计算机原理与应用

八十九年度第一學期

微算機概論

授課老師：駱宏海

tel: 4252 EL327

e-mail: loh@.tw

.tw/~islab/

第一章微算機系統

微算機即微電子計算機(Microcomputer)之簡稱，又簡稱微電腦。在微算機未出現之前，電腦已經出現，但價格昂貴，功能有限，故未能普及。直至積體電路(Integrated Circuit)出現後，微電子技術開始被應用於中央處理器(CPU, Central Processor Unit)之製造，稱之為微處理器(Microprocessor)。自此微處理器開始廣泛被用於各式各樣電腦中，而以微處理器為CPU之電腦系統即被泛稱為微算機(Microcomputer)或微處理器系統(Microprocessor System)。本章即對微算機之歷史沿革、架構及主要元件等作一概括介紹。

1.1 歷史回顧

電腦系統之出現早在二次大戰結束後，基於軍事用途的需要，即已初具雛型。其中von Neumann等人於一九四六年即提出「von Neumann machines」記憶體結構，仍被大部份的電腦系統沿用至今。

所謂von Neumann machines之架構主要是以

1. 使用一個共用的記憶體以儲存指令及資料。

2. 使用指令循環。

3. 使用程式計數器。

在1.6節處，我們會進一步討論此一架構。

傳統之電腦廠商(如早期之IBM、Digital等)在微算機未出現前，通常負責電腦之全盤設計，即從CPU至鍵盤，從硬體至軟體皆一手包辦。各廠商之電腦系統間彼此互不相容，因此市場上之競爭皆以電腦之軟硬體功能比較為主，即功能較強、設計較佳之電腦在市場上便可以較高之售價出售。亦即電腦銷售是以『加值型』(Value-Added)方式存在，電腦系統之價格是以廠商針對顧客需要，所創造出來的價值來計算。

現今微算機時代與傳統電腦時代最大差別為微算機廠商不再需要負責電腦之全盤設計，CPU、主要零組件乃至於作業系統、應用軟體皆有專業廠商製

作提供（例如Intel 專門製作CPU ，Microsoft 生產Windows 作業系統，而各不同廠商大量推出的相容Wintel PC ）。因此微算機廠商只要負責微算機之系統設計，並進行採購或生產零組件，最後再進行組裝及品管即可有微算機系統推出上市。至於軟體專業廠商也已針對使用者各式各樣需要提供了現成產品。亦即軟硬體廠商分工，同時各主要零組件包含微處理器、記憶體、硬碟等也由不同廠商提供，由微算廠商或使用者選擇安裝。因此，微電腦系統之價格是以軟硬體之成本加上利潤，所創造出來的價值來計算，或稱之為『成本型』(Cost-Plus)。 而微算機之發展，主要自一九七二年開始，第一批四位元微處理機出現後，開始快速發展。由下表可見其功能之突飛猛進已非發明者所能預料。 \ 年份

微處理器特性

1972 1977 1982 1987 1992 1998 I/O 針腳數 16 40 64 100 340(430) 1092

(BGA)

電晶體個數/晶片2K 20K 100K 500K-800K

>1M >10M

字元長度

(bits)

4 8(16) 16 32 32(64) 64(128)資料匯流排寬度

(bits)

4 8(16) 16 32 64(128) 64(128)時脈頻率

(MHz)

0.5-1 5-8 8(16) 20(30) 50-100 (200)＊ 100-150 (500)＊ 指令平均時脈周

期數(CPI)

- - 20 6-2 <1 <0.5 最大記憶體容量(bytes)

214=16K 216=64K (1M) 232=16M 232=4GB 232=

4GB 232=4GB

記憶體晶片容量

1K-bit (1K ×1bit) 4K-bit to 16K-bit 64K-bit 256K-bit 1M-bit 32M-bit 表一、微處理器特性之演進

1.2 基本定義

『電腦Computer 』：電腦即電子計算機之俗稱，但電子計算機並無所謂笨或聰明可言，它所能執行之程式之智慧程度乃是其是程式設計者（群）的直接反映。

『數位電腦Digital Computer 』：電子計算機內部各項指令及資料皆以二進位的方式存在，即所有資訊（含指令及資料）皆以「0」、「1」形式出現，或以物理現象之「On 」「Off 」或「High 」「Low 」來表示。

『程式Program』：由指令所構成之序列，用來定義電子計算機之各項操作。

『二進位數字Binary Number』：由若干位元（即「0」、「1」）所組成之數字，可分為「有正負號Signed」及「無正負號Unsigned」兩種表現方式。

例如：有一三位元之二進位數字b2b1b0，且b2為「1」，b1為「0」，b0為「1」，則在此兩種表現方式下

「有正負號Signed」：－b2×22+b1×21+b0×20 =－1×4+0×2+1×1 =－3

「無正負號Unsigned」：b2×22+b1×21+b0×20 = 1×4+0×2+1×1 = 5

在有正負號二進位數字間，若要進行正負號轉換，可取該數字之二的補數（2’s complement）。

1.3 計算機架構（Computer Architecture）

在討論微處理器之前，我們可先對計算機的軟硬體作一界定如下：

『硬體Hardware』：泛指計算機與物理現象相關之物件。

『軟體Software』：包含使用手冊、程式（原始碼及機器碼），可被儲存於

磁碟片（含硬碟）、磁帶、光碟片或其他儲存裝置。

『韌體Firmware』：被永久儲存於硬體中之程式。

在微算機中，經常看到某些特定程式以固定形態被儲存於晶片中，我們稱之為韌體Firmware。其特性介於軟體與硬體之間。當微算機被啟動時，CPU 首先開始執行韌體內之程式作開機（Start Up）的動作，再依序自其他的儲存裝置如磁碟機內讀取作業系統（Operating System）。

計算機依其用途可分為一般用途系統與附屬系統兩類：

一般用途系統之計算機及周邊裝置可依用途使用各式之應用程式，常看到之各式各樣個人電腦皆屬於此類。

附屬系統則屬於另一更大系統之附屬元件，且只為執行某特定之程式，因此系統常只有硬體及韌體。如各式家電產品內之微電腦裝置或汽車飛機內之微電腦系統等皆屬此類。

有些名詞常容易使人混淆：

Microprocessors微處理器，為一特定用途之積體電路晶片，即CPU。

Microcomputers微算機（微電腦），為一採用微處理器之計算機系統。

Micro-controllers微控制器，為一微處理器但內部除CPU外，另含某些計算機元件如記憶體、I/O電路、周邊等，又稱為單晶片微電腦（Single-Chip