微型计算机及接口技术
2023-06-07 09:15:48 14 举报AI智能生成
微型计算机及接口技术
作者其他创作
大纲/内容
第一章、微型计算机系统概述
一、微型计算机系统组成
一、微机系统
硬件系统
CPU
运算器
控制器
存储器
输入设备
输出设备
软件系统
系统软件
支撑软件
BIOS与操作系统
应用软件
二、微型计算机系统性能指标
1、字长
微型计算机系统中CPU一次能处理的二进制位数
8086
16
I5/I7
64
2、主频
CPU工作的速度
Pentium
3、速度
MIPS
每秒所能执行的条数
4、主存容量和存储时间
主存容量
2n次方字节(n为地址线数量)
存取时间
5、兼容性
二、微型计算机系统工作原理
一、原理
1、硬件结构
冯·诺依曼结构
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
二、从程序到电子信号
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
三、微型计算机工作过程
1、取指令
2、执行指令
三、微型计算机的组成结构
一、Intel发展概览
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
二、微型计算机基本结构
主板
CPU
存储器
系统芯片
IO接口插槽
IO接口卡
显示卡
声卡
视频卡
采集卡
网卡
3类总线
CPU总线
主总线
片总线
元件总线
系统总线
IO总线
内总线
板级总线
通信总线
外部总线
外总线
PC/XT基本结构
3芯片平台架构
CPU
主总线
北桥芯片
南桥芯片
芯片组的功能
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
微型计算机基本结构发展特点
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
第二章、8086微处理器
重点
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
一、8086的内部结构
内部结构
执行单元-EU（指令译码，发出控制信号）
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
总线接口单元-BIU（接口之间传送信息）
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
总线接口单元与执行单元的配合
1、相互独立
2、并行工作
8088和8086内部结构上的区别
1、相同处
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
2、区别
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
二、8086基本执行环境
一、8086内部寄存器
1、8086内部共有14个16位的寄存器
2、分类
通用寄存器-8
数据寄存器
AX
累加器
AH
AL
BX
基址寄存器
CX
计数寄存器
DX
数据寄存器
地址指针寄存器
SP
栈指针寄存器
BP
基址寄存器
变址寄存器
SI
源变址寄存器
DI
目的变址寄存器
段寄存器-4
CS
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
SS
堆栈段寄存器
DS
数据段寄存器
ES
附加段寄存器
指令寄存器-1
IP
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
标志寄存器-1
FLAGS
16位寄存器
使用9位
6位状态标志
记录算术和逻辑运算的结果特征
CF
进位标志位
进位或者借位时CF=1,否则CF=0
最高位字节数据D7
字数据D15
PF
奇偶标志位
最低字节中有偶数个1则PF=1否则PF=0
AF
辅助进位位
D3向D4位进位或者借位时AF=1，否则AF=0
ZF
零标志位
运算结果为零ZF=1否则ZF=0
SF
符号标志位
有符号运算结果最高位为1，SF=1否则SF=0
OF
溢位标志位
有符号运算结果超出有效范围，OF=1,否则OF=0
3位控制标志
TF
TF=1,CPU单步执行，方便调试
IF
IF=1,CPU响应可屏蔽中断请求，IF=0,不响应。对不可屏蔽的中断和内部中断无影响
DF
方向标示位
DF=1数据串行操作按照地址递减方式进行,DF=0递增执行
二、存储器管理
1、存储器分段
一个字节即为存储单元
存储容量
8086共20条地址线，2的20次方为1M
内存单元的物理地址
8086寄存器16位，寻址范围2的16次方为64KB
