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1、第第1章章 微机系统概述微机系统概述本章学习重点本章学习重点p了解微机系统的发展了解微机系统的发展p了解微机体系结构的概念了解微机体系结构的概念p认识大中型计算机系统的典型结构认识大中型计算机系统的典型结构p了解常用的微机性能指标了解常用的微机性能指标p了解微机性能评价技术了解微机性能评价技术p了解微机的使用环境了解微机的使用环境1.1 微机系统及其发展微机系统及其发展1.1.1 1.1.1 微机系统的基本概念微机系统的基本概念p微型计算机是由运算器、控制器、存储器、输微型计算机是由运算器、控制器、存储器、输入设备以及输出设备五大部分组成的。入设备以及输出设备五大部分组成的。p把运算器和控制器
2、合称为中央处理器（把运算器和控制器合称为中央处理器（CPUCPU）。）。p中央处理器和内存储器则合称为主机。中央处理器和内存储器则合称为主机。p输入设备、输出设备和外存储器统称为外围设输入设备、输出设备和外存储器统称为外围设备，简称外设。备，简称外设。1.1 微机系统及其发展微机系统及其发展1.1.微处理器微处理器 微处理器是一个由算术逻辑运算单元、控制器单元、寄微处理器是一个由算术逻辑运算单元、控制器单元、寄存器组以及内部系统总线等单元组成的大规模集成电路存器组以及内部系统总线等单元组成的大规模集成电路芯片，通常又简称为芯片，通常又简称为CPUCPU。2.2.微型计算机微型计算机 微型计算机
3、是以微处理器芯片为核心，配上内存芯片、微型计算机是以微处理器芯片为核心，配上内存芯片、I/OI/O接口电路以及输入设备、输出设备、磁盘设备以及接口电路以及输入设备、输出设备、磁盘设备以及电源机箱等部件构成的硬件装置，简称微型机或微机。电源机箱等部件构成的硬件装置，简称微型机或微机。3.3.微型计算机系统微型计算机系统 微型计算机系统是以微型计算机为主体，配上系统软件微型计算机系统是以微型计算机为主体，配上系统软件与应用软件组成的系统，简称微机系统。与应用软件组成的系统，简称微机系统。1.1 微机系统及其发展微机系统及其发展1.1.21.1.2微机系统的发展阶段微机系统的发展阶段微型计算机诞生于
4、微型计算机诞生于2020世纪世纪7070年代初，又简称微年代初，又简称微机。微型计算机与大、中、小型计算机是有区机。微型计算机与大、中、小型计算机是有区别的，其中主要在于微机的别的，其中主要在于微机的CPUCPU采用了大规模、采用了大规模、超大规模集成电路技术，而其他类型的计算机超大规模集成电路技术，而其他类型的计算机的的CPUCPU则是由相当多的分离元件电路或集成电路则是由相当多的分离元件电路或集成电路所组成。所组成。1.1 微机系统及其发展微机系统及其发展 根据微处理器的字长和功能，微型计算机的发展大致可根据微处理器的字长和功能，微型计算机的发展大致可分为以下几个阶段：分为以下几个阶段：第
5、一阶段（第一阶段（1971 1971 1973 1973 年）是年）是 4 4 位和位和 8 8 位低档微处位低档微处理器时代，通常称为第一代。理器时代，通常称为第一代。p其典型产品是其典型产品是 Intel4004 Intel4004 和和 Intel8008 Intel8008 微处理器和分微处理器和分别由它们组成的别由它们组成的 MCS-4 MCS-4 和和 MCS-8 MCS-8 微机。微机。p基本特点是采用基本特点是采用 PMOS PMOS 工艺，集成度低，系统结构和指工艺，集成度低，系统结构和指令系统都比较简单。令系统都比较简单。图图1-1 1-1 第一台微处理器第一台微处理器In
6、tel 4004Intel 4004的内外部结构的内外部结构1.1 微机系统及其发展微机系统及其发展第二阶段（第二阶段（1974 1974 1977 1977 年）是年）是8 8位中高档微处理器时代，通常位中高档微处理器时代，通常称为第二代。称为第二代。p其典型产品是其典型产品是 Intel8080/8085 Intel8080/8085、Motorola Motorola 公司的公司的 MC6800 MC6800、ZilogZilog 公司的公司的 Z80 Z80 等，以及各种等，以及各种 8 8 位单片机。位单片机。p特点是采用特点是采用 NMOS NMOS 工艺，集成度提高约工艺，集成度
