1.2 微型计算机系统的硬件组成与工作原理

1.2.1 微型计算机系统的硬件组成

关于微型计算机的硬件组成，传统的描述是沿用美籍匈牙利科学家冯·诺依曼提出的“存储程序和程序控制”的设计思想。按照这一设计思想，微型计算机系统的硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大基本部件组成，如图1-1所示。计算机内部采用二进制数据格式表示数据和指令。程序将被事先存入主存储器中，计算机工作时能在不需要操作人员干预的情况下，自动逐条取出指令并执行。

对于微型计算机的硬件组成，还可以细分一下，如图1-2所示。

1.微处理器

微处理器包含运算器和控制器，微处理器的性能基本决定了计算机的性能，是微型计算机的核心。随着微电子技术的发展，微型计算机的发展基本遵循摩尔定律。1971年，Intel公司研制成功了第一台微处理器Intel 4004，并以此为核心组成了微型计算机MCS-4。1973年该公司又研制成功了8位微处理器Intel 8080。随后，其他许多公司竞相推出各类微处理器和微型计算机产品。1977年，美国APPLE公司推出了著名的APPLEⅡ计算机，它采用8位的微处理器，是第一种被广泛应用的微型计算机，开创了微型计算机的新时代。1981年，IBM公司基于Intel 8088芯片推出的IBM-PC计算机以其优良的性能、低廉的价格及技术上的优势迅速占领市场，使微型计算机进入了一个迅速发展的使用时期。在短短的十几年内，微型计算机经历了从8位到16位、32位再到64位的发展过程。

2.协处理器

协处理器用于特定任务的处理，以减轻系统微处理器的负担，是微型计算机系统的选配硬件。例如，数学协处理器可以控制数字处理；图形协处理器可以处理视频绘制。常见的协处理器有Intel 8087。

3.内存储器（也称主存或内存）

内存储器用于存放计算机正在运行的程序和用到的数据等，分为随机存取存储器RAM（Random Access Memory）和只读存储器ROM（Read-Only Memory）两大类。

随机存取存储器（RAM）：RAM接受程序的控制，可由用户写入数据或读出数据，但是断电后数据会消失。RAM可以用来临时存放程序、输入数据和中间结果等。

只读存储器（ROM）：ROM中的信息由厂家预先写入，一般用来存放自检程序、配置信息等。通常只能读出而不能写入，断电后信息不会丢失。

4.总线控制逻辑

微型计算机系统采用总线结构，总线是连接计算机各组成部件的公共数据通路。在微型计算机系统中，总线分片内总线、片级总线和系统总线。其中片内总线用以连接CPU内部的各个部件，例如ALU、通用寄存器、内部Cache等。片级总线用以连接CPU、存储器及I/O接口等电路，构成所谓的主机板。系统总线主要用来连接外部设备，系统总线的直观形式就是主板上的扩充插槽。

主板与外部设备之间的数据传输必须通过系统总线，所以系统总线包含的信号线必须满足下列各种输入/输出操作的需要：

① 访问分布于主板之外的存储器；

② 访问I/O接口；

③ 适应外部中断方式；

④ 适应存储器直接与外部设备交换信息。

总线控制逻辑的任务就是产生和接受这些操作所需要的信号。

5.外存储器（也称辅存或外存）

外存储器用来存储大量暂时不参加运算或处理的数据和程序，是主存的后备和补充。常见的外存储器主要有：

硬盘：安装在主机箱内，常见容量有：40GB、80GB、120GB等。

光盘：信息读取要借助于光驱，其容量为650MB。

DVD光盘：存储密度高，存储容量大，容量一般为4.7GB。

U盘：是利用闪存在断电后还能保持存储的数据不丢失的特点而制成的，特点是重量轻、体积小。

移动硬盘：可以通过USB接口即插即用，特点是体积小、重量轻、容量大、存取速度快。

1.2.2 微型计算机系统的工作原理

1.指令、指令系统和程序

指令是指示计算机执行某种操作的命令，它由一串二进制代码组成。一条指令通常由操作码和操作数两个部分组成。操作码指明该指令要完成的操作的类型或性质，如取数、加法、减法或逻辑乘等。操作数指明操作对象本身或操作对象所存储的位置——寄存器名或存储单元地址。

一台计算机所能识别和执行的全部指令的集合，称为该计算机的指令集合或指令系统，它描述了计算机内全部的控制信息和“逻辑判断”能力。不同计算机的指令系统包含的指令种类和数目也不同。一般均包含算术运算型、逻辑运算型、数据传送型、条件控制型、输入/输出等指令。指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它的格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，而且也直接影响到系统软件，影响到机器的适用范围。

计算机根据人们预定的安排（即存储在内存中的程序），自动地进行数据的快速计算和加工处理。人们预定的安排是通过一个指令序列来表达的，这个指令序列就称为程序。一条指令规定计算机执行的一个基本操作，一个程序规定计算机完成的一个完整任务。

2.机器语言、汇编语言和高级语言

机器语言是直接用二进制代码指令表达的计算机语言。二进制代码指令是用0和1组成的一串代码，它们有一定的位数，并分成若干段，各段的编码表示不同的含义。用机器语言编写的指令是计算机唯一能直接识别和执行的指令。

为了便于记忆和书写，每条二进制代码指令都可以用字母或符号来表示，称为汇编语言。汇编语言能够直接访问与硬件相关的存储器或I/O端口，能对关键代码进行更准确的控制，能避免因线程共同访问或者硬件设备共享引起的死锁，能最大限度地发挥硬件的功能。

使用汇编语言编写的指令和程序，计算机不能直接识别和执行，需要通过一种程序将汇编语言翻译成机器语言后才能被计算机识别和执行。这种起翻译作用的程序叫汇编程序。利用汇编程序将汇编语言翻译成机器语言的过程称为汇编。

由于汇编语言依赖于计算机硬件体系结构，而且助记符量大难记，于是人们又设计了更加易用的高级语言。例如，C++、Java等。高级语言程序“看不见”机器的硬件结构，不能用于编写直接访问机器硬件资源的系统软件或设备控制软件。为此，一些高级语言提供了与汇编语言之间的调用接口。用汇编语言编写的程序，可作为高级语言的一个外部过程或函数，利用堆栈来传递参数或参数的地址。

3.微型计算机系统的工作原理

微型计算机（简称微机）的工作就是运行程序。正常情况下，一台微机通电后就开始运行某种程序。运行程序就是依次逐条从存储器中取出指令并完成指令规定的动作。如前所述，微机系统的基本工作原理是存储程序和程序控制。按照这一原理，预先要把指挥计算机如何进行操作的指令序列（程序）和原始数据通过输入设备输送到计算机的内存储器中。每条指令明确规定了计算机从哪个地址取数，进行什么操作，然后送到什么地址等。在执行程序时，CPU根据当前程序指针寄存器的内容取出指令并执行指令，然后再取出下一条指令并执行，如此循环下去，直到程序结束指令时才停止。微机的整个工作过程就是不断地取指令和执行指令的过程，期间所涉及的计算机硬件部件有：内存储器、指令寄存器、指令译码器、控制器、运算器和输入/输出设备等。