微型计算机及接口技术
2023-06-07 09:15:48 11 举报AI智能生成
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微型计算机及接口技术
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大纲/内容
运算器
控制器
CPU
存储器
输入设备
输出设备
硬件系统
支撑软件
BIOS与操作系统
系统软件
应用软件
软件系统
一、微机系统
16
8086
64
I5/I7
微型计算机系统中CPU一次能处理的二进制位数
1、字长
Pentium
CPU工作的速度
2、主频
每秒所能执行的条数
MIPS
3、速度
2n次方字节(n为地址线数量)
主存容量
存取时间
4、主存容量和存储时间
5、兼容性
二、微型计算机系统性能指标
一、微型计算机系统组成
冯·诺依曼结构
1、硬件结构
2、程序和数据都以二进制存放在存储器
3、工作原理：存储程序，程序控制
一、原理
编译、链接 ->二进制机器指令作业
（操作系统调度或BOOT引导）
二进制机器指令流（进程、线程）
（CPU取值、译码、运算）
电路中的电子信号
控制信号控制CPU各部件运作、通过接口部件控制外设运作
二、从程序到电子信号
1、取指令
2、执行指令
三、微型计算机工作过程
二、微型计算机系统工作原理
1、流水线
2、高速缓冲存储器
3、超标量技术
4、CISC/RISC
5、动态执行技术
6、多媒体指令扩展
7、融合图形处理单元
8、超线程技术
9、多核技术
一、Intel发展概览
系统芯片
IO接口插槽
主板
显示卡
声卡
视频卡
采集卡
网卡
IO接口卡
主总线
片总线
元件总线
CPU总线
IO总线
内总线
板级总线
系统总线
外部总线
外总线
通信总线
3类总线
PC/XT基本结构
南桥芯片
北桥芯片
3芯片平台架构
1、支持和协调整个操作系统有条不紊的工作
2、决定存储器类型和接口类型
3、决定总线类型、并对总线进行控制
4、控制微处理器和外设之间的数据传送
5、为功能扩展提供接口和总线插槽
芯片组的功能
1、处理器性能不断增强
2、单功能芯片发展为多功能芯片组
3、总线带宽变宽
4、总线串行化
5、良好兼容性
微型计算机基本结构发展特点
二、微型计算机基本结构
三、微型计算机的组成结构
第一章、微型计算机系统概述
8086执行环境
8086引脚信号，尤其和接口相关的信号
8086的基本时序
重点
通用寄存器
AIU数据总线
运算寄存器
ALU
标志寄存器
控制系统
执行单元-EU（指令译码，发出控制信号）
加法器
数据总线
段寄存器
指令指针
内部暂存器
总线控制逻辑
总线接口单元-BIU（接口之间传送信息）
内部结构
1、相互独立
2、并行工作
总线接口单元与执行单元的配合
1、均有BIU和EU组成，两部件并行工作
2、内部数据总线都是16位
1、相同处
1、8086指令队列有6字节，而8088只有4字节
2、8086指令队列空出2字节则BIU执行一次取指令、而8088则空出1字节便执行一次取指令
3、8086的外部数据总线是16位，而8088只有8位
2、区别
8088和8086内部结构上的区别
一、8086的内部结构
1、8086内部共有14个16位的寄存器
累加器
AH
AL
AX
基址寄存器
BX
计数寄存器
CX
数据寄存器
DX
栈指针寄存器
SP
BP
地址指针寄存器
源变址寄存器
SI
目的变址寄存器
DI
变址寄存器
通用寄存器-8
代码段寄存器，存放当前代码段的基址，BIU取指令从当前代码段获取
CS
堆栈段寄存器
SS
数据段寄存器
DS
附加段寄存器
ES
段寄存器-4
当前代码段的偏移地址
偏移地址即为有效地址EA
IP自动加1
IP不能读写
IP
指令寄存器-1
记录算术和逻辑运算的结果特征
最高位字节数据D7
字数据D15
进位标志位
CF
最低字节中有偶数个1则PF=1否则PF=0
奇偶标志位
PF
D3向D4位进位或者借位时AF=1，否则AF=0
辅助进位位
AF
运算结果为零ZF=1否则ZF=0
零标志位
ZF
有符号运算结果最高位为1，SF=1否则SF=0
符号标志位
SF
溢位标志位
