第1章微型計算機系統概述1.1微型計算機系統的硬件組成和基本工作機理

1.2微型計算機的軟件和操作系統

小結

習題一

1.1微型計算機系統的硬件組成

和基本工作機理

在計算機應用基礎和算法語言等課程中，對于計算機硬件組成通常描述為四大部分，即運算器、存儲器、輸入輸出設備和控制器。通過對四大部分的簡要描述，說明計算機的運行是如何仿照人用筆和紙進行計算的過程。可見，四大部件是從功能或邏輯的角度劃分的。對于微型計算機的硬件組成還可以用另外的分解方法。?圖1.1給出兩個微機系統硬件組成框圖。圖(a)是較早8086微處理器組成的IBMPC/XT系統的硬件框圖。此圖比較簡單，以下幾章的討論，如匯編語言程序設計和輸入輸出基本原理，均主要參照這個框圖。圖(b)是當前奔騰微處理器組成的微機系統的典型硬件框圖。圖1.1微機系統硬件組成框圖(a)早期微機系統的硬件組成；(b)當前微機系統的硬件組成圖1.1(a)用虛線分為兩部分，左側是主機板部分，右側是外圍(或外部)設備和接口邏輯部分。

主機板(MainBoard)又稱系統板(SystemBoard)和母板(MotherBoard)，它安裝在計算機機箱內。主機板上面的集成電路是微機系統的核心。圖1.1(a)給出的早期微機系統主機板包括微處理器、主存儲器RAM、存有開機必須首先運行的程序的只讀存儲器ROM、實現日歷計時和保存系統配置信息的RT/CMOSRAM以及總線控制邏輯。總線控制邏輯的作用是把微處理器與其它部件(如存儲器)或外部設備(如鍵盤、顯示器、打印機和磁盤等)連接起來。當前奔騰系列機的主機板要復雜得多。其主要部分如圖1.1(b)所示，除了高檔微處理器之外，功能很強的“北橋”邏輯和“南橋”邏輯取代圖1.1(a)中的“總線控制邏輯”，形成多種不同傳輸速率的總線。例如形成的存儲器總線和視頻顯示卡總線，其傳輸數據的速率非常高，可達數吉(千兆)位每秒以上。其它中低速外部設備不要求太高的傳輸速率，南橋芯片負責形成與中低速設備的連線。這樣就既能適應高速多媒體設備和中低速設備的需要，也能充分發揮高檔微處理器的高性能。下面對圖1.1中各部分做簡單介紹。后面的章節還將對相關部分進行深入討論。1.1.1微機系統中的微處理器

組成計算機四大功能部件的運算器和控制器都是由數字電路組成的，合起來稱為中央處理部件，縮寫為CPU(CentralProcessingUnit)。微型計算機系統中的微處理器(MicroProcessor)就是全部功能集成于一片超大規模集成電路的CPU。微處理器完成運算器和控制器功能。

當前微型計算機市場上，大多數微型計算機的微處理器是Intel公司推出的8086微處理器家族成員，有8086、80186、80286、80386、80486、奔騰(80586)、奔騰Ⅱ、奔騰Ⅲ和奔騰4等。可以把8086微處理器看做基礎，以后所推出的80286等微處理器雖然都有改進，但都保持與8086兼容，即都具有8086的基本邏輯結構。由8086微處理器組成的微機系統是IBMPC/XT及其兼容機，雖然市場上已經少見了，但從學習的角度出發，在學習匯編語言程序設計及許多部分的工作原理時，它仍然可以作為基礎進行學習。為了敘述方便，把80286及以后推出的微處理器，特別是奔騰處理器組成的微機系統，稱為高檔微機系統。與8086配合使用的協處理器(coprocessor)是可選的，即可有可無。在有協處理器的微機中，通常把浮點算術運算的任務交由協處理器完成，從而提高運算速度。這在解決包含大量浮點運算的任務時將大大提高效率。80486及以后的微處理器芯片已經集成了協處理器邏輯，所以在組成微機系統時，不再需要在主機板上安裝單獨的協處理器芯片。1.1.2芯片組和總線組織

