微机原理--微型计算机系统及其操作系统简介概要

第10章微型计算机系统及其操作系统简介第10章微型计算机系统及其操作系统简介10.1微型计算机系统的组成10.210.3微型计算机系统的常用外部设备10.4微型计算机系统举例10.510.6微型计算机操作系统简介第10章微型计算机系统及其操作系统简介10.1微型计算机系统的组成10.1.1硬件和软件计算机硬件是用以构成计算机系统的物理部件的总称。微型计算机系统中硬件包括：微处理机、内存储器、外存储器及其接口电路、外围设备及其接口电路。计算机软件是为了运行、管理和维护计算机所编制的各种程序及其有关资料的总称。软件是用户和计算机的桥梁。计算机配上各种各样的软件，就变成一台具有各种各样功能的计算机系统。用户通过软件使用计算机。第10章微型计算机系统及其操作系统简介10.1.2主要软件及其功能简介1.1)操作系统是最靠近硬件系统的软件。它是对系统硬件功能的首次扩充，也是其它系统软件和应用软件能够在计算机上运行的基础。操作系统是一组程序，用于统一管理计算机中各种软件和硬件资源，合理组织计算机的工作流程，协调计算机系统各部分之间、系统与用户之间、用户与用户之间的关系。操作系统在计算机系统中占有非常重要的特殊地位。操作系统有5大任务：内存储器管理、处理机管理、设备管理、文件管理和作业管理。第10章微型计算机系统及其操作系统简介2)程序设计语言是用户用来编写程序的语言。它是人与计算机之间交换信息的工具。程序设计语言是软件系统的重要组成部分，相应的各种语言处理程序属于系统软件。程序设计语言通常分为机器语言、汇编语言及高级语言3大类。机器语言和汇编语言都是面向机器的语言，称为低级语言。它们对机器的依赖性大，开发的程序通用性差，一般用户较难掌握。但是，汇编语言的最大优点是开发的程序精练、紧凑、实时性强。高级语言与具体的计算机硬件无关，编程容易，所编程序通用性和可移植性好。第10章微型计算机系统及其操作系统简介目前计算机高级语言已有上百种之多。常用的高级语言有①科学计算类程序设计语言，如FORTRAN等。②面向对象类程序设计语言，如C++,JAVA等。③可视化程序设计语言，如VisualC++、VisualBASIC等。④数据库管理程序设计语言，如Foxpro、Oracle等。⑤人工智能程序设计语言，如LISP、PROLOG等。任何高级语言编写的源程序必须通过语言处理程序(如编译程序、解释程序等)翻译成机器语言程序(称为目标程序)，计算机才能执行。第10章微型计算机系统及其操作系统简介3)工具软件又称服务软件，是开发和研制各种软件的工具。(1)诊断程序。诊断程序又称查错程序，用来诊断计算机各部件能否正常工作。如ROM自检程序、RAM自检程序等。(2)调试程序。调试程序用于对程序进行调试，如DEBUG便是最简单的一种调试程序。(3)编辑程序。编辑程序主要用于输入、修改、编辑程序或数据。第10章微型计算机系统及其操作系统简介2.应用软件用户利用计算机以及它所提供的各种系统软件，编制出来用于解决各种实际问题的程序称为应用软件。应用软件也可逐步标准化、模块化，以形成软件包。所谓软件包就是解决各种典型问题的应用程序组合。通常，人们要求微型计算机做的工作可能是很复杂的，因而指挥计算机工作的程序也就会很庞大，且很复杂。同时，一个计算机程序还要经常修改与完善。因此，为便于阅读、修改和相互交流，还必须对程序作必要的说明，并整理出有关的资料。这些说明和资料统称为文档，它们也是计算机软件的一部分。第10章微型计算机系统及其操作系统简介10.2微型计算机系统的总线10.2.1总线规范为使微机系统便于扩展和维护，通过总线联接的各种CPU模块、存储器模块、I/O模块能相互替代与组合，就必须使微机系统中的总线按照一定规范形成一种标准，称为总线规范。目前在个人计算机中，使用最广的总线有ISA、EISA、VL-BUS、PCI等。在工业控制微机系统中，使用最广的总线有STD、ISA及PC-104等。