微型计算机系统基础知识微型计算机简称“微型机”、“微机”，由于其具备人脑的某些功能，所以也称其为“微电脑”。

微型计算机是由大规模集成电路组成的、体积较小的电子计算机。

它是以微处理器为基础，配以内存储器及输入输出(I/0)接口电路和相应的辅助电路而构成的裸机。

微型计算机的特点是体积小、灵活性大、价格便宜、使用方便。

把微型计算机集成在一个芯片上即构成单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)。

由微型计算机配以相应的外围设备（如打印机）及其他专用电路、电源、面板、机架以及足够的软件构成的系统叫做微型计算机系统(Microcomputer System)（即通常说的电脑）。

一个完整的微型计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。

硬件系统由运算器、控制器、存储器（含内存、外存和缓存）、各种输入输出设备组成，采用“ 指令驱动”方式工作。

软件系统可分为系统软件和应用软件。

系统软件是指管理、监控和维护计算机资源（包括硬件和软件）的软件。

它主要包括：操作系统、各种语言处理程序、数据库管理系统以及各种工具软件等。

其中操作系统是系统软件的核心，用户只有通过操作系统才能完成对计算机的各种操作。

应用软件是为某种应用目的而编制的计算机程序，如文字处理软件、图形图像处理软件、网络通信软件、财务管理软件、CAD软件、各种程序包等。

20世纪70年代以来，随着大规模和超大规模集成电路的发展，微型计算机性能不断提高，价格不断降低，软件也不断推陈出新。

多媒体技术和网络技术的产生和发展，使微型计算机不仅能处理数据、文字、图形，还可以处理音频、视频、动画，在Internet上浏览信息，发送/接收电子邮件等，因此微型计算机的应用越来越广泛。

本章将重点介绍微型计算机系统的基础知识。

2.1 微型计算机的硬件系统随着半导体集成电路的集成度的不断提高，微型计算机的硬件发展越来越快。

其发展规律遵循“摩尔定律”，即每18个月，其集成度提高一倍、速度提高一倍、价格降低一半。

微型计算机的硬件系统采用冯·诺依曼体系结构，即由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成，运算器和控制器是微处理器的核心（图2-1）。

本节将对微型计算机硬件系统做详细介绍。

图 2-1 微型计算机结构图2.1.1 总线1.总线的概念计算机系统中功能部件必须互联，但如果将各部件和每种外围设备都分别用一组线路与CPU直接连接，那么连线将会错综复杂，难以实现。

为了简化系统结构，常用一组线路，配以适当的接口电路，与各部件和外围设备连接，这组多个功能部件共享的信息传输线称为总线。

微型计算机采用总线结构将CPU、主存储器和输入、输出接口电路连接起来。

采用总线结构便于部件和设备的扩充，使用统一的总线标准，不同设备间互联将更容易实现。

2. 总线的分类微机中总线一般有内部总线、系统总线和外部总线。

内部总线指芯片内部连接各元件的总线。

系统总线指连接CPU、存储器和各种I/O模块等主要部件的总线。

外部总线是微机和外部设备之间的总线。

这里主要介绍微机中的系统总线。

3. 系统总线系统总线根据传送内容的不同分为数据总线、地址总线、控制总线。

①数据总线（Data Bus，DB）：用于CPU 与主存储器、CPU 与I/O 接口之间传送信息。

数据总线的宽度（根数）决定每次能同时传输信息的位数。

因此数据总线的宽度是决定计算机性能的主要指标。

计算机总线的宽度等于计算机的字长。

目前，微型计算机采用的数据总线有16位、32位、64位等几种类型。

②地址总线（Address Bus，AB）：用于给出源数据或目的数据所在的主存单元或I/O端口的地址。

地址总线的宽度决定CPU 的寻址能力。

若微型计算机采用n位地址总线，则该计算机可寻址的内存空间为2n。

③控制总线（Control Bus，CB）：用来控制对数据线和地址线的访问和使用。

4. 常用的总线标准（1）ISA总线ISA（Industrial Standard Architecture）总线标准是IBM 公司1984年为推出PC/AT 机而建立的系统总线标准，所以也叫AT总线。

它的时钟频率为8MHz，数据线的宽度为16位，最大传输速率为16MB/s。

（1）EISA总线EISA（Extended Industrial Architecture）总线是1988年由Compaq等9家公司联合推出的总线标准，是在ISA总线的基础上发展起来的高性能总线。

EISA总线完全兼容ISA总线信号，时钟频率为8.33MHz，数据总线和地址总线都是32位，最大传输速率为33MB/s。

（3）VESA总线VESA（Video Electronics Standard Association）总线简称VL（VESA Local Bus）总线。

它定义了32位数据线且可扩展到64 位，使用33MHz时钟频率，最大传输率达132MB/s。

VESA总线可与CPU同步工作，是一种高速、高效的局部总线。

VESA总线可支持386SX、386DX、486SX、486DX及奔腾微处理器。

（4）PCI总线PCI（Peripheral Component Interconnect）总线是当前最流行的总线之一。

它是由Intel公司推出的一种局部总线，定义了32位数据总线且可扩展为64位，使用33MHz时钟频率，传输速率可达132MB/s，64位的传输速率为264MB/s，可同时支持多组外围设备。