OF
6位状态标志
TF
IF
方向标示位
DF
3位控制标志
使用9位
16位寄存器
FLAGS
标志寄存器-1
2、分类
一、8086内部寄存器
一个字节即为存储单元
8086共20条地址线，2的20次方为1M
存储容量
8086寄存器16位，寻址范围2的16次方为64KB
内存单元的物理地址
1、存储器分段
段基址：偏移地址
逻辑地址
段基址X10H+偏移地址
物理地址
2、逻辑地址和物理地址
低字节放底地址
高字节放在高地址
小端存储法
3、多字节数据存放
代码段
SP/BP
堆栈段
BX/SI/DI
数据段
附件数据段
4、段、寄存器、偏移量默认关系
二、存储器管理
只有一个微处理器
最小方式
8086为主
8087
8089
其他协处理器
两个以上主线总设备
最大方式
MN/MX接高电平为最小方式，接低电平为最大方式
一、8086工作方式
40引脚双列直插式封装
20根地址线
16根数据线
控制线
状态线
时钟线
电源线
地线
一线多用
带短横线或者#后缀，低电平有效
各类线
VCC电源
地址数据复用线
AD15-AD0
S6恒等于0
地址状态复用线，输出
S4/S3表明正在使用段寄存器
非屏蔽中断申请输入线，上升沿信号
NMI
可屏蔽中断申请输入线，高电平有效
INTR
时钟输入线，连接时钟发生器8284
CLK
33%占空比
77MHZ
高电平有效，至少保持4个时钟周期
复位信号输入线
CS=FFFFH/IP/DS/ES/SS/FLAGS清零
指令队列清空
取指令
CS:IP=FFFFH:0000H
复位状态
RESET
准备好信号输入线，高电平有效，内存、IO准备发出
内存或IO准备好，CPU可以数据传送
有效
无效
READY
测试信号输入线，WAIT指令
TEST
读信号输出线，低电平有效，为低表明CPU正对内存或外设进行读操作
RD
最小最大方式控制信号输入线
MN/MX
总线高允许/S7状态输出
BHE/S7
A19/S6~A16/S3
最大方式和最小方式公共引脚
低电平有效
中断响应信号输出线
INTA
地址锁存允许信号输出线，高电平有效，对地址锁存器进行控制
ALE
数据允许信号输出线
DEN
CPU向外发出数据
高电平
CPU从外接收数据
低电平
DT/R
CPU与内存进行数据传输
CPU与IO进行数据传输
M/IO
低电平，表明CPU对内存或者IO进行写操作
写信号输出线
WR
总线保持请求信号输入线
HOLD
总线保持响应信号输出线
HLDA
最小方式引脚
地址总线和数据总线部分相同
最小方式下，控制总线从8086得到，无需外加电路
最大方式下，外加总线控制器8288
控制总线部分有很大差别
最大方式引脚
二、8086引脚
AD15~AD0
8086为根
AD7~AD0
8088为8根
数据和地址复用线
28引脚，功能相同，有效电平不同
8086位M/IO
8088为M/IO
三、8088与8086引脚不同之处
三、8086的引脚信号
微处理器最小的时间单位
1、时钟周期
20位地址输出，ALE和MIO输出正确状态
1、T1周期
地址高4位输出状态编码、WR、RD输出正确状态
2、T2周期
地址数据复用线出现16位数据
3、T3周期
信号撤除
4、T4周期
IO或存储器不能及时配合CPU传输数据，则在T3之后插入若干个TW，直到READY信号有效才进入T4
5、TW周期
1个总线周期包含4个时钟周期
一次数据传输的时间称为总线周期
2、总线周期
一个指令周期需要1-n个总线周期
执行一条指令所需的时间
3、指令周期
一、时钟周期、总线周期、指令周期
存储器读或写
输入、输出端口的读写
中断响应
最小方式下的总线保持与响应
最大方式下的总线保持和响应
复位和启动
二、8086的基本时序
四、8086的基本时序
二、8086基本执行环境
第二章、8086微处理器
1、8086指寻址方式
2、8086汇编语言伪指令
3、8086汇编指令与汇编语言程序设计
4、常见的DOS功能调试和BIOS调用
指出计算机要执行的操作
操作码
操作数
寻找指令中操作数的方法
指令的寻址方式
立即操作数，数据作为指令的一部分
寄存器操作数，数据存放在CPU的寄存器中
存储器操作数，数据放在存储器中
