第一章-微机基本组成与工作原理
前言
“微机组成与工作原理” 是电气信息类本科生教学的主要学科基础课之一，是自动控制、工业自动化、电气技术、电力系统及其自动化、自动化仪表等自动化类专业的一门重要的专业基础课，也是无线电类、机械类等其它许多非自动化类专业的一门专业基础课。
本课程紧密结合电气信息类的专业特点，围绕微型计算机原理和应用主题，以Intelx86CPU为主线，系统介绍微型计算机的基本知识、基本组成、体系结构和工作模式，从而使学生能较清楚的了解微机的结构与工作流程，建立起系统的概念。在此基础上，课程详细介绍了微机中的常用接口电路原理和应用技术，并对现代微机系统中涉及的总线技术、高速缓存技术、数据传输方法、高性能计算机的体系结构和主要技术作了简要分析。
课程通过课堂教学和一定量的实验教学相结合，使学生建立起“程序存储和程序控制”的牢固概念，培养学生进行微机扩展的应用能力和独立分析问题、解决问题的能力。通过系统的实践教学锻炼，使学生具有一定的软硬件开发能力，为未来的工作和后继课程的学习打下基础。
通过本课程的学习，使学生了解微型计算机系统的特点、工作原理和组织结构，建立起“程序存储和程
序控制”的牢固概念，掌握微型计算机接口技术的基本原理和方法，培养学生进行微机扩展的应用能力和独立分析问题、解决问题的能力。通过系统的实践教学锻炼，使学生具有一定的软硬件开发能力，为开发和应
用微型计算机系统打下良好的理论和实践基础。
第一章微机基本组成与工作原理
1．1 微型计算机概况
微型计算机属于第四代电子计算机产品，即大规模及超大规模集成电路计算机，是继承电路技术不断发展，芯片集成度不断提高的产物。
我们知道，主机按体积、性能和价格分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机五类，从其工作原理上来讲，微型机与其它几类计算机并没有本质上的差别。所不同的是由于微机采用了集成度较高的器件，使得其在结构上具有独特的特点，即将组成计算机硬件系统的两大核心部分—运算器和控制器，集成在一片集成电路芯片上，构成了整个微机系统的核心，称为中央处理器CPU，或者微处理器MPU。
在微处理器的基础上，可以进一步构成微型计算机、微型计算机系统。
微处理器即CPU,是微型机的主要核心部件,由运算器和控制器集成而成，构成微机的运算中心和控制中心。
微型计算机由微处理器、接口、I/O设备通过总线连接而成，是属于微机的硬件组成，必须配置上软件，才能发挥作用。
微型计算机系统由硬件和软件构成，硬件由微处理器、接口、I/O设备通过总线连接而成。软件由系统软件和应用软件构成。硬件是基础，软件是灵魂，计算机的功能只有在硬件基础上通过软件才能发挥。
微处理器、微型计算机、微型计算机系统的组成及相互关系见图1-1
。
图 1-1 微处理器、微型计算机、微型计算机系统构成图
1.1.2 微型计算机的分类
按照组装形式和系统规模，可以把微型计算机划分为单片机、单板机和个人计算机。
1.单片机
将CPU、部分存储器、部分I/O接口集成在一个芯片上，就构成单片机，见图1-2。
单片机
图1-2 单片机组成结构图
2.单板机
将CPU、存储器、I/O接口及部分I/O设备安装在一个印刷线路上,就构成了单板机。单板机主要用在过程控制中。单板机组成结构见图1-2。
图1-2 单板机组成结构图
3. 个人计算机PC
个人计算机PC：在主板上连接CPU、存储器、I/O接口，再配置上外设而成。PC个人计算机一词源自于1978年IBM的第一部桌上型计算机型号PC，在此之前有Apple II的个人用计算机。个人计算机能独立运行、完成特定功能。今天，个人计算机一词则泛指所有的个人计算机、如桌上型计算机、笔记型计算机、或是兼容于IBM系统的个人计算机等。 PC机与苹果机同属于微型计算机 ,但苹果机只是独家生产，而IBM公司却将其产品的各个模块组件的标准予以公布，从而其他公司可以根据这些接口标准生产具备兼容性的计算机，简称兼
容机。
单片机、单板机、个人计算机同属于微型计算机，其差别不过是配置多少而已，其内部结构都基本相同，要了解微机的基本构成及功能，可以通过微型计算机的结构组成、原理组成、概念组成三个方面来学习。