2、逻辑地址和物理地址
逻辑地址
段基址：偏移地址
物理地址
段基址X10H+偏移地址
3、多字节数据存放
小端存储法
低字节放底地址
高字节放在高地址
4、段、寄存器、偏移量默认关系
代码段
CS
IP
堆栈段
SS
SP/BP
数据段
DS
BX/SI/DI
附件数据段
ES
DI
三、8086的引脚信号
一、8086工作方式
最小方式
只有一个微处理器
最大方式
两个以上主线总设备
8086为主
其他协处理器
8087
8089
MN/MX接高电平为最小方式，接低电平为最大方式
二、8086引脚
各类线
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
最大方式和最小方式公共引脚
VCC电源
AD15-AD0
地址数据复用线
A19/S6~A16/S3
地址状态复用线，输出
S6恒等于0
S5=1,CPU响应可屏蔽中断
S5=0,禁止可屏蔽中断
S4/S3表明正在使用段寄存器
NMI
非屏蔽中断申请输入线，上升沿信号
INTR
可屏蔽中断申请输入线，高电平有效
CLK
时钟输入线，连接时钟发生器8284
77MHZ
33%占空比
RESET
复位信号输入线
高电平有效，至少保持4个时钟周期
复位状态
CS=FFFFH/IP/DS/ES/SS/FLAGS清零
指令队列清空
CS:IP=FFFFH:0000H
取指令
READY
准备好信号输入线，高电平有效，内存、IO准备发出
有效
内存或IO准备好，CPU可以数据传送
无效
内存或IO未准备好,READY为低电平
TEST
测试信号输入线，WAIT指令
RD
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
MN/MX
最小最大方式控制信号输入线
BHE/S7
总线高允许/S7状态输出
最小方式引脚
INTA
中断响应信号输出线
低电平有效
ALE
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
DEN
数据允许信号输出线
DT/R
高电平
CPU向外发出数据
低电平
CPU从外接收数据
M/IO
高电平
CPU与内存进行数据传输
低电平
CPU与IO进行数据传输
WR
写信号输出线
低电平，表明CPU对内存或者IO进行写操作
HOLD
总线保持请求信号输入线
HLDA
总线保持响应信号输出线
最大方式引脚
地址总线和数据总线部分相同
控制总线部分有很大差别
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
三、8088与8086引脚不同之处
数据和地址复用线
8086为根
AD15~AD0
8088为8根
AD7~AD0
28引脚，功能相同，有效电平不同
8086位M/IO
8088为M/IO
四、8086的基本时序
一、时钟周期、总线周期、指令周期
1、时钟周期
微处理器最小的时间单位
2、总线周期
一次数据传输的时间称为总线周期
1个总线周期包含4个时钟周期
1、T1周期
20位地址输出，ALE和MIO输出正确状态
2、T2周期
地址高4位输出状态编码、WR、RD输出正确状态
3、T3周期
地址数据复用线出现16位数据
4、T4周期
信号撤除
5、TW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
3、指令周期
执行一条指令所需的时间
一个指令周期需要1-n个总线周期
二、8086的基本时序
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
第三章、8086汇编语言的程序设计
重点
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
一、8086指令的寻址方式
操作码
指出计算机要执行的操作
操作数
0,1,2或多个
指令的寻址方式
寻找指令中操作数的方法
8086寻址方式
数据寻址
操作数4类型
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
4中类型
立即寻址
MOV AL,8;
(AL)=8
MOV AX,1234;
（AX）=1234
寄存器寻址
MOV AL,CL;
（AL）=（CL）
MOV DS,AX;
（DS)=(AX)
存储器寻址
偏移地址计算公式
EA=基址+变址+位移量
寻址方式
直接寻址
物理地址=(DS)*10H+EA
MOV AX,[1234H];
取出DS:[1234H] ->AL,DS:[1234H] -> AX
MOV BL,SS:[10H];
段超越，取出SS:[10H]字节单元内容 -> BL
