微機(jī)基本工作原理

微機(jī)基本工作原理
1、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成
微型計(jì)算機(jī)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。
硬件系統(tǒng)：指構(gòu)成計(jì)算機(jī)的電子線路、電子元器件和機(jī)械裝置等物理設(shè)備，它包括計(jì)算機(jī)的主機(jī)及外部設(shè)備。
軟件系統(tǒng)：指程序及有關(guān)程序的技術(shù)文檔資料。包括計(jì)算機(jī)本身運(yùn)行所需要的系統(tǒng)軟件、各種應(yīng)用程序和用戶文件等。軟件是用來(lái)指揮計(jì)算機(jī)具體工作的程序和數(shù)據(jù)，是整個(gè)計(jì)算機(jī)的靈魂。
計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)主要由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等五部分組成。
２、計(jì)算機(jī)的工作原理
（１）馮•諾依曼原理
“存儲(chǔ)程序控制”原理是1946年由美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮•諾依曼提出的，所以又稱為“馮•諾依曼原理”。該原理確立了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基本組成的工作方式，直到現(xiàn)在，計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)與制造依然沿著“馮•諾依曼”體系結(jié)構(gòu)。
（2）“存儲(chǔ)程序控制”原理的基本內(nèi)容
①采用二進(jìn)制形式表示數(shù)據(jù)和指令。
②將程序（數(shù)據(jù)和指令序列）預(yù)先存放在主存儲(chǔ)器中（程序存儲(chǔ)），使計(jì)算機(jī)在工作時(shí)能夠自動(dòng)高速地從存儲(chǔ)器中取出指令，并加以執(zhí)行（程序控制）。
③由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大基本部件組成計(jì)算機(jī)硬件體系結(jié)構(gòu)。
（3）計(jì)算機(jī)工作過(guò)程（見下圖）

第一步：將程序和數(shù)據(jù)通過(guò)輸入設(shè)備送入存儲(chǔ)器。
第二步：?jiǎn)?dòng)運(yùn)行后，計(jì)算機(jī)從存儲(chǔ)器中取出程序指令送到控制器去識(shí)別，分析該指令要做什么事。
第三步：控制器根據(jù)指令的含義發(fā)出相應(yīng)的命令（如加法、減法），將存儲(chǔ)單元中存放的操作數(shù)據(jù)取出送往運(yùn)算器進(jìn)行運(yùn)算，再把運(yùn)算結(jié)果送回存儲(chǔ)器指定的單元中。
第四步：當(dāng)運(yùn)算任務(wù)完成后，就可以根據(jù)指令將結(jié)果通過(guò)輸出設(shè)備輸出。
二、中央處理器
中央處理器又稱CPU（Central  Processing  Unit），是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心，它由運(yùn)算器、控制器和寄存器組成。
1、運(yùn)算器（ALU）
運(yùn)算器是負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算或邏輯運(yùn)算的部件，由算術(shù)邏輯單元（ALU）、累加器、狀態(tài)寄存器和通用寄存器組等組成。算術(shù)邏輯單元用于算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算及移位、求補(bǔ)等操作；累加器用于暫存被操作數(shù)和運(yùn)算結(jié)果；通用寄存器組是一組寄存器，運(yùn)算時(shí)用于暫存操作數(shù)和數(shù)據(jù)地址；狀態(tài)寄存器也稱標(biāo)志寄存器，它用于存放算術(shù)邏輯單元工作中產(chǎn)生的狀態(tài)信息。
2、控制器
控制器是計(jì)算機(jī)指令的執(zhí)行部件，其工作是取指令、解釋指令以及完成指令的執(zhí)行?？刂破饔芍噶钪羔樇拇嫫鳎↖P）、指令寄存器（IR）、控制邏輯電路和時(shí)鐘控制電路等到組成。指令指針寄存器用于產(chǎn)生及存放下一條待取指令的地址。指令寄存器用于存放正在執(zhí)行的指令。
三、存儲(chǔ)系統(tǒng)
1、存儲(chǔ)器的作用及分類
