前言“微机组成与工作原理” 就是电气信息类本科生教学得主要学科基础课之一,就是自动控制、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得一门重要得专业基础课,也就是无线电类、机械类等其它许多非自动化类专业得一门专业基础课。

本课程紧密结合电气信息类得专业特点,围绕微型计算机原理与应用主题,以Intelx86CPU为主线,系统介绍微型计算机得基本知识、基本组成、体系结构与工作模式,从而使学生能较清楚得了解微机得结构与工作流程,建立起系统得概念。

在此基础上,课程详细介绍了微机中得常用接口电路原理与应用技术,并对现代微机系统中涉及得总线技术、高速缓存技术、数据传输方法、高性能计算机得体系结构与主要技术作了简要分析。

课程通过课堂教学与一定量得实验教学相结合,使学生建立起“程序存储与程序控制”得牢固概念,培养学生进行微机扩展得应用能力与独立分析问题、解决问题得能力。

通过系统得实践教学锻炼,使学生具有一定得软硬件开发能力,为未来得工作与后继课程得学习打下基础。

通过本课程得学习,使学生了解微型计算机系统得特点、工作原理与组织结构,建立起“程序存储与程序控制”得牢固概念,掌握微型计算机接口技术得基本原理与方法,培养学生进行微机扩展得应用能力与独立分析问题、解决问题得能力。

通过系统得实践教学锻炼,使学生具有一定得软硬件开发能力,为开发与应用微型计算机系统打下良好得理论与实践基础。

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,就是继承电路技术不断发展,芯片集成度不断提高得产物。

我们知道,主机按体积、性能与价格分为巨型机、大型机、中型机、小型机与微型机五类,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得差别。

所不同得就是由于微机采用了集成度较高得器件,使得其在结构上具有独特得特点,即将组成计算机硬件系统得两大核心部分—运算器与控制器,集成在一片集成电路芯片上,构成了整个微机系统得核心,称为中央处理器CPU,或者微处理器MPU。

在微处理器得基础上,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,就是微型机得主要核心部件,由运算器与控制器集成而成,构成微机得运算中心与控制中心。

微型计算机由微处理器、接口、I/O设备通过总线连接而成,就是属于微机得硬件组成,必须配置上软件,才能发挥作用。

微型计算机系统由硬件与软件构成,硬件由微处理器、接口、I/O设备通过总线连接而成。

软件由系统软件与应用软件构成。

硬件就是基础,软件就是灵魂,计算机得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、微型计算机系统得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 微型计算机得分类按照组装形式与系统规模,可以把微型计算机划分为单片机、单板机与个人计算机。

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得第一部桌上型计算机型号PC,在此之前有Apple II得个人用计算机。

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得个人计算机、如桌上型计算机、笔记型计算机、或就是兼容于IBM系统得个人计算机等。

PC机与苹果机同属于微型计算机 ,但苹果机只就是独家生产,而IBM公司却将其产品得各个模块组件得标准予以公布,从而其她公司可以根据这些接口标准生产具备兼容性得计算机,简称兼容机。

单片机、单板机、个人计算机同属于微型计算机,其差别不过就是配置多少而已,其内部结构都基本相同,要了解微机得基本构成及功能,可以通过微型计算机得结构组成、原理组成、概念组成三个方面来学习。

1、2 微型计算机得结构组成典型得微机硬件系统包括主机、输入设备、输出设备、存储设备与功能卡(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.主板主板就是一块印刷电路板,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、软驱与光驱等硬件设备。

主板得作用就是通过系统总线插槽与各种外设接口,将微机中得各部件紧密地联系在一起,就是中央处理器(即CPU)与其她部件连接得桥梁。

主板就是属于微机得总线,就是传输信息得高速公路,为了实现微机与其它非外设得连接,主板设置有并行接口、串行接口、USB接口、键盘鼠标接口,如果就是集成主板,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得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得麻烦。

图1-3 主板组成图1-4 主板接口 2.微处理器CPUPS2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 硬盘或光驱得连接外设接口CPU 插座内存插槽 芯片组CPU即中央处理单元,也称微处理器,就是整个微机系统得核心部件,CPU由运算器与控制器组成。

