微型计算机原理 第1章

微型计算机具有体积小、重量轻、功能强、可靠性高、价格低廉等一系列优点，已被广泛应用于社会生活的各个领域。人们已经越来越依赖于计算机的高速运算、高可靠性和海量存储，越来越依赖功能完善、便捷易用的各类软件，以及连接全球的计算机网络等等。 1.1 微型计算机的基本结构1.2 微型计算机的应用1.3 微型计算机的发展 微型计算机系统一般由主机硬件、软件、输入设备和输出设备等四部分组成，如图1-1所示。 图1-2 微机主机基本结构 计算机软件包括固化在ROM中的基本输入输出系统BIOS、操作系统、编译/解释程序、诊断程序、程序设计语言、应用软件等。 输入设备用于将数据输入到计算机中。 输出设备把计算机加工后的信息输出给用户。 系统时钟CLK(Clock)由石英晶体振荡器OSC(Oscillator)和专用的时钟处理芯片组成,为系统提供所需工作频率的稳定脉冲，使系统各类芯片能够有秩序地执行程序和命令。 中央处理单元CPU(Central Processing Unit)完成对计算机的各种控制和运算。 运算器是执行算术运算和逻辑运算的部件，其主要任务是对数据进行加工处理。 控制器的主要作用是取出要执行的每一条指令、然后进行指令译码并执行指令。寄存器组是CPU内部的数据存储器，包括通用寄存器组和专用寄存器组两部分。 在CPU中，由56个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线，并将一条指令分成56步分别由这些电路单元同步执行，使本来要56个时钟周期才能完成的一条指令，在一个时钟周期完成。 超流水线是指CPU内部的流水线超过通常的56步。流水线的步数越多，完成一条指令的速度就越快。超标量(Super-Scalar)是指CPU中有一条以上的流水线，并且每时钟周期可以完成一条以上的指令。 乱序执行(Out-of-Order Execution)是指CPU采用了允许将多条指令不按程序规定的顺序，分开发送给各相应电路单元处理的技术。 分支预测(Branch Prediction)是CPU提前确定可能的程序分支方向。推测执行(Speculation Execution)依托于分支预测。CPU在预测程序是否分支后进行的处理就是推测执行。 存储器（Storage）用于存放程序和数据等。 随机存储器RAM是运行程序的空间。 只读存储器ROM是非易失性存储器，用来存放永久性的程序和数据。 为了提高CPU的运行速度，在CPU和常规主存之间增设的一级（Level 1）或二级（Level 2）高速小容量存储器，称为高速缓冲存储器（Cache）。 由于RAM中的数据关机后会丢失，因此需要将其转存到不会丢失的介质上，如磁盘、U盘、光盘等。这些磁盘、U盘、光盘等存储介质，就是辅助存储器。在运行大的软件时，为了解决内存短缺的问题，操作系统会把硬盘的一部分当作内存来使用，这就是虚拟内存。 总线是计算机系统中连接各功能部件的公共信息通道，主要有地址总线A B（Address Bus）、数据总线DB（Data Bus）和控制总线CB（Control Bus）。 ISA(Industry Standard Architecture，工业标准体系结构)总线，是由美国IBM公司推出的16位标准总线，数据传输率为8MBs。 MCA(Micro-Channel Architecture，微通道体系结构)总线，是由美国IBM公司推出的32位标准总线。数据传输率为40MBs。 EISA(Extended Industry Standard Architecture，扩展工业标准体系结构)总线，是由Compaq、HP、AST等多家计算机公司联合推出的32位标准总线，数据传输率为33MBs。 由视频电子标准协会VESA(Video Electronic Standard Association)联合另外多家公司共同推出的全开放通用的局部总线VL-Bus(VESA Local Bus)，简称VL总线。该总线是针对486微机开发的32位标准总线，可扩充至64位。其数据传输率最高可达132M/s。 PCI(Peripheral Component Interconnect，外设互连)总线，是由美国Intel公司推出的3264位标准总线。