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1、 微型計算機具有體積小、重量輕、功能強、可靠性高、價格低廉等一系列優(yōu)點,已被廣泛應用于社會生活的各個領(lǐng)域。人們已經(jīng)越來越依賴于計算機的高速運算、高可靠性和海量存儲,越來越依賴功能完善、便捷易用的各類軟件,以及連接全球的計算機網(wǎng)絡(luò)等等。 1.1 微型計算機的基本結(jié)構(gòu)1.2 微型計算機的應用1.3 微型計算機的發(fā)展 微型計算機系統(tǒng)一般由主機硬件、軟件、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等四部分組成,如圖1-1所示。 圖1-2 微機主機基本結(jié)構(gòu) 計算機軟件包括固化在ROM中的基本輸入輸出系統(tǒng)BIOS、操作系統(tǒng)、編譯/解釋程序、診斷程序、程序設(shè)計語言、應用軟件等。 輸入設(shè)備用于將數(shù)據(jù)輸入到計算機中。 輸出設(shè)備把計算機
2、加工后的信息輸出給用戶。 系統(tǒng)時鐘CLK(Clock)由石英晶體振蕩器OSC(Oscillator)和專用的時鐘處理芯片組成,為系統(tǒng)提供所需工作頻率的穩(wěn)定脈沖,使系統(tǒng)各類芯片能夠有秩序地執(zhí)行程序和命令。 中央處理單元CPU(Central Processing Unit)完成對計算機的各種控制和運算。 運算器是執(zhí)行算術(shù)運算和邏輯運算的部件,其主要任務是對數(shù)據(jù)進行加工處理。 控制器的主要作用是取出要執(zhí)行的每一條指令、然后進行指令譯碼并執(zhí)行指令。寄存器組是CPU內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲器,包括通用寄存器組和專用寄存器組兩部分。 在CPU中,由56個不同功能的電路單元組成一條指令處理流水線,并將一條指令分成5
3、6步分別由這些電路單元同步執(zhí)行,使本來要56個時鐘周期才能完成的一條指令,在一個時鐘周期完成。 超流水線是指CPU內(nèi)部的流水線超過通常的56步。流水線的步數(shù)越多,完成一條指令的速度就越快。超標量(Super-Scalar)是指CPU中有一條以上的流水線,并且每時鐘周期可以完成一條以上的指令。 亂序執(zhí)行(Out-of-Order Execution)是指CPU采用了允許將多條指令不按程序規(guī)定的順序,分開發(fā)送給各相應電路單元處理的技術(shù)。 分支預測(Branch Prediction)是CPU提前確定可能的程序分支方向。推測執(zhí)行(Speculation Execution)依托于分支預測。CPU在預
4、測程序是否分支后進行的處理就是推測執(zhí)行。 存儲器(Storage)用于存放程序和數(shù)據(jù)等。 隨機存儲器RAM是運行程序的空間。 只讀存儲器ROM是非易失性存儲器,用來存放永久性的程序和數(shù)據(jù)。 為了提高CPU的運行速度,在CPU和常規(guī)主存之間增設(shè)的一級(Level 1)或二級(Level 2)高速小容量存儲器,稱為高速緩沖存儲器(Cache)。 由于RAM中的數(shù)據(jù)關(guān)機后會丟失,因此需要將其轉(zhuǎn)存到不會丟失的介質(zhì)上,如磁盤、U盤、光盤等。這些磁盤、U盤、光盤等存儲介質(zhì),就是輔助存儲器。在運行大的軟件時,為了解決內(nèi)存短缺的問題,操作系統(tǒng)會把硬盤的一部分當作內(nèi)存來使用,這就是虛擬內(nèi)存。 總線是計算機系統(tǒng)中
5、連接各功能部件的公共信息通道,主要有地址總線A B(Address Bus)、數(shù)據(jù)總線DB(Data Bus)和控制總線CB(Control Bus)。 ISA(Industry Standard Architecture,工業(yè)標準體系結(jié)構(gòu))總線,是由美國IBM公司推出的16位標準總線,數(shù)據(jù)傳輸率為8MBs。 MCA(Micro-Channel Architecture,微通道體系結(jié)構(gòu))總線,是由美國IBM公司推出的32位標準總線。數(shù)據(jù)傳輸率為40MBs。 EISA(Extended Industry Standard Architecture,擴展工業(yè)標準體系結(jié)構(gòu))總線,是由Compaq、H
6、P、AST等多家計算機公司聯(lián)合推出的32位標準總線,數(shù)據(jù)傳輸率為33MBs。 由視頻電子標準協(xié)會VESA(Video Electronic Standard Association)聯(lián)合另外多家公司共同推出的全開放通用的局部總線VL-Bus(VESA Local Bus),簡稱VL總線。該總線是針對486微機開發(fā)的32位標準總線,可擴充至64位。其數(shù)據(jù)傳輸率最高可達132M/s。 PCI(Peripheral Component Interconnect,外設(shè)互連)總線,是由美國Intel公司推出的3264位標準總線。PCI總線是一種與CPU隔離的總線結(jié)構(gòu),并能與CPU同時工作,適應性強,速度