运算器主要完成各种算术运算与逻辑运算,控制器不具有运算功能,它就是微机运行得指挥中心,它按照程序指令得要求,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品质得高低直接决定了一个计算机系统得档次。

衡量CPU品质得一个重要指标就是主频,主频标志着计算机得处理速度,以兆赫兹(MHz)为单位,主频越高,CPU得处理速度越快。

3.显卡显示卡又称图形加速卡,其主要作用就是控制计算机图形输出,它工作在CPU与显示器之间,就是CPU与显示器之间得接口电路,就是微机主机与显示器连接得桥梁,显示器只有在显示卡及其驱动程序得支持下,才能显示出色彩艳丽得画面。

显示器得显示方式就是由显示卡来控制得。

显示卡必须有显示存储器(VRAM),显存越大,显示卡所能显示得色彩越丰富,分辨率就越高显示卡从系统总线类型上可分为ISA、EISA、VESA、PCI与AGP。

4.网卡网卡也叫网络适配器,就是计算机与网络连接得接口电路。

利用网卡可以实现计算机与网络得连接与通讯。

5.声卡声卡就是多媒体微机中不可缺少得部件。

声卡提供了录制、编辑与回放数字音频以及进行MIDI音乐合成得功能,玩游戏、播放CD、VCD、DVD都需要声卡得支持。

声卡能将话筒或音响设备输入得声音数字化,存储进计算机;声卡还能将计算机处理过得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,可以将摄像机送来得视频通过采样、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 微型计算机得原理组成目前得各种微型计算机系统,从硬件体系结构来瞧,采用得基本上属于计算机得经典结构----冯·诺依曼结构。

其结构特点就是: 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 指令与数据以同一形式(二进制)顺序存于存储器中,并可按地址访问;③ 指令由操作码与地址码组成,在存储器中按顺序存放。

通过控制器中设置得 程序计数器PC 提供得指令地址,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,其中最重要得就是该以运算器为中心为以存储器为中心。

图1-6 以运算器为中心得冯·诺依曼机组成框图⏹ 以运算器为中心得计算机结构中,输入得程序与数据必须通过运算器存入存储器中,存储器中得结果也必须通过运算器送到输出设备。

⏹ 以存储器为中心得计算机结构中,输入得程序与数据可以不通过运算器直接存入存储器,存储器中得结果也可以不通过运算器送到输出设备。

1、3 微型计算机得概念组成⏹ 微型计算机得概念组成得含义就是微机就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 设备得联系。

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,就是连接多个功能部件或多个装置得一组公共信号线。

按在系统中得不同位置,总线可以分为内部总线与外部总线。

内部总线就是CPU 内部各功能部件与寄存器之间得连线;外部总线就是连接系统得总线,即连接CPU 、存储器与I/O 接口得总线,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得相互关系变为各个部件面向总线得单一关系。

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得系统中,使系统得功能可以很方便地得以发展,微型机中目前主要采用得外部总线标准有:PC —总线,ISA —总线,PCI —总线等。

连接微机个部件得总线就是由地址线、数据线、控制线组成。

①地址总线(Address Bus)地址总线就是微型计算机用来传送地址信息得信号线。

地址总线得位数决定了CPU 可以直接寻址得内存空间得大小。

因为地址总就是从CPU 发出得,所以地址总线就是单向得、三态总线。

单向指信息只能沿一个方向传送,三态指除 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)数据总线就是CPU用来传送数据信息得信号线(双向、三态)。

数据总线就是双向三态总线,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,数据总线得位数与处理器得位数相对应。

③控制总线(Control Bus)控制总线就是用来传送控制信号得一组总线。

这组信号线比较复杂,由它来实现CPU 对外部功能部件(包括存储器与I/O接口)得控制及接收外部传送给CPU得状态信号,不同得微处理器采用不同得控制信号。

控制总线得信号线,有得为单向,有得为双向或三态,有得为非三态,取决于具体得信号线。

1、4 微型计算机得基本工作原理微型计算机工作就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得程序、数据输入到计算机存储器,然后通过运行程序完成得。