微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)(1)資料

1、微型(wixng)計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)共十八頁(yè)課程目標(biāo) 微機(jī)原理與接口技術(shù)是工科學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握微機(jī)硬件知識(shí)和匯編語言程序設(shè)計(jì)的入門課程，課程的任務(wù)是使學(xué)生從理論和實(shí)踐上掌握微機(jī)的基本組成、工作原理、接口電路(dinl)及硬件的連接，建立微機(jī)系統(tǒng)的整機(jī)概念，使學(xué)生具有微機(jī)系統(tǒng)軟硬件開發(fā)的初步能力。 共十八頁(yè)目 錄第一章 緒論第二章 8086系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第三章 8086的尋址方式和指令系統(tǒng)第四章 匯編語言程序設(shè)計(jì)第五章 存儲(chǔ)器第六章 I/O接口和總線第七章 微型計(jì)算機(jī)中斷系統(tǒng)第八章 可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器8253及其應(yīng)用第九章 可編程外圍(wiwi)接口芯片8255A及其應(yīng)用第十章 串行通信和可編程接口

2、芯片8251A共十八頁(yè)第一章 緒論1.1 微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況 世界上第一臺(tái)現(xiàn)代意義的電子計(jì)算機(jī)是1946年美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)設(shè)計(jì)制造(zhzo)的ENIAC電子計(jì)算機(jī)。 電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展： 電子管計(jì)算機(jī) 晶體管計(jì)算機(jī) 集成電路計(jì)算機(jī) 大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī) 電子計(jì)算機(jī)按其性能分類： 大型計(jì)算機(jī) 中型計(jì)算機(jī) 小型計(jì)算機(jī) 微型計(jì)算機(jī)共十八頁(yè)1.2 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 從大型計(jì)算機(jī)到微型計(jì)算機(jī)，其基本結(jié)構(gòu)屬于馮諾依曼型計(jì)算機(jī)。它包括運(yùn)算器，控制器，存儲(chǔ)器，輸入設(shè)備和輸出設(shè)備5個(gè)組成部分，基本工作原理是存儲(chǔ)器存儲(chǔ)程序控制的原理。原始的馮諾依曼機(jī)結(jié)構(gòu)上以運(yùn)算器和控制器為中心，隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展，演化為以存

3、儲(chǔ)器為中心的結(jié)構(gòu)。 一、微型計(jì)算機(jī)1.微型計(jì)算機(jī) 微型計(jì)算機(jī)由微處理器，存儲(chǔ)器，輸入輸出接口電路和系統(tǒng)總線組成。 微處理器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心，也稱CPU(中央處理器)。它主要完成(1)從存儲(chǔ)器中取指令，指令譯碼；(2)簡(jiǎn)單的算術(shù)邏輯運(yùn)算；(3)在處理器和存儲(chǔ)器或者IO之間傳送數(shù)據(jù)；(4)程序流向控制等。 存儲(chǔ)器分為隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM和只讀存儲(chǔ)器ROM，存儲(chǔ)器主要用來(yn li)存放程序和數(shù)據(jù)。CPU從存儲(chǔ)器中讀取指令，通過指令譯碼，執(zhí)行相應(yīng)的操作，必要時(shí)再?gòu)拇鎯?chǔ)器或IO設(shè)備中取操作數(shù)，指令執(zhí)行結(jié)果送入存儲(chǔ)器或l/O設(shè)備。程序執(zhí)行結(jié)束，任務(wù)完畢。 共十八頁(yè) 輸入/輸出接口電路用于將外部設(shè)備與CP

4、U(或存儲(chǔ)器)相連接，它們之間進(jìn)行信息傳送時(shí)，使之在信息的格式、電平、速度上得到匹配。 總線(zn xin)將CPU、存儲(chǔ)器及I/O接口電路相連接，是負(fù)責(zé)在CPU與存儲(chǔ)器和I/O之間傳送地址，數(shù)據(jù)和控制信息的公共通道。有三種傳送信息的總線(zn xin)：地址總線(zn xin)，數(shù)據(jù)總線(zn xin)和控制總線(zn xin)。 微型計(jì)算機(jī)已具有運(yùn)算功能，能獨(dú)立執(zhí)行程序，但若沒有輸入輸出設(shè)備，數(shù)據(jù)及程序不能輸入，運(yùn)算結(jié)果無法顯示或輸出，仍不能正常工作，因此必須構(gòu)成一個(gè)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)才能提供使用。2.微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 以微型計(jì)算機(jī)為主體，配上外部輸入輸出設(shè)備及系統(tǒng)軟件就構(gòu)成了微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