計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)和程序控制兩大特點(diǎn)決定了計(jì)算機(jī)一定要有存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器的作用是存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)工作中需要的程序和數(shù)據(jù)。
從不同角度可以對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行不同的分類：
（1）按存儲(chǔ)器的工作方式分類有：隨機(jī)讀/寫存儲(chǔ)器、順序讀/寫存儲(chǔ)器和只讀存儲(chǔ)器；
（2）按存儲(chǔ)介質(zhì)的材料分類有：半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、磁表面存儲(chǔ)器、光存儲(chǔ)器；
（3）按多層次存儲(chǔ)系統(tǒng)的概念，計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)由高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）、隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ROM）、軟盤存儲(chǔ)器、硬盤存儲(chǔ)器、光盤存儲(chǔ)器、磁帶存儲(chǔ)器、優(yōu)盤存儲(chǔ)器等組成。
2、主存儲(chǔ)器
主存儲(chǔ)器的作用是在計(jì)算機(jī)工作中存儲(chǔ)正在運(yùn)行的程序和程序所需要的數(shù)據(jù)。主存儲(chǔ)器一般采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的參數(shù)主要有兩個(gè)：存儲(chǔ)容量和工作頻率。與輔助存儲(chǔ)器相比，其特點(diǎn)有：容量小、讀寫速度快、價(jià)格高等。主存儲(chǔ)器可以由高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）、隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器（RAM）和只讀存儲(chǔ)器（ROM）等組成。
（1）隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器（RAM）
特點(diǎn)：斷電后RAM中的內(nèi)容全部丟失，既可以讀又可以寫，速度比Cache慢，但比輔存（輔助存儲(chǔ)器）快。RAM可分為靜態(tài)RAM（SRAM）和動(dòng)態(tài)RAM（DRAM）兩種。
（2）高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）
由于CPU工作的速度比RAM讀寫速度快，CPU讀寫RAM時(shí)需要花費(fèi)時(shí)間等待RAM進(jìn)行讀寫，造成CPU工作速度下降。為了提高CPU讀寫程序和數(shù)據(jù)的速度，在RAM和CPU之間增加了高速緩存（Cache）部件。
（3）只讀存儲(chǔ)器（ROM）
特點(diǎn)：數(shù)據(jù)不易丟失，即使計(jì)算機(jī)斷電后ROM存儲(chǔ)單元的內(nèi)容依然保存，計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)其內(nèi)容只能讀出不能寫入。只讀存儲(chǔ)器一般存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中固定的程序和數(shù)據(jù)，如引導(dǎo)程序、監(jiān)控程序等。
ROM分為不可擦寫的只讀存儲(chǔ)器（PROM）和可擦寫的只讀存儲(chǔ)器（EPROM）。不可擦寫的只讀存儲(chǔ)器的內(nèi)容是生產(chǎn)中寫入或生產(chǎn)后一次性寫入；可擦寫只讀存儲(chǔ)器的內(nèi)容可多次改寫，按其擦除的方法對(duì)只讀存儲(chǔ)器分為紫外線擦除的只讀存儲(chǔ)器（EPROM）和用電擦除的只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）。
3、輔助存儲(chǔ)器
輔助存儲(chǔ)器的作用是存儲(chǔ)當(dāng)前計(jì)算機(jī)運(yùn)行中暫不使用的程序和數(shù)據(jù)。與主存儲(chǔ)器相比，它的特點(diǎn)是存儲(chǔ)容量大、成本低、存取速度較慢、可以永久地脫機(jī)保存信息。
常用的輔助存儲(chǔ)器有磁帶存儲(chǔ)器、軟盤存儲(chǔ)器、硬盤存儲(chǔ)器和光盤存儲(chǔ)器。
