微型计算机原理及应用学习笔记 电子计算机概述

一、             电子计算机的发展简况
电子数字计算机（简称电子计算机）是一种能自动地、高速地进行大量运算的电子设备，它能通过对输入数据进行指定的数值运算和逻辑运算来求解各种计算问题，也能用来解决各种数据处理问题，是一种自动信息处理工具。
 
1946年2月，美国宾夕法尼亚大学的 ENIAC（ Electronic  Numerical  Integrator  and  Calculator，电子数值积分器和计算 器）开始运行，这就是世界上第一台电子数字计算机。 
 
从电子计算机主机所使用的主要元器件的性质着手，电子计算机的发展经历了四代的变迁。
 第一代——电子管计算机。早已被淘汰。
第二代——晶体管计算机。目前也已被淘汰。
第三代——集成电路计算机。以中、小规模集成电路为主要器件，采用半导体存储器取代磁芯存储器。运算速度达每秒几十万次到  几百万次。特点是运算精度高、存储器容量大，可存储几万到几十万个数据和指令，体积进一步缩小，稳定性好。
第四代——大规模和超大规模集成电路计算机。运算速度可达每秒几千万次到上亿次。其特点是精度更高、存储容量更大、稳定性更好、80年代初以个人计算机为代表的微型计算机问世以来，得到迅速发展，目前已成为计算机工业的主流产品。
  
二、             电子计算机硬件的主要组成部分
 电子计算机系统由硬件（Hardware）和软件（Software）组成。
按经典的定义，电子计算机的硬件系统由五部分组成，如图1．l所示。
     
                

图1．1计算机硬件的主要组成
由图1－1可见，计算机硬件的组成部分是：运算器、控制器、存储器、 输人设
备和输出设备，其中运算器和控制器合称中央处理机（或称中央处理 单元），简称CPU（CentralP。ssiflg Unit）。 CPU与存储器合称主 机。输人设备和输出设备合称外部设备。
（一）   输入设备          
向主机送入信息（数据、程序以及各种字符信息）的设备，是“人一机 联系”的主要设备。输人设备对电子计算机而言是必不可少的，否则，人的意图、原始数据等都无法进入计算机，常用的输入设备有键盘、鼠标器、数字化仪、光笔、扫描仪以及数字照相机等。               
（二）   存储器
计算机之所以能够自动地、高速地进行各种复杂的运算，其原因之一是它能把算题所需的各种数据和程序事先存放在一个记忆装置中，这个记忆装置就是存储器。 存储器的功能是存储程序和数据以及中间结果，在运算和处理过程中由存储器快速提供给运算器进行加工处理。这就是“程序存储”的工作方式。
在电子数字计算机中，不论是数据还是程序都是用二进制数（0或1）表示的，称为代码，把代码存入存储器称为“写人”（简称“写”或“存”）， 把代码从存储器中取出称为读出（简称“读”或“取”）。对存储器的读写操作又称为存取或访问（Access）。     
存储器通常分为内存储器（简称“内存”）和外存储器（简称“外存”）两类。内存设置在主机内部，用来存放当前运行所需要的程序和数据，以便向中央处理机高速传送信息。内存一般容量较小，但存取速度较高，它由半导体存储器组成。而外存设置在主机外部，用来存放当前暂不参加运算的大量数据，在需要时可与内存成批交换数据。外存容量较大，但存取速度较低。 常用的外存储器有磁盘（包括硬磁盘和软磁盘）、磁带和光盘等。内存储器又称为主存储器（简称主存），外存储器又称辅助存储器（又称辅存）。   
（三）   运算器
运算器是直接完成各种算术、逻辑运算的部件，主要由 ALU（Arithmetic and Logic Unit，算术逻辑部件）、通用寄存器、标志寄存器等组成。  
（四）   控制器
控制器的主要功能是：①在控制器的控制下，将程序和原始数据送人内存；②控制运算器和内存等部件实现自动运算和处理，并将结果送到输出设备；③控制内存与外存之间的信息交换；④控制随机事件的处理。
输出设备
输出设备是接收主机输出的信息（计算机工作的中间结果或最终结果），并把它显示出来的设备。常用的输出设备有打印机、显示器、自动绘图机等。
计算机的内部工作就是这两种信息流的流动和相互作用的过程，如图1－1所示。
  
三、  微型计算机概述  
（一）   微处理器、微型计算机和微型计算机系统
    
1．定义
微处理器是指由大规模集成电路构成的中央处理器。
微型计算机（Microcomputer，μC）是指以微处理器为基础，配以内存储器以及输入/   输出（I／O）接口电路和相应的辅助电路而构成的裸机。
微型计算机系统（Microcornputer System，μCS）是指由微型计算机配以相应的外部   设备（如打印机、显示器、磁盘机、磁带机和键盘等），足够的软件、电源、面板和机架而构成的计算机系统。
 
