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微计算机概述
第一章 概述
本章着重对计算机的基本结构及基本工作原理，以及微处理器与微型计算机的基本概念与组成特点等，作一个概括性的介绍。
1.1计算机的基本结构和工作原理
一、计算机的基本结构
电子计算机最初作为一种自动计算的机器，是对人的智力活动的一种模拟。
因此，我们可以以人工控制的工具为例，引导出计算机的基本结构。
在教材中（P1），我们详细地说明了，如果使用算盘计算一个数学表达式，应该经过什么步骤，需要什么设备：
1.需要一个算盘，用作具体的计算。
2.需要纸和笔，以记录中间结果及最终结果。
3.最重要的，同时又是容易忽视的，需要人的控制作用。
要设计一个能自动计算的机器，完成以上的计算任务，也需要同样的或类似的一些部件。
当然，这些部件都是由电子器件构成的：
1.需要一个运算器，它能完成一些具体的数学运算。
2.需要能存储原始数据、中间结果和最终结果的部件－－存储器。
3.需要一个代替人的控制作用的装置－－控制器。
4.还需要一个能将信息输入至存储器及将最终结果输出（比如显示出来）的装置－－输入设备和输出设备（I/O设备，Input/Output设备）。
所有这些部件必须有机的联系起来,信息在这些部件中流动,并经过加工,最终形成我们所需要的结果。
如下图所示：
图1-1计算机的基本结构框图
在上图中,我们应该特别注意各部件之间的联系。
箭头表示信息流动的方向从控制器发出的控制命令沿单线送至其它各部件。
而控制器之所以能发出这样一些控制命令,是来源于存储器中存储的程序指令的控制。
计算机的解题过程
使用以上的部件构成，我们又怎么解一题数学题呢？
在教材中，我们演示了，基于这样一个简单的计算机模型，解一个数学题的具体步骤：
仍以前面所举的21*12-117/13这道题为例，将计算机的工作过程归结如下：
第一步：
由输入设备将事先编制好的解题步骤（程序）和原始数据（21，12，117，13输入到存储器指定编号的地方（或称单元）存放起来。
第二步：
命令计算机从第一条指令开始执行程序，让计算机在程序作用下自动完成解题的全过程。
这包括下列操作：
1.把第一个数据21从存储器中取到运算器（取数操作）；
2.把第二个数12从存储器取到运算器，进行21*12的运算，并得到中间结果252（乘法运算）；
3.将运算器中的中间结果252送到存储器中暂时存放（存数操作）；
4.把第三个数117从存储器中取到运算器（取数操作）；
5.把第四个数13从存储器中取到运算器，并进行117/13的运算，运算器中得到中间结果9（除法运算）；
6.将运算器中的中间结果9送到存储器中暂时存放（存数操作）；
7.将暂存的二个中间结果先后取入运算器，进行252-9的运算，得到最后结果243，并存存储器；
8.将最后结果243直接由运算器或存储器经输出设备输出，例如打印在纸上；
9.停机。
从上面这些具体步骤，我们能归纳出计算机一般的解题方法，如下所示：
1.将一个相对较大的题目，分解出一个个数目有限的，较简单的有序的步骤，每一个步骤完成一个小的任务（如计算12*21），而这一个步骤是机器能直接执行的。
将执行这些步骤的命令用代码表示出来，就是计算机的指令，这些指令的有序的排列，即为程序。
（请点击这里察看本例的原程序）
8086微处理器计算21*12-117/9的源程序:
moval,21 ；将21取出来
movbl,17 ；将17取出来
mulbl ；计算21*17
movcx,ax ；将结果暂存起来（得结果1）
movax,117 ；将117取出来
movbl,13 ；将13取出来
divbl ；计算117/13（得结果2）
subcx,ax ；将结果1-结果2,得到最终结果
hlt
2.将程序输入机器的存储器中，连续存放。
3.控制计算机从第一条指令执行。
4.控制计算机每执行一条指令，即自动执行下一条指令，直到最终程序执行完毕。
这样，计算机就能解决复杂的问题。
以上所述的一般方法，就是冯.诺依曼于1945所提出的程序存储与程序控制的基本原理。
1.2微处理器，微计算机，微处理器系统等基本概念
首先，我们要补充几个基本概念：
位（Bit）:
一般指二进制中的一个数据位。
字节（Byte）:
指8个二进制位组成的数据，例如：
10110101及01001111等
字（Word）:
