微型计算机原理及应用学习笔记 电子计算机概述

一、 电子计算机的发展简介

电子数字计算机（以下简称电子计算机）是一种可以自动、高速运行大量计算的电子设备。它可以通过指定的输入数据值和逻辑操作来解决各种计算问题，也可以用来解决各种数据处理问题。它是一种自动信息处理工具。

1946年2月，宾夕法尼亚大学 ENIAC( Electronic Numerical Integrator and Calculator，计算电子数值积分器 这是世界上第一台电子数字计算机。

从电子计算机主机使用的主要部件的性质出发，电子计算机的发展经历了四代人的变化。

第一代电子管计算机。早已被淘汰。

第二代晶体管计算机也被淘汰。

第三代-集成电路计算机。以中小型集成电路为主要装置，用半导体存储器代替磁芯存储器。每秒数十万次到 数百万次。其特点是操作精度高，存储容量大，可存储数万至数十万个数据和指令，体积进一步缩小，稳定性好。

第四代-大型和超大型集成电路计算机。计算速度可达每秒数千万次到数亿次。其特点是精度高、存储容量大、稳定性好。自20世纪80年代初以个人计算机为代表的微型计算机的主流产品。

二、 电子计算机硬件的主要组成部分

硬件电子计算机系统(Hardware)和软件(Software)组成。

根据经典定义，电子计算机硬件系统由图1五部分组成。l所示。

图1.1计算机硬件的主要组成部分

从图1-1可以看出，计算机硬件的组成部分是：计算器、控制器、存储器、 输人设

运算器和控制器合称为中央处理器(或中央处理器) 简称单元)CPU(CentralP。ssiflg Unit)。 CPU与存储器合称 机器。外部设备与输出设备合称。

(一) 输入设备

将信息发送信息(数据、程序和各种字符信息)的设备是人一机 联系主要设备。输入设备对电子计算机至关重要，否则们的意图和原始数据将无法进入计算机。常用的输入设备包括键盘、鼠标、数字仪器、光笔、扫描仪和数字相机。

(二) 存储器

计算机之所以能够自动高速地进行各种复杂的操作，其中一个原因是它可以提前将计算问题所需的各种数据和程序存储在一个记忆装置中，即存储器。 存储器的功能是存储程序、数据和中间结果，存储器在操作和处理过程中快速提供给计算器进行处理。这就是程序存储的工作模式。

在电子数字计算机中，数据和程序都用二进制数(0或1)表示，称为代码，将代码存储在存储器中称为写人(简称写或存)， 将代码从存储器中取出称为读取(简称读取或取)。存储器的读写操作也称为访问或访问(Access)。

存储器通常分为内存储器(简称“内存”)和外存储器(简称“外存”)两类。存储器设置在主机内，以存储当前操作所需的程序和数据，以便快速将信息传输到中央处理器。一般内存容量小，但存取速度高，由半导体存储器组成。外存设置在主机外，用于存储大量暂时不参与计算的数据，必要时可以批量与内存交换数据。存储容量大，但存取速度低。 磁盘(包括硬磁盘和软磁盘)、磁带和光盘用的外部存储器。内存也叫主存(以下简称主存)，外存也叫辅助存储(又称辅助存储)。

(三) 运算器

运算器是直接完成各种算术和逻辑操作的部件，主要由 ALU(Arithmetic and Logic Unit，由算术逻辑部件)、通用寄存器、标志寄存器等组成。

(四) 控制器

控制器的主要功能是：①程序和原始数据在控制器的控制下发送内存；②控制运算器、内存等部件实现自动操作和处理，并将结果发送到输出设备；③控制内存与外存之间的信息交换；④控制随机事件的处理。

输出设备

输出设备是接收主机输出信息（计算机工作的中间结果或最终结果）并显示的设备。常用的输出设备包括打印机、显示器、自动绘图机等。

计算机的内部工作是这两种信息流的流动和相互作用，如图1-1所示。

三、 微型计算机概述

(一) 微处理器、微计算机和微计算机系统

1．定义

微处理器是指由大型集成电路组成的中央处理器。

微型计算机(Microcomputer，μC)指基于微处理器的内存和输入/ 输出(I／O)裸机由接口电路和相应的辅助电路组成。

微计算机系统(Microcornputer System，μCS)指由微型计算机配备的相应外部 由足够的软件、电源、面板和机架组成的计算机系统（如打印机、显示器、磁盘机、磁带机和键盘等）。

微处理器、微计算机与微计算机系统的关系如下：

2.位、字节、字和双字

以下是计算机中常用的几个术语。

(1)位——bit，是计算机表示二进制数最基本、最小的单位。bit是Bi nary Digit的缩写。

(2)字节——Byte，一字节等于8位(bit)二进制数。

(3)字一Word, CPU中运算器处理信息的基本单位通常是指CPU 与输入输出设备和内存储器之间往传送数据的基本单位，即数据总线的宽度。微型计算机(或微处理器) 字长1位、4位、8位、16位和32位(对应1位机、4位机、8位机、16位机和 32位机)等。

