1.5 微計算機系統的組成

微計算機系統由硬件系統和軟件系統兩部分組成，其組成構件的列表如圖1-4所示。

1.5.1 硬件系統

硬件系統是微計算機系統硬設備的總稱，是微機工作的物質基礎，是實體部分。構成微計算機主機的包括大規模集成電路的各個部件：CPU，ROM，RAM和I/O接口電路等將在本書后面各章講述，并從計算機組成原理出發，根據其外部引腳特性和連接的原則、方法將它們圍繞CPU核心構成實用系統。

1.5.2 軟件系統

軟件系統是微計算機為了方便用戶使用和充分發揮微計算機硬件效能所必備的各種程序的總稱。這些程序或存在于內存儲器中，或存放在外存儲器中。

一臺微計算機或微處理器系統組裝好后，沒有安裝任何軟件之前則稱為“裸機”。“裸機”再好，也不能發揮機器效能。因此，硬件和軟件是組成微機系統必不可少的組成部分。微計算機系統根據其使用場合和利用形態的不同，設計者或用戶給它配上的軟件規模也不相同。

1.程序設計語言

程序設計語言是指用來編寫程序的語言，是人和計算機之間交換信息所用的一種工具，又稱編程環境。程序設計語言通常可分為機器語言、匯編語言和高級語言3類。

（1）機器語言

機器語言就是能夠直接被計算機識別和執行的語言。計算機中傳送的信息是一種用“0”和“1”表示的二進制代碼，因此，機器語言程序就是用二進制代碼編寫的代碼序列。由于每種微計算機使用的CPU不同（每種CPU都有自己的指令系統），所以使用的機器語言也就不相同。用機器語言編寫程序，優點是計算機認得，缺點是直觀性差、煩瑣、容易出錯，對不同CPU的機器也沒有通用性能等。因而難于交流，在實際應用中很不方便，則很少直接采用。

（2）匯編語言

基于機器語言的缺點，人們想出一種辦法————用一種能夠幫助記憶的符號，即用英文字或縮寫符來表示機器的指令，并稱這種用助記符（Mnemonic）表示的機器語言為匯編語言。由于匯編語言程序是用這種幫助記憶的符號指令匯集而成的，因此，程序比較直觀，從而易記憶、易檢查、便于交流。但是，用助記符指令編寫的匯編語言程序（又稱源程序）計算機是不認得的，匯編語言源程序必須要翻譯成與之對應的機器語言程序（又稱目標程序）后，計算機才能執行。擔任翻譯加工的系統軟件稱為匯編程序（Assembler）。

由于匯編語言的符號指令與機器代碼是一一對應的，從執行的時間和占用的存儲空間來看，它和機器語言一樣是高效率的，同時也是隨所用的CPU不同而異的。機器語言和匯編語言都是面向機器的，故又稱為初級語言。使用它便于利用計算機的所有硬件特性，是一種能直接控制硬件、實時能力強的語言。

（3）高級語言

高級語言又被稱為算法語言。為了從根本上克服初級語言的弱點，一方面為了使程序設計語言適合于描述各種算法，使程序設計中所使用語句與實際問題更接近；另一方面為了使程序設計可以脫離具體的計算機結構，不必了解其指令系統，這就出現了各種高級語言。用高級語言編寫的程序通用性更強，如BAS1C，FORTRAN，DELPHE，C/C++，Java。用高級語言編寫的源程序仍需翻譯成機器語言表示的目標程序后，計算機才能執行，這就需要相應的解釋程序或編譯程序。高級語言已在有關課程中學習，本書不再贅述。

匯編語言離不開CPU的指令系統，通過它可了解微計算機工作原理。本書將以匯編語言為主，闡明編程原理和方法。

（4）面向對象的語言

為了提高編程的實際開發效率，還可以采用混合語言編程的方法，即采用高級語言和匯編語言混合編程，彼此互相調用，進行參數傳遞，共享數據結構及數據信息。這樣，可以充分發揮各種語言的優勢和特點，充分利用現有的多種實用程序、庫函數等資源，使得軟件的開發周期大大縮短。

