1、- 1 -第一章 微型计算机系统导论回 顾：计算机系统的基础知识，包括计算机系统的组成(包括硬件与软件)、结构、发展历程、分类及其功能实质。本讲重点：微处理器及微机系统的发展历程，微机系统与一般意义上的计算机系统的联系与差别，强调微型计算机系统是具有独特结构的计算机系统，由此决定了微机系统所具有的功能及其特点。讲授内容：1.2 微机系统的组成、结构与工作过程回 顾：微型计算机的发展历程、特点，特别是集成电路技术与微型计算机及微机系统发展之间的相互关系。本讲重点：微型计算机及微机系统的组成，微型计算机的三总线结构，内总线和外总线的基本概念，微处理器的内部结构，微机系统的工作过程。讲授内容：一、
2、微机系统的组成与结构1微机的组成 如图所示，是微型计算机的典型组成结构示意图，从图中我们可以看出，微型计算机由微处理器 CPU 、一定容量的内部存储器（包括 ROM、RAM ） 、 输入/ 输出接口电路组成。各功能部件之间通过 总线有机地连接在一起，其中微处理器是整个微型计算机的核心部件。 内部存贮器，按照读写方式的不同，分为 ROM 和 RAM 两种类型； 输入/输出接口电路是外围设备与微型计算机 之间的连接电路，在两者之间进行信息交换的过程中，起暂存、缓冲、类型变换及时序匹配的作用； 总线是 CPU 与其它各功能部件之间进行信息传输的通道，按所传送信息的不同类型，总线可以分为数据总线 DB
3、、地址总线 AB 和控制总线 CB 三种- 2 -类型。2微机系统的组成微型计算机再加上外设、电源、软件等构成微机系统。微机系统常用的外围设备有显示器、打印机、键盘等；系统软件一般包括操作系统、编译、编辑、汇编软件等。微处理器、微型计算机与微型计算机系统三者之间的关系如下：3微型计算机的总线结构(1).引言微型计算机是由具有不同功能的一组功能部件组成的，系统中各功能部件的类型和它们之间的相互连接关系称为微型计算机的结构。微型计算机大多采用总线结构，因为在微型计算机系统中，无论是各部件之间的信息传送，还是处理器内部信息的传送，都是通过总线进行的。(2).什么是总线所谓总线，是连接多个功能部件或多
4、个装置的一组公共信号线。按在系统中的不同位置， 总线可以分为内部总线和外部总线。内部总线是 CPU 内部各功能部件和寄存器之间的连线；外部总线是连接系统的总线，即连接 CPU、存储器和 I/O 接口的总线，又称为系统总线。微型计算机采用了总线结构后，系统中各功能部件之间的相互关系变为各个部件面向总线的单一关系。一个部件只要符合总线标准，就可以连接到采用这种总线标准的系统中，使系统的功能可以很方便地得以发展，微型机中目前OSCRTABCBDBROMRAMI/O/ALU- 3 -主要采用的外部总线标准有：PC总线，ISA 总线，VESA总线等。(3).三总线结构按所传送信息的不同类型，总线可以分为
5、数据总线 DB(Data Bus)、地址总线 AB(Address Bus)和控制总线 CB(Control Bus)三种类型，通常称微型计算机采用三总线结构。地址总线(Address Bus) 地址总线是微型计算机用来传送地址信息的信号线。地址总线的位数决定了 CPU 可以直接寻址的内存空间的大小。因为地址总是从 CPU 发出的，所以地址总线是单向的、三态总线。单向指信息只能沿一个方向传送，三态指除了输出高、低电平状态外，还可以处于高阻抗状态（浮空状态） 。数据总线(Data Bus)数据总线是 CPU 用来传送数据信息的信号线（双向、三态） 。数据总线是双向三态总线，即数据既可以从 CPU
6、 送到其它部件，也可以从其它部件传送给CPU，数据总线的位数和处理器的位数相对应。控制总线(Control Bus)控制总线是用来传送控制信号的一组总线。这组信号线比较复杂，由它来实现 CPU 对外部功能部件（包括存储器和 I/O 接口）的控制及接收外部传送给CPU 的状态信号，不同的微处理器采用不同的控制信号。控制总线的信号线，有的为单向，有的为双向或三态，有的为非三态，取决于具体的信号线。4. 微处理器的内部结构与基本功能(1)概述微处理器的内部结构受大规模集成电路制造工艺的严格约束，表现为芯片的面积不能过大，芯片引脚的数量也不能过多。因此，通用微处理器的内部结构及其同外部电路的连接方式，
