微型计算机系统概论.docx
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微型计算机系统概论
第1章
微型计算机系统概论
◎了解计算机的发展历史、发展趋势及其应用；
◎理解计算机中的信息表示，包括数值和非数值信息的表示，掌握常用数制及其转换；
◎理解计算机的工作原理和组成，掌握软件的分类及系统软件、应用软件的概念；
◎掌握微型计算机硬件的组成部件，理解硬件各部分技术参数，理解计算机系统的层次结构；
◎了解微型计算机硬件的组装，掌握一些日常的维护方法。
本章先简要介绍计算机的发展概况，以及计算机的分类、特点和技术指标，然后介绍计算机的硬件、软件、系统结构的基本概念及其应用。
目的是帮助读者初步建立计算机系统的整体概念和掌握常用术语，为学习后续各章的内容打下基础。
1.1计算机的发展和应用
电子计算机，简称计算机（俗称电脑），是20世纪最伟大的发明之一。
这一伟大的科技成就极大地推动了人类社会的发展，人类已进入了一个前所未有的信息化社会。
计算机成为人们工作和生活中不可缺少的现代化工具。
1.1.1计算机的产生与发展
1．计算机发展的若干阶段
人类所使用的计算工具随着生产力的发展和社会的进步，以及人们的需求，从简单到复杂，从低级到高级不断地发展。
在远古社会，人类以十个手指作为计算工具，进行一些简单的数字计算，并形成了十进制的计数法。
公元前五世纪，我们的祖先发明了珠算，算盘作为计算工具，先后传到日本等亚洲国家和欧洲。
公元17世纪，欧洲人发明了对数计算器，后来又发明了机械式的手摇计算机、电动机械计算机。
20世纪初，英国人Boole创立了“布尔代数”，为电子计算机的诞生奠定了理论基础。
用两个电子管等元件构成的双稳态触发器，来表示二进制数“0”和“1”，又为电子计算机的诞生奠定了物质基础。
1946年美国宾夕法尼亚大学摩尔学院与美国军方阿伯丁弹道实验室研制成功了第一台电子管组成的数字积分器和计算机ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorandComputer），如图1-1所示，它装有16种型号和18000个真空管、1500个电子继电器、70000个电阻器和18000个电容器，8英尺高，3英尺宽，100英尺长，总质量有30吨之巨，运算速度为5000次/s的庞然大物。
它奠定了现代计算机科学和技术的发展基础。
图1-1第一台电子计算机ENIAC
ENIAC用了6000多个开关和配线盘来指示计算机，因此，每当进行不同的计算时，科学家们就要切换开关和改变配线，这使得当时从事计算的科学家看上去更像在干体力活。
美国数学家冯·诺依曼提出了解决此问题的办法，就是“存储程序和程序控制”。
通俗地讲就是把原来通过切换开关和改变配线来控制的运算步骤，以程序方式预先存放在计算机中，然后让其自动计算。
至今，计算机设计仍然沿用这一思想。
自ENIAC诞生以来，伴随着电子器件的发展，计算机技术有了突飞猛进的发展。
计算机的体系结构也已发生了重大变化。
人们根据计算机所采用的逻辑元器件的演变对计算机发展进行了分析，如表1-1所示。
表1-1计算机发展的阶段
第一代
1946—1957年
第二代
1958—1964年
第三代
1965—1971年
第四代
1972—至今
主要逻辑元件
电子管
晶体管
中、小规模集成电路
大规模、超大规模集成电路
内存
汞延迟线
磁心存储器
半导体存储器
半导体存储器
外存
穿孔卡片，纸带
磁带
磁带、磁盘
磁盘、磁带、光盘等大容量存储器
处理速度（每秒指令数）
几千条
几百万条
几千万条
数亿条以上
第一代计算机采用电子真空管及继电器作为逻辑元件构成处理器和存储器，并用绝缘导线将它们互连在一起。
这使它们的体积比较庞大，运算速度相对较慢，运算能力也很有限。
第一代计算机的使用也很不方便，输入计算机的程序必须由0和1组成的二进制码表示，且只能进行定点数运算。
