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微型计算机系统概述

1 微处理器与微型计算机的发展及应用

微处理器（Microprocessor，缩写μ P ） \mu P）μP）一般指的是由一片或几片大规模集成电路芯片组成的中央处理部件（Central Processing Unit，俗称 CPU ）。

微型计算机（Microcomputer，缩写μ C \mu CμC）属于硬件裸机，它以微处理器为基础，由微处理器、存储器、输入/输出（I/O）接口电路，以及用于各部件互连的系统总线共同构成。

1.1 微处理器的发展

Pentium之后还发展出了其他型号，例如Pentium Pro、Pentium D、Core i3等，感兴趣的可以自行了解，在此不做赘述。

1.2 微型计算机的应用

微型计算机具有功能强、产量大、体积小、价格便宜、性能可靠、适应性强等特点，其应用已渗透到国民经济的各个领域。主要是在科学与工程计算、数据处理和信息加工、实时控制、计算机辅助设计、智能模拟等方面。

2 微型计算机系统的组成

微型计算机系统（Microcomputer System，缩写μ C S \mu CSμCS）由硬件系统和软件系统两大部分组成。

硬件系统是指构成微机系统的物理实体，包括微型计算机、外围设备和电源。

如果把上述各部件集成到一块芯片上，由这块芯片构成一台计算机，则称之为单片计算机；如果把这些部件安装在一块印制电路板上组成一台计算机，则称之为单板计算机；如果把处理器、存储器、I/O接口电路等部件安装在不同的印制电路板上，则称之为多板计算机。

软件系统是微机所使用的各种软件的集合，包括系统软件、各种程序设计语言、应用软件和数据库等。

系统软件中最为典型的是操作系统，其作用是管理整个微机、提供人机接口以及充分发挥机器效率。程序设计语言包括机器语言、汇编语言和高级语言。应用程序是系统用户为解决特定问题而设计或购买的程序。微机需要处理大量数据、建立大量表格，对这些数据和表格按照一定形式组织起来，则建立了数据库。

3 微型计算机的典型结构及工作原理

3.1 微机硬件系统连接

微机的核心部件CPU是靠3组总线把存储器和I/O接口连接起来的，如图1-1所示。

图1-1 微机硬件系统连接图

总线是用于进行信息传递的公共信号线，包括数据总线、地址总线和控制总线。微处理器、存储器和所有I/O设备之间的信息交换都通过总线进行。

数据总线DB（Data Bus）用于传送数据信息，其位数与处理器字长相等，例如8位微机的数据总线有8条。

地址总线AB（Address Bus）用于传送地址信息，是微处理器用来寻址存储单元或I/O接口的总线，其位数决定微处理器可寻址的存储器容量范围。例如地址总线位数是16，则可寻址的存储器容量范围是2 16 2^{16}216字节。

控制总线CB（Control Bus）控制总线是系统中控制信号的传输线，其中有微处理器送往存储器和外围设备的输出控制信号，如读、写、访问请求信号等，也有外设通过接口反馈给微处理器的输入控制信号，如中断信号、总线请求信号、等待信号等。

上述地址线、数据线和控制线是计算机系统内各功能模块（如 CPU、内存、I/O 接口等）之间相互连接的总线，称系统总线，又称板间总线或片内总线。

3.2 存储器组织

存储器用来存放数据和程序。程序是计算机操作的依据，数据是计算机操作的对象，它们都用二进制代码的形式表示，存放在存储器中。存储器由存储体、地址寄存器、地址译码器、数据缓冲器以及控制电路组成，存储器结构如图1-2所示。

图1-2 存储器结构图

存储器由多个存储单元组成，每个存储单元存放一个数据或一条指令。每个存储单元有唯一的编址，可以是按字编址或按字节编址，微机通常是按字节编址，每个存储单元宽度为1个字节，即8位。

如图1-2所示，当 CPU 要对存储器进行读操作时， CPU 通过 16 条地址总线将存储单元的地址送入地址寄存器，再经地址译码器译码后，寻找到指定的存储单元。CPU 再发来读信号 RD，将其中存放的位数据读出到数据缓冲器，然后通过数据总线输入到 CPU 中。

当 CPU 要对存储器进行写操作时，除了和读操作一样，由 CPU 发来 16 个地址信号从而寻找到指定的存储单元外， CPU 还通过数据总线把要写入的 8 位数据送到数据缓冲器，在写信号 WR 作用下，把数据写入到所指定的存储单元。要注意的是，写入操作破坏了该单元原来存储的内容，即由新内容代替了原来存储的内容。

3.3 微处理器组织

一个典型的 8 位微处理器的内部结构如图1-3所示。它主要由寄存器组、运算器、控制部件以及数据和地址缓冲器组成，各部件由片内总线相连接。

图1-3 微处理器内部结构图

3.4 微机工作过程

编程序时需要知道计算机提供的指令。每类 CPU 都有自己的指令系统，它包括计算机所能识别和执行的全部指令，通常有几十到上百条。

指令一般由操作码和操作数或操作数地址两部分组成，操作码指明指令要完成什么类型操作（例如，数的传送、加等），操作数即是操作对象，为了帮助记忆，用助记符来代表操作码，如 Z80CPU 中，数的传送用LD，加法用 ADD，暂停用 HALT。

微机的工作过程就是执行程序的过程。执行程序的过程，就是周而复始地从存储器取出指令、分析指令（译码）和执行指令的过程。

参考资料

[1] 许立梓. 微型计算机原理及应用[M]. 北京: 机械工业出版社.

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