1.3 微型計算機系統
1.3.1 微型計算機系統的組成
首先介紹幾個基本概念。
1.微處理器
微處理器簡稱為MP（micro processor）或CPU，也稱為微處理機，它是指由一片或幾片大規模集成電路組成的具有運算和控制功能的中央處理單元。微處理器主要由算術邏輯部件ALU、寄存器以及控制器CU組成，它是微型計算機的主要組成部分。
2.微型計算機
微型計算機簡稱為MC（micro computer）或mC。以微處理器（CPU）為核心，再配上一定容量的存儲器（RAM、ROM）和輸入/輸出接口電路，這三部分通過外部總線連接起來，便組成了一臺微型計算機。
3.微型計算機系統
微型計算機系統簡稱為MCS（micro computer system）或mCS，它以微型計算機為核心，再配備以相應的外圍設備、輔助電路和電源（統稱硬件），以及指揮微型計算機工作的系統軟件，便構成了一個完整的系統。
微處理器、微型計算機和微型計算機系統，是三個含義不同但又有密切關聯的基本概念，要特別注意對它們的理解和區別。
1.3.2 微型計算機系統的硬件組成
微型計算機系統的組成如圖1.3所示。
由圖1.3可以看到，微型計算機系統的硬件主要包括微型計算機、外圍設備和電源，實際上就是用眼能看得見、用手能摸得著的計算機系統部分。
1.微型計算機
微型計算機結構框圖如圖1.4所示。一臺微型計算機主要由微處理器CPU、存儲器、輸入/輸出接口電路及系統總線構成（虛線內部分）。
微處理器由運算器和控制器兩部分組成。運算器主要用來完成對數據的運算，包括算術運算和邏輯運算?？刂破鳛檎麢C的指揮控制中心，計算機的一切操作，如數據輸入/輸出、打印、運算處理等都必須在控制器的控制下才能進行。
存儲器是一個記憶裝置，用來存儲數據、程序、運算的中間結果和最終結果。存儲器包括隨機存取存儲器RAM和只讀存儲器ROM。
輸入/輸出接口電路是微型計算機與外部設備聯系的橋梁。由于外設的種類繁多，工作速度大部分不能和主機相匹配（相對來講都較慢），因而，主機和外設之間的信息傳遞都必須經過接口電路加以合理地匹配、緩沖。輸入接口連接在主機的輸入端，用來將輸入設備（如鍵盤、鼠標等）接收的信息輸入到主機內部，而輸出接口則接在主機的輸出端，用來將主機運算的結果或控制信號輸出到輸出設備，如CRT（cathode ray tube）顯示器、打印機等。
CPU和機器內部各部件的聯系，以及和微型機外部設備信息的傳遞都要通過總線來實現。在微型機中通常使用的總線有數據總線、地址總線和控制總線，稱為系統三總線。
數據總線（DB，data bus）是微處理器與外界傳遞數據的數據信號線。它的條數實際上決定了微處理器與外部傳送數據通道的寬度，這個數值也稱作微處理器的字長。數據總線可以雙向傳遞數據信號，是一組雙向、三態總線。
地址總線（AB，address bus）是由微處理器輸出的一組地址信號線，用來指定微處理器所訪問的存儲器和外部設備的地址。地址總線的條數決定了CPU所能直接訪問的地址空間。例如，地址總線為20位時，可訪問的地址范圍為220個，即為00000H～FFFFFH。地址總線采用三態輸出方式。
控制總線（CB，control bus），它用來使微處理器的工作與外部電路的工作同步。其中有的為高電平有效，有的為低電平有效，有的為輸出信號，有的為輸入信號。通過這些聯絡線，CPU可以向其他部件發出一系列的命令信號，其他部件也可以將工作狀態、請求信號送給CPU。
2.外圍設備
外圍設備即微機的輸入/輸出設備，它是微機系統與周圍世界（包括使用計算機的人）通信聯系的渠道。輸入設備把程序、數據、命令轉換成計算機所能識別接收的信息，輸入給計算機。輸出設備把CPU計算和處理的結果轉換成人們易于理解和閱讀的形式，輸出到外部。外圍設備包括外部設備和過程控制輸入/輸出通道。外部設備主要有：顯示器、鍵盤、鼠標、打印機、調制解調器、網卡和掃描儀等。過程控制輸入/輸出通道主要有模數轉換器、數模轉換器、開關量及信號指示輸入/輸出器等。這些設備是組成一個微機基本系統必不可少的，它們的選型和指標的好壞對計算機應用環境和用戶的工作效率有著重大的影響。
盡管輸入/輸出設備繁多，但它們有兩個共同特點：第一，常采用機械的或電磁的工作原理，所以速度較慢，難以和純電子的CPU及內存的工作速度相匹配；第二，要求的工作電平常常與CPU和內存等采用的標準（TTL，transistor-transistor logic）電平不一致。為了把輸入/輸出設備與計算機的CPU連接起來，還需要一個中間環節，即接口電路，用來進行信號的鎖存、變換、隔離和外設選址，以保證信息和數據在外設與CPU和內存之間正常傳送。
3.電源