（1）磁帶存儲(chǔ)器
磁帶存儲(chǔ)器的特點(diǎn)是信息按順序讀寫、不能隨機(jī)讀寫、存儲(chǔ)容量大、訪問速度慢、成本低。
（2）軟盤存儲(chǔ)器
軟盤存儲(chǔ)器由軟盤片和軟盤驅(qū)動(dòng)器組成。
軟盤目前在使用的主要有3.5英寸盤。
軟盤的每一面包含許多同心圓，稱為磁道。磁道由外到內(nèi)順序編號(hào)，最外面是0磁道，最里面是末磁道（3.5英寸軟盤為第79磁道，5.25英寸軟盤為第39磁道）。磁道被從圓心發(fā)射出的若干條線分為若干個(gè)扇區(qū)（扇區(qū)編號(hào)從1開始，一般為15或18個(gè)扇區(qū)）。軟盤上的信息就是按磁道和扇區(qū)存放的，扇區(qū)是軟盤的基本存儲(chǔ)單位，每當(dāng)磁盤讀或?qū)憰r(shí)，不論其中數(shù)據(jù)多少，總是讀寫一個(gè)完整的扇區(qū)。軟盤在使用前必須格式化，其作用是劃分磁道和扇區(qū)，指明扇區(qū)的位置、大小，并寫入地址標(biāo)志。寫保護(hù)用于對(duì)盤片中的內(nèi)容進(jìn)行保護(hù)，5.25英寸軟盤用膠紙貼住寫保護(hù)口不透光時(shí)可禁止寫入數(shù)據(jù)，3.5英寸軟盤的寫保護(hù)方式與5.25英寸軟盤相反，當(dāng)運(yùn)動(dòng)滑片使寫保護(hù)口透光時(shí)便禁止寫入數(shù)據(jù)，防止由于意外寫操作而破壞原存儲(chǔ)的信息。簇則是磁盤分配存儲(chǔ)空間的基本單位。一個(gè)簇由若干個(gè)扇區(qū)組成，具體則由磁盤容量和存儲(chǔ)格式?jīng)Q定。如FAT32中1簇等于8個(gè)扇區(qū)。一般1個(gè)扇區(qū)等于512字節(jié)。
每張盤片容量=盤片面數(shù)╳磁道數(shù)╳每道扇區(qū)數(shù)╳每扇區(qū)字節(jié)數(shù)
（3）硬盤存儲(chǔ)器
硬盤是一種可移動(dòng)磁頭、固定盤片的磁盤存儲(chǔ)器。
硬盤存儲(chǔ)器容量=磁頭數(shù)╳磁道數(shù)╳每道扇區(qū)數(shù)╳每扇區(qū)字節(jié)數(shù)
對(duì)硬盤分配存儲(chǔ)空間時(shí)通常用柱面（cylinders）做單位。硬盤是由若干片硬盤片組成的盤片組，人們把一個(gè)硬盤中所有面的同一條磁道稱為一個(gè)柱面。硬盤一般被固定在計(jì)算機(jī)機(jī)箱內(nèi)，目前大量流行的移動(dòng)硬盤采用USB接口技術(shù)，方便攜帶，容量大（一般在10G到100G之間），深受人們喜愛。
與軟盤可比，其特點(diǎn)是：容量大、速度快。在使用前先進(jìn)行格式化，在使用過(guò)程中要避免振動(dòng)，以免損壞盤片造成整個(gè)硬盤報(bào)廢。
（4）光盤存儲(chǔ)器
光盤存儲(chǔ)器是指利用光學(xué)方式進(jìn)行讀寫信息的存儲(chǔ)器。光盤可以分為只讀光盤（CD-ROM）、一次寫入型光盤（WROM）和可擦寫光盤。光盤片的直徑一般為5.25英寸，光盤信息記錄密度比磁盤高。目前一般用戶使用的光盤是CD-ROM，單片存儲(chǔ)容量約為650MB；CD-ROM驅(qū)動(dòng)器的速度通常以數(shù)據(jù)傳輸速率來(lái)衡量。數(shù)據(jù)傳輸率以每秒150KB/s為一倍速，則四倍速光盤驅(qū)動(dòng)器的數(shù)據(jù)傳輸速率為600KB/s。
（5）優(yōu)盤存儲(chǔ)器
優(yōu)盤由于其存儲(chǔ)容量大（一般為32M，64M，128M），價(jià)格低，使用USB（通用串行總線）接口，方便攜帶、體積小等優(yōu)點(diǎn)受到人們的喜愛。目前32M優(yōu)盤不過(guò)幾十元錢，逐漸成為人們裝機(jī)必備之物。
四、輸入輸出系統(tǒng)
1、輸入/輸出控制方式
CPU控制輸入輸出設(shè)備工作有3種方式：程序查詢方式、中斷方式、直接存儲(chǔ)器訪問方式。
（1）程序查詢輸入/輸出方式
程序查詢方式在程序控制下與外設(shè)之間交換數(shù)據(jù)。其工作過(guò)程是首先應(yīng)用程序向外設(shè)發(fā)出進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂?a target="_blank">信號(hào)，然后從外設(shè)讀取外設(shè)狀態(tài)，檢查是否可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，若外設(shè)準(zhǔn)備就緒，則進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送；否則反復(fù)讀取并檢查外設(shè)狀態(tài)，直到外設(shè)準(zhǔn)備就緒再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。注意：使用程序查詢方式，在外設(shè)沒有準(zhǔn)備就緒或外設(shè)正在進(jìn)行其他工作時(shí)只能等待，不能進(jìn)行其他工作。