虽然电子管计算机相比之前的机电式计算机来讲，无论是运算能力、运算速度还是体积等都有很大的进步，但电子管元件也存在许多明显的缺点，如在运行时产生的热量太大、可靠性较差、工作速度低、价格昂贵、体积庞大以及功耗大等缺点，这些都使计算机的发展受到限制。
晶体管的发明，标志着人类科技史进入了一个新的时代。
1947年，贝尔实验室发明了点触型晶体管，1950年又发明了面结型晶体管。
与电子管相比，晶体管具有体积小、质量轻、寿命长、发热少、功耗低以及速度高等优点。
晶体管的发明及其实用性的研究，为半导体和微电子产品的发展指明了方向，同时也为计算机的小型化和高速化奠定了基础，采用晶体管元件代替电子管成为第二代计算机的标志。
第二代计算机的成功，除了采用了晶体管外，另一个重要因素是存储器的革命。
1951年，美籍华人王安发明了磁心存储器，该技术彻底改变了继电器存储器的工作方式和处理器的连接方法，也大大缩小了存储器的体积，为第二代计算机的发展奠定了基础。
由于第二代计算机采用晶体管逻辑元件及快速磁心存储器，使得计算机速度从第一代的每秒几千次提高到几十万次，主存储器的存储容量从几千字节提高到10万字节以上。
从1958年到1964年，晶体管电子计算机经历了大范围的发展过程。
从印制电路板到单元电路和随机存储器，从运算理论到程序设计语言，不断的革新使晶体管电子计算机的制造工艺日臻完善。
1961年，世界上最大的晶体管电子计算机ATLAS安装完毕。
1964年，中国制成了第一台全晶体管电子计算机441-B型。
1958年，美国物理学家基尔比（J.Kilby）和诺伊斯（N.Noyce）同时发明了集成电路。
集成电路的问世催生了微电子产业，采用集成电路作为逻辑元件成为第三代计算机的最重要特征，微程序控制开始普及。
此外，系列兼容、流水线技术、高速缓存和先行处理机等也是第三代计算机的特点。
随着集成电路技术的迅速发展，采用大规模和超大规模集成电路及半导体存储器的第四代计算机开始进入社会的各个角落。
计算机逐渐开始分化为通用大型机、巨型机、小型机和微型机。
出现了共享存储器、分布存储器及不同结构的并行计算机，并相应产生了用于并行处理和分布处理的软件工具和环境。
超大规模集成电路（VLSI）工艺的日趋完善，使生产更高密度、更高速度的处理器和存储芯片成为可能。
这一代的计算机系统的主要特点是大规模并行数据处理及系统结构的可扩展性，这使计算机系统不仅在构成上具有一定的灵活性，而且大大提高了运算速度和整体性能。
2．微型计算机的发展
现代高性能计算机系统的研制成功促进了科学技术的发展，成为众多领域内不可缺少的工具。
社会的发展使得计算机必将走进千家万户，这就使得PC（PersonalComputer）的出现成为了历史的必然。
PC具有强大的处理信息能力，这主要因为它有一个称为微处理器的大规模集成芯片，微处理器的发展过程如表1-2所示。
世界上第一个通用微处理器Intel4004在1971年问世，称为第一代微处理器。
按今天的标准衡量，它处理信息的能力低得可怜，但正是这个不太起眼的芯片，改变了人们的生活。
世界上第一台微型计算机Altair8800是1975年4月由一家名为Altair的公司推出的，采用了Zilog公司的Z80芯片做微处理器。
虽说它是PC真正的祖先，但其在外形上与今天的PC有着天壤之别，如图1-2所示。
它没有显示器，没有键盘，面板上只有指示灯和开关，给人的感觉更像是一台仪器箱。
图1-3为世界上第一台微处理器Intel4004的内外部结构。
表1-2微处理器的发展阶段
微处理器
推出时间/年
字长/位
主频/MHz
集成度/（晶体管数/片）
4004
1971
4
0.7
2300
8086/8088
1981
16
5～8
2.9万
80286
1982
16
6～25
13.4万
80386
1985
32
16～40
27.5万
80486
1989
32
25～100
120万
Pentium