7、提高约 4 4 倍，运算速度提高约倍，运算速度提高约 1010-15 15 倍，指令系统比较完善倍，指令系统比较完善。图图1-2 1-2 第一台微型计算机第一台微型计算机Altair 8800Altair 88001.1 微机系统及其发展微机系统及其发展第三阶段第三阶段（1978 1978 1984 1984 年）年）是是1616微处理器时代微处理器时代,通常通常称为第三代称为第三代。p其典型产品是其典型产品是 Intel Intel 公司的公司的 8086/8088 8086/8088、80286 80286，Motorola Motorola 公司的公司的 M68000 M68000，Zi
8、logZilog 公司的公司的 Z8000 Z8000 等微等微处理器。处理器。p其特点是采用其特点是采用 HMOS HMOS 工艺，集成度（工艺，集成度（20000-70000 20000-70000 晶体晶体管管/片）和运算速度（基本指令执行时间是片）和运算速度（基本指令执行时间是 0.5s 0.5s）都）都比第二代提高了一个数量级。指令系统更加丰富、完善，比第二代提高了一个数量级。指令系统更加丰富、完善，采用多级中断、多种寻址方式、段式存储机构、硬件乘采用多级中断、多种寻址方式、段式存储机构、硬件乘除部件，并配置了软件系统。除部件，并配置了软件系统。1.1 微机系统及其发展微机系统及其发
9、展第四阶段（第四阶段（1985 1985 1992 1992 年）是年）是 32 32 位微处理器时代，位微处理器时代，又称为第四代。又称为第四代。p其典型产品是其典型产品是 IntelIntel公司的公司的 80386/80486 80386/80486，Motorola Motorola 公司的公司的 M68030/68040 M68030/68040 等。等。p其特点是采用其特点是采用 HMOS HMOS 或或 CMOS CMOS 工艺，集成度高达工艺，集成度高达 100 100 万万晶体管晶体管/片，具有片，具有 32 32 位地址线和位地址线和 32 32 位数据总线。每秒位数据总线
10、。每秒钟可完成钟可完成 600 600 万条指令（万条指令（MIPS MIPS，Million Million Instructions Per Second Instructions Per Second）。）。1.1 微机系统及其发展微机系统及其发展第五阶段（第五阶段（1993 1993 年以后）是奔腾（年以后）是奔腾（Pentium Pentium）系列微）系列微处理器时代，通常称为第五代。处理器时代，通常称为第五代。p典型产品是典型产品是 Intel Intel 公司的奔腾系列芯片及与之兼容的公司的奔腾系列芯片及与之兼容的 AMD AMD 的的 K6 K6 系列微处理器芯片。内部采用了
11、超标量指令系列微处理器芯片。内部采用了超标量指令流水线结构，并具有相互独立的指令和数据高速缓存。流水线结构，并具有相互独立的指令和数据高速缓存。等。等。p其特点为该微处理器是高档其特点为该微处理器是高档3232位微处理器；微处理器芯位微处理器；微处理器芯片集成度达片集成度达28002800万管万管/片；时钟主频高达片；时钟主频高达2GHz2GHz或更高；支或更高；支持多用户多任务操作系统。持多用户多任务操作系统。1.2微机体系结构微机体系结构1.2.11.2.1系统结构概念系统结构概念p计算机系统结构也可称为计算机体系结构计算机系统结构也可称为计算机体系结构,即计即计算机的概念性结构和功能特性
12、。它的主要任务算机的概念性结构和功能特性。它的主要任务是研究软件、硬件功能分配和对软硬件界面的是研究软件、硬件功能分配和对软硬件界面的确定。确定。p不同程序员所看到的计算机有不同的属性。不同程序员所看到的计算机有不同的属性。p在层次结构的各个级上都有它的体系结构。在层次结构的各个级上都有它的体系结构。1.2微机体系结构微机体系结构1.2.21.2.2微机组成和系统结构微机组成和系统结构区分微机组成和微机系统结构这两个基本概念区分微机组成和微机系统结构这两个基本概念:p微机系统结构是指那些能够被程序员所见到的微机的属微机系统结构是指那些能够被程序员所见到的微机的属性，即概念性的结构与功能特性，通
