微型計算機原理及接口技術第1章

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1、單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,主要內(nèi)容,本課程緊密結(jié)合電子類專業(yè)的特點，以微型計算機原理和應用為主題，以,Intel8086CPU,為主線，系統(tǒng)介紹了,微處理器,(,第二章）、,指令系統(tǒng)（匯編語言）,(,第三、四章）,、,存儲器,（第五章）、,接口技術,（第六至十二章）、,總線結(jié)構,（第六章）一系列技術，從而使大家能較清楚的了解微機的結(jié)構與工作流程，建立起系統(tǒng)的概念。,本課程系統(tǒng)介紹了微機中的常用接口原理和應用技術，包括,七大,可編程,接口芯片：中斷控制器,8259A,、計數(shù)器,/,定時器,8253,、并行接口,8255A,、串行接口,

2、8251A,、,D/A A/D,轉(zhuǎn)換器、,DMA,控制器,8237,A,、人機接口。,第,1,章 緒論,本章重點：,1,、,微處理器（,CPU,）,、微型計算機和,微型計算機系統(tǒng)的差別,2,、,CPU,的功能和組成部件,3,、,微型計算機的基本結(jié)構,1-1,微型計算機的發(fā)展概況,電子計算機分為巨型機（第一代）、大型機（第二代）、中小型機（第三代）和,微型機,（第四代）。,微型計算機采用大規(guī)模集成電路（,LSI,）、超大規(guī)模集成電路（,VLSI,）為主要部件，以半導體存儲器和磁盤為內(nèi)、外存儲器；在軟件方法上產(chǎn)生了結(jié)構化程序設計和面向?qū)ο蟪绦蛟O計思想。,微型計算機的發(fā)展以微處理器的發(fā)展為主要標志。

3、,（1981-1992）,（,1993,后）,第一代,4,位和低檔,8,位機,Intel 4004,第二代,中高檔,8,位機,8080/8085、Z80、MC6800,第三代,16,位機,Intel 8086、Z8000、MC6800,第四代,32,位機,80386、80486,第五代,64,位機,Intel Pentium,（,1971-1973,）,（1974-1978）,（1978-1981）,特點：,1,、速度越來越快。,2,、容量越來越大。,3,、功能越來越強。,微處理器的發(fā)展概況,將傳統(tǒng)計算機的運算器和控制器集成在一塊大規(guī)模集成電路芯片上作為中央處理部件，簡稱為微處理器。,字長,第

4、五代微處理器：,1993,年,3,月,Intel,公司制造出,Pentium,（,奔騰）微處理器；,1995,年,11,月，推出了,Pentium Pro,，,接著又推出了含有,MMX,（,多媒體擴展指令集）功能的,Pentium,處理器,P55C,；,1999,年,11,月推出,P,微處理器；,2000,年,11,月，,Intel,推出更新的微處理器芯片,P4,。（,目前市場上,P4,的集成度為：,4200,萬管,/,片，時鐘頻率為：,3GHz,）,Motorola,、,Zilog,等公司也推出了相應的產(chǎn)品。,1-2,微處理器、微型計算機和微型計算機系統(tǒng),*,微處理器、微型計算機和微型計算機

5、系統(tǒng)的區(qū)別,1.2.1,微處理器,*,CPU,的,功能：,取指,譯碼,執(zhí)行,*,CPU,的,內(nèi)部結(jié)構：,算術邏輯單元（,ALU),；,累加器和通用寄存器組；,程序計數(shù)器,(,指令指針,),、,指令寄存器和譯碼器；,時序和控制部件。,1.2.2,微型計算機,*,微型計算機的基本結(jié)構：,由,CPU,、,存儲器、輸入輸出接口電路和系統(tǒng)總線構成。,存儲器,一、功能：,存儲程序和數(shù)據(jù)。,二、分類：,內(nèi)部存儲器（內(nèi)存或主存）、外部存儲器。,CPU,超,高,速,緩,存,主,存,輔,助,存,儲,器,外,存,內(nèi)部存儲器,外部存儲器,1.,內(nèi)部存儲器,是,計算機系統(tǒng)的內(nèi)部存儲部件，用于存放,正在運行,的程序、程序

6、所使用的,原始,數(shù)據(jù),、中間結(jié)果和最終結(jié)果等各種信息,，是計算機系統(tǒng)的存儲中心。,內(nèi)存,（,Memory,）,直接,和,CPU,交換信息。,（,1,）隨機存取存儲器（,RAM,）：,SRAM,、,DRAM,（,2,）,只讀存儲器（,ROM,）：,掩膜,ROM,、,PROM,、,EPROM,、,E,2,PROM,。,（,3,）,超高速緩存,Cache,Cache,技術的采用是為解決微處理器速度不斷提高而,DRAM,速度不能與之匹配的問題。出發(fā)點就是用,SRAM,和,DRAM,構成一個組合地存儲系統(tǒng)，使它既有,SRAM,和,DRAM,的優(yōu)點。具體就是在主存和高速,CPU,之間設置一個小容量的,SR