1993
32
60～233
310万
PentiumⅡ
1997
32
133～450
750万
PentiumⅢ
1999
32
350～550
950万
PentiumⅣ
2000
32/64
1400以上
4200万
图1-2第一台微型计算机Altair8800图1-3第一台微处理器Intel4004的内外部结构
PC真正的雏形应该是后来的苹果计算机，它是由Apple公司的创始人乔布斯（S.Jobs）和他的同伴在一个车库里组装出来的。
今天，微型计算机已真正进入到了千家万户，它在功能上、运算速度上都已超过了当年的大型机，而价格却远低于大型机。
真正实现了其大众化、平民化和多功能化的设计目标。
微型计算机（简称微机）在诞生之初就配置了操作系统，其后的操作系统也在不断发展。
在20世纪70年代中期到80年代初期，微机上运行的一般是单用户单任务操作系统，如CP/M、CDOS、MDOS和早期的MS-DOS。
20世纪80年代到90年代初，微机操作系统开始支持单用户多任务和分时操作，以MP/M、XENIX和后期MS-DOS为代表。
近年来，微机操作系统得到了进一步的发展，以Windows、UNIX（包括Linux）、Solaris和MacOS等为代表的新一代微机操作系统都已经具有多用户和多任务、虚拟存储管理、网络通信支持、数据库支持、多媒体支持、应用编程接口（API）支持和图形用户界面（GUI）支持等功能。
3．计算机的发展趋势
（1）电子计算机的发展方向
从类型上看，今天的电子计算机技术正在向巨型化、微型化、网络化和智能化这四个方向发展。
巨型化不是指计算机的体积大，而是指计算机具有运算速度高、存储容量大以及功能更完善的系统。
巨型机的应用范围如今已日渐广泛，它在航空航天、军事工业、气象、电子和人工智能等几十个学科领域发挥着巨大的作用，特别是在复杂的大型科学计算领域，其他的机种难以与之抗衡。
微型化是指大规模和超大规模集成电路的飞速发展，使得计算机的核心部件微处理器更新换代迅速，微型机的性能不断跃升。
现今，除了办公桌上的台式微机外，还有便携式笔记本电脑，掌上电脑等。
也许有一天，计算机植入人体也不会仅仅是梦想。
网络化是指网络技术的快速发展，众多的计算机相互连接，形成了一个规模庞大、功能多样的网络系统，实现了大量的信息通信和资源共享。
网络成为人们生活中不可或缺的组成部分。
智能化是指要求计算机具有人的智能，能够进行图像识别、定理证明、研究学习、探索、联想、启发和理解人的语言等，它是新一代计算机要实现的目标。
但是，目前几乎所有的计算机都被称为冯·诺依曼计算机，那么从现有的研究情况看，未来新型计算机将可能在哪些方面取得革命性突破呢？
（2）未来的新型计算机
计算机中最重要的核心部件是芯片。
然而，以硅为基础的芯片制造技术的发展是有限的。
由于存在磁场效应、热效应、量子效应以及制作上的困难，必须开拓新的制造技术。
那么哪些技术可能引发下一次的计算机技术革命呢？
从现有的情况看，可能的技术至少有四种：
纳米技术、光技术、生物技术和量子技术。
①光子计算机
光子计算机利用光子取代电子进行数据运算、传输和存储。
与电子计算机相比，光子计算机具有超高速、强大并行处理能力、大存储量、非常强的抗干扰能力和与人脑相似的容错性等优点。
目前光子计算机的许多关键技术，如光存储技术、光存储器和光电子集成电路等都已取得重大突破。
②生物计算机
生物计算机在20世纪80年代中期开始研制，其最大的特点是采用了生物芯片。
生物芯片由生物工程技术产生的蛋白分子构成。
在这种芯片中，信息以波的形式传播，运算速度比当今最新一代计算机快10万倍，能量消耗仅相当于普通计算机的1/10，并且拥有巨大的存储能力。
由于蛋白分子能够自我组合，再生新的微型电路，使得生物计算机具有生物体的一些特点，如能发挥生物本身的调节机能自动修复芯片发生的故障，还能模仿人脑的思考机制。
③量子计算机
这是一种基于量子力学原理的、采用深层次计算机模式的计算机。