圖1.1(a)中所示的“總線控制邏輯”只形成一種總線，連接到主機板上多個并行的插槽上。任何外部設備，如打印機、磁盤，必須各自有接口(邏輯)卡插入插槽，才能與主機連接。但當前微機系統的這部分則復雜得多，出現了許多新的情況：由于微處理器運行速度高，需要與存儲器大量快速交換信息；顯示設備不再是僅能以一行行靜態的字符形式向人提供信息，而是要顯示動態的三維圖像信息；微機系統與互聯網連接可能有兩種目的：一種是本身就是網絡設備，如用作服務器或路由器，另一種是作為終端用戶，它們要求以不同速度與網絡連接；外部設備，除了常規的打印機、鍵盤、鼠標、磁盤、光盤、音響設備等外部設備之外，用戶常常開發專用設備與微機系統連接。總之，隨著技術的發展和應用需求的提高，當前的奔騰系列機不再只有單一的一種總線，而是如圖1.1(b)所示那樣，用復雜邏輯形成多種總線和專用線。這個復雜邏輯包括北橋(northbridge)芯片和南橋(southbridge)芯片。主機板上的一組北橋芯片和南橋芯片有個專有名稱，稱為芯片組(chipset)。芯片組是主機板上除了CPU之外最重要的集成電路，它在很大程度上決定著微機系統的性能，Intel公司和其它廠家推出多個芯片組，以適應奔騰系列各種微處理器組成的不同性能要求的微機系統的需要。

簡單地說，北橋芯片與CPU直接連接，形成高速總線(如主內存總線、顯示總線AGP、千兆以太網總線)并與南橋芯片連接。南橋芯片則形成多種中低速總線和專用連線。1.1.3隨機存儲器RAM和只讀存儲器ROM

RAM和ROM是半導體存儲器中的兩大類型。RAM接受程序的控制，既可以向其中寫入數據存儲起來，又可以把其中存儲的數據讀出來。可見RAM可以存儲程序，也可以存儲程序運行時需要的數據、中間結果和最后結果。RAM包含的字節數(即容量)和工作速度是微機系統的重要性能指標。8086微處理器組成的微機系統最多只能有1MB(兆字節)的存儲器容量，而奔騰系列微處理器組成的微機系統最多可以有4GB(吉字節)，如果允許擴展尋址，最多可以有64GB的存儲器容量。只讀存儲器ROM的基本特點是其中存儲的信息是事先寫入的，在工作中不會改變，即使電源斷電也不會丟失。ROM中寫入的信息可以是常數，供程序讀出使用，也可以是完成特定任務的程序。1.1.4RT/CMOSRAM和BIOS

在高檔微機主機板上，都有一片稱為RT/CMOSRAM(ComplementaryMetal-OxideSemiconductor，簡稱CMOS)的集成電路。它在電池支持下工作，就是說在機器關掉電源后它仍在工作。它包括計數邏輯和256B(字節)的可讀寫存儲器，完成兩個功能：一個功能是計數和提供實時的日歷時間，包括年、月、日、時、分、秒；另一個功能是存儲系統配置的信息，例如系統的存儲器、顯示器、磁盤驅動器等的參數，這些信息都是系統運行時所需要的。上一節介紹了只讀存儲器ROM的基本特點。主機板上有一片ROM，稱為ROM-BIOS，或簡稱為BIOS(BasicInputOutputSystem)，是“基本輸入輸出系統”的英文縮寫。這個ROM芯片中固化著一組非常重要的程序。它們分別是：

(1)基本輸入輸出程序。這是一組驅動常規外部設備的子程序，例如鍵盤的讀入，顯示器字符的顯示，打印機的輸出打印等等，供系統軟件和用戶程序調用。

(2)?CMOS設置程序。如前所述，CMOSRAM中存儲著整個微機系統的配置信息。而這些信息是通過運行程序置入的。這段程序就是CMOS設置程序。一臺新買來的微型計算機通常要進行設置(Set-up)操作，或者每次開機時提醒用戶按某個特殊功能鍵，進入設置狀態進行設置操作，實際上就是運行CMOS設置程序往RT/CMOSRAM中置入系統配置信息。

(3)自診斷程序。開機時，這段程序通過讀取CMOSRAM中的內容識別硬件配置，并對其進行自檢和初始化。

(4)系統自舉裝載程序。在自診斷程序成功運行之后運行這段程序，開始從磁盤上裝入和運行操作系統。

顯然，CMOS和BIOS都是很重要的，但是要把它們區別開來，前者是保存特殊信息的RAM，后者是存有開機首先運行的一組程序的ROM。它們之間的聯系是CMOSRAM中的信息是在運行BIOSROM中的程序時獲得和置入的。1.1.5輸入輸出接口板

許多外部設備，例如顯示器、打印機和磁盤驅動器等，雖然它們都是不同廠家遵照某種標準生產的，但是它們的輸入輸出仍不能直接與微機系統的公用總線相連接。在公用總線與外部設備之間仍然需要適配邏輯——統稱為I/O接口板。?實際上每種外部設備都有自己的接口板，例如顯示器適配器、并行打印接口、磁盤接口板等。