5、沒有配置軟件的計(jì)算機(jī)稱為裸機(jī)，仍然什么工作也不能做，必須配置系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。3.微處理器 微處理器是一個(gè)中央處理器CPU，由算術(shù)邏輯部件ALU，累加器和寄存器組，指令指針寄存器IP(程序計(jì)數(shù)器)，段寄存器，時(shí)序和控制邏輯部件，內(nèi)部總線等組成。共十八頁(yè) 其中算術(shù)邏輯部件ALU主要完成算術(shù)運(yùn)算及邏輯運(yùn)算。數(shù)據(jù)寄存器和變址及指針寄存器用來存放參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)、中間結(jié)果或地址。指令指針寄存器IP指向要執(zhí)行的下一條指令的偏移地址，順序執(zhí)行指令時(shí)，每取一條指令增加相應(yīng)計(jì)數(shù)。段寄存器給出存儲(chǔ)單元的段地址，與偏移地址組成20位物理地址對(duì)存儲(chǔ)器尋址。標(biāo)志位寄存PSW(或flag)存放算術(shù)與邏輯運(yùn)算結(jié)果的狀態(tài)，

6、如溢出、符號(hào)(fho)、進(jìn)位等，這些狀態(tài)位可作為轉(zhuǎn)移指令的控制。 控制邏輯部件負(fù)責(zé)對(duì)整機(jī)的控制：包括從存儲(chǔ)器中取指令，對(duì)指令進(jìn)行譯碼和分析，發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)和時(shí)序，將控制信號(hào)和時(shí)序送到微型計(jì)算機(jī)的相應(yīng)部件，使CPU內(nèi)部及外部協(xié)調(diào)工作。 微處理器不能構(gòu)成獨(dú)立工作的系統(tǒng)，也不能獨(dú)立執(zhí)行程序，必須配上存儲(chǔ)器，外部輸入/輸出接口構(gòu)成一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)方能工作。二、存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器一般分為兩大類，內(nèi)部存儲(chǔ)器(內(nèi)存或主存)和外部存儲(chǔ)器(外存)。內(nèi)存存放當(dāng)前正在使用或經(jīng)常使用的程序和數(shù)據(jù)，CPU可以直接訪問；外存存放“海量”數(shù)據(jù)，相對(duì)來說不經(jīng)常使用，CPU使用時(shí)要先調(diào)入內(nèi)存。此外，外存

7、總是和外部設(shè)備相關(guān)的。 共十八頁(yè)1.內(nèi)部存儲(chǔ)器 內(nèi)部存儲(chǔ)器主要是半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，主存儲(chǔ)器分為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM和只讀存儲(chǔ)器ROM。 RAM可以隨機(jī)讀寫，斷電后存儲(chǔ)內(nèi)容消失。RAM又分為動(dòng)態(tài)RAM(Dynamic RAM)和靜態(tài)RAM(Static RAM)。DRAM的特點(diǎn)是高密度，但存取速度慢。它用MOS電路和電容作為存儲(chǔ)單元，由于電容放電要定時(shí)對(duì)其充電，稱為刷新。SRAM用雙極型電路或MOS電路組成觸發(fā)器作存儲(chǔ)單元，不需要刷新，SRAM的特點(diǎn)是高速度，但存儲(chǔ)容量小。 ROM只能讀出已存儲(chǔ)的內(nèi)容，不能寫入，已存儲(chǔ)的內(nèi)容由廠家或用戶預(yù)先用設(shè)備寫入，因此是非易失性的。ROM又可分成可編程只讀存儲(chǔ)器

8、PROM(Programmable Read Only Memory)、可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)和EEPROM。PROM是廠家根據(jù)用戶需求將芯片內(nèi)二極管燒斷而存儲(chǔ)其內(nèi)容，一般是固化程序用。EPROM或EEPROM用設(shè)備寫人內(nèi)容后，可由紫外光照或電擦除其內(nèi)容，芯片可反復(fù)使用。 高速緩沖存儲(chǔ)器Cache是存儲(chǔ)空間較小、存取速度較高的一種存儲(chǔ)器，它位于CPU和主存之間。CPU對(duì)程序和數(shù)據(jù)(shj)的訪問有局部性，Cache中存放了處理機(jī)經(jīng)常使用的程序和數(shù)據(jù)(shj)，使CPU可快速?gòu)腃ache中讀寫所需的指令和數(shù)