端口操作数，数据放在端口寄存器中
操作数4类型
(AL)=8
（AX）=1234
立即寻址
（AL）=（CL）
（DS)=(AX)
寄存器寻址
EA=基址+变址+位移量
偏移地址计算公式
段超越，取出SS:[10H]字节单元内容 -> BL
物理地址=(DS)*10H+EA
直接寻址
访问DS段，从DS:[SI]取一个字 -> AX
访问SS段，从SS:[BP]取一个字节 ->BL
访问ES段，从ES:[BX]取一个字与AX相加 -> AX
物理地址=(DS)*10H+(BX)/(SI)/(DI)
BX/SI/DI作为基址变址寄存器，则默认段为DS
物理地址=(SS)*10H+（BP）
BP作为基址寄存器，则默认段为SS
寻址
寄存器间接寻址
访问DS段，从DS:[BX+10H]取一个字-> AX
物理地址=(DS)*10H+（BX）
BX作为段基址，默认DS段
访问SS段，从SS:[BP+10H]取一个字节->BL
BP作为段基址，默认SS段
访问ES段，从ES:[BX+200H]取一个字与AX相加 -> AX
基址寻址
访问DS段，从DS:[SI+120H]取一个字->AX
物理地址=(DS)*10H +(SI)/(DI)
变址寄存器只能是SI/DI，默认DS段
变址寻址
无位移量的基址变址寻址
有位移量的基址变址寻址
2种格式
物理地址=(DS)*10H +(BX)+（SI）/(DI)
BX为基址寄存器无位移量
物理地址=(SS)*10H+（BP）+(SI)/(DI)
BP为基址寄存器无位移量
访问DS段，从DS:[BX+SI+10H]取一个字->AL
物理地址=(DS)*10H+（BX）+(SI)/(DI)+位移量
BX为基址寄存器有位移量
访问SS段，从SS:[BP+SI+10H]取一个字节->AX
物理地址=(SS)*10H+（BP）+（SI）/(DI) +位移量
BP为基址寄存器有位移量
4种情况
基址变址寻址
寻址方式
存储器寻址
从20H端口读入1字节->AL
将AX中1字送到60H和61H端口
直接寻址（范围：00H~FFH）
将3FCH端口读入1字节
间接寻址
IO端口寻址
4中类型
数据寻址
条件转移指令
无条件转移
循环指令
CALL指令
位移量是8位有符号，地址前加SHORT操作符
短跳转
位移量是16位有符号数
近跳转
段内相对寻址
段间寻址
转移操作寻址
8086寻址方式
一、8086指令的寻址方式
8086汇编语言源程序的格式
汇编语言格式
数据类型和常量
标识符
二、8086汇编语言基础
存储模式伪指令
1、简化段定义伪指令
三、8086汇编伪指令与操作数运算符
完成一个特定功能的指令序列，为解决某个问题的算法描述
程序
1、正确、完整
2、结构清晰，简单明了，注释详尽、易于阅读、维护
3、运算速度快、占用内存、二者平衡
1、程序设计原则
1、分析问题
2、确定解决问题算法
3、不能功能划分模块
4、绘制各个模块的流程图
5、根据流程图编写程序
6、上机调试、修改至程序正确
2、程序设计步骤
1、顺序结构
2、分支结构
3、循环结构
4、子程序结构
3、程序基本结构
一、程序设计概述
键盘数据的输入，屏幕数据的输出
定义
控制转移类指令，可以执行软件中断、BIOS功能调用和DOS系统功能调用，执行完，返回INT指令的下条指令
你的范围0~255
格式：INTn
SP<-(SP)-2
SP<-（SP）-2
操作过程
1、软件中断INT
中断指令和中断返回指令
中断指令
上电自检
系统引导
日时钟管理
显示器
键盘
基本IO设备驱动
基本输入输出系统
BIOS功能调用
DOS系统功能调用
BIOS显示器输出功能
10H
BIOS打印输出功能
17H
鼠标功能
33H
BIOS键盘输入功能
16H
DOS系统功能
21H
中断类型号
1、功能号送AH寄存器
2、按要求将所有入口参数送到制定寄存器
3、发送INT n 软件中断指令
INT指令进行BIOS/DOS功能调用步骤
INT 21H
1号功能
不等待按键，不检测Ctrl+Break，没有回显效果
6号
DOS
INT 16H
等待按键，识别所有按键，没有回显功能
0号功能
BIOS
键盘输入一个字符
向屏幕输出一个字符