13、常是指用机器语言性，即概念性的结构与功能特性，通常是指用机器语言编程的程序员（包括汇编程序设计者）所看到的传统机编程的程序员（包括汇编程序设计者）所看到的传统机器的属性不同程序员所看到的计算机有不同的属性。器的属性不同程序员所看到的计算机有不同的属性。p微机组成是微机系统结构的逻辑实现，包括机器内部的微机组成是微机系统结构的逻辑实现，包括机器内部的数据的组成以及逻辑设计等，指如何实现微机体系结构数据的组成以及逻辑设计等，指如何实现微机体系结构所体现的属性，它包含了许多对程序员来说是透明的硬所体现的属性，它包含了许多对程序员来说是透明的硬件细节。件细节。1.2微机体系结构微机体系结构1.2.21
14、.2.2微机组成和系统结构微机组成和系统结构了解系列机和兼容机的概念，对选择何种微机也了解系列机和兼容机的概念，对选择何种微机也是非常有帮助的是非常有帮助的:p系列机是指一个厂家生产的、具有相同的系统系列机是指一个厂家生产的、具有相同的系统结构但具有不同组成和实现的一系列不同型号结构但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。的机器。p兼容机是指不同厂家生产的、具有相同系统结兼容机是指不同厂家生产的、具有相同系统结构的微机，它的思想与系列机是一致的。构的微机，它的思想与系列机是一致的。1.2微机体系结构微机体系结构1.2.3 1.2.3 大中型微机系统的典型结构大中型微机系统的典型结构大中型微
15、机系统的设计目标主要在于系统功能的扩大与效率的提高。图大中型微机系统的设计目标主要在于系统功能的扩大与效率的提高。图1-1-3 3所示是大、中型微机系统的典型结构。在系统连接上分为四级：主机、所示是大、中型微机系统的典型结构。在系统连接上分为四级：主机、通道、设备控制器和外部设备。通道、设备控制器和外部设备。图图1-3 1-3 大、中型微机系统的典型结构大、中型微机系统的典型结构1.3微机性能指标微机性能指标1.3.1 1.3.1 微机的主要性能指标微机的主要性能指标一台微型计算机功能的强弱或性能的好坏，不是一台微型计算机功能的强弱或性能的好坏，不是由某项指标来决定的，而是由它的系统结构、由某
16、项指标来决定的，而是由它的系统结构、指令系统、硬件组成、软件配置等多方面的因指令系统、硬件组成、软件配置等多方面的因素综合决定的。主要性能指标有以下几个：素综合决定的。主要性能指标有以下几个：p字长字长计算机的字长越长，计算机的功能就越强，运算精度越高。常见的计算机的字长越长，计算机的功能就越强，运算精度越高。常见的计算机字长有计算机字长有8 8位、位、1616位、位、3232位和位和6464位。位。p主频率主频率 运算速度是计算机的主要性能指标。主频率就是描述运算速度的重运算速度是计算机的主要性能指标。主频率就是描述运算速度的重要参数。要参数。1.3微机性能指标微机性能指标p存储容量存储容量
17、 存储容量是指一个功能完备的存储器能存储的二进制形式信息的最存储容量是指一个功能完备的存储器能存储的二进制形式信息的最大数量，度量单位是位、字节、大数量，度量单位是位、字节、KBKB、MBMB和和GBGB。p数据传输速率数据传输速率数据传输速率是指在单位时间内主机与外设之间交换信息的数量。数据传输速率是指在单位时间内主机与外设之间交换信息的数量。度量单位是度量单位是“位位/秒秒”或或“字节字节/秒秒”。p兼容性兼容性计算机的软件兼容性是指一台计算机上的程序不加任何修改可在另计算机的软件兼容性是指一台计算机上的程序不加任何修改可在另一台计算机上正确运行的特性。一台计算机上正确运行的特性。p外设扩
18、展能力外设扩展能力 一台微型计算机可配置外部设备的数量以及配置外部设备的类型，一台微型计算机可配置外部设备的数量以及配置外部设备的类型，对整个系统的性能有重大影响。对整个系统的性能有重大影响。p软件配置情况软件配置情况 软件配置情况直接影响微型计算机系统的使用和性能的发挥。通常软件配置情况直接影响微型计算机系统的使用和性能的发挥。通常应配置的软件有：操作系统、计算机语言以及工具软件等应配置的软件有：操作系统、计算机语言以及工具软件等 1.3微机性能指标微机性能指标 目前常用的性能评价技术有：测量技术、模型技术和分析技术目前常用的性能评价技术有：测量技术、模型技术和分析技术.1 1测量技术测量技