这种模式只由物质世界中一个原子的行为所决定，而不是像传统的二进制计算机那样将信息分为0和1，对应于晶体管的开和关来进行处理。
在量子计算机中最小的信息单元是一个量子比特。
它是以多种状态同时出现。
这种数据结构对使用并行结构计算机来处理信息是非常有利的。
量子计算机具有一些近乎神奇的性质：
信息传输可以不需要时间，信息处理所需能量可以接近于零。
与传统的电子计算机相比，量子计算机有以下优势：
解题速度快，存储量大，搜索功能强劲和安全性较高等。
1.1.2我国计算机的发展
我国对计算机的研究，虽然起步较晚，但是发展较快。
从20世纪50年代开始研制高性能计算机，其发展的阶段与国际发展相类似，也经历了大型机、超级计算机、高性能计算机时代。
1．第一阶段（1957—1962年）
1957年，哈尔滨工业大学研制成功了中国第一台模拟式电子计算机。
1958年，中国第一台计算机——103型通用数字电子计算机由中国科学院计算所与北京有线电厂共同研制成功，运行速度每秒1500次，字长31位，内存容量1024B。
1959年，中国研制成功104型电子计算机，内存容量为2048B，字长39位，运算速度为每秒10000次，为我国尖端武器的发展做出了重要贡献。
1960年，中国第一台大型通用电子计算机——107型通用电子计算机研制成功，其字长32位，内存容量为1024B，有加减乘除等16条指令，主要用于弹道计算。
2．第二阶段（1963—1972年）
1963年，中国第一台大型晶体管电子计算机——109机研制成功。
这标志着中国电子计算机进入了第二代。
1964年，441B全晶体管计算机研制成功，字长40位。
1965年，中国第一台百万次集成电子计算机“DJS-Ⅱ”型的操作系统编制完成。
1967年，新型晶体管大型通用数字计算机诞生。
1968年，北京大学承接研制百万次集成电路数字电子计算机——150机。
1970年，中国第一台具有多道程序分时操作系统和标准汇编语言的计算机——411B-Ⅱ型全晶体管计算机研制成功。
1972年，每秒运算11万次的大型集成电路通用数字电子计算机研制成功。
3．第三阶段（1973—1982年）
1973年，中国第一台百万次集成电路电子计算机研制成功，字长48位，存储容量13KB。
1974年，DJS-130，131，132，135，140，152，153等13个机型先后研制成功。
1976年，DJS-183，184，185，186，1804机研制成功。
我国台湾省台中农学院发明了第一代仓颉输入法。
1977年，中国第一台微型计算机DJS-050机研制成功。
1979年，中国研制成功每秒运算500万次的集成电路计算机——HDS-9。
1981年，中国研制成功的260机平均运算速度达到每秒1000万次。
《信息交换用汉字编码字符集基本集》GB2312—1980国家标准正式发布实施。
4．第四阶段（1983—1992年）
1983年，国防科技大学研制成功“银河I型”巨型计算机，运算速度达到每秒1亿次。
1985年，华光I型汉字激光照排系统投入生产。
1986年，中华学习机投入生产。
1987年，第一台国产的286微机——长城286正式推出。
1988年，第一台国产386微机——长城386推出，中国发现首例计算机病毒。
1990年，中国首台高智能计算机——EST/IS4260智能工作站诞生，长城486计算机问世。
1992年，中国最大的汉字字符集——6万计算机汉字字库正式建立。
5．第五阶段（1992年至今）
图1-4我国10亿次巨型银河计算机
1993年，中国第一台10亿次巨型银河计算机II型通过鉴定，如图1-4所示。
1995年，曙光1000大型机通过鉴定，其峰值可达每秒25亿次。
1997年，银河-Ⅲ并行巨型计算机研制成功。
1999年，银河-Ⅳ巨型机研制成功。
1.1.3计算机的特点和应用
1．计算机的特点
一般计算机具有以下几个基本特点：
∙运算速度快。