7、AM,作為高速緩存，其中存放,CPU,常用的指令和數(shù)據(jù)。,隨機存取存儲器，用來暫時存儲用戶輸入的數(shù)據(jù)與程序?？呻S機地讀出與寫入。,只讀存儲器，用來存儲微機系統(tǒng)管理程序,BIOS,等,(,芯片制造時寫入,),。只能讀出，不能寫入。,2.,外部存儲器,用于存放暫不運行的程序和輸入處理的數(shù)據(jù)。,磁存儲器：,硬磁盤、軟盤。,一般,1.44MB,軟盤的磁道為雙面、每面有,80,個磁道，每個磁道為,18,個扇區(qū)，每個扇區(qū)有,512,個字節(jié)，存儲容量為：,2,面,80,磁道,/,面,18,扇區(qū),/,磁道,512,字節(jié),/,扇區(qū),=1.44MB,硬磁盤一般為,120GB,，,7200,轉(zhuǎn),/,分。典型的硬盤接

8、口有：,IDE,（,PC,機系統(tǒng)接口）、,SCSI,（,小型計算機系統(tǒng)接口,）、,ESDI,（,增強型小型外設接口）、,IPI,（,智能外設接口）。,三、有關內(nèi)存儲器的幾個概念,1,、內(nèi)存單元,內(nèi)存由許多存儲單元組成，每個內(nèi)存單元可存放一組二進數(shù)。在微機中規(guī)定每個內(nèi)存單元可存放,8,位二進制數(shù)，即一個內(nèi)存單元存放一個字節(jié)的內(nèi)容。,2,、內(nèi)存單元的地址,為了區(qū)分各個不同的內(nèi)存單元，就給每個存儲單元編上不同的號碼，即內(nèi)存地址。,CPU,要訪問某個單元時，先要通過地址總線送出該單元的地址號。內(nèi)存的,每個單元都對應一個地址，以實現(xiàn)對單元內(nèi)容的尋址。,1 0 1 1 0 1 1 0,38F04H,內(nèi)存單

9、元地址,內(nèi)存單元內(nèi)容,.,.,.,.,.,.,7 6 5 4 3 2 1 0,3,、內(nèi)存容量,內(nèi)存所含存儲單元的個數(shù)，以字節(jié)為單位。,內(nèi)存容量：,某微機配置,2,條,128MB,的,DRAM,內(nèi)存條，其內(nèi)存容量為,256MB,。,4,、內(nèi)存操作,讀：,將內(nèi)存單元的內(nèi)容取入,CPU,，,原單元內(nèi)容不改變；,寫：,CPU,將信息放入內(nèi)存單元，單元中原來的內(nèi)容被覆蓋。,刷新：,重寫存儲單元，僅動態(tài)存儲器有此操作。,地址,存放內(nèi)容二進制表示,十六進制表示,FFFFFH,11000010,11000010,FFFFEH,C2H,18H,00010010,00009H,12H,00110100,00008

10、H,34H,01110000,00000H,70H,內(nèi)存單元的地址和內(nèi)容示意圖,工作過程：,為了解決存儲器系統(tǒng)的容量、存取速度及單位成本之間的矛盾，在主存和,CPU,之間設置高速緩沖存儲器,Cache,，,在主存和外存之間設置輔存。,把正在執(zhí)行的指令代碼單元附近的一部分指令代碼或數(shù)據(jù)從主存裝入,Cache,中，供,CPU,在一段時間內(nèi)使用。其特點是整個存儲器系統(tǒng)的容量及單位成本能夠主存相當，而存取速度可以與,Cache,的讀寫速度相當，這就很好地解決了存儲器系統(tǒng)的上述三個方面性能之間的矛盾。,主存,-,輔存結(jié)構解決了存儲器的大容量要求和低成本之間的矛盾，從整體看，其速度接近于主存的速度，其容量

11、則接近于輔存的容量，而每位平均價格也接近于廉價的慢速的輔存平均價格。這種系統(tǒng)不斷發(fā)展和完善，就逐步形成了現(xiàn)在廣泛使用的虛擬存儲系統(tǒng)。,輸入,/,輸出接口電路,輸入,/,輸出接口電路也稱為,I/O,（,Input/Output,）,電路，即通常所說的適配器、適配卡或接口卡。它是微型計算機與外部設備交換信息的橋梁。,主要用于,CPU,與外設之間的,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸、速度匹配、電平匹配,等。,舉例來說，顯示器連接到總線上需要顯卡，音箱連接到總線上需要聲卡，鍵盤連接到總線上需要鍵盤接口（現(xiàn)在的鍵盤接口是固化到主板上了，因為其結(jié)構較簡單）。,主要接口芯片有：鎖存器（,273,、,373,），數(shù)據(jù)緩沖器