微处理器、微型计算机与微型计算机系统三者的关系如下：

 2．位、字节、字和双字   
下面介绍在计算机中常用的几个术语。
（1）位——bit，是计算机表示一个二进制数的最基本的、也是最小的单位。bit是Bi nary Digit的缩写。   
（2）字节——Byte，一字节等于8位（bit）二进制数。
（3）字一Word, CPU中运算器处理信息的基本单位，通常也指CPU 与输入输出设备和内存储器之间往传送数据的基本单位，即数据总线的宽度。微型计算机（或微处理器） 的字长有1位、4位、8位、16位和32位（对应于1位机、4位机、8位机、16位机和 32位机）等。
 
（二）   微处理器发展筒况
微处理器问世于70年代初，在短短的30年中，经历了四代的发展，正步入第五代。
（1）第一代。 从1971年开始，这是4位微处理器和低档8位微处理器的时期，其典型产品为：
    4004（4位微处理器）；  8008（8位微处理器），集成度为2000个管子／片，采用 P- MOS工艺， 。
（2）第二代。 以1973年开始，这是8位微处理器的时期，其典型产品为：
    8080；   MC6800。这两种芯片是中档的8位微处理器。  Z80CPU， 8085。这两种是高档的8位微处理器。其中Intel 8080的集成度力5400 个管子/片，采用 N－MOS工艺， 。
（3）第三代。从1978年开始，这是16位微处理器的时期，其典型产品为：
 8086；  Z8000；  MC68000，其集成度为68000 个管子／片，采用 H- MOS工艺， 。
（4）第四代。从1981年开始是32位微处理器的时期，其典型产品为：
  Z80000； 68020，集成度为17万管子／片，采 用 CHMOS工艺， 80386， 集成度为 27．5万 管子／片，采用 CHMOS工艺， 。
 自 Intel 80386芯片推出以来，又出现了许多高性能的 32位 微处理器，如 MC68030， 68040以及 Intel的 80486，Pentium（奔腾、P5），Pentium Pro （高能奔腾、P6），Pentium MMX（多能奔腾），Pentium Ⅱ （奔腾Ⅱ 、PⅡ）和Pentiuum Ⅲ  （奔腾Ⅲ  、 P Ⅲ ）。     
单片机、单板机、个人计算机和工程工作站  
1．单片机
单片机又称为“微控制器”（Microcontroller）和“嵌入式计算机” （Embedded Computer）。 这是一种把构成一台微型机的功能部件集成在一块芯片之中的计算机，这些功能部件包括 微处理器、RAM、ROM（有的单片机中不包括ROM）、I／O 接口电路、定时器/计数器等，有的单片机甚至还包括 A/D（模拟量／数字量）转换器和 D／A（数字量/模拟量）转 换器。单片机的体积小、功耗低，在智能化仪器仪表及控制领域应用极广。   
2． 单板机
将微处理器、RAM、ROM以及I／O 接口电路，再配上相应的外设（小键盘、发光2 极管显示器）和监控程序固件等，安装在一块印刷电路板上构成的微型计算机系统称为单板机。       
3．个人计算机（Personal Computer,PC）
  个人计算机是一种通用的微型计算机系统，通常由主机箱（包括主板、软盘驱动器、 硬盘驱动器、CD—ROM和电源）、键盘、显示器以及打印机等外部设备组成，其特点是价格低、性能好、体积小，可广泛应用于办公室和家庭使用。     
4．工程工作站（Engineering Work Station，EWS）  
工程工作站是一种微型化的功能很强的计算机系统，简称为“工作站”，它的运行速度快、内存容量大，图形和图像处理能力强，外设接口能力强，易于联网，适合于进行较复杂的科学和工程计算。
计算机系统的主要性能指标   
（一）字长
计算机的字长是指CPU内的运算器处理信息的基本单位即，一次能处理二进制信息的位数，亦即CPU内部寄存器、内部数据总线等部件的宽度，通常也指CPU与输入/输出设备或内存储器之间一次传送二进制数据的位数。
（二）运算速度
运算速度是以计算机每秒钟能执行多少条指令来表示的，用以衡量计算机运算的快慢程度。
（三）主频
主频是指计算机工作时，CPU的时钟频率。其单位为MHz（1MHz=106Hz），是计算机工作的时间基准，用来协调整机的操作。主频的高低在很大程度上决定了计算机的运算速度，  Pentium Pro的主频为 133～200MHz，而最近推出的 P Ⅲ 的主频高达 733MHz。
（四）存储容量
存储容量是衡量计算机系统中存储器的存储能力的一个指标，包括内存（主存）容量和外存（辅存）容量。
内存容量以字节为单位，分为装机容量（实际容量）和最大容量。 8086系统的地址总线为20位，内存最大容量为1MB（MB为兆字节，1024 X 1024字节）；80286系统的地址总线为24位，内存最大容量为16MB；而80386／80486系统地址总线为32位，内存最大容量为4GB（GB为千兆字节，吉字节，10243字节）。
（五）设备的配置   
外设的配置也是衡量一台计算机系统综合性能的重要指标，包括`两方面的内容：一个 是允许配置的外设数量，一般所配置的外设越多，系统功能越强；另一个是外设接口的标准和类型，接口性能的好坏直接影响系统的功能。
（六）软件的配置
软件和硬件是计算机系统中的两个主要组成部分，软件配置情况直接影响晌计算机系统的使用和性能的发挥。