MOV AX,VAR;
寄存器间接寻址
基址寄存器
(BX,BP)
变址寄存器
(SI,DI)
寻址
BX/SI/DI作为基址变址寄存器，则默认段为DS
物理地址=(DS)*10H+(BX)/(SI)/(DI)
MOV AX,[SI];
访问DS段，从DS:[SI]取一个字 -> AX
MOV BL,[BP];
访问SS段，从SS:[BP]取一个字节 ->BL
ADD AX,ES:[BX];
访问ES段，从ES:[BX]取一个字与AX相加 -> AX
BP作为基址寄存器，则默认段为SS
物理地址=(SS)*10H+（BP）
基址寻址
BX作为段基址，默认DS段
物理地址=(DS)*10H+（BX）
MOV AX,[BX+10H];
访问DS段，从DS:[BX+10H]取一个字-> AX
BP作为段基址，默认SS段
物理地址=(SS)*10H+（BP）
MOV BL,10H[BP];
访问SS段，从SS:[BP+10H]取一个字节->BL
ADD AX,ES:[BX+200H];
访问ES段，从ES:[BX+200H]取一个字与AX相加 -> AX
MOV AX,VAR[BX];
若变量名的有效地址为0200H,则访问DS段，从DS:[BX+0200H]取一个字->AX
变址寻址
变址寄存器只能是SI/DI，默认DS段
物理地址=(DS)*10H +(SI)/(DI)
MOV AX,[SI+120H];
访问DS段，从DS:[SI+120H]取一个字->AX
基址变址寻址
2种格式
无位移量的基址变址寻址
有位移量的基址变址寻址
4种情况
BX为基址寄存器无位移量
物理地址=(DS)*10H +(BX)+（SI）/(DI)
BP为基址寄存器无位移量
物理地址=(SS)*10H+（BP）+(SI)/(DI)
BX为基址寄存器有位移量
物理地址=(DS)*10H+（BX）+(SI)/(DI)+位移量
MOV AL,[BX+SI+10H];
访问DS段，从DS:[BX+SI+10H]取一个字->AL
BP为基址寄存器有位移量
物理地址=(SS)*10H+（BP）+（SI）/(DI) +位移量
MOV AX,10H[BP][SI];
访问SS段，从SS:[BP+SI+10H]取一个字节->AX
IO端口寻址
直接寻址（范围：00H~FFH）
IN AL,20H;
从20H端口读入1字节->AL
OUT 60H,AX;
将AX中1字送到60H和61H端口
间接寻址
MOV DX,3FCH;
IN AL,DX;
将3FCH端口读入1字节
转移操作寻址
段内相对寻址
条件转移指令
无条件转移
循环指令
CALL指令
短跳转
位移量是8位有符号，地址前加SHORT操作符
近跳转
位移量是16位有符号数
段间寻址
二、8086汇编语言基础
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
三、8086汇编伪指令与操作数运算符
1、简化段定义伪指令
存储模式伪指令
四、8086汇编指令与汇编语言的程序设计
一、程序设计概述
程序
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
1、程序设计原则
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
2、程序设计步骤
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
3、程序基本结构
1、顺序结构
2、分支结构
3、循环结构
4、子程序结构
二、人机交互程序的编写
定义
键盘数据的输入，屏幕数据的输出
方法
中断指令
中断指令和中断返回指令
1、软件中断INT
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
格式：INTn
你的范围0~255
操作过程
SP<-(SP)-2
((SP)+1),(SP))<-(FLAGS);FLAGS寄存器压栈
SP<-（SP）-2
((SP)+1,(SP))<-(CS) ;CS压栈
BIOS功能调用
基本输入输出系统
上电自检
系统引导
日时钟管理
基本IO设备驱动
显示器
键盘
DOS系统功能调用
中断类型号
10H
BIOS显示器输出功能
17H
BIOS打印输出功能
33H
鼠标功能
16H
BIOS键盘输入功能
21H
DOS系统功能
INT指令进行BIOS/DOS功能调用步骤
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
键盘输入一个字符
DOS
1号功能
MOV AH,1
INT 21H
6号
MOV AH,6
INT 21H