1.2 微型计算机的结构组成
典型的微机硬件系统包括主机、输入设备、输出设备、存储设备和功能卡（显卡、声卡、网卡、视屏卡等）。整个硬件系统采用总线结构，总线主要位于主板上，各部分之间通过总线连接，构成一个有机整体。
1．主板
主板是一块印刷电路板，安装在微机机箱内。主板主要由CPU插座、内存条插槽、总线扩展槽、电源转换器件、芯片组、外设接口等组成。如图1-3所示，在主板上可以安装CPU、内存条、声卡、网卡、显示卡、硬盘、软驱和光驱等硬件设备。
主板的作用是通过系统总线插槽和各种外设接口，将微机中的各部件紧密地联系在一起，是中央处理器（即CPU）与其他部件连接的桥梁。
主板是属于微机的总线，是传输信息的高速公路，为了实现微机与其它非外设的连接，主板设置有并行接口、串行接口、USB接口、键盘鼠标接口，如果是集成主板，则还有RJ45LAN网线接口，喇叭、话筒连接接口，显示器连接接口。见图1-4。
USB接口，可以串接一组低速设备到一个统一的USB接口上,支持功能传递，而其通信功能不会受到丝毫影响。USB接口本身就可以提供电力来源，因此外设可以没有外接电源线。 USB接口支持即插即用功能，用户可以完全摆脱添加或去除外设时总要重新开机的麻烦。
图1-3 主板组成图1-4 主板接口 PS2键盘、
鼠标接口 并行接口 串行接口 四个 USB 接口 RJ45LAN
接口 PCI 插槽
AGP 插槽
硬盘或光驱的连接外设接口
CPU 插座
内存插槽 芯片组
2．微处理器CPU
CPU即中央处理单元，也称微处理器，是整个微机系统的核心部件，CPU由运算器和控制器组成。运算器主要完成各种算术运算和逻辑运算，控制器不具有运算功能，它是微机运行的指挥中心，它按照程序指令的要求，有序地向各个部件发出控制信号，使微机有条不紊地运行。
CPU品质的高低直接决定了一个计算机系统的档次。衡量CPU品质的一个重要指标是主频，主频标志着计算机的处理速度，以兆赫兹（MHz）为单位，主频越高，CPU 的处理速度越快。
3．显卡
显示卡又称图形加速卡，其主要作用是控制计算机图形输出，它工作在CPU和显示器之间，是CPU与显示器之间的接口电路，是微机主机与显示器连接的桥梁，显示器只有在显示卡及其驱动程序的支持下，才能显示出色彩艳丽的画面。显示器的显示方式是由显示卡来控制的。显示卡必须有显示存储器（VRAM），显存越大，显示卡所能显示的色彩越丰富，分辨率就越高
显示卡从系统总线类型上可分为ISA、EISA、VESA、PCI和AGP。
4．网卡
网卡也叫网络适配器，是计算机与网络连接的接口电路。利用网卡可以实现计算机与网络的连接与通讯。
5．声卡
声卡是多媒体微机中不可缺少的部件。声卡提供了录制、编辑和回放数字音频
以及进行MIDI音乐合成的功能，玩游戏、播放CD、VCD、DVD都需要声卡的支持。
声卡能将话筒或音响设备输入的声音数字化，存储进计算机；声卡还能将计算机
处理过的数字语音还原为模拟信号声音，从喇叭输出。
6．视频卡
视频卡用来处理运动图像（如25帧/秒）等视频信息，可以将摄像机送来的视频通过采样、量化、编码压缩等方式转换为数字信息，还能视频数字信息还原成声音、图像等模拟信息，通过喇叭、录像机、显示器模拟输出。视频卡功能见示意图1-5。
存储器见第三章介绍，I/O设备见第四章介绍。
图1-5 视频卡功能示意图
1．3 微型计算机的原理组成
目前的各种微型计算机系统，从硬件体系结构来看，采用的基本上属于计算机的经典结构----冯·诺依曼结构。其结构特点是：
① 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成；
② 指令和数据以同一形式（二进制）顺序存于存储器中，并可按地址访问；
③ 指令由操作码和地址码组成，在存储器中按顺序存放。通过控制器中设置的 程序计数器PC 提供的指令地址，控制下计算机自动执行程序。
现代计算机对冯罗伊曼机及进行了许多改进，其中最重要的是该以运算器为中心为以存储器为中心。
图1-6 以运算器为中心的冯·诺依曼机组成框图