指计算机进行数据处理，包括运算，传输等，所使用的基本信息单位，由若干个二进制位组成。
字长WordLength）:
指一个字所包含的二进制数据位数。
其他的基本概念：
中央处理器（CPU）:
在计算机的硬件组成中，运算器与控制器起着关键的作用，是计算机结构中的核心部分，我们将其统称为中央处理器或CPU。
微处理器（μP）:
采用超大规模集成电路的工艺，将中央处理器（CPU）集成到一块芯片上，即成为我们所说的微处理器。
微型计算机（μC）:
以微处理器为核心，配上大规模集成电路的随机存储器RAM、只读存储器ROM、输入/输出接口I/O以及相应的辅助电路而构成的微型化的计算机装置。
在学习过程中，要注意微处理器与微型计算机的区别，微处理器仅仅是微型计算机的一个组成部件，虽然是最重要的部件。
微处理器系统（MicroprocessingSystem简称协μCS或MPS）
这里，微处理器系统指的是：
根据不同的用途，选购某种微处理器为核心和相应数量的系列大规模集成电路，自行设计、装配成满足需要的特殊微计算机装置。
用户也可在选购生产厂家生产的通用微计算机后，再自行设计特殊需要的部件以构成某种特殊用途的系统。
因此，这里所说的微处理器系统的突出特点是：
规模较小、具有特定的用途。
在仪器仪表中装上微处理器，使之具有人工智能而构成各种智能仪器；在通信设备中加入微处理器，便能进行智能管理、功能控制或程控式交换；生产过程控制中，配上微计算机这一控制核心，用以实现生产过程的自动化控制……这些都是微处理器系统的例子。
1.3微处理器的产生和发展
20世纪70年代第一片4位的微处理器在美国诞生，即Intel公司的4004。
微处理器和微计算机的发展速度很快。
这种换代主要是在集成电路制造工艺飞跃进步的推动下发生的。
第一代（1971～1976年）：
四位和低档八位微处理器和微计算机。
代表产品是Intel的4004（集成度为1200个晶体管／片）和由它组成的MCS－4的微计算机，以及随后该公司的改进产品8008（集成度是2000个晶体管／片）和由它组成的MCS－8微计算机。
第二代（1976～1978年）：
八位的微处理器和微计算机。
代表产品是Intel公司的8080，Motorola公司的MC6800和MOSTechnology公司的6502，Zilog公司的Z80。
第三代（1978～1981年）：
十六位微处理器和微计算机。
代表产品是Intel8086（集成度为29000个晶体管／片），Zilog的Z－8000（集成度为17500个晶体管／片）和MC68000（集成度为用68000个晶体管／片）。
第四代（1981年以后）：
三十二位的微处理器和微计算机。
这代产品属超大规模集成电路，代表产品是Intel公司的80X86（包括Pentium系列）、HP公司的32位微处理器和Motorola公司的68020，集成度达到15万～45万个晶体管/片。
（请看详细的介绍CPU发展历史的文章）
当今，以Intel公司的Pentium（奔腾）系列产品为代表的新一代高档微处理器正占据着个人计算机的绝大部分份额。
最新的Pentium4也已逐渐成为主流。
（请看介绍Pentium技术特性的文章）
1.5微计算机系统的组成
首先应注意，作为完整的电子计算机系统包括硬件和软件两大部分。
硬件是指组成计算机的物理器件及电路。
包括主机和外围设备，又称为机器系统。
软件则是指计算机中各种程序、代码、数据的总称。
是属于信息性的东西，是组成计算机的上层建筑。
一、微计算机系统的一般结构：
8页所示的关系图来概括性说明。
二、硬件
从图中可以看出，微计算机硬件由主机（包括μP、RAM、ROM和I／O接口电路等）及一些外围设备、电源组成。
三、软件
微计算机的软件，从广义角度来说包括各种程序设计语言、系统软件、应用软件和数据库等。
程序设计语言是指用来编写程序的语言。
包括该语言的语法规定及编程工具（又称编程环境），通常分为机器语言、汇编语言和高级语言三类。
系统软件是由系统的设计者为用户提供的用来管理计算机，充分发挥计算机效能的一系列程序。
系统软件包括监控程序、操作系统、诊断程序及一些工具软件等。
其中最重要的是操作系统，Dos、Windows98、Unix就是几种知名的操作系统软件。
应用程序是用户利用计算机所提供的各种系统软件，为解决各种具体的、实际问题而编制的程序。
根据实际情况，微型计算机中还可能包括其他的一些软件。