隨著集成電路技術的發展，不僅各種設備的接口邏輯集成為專用的集成電路，而且已有一種趨勢，將多種外部設備的接口邏輯集成于一片電路中，出現各種多功能接口板。第8章將討論常用外部設備接口板的功能和編程方法。1.1.6微型計算機的基本工作機理

在學習高級語言編程時，我們并不知道計算機是如何執行一條條語句的，想象不出如全加器、寄存器等邏輯電路是如何完成求sin(x)等復雜函數語句的。現在可以回答這個問題了。理解這個問題涉及到指令、程序、程序存儲和程序的執行等幾個基本概念。

1.指令和程序

我們知道，以全加器為核心的算術邏輯單元(ALU)，在控制信號控制下，可以完成兩數相加、兩數相減、兩數邏輯加、一個數的取反、一個數取負等算術或邏輯運算。任何微處理器芯片中，都包括ALU邏輯，除上述基本算術邏輯運算外，微處理器還可以完成數據在寄存器之間、寄存器與存儲器之間、寄存器與外部設備之間的傳送操作。我們知道乘法是連加運算，除法的商可在連減的過程中產生，sin(x)等許多函數可以展開成只含加、減、乘、除基本運算的級數。總之無論多么復雜的運算都可以分解為一系列基本運算。計算機執行高級語言的任何一條語句，都是在執行了一系列基本運算后完成的。計算機能直接完成兩數加、減、邏輯乘、邏輯或以及數的取反、取負、傳輸等等許多基本運算或操作，每種基本運算或操作稱為一條指令。在學習微機原理和匯編語言編程時，指令是最基本、最重要的概念。如何理解指令和程序的概念?我們應掌握以下要點：

(1)一個微處理器所能執行的全部指令，就是這個微處理器的指令系統(InstructionSet)。一個微處理器的指令系統是設計微處理器時決定的，成為微處理器固有的功能。指令及指令系統所能完成的功能的強弱，是這種微處理器功能強弱的具體體現。

(2)指令在微處理器內是以代碼形式出現和施展控制的，任何一條指令都用與其它指令不同的代碼表示。假設微處理器內有寄存器A和寄存器B，又假設“寄存器A中的數與寄存器B中的數相加，其和存入寄存器A”是一條指令，并假設其指令碼為00000001，那么微處理器內一旦出現了指令碼00000001，?就會按指令功能的規定執行寄存器A與B內容相加，和存于A的操作。指令碼對操作的控制方法也是不難理解的：微處理器內有專用的寄存器寄存指令碼，這個寄存器稱為指令寄存器，它的輸出控制是專門設計的組合網絡，這個組合網絡能在指令碼控制下，把時鐘脈沖變換成完成該指令操作所需要的控制信號序列，加到ALU等執行邏輯，完成指令包含的一系列微細操作。

(3)按運算功能要求把指令排列起來，這就是程序。指令是構成程序的基本單元。對于不同型號的微處理器或由不同型號微處理器組成的微型計算機，可能編出具有相同運算功能的程序，例如都有計算cos(x)的功能，但編程用的指令和指令序列可能是不同的。這是因為不同型號微處理器有不同的指令系統，而且編程序時不能寫入指令系統中不存在的主觀臆造的“指令”。可見，這里所說的程序與高級語言編的程序有很大差別，高級語言編程用的語句絕大多數是不隨微機型號而改變的，而這里所說的編程序用的指令則完全依賴于微處理器的型號。高級語言易于學習掌握，因為其語句形式很接近自然語言，而這里所說的指令所指明的操作是計算機內的基本操作，只有那些有計算機原理知識的人才能理解，所以也只能由這樣的人編寫程序。直接用表示指令的二進制代碼編程，稱為用機器碼語言編程。為了便于記憶和書寫，每條指令的二進制代碼可用一組字母或符號表示，用字母或符號表示的指令編程稱為用匯編語言編程。用匯編語言編的程序最終必須變換成機器碼語言程序才能在計算機內執行。在計算機內，任何信息都必須以二進制代碼形式存在。不難想象，高級語言程序中的一條語句的功能都是靠若干條指令的程序段完成的。

(4)機器碼指令排出的程序在準備執行時，?必須存儲于存儲器中。?程序存儲于存儲器中，而不是臨時由人工把一條條指令輸入計算機，這一點成為計算機之所以有很強功能的關鍵之一。這是因為以電子速度從存儲器中取出指令要比人工輸入指令快很多很多。許多計算器沒有存儲程序的功能，在計算一個長的算術式時，要人工一步一步打入“指令”，這就是計算器與計算機的重要區別之一。