不等待按键，不检测Ctrl+Break，没有回显效果
BIOS
0号功能
MOV AH,0
INT 16H
等待按键，识别所有按键，没有回显功能
向屏幕输出一个字符
DOS
MOV AH,2
MOV DL,'a'
INT 21H
不回显输入一个字符，并在屏幕显示一个'*'
MOV AH,0
INT 16H
MOV DL,'*'
MOV AH,02H
INT 21H
向屏幕输出一个字符串
MOV DX,OFFSET MSG ;字符串偏移地址给DX
MOV AH,9 ;调用DOS系统功能的9号功能
MOV 21H
中断返回指令IRET
三、8086基本指令与顺序程序的编写
1、8086的基本指令
数据传送指令
4类
通过数据传送
MOV
PUSH
POP
XCHG
XLAT
IO指令
IN
OUT
地址传送指令
LEA
LDS
LES
标志传送指令
LAHF
SAHF
PUSHF
POPF
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
第四章、内部存储器及其接口
重点
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
一、存储器分类
存放
通用寄存器
高速缓存
内部存储器
外部存储器
介质
半导体存储器
速度快
集成度高
子主题
磁存储器
光存储器
存储方式
只读存储器
ROM
随机存储器
RAM
顺序存储器
磁带
二、半导体存储器
1、控制时序逻辑
启动
地址寄存器
MAR
地址译码器
片选
存储体
读写
读写电路
数据寄存器
MDR
2、分类
ROM
不丢失,如BIOS
掩膜ROM
程序和数据固化
可编程ROM
PROM
可擦除ROM
E2PROM
Flash
RAM
掉电丢失
SRAM
高速缓存
DRAM
内存
NVRAM
SRAM+E2PROM
3、内存新能指标
1、存储容量
K位地址线，L位数据线
存储容量=2k*L
2、存取时间
3、存储周期
存储器中=存取时间+恢复时间
4、可靠性
5、性价比
4、典型的半导体存储器芯片
容量
地址线-13
数据线-8
容量=2^13*8
三、半导体存储器与CPU的连接
1、关注问题
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
2、存储器扩展
1、位扩展
2、字扩展
3、字位扩展
3、片选控制方法
4、8086CPU和存储器的连接
1、奇偶分体
四、8086地址映射
1KB
中断向量表
00000H
003FFH
BIOS数据区
00400H
640KB
DOS管理区
00500H
9FFFFH
768KB
传统视频缓冲区
0A0000H
0BFFFFH
896KB
扩充区域
0C0000H
0DFFFFH
960KB
扩展系统BIOS区域
0E0000H
0EFFFFH
1MB
系统BIOS区域
0F0000H
0FFFFFH
第五章、输入/输出与接口技术
重点
I/O端口编址
输入/输出数据传送的控制方式
一、接口概述
接口
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
一、为何必须通过IO接口进行信息交换
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
二、基本功能
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
三、IO组成
1、接口硬件
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
2、接口软件(设备驱动程序)
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
二、IO端口编址
一、IO端口、地址
寄存器
IO端口地址
地址两部分
地址高位
地址低位
接口电路基地址
端口号
端口地址
地址
端口号
三、8086最小系统简单接口电路
一、分类
灵活性
不可编程接口芯片
74LS373
74LS244
74LS245
可编程接口芯片
8254
8255
8259
通用性
通用接口芯片
8254
8255
8259
专用接口芯片
配置键盘
显示器
二、3种简单的IO接口芯片
锁存器
74LS373
作用
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
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
缓冲器
74LS244
缓冲器
输入缓冲区
输出缓冲区
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