1.6典型微处理器系统结构及工作原理
本节的目的是通过对一个较为简单的、但又是典型的微处理器模型系统的分析,使我们尽快掌握微处理器系统硬件的一般结构，并对其解题过程（实际上就是执行程序的过程）有一个较为清晰的了解。
该模型系统主要由一个8位字长的微处理器（CPU），加一片存储器构成。
一、系统连接
采用三总线的结构，即数据总线（DB）、地址总线（AB）、控制总线（CB）将系统中各部件连接起来。
在此，我们主要是要搞清这三种总线上传输的信息的类型及性质有什么区别，信号线数目有什么意义。
数据总线上传输的是数据信息，它是信息传输的主体部份。
在数据总线上,数据是可以双向流动的。
数据总线的宽度,决定了一次传输所能传递的数据的位数（二进制位）,也在很大程度上决定了数据传输的速度。
它应等于微计算机的字长,即8位机数据总线的宽度也应为8位,16位机数据总线的宽度应为16位,等等。
8位数据总线上的各位从高到低用符号D7-D0表示。
地址总线上传输的是地址信息。
所谓地址，是计算机系统中给存储器（或I/O端口）的每一个存储单元分配的一个编号。
地址信息用于在访问存储器时，指定具体要访问的单元（称为"寻址"）。
地址信号总是由CPU流向存储器和I/O端口。
地址信息的宽度（即地址总线的宽度）决定了系统中CPU能直接寻址的单元数目,也就是决定了系统中内存可以扩充的容量。
例如,在本例中,我们给出的模型机地址总线的宽度为16根,因此,该系统最多能扩充65536个内存单元（即64K的容量）,65536=2的16次方。
16位地址总线上的各位从高到低用符号A15-A0表示。
控制总线上传输的是各种控制信号及状态信号。
例如,当前要对存储器进行"读"操作,这时,CPU就要通过控制总线向存储器发送一个"读"的控制信号；反之,要"写"存储器,就要通过控制总线向存储器发送一个"写"的控制信号。
因此，控制总线上流动的是一些反映当前操作类型的信号。
当然，还有一些别的信号，以后还会看到。
控制总线的宽度及各信号流向、名称都与具体的处理器系统有关。
并不是象数据总线及地址总线那样统一。
二、典型微处理器的内部结构
典型微处理器的内部结构框图如下图所示。
由图可见,微处理器内部主要由四部分组成。
所有单元电路都挂在内部单总线上，这四部分是：
1．寄存器阵列：
寄存器是CPU内用来暂时存放数据、地址及其他一些重要的运行状态信息的存储单元。
CPU存取寄存器中的内容，比访问存储器方便迅速得多。
因此，程序运行时的一些中间数据，应尽量放在寄存器中。
通用寄存器可以存放一般的数据。
专用寄存器存放一些特殊的信息，例如：
程序计数器PC（ProgramCounter）是一个16位专用寄存器,是专门设置来存放现行指令（即马上要执行的指令）的16位地址的。
每当取出现行指令地址后,PC就自动加1（转移时除外）,以指向下一条指令的地址。
如果指令是多字节的,则每取一个字节,PC自动加1,当取完一条指令的所有字节之后,PC仍指向下一条指令的地址。
一般指令按顺序执行，因此PC用来控制程序执行的顺序，为执行的程序计数。
仅当执行转移指令时,PC的内容才由转移地址取代,从而改变程序执行的正常次序,实现程序的转移。
2．运算器
运算器是在控制器控制下对二进制数进行算术逻辑运算及信息传送的部件，由累加器A、暂存器TMP、算术逻辑单元ALU、标志寄存器F及其它逻辑电路组成。
（l）累加器A（Accumulator）：
累加器是一个与算术逻辑单元ALU紧密相连的寄存器，本身没有运算功能，它一般用于提供运算的一个操作数，并存放存放ALU的运算结算。
因此，累加器A是微处理器内使用最频繁的寄存器之一。
（2）暂存器TMP（Temnorary）：
是用来暂存从内部数据总线送来的,来自寄存器或存储器单元的另一操作数，是ALU的另一个操作数的输入端，它只是一个内部工作寄存器，不能由使用者用程序控制。
（3）算术逻辑单元ALU（ArithmatiCLogiCunit）：
它就是我们常说的运算器。
由并行加法器和其它逻辑电路，例如移位电路，控制门等组成的。
其功能是完成各种算术逻辑运算及其它一些操作。
它以累加器A的内容作为第一操作数，以暂存器TMP内容为第二操作数，有时标志寄存器F的状态位也要参与运算。
（4）标志寄存器F（Flag）：
标志寄存器是CPU内部一个专用的寄存器，用来保存ALU操作结果的特征状态的，如运算结果有无进位、运算结果是否为零等。
