，利用计算机以及它所提供的各种系统软件，编制解决各种实际问题的程序，如数据库管理系统、办公化软件等。可用来编写用户软件的语言有机器语言、汇编语言和高级语言等。

三.微型计算机的工作过程

在对微型计算机的基本组成有了基本了解之后，我们通过在一简化的模型机(8 位机)上运行一个简单的程序来说明微型计算机的工作过程。

微型计算机的工作过程