12、（,244,、,245,），可編程中斷控制器,8259A,，,可編程定時器,/,計數(shù)器,8253,，可編程并行接口（,8255,、,8155,），可編程串行接口,8251,，,DMA,控制器,8237A,，數(shù),/,模轉(zhuǎn)換器（,ADC0809,、,ICL7135,），,模數(shù)轉(zhuǎn)換器（,DAC0832,）,等。,傳送控制信息的總線。其中，有些信號,線將,CPU,的控制信號和狀態(tài)信號送往外設，,外設請求或聯(lián)絡信號送往,CPU,，,個別信號線,兼有以上兩種情況。所以在討論控制總線的,傳送方向時要具體到某一個信號，它們可能,是輸出、輸入或者雙向的。,傳送數(shù)據(jù)信息的總線。在,CPU,進行讀,操作時，內(nèi)存或外

13、設的數(shù)據(jù)通過,DB,總線送,往,CPU,；在,CPU,進行寫操作時，,CPU,數(shù)據(jù),通過,DB,總線送往內(nèi)存或外設，所以該總線,為雙向總線。,總線,連接計算機系統(tǒng)中其他主要功能部件的橋梁，是計算機系統(tǒng)中信息輸送的樞紐，只有通過總線，計算機系統(tǒng)的各部件才能實現(xiàn)相互通信。,總線標準：,物理特性：,根數(shù)、插頭、插座的形狀、引腳排列；,功能特性：,每根線的功能；,電器特性：,每根線上信號的傳送方向及電平規(guī)定；,時間特性：,時序，每根線上信號何時有效。,總線的分類：,（,1,）內(nèi)部總線：,微處理器內(nèi)部各個器件之間傳送信息的通路。,（,2,）元件級總線：,連接計算機系統(tǒng)中連各主要部件的總線?？煞譃椋?（,

14、3,）系統(tǒng)總線：,微處理機機箱內(nèi)的底板總線。可分為：,ISA,、,EISA,、,VESA,局部總線、,PCI,局部總線等。,（,4,）外部總線：,微機系統(tǒng)與系統(tǒng)之間、系統(tǒng)與外設之間的總線。,常用的有：,USB,、,EIA RS-232,、,IEEE-488,、,1394,、,RS485,等。,數(shù)據(jù)總線：,DB(Data Bus),地址總線：,AB(Address Bus),控制總線：,CB(Control Bus),傳送地址信息、,CPU,在,AB,總線上輸出,將要訪問的內(nèi)存單元或,I/O,端口地址、該總,線為單向，地址總線的位數(shù)決定了,CPU,可,以直接尋址的內(nèi)存單元范圍。,1.3.3,微型

15、計算機系統(tǒng),微型計算機系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成。它以微型計算機為核心，配有軟件和外部設備。,硬件,微機,外設,微處理器,存儲器,I/O,接口電路,總線,鍵盤,硬件系統(tǒng)是由電子部件和機電裝置所組成的計算機實體。硬件的基本功能是接受計算機程序，并在程序的控制下完成數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理和輸出結(jié)果等任務。,顯示器等,微型計算機系統(tǒng)的硬件結(jié)構如下圖所示。,微處理器,CPU,存儲器,RAM,接口電路,時鐘,外存,I/O,設備,接口電路,存儲器,ROM,數(shù)據(jù)總線（雙向）,地址總線（單向）,控制總線,軟件,系統(tǒng)軟件,程序設計語言,應用軟件：軟件包，數(shù)據(jù)庫,機器語言,匯編語言,高級語言,監(jiān)控程序,操作系統(tǒng),編

16、輯程序,解釋程序,編譯程序,診斷程序,軟件系統(tǒng)是指為計算機運行工作服務的全部技術資料和各種程序。軟件系統(tǒng)基本功能保證計算機硬件的功能得以充分發(fā)揮，并為用戶提供一個寬松的工作環(huán)境。,計算機的硬件和軟件二者缺一不可，否則不能正常工作,。,計算機的性能指標,計算機的主要技術性能指標有主頻、字長、內(nèi)存容量、存取周期、運算速度及其他指標。,1.,主頻,（時鐘頻率）：是指計算機中時鐘脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的頻率。單位,MHz,。微機的運行速度與主頻有關。,2,、字長,：是指計算機的運算部件能同時處理的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)。字長決定了計算機的運算精度。,3.,內(nèi)存容量,：是指內(nèi)部存儲器中能存儲的信息總字節(jié)數(shù)。以字節(jié)（,Byte,）,為單位。,4.,存取周期,：主存儲器完成一次“讀”或“寫”操作所需的時間稱為存儲器的存取周期（或讀,/,寫時間）。單位為納秒（,ns,）。存取周期越短，計算機的運行速度就越快。,5.,運算速度,：微機每秒所能執(zhí)行的指令數(shù)。這是個綜合性的指標，單位為,MIPS,（,百萬條指令,/,秒）。影響運算速度的因素，主要是主頻和存取周期，字長和存儲容量也有影響。,1.4,微型計算機的應用,科學