程序查詢方式主要用軟件方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，工作效率低。
（2）中斷方式
①中斷概念
中斷是主機(jī)在執(zhí)行程序過(guò)程中，遇到突發(fā)事件而中斷程序的正常執(zhí)行，轉(zhuǎn)去對(duì)突發(fā)事件進(jìn)行處理，待處理完成后返回原程序繼續(xù)執(zhí)行。其中突發(fā)事件指程序執(zhí)行中出現(xiàn)的除數(shù)為零、外部設(shè)備請(qǐng)求、斷電等程序執(zhí)行前不可預(yù)知的情況（即中斷的條件）。
②中斷的類型
中斷分為軟件中斷（簡(jiǎn)稱軟中斷）和硬件中斷（簡(jiǎn)稱硬中斷）。硬中斷又分為內(nèi)中斷和外中斷，外中斷可分為可屏蔽中斷和不可屏蔽中斷。
③中斷過(guò)程
指從外設(shè)發(fā)出中斷請(qǐng)求到CPU對(duì)該中斷請(qǐng)求處理完畢，返回原程序繼續(xù)執(zhí)行的過(guò)程。
中斷過(guò)程是：中斷請(qǐng)求→中斷響應(yīng)→中斷處理→中斷返回。
注意：計(jì)算機(jī)有多個(gè)中斷源，有可能在同一時(shí)刻有多個(gè)中斷源向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求。在這種情況下，CPU不可能同時(shí)響應(yīng)多個(gè)中斷，CPU按中斷的優(yōu)先級(jí)順序進(jìn)行中斷響應(yīng)。
（3）直接存儲(chǔ)器訪問（DMA）方式
DMA方式指高速外設(shè)（一般指磁盤存儲(chǔ)器）與內(nèi)存之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，不通過(guò)CPU并且CPU不參加數(shù)據(jù)交換的控制。DMA方式下高速外設(shè)和內(nèi)存之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸需要使用總線?？偩€的使用權(quán)一般情況下由CPU掌握，但在DMA工作期間總線使用權(quán)交給DMA控制器使用，數(shù)據(jù)交換完成后交還給CPU。
2、輸入/輸出設(shè)備
輸入設(shè)備是外界向計(jì)算機(jī)傳送信息的裝置。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，最常用的輸入設(shè)備是鍵盤和鼠標(biāo)，還有如光筆、數(shù)字化儀、數(shù)碼照相機(jī)、圖像掃描儀等。
輸出設(shè)備的作用是將計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)傳送到外部媒介，并轉(zhuǎn)化成某種為人們所識(shí)別的形式。在微型計(jì)算機(jī)中，最常用的輸出設(shè)備有顯示器和打印機(jī)，還有如繪圖儀等。
（1）顯示器
計(jì)算機(jī)的顯示系統(tǒng)由顯示器、顯示卡及相應(yīng)軟件構(gòu)成。顯示器和顯示卡構(gòu)成計(jì)算機(jī)顯示系統(tǒng)的硬件部分。
①分類
按顯示的內(nèi)容可以分為字符顯示器、圖形顯示器和圖像顯示器。
按顯示的顏色分為單色顯示器和彩色顯示器。
按分辨率分為高分辯率、中分辯率和低分辯率顯示器。
按使用的器件分為液晶顯示器（LCD）和陰極射線管顯示器（CRT）。
②顯示器性能指標(biāo)
 分辯率：顯示器的分辯率用屏幕上每列的像素?cái)?shù)乘以每行的像素?cái)?shù)來(lái)表示。如：800╳600、1024╳768等。
 點(diǎn)間距：指顯示器屏幕上像素間的距離。點(diǎn)間距越小，可使分辯率越高，圖像越清晰。目前常用的有).28mm和0.26mm等。
 灰度級(jí)：指像素的亮暗程度。彩色顯示器的灰度級(jí)指顏色的種類?；叶燃?jí)越多，圖像層次越逼真清晰。
 屏幕尺寸：用顯示器屏幕對(duì)角線長(zhǎng)度表示。目前常用的是15英寸、17英寸、21英寸等。
 對(duì)比度：又稱反差，指圖像（字符）和背景的濃度差。
 幀頻：字符（圖像）每秒種在屏幕上出現(xiàn)的次數(shù)。
 行頻：是電子掃描束從屏幕左邊到右邊的掃描速度。
 掃描方式：有逐行掃描和隔行掃描兩種。采用逐行掃描的圖像穩(wěn)定，使人眼不易疲勞。
（2）打印機(jī)