2.計算機的基本操作過程

建立了指令和程序的概念之后，不難總結出計算機的基本工作機理。計算機的工作就是運行程序，未運行程序的計算機就是未工作或“未上班”的計算機。在正常情況下，一臺微機的電源一接通，就開始運行某種程序，這是應該牢牢記住的概念。所謂運行程序，就是這樣一個連續的過程：逐條地從存儲器中取出程序中的指令并執行指令規定的操作。回顧前面討論的微型機硬件組成不難看出，計算機的硬件是實現上述過程的基礎。存儲器既存儲程序又存儲數據。微處理器逐條地從存儲器中取出程序中的指令碼，把指令碼變換成控制信號序列，將控制信號發向有關的部件，控制完成指令規定的操作。指令的操作可能是某種運算，也可能是從存儲器的數據區取來某個數據或向某個存儲單元存入一個數據，也可能是與某個外部設備之間傳送數據。

下面我們就微處理器、微型計算機的“微”字作些介紹。首先，微處理器、微型計算機的“微”字來源于微電子學的“微”字。集成電路技術是微電子學的核心，微處理器為超大規模集成電路(VLSI)，是微電子學發展的結果；微型計算機是以微處理器為核心的計算機，其體積小。

其次，從計算機分類來說，計算機的出現比集成電路的出現早得多。早在復雜的微處理器出現之前，根據功能的強弱和體積的大小，計算機有大型、中型和小型計算機之分。大約20世紀70年代后期微型計算機出現，體積比小型計算機小得多，但這不意味著微型機的功能也比小型機弱，今天的微型計算機之功能比20世紀70年代的中型計算機的功能還要強。科學技術的發展并不受人為的定義的限制，微電子學集成電路技術不可能僅限制用于生產微處理器和微型計算機。新的大型、中型和小型計算機中采用了大規模和超大規模集成電路器件后，功能也遠遠超過了20世紀70年代的大型計算機。 1.2微型計算機的軟件和操作系統

軟件是程序，而且主要是指那些由專業人員編制的、在計算機上運行時增強了計算機功能的程序。從用戶使用的立場出發，代表計算機特征的是它的功能。不但組成計算機的硬件可以影響計算機的功能，而且計算機所具有的軟件也可以影響計算機的功能。從對計算機功能影響的意義上來看，硬件和軟件的作用是相同的。現今市場上銷售的計算機系統，沒有一臺是不帶任何軟件的“計算機”。所以軟件是組成微機系統不可缺少的部分。計算機軟件分為兩大類：系統軟件和應用(或用戶)軟件。系統軟件是這樣的一些程序，計算機在運行這些程序時，為其它程序的開發、調試、運行等建立一個良好的環境：能方便地輸入程序，作好執行前的準備處理以及可靠運行程序。系統軟件一般是專業公司開發后由計算機廠商提供的。應用軟件是系統的用戶為解決自己特定問題的需要而開發的程序或購買的程序。本書的重點之一就是講述如何使用匯編語言開發應用軟件的技術。微機系統接通電源后運行的第一個系統軟件是固化在主機板上ROM中的BIOS，然后運行系統最基本最重要的系統軟件——操作系統(OperatingSystem)，如DOS或Windows。屬于系統軟件的還有在操作系統支持下的各種工具和各種語言處理程序等，例如，各種文本編輯程序(TextEditor)和C語言、Basic語言等的編譯、解釋程序以及聯接(Link)、調試(Debug)程序等。操作系統作為微機系統中最重要的系統軟件，其功能和作用可以簡單地歸納為：控制和管理計算機系統內各種硬件和軟件資源，合理有效地組織計算機系統的工作，為用戶提供一個使用方便可擴展的工作環境，從而起到連接計算機和用戶(包括用戶軟件)的接口作用。目前有多種操作系統，其中有代表意義的兩種操作系統是DOS和Windows，它們各自又有多種版本。DOS用于早期的微機系統，而目前微機系統基本上用Windows。1.2.1DOS的功能和結構

DOS(DiskOperatingSystem)是磁盤操作系統的簡稱，是理解操作系統功能和學習其它操作系統的基礎。即使目前微機系統中都采用Windows操作系統，但由于Windows中仍然包含DOS中的主要功能，用戶可以方便地由Windows工作環境進入DOS工作界面。一個高級程序員利用DOS提供的功能可以開發出更佳的軟件產品。