不回显输入一个字符，并在屏幕显示一个'*'
MOV 21H
向屏幕输出一个字符串
中断返回指令IRET
方法
二、人机交互程序的编写
MOV
PUSH
POP
XCHG
XLAT
通过数据传送
IN
OUT
IO指令
LEA
LDS
LES
地址传送指令
LAHF
SAHF
PUSHF
POPF
标志传送指令
4类
数据传送指令
算术运算指令
逻辑运算指令
移位与循环移位指令
处理器控制指令
1、8086的基本指令
三、8086基本指令与顺序程序的编写
四、8086汇编指令与汇编语言的程序设计
第三章、8086汇编语言的程序设计
存储器层次结构
8086微机的系统地映射
8086CPU与存储器的连接
存储器的扩展
高速缓存
内部存储器
外部存储器
存放
速度快
集成度高
子主题
半导体存储器
磁存储器
光存储器
介质
ROM
只读存储器
RAM
随机存储器
磁带
顺序存储器
存储方式
一、存储器分类
MAR
地址寄存器
地址译码器
启动
存储体
片选
读写电路
MDR
读写
1、控制时序逻辑
程序和数据固化
掩膜ROM
PROM
可编程ROM
E2PROM
可擦除ROM
Flash
掉电丢失
SRAM
内存
DRAM
SRAM+E2PROM
NVRAM
存储容量=2k*L
K位地址线，L位数据线
1、存储容量
2、存取时间
存储器中=存取时间+恢复时间
3、存储周期
4、可靠性
5、性价比
3、内存新能指标
地址线-13
数据线-8
容量=2^13*8
容量
4、典型的半导体存储器芯片
二、半导体存储器
1、CPU负载能力
2、芯片的选择
3、时序配合
4、存储器地址分配
1、关注问题
1、位扩展
2、字扩展
3、字位扩展
2、存储器扩展
3、片选控制方法
1、奇偶分体
4、8086CPU和存储器的连接
三、半导体存储器与CPU的连接
00000H
003FFH
中断向量表
00400H
BIOS数据区
1KB
00500H
9FFFFH
DOS管理区
640KB
0A0000H
0BFFFFH
传统视频缓冲区
768KB
0C0000H
0DFFFFH
扩充区域
896KB
0E0000H
0EFFFFH
扩展系统BIOS区域
960KB
0F0000H
0FFFFFH
系统BIOS区域
1MB
四、8086地址映射
第四章、内部存储器及其接口
I/O端口编址
输入/输出数据传送的控制方式
CPU与内存以及CPU与外设之间通过总线进行链接的逻辑部件，前者称为存储器接口，后者称为I/O接口
接口
1、信息类型和格式不同
2、速度不匹配
3、多个IO设备会降低CPU效率
4、会使IO硬件依赖CPU，不利于发展
一、为何必须通过IO接口进行信息交换
1、缓冲功能
2、IO设备寻址
3、信号转换
4、微机与IO设备交换数据所需的控制逻辑和状态信号
总结：完成数据、地址、和控制三总线的转换和连接任务
二、基本功能
数据缓冲器
控制寄存器
状态寄存器
数据总线地址总线缓冲器
端口地址译码器
内部控制逻辑
对外联络控制逻辑
1、接口硬件
初始化程序段
传送方式处理程序段
主控制段
程序终止与退出程序段
辅助程序段
2、接口软件(设备驱动程序)
三、IO组成
一、接口概述
寄存器
IO端口地址
地址高位
地址低位
地址两部分
接口电路基地址
端口号
地址
端口地址
一、IO端口、地址
二、IO端口编址
74LS373
74LS244
74LS245
不可编程接口芯片
8254
8255
8259
可编程接口芯片
灵活性
通用接口芯片
配置键盘
专用接口芯片
通用性
一、分类
缓存、完成高速控制和慢速外设不同步问题，解决驱动问题
常用于锁存地址、数据信息
作用
8位锁存器
8个D触发器
8个输入信号
8个输出信号
锁存使用端LE
输出允许端OE
锁存器
输入缓冲区
输出缓冲区
缓冲器
高速CPU和慢速外设间协调和缓冲，实现数据传输同步
数据收发器
二、3种简单的IO接口芯片
三、8086最小系统简单接口电路
无条件传送方式
程序查询方式
中断传送方式
程序控制方式
直接存储器存取方式
DMA方式
IO通道方式
IO处理机方式
概览
CPU为中心，控制来自CPU
输入添加缓冲区
输出添加锁存器
条件传送方式
DMA
二、程序控制方式