74LS245
四、输入/输出数据的传送的控制方式
概览
程序控制方式
无条件传送方式
程序查询方式
中断传送方式
DMA方式
直接存储器存取方式
IO通道方式
IO处理机方式
二、程序控制方式
CPU为中心，控制来自CPU
无条件传送方式
输入添加缓冲区
输出添加锁存器
条件传送方式
DMA
第六章、中断系统
重点
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
一、中断系统概述
1、概念
CPU暂停执行，转而处理随机事件
2、中断控制电路
1对1
1对多
中断源的识别和判断
软件查询
硬件查询
请求线仲裁
二、8086的中断系统
1、类型
外部中断
INTR
可屏蔽中断
NMI
不可屏蔽中断
内部中断
溢出中断
出发出错中断
断点中断
单步中断
INTn中断
三、可编程中断控制器8259A
1、引脚和内部结构
2、工作方式
1、中断触发
2、屏蔽中断
3、优先级排队
4、中断嵌套
第七章、可编程定时计数器
一、定时计算器概述
1、定时与计数
二、可编程定时计数器8254
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
四、8254控制字
五、8254的编程
初始化编程
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
工作编程
8254应用
第八章、可编程并行接口
重点
8255A方式0应用
一、概述
并行接口
多条数据线
串行接口
单条数据线
二、可编程并行接口8255A
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）
3个工作方式
无条件传送
查询传送
中断传送
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
2、内部结构
数据总线缓冲器
读写控制模块
A/B组控制模块
IO端口
3、工作方式
方式1
选通输入输出方式
单向方式
STB
选通输入信号
IBF
输入缓冲器满信号
INTR
INTE
第九章、串行通讯与串行接口
一、串行通讯
波特率
单位时间内传送的二进制数据位数
信号调制解调
调频
FM
FSK
调幅
AM
ASK
调相
PM
PSK
异步串行
同步串行
二、串行通讯协议
协议
一、异步串行通讯协议
二、同步串行通讯协议
规程
面向字符
面向比特
面向字节
三、串行通讯标准RS-232C
22根线
四、可编程串行接口芯片8251A
1、基本性能
2、内部结构
数据总线缓冲区
接收器
错误类型
奇偶错误
帧错误
溢出错误
发送器
3、8251A引脚
第十章、模拟接口
重点
ADC0809
DAC0832
一、模拟接口概述
二、D-A转换器
数字信号转换成模拟量
性能
分辨率
转换时间
精度
8位 DAC0832
8位分辨率
工作方式
双缓存
单缓冲
直通
三、A-D转换器
性能指标
分辨率
绝对精度
转换时间
接口形式
与数据总线直接交换信息
启动转换信息
转换数据传送
第十一章、总线与实用接口
一、概论
一、总线和接口及其标准概念
总线
总线标准
二、总线性能参数
总线频率
总线宽度
总线的数据传输率
三、总线标准
物理特性
功能特性
电气特性
时间特性
四、总线操作和总线传送控制
阶段
总线请求和仲裁阶段
寻址阶段
数据传送阶段
结束阶段
传送控制方式
同步
异步
半同步
分离
二、总线
1、ISA
2、EISA
三、PCI总线
外围部件互联
特点
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
协议
突发协议
传输控制
FRAME#
IRDY#
TRDY#
地址空间
内存地址
IO地址
配置地址
字节使能信号
PCI总线过渡期
四、通用串行总线USB
通用串行总线
优势
无需扩展插卡
无需底层开发驱动
即插即用，热拔插
组成
主控制器
集线器
USB设备
软件
USB驱动程序
USB拓扑结构
层次化拓扑结构，一级级的级联方式
USB接口信号和电气特性
接口信号
4根
D+和D-信号线
+V5
底线
电气特性
4.75-5.25V
100mA吸入电流
供电
自给
总线
NRZI编码
无回零反向码
USB数据流类型和传输类型
数据类型
控制信号流
块数据流
中断数据流
实时数据流
传输类型
控制传输
批传输
中断传输
等时传输
五、其他总线和接口
PIC Express
AGP
加速图形接口
高性能串行总线标准IEEE1394
STAT
海量存储
CAN总线
现场总线
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