第二章 微型计算机的基本结构

第二章 微型计算机的基本结构 2.1 微型计算机系统

微型计算机系统是由硬件和软件两部分组成的。 2.1.1 微型计算机的硬件

冯 诺依曼“存储程序控制式”计算机系统机构是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成的。

运算器和控制器合称为中央处理器，把中央处理器的功能集成在一个芯片上的大规模或超大规模集成电路，称作微处理器，简称MPU 。

微型计算机由微处理器、存储器、输入\输出接口和总线组成。 总线（BUS ）是一组公共信息传输线，分为

内部总线：互连芯片内部各个装置的总线。

系统总线：微处理器、存储器和输入\输出设备接口之间的总线。 外部总线：微机与外部设备之间的总线。

按功能分为

数据总线：（DB ）微处理器向内存、输入\输出接口之间传送数据。（双向线）

地址总线：（AB ）微处理器向内存、输入\输出接口之间传输地址。（单向线） 控制总线：（CB ）微处理器向其他部件传输控制信息和其他部件向微处理器传输

状态信息，从而协调各部件工作。

一、微处理器 1、发展概况

第一代（1971年开始）

第一块微处理器是 单片处理器，4位，集成了2250个晶体管，有16个 引脚。

1972年Intel 8008，8位微处理器。 第二代（1974年开始）

Intel 8008 微处理器，同时有motorola M6800 、Zilong Z80。 第三代（1978年开始） Intel 8086微处理器，字长有16位， 20位的AB 、16位DB ，时钟频率达到5~40MHz， 是单用户单任务的微处理器。到1982年Intel 80286（16位）的微处理器具有多任务系统必须得任务转换功能，存储器管理能力和多种保护功能。 第四代（1985年开始）

Intel 80386（32位）微处理器，有32位DB 和AB ，集成了30万个晶体管。1989年Intel 80486（32位）微处理器问世的有120万个晶体管运算速度是80286的2到3倍。 第五代（1993年开始）

Intel Pentium系列微处理器。 2、微处理器的逻辑组成 1）、运算器： 是数据处理装置。

功能 ：用来完成算术与运算、逻辑运算及逻辑判断等操作。

2）、控制器： 是发布命令的装置。

功能 ：控制计算机自动执行程序，指挥和协调各部件的工作，能处理异

常事件。

3）、高速缓存： 是微处理器中的一个存储空间。（Cache ）

功能 ：暂存程序和数据，减少CPU 和存储器的存取次数，提高了CPU

处理数据的速度。

4）、时钟 ：是以个脉冲发生器。

功能 ：控制CPU 所执行的每一个操作，协调微处理器各部件同步地运行。 频率 ：单位时间内的脉冲数（Hz ），时钟频率又称主频，主频越高，CPU 的运行速

度越快。

3、微处理器的性能指标 1) 、字长

在同一时间中处理二进制数的位数叫字长。通常称处理字长为8位数据的CPU 叫8位CPU ，32位CPU 就是在同一时间内处理字长为32位的二进制数据。

字长：一般说来，计算机在同一时间内处理的一组二进制数称为一个计算机的“字”，而这组二进制数的位数就是“字长”。在其他指标相同时，字长越大计算机的处理数据的速度就越快。早期的微机字长一般是8位和16位，386以及更高的处理器大多是32位。目前市面上的计算机的处理器大部分已达到64位。 2）、时钟频率

时钟频率就像发动机转速，以一定频率在转，但能跑多快还要具体分析 。频率越高，对信号质量要求越高，能耗越大。

CPU 的运行频率，单位为Mhz ，数字愈大代表CPU 执行指令的速度愈快，1978年问市的IBM PC 采用5MHz 的intel 8086CPU，1998年intel 发表了400MHz 的Pentium II-400 CPU。

时钟频率也叫主频，单位是MHz ，用来表示CPU 的运算速度。CPU 的时钟频率（主频）包括两部分：外频与倍频，两者的乘积就是主频。倍频的全称为倍频系数。CPU 的主频与外频之间存在着一个比值关系，这个比值就是倍频系数，简称倍频。倍频可以从1.5一直到23以至更高，以0.5为一个间隔单位。外频与倍频相乘就是主频，所以其中任何一项提高都可以使CPU 的主频上升。由于主频并不直接代表运算速度，所以在一定情况下，很可能会出现主频较高的CPU 实际运算速度较低的现象。因此主频仅仅是CPU 性能表现的一个方面，而不代表CPU 的整体性能。

时钟频率是默认的，一般情况下和工作频率一样，但超频或降频后工作频率就改变了。

3）、工作电压working voltage 是指CPU 正常工作所需的电压，提高工作电压，可以加强CPU 内部信号，增加CPU 的稳定性能。但会导致CPU 的发热问题，CPU 发热将改变CPU 的化学介质，降低CPU 的寿命。早期CPU 工作电压为5V ，随着制造工艺与主频的提高，CPU 的工作电压有着很大的变化，PIIICPU 的电压为1.7V ，解决了CPU 发热过高的问题。

4）、高速缓存

高速缓冲存储器(Cache) 这种局部存储器是面向CPU 的，引入它是为减小或消除CPU 与内存之间的速度差异对系统性能带来的影响。Cache 通常保存着一份内存储器中部分内容的副本（拷贝），该内容副本是最近曾被CPU 使用过的数据和程序代码。Cache 的有效性是利用了程序对存储器的访问在时间上和空间上所具有的局部区域性，即对大多数程序来说，在某个时间片内会集中重复地访问某一个特定的区域。

一级缓存：L1 Cache 将指令和数据分开的，双路Cache ，容量较小。 二级缓存：L2 Cache 是指令和数据存放在一起的高速缓存，容量较大。 三级缓存：L3 Cache 在主板上外置的容量较大的缓存。

5）、数据总线的宽度 决定信息的传输量。 6）、地址总线的宽度

决定了CPU 访问的物理地址空间。 7）、内置协处理器

用于数值或超越函数运算的专用微处理机。可以提高特定类型数值计算的速度和精度。

二、系统控制器

微处理机 微处理器（MPU ） 时钟发生器 系统控制器 1、 功能：

1）、总线缓冲器：延长地址信号有效期，隔离，缓存和驱动数据总线上的数据，从而提高数据交换的可靠性。

2）、总线仲裁和分配：实现总线请求和总线授权的总线信息传输控制，仲裁又中断优先级设备的中断请求。

3）、处理器总线接口：组成对称的多处理器系统。

4）、内存控制器：同意管理地址转换，地址选通和内存的读写操作。

5）、I/O控制器 DMA 高速的外部设备与存储器之间直接传输信息控制器 中断控制器

IDE 控制器（连接硬盘、光盘驱动器） 键盘/鼠标控制器 实时时钟 6）、能源管理

7）、系统监测（温度测试等） 2、系统控制器芯片组

结构：南北桥芯片结构 cpu 类型、主频 内存的类型、容量

总线插槽

错误检查和纠正

（键盘控制器） RTC 时钟控制器 Usb 串行接口 Dma 数据传输方式 Acpi 高级能源管理

三芯片结构 GMCH （北桥）

ICH （南桥）

FWH （固件中心）是支持主板的综合芯片。 单芯片结构 （SiS ）