以运算器为中心的计算机结构中，输入的程序和数据必须通过运算器存入存储器中，
存储器中的结果也必须通过运算器送到输出设备。 存储器 输入设备 运算器 输出设备 控制器 结 果 数 据 指
程序数据 计算结果
?以存储器为中心的计算机结构中，输入的程序和数据可以不通过运算器直接存入存
储器，存储器中的结果也可以不通过运算器送到输出设备。
1.3 微型计算机的概念组成
?微型计算机的概念组成的含义是微机是在总线上直接连接CPU、存储器，而I/O设
备由于其速度、信号等不匹配，而通过I/O接口与总线连接，实现CPU与I/O设备的联系。
。连接图见图1-7所示。
图1-7 微型计算机概念性结构图
所谓总线，是连接多个功能部件或多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，微型机中目前主要采用的外部总线标准有：PC—总线，ISA—总线，PCI—总线等。连接微机个部件的总线是由地址线、数据线、控制线组成。
①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）。
②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。
③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。
1.4 微型计算机的基本工作原理
微型计算机工作是在操作系统软件控制下，由人通过键盘、鼠标等输入设备将要运行的程序、数据输入到计算机存储器，然后通过运行程序完成的。在整个计算机工作过程中，要注意：
①计算机不论做什么工作都必须把要完成的任务转化为对应的计算机程序，并在计算机上运行才能任务。
②为了方便编程，现在计算机上程序普遍采用接近人类自然习惯的高级语言编写，但计算机硬件只接受和运行机器语言程序，所以运行前必须通过编译程序（翻译程序）转化为机器语言程序计算机才能运行。
③整个计算机运行过程是主要由操作系统软件控制进行。操作系统相当于计算机的一个管家，负责管理计算机的各种部件，并把人交给的任务协调各部件优质、高效的做好运行准备工作，在控制器的控制下完成任务。
④不论什么程序，运行前必须存入内存，现在这个工作已经由操作系统负责完成。
由于微机的组成结构比较复杂，在很短时间我们无法很清楚了解微机的基本工作原理，所以，我们采用一个简化的寄存器级最简结构的微机作为运行平台，通过在上面运行一个比较简单方程来了解整个微机的执行过程，麻雀虽小，肝胆俱全，通过这个简单微机我们对微机的基本工作原理，有一定的了解。
1．4．1 简单微机基本组成
如图1-9所示，是简单寄存器级微机的内部结构图。
其中：
图1-10 一台寄存器级计算机的最简结构图
⒈ 运算器
运算器部件是计算机中进行数据加工的部件，由三个寄存器累加器、乘商寄存
器、操作数寄存器X 和ALU 组成，ＡＬＵ运算需２个操作数，分别来自ＡＣＣ和Ｘ寄存器，运算结果保存到ＡＣＣ及ＭＱ寄存器。运算器通常也是计算机CPU 内部数
据传输的通路。
其主要部件包括：
① ALU ：执行数值数据的算术 加 减 乘 除 等运算及 执行逻辑数据的与、或、非等逻辑运算。
② ACC 累加器和X 寄存器：暂时存放参加运算的数据和中间结果。
③ MQ 寄存器：支持快速乘除法运算的带有移位功能的乘商寄存器 。
2．控制器
控制器由控制单元CU 、指令部件、时序部件、PC 、IR 等组成。指令部件由指令寄存器IR 、程序计数器PC 、指令译码器ID 组成。
控制器完成一条指令的“取指、分析、执行”。
PC 存放当前欲执行指令的地址，具有计数功能（PC ）+ 1 → PC 。
IR 存放当前欲执行的指令。CU 控制单元接受IR 送来的操作码OP （IR ），分析指令，产生控制信号，加到控制对象，完成指令要求完成任务。
指令译码器ID 将指令进行译码，产生完成指令所需要的控制信号。
时序部件对指令译码器产生的控制信号，使控制信号按照一定有效时间，分时、分批产生，从而控制各部件协调动作，完成运算任务。
3．存储器