19、术p测测量量是是最最基基本本、最最重重要要的的系系统统性性能能评评价价手手段段。测测试试设设备备向向被被测测设设备备输输入入一一组组测测试试信信息息并并收收集集被被测测设设备备的的原原始始输输出出，然然后后进进行行选选择择、处处理理、记记录录、分分析析和和综综合合，并且解释其结果。并且解释其结果。p测量工具分硬件工具和软件工具两类。测量工具分硬件工具和软件工具两类。p硬硬件件监监测测工工具具的的监监测测精精度度和和分分辨辨率率高高，对对系系统统干干扰扰少少；软件监测工具则灵活性和兼容性好，适用范围广。软件监测工具则灵活性和兼容性好，适用范围广。1.3微机性能指标微机性能指标2 2模拟技术模拟技
20、术 p在在系系统统的的设设计计、优优化化、验验证证和和改改进进（如如功功能能升升级级）过过程程中中，不不可可能能或或不不便便于于采采用用测测量量方方法法和和分分析析方方法法时时，可可以以构构造造模模拟拟模模型型来来近近似似目目标标系系统统，进进而而了了解解目目标标系系统的特性。统的特性。p模模拟拟模模型型包包括括系系统统模模型型和和工工作作负负载载(环环境境)模模型型。系系统统模模型型和和工工作作负负载载模模型型是是相相互互联联系系和和相相互互影影响响的的，它它们们采用程序语言描述。采用程序语言描述。p模模拟拟模模型型建建立立后后，需需要要检检验验它它的的合合理理性性、准准确确度度等等，还还要
21、要设设计计模模拟拟试试验验,对对感感兴兴趣趣的的输输出出值值进进行行统统计计分分析析、误差分析等数据处理。误差分析等数据处理。1.3微机性能指标微机性能指标3 3分析技术分析技术p可可为为计计算算机机系系统统建建立立一一种种用用数数学学方方程程式式表表示示的的模模型型，进进而而在在给给定定输输入入条条件件下下通通过过计计算算获获得得目目标系统的性能特性。标系统的性能特性。p可可以以应应用用排排队队论论来来描描述述计计算算机机系系统统中中的的这这类类现现象。象。p计计算算机机系系统统的的分分析析模模型型一一般般是是某某种种网网状状的的排排队队系系统统，求求解解往往往往是是困困难难的的。有有些些复
22、复杂杂的的计计算算机机系系统统要要建建立立它它的的分分析析模模型型就就很很困困难难。因因此此分分析析技术的应用是有局限性的。技术的应用是有局限性的。1.4微机使用环境微机使用环境 微机同其它仪器设备一样，对使用环境有一定的要求。微机同其它仪器设备一样，对使用环境有一定的要求。为保证微机系统可靠、稳定运行，减少故障，延长使为保证微机系统可靠、稳定运行，减少故障，延长使用寿命，有关微机的使用环境及日常维护要注意以下用寿命，有关微机的使用环境及日常维护要注意以下事项：事项：1.1.交流电源的影响交流电源的影响 微机设备对电网电压的允许范围一般是微机设备对电网电压的允许范围一般是180V-230V18
23、0V-230V，电源电压过低会使机器自动保护，但如果电压超过电源电压过低会使机器自动保护，但如果电压超过230V230V，则容易造成微机电源的损坏，这时则要有选择，则容易造成微机电源的损坏，这时则要有选择地使用稳压电源。交流电源对计算机的影响大致有两地使用稳压电源。交流电源对计算机的影响大致有两方面：方面：p电源掉电电源掉电 交流电源突然掉电对计算机影响最大，那怕是几秒钟，几个周交流电源突然掉电对计算机影响最大，那怕是几秒钟，几个周波，轻者丢失内存的数据和程序，重者可使某些硬件损坏。波，轻者丢失内存的数据和程序，重者可使某些硬件损坏。1.4微机使用环境微机使用环境 p电网噪声和瞬变电压电网噪声
24、和瞬变电压电网上也会存在电压噪声，这些噪声分为周期性的和非周期性电网上也会存在电压噪声，这些噪声分为周期性的和非周期性 的。周期性噪声可能由负载开关补偿电容开关不良引起的。周期性噪声可能由负载开关补偿电容开关不良引起;非周期非周期性噪声可能是一种变电压或电压闪动、雷电、重型设备的开动引性噪声可能是一种变电压或电压闪动、雷电、重型设备的开动引起起;特别是接地不良也是产生瞬变电压的原因。特别是接地不良也是产生瞬变电压的原因。2 2地线系统的影响地线系统的影响 地线可分为工作地和保护地两大类。工作地可分为交流地和直地线可分为工作地和保护地两大类。工作地可分为交流地和直流地两类。关于接地电阻及相互关系