7、都有比较严格的规定。微处理器外部一般采用上述三总线结构；内部则采用单总线即内部所有单元电路都挂在内部总线上，分时享用。一个典型的 8 位微处理器的结构如图 1-4 所示，主要 包括以下几个重要部分：累加器，算术逻辑运算单元 (ALU)，状态标志寄存器，寄存器阵列，指令寄存器，指令译码器和定时及各种控制信号的产生电路。- 4 -图 1-4 典型 8 位微处理器结构(2) 累加器和算术逻辑运算部件累加器和算术逻辑运算部件主要用来完成数据的算术和逻辑运算。ALU有 2 个输入端和 2 个输出端，其中一端接至累加器，接收由累加器送来的一个操作数；另一端通过数据总线接到寄存器阵列，以接收第二个操作数。参
8、加运算的操作数在 ALU 中进行规定的操作运算，运算结束后，一方面将结果送至累加器，同时将操作结果的特征状态送标志寄存器。累加器是一个特殊的寄存器，它的字长和微处理器的字长相同，累加器具有输入输出和移位功能，微处理器采用累加器结构可以简化某些逻辑运算。由于所有运算的数据都要通过累加器，故累加器在微处理器中占有很重要的位置。(3) 寄存器阵列 通用寄存器组：可由用户灵活支配， 用来寄存参与运算的数据或地址信息。 地址寄存器：专门 用来存放地址信息的积存器。 指令指针 IP： 它的作用是 指明下一条指令在存储器中的地址。每取一个指令字节，IP 自动加 1，如果程序需要转移或分支，只要把转移地址放入
9、 IP 即可。 变址寄存器 SI， DI： 变址寄存器的作用是 用来存放要修改的地址，也可以用来暂存数据。 堆栈指示器 SP： 用来指示 RAM 中堆栈栈顶的地址。 SP 寄存器的内容随着堆栈操作的进行，自动发生变化。(4) 指令寄存器，指令译码器和定时及各种控制信号的产生电路指令寄存器(Instruction Register，IR)用来存放当前正在执行的指令代码；指令译码器 ID(Instruction Delocler)用来对指令代码进行分析、译码，根据指- 5 -令译码的结果，输出相应的控制信号；时序逻辑产生出各种操作电位、不同节拍的信号、时序脉冲等执行此条命令所需的全部控制信号。(5
10、) 内部总线和总线缓冲器内部总线把 CPU 内各寄存器和 ALU 连接起来，以实现各单元之间的信息传送。内部总线分为内部数据总线和地址总线，它们分别通过数据缓冲器和地址缓冲器与芯片外的系统总线相连。缓冲器用来暂时存放信息(数据或地址)，它具有驱动放大能力。二、 微机系统的工作过程我们已经介绍了微型计算机的组成及系统结构，并且分析讨论了作为微型计算机核心部件的 CPU 的内部结构，在这一基础上，讨论微型计算机系统的工作过程，是本课程的核心内容。1程序存储及程序控制的基本概念(1)计算机工作过程的实质计算机之所以能在没有人直接干预的情况下，自动地完成各种信息处理任务，是因为人们事先为它编制了各种工
11、作程序，计算机的工作过程，就是执行程序的过程。(2)程序存储程序是由一条条指令组合而成的，而指令是以二进制代码的形式出现的，把执行一项信息处理任务的程序代码，以字节为单位，按顺序存放在存储器的一段连续的存储区域内，这就是程序存储的概念。(3)程序控制计算机工作时，CPU 中的控制器部分，按照程序指定的顺序（由码段寄存器 CS 及指令指针寄存器 IP 指引） ，到存放程序代码的内存区域中去取指令代码，在 CPU 中完成对代码的分析，然后，由 CPU 的控制器部分依据对指令代码的分析结果，适时地向各个部件发出完成该指令功能的所有控制信号，这就是程序控制的概念，(4)冯诺依曼概念，程序存储及程序控制的概念，是由美籍匈牙利人冯诺依曼提出的，因此又称为冯诺依曼概念。简单地讲，微型计算机系统的工作过程是取指令(代码)分析指令(译码)执行指令的不断循环的过程。具体工作过程见教材 P7P10 。微机系统的组成、结构和工作过程是微机原理这门课程的核心内容，- 6 -是进一步深入学习相关内容的必要的基础知识，希望大家要认真对待。习题与思考：1微型计算机系统有哪些功能部件组成？它们各自具有什么结构？采用什么样的结构？2试说明程序存储及程序控制的概念。3请说明微型计算机系统的工作过程。4试说明微处理器字长的意义。5什么是微处理器？什么是微型计算机？什么是微机系统？它们之间的关系如何？