此外，与磁盘等高速外设联接的总线多采用SCSI总线接口。第10章微型计算机系统及其操作系统简介每种总线标准都有详细的规范说明，通常都有几十万字的文档，①机械结构规范规定模板尺寸以及总线插头，边沿联接器等规格及位置。②功能规范规定每个引脚信号的名称与功能，并对各引脚信号间相互的作用及定时关系作出说明。③电气规范规定总线工作时信号的高低电平，动态转换时间、负载能力及最大额定值。第10章微型计算机系统及其操作系统简介在不同的总线标准中，信号线的数量和名称虽有差异，但①数据传输信号线，包括地址线、数据线及读/写控制信号线等。②中断控制信号线，包括中断请求线、中断响应线等。③总线仲裁信号线，包括总线请求线、总线许可线等。④其它信号线，包括系统时钟线、复位线、电源线、地线等。第10章微型计算机系统及其操作系统简介10.2.2总线的性能指标及总线接口电路1.总线的性能指标总线的主要功能是实现模块之间的通信。通常，某一时刻会有一个以上模块同时请求总线进行信息传输。因而，实现一个总线信息的传送过程可分解为请求总线、总线裁决、寻找目的地址、信息传送及错误检测等几个步骤进行。其中信息传送是影响总线通信畅通的关键因素，也是衡量总线性能的关键指标，主要反映在如下几方面。(1)总线定时协议。信息在总线上传送必须遵守一定的定时规则，以便使信息从源端发送和从目的端接收能同步。通常定时协议有如下几种：第10章微型计算机系统及其操作系统简介①同步总线定时。在这种定时规则下，由公共时钟对信息传送进行控制。因而，公共时钟联接到所有模块，使所有信息发送操作都在公共时钟控制的固定时间发生，而不依赖于信息发送的源端和信息接收的目的端。②异步总线定时。在这种定时规则下，每一个信息传送操作都由信息发送源(或信息接收的目的端)的特定跳变确定。③半同步总线定时。在这种定时规则下，信息传送操作之间的时间间隔可以以公共时钟周期的整数倍来变化，如ISA总线。第10章微型计算机系统及其操作系统简介(2)总线频宽。总线频宽是指总线本身所能达到的最高信息传输率，以兆字节/秒(MB/s)为单位来表示。总线频宽受下列因①总线驱动器及接收器的性能优劣，在信息传送中将引入②总线布线的长度将引起信息在总线上传输的延时。长度越长，③连接在总线上的模块数要与总线的负载能力匹配。若不匹配，便会引起信号畸变，连接在总线上的模块数越多，信号产生的畸变越大。ISA、EISA总线标准规定的总线时钟(BCLK)频率为6MHz~8.33MHz,但它们的最大频宽分别为1666MB/s和33.32MB/s。第10章微型计算机系统及其操作系统简介(3)总线传输率。总线传输率是指系统在一定工作方式下总线所能达到的传输率。例如，若EISA总线时钟为8.33MHz,当它进行8位存储器存取时，一个存储器存取周期最快为3个BCLK(总线时钟)，则其总线传输率为2.78MB/s。当EISA总线进行32位突发(Burst)存取时，每一个存取周期只需要一个BCLK，则其总线传输率为33MB/s(这也是EISA总线的最大传输率)。第10章微型计算机系统及其操作系统简介2.总线接口电路用来实现信号间的组合及驱动，以满足总线信号线的功能及定时要求。总线传送数据信息时，如果每次传送都从发送地址信号开始，则传送一个数据信息的周期就需几个总线周期方能完成。因而这种情况下，总线传输率较低。如果总线以突发方式传送数据信息，只有第一次传送时需要发送地址信息，以后的地址信号是自动线性增量的，即数据是成块连续传送，每传送一个数据仅要一个总线时钟。只有在这种情况下，总线才能达到最大传输率。然而，在组成系统时，不是每种CPU、每个模块都能工作在突发方式下，如果互相传送信息的两个模块中只有一个模块有突发传送信息功能，则总线不能实现突发传送方式。只有两个模块同时具有突发传送功能时，总线才能实现突发传送方式。第10章微型计算机系统及其操作系统简介10.2.3系统总线ISA和EISAISA(IndustryStandardArchitecture)总线又称PC-AT总线，是在IBM-PC总线基础上发展起来的。