PCI总线不能兼容现有的ISA、EISA、MCA（Micro Channel Architecture）总线，但不受制于处理器，是基于奔腾等新一代微处理器的总线。

5.系统总线的性能指标（1）总线的带宽总线的带宽是指单位时间内总线上可传送的数据量，即通常所说的每秒传送的字节数，与总线的位宽和总线的工作频率有关。

（2）总线的位宽总线的位宽是指总线能同时传送的数据位数，即数据总线的位数。

（3）总线的工作频率总线的工作频率也称为总线的时钟频率，以MHz为单位。

工作频率越高，总线工作速度越快，总线带宽越宽，其关系如下总线带宽=总线位宽/8×总线工作频率 MB/s2.1.2 中央处理器（CPU）1. 概念和功能图2-1-1 Core i7 CPU 中央处理器（Central Processing Unit，CPU），又被称作微处理器（Micro Processing Unit，MPU），是微型计算机的核心部件。

它主要由运算器、控制器、寄存器等组成，并且采用超大规模集成电路制成芯片，如图2-1-1所示。

运算器的主要功能是完成各种算术运算、逻辑运算。

控制器的主要功能是从内存中读取指令并对指令进行分析，按照指令的要求控制各部件工作。

寄存器是在处理器内部的暂时存储部件，寄存器的位数是影响CPU性能与速度的一个重要因素。

微型计算机中常用的CPU主要有 Intel公司的Pentium、Conroe、Celeron（赛扬）、Xeon等以及AMD公司的Sempron、Duron、Athlon、Opteron等。

目前，Intel不再追求单CPU的频率指标，而采用双核心和多核心处理器来提升处理器性能。

CPU的核心数是指单个CPU封装中的CPU内核数量，早期的CPU都是单核的，但从Pentium D开始，越来越多的CPU采用了多核心设计，如Intel的Core 2 Duo，AMD的Athlon 64 x2等。

2. CPU的主要性能指标（1）字与字长计算机内部作为一个整体参与运算、处理和传送的一串二进制数，称为一个“字”（Word）。

字是计算机内CPU进行数据处理的基本单位。

一般将计算机数据总线所包含的二进制位数称为字长。

字长的大小直接反映计算机的数据处理能力，字长越长，一次可处理的数据二进制位越多，运算能力就越强，计算精度就越高。

目前微型计算机字长有8位、16位、32位和64位等。

大多数Pentium4属于32位CPU，而Intel的Conroe属于64位CPU。

（2）主频主频即CPU的时钟频率（CPU Clock Speed）。

主频越高，一个时钟周期里完成的指令数也越多，CPU的运算速度也就越快。

但是，由于内部结构不同，并非所有时钟频率相同的CPU 性能都一样。

目前CPU的主频可达2GHz以上。

（3）时钟频率时钟频率即CPU的外部时钟频率（即外频），直接影响CPU与内存之间的数据交换速度。

数据带宽=（时钟频率×数据宽度）/8。

时钟频率由电脑主板提供。

Intel公司的芯片组BX 提供100MHz的时钟频率，815和845芯片组提供133MHz的时钟频率,目前CPU外频已经达到了400MHz以上。

（4）地址总线宽度地址总线宽度决定了CPU可以访问的物理地址空间。

简单地说就是CPU能够使用多大容量的内存。

假设CPU有n根地址线，则其可以访问的物理地址为2n。

目前，微型计算机地址总线有8位、16位、32位等。

（5）数据总线宽度数据总线负责整个系统的数据流量的大小，数据总线宽度决定了CPU与二级高速缓存、内存以及输入输出设备之间一次数据传输的信息量。

（6）内部缓存（L1、L2 Cache）封闭在CPU芯片内部的高速缓存，用于暂时存储CPU运算时的部分指令和数据，存取速度与CPU主频一致。

L1、L2缓存的容量单位一般为KB。

L1缓存越大，CPU工作时与存取速度较慢的L2缓存和内存间交换数据的次数越少，相对电脑的运算速度越快。

2.1.3 内存储器微机内部直接与CPU交换信息的存储器称主存储器或内存储器，其主要功能是存放计算机运行时所需要的程序和数据。

内存储器是计算机中最主要的部件之一，它的性能在很大程度上影响计算机的性能。

1. 内存的分类微机的内存储器分为随机存储器（Random Access Memory，RAM）、只读存储器（Read Only Memory，ROM）、高速缓冲存储器（Cache）。

（1）随机存储器（RAM）RAM 中的内容随时可读、可写，断电后RAM图2-1-2 内存条中的信息全部丢失。

RAM用于存放当前运行的程序和数据。

根据制造原理不同，RAM可分为静态随机存储器（SRAM）和动态随机存储器（DRAM）。

DRAM较SRAM电路简单，集成度高，但速度较慢，微机的内存一般采用DRAM。

目前微机中常用的内存以内存条的形式插于主机板上，如图2-1-2所示。

常用的容量为1GB、2GB、4GB等。

（2）只读存储器（ROM）ROM中的内容只能读出，不能随意删除或修改，断电后信息不会丢失。

ROM主要用于存放固定不变的信息。

在微机中主要用于存放系统的引导程序、开机自检、系统参数等信息。

目前常用的只读存储器还有可擦除和可编程的ROM（EPROM）和可电擦除、电改写的ROM （EEPROM）、闪烁存储器（Flash Memory）等类型。