(二) 微处理器的微处理器

70年代初，微处理器问世，短短30年，经历了四代的发展，正在进入第五代。

(1)第一代。 从1971年开始，这是4位微处理器和8位低端微处理器的时期，其典型产品是：

4004(4位微处理器)； 采用8008(8位微处理器)，集成度为2000个管/片 P- MOS工艺， 。

(2)第二代。 从1973年开始，这是8位微处理器的时期，其典型产品是：

8080； MC6800。这两种芯片是中档8位微处理器。 Z80CPU， 8085。这两种是高档8位微处理器。Intel 8080的集成度力5400 管/片，采用 N－MOS工艺， 。

(3)第三代。从1978年开始，这是16位微处理器的时期，其典型产品是:

8086； Z8000； MC其集成度为68000 管/片，采用 H- MOS工艺， 。

(4)第四代。从1981年开始是32位微处理器的时期，其典型产品是:

Z80000； 68020集成度为17万管/片 用 CHMOS工艺， 80386， 集成度为 27．5万 管/片，采用 CHMOS工艺， 。

自 Intel 自80386芯片推出以来，出现了许多高性能芯片 32位 例如，微处理器 MC68030， 68040以及 Intel的 80486，Pentium(奔腾、P5)，Pentium Pro (高能奔腾，P6)，Pentium MMX(多能奔腾)，Pentium Ⅱ (奔腾Ⅱ 、PⅡ)和Pentiuum Ⅲ (奔腾Ⅲ 、 P Ⅲ )。

单片机、单板机、个人计算机和工程工作站

1．单片机

单片机又称微控制器(Microcontroller)并嵌入式计算机 (Embedded Computer)。 这是一种将构成微型机的功能部件集成到芯片中的计算机，包括 微处理器、RAM、ROM(有些单片机不包括在内ROM)、I／O 有些单片机甚至包括接口电路、定时器/计数器等 A/D转换器和(模拟量/数字量) D／A(数字量/模拟量) 换器。单片机体积小，功耗低，广泛应用于智能仪器和控制领域。

2． 单板机

微处理器，RAM、ROM以及I／O 接口电路，再配上相应的外设(小键盘、发光2 安装在印刷电路板上的微型计算机系统称为单板机。

3.个人电脑(Personal Computer,PC)

通常由主机箱(包括主板、软盘驱动器、 硬盘驱动器，CD—ROM它由电源、键盘、显示器、打印机等外部设备组成，具有价格低、性能好、体积小等特点，可广泛应用于办公室和家庭。

4.工程工作站(Engineering Work Station，EWS)

工程工作站是一种功能强大的微型计算机系统，简称工作站，运行速度快，内存容量大，图形和图像处理能力强，外部接口能力强，联网方便，适合更复杂的科学和工程计算。

计算机系统的主要性能指标

(一)字长

计算机的字长是指CPU内部运算器处理信息的基本单位是一次处理二进制信息的位数，即CPU内部寄存器、内部数据总线等部件的宽度，通常也指CPU二进制数据的位数与输入/输出设备或内存器一次传输。

(二)运算速度

计算速度表示计算机每秒能执行多少个指令，以衡量计算机运算的速度。

(三)主频

主频是指计算机工作时，CPU时钟频率。它的单位是MHz(1MHz=106Hz)，它是计算机工作的时间基准，用于协调整机的操作。主频的高低在很大程度上决定了计算机的运行速度， Pentium Pro的主频为 133～200MHz，最近推出的 P Ⅲ 的主频高达 733MHz。

(4)存储容量

存储容量衡量计算机系统中存储器的存储能力的一个指标，包括内存(主存)容量和外存(辅存)容量。

内存容量以字节为单位，分为装机容量(实际容量)和最大容量。 8086系统的地址总线为20位，内存最大容量为1MB(MB为兆字节，1024 X 1024字节)；80286系统的地址总线为24位，内存最大容量为16MB；而80386／80486系统地址总线为32位，内存最大容量为4GB(GB为千兆字节，吉字节，10243字节)。

(五)设备的配置

外设的配置也是衡量一台计算机系统综合性能的重要指标，包括`两方面的内容：一个 是允许配置的外设数量，一般所配置的外设越多，系统功能越强；另一个是外设接口的标准和类型，接口性能的好坏直接影响系统的功能。

(六)软件的配置

软件和硬件是计算机系统中的两个主要组成部分，软件配置情况直接影响晌计算机系统的使用和性能的发挥。