运算速度是指计算机每秒能执行多少条基本指令，常用单位是MIPS（即每秒执行百万条指令）。
运算速度是计算机的一个重要性能指标。
随着计算机技术的进步，运算速度在不断地提高。
例如，我国曙光4000A计算机，运算速度是10万亿次/s。
PentiumⅢ（奔腾Ⅲ代）微机的运算速度为每秒20亿条指令，即2000MIPS。
∙计算精确度高。
利用计算机可以获得较高的有效位。
例如，利用计算机计算圆周率，目前可以算到小数点后上亿位。
∙存储容量大。
计算机的存储器能够存储大量的信息。
它可以长久地存储大量文字、图形、图像、声音等信息资料。
∙具有逻辑判断能力。
计算机的运算器除了完成基本的算术运算外，还具有很强的逻辑判断能力。
这种能力是计算机进行逻辑推理的前提。
以实现计算机工作的自动化，从而保证计算机控制的判断可靠、反应迅速和控制灵敏。
∙自动化程度高。
计算机从开始工作到送出计算结果的整个过程均是在程序的控制下自动进行的。
∙通用性强。
只要将需要解决的问题编写成程序输入计算机，计算机就能够求解，所以计算机能广泛地应用于各个领域。
2．计算机的应用
计算机诞生以后的半个多世纪里，计算机的应用发展极为迅速，已渗透到社会的各行各业，正在改变着传统的工作、学习和生活方式，推动着社会的发展。
在现代生活的每一天，从航天飞行到交通通信，从教师授课到学生学习与考核，从产品设计到生产过程控制，从天气预报到地质勘探，从图书馆管理到商品销售，从自动取款到资料的收集和检索等，都离不开计算机。
计算机主要应用在科学计算、数据采集和处理、信息传输和处理、实时控制、计算机辅助教学、计算机辅助设计、人工智能与机器人等方面。
（1）科学与工程计算
科学计算是计算机最早的应用方面。
计算机用于完成科学研究和工程技术中所提出的数学问题（数值计算），如人造卫星轨迹的计算、水坝应力的计算和气象预报的计算等。
应用计算机进行数值计算，速度快，精度高，可以大大缩短计算周期，节省人力和物力。
图1-5为计算机在科学计算中的应用。
（2）信息处理
信息处理主要是指非数值形式的数据处理，包括对数据资料的收集、存储、加工、分类、排序、检索和发布等一系列工作，传输和处理的信息有文字、图形、声音和图像等。
信息处理是目前计算机应用中最广泛的。
例如，银行可用计算机来管理账目；工矿企业可用计算机进行生产情况统计、成本核算、库存管理、物资供应管理和生产调度等；办公自动化系统（OA）；管理信息系统（MIS）；决策支持系统（DSS）等。
这些工作的核心是数据处理，它们采用的计算方法比较简单，但数据处理量大，输入/输出（Input/Output）操作频繁。
图1-6为计算机在股票数据处理方面的应用。
图1-5科学计算——实验室专用计算机系统图1-6数据处理——股票分析系统
（3）过程控制
过程控制又称实时控制，是指计算机实时采集检测数据，按最佳方法迅速地对被控制对象进行自动控制或自动调节。
利用计算机进行过程控制，不仅提高了控制的自动化水平，而且大大提高了控制的及时性和准确性，从而改善了劳动条件，提高了质量，节约了能源，降低了成本。
计算机广泛应用在科学技术、军事、工业和农业等各个领域的控制过程中。
由于过程控制一般都是实时控制，要求计算机可靠性高，响应及时。
目前在实时控制系统中广泛采用集散系统，即把控制功能分散给若干台计算机担任，而操作管理则集中在一台或多台高性能的计算机上进行。
图1-7为计算机在过程控制方面的应用。
（4）计算机辅助系统
计算机辅助系统包括计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助教学（CAI）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）、计算机集成制造（CIMS）、计算机辅助软件工程（CASE）等系统。
计算机辅助设计和辅助制造结合起来可直接把CAD设计的产品加工出来。