25、规定为流地两类。关于接地电阻及相互关系规定为:交流工作地的接地交流工作地的接地电阻不宜大于电阻不宜大于4040，安全保护地的接地电阻不应大于，安全保护地的接地电阻不应大于4040。计算机系。计算机系统直流地电阻大小，应根据不同计算机系统的要求而定。统直流地电阻大小，应根据不同计算机系统的要求而定。1.4微机使用环境微机使用环境3 3温度的影响温度的影响 温度对计算机工作的稳定性、可靠性影响很大。要使热量从发热温度对计算机工作的稳定性、可靠性影响很大。要使热量从发热源向周围环境散发，必须使环境温度低于机内温度，并保持一定源向周围环境散发，必须使环境温度低于机内温度，并保持一定的差值。高温除了对电
26、路可靠性有直接影响外，对精密机械、对的差值。高温除了对电路可靠性有直接影响外，对精密机械、对介质都有不良影响。如磁盘驱动器，不仅对温度有严格规定，对介质都有不良影响。如磁盘驱动器，不仅对温度有严格规定，对温度变化的梯度也有一定限制。工作环境的温度应保持在温度变化的梯度也有一定限制。工作环境的温度应保持在15 15 3535之间。之间。4 4湿度的影响湿度的影响 和温度一样，相对湿度对计算机的可靠性及寿命有直接影响。计和温度一样，相对湿度对计算机的可靠性及寿命有直接影响。计算机要求环境的相对湿度在算机要求环境的相对湿度在20%20%80%80%之间，才可以保障计算之间，才可以保障计算机的正常工作
27、。机的正常工作。1.4微机使用环境微机使用环境5 5静电的影响静电的影响 在空气过于干燥的情况下，静电荷可能积累成很高的电位差，破在空气过于干燥的情况下，静电荷可能积累成很高的电位差，破坏坏MOSMOS芯片的电性能，使电路工作不稳定。静电还破坏已经记录芯片的电性能，使电路工作不稳定。静电还破坏已经记录在介质上的信息、吸附尘埃，并转移到磁头上，造成读写操作错在介质上的信息、吸附尘埃，并转移到磁头上，造成读写操作错误。人体带有静电，用手接触电路板时，也可能损坏电路板。误。人体带有静电，用手接触电路板时，也可能损坏电路板。6 6尘埃的影响尘埃的影响造成接插件的接触不良；降低发热元器件的散热效率；造成
28、接插件的接触不良；降低发热元器件的散热效率；造成绝缘不良；增加机械磨损，尤其对软盘、磁带不造成绝缘不良；增加机械磨损，尤其对软盘、磁带不仅会使读出写入信息出错，还会划伤盘片和带基，甚仅会使读出写入信息出错，还会划伤盘片和带基，甚至损坏磁头。所以计算机不用时最好用防尘罩盖好。至损坏磁头。所以计算机不用时最好用防尘罩盖好。1.4微机使用环境微机使用环境7 7微机的日常维护微机的日常维护 进行预防性的日常维护和定期维护。所谓预防性维护，指定期进行预防性的日常维护和定期维护。所谓预防性维护，指定期或不定期对系统及设备作例行的测试、检查，保持设备的清洁等。或不定期对系统及设备作例行的测试、检查，保持设备
29、的清洁等。预防性维护可分日维护、月维护及年维护等几级，维护内容应根预防性维护可分日维护、月维护及年维护等几级，维护内容应根据不同设备情况和环境条件制定。据不同设备情况和环境条件制定。8.8.软件维护软件维护 除了硬件维护外，微机还需要定期或不定期进行软件维护，以保除了硬件维护外，微机还需要定期或不定期进行软件维护，以保证系统的可靠运行。因微机在长时间的使用过程中，由于各种原证系统的可靠运行。因微机在长时间的使用过程中，由于各种原因，可能会使系统文件破坏，可定期检查程序运行日志。因，可能会使系统文件破坏，可定期检查程序运行日志。第第1章章 微机系统概述微机系统概述本章小结本章小结 本章首先介绍了
30、微机系统的基本概念，微处理器的本章首先介绍了微机系统的基本概念，微处理器的发展以及引起的微机系统的革新过程。继而介绍了微机发展以及引起的微机系统的革新过程。继而介绍了微机系统机构的概念，微机组成与微机体系结构的区别，和系统机构的概念，微机组成与微机体系结构的区别，和大中型计算机系统的典型结构为下一章的计算机组成和大中型计算机系统的典型结构为下一章的计算机组成和工作原理奠定了基础。本章还讨论了微机的主要性能指工作原理奠定了基础。本章还讨论了微机的主要性能指标及性能评价的技术。最后为大家介绍了微机的使用环标及性能评价的技术。最后为大家介绍了微机的使用环境，主要强调了硬件方面的因素。境，主要强调了硬件方面的因素。