不同的微处理器所表示的特征不完全相同。
图1-10两个数15H和37H相加操作示意图
3．控制器
控制器是计算机系统发布操作命令的部件。
控制器按照其固有的逻辑及用户程序指令的指示，发出各种操作命令信号，实现对系统各部件（包括CPU内和CPU以外）的操作的控制。
如计算机程序和原始数据的输入，CPU内部的信息处理，处理结果的输出，外部设备与主机之间的信息交换等，都是在控制器的控制之下实现的。
控制器的组成：
控制器由指令寄存器IR（InstructionRegister），指令译码器ID（InstructionDecoder）和定时控制电路（TimingandControl）组成。
指令寄存器IR：
暂存CPU从存储器取出来指令的代码。
CPU根据程序计数器PC指定的地址，每次均操作码从存储器取出来由数据总线DB输入到IR中寄存。
指令译码器ID：
它对暂存在指令寄存器中的指令代码进行译码,产生相应操作的控制电位。
每一种控制电位对应一种特定的操作（又称微操作）,最后通过定时和控制电路，在外部时钟的作用下，将ID形成的各种控制电位，按时间的先后顺序，按节拍发出执行每一条指令所需要的控制信号，指挥系统对适当的部件，于适当的时间，去完成适当的操作，有条不紊地完成指令规定的任务。
4．数据和地址缓冲器
简称总线缓冲器，是数据或地址信号的进出口。
用来隔离微处理器内部总线和外部总线，并提供附加的驱动能力。
8位微处理器的数据总线缓冲器是8位的双向三态缓冲器，地址总线是16位的单向（输出）三态缓冲器。
1.7微型计算机应用概述
人类已进入信息时代，计算机作为最重要的信息处理工具，早已渗透到人类生活的各个方面。
而微型计算机由于在应用上具有一些突出的特点，在我们日常生活中，更是占据了应用的主角。
一、微计算机的特点
1.体积小、功耗低
2.价格便宜
3.结构简单、性能可靠
4.灵活性好
二、微计算机应用层次
作为一个进行微计算机应用开发的专业人员，我们有哪一些应用开发模式呢?
1.自行设计的专用微处理器系统
这种微处理器系统通常结构比较简单，功能较为专一，适用于特殊场合。
这种系统可由数量不多的LSI芯片组成。
在该层次上，硬件的主要工作是选用性能合适的舒作为系统核心，配以少量的RAM、ROM和I/O接口电路进行电路设计和安装。
软件的主要工作是用机器语言或汇编语言编写控制程序，并固化在ROM电路中。
典型的应用场合包括各种智能仪器仪表、小型工业测控系统、家用电器等
从事这一层次的工作，必须了解炉和各种外围LSI电路的结构，引脚特性以及护的指令系统和汇编语言程序设计方法等方面的知识。
2.选用OEM（OrisinalEuuinmentManufactures）单板计算机和其他功能的OEM电路板（如A/D，D/A板）设计组成自己的系统
在这种层次上，硬件的主要工作是以单板计算机为基本部件进行系统的功能扩展，软件的主要工作是利用单板机提供的研制工具或用其它功能更强的微计算机开发系统，选用程序设计语言研制用户程序棗一即进行二次开发。
典型的应用场合包括较复杂的智能仪器仪表、工业测控系统等等。
从事这一层次的工作除要了解o和各种外围LSI电路的结构和引脚特性外，还必须了解单极计算机的性能、结构和微计算机系统设计的知识。
应当指出，选用这种层次方式的工作，可以大大缩短研制周期。
3．直接选用功能较强和配套齐全的通用微计算机系统
在这种层次上的工作，主要是利用微计算机系统来扩充功能和研制应用软件。
因此除了解微计算机组成原理之外，还必须掌握系统软件的使用及程序设计语言。
典型的应用场合包括各种信息管理系统的开发，各种专用软件（包括CAI教育软件、游戏软件等）的开发等等。
1.8Pentium系列计算机简介（PentiumIII）
二十世纪八十年代初期，IBM公司采用Intel8088微处理器，推出了一种个人计算机（PC机）产品。
由于这种PC机在当时具有性能上的优势，也由于IBM公司采用开放式的策略：
公布了其技术细节，允许其他公司无偿使用，因此，这种体系结构的个人计算机成为最流行的主流计算机。
当今，PC机升级非常迅速，但体系结构与这种最老的IBMPC计算机明显具有继承与兼容的关系。
在以下的一段视频节目中，我们演示一台PentiumIIIPC机的组成结构。
演示PentiumIIIPC的组成结构
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