近年来，CIMS又成为制造自动化技术的前沿和方向。
CIMS是集工程设计、生产过程控制、生产经营管理为一体的高度计算机化、自动化和智能化的现代化生产大系统，是制造业的未来。
图1-8为计算机在CAD方面的应用。
图1-7集装箱生产过程控制和可视化管理系统图1-8使用Lightscape制作的建筑效果图
（5）多媒体技术应用
把数字、文字、声音图形、图像和动画等多媒体有机组合起来，利用计算机、通信和广播电视技术，使它们建立起逻辑联系，并能进行加工处理（包括对这些媒体的录入、压缩和解压缩、存储、显示和传输等）的技术。
目前多媒体计算机技术的应用领域正在不断拓宽，除学习知识、电子图书、商业及家庭应用外，在远程医疗、视频会议中都得到了极大的推广。
（6）计算机网络应用
计算机网络是计算机技术与通信技术结合的产物。
计算机网络技术的发展，使不同地区的计算机之间实现软、硬件资源共享，大大地促进和发展了地区间、国际间的通信和各种数据的传输及处理。
这些应用包括电子商务、电子政务和网络教育等。
图1-9为电子商务网站的页面。
（7）人工智能
人工智能（AI）是指使用计算机模拟人的某些智能，使计算机能像人一样具有识别文字、图像、语音以及推理和学习等能力，是一门研究解释和模拟人类智能、智能行为及其规律的学科，其主要任务是建立智能信息处理理论，进而设计可以展现某些近似人类智能行为的计算系统。
人工智能的研究领域包括知识工程、机器学习与数据挖掘、自然语言理解、模式识别、专家系统以及智能计算等多个方面。
图1-10和图1-11为人工智能的两个应用实例。
图1-9电子商务网站图1-10机器人图1-11人机对弈
答疑：
1．在介绍近代计算机发展史的文章中有“摩尔定律”一词，是指什么？
1965年Intel公司的创始人之一戈登·摩尔曾预言，集成电路中的晶体管数每年（后来改成每隔18个月）将翻一番，芯片的性能也将随之提高一倍。
这一预测被计算机界称为“摩尔定律”，近代计算机的发展历史充分证实了这一定律。
芯片集成度的日益提高和计算机体系结构的不断改进，使得计算机的性能不断提高，体积不断缩小，而价格却不断下降。
2．“裸机”是个什么概念？
指没有安装任何软件的计算机。
没有安装任何软件的计算机是无法工作的，目前普通用户所面对的都是在“裸机”之上安装若干软件之后所构成的计算机系统。
3．一台计算机标识为“Pentium42.0G”是什么意思？
“Pentium4”是CPU品牌标志，“2.0G”指计算机的主频为2.0GHz，这是计算机的主要技术指标。
1.2基于计算机的信息表示
1.2.1数制与数制间的转换
日常生活中最常采用的数制是十进制（Decimal）。
用0～9的10个数字来表示数据。
在电子数字计算机中，所有的信息都采用二进制编码。
在二进制系统中只有两个数：
0和1。
图形、声音、视频等信息要存入计算机都必须转换成二进制数码形式。
这是因为在计算机内部，信息的表示依赖于机器硬件电路的状态，而构成计算机的电子元件的两种状态是导通和截止。
两种状态也实现了逻辑值“真”与“假”的表示。
采用二进制（Binary）表示信息具有易于物理实现、运算简单、机器的可靠性高和通用性强等优点。
此外，在编程中为了书写方便还经常使用八进制（Octal）和十六进制（Hexadecimal）。
在此，首先简要介绍各种进制，再讨论不同进制数之间的转换问题。
1．数制
（1）十进制：
由数码0，1，…，9组成，基数为10，用D表示或省略，逢十进一。
例如，34.32。
（2）二进制：
由数码0，1组成，基数为2，用B表示，逢二进一。
例如，11101111B。
（3）八进制：
由数码0，1，…，7组成，基数为8，用O表示，逢八进一。
例如，431.6O。
（4）十六进制：
由数码0，1，…，9，A，B，…，F组成，基数为16，用H表示，逢十六进一。
例如，
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