PCI总线是一种与CPU隔离的总线结构，并能与CPU同时工作，适应性强，速度快，数据传输率为大于1 3 2 M Bs。 辅助功能部件由主机板上的若干模块组成，每一个辅助模块都以独特的方式，去协助整个系统运行。 1 主板上的控制芯片组基本决定了主板的功能。芯片组在BIOS和操作系统的共同控制下，按规定的技术和规范，为CPU、内存、图形接口、IDE接口、IO接口等提供工作平台。 专门的中断控制芯片，用于处理中断相关事宜。可以直接存取内存的芯片，叫直接存储器取存DMA(Direct Memory Access)控制器。 输入/输出接口是微型计算机连接外部输入/输出设备和各种控制对象并与之进行信息交换的控制逻辑电路。 并行接口用于实现CPU与外设之间的并行数据通信。 串行接口用于实现CPU与外设之间的串行通信。 扩展槽（Expansion Slot）位于微机系统主板上，对内一般汇集了系统的地址总线、控制总线、数据总线等各种信号通道和电源等，对外则为各种板卡提供了一个符合某一总线标准的插槽。 计算机最重要的作用，就是用于构建网络平台，以实现信息共享、资源共享和数据通信等。 依靠快速运算、准确可靠处理和海量存储能力，微型计算机可以对各项社会活动、经济活动、科学研究等产生的大量文字、图形、图像、视频等数据和信息进行加工、计算、变换、分类、存储、传输、输出和控制等。 科学计算是计算机的专长，并具有快速、准确、可靠等优点，已被广泛用于各类科学研究、工程计算、生产生活等。 计算机监测就是利用计算机、传感器和相关软件等对各种客观环境、过程等进行数据采集。 计算机控制就是利用计算机、传感器、执行机构和相关软件等，对生产过程、设备、航天器等进行自动控制。 利用计算机进行监测、控制，不仅具有准确、可靠、不知疲倦等一系列人体无法实现的优点，更可以替代人体实现恶劣/危险环境下的各种作业。 计算机辅助设计CAD（Computer Aided Design）就是利用计算机和大量经过数字化的相关知识和经验，实现快速的产品设计。 计算机辅助制造CAM（Computer Aided Manufacture）是利用计算机控制产品的加工和制造等。 计算机模拟/仿真，为人们的学习、训练、研究等提供了高效、安全、低成本和规范化、现代化、智能化的方法和手段。 人工智能就是利用计算机的快速计算能力和大量累积的相关知识和经验等，让计算机模拟人脑进行逻辑思维、逻辑推理、自主学习、积累知识、知识重构和自我完善，使计算机具有人脑的部分思维功能，以代替人们解决大量重复的问题、难以解决的问题或至今还不知道该如何解决的问题等。 计算机的发展经历了电子管计算机、半导体晶体管计算机、半导体中小规模集成电路计算机、半导体大规模/超大规模集成电路计算机等几个时代。微型计算机的发展大致经历了以下四个阶段： 4位微型机使用4位微处理器，如Intel 4004和Intel 4040等。 8位微型机使用位微处理器，如Intel 80808085、Z80、Motorola 6800等。 16位微型机使用16位微处理器，如Intel8086、Motorola68000、Z8000等16位和准32位微处理器。 32位微型机使用32位微处理器，并采用了超标量、超流水线和分支预测等RISC技术，使微型机的体系结构发生了重大变化。 随着计算机技术的不断发展和个人电脑的日益普及，电脑将成为人们日常生活的必须品，电脑和网络的使用将会越来越简单、方便。 目前，半导体微处理器正在向64位过渡。预计几年之内，64位处理器将会成为市场主流。芯片集成度的不断提高，传统的半导体芯片计算机将不可避免地会遇到发展极限。 现在的微型计算机是相对于过去庞大的电子管计算机和半导体分立元件计算机而被命名为“微型计算机”的。以现在的眼光来看，“微型计算机”的“微型”二个字，实在是名不符实。未来的生物计算机、分子计算机、量子计算机等，才是真正名副其实的微型计算机。 生物计算机用生物蛋白质分子芯片替代目前计算机中使用的半导体芯片，使计算机重量更轻、体积更小、速度更快、容量更大，具有更高的人工智能。 分子计算机凭借分子的纳米级尺寸，体积将非常小，耗电非常少，并能更长期地存储大量信息。 光子计算机利用光子取代电子进行数据运算、传输和存储。 量子计算机利用处于多现实态的原子作为数据进行运算。 当生物计算机、分子计算机、量子计算机等真正的微型计算机进入实用阶段，它们肯定会对世界产生更为巨大的影响。