打印機(jī)是最常用的輸出設(shè)備，一般分為針式打印機(jī)、噴墨打印機(jī)和激光打印機(jī)。
它們所采用的材料分別為色帶、墨水和硒鼓。打印機(jī)按數(shù)據(jù)傳輸方式分為串行打印機(jī)和并行打印機(jī)。打印機(jī)按打印原理分為擊打式和非擊打式。非擊打式打印機(jī)有熱敏打印機(jī)、噴墨打印機(jī)、激光打印機(jī)等。
①熱敏打印機(jī)：是利用打印頭加熱，在紙上形成字符或圖形。這種打印機(jī)一般用于筆記本計(jì)算機(jī)。
②激光打印機(jī)：是利用激光掃描把打印的字符或圖像在硒豉上形成靜電潛象，然后轉(zhuǎn)成磁信號(hào)，使磁粉吸附在紙上，經(jīng)定影后輸出。激光打印機(jī)的特點(diǎn)是：分辯率高，一般是300DPI（每英寸300個(gè)點(diǎn)）、600DPI、速度快（以頁(yè)為單位印刷），噪音小，但價(jià)格高。
③噴墨打印機(jī)：是在打印頭上有噴墨孔，打印時(shí)在需要打印的位置從噴墨孔噴出墨汁到紙上，形成字符或圖形。這種打印機(jī)的特點(diǎn)：分辯率可達(dá)240DPI或更高，噪音小。
（3）調(diào)制解調(diào)器
調(diào)制解調(diào)器（Modem）既是輸入設(shè)備又是輸出設(shè)備。調(diào)制就是把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。解調(diào)就是把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。一般個(gè)人用戶常通過(guò)Modem連接Internet，其傳輸速率的單位b/s，每秒的二進(jìn)制位數(shù)即bps。
四、系統(tǒng)總線的組成與類型
系統(tǒng)總線是用于連接計(jì)算機(jī)中各部件（CPU、內(nèi)存、外設(shè)接口等）的一組公共信號(hào)線。系統(tǒng)總線由數(shù)據(jù)總線（DB）、地址總線（AB）和控制總線（CB）等3組信號(hào)線組成。數(shù)據(jù)總線用于傳輸數(shù)據(jù)，地址總線用于傳輸?shù)刂?，控制總線用于傳輸控制信號(hào)。常用的總線有4種，分別為ISA總線、VESA局部總線、PCI局部總線和MCA總線。
五、計(jì)算機(jī)接口
接口電路的作用是完成主機(jī)和外設(shè)之間信息形式的轉(zhuǎn)換和信息傳輸，包括以下幾部分：
1、顯示卡（即顯示適配器）
顯示卡是主機(jī)和顯示器之間的接口電路，它的作用是把主機(jī)要顯示的字符、圖形、圖像經(jīng)過(guò)顯示卡電路的轉(zhuǎn)換，用顯示器可以接受的方式傳送給顯示器顯示。
目前顯示卡的兩種顯示方式為：字符顯示方式和圖形顯示方式。
顯示卡的顯示標(biāo)準(zhǔn)主要有MDA（單色字符）、CGA（彩色圖形）、EGA（增強(qiáng)圖形）、VGA（視頻圖形陣列）、SVGA（超級(jí)視頻圖形陣列）。
2、硬盤接口
目前隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，硬盤正向智能化發(fā)展，使得硬盤與主機(jī)之間的接口走向標(biāo)準(zhǔn)化。常用的硬盤接口有：IDE接口、EIDE接口、Ultra DMA接口和SCSI接口等。
3、串行接口
串行接口由串行接口電路和串行接口信號(hào)線兩部分組成。用串行接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)是按二進(jìn)制位進(jìn)行傳輸?shù)摹Ｄ壳坝?jì)算機(jī)常用的串行接口標(biāo)準(zhǔn)是RS-232C。
4、并行接口
用并行接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)若干個(gè)二進(jìn)制位同時(shí)傳輸。常用并行接口為打印機(jī)并行接口。
5、USB接口
USB是英文Universal Serial Bus的縮寫，中文含義為“通用串行總線”，它是目前廣泛應(yīng)用的新型接口技術(shù)。USB使用一個(gè)4針插頭作為標(biāo)準(zhǔn)插頭，通過(guò)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)插頭，采用菊花鏈形式可以把所有的外設(shè)連接起來(lái)，并且不會(huì)損失帶寬。USB需要主機(jī)硬件、操作系統(tǒng)和外設(shè)三方面支持才能工作。目前主板一般都采用支持USB功能的控制芯片組，而且安裝了USB接口插槽。Windows98及以上版本都支持USB接口。目前已經(jīng)有數(shù)碼相機(jī)、數(shù)字音箱、掃描儀、鍵盤、鼠標(biāo)等很多USB外設(shè)問世。