7、快,數(shù)據(jù)傳輸率為大于1 3 2 M Bs。 輔助功能部件由主機板上的若干模塊組成,每一個輔助模塊都以獨特的方式,去協(xié)助整個系統(tǒng)運行。 1 主板上的控制芯片組基本決定了主板的功能。芯片組在BIOS和操作系統(tǒng)的共同控制下,按規(guī)定的技術(shù)和規(guī)范,為CPU、內(nèi)存、圖形接口、IDE接口、IO接口等提供工作平臺。 專門的中斷控制芯片,用于處理中斷相關(guān)事宜??梢灾苯哟嫒?nèi)存的芯片,叫直接存儲器取存DMA(Direct Memory Access)控制器。 輸入/輸出接口是微型計算機連接外部輸入/輸出設(shè)備和各種控制對象并與之進行信息交換的控制邏輯電路。 并行接口用于實現(xiàn)CPU與外設(shè)之間的并行數(shù)據(jù)通信。 串行接口
8、用于實現(xiàn)CPU與外設(shè)之間的串行通信。 擴展槽(Expansion Slot)位于微機系統(tǒng)主板上,對內(nèi)一般匯集了系統(tǒng)的地址總線、控制總線、數(shù)據(jù)總線等各種信號通道和電源等,對外則為各種板卡提供了一個符合某一總線標準的插槽。 計算機最重要的作用,就是用于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)平臺,以實現(xiàn)信息共享、資源共享和數(shù)據(jù)通信等。 依靠快速運算、準確可靠處理和海量存儲能力,微型計算機可以對各項社會活動、經(jīng)濟活動、科學研究等產(chǎn)生的大量文字、圖形、圖像、視頻等數(shù)據(jù)和信息進行加工、計算、變換、分類、存儲、傳輸、輸出和控制等。 科學計算是計算機的專長,并具有快速、準確、可靠等優(yōu)點,已被廣泛用于各類科學研究、工程計算、生產(chǎn)生活等。 計
9、算機監(jiān)測就是利用計算機、傳感器和相關(guān)軟件等對各種客觀環(huán)境、過程等進行數(shù)據(jù)采集。 計算機控制就是利用計算機、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)和相關(guān)軟件等,對生產(chǎn)過程、設(shè)備、航天器等進行自動控制。 利用計算機進行監(jiān)測、控制,不僅具有準確、可靠、不知疲倦等一系列人體無法實現(xiàn)的優(yōu)點,更可以替代人體實現(xiàn)惡劣/危險環(huán)境下的各種作業(yè)。 計算機輔助設(shè)計CAD(Computer Aided Design)就是利用計算機和大量經(jīng)過數(shù)字化的相關(guān)知識和經(jīng)驗,實現(xiàn)快速的產(chǎn)品設(shè)計。 計算機輔助制造CAM(Computer Aided Manufacture)是利用計算機控制產(chǎn)品的加工和制造等。 計算機模擬/仿真,為人們的學習、訓練、研究
10、等提供了高效、安全、低成本和規(guī)范化、現(xiàn)代化、智能化的方法和手段。 人工智能就是利用計算機的快速計算能力和大量累積的相關(guān)知識和經(jīng)驗等,讓計算機模擬人腦進行邏輯思維、邏輯推理、自主學習、積累知識、知識重構(gòu)和自我完善,使計算機具有人腦的部分思維功能,以代替人們解決大量重復的問題、難以解決的問題或至今還不知道該如何解決的問題等。 計算機的發(fā)展經(jīng)歷了電子管計算機、半導體晶體管計算機、半導體中小規(guī)模集成電路計算機、半導體大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路計算機等幾個時代。微型計算機的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下四個階段: 4位微型機使用4位微處理器,如Intel 4004和Intel 4040等。 8位微型機使用位微處理器,
11、如Intel 80808085、Z80、Motorola 6800等。 16位微型機使用16位微處理器,如Intel8086、Motorola68000、Z8000等16位和準32位微處理器。 32位微型機使用32位微處理器,并采用了超標量、超流水線和分支預測等RISC技術(shù),使微型機的體系結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化。 隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展和個人電腦的日益普及,電腦將成為人們?nèi)粘I畹谋仨毱?,電腦和網(wǎng)絡(luò)的使用將會越來越簡單、方便。 目前,半導體微處理器正在向64位過渡。預計幾年之內(nèi),64位處理器將會成為市場主流。芯片集成度的不斷提高,傳統(tǒng)的半導體芯片計算機將不可避免地會遇到發(fā)展極限。 現(xiàn)在的微型計算
12、機是相對于過去龐大的電子管計算機和半導體分立元件計算機而被命名為“微型計算機”的。以現(xiàn)在的眼光來看,“微型計算機”的“微型”二個字,實在是名不符實。未來的生物計算機、分子計算機、量子計算機等,才是真正名副其實的微型計算機。 生物計算機用生物蛋白質(zhì)分子芯片替代目前計算機中使用的半導體芯片,使計算機重量更輕、體積更小、速度更快、容量更大,具有更高的人工智能。 分子計算機憑借分子的納米級尺寸,體積將非常小,耗電非常少,并能更長期地存儲大量信息。 光子計算機利用光子取代電子進行數(shù)據(jù)運算、傳輸和存儲。 量子計算機利用處于多現(xiàn)實態(tài)的原子作為數(shù)據(jù)進行運算。 當生物計算機、分子計算機、量子計算機等真正的微型計算機進入實用階段,它們肯定會對世界產(chǎn)生更為巨大的影響。