2.系統軟件

系統軟件是應用軟件的運行環境，是人和硬件系統之間的橋梁，人就是通過它們來使用機器的。系統軟件是由機器的設計者或銷售商提供給用戶的，是硬件系統首先應安裝的軟件。

（1）監控程序

監控程序又稱為管理程序。在單板微計算機上的監控程序（Monitor）一般只有1～2KB，通常固化在內存ROM中，又被稱為駐留（Resident）軟件。在PC微機中，起此作用的叫做BIOS（基本輸入/輸出系統），其容量要大得多，從幾十字節到幾兆字節。其主要功能是對主機和外部設備的操作進行合理的安排，接受、分析各種命令，實現人機聯系。通常在BIOS中還包括一些可供用戶調用的有用子程序。

（2）操作系統

操作系統是在管理程序基礎上，進一步擴充許多控制程序所組成的大型程序系統。其主要功能有：合理地組織整個計算機的工作流程，管理和調度各種軟、硬件資源————包括CPU、存儲器、I/O設備和軟件，檢查程序和機器的故障。用戶通過操作系統便可方便地使用計算機。操作系統是計算機系統的指揮調度中心，操作系統常駐留在磁盤（Disk）中，又稱DOS（Disk operating system）。

操作系統具有層次結構，我們可以把操作系統管理的資源表示為圖1-5所示的層次。

有了操作系統的微計算機系統的所有資源都將由操作系統統一管理，用戶不必過問各部分資源的分配使用情況，而只是通過使用它的一些命令就行了。例如，通過使用它的實用程序命令就可調用各種語言。因此，可以說操作系統是用戶和裸機間的接口。

微計算機系統常用的操作系統有以下幾種：

① MS-DOS（Microsoft-Disk Operating System）：這是美國Microsoft公司開發的通用16位單用戶磁盤操作系統，主要包括文件管理和外設管理。該系統吸收了其他操作系統的長處，結構優良，軟件上的互換性強，是PC機的主要操作系統之一。

② Windows：Window3.0是Microsoft公司于1990年5月推出的一種圖形用戶界面（GUI）和具有先進動態內存管理方式的操作系統，用其圖形窗口操作環境替代了DOS環境下的命令操作方式，使PC機操作更為直觀，易學、好用。1995年7月又推出了Windows 95，是80486和Pentium PC機的基本操作系統。之后又陸續推出了Windows 98/2000/XP為了不拋棄老用戶，Windows 95/98/2000/XP提供了支持MS-DOS應用程序的運行和絕對的兼容性。為此，Windows包括了MS-DOS的最新版本，并為每個運行MS-DOS應用程序創建了一個MS-DOS虛擬機環境。

3.語言處理程序

① 匯編程序：其功能是把用匯編語言編寫的源程序翻譯成機器語言表示的目標程序。匯編程序可存放在內存的ROM中，被稱為駐留的匯編程序。匯編程序也可存放在磁盤上，使用時應在操作系統的支持下，先將匯編程序調入內存，然后才能進行翻譯加工，得到機器語言的目標程序，再經過服務程序的加工，最后得到可執行的程序文件。

② 解釋程序：其功能是把用某種程序設計語言編寫的源程序（如BASIC程序）翻譯成機器語言的目標程序，并且本著翻譯一句就執行一句的準則，做到邊解釋邊執行。

③ 編譯程序：能把用高級語言（如FORTRAN等）編寫的源程序翻譯成為機器語言的目標程序。編譯程序也需經服務程序的加工才能得到可執行的程序文件。

4.服務程序

用匯編程序和編譯程序的程序設計語言編好程序后，還需要對程序進行編輯、調試并將程序裝配到計算機中去執行，在此過程中，還需要一些其他的輔助程序，這類輔助程序稱為服務程序。微計算機系統常用的服務程序有：文本編輯程序、連接程序、定位程序、調試程序和診斷排錯程序。