DOS的基本功能是由下列4個組成部分完成的：

(1)自舉記錄(BootRecord)。它位于DOS磁盤的第一個扇區。每當系統加電時，便先開始執行固化在計算機內只讀存儲器中的ROMBIOS程序，完成的操作之一是先把磁盤上的自舉記錄程序讀入內存，再轉而運行自舉記錄程序。依靠自舉記錄程序的運行，才把DOS的其它程序一個模塊一個模塊地從DOS磁盤中讀入內存。

(2)在MSDOS中名字為IO.SYS的文件。文件中包含一組基本輸入輸出設備驅動程序(devicedriver)。這些程序是對“標準外部設備”(標準的輸入設備——鍵盤，標準的輸出設備——顯示器，標準的輔助設備——第一個串行通信接口以及標準打印輸出設備——第一個并行打印機接口)編程時可以調用的子程序。這些設備的工作都要由各自的程序來驅動。這組程序不僅DOS本身在處理許多命令時要使用，而且在其它各種語言編程時還可被調用，從而為程序設計帶來很多方便。所以，它們是低層次的硬件(指標準設備)的接口。IO.SYS文件為隱文件，用DIR命令不能列出DOS盤中的隱文件。

(3)在MSDOS中名字為MSDOS.SYS的文件。這是DOS程序的核心，承擔文件的管理功能。后面我們會講到，磁盤文件管理的操作種類很多，所以這部分功能很復雜，也很重要，其中的很多子程序，例如在磁盤上建立文件、向文件中寫入內容、從文件中讀出內容等，可用匯編語言的指令調用。這些將在第3章介紹。該文件也是隱文件。

(4)名字為COMMAND.COM的文件。DOS的這個部分完成對系統的監控任務，接受用戶的命令并對命令進行處理。命令處理程序分三部分：第一部分是裝入內存后常駐內存的；第二部分是DOS的初始化部分；第三部分是DOS的暫駐部分。“暫駐”內存就是臨時駐內存，只在需要時，由常駐內存部分的程序負責把暫駐內存部分裝入內存。暫駐內存部分的任務是負責內部命令和批處理文件的處理。當把暫駐部分裝入內存時，被裝入到內存空間的高端。當其它程序被裝入和執行時，暫駐部分可能被沖掉，需要時再重新裝入。

DOS的命令處理程序可以處理兩類命令。一類命令稱為內部命令。內部命令處理程序就在DOS的基本文件COMMAND.COM之內。另一類命令稱為外部命令。每個外部命令處理程序都是一個單獨的文件，它存儲在DOS磁盤中，它的文件名和命令名相同。用戶在使用命令操作時，內部命令和外部命令沒什么差別。1.2.2系統的啟動和DOS裝入內存

前面說過，計算機的工作就是執行程序，計算機的啟動過程也必須是執行程序的過程。當電源接通時，機器開始執行程序的第一條指令地址是0FFFF0H(IBMPC/XT機)。由于0F000H段空間分配給ROMBIOS,所以這第一條指令就在ROM中。ROMBIOS的功能已經在1.1.4節講過。其中的系統自舉裝載程序將把磁盤中的“自舉記錄”首先裝入內存，然后轉向執行裝入的自舉記錄程序，把DOS逐步裝入內存。8086微處理器組成的IBMPC/XT只支持1MB內存，DOS裝入后內存的分配如圖1.2所示。圖1.2DOS裝入后的內存分配(a)?PC系統存儲區分配；(b)?TPA存儲區分配；(c)系統區地址分配

DOS裝入后，存儲器地址低端的640KB稱為臨時程序區TPA(TransientProgramArea)，地址高端的384KB為系統區(SystemArea)。286以后的微機系統有擴展內存區，占據更高端地址。1.2.3Windows與DOS的主要區別和特點

微軟公司開發的Windows是目前世界上用戶最多、兼容性最強的操作系統。Windows操作系統于1985年推出，后來陸續推出許多版本。盡管這些版本功能越來越強，但它們與DOS相比，最主要的進步仍然是兩點：

(1)用圖形界面和鼠標操作取代了只能用鍵盤輸入字符命令的操作。用戶利用Windows提供的彩色界面，點擊鼠標，完成絕大部分在用DOS時鍵盤輸入字符串命令所要完成的任務。默認的Windows開始窗口界面包括“任務欄”和“桌面”。用戶可以很方便地通過點擊鼠標來運行各種程序。

(2)?DOS情況下，?系統只能同時運行一個程序，或者說系統的全部資源被一個程序獨占。Windows情況下，系統可以運行多道程序，或稱多任務、多線程。例如，用戶可以同時運行