1.4　微型计算机硬件系统

1.4.1　微型计算机硬件系统构成

微型计算机的组成及工作原理与其他各类数字计算机一样，实质上依然属于冯·诺依曼原理。硬件系统由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。遵循“存储程序”原理工作，是一种能按照程序对各种数据和信息进行预定加工和处理的自动机。

微型计算机由微处理器（Microprocessor）、存储器、各种输入/输出接口电路，以及系统总线（Bus）组成。微型机一方面将运算器和控制器两个功能部件组合在一起，另一方面支持整个机器各功能部件之间的相互关系转化为面向总线的单一关系。后者可以说是微型计算机在结构上简化的关键。它不仅为微型机的生产和组成提供了方便，而且为微型机在产品的标准化、系列化以及通用性方面打下了基础，微型机的组成原理结构如图1-5所示。

微处理器也就是传统计算机的中央处理器，即CPU。它是一个大规模集成电路器件。微处理器包含内部通用寄存器、算术逻辑运算部件、控制电路以及为微型机正常工作提供的定时信号和时钟电路。微处理器在内部结构的形式上采用内部总线方式，内部各功能单元均挂在同一组内部数据总线上，可减少内部连线所占的面积以提高集成度，提高产品的可靠性。

微型机的存储器用于存放程序和数据。为了满足存储容量和存取速度的需要，计算机采用分级存储方式：速度较高的半导体存储器作为主存（内存），主存可分为随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM），RAM的主要特点是存储容量小、速度快，切断电源后信息随即丢失。容量大、速度相对较低、切断电源后信息不会丢失的磁表面存储器作为辅助存储器（外存）。在微型机中内存用于存放系统软件、用户程序及数据，辅助存储器以外围设备的方式连接到计算机系统中，存放容量、暂时不用或需变换的外部软件或数据。

输入/输出接口（简称I/O接口）是微型机与外围设备连接的逻辑控制部件，也可以说是计算机与外围设备进行信息传递的桥梁，根据信息传递的方式不同又分为并行接口和串行接口。微型计算机系统的处理能力不单取决于微处理器的能力，还与所配置的外部设备密切相关。因此，接口的设备与性能因微型机系统的需要而异，并对整体性能的影响较大。

微型计算机采用总线结构。所谓总线（Bus），就是连接各器件或部件进行信息传递的一组公共传输线路。

在CPU内部的逻辑器件之间传递数据的总线称为内总线，将CPU的各功能单元通过一组数据总线连接起来，或者说各功能单元挂在一组数据总线上，构CPU内部的数据传递通路。CPU采用内部总线结构可以减少内部连线所占的面积以提高集成度，也可大大提高生产过程中产品的可靠性。

在CPU之外，将CPU与存储器、外部设备接口进行连接的总线称为外部总线。外部总线按所传输信息的内容又可分为数据总线DB（Data Bus）、地址总线AB（Address Bus）、控制总线CB（Control Bus）。

数据总线用于在总线上各器件、设备之间传送数据信息。数据总线都具有双向传送功能，亦称为双向总线。它既可供CPU送出数据，也可供其他部件将数据送至CPU。数据总线上是由许多导线组成，数据总线上数据线的多少通常与微型机的字长相一致。例如，16位机的数据总线由16根线组成，32位机的数据总线则包括32根线。在计算机中，“数据”有比较广的含义，在具体工作过程中，数据总线上所传送的信息并不一定完全是数值数据，它可能是指令代码、某些状态信息或相关的控制信息。

总线的带宽（总线数据传输速率）指的是单位时间内总线上传送的数据量，即最大稳态数据传输率。与总线密切相关的两个因素是总线的位宽和总线的工作频率，它们之间的关系：总线的带宽=总线的工作频率×总线的位宽/8

总线的位宽指的是总线能同时传送的二进制数据的位数，或数据总线的位数，即32位、64位等总线宽度的概念。总线的位宽越宽，每秒钟数据传输率越大，总线的带宽越宽。

总线的工作时钟频率以MHz为单位，工作频率越高，总线工作速度越快，总线带宽越宽

地址总线是传送地址信息的一组线路，用于选择信息传送的对象、存储器单元或外部设备。地址总线是单向总线，地址信息总是由源部件发送到目的部件。例如，CPU向内存储器传送数据时，必须首先将存储单元地址送到总线上，只有接收数据的存储单元响应这个地址，其他存储单元或设备不响应。地址总线的宽度（位数）将决定微处理器与存储器的容量相对应。若存储器的容量为64K，地址总线的位数应为16（216=65536），20根地址线可表达内在储器的存储单元寻址范围为1M。一般来说，若地址总线为n位，则可寻址空间为2n位。

地址总线的宽度，随可寻址的内存元件大小而变，决定有多少的内存可以被存取。比喻一个16位元件宽度的位址总线达216=65536=64K的内存位址，而一个32位单元位址总线可以寻址到4294967296=4G的位址。但现在很多计算机内存已经大于4GB（Windows XP x32位系统最大只能识别3.29GB，所以要使用4GB以上大内存就要用Windows 64位系统）。所以目前主流的计算机都是64位的处理器也就是说可以寻址到264的位址，在很长一段时间内这个数字是用不完的。

控制总线是传递计算机中控制信号的一组线，用于发布控制命令和实现对设备的控制和监视功能。控制总线通常都是单向线，有从CPU发送出去的，也有从外围设备发送出去的。例如，CPU与内存之间传送数据时，在地址总线传送地址信息选中存储单元后，CPU通过控制总线发出“读”或“写”命令到内存储器，启动内存执行读操作或写操作。同时通过控制总线监视内存送来的回答信号，判断内存的工作是否已完成。

设置系统总线是计算机外部结构上的一个特点。采用这种结构方式，不仅可以使计算机在系统结构上具有简单、规整和易于扩展的特点，而且使整个系统中各组成部件之间的相互关系变为面向总线的单一关系。为了应用开发的需要，计算机系统使用两种总线标准：一种是并行总线标准，另一种是串行总线标准。只要符合总线规范的功能部件就可接到总线上。