IBM-PC总线是一个8位的开放结构总线，是8088微机总线的综合和凝聚体，总线连接器具有62个引脚。为了与80286、80386/80486高性能16/32位CPU兼容，1984年IBM公司在PC总线基础上增加了一个36引脚的扩展插座形成PC-AT总线，亦即ISA总线。它具有16位数据线、24位地址线、中断线、支持16位DMA通道的信号线、等待状态发生信号线及±5V、12V电源线等。工作频率为8MHz，8MB/s。由于ISA总线从本质上讲是单板机上的I/O扩展总线，它不能支持多CPU的并行处理，不存在多CPU共享资源，不存在也不需要总线仲裁。同时，由于ISA总线传输率较低，大大限制了高速CPU的处理速度。为解决这一问题，IBM公司1987年在推出它的第一台386微机系统时，使用了一种封闭的称为MCA(微通道总线)的32位总线结构。微通道总线采用10MHz总线时钟，最大数据传输率可达20MB/s。第10章微型计算机系统及其操作系统简介1989年，COMPAQ、AST、HP等9家大公司联合推出另一个32位总线标准——EISA(ExtendedIndustryStandardArchitecture)。EISA是一种开放的总线标准，它比MCA的进步在于可以与ISA兼容。EISA的总线时钟频率为8MHz，最大传输率可达33MB/s。MCA和EISA总线都是一种具有主从特点的多处理器总线，并支持高速缓存技术。虽然MCA及EISA不具有多主CPU的并行处理能力，但可在一个主CPU控制下，实现多从处理器协调并行处理的功能，因而，它们都具有总线仲裁功能。EISA是一种智能化总线，它支持突发方式传输，对多达6个的总线主控设备实行智能管理，有自动配置功能，无需DIP开关。第10章微型计算机系统及其操作系统简介10.2.4局部总线VL-BUS和PCI1.VL-BUS为解决系统总线传输信息速度慢，影响系统性能提高的问题，VESA(视频电子协会)与60家公司联合推出了一个全开放局部总线标准VL-BUS。VL-BUS与CPU同步工作，其时钟在频率和相位上与CPU时钟相同，为66MHz。但由于总线连接器电气性能的限制，要求与其相连的外设接口时钟频率为40MHz。因而，数据为32位时，最大总线传输率为132MB/s。同时VL-BUS最多可支持3个总线主控器，并支持高速视频控制器、硬盘控制器及局域网控制器等。此外，还支持对Cache的回写。第10章微型计算机系统及其操作系统简介2.PCI总线1)PCI(1)高性能。PCI总线的时钟与CPU时钟无关，频率为33MHz。总线宽度为32位，可扩展到64位，故其带宽为132MB/s~264MB/s(这里B/s表示Byte/s)。PCI总线比VL-BUS优越之处在于：①PCI总线支持无限读写突发方式，而VL-BUS实际上就是CPU总线，在486CPU系统中仅支持16个字节的读突发方式；②PCI总线支持并发工作，使其总线上的外设可与CPU并发工作。通常，PCI控制器(或称PCI桥路)有多级缓冲，CPU访问总线上的外设时，把一批数据写入缓冲器中，当这些数据逐个写入PCI设备时，CPU可以执行其它操作。显然并发工作方式提高了微机系统的整体性能。第10章微型计算机系统及其操作系统简介(2)兼容性及扩展性好。PCI总线可以与ISA、EISA、VL总线兼容，其性能指标与CPU及时钟无关。因而，PCI插卡是通用的，可插到任何一个有PCI总线的系统中。然而，由于实际上插卡上BIOS与CPU及操作系统有关，不一定能完全通用。但至少对同一类型CPU的系统能够通用。例如，对80x86体系结构的微机系统来说，不管是486CPU还是PentiumCPU，也不管是25MHz还是33MHz、50MHz等等，PCI插卡均可通用。PCI总线扩展性好，若需将许多设备接到PCI总线上，可采用多PCI总线加以方便地扩展。第10章微型计算机系统及其操