電源是保證微機系統能正常運行的工作電源。PC機的電源將220V交流電轉換成±5V和±12V四種DC（直流）電壓。一般臺式機的電源功率為150～220W，立式機的電源功率為220～400W，電源中由風扇提供對整個系統的冷卻。電源應滿足最低安全標準，不產生干擾電視和無線電的電磁輻射。
1.3.3 微型計算機系統的軟件組成
微機系統的軟件分為系統軟件、程序設計軟件和用戶軟件。計算機軟件的層次圖如圖1.5所示。
1.系統軟件
系統軟件是由計算機生產廠家提供給用戶的一組程序。這組程序是用戶使用機器時為產生、準備和執行用戶程序所必需的。
系統軟件的核心是操作系統（OS，operating system）。它的主要功能是對系統的軟、硬件資源進行合理管理，為用戶創造方便、有效和可靠的計算機工作環境。
操作系統的主要部分是常駐監督程序。只要一開機，它就開始運行，它可以接收用戶命令，并使操作系統執行相應的動作。操作系統分為8個程序分支。
（1）文件管理程序：用來處理存放在外存儲器中的大量信息，它可以和外存儲器的設備驅動程序相連接，對存放在其中的信息以文件的形式進行存取、復制及其他管理操作。
（2）I/O驅動程序：用來對I/O設備進行控制和管理。當系統程序或用戶程序需要使用I/O設備時，只要發出命令，執行I/O驅動程序，便能完成CPU與I/O設備之間的信息傳送。
（3）文件編輯程序：文件是指由字母、數字和符號等組成的一組信息，它可以是一個用匯編語言或高級語言編寫的程序，也可以是一組數據或一份報告。文件編輯程序用來建立、輸入或修改文件，并將它存入內存儲器或外存儲器中。
（4）裝入程序：用來把保存在外存儲器中的程序傳送到內存中，以便機器執行。
（5）翻譯程序：微型計算機是通過逐條執行程序當中的指令來完成人們所給予的任務的。所以，當用戶想讓機器按照人的意圖去工作時，就必須把要做的工作、完成的算法及解題的步驟編成一段程序。
（6）鏈接程序：用來將要執行的程序與庫文件或其他程序模塊鏈接在一起，形成機器能執行的程序。
（7）調試程序：是系統提供給用戶的能監督和控制用戶程序的一種工具。它可以裝入、修改、顯示或逐條執行一個程序。
（8）系統程序庫：是各種標準程序、子程序及一些文件的集合，可以被系統程序或用戶程序調用。
2.用戶軟件
用戶軟件是用戶為滿足實時系統的需要編制的一組子程序，從而建立起自己的程序庫，以提高不同類型用戶的工作效率。不管計算機的硬件和系統軟件多么好，如果沒有為完成特定任務而編寫的用戶軟件，整個計算機系統也將是毫無意義的。
應當指出，硬件系統和軟件系統是相輔相成的，共同構成了微型計算機系統，缺一不可。用戶通過軟件系統與硬件系統發生聯系，在系統軟件的干預下使用硬件系統。現代的計算機硬件系統和軟件系統之間的分界線并不明顯，總的趨勢是兩者統一融合，在發展上互相促進。
1.3.4 微型計算機系統的性能指標
1.字長
字長指計算機內部一次可以處理的二進制數的位數。字長越長，計算機所能表示的數據精度越高，在完成同樣精度的運算時數據的處理速度越高。但字長越長，機器中的通用寄存器、存儲器、ALU的位數和數據總線的位數都要增加，硬件代價增大，因此應考慮精度、速度和成本兼顧的原則來決定微型計算機的字長。PC/XT微機的字長為16位；386、486微機的字長為32位；586微機的字長為32位或64位。
2.存儲器容量
存儲器容量是衡量計算機存儲二進制信息量大小的一個重要指標。微型計算機中通常以字節為單位表示存儲容量，如B（byte）、KB（kilobyte）、MB（megabyte）、GB（gigabyte）、TB（terabyte）和PB（petabyte）。
1KB=210=1024B
1MB=220=1024KB
1GB=230=1024MB
1TB=240=1024GB
1PB=250=1024TB
3.運算速度
計算機的運算速度以每秒能執行的指令條數來表示。由于不同類型的指令執行時所需的時間長度不同，因而有幾種不同的衡量運算速度的方法。
（1）MIPS（百萬條指令每秒）法，根據不同類型指令出現的頻度，乘上不同的系數，求得統計平均值，得到平均運算速度，用MIPS作為單位衡量。
（2）最短指令法，以執行時間最短的指令（如傳送指令、加法指令）為標準來計算速度。
（3）直接計算，給出CPU的主頻和每條指令執行所需要的時鐘周期，可以直接計算出每條指令執行所需的時間。
4.擴展能力
擴展能力主要指計算機系統配置各種外設的可能性和適應性。例如，一臺計算機允許配接多少種外設，對計算機的功能有重大影響。
5.軟件配置情況
軟件是計算機系統不可缺少的重要組成部分。一臺計算機軟件是否配置齊全，是關系到計算機性能的重要標志。
一個計算機系統是硬件和軟件相結合的統一整體，用戶應當根據自己的需要和應用場合來配置微機系統硬件、軟件的種類和數量。確定微機系統配置的基本原則是，滿足使用的要求，并兼顧近期發展的擴展需要。