文本編輯程序（Editor）是軟件編制開發的一種工具。在它的管理控制下，程序員可通過鍵盤/屏幕終端輸入源程序，然后存入磁盤，生成文本文件，并由它對生成的文本文件進行編輯，如增補、刪除、修改等。

微計算機常采用模塊結構方式進行程序設計。模塊結構允許將一個大的程序分為若干個獨立的模塊進行編程。各模塊經匯編后，得到各自獨立的目標程序。這些目標程序都是具有浮動地址格式的機器語言程序，還不能被機器執行。連接程序的功能就是把各個獨立的具有浮動地址的機器語言程序模塊組合起來，形成一個完整的輸出程序，再由定位程序把存儲器單元分配給目標模塊，這時的輸出程序才能由計算機執行。

一個程序編好以后，必須進行調試。一般語法上的錯誤在匯編、編譯和連接過程中可以被排除，而大部分錯誤還必須用調試手段來進行排除。調試程序（Debug）的任務就是用來對程序錯誤進行糾錯的。

診斷程序是用來檢查程序的錯誤或計算機的故障的，并指出出錯的地方。

5.應用軟件

應用軟件是用戶利用計算機及其所提供的各種系統軟件、程序設計語言為解決各種實際問題而開發的程序。本書將在講述微處理器指令系統基礎上，用匯編語言程序進行程序設計。

6.中間件

企業級應用軟件系統開發迫切需要建立一個基礎平臺。這個基礎平臺軟件被稱為中間件，它能夠為企業應用系統開發提供豐富的、可靠的中間服務和支持，使得開發者專注于應用系統的業務邏輯，從而大大簡化一個具有高可用性、安全性、可靠性、可伸縮性的多層分布式企業應用系統的開發。流行平臺標準有：JavaEE（Java Enterprise Edition）、CORBA（Common Object Broker Architecture）及.NET。

中間件要解決的問題包括代理方法請求、消息傳遞、管理組件生命周期、并發訪問控制、負載均衡、安全控制、分布式數據庫訪問及事務管理等。

1.5.3 微計算機系統結構的特殊性

微計算機源于電子計算機，但又有別于電子計算機，有其特殊之處。正因其特殊，才給各專業應用的自行設計和擴展提供了可能與方便。

1.軟件的固化

在微計算機中，硬件和軟件更加密切而不可分。在大規模集成電路技術支持下，出現了各種半導體固定存儲器，如ROM，PROM，EPROM，E2PROM，Flash Memory，將軟件固化于這樣的硬件中，稱這類器件為固件（Firmware）。發展帶有軟件固化的微計算機系統已成為一個重要發展方向。現代微計算機都具有固化的一些程序，如監控程序，BASIC解釋程序以及操作系統的引導程序和I/O驅動程序的BIOS等。

2.總線結構

前面已經了解到，任何一種微計算機、微處理器系統的核心都是CPU。CPU通過總線（BUS）和其他組成部件進行連接來實現其核心作用。總線就好似整個微計算機系統的“中樞神經”，所有的地址信號、數據信號和控制信號都經由總線進行傳輸。微計算機系統內的總線可歸為4級，如圖1-6所示。

① 片內總線：又叫芯片內部總線，位于CPU芯片內部，用來實現CPU內部各功能單元電路之間的相互連接和信號的相互傳遞。

② 片總線：又叫元件級總線，是微計算機主板上或單板微計算機上以CPU芯片為核心，芯片與芯片間連接的總線。

③ 內總線：又叫微計算機總線或板級總線，通常稱為微機系統總線，用來實現計算機系統中插件板與插件板間的連接。各種微計算機系統中都有自己的系統總線，如IBM PC/XT微機的ISA總線、80386/80486微機的EISA總線以及Pentium微機的PCI、AGP總線等。

④ 外總線：又叫通信總線，用于系統之間的連接，完成系統與系統間的通信。例如，微機系統與微機系統之間、微機系統與測量儀器之間、微機系統與其他電子設備系統之間、微機系統與多媒體設備之間的通信。這種總線不是微機系統所特有的，往往是借用電子工業其他領域已有的總線標準，如RS-232C，IEEE-488，CAMAC和USB等。