四、输入/输出数据的传送的控制方式
第五章、输入/输出与接口技术
CPU 与多中断源3种连接
8086的中断向量表及其设置
8259A的初始化、8259A的结束方式
实地址模式下中断处理程序的编写
CPU暂停执行，转而处理随机事件
1、概念
1对1
软件查询
硬件查询
请求线仲裁
中断源的识别和判断
1对多
2、中断控制电路
一、中断系统概述
可屏蔽中断
不可屏蔽中断
外部中断
溢出中断
出发出错中断
断点中断
单步中断
INTn中断
内部中断
1、类型
二、8086的中断系统
1、引脚和内部结构
1、中断触发
2、屏蔽中断
3、优先级排队
4、中断嵌套
2、工作方式
三、可编程中断控制器8259A
第六章、中断系统
1、定时与计数
一、定时计算器概述
输出波形不同
启动计数器触发方式不同
门控信号对计算的影响不同
二、可编程定时计数器8254
四、8254控制字
向控制字寄存器写入方式控制字
向所有使用的计数器写入计数初值
初始化编程
工作编程
8254应用
五、8254的编程
第七章、可编程定时计数器
8255A方式0应用
多条数据线
并行接口
单条数据线
串行接口
一、概述
2个独立的8位IO（A/B口），2个独立的4位IO口（C口上部，下部）
无条件传送
查询传送
中断传送
3个工作方式
B/C口驱动能力，适合做输出端口
C口作为固定的联络信号线
数据总线缓冲器
读写控制模块
A/B组控制模块
IO端口
2、内部结构
单向方式
选通输入信号
STB
输入缓冲器满信号
IBF
INTE
选通输入输出方式
方式1
3、工作方式
二、可编程并行接口8255A
第八章、可编程并行接口
单位时间内传送的二进制数据位数
波特率
FSK
FM
调频
ASK
AM
调幅
PSK
PM
调相
信号调制解调
异步串行
同步串行
一、串行通讯
协议
一、异步串行通讯协议
面向字符
面向比特
面向字节
规程
二、同步串行通讯协议
二、串行通讯协议
22根线
三、串行通讯标准RS-232C
1、基本性能
数据总线缓冲区
奇偶错误
帧错误
溢出错误
错误类型
接收器
发送器
3、8251A引脚
四、可编程串行接口芯片8251A
第九章、串行通讯与串行接口
ADC0809
DAC0832
一、模拟接口概述
数字信号转换成模拟量
分辨率
转换时间
精度
性能
8位分辨率
双缓存
单缓冲
直通
工作方式
8位 DAC0832
二、D-A转换器
绝对精度
性能指标
与数据总线直接交换信息
接口形式
启动转换信息
转换数据传送
三、A-D转换器
第十章、模拟接口
总线
总线标准
一、总线和接口及其标准概念
总线频率
总线宽度
总线的数据传输率
二、总线性能参数
物理特性
功能特性
电气特性
时间特性
三、总线标准
总线请求和仲裁阶段
寻址阶段
数据传送阶段
结束阶段
阶段
同步
异步
半同步
分离
传送控制方式
四、总线操作和总线传送控制
一、概论
1、ISA
2、EISA
二、总线
外围部件互联
独立于处理器
传输速率高
多总线共存
支持突发传输
支持总线主控
采用同步操作
支持两种电压
即插即用
合理引脚
预留扩展空间
特点
突发协议
FRAME#
IRDY#
TRDY#
传输控制
内存地址
IO地址
配置地址
地址空间
字节使能信号
PCI总线过渡期
三、PCI总线
通用串行总线
无需扩展插卡
无需底层开发驱动
即插即用，热拔插
优势
主控制器
集线器
USB设备
组成
USB驱动程序
软件
层次化拓扑结构，一级级的级联方式
USB拓扑结构
D+和D-信号线
+V5
底线
4根
接口信号
4.75-5.25V
100mA吸入电流
自给
供电
无回零反向码
NRZI编码
USB接口信号和电气特性
控制信号流
块数据流
中断数据流
实时数据流
数据类型
控制传输
批传输
中断传输
等时传输
传输类型
USB数据流类型和传输类型
四、通用串行总线USB
PIC Express
加速图形接口
AGP
高性能串行总线标准IEEE1394
海量存储
STAT
现场总线
CAN总线
五、其他总线和接口
第十一章、总线与实用接口
微型计算机及接口技术
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