9、據(jù)(shj)，減少了訪問主存的次數(shù)，提高了整個(gè)處理機(jī)的性能。 共十八頁(yè)2.外部存儲(chǔ)器 外部存儲(chǔ)器主要是磁記錄存儲(chǔ)器，典型的有軟盤、硬盤。3.存儲(chǔ)器組織 微型計(jì)算機(jī)中物理存儲(chǔ)器系統(tǒng)(xtng)隨著微機(jī)系統(tǒng)(xtng)而有不同配置。共十八頁(yè)4.存儲(chǔ)器性能指標(biāo) 存儲(chǔ)器性能指標(biāo)主要(zhyo)用存儲(chǔ)容量、存取速度來衡量。存儲(chǔ)容量指存儲(chǔ)器有多少個(gè)存儲(chǔ)單元，基本存儲(chǔ)單元為位(bit)，一般以字節(jié)(Byte)或字(Word)來計(jì)算，常用的單位為KB(1024Byte)，MB(1024KB)，GB(1024MB)和TB(1024GB)。存取速度是指從存儲(chǔ)器中讀出數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器所需要的時(shí)間。包括CPU給出

10、存儲(chǔ)器地址，存儲(chǔ)器的選通信號(hào)和讀寫信號(hào)到存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)讀出或?qū)懭胍淮?，存?chǔ)器恢復(fù)階段等時(shí)間的總和。三、I/O接口 輸入輸出接口電路用于CPU(或存儲(chǔ)器)與外設(shè)之間的信息交換。由于外設(shè)種類繁多，這些設(shè)備與CPU之間的工作速度不同，信號(hào)電平不同，數(shù)據(jù)格式不同，因此要配備不同的IO接口電路來輔助CPU工作，實(shí)現(xiàn)CPU與外設(shè)之間的速度匹配，信號(hào)電平匹配，信號(hào)格式匹配，時(shí)序控制，中斷控制等。 四、總線共十八頁(yè) 在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，各個(gè)部件之間傳送信息的公共通路叫總線，微型計(jì)算機(jī)是以總線結(jié)構(gòu)來連接各個(gè)功能部件的。各個(gè)部件面向總線系統(tǒng)功能擴(kuò)展時(shí)，只要符合總線標(biāo)準(zhǔn)，部件就可以加入到系統(tǒng)中去。 1.總線標(biāo)準(zhǔn)的特性：

11、物理特性 功能特性 電器特性 時(shí)間特性2.總線分類從總線的不同使用層次可以分為以下幾類：1）內(nèi)部總線：內(nèi)部總線是微處理器內(nèi)部各個(gè)部件之間傳送信息的通路。 2）元件級(jí)總線：元件級(jí)總線是連接計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中兩個(gè)主要(zhyo)部件的總線。元件級(jí)總線包括地址總線(AddressBus)，數(shù)據(jù)總線(DataBus)和控制總線(ControlBus)三種。3）系統(tǒng)總線：系統(tǒng)總線是微處理機(jī)機(jī)箱內(nèi)的底板總線，用來連接構(gòu)成微處理機(jī)的各個(gè)插件板。4）外部總線：外部總線用于微處理機(jī)系統(tǒng)與系統(tǒng)之間，系統(tǒng)與外部設(shè)備之間的信息通路。 共十八頁(yè)3.總線結(jié)構(gòu) 隨著微型(wixng)計(jì)算機(jī)的發(fā)展，總線的結(jié)構(gòu)從面向系統(tǒng)的單總線結(jié)構(gòu)

12、發(fā)展到面向存儲(chǔ)器的雙總線結(jié)構(gòu)：（1）單總線結(jié)構(gòu)（2）面向CPU的雙總線結(jié)構(gòu)（3）面向主存儲(chǔ)器的雙總線結(jié)構(gòu)五、微型計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)(1)主頻：主頻是指微型計(jì)算機(jī)中CPU的時(shí)鐘頻率，微機(jī)運(yùn)行的速度與主頻有關(guān)。(2)字長(zhǎng)：字長(zhǎng)指微型計(jì)算機(jī)能夠直接處理的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)，字長(zhǎng)越長(zhǎng)運(yùn)算精度越高，功能越強(qiáng)，目前微機(jī)字長(zhǎng)以32位為主。(3)內(nèi)存容量：內(nèi)存容量指微機(jī)存儲(chǔ)器能存儲(chǔ)信息的字節(jié)數(shù)，內(nèi)存容量越大，能存儲(chǔ)信息越多，信息處理能力越強(qiáng)。(4)存取周期：存取周期是指主存儲(chǔ)器完成一次讀寫所需的時(shí)間，存取時(shí)間越短，存取速度越快，整機(jī)的運(yùn)算速度越高。存取周期與主存儲(chǔ)器指標(biāo)有關(guān)。 共十八頁(yè)(5)運(yùn)算速度：運(yùn)算速度指微機(jī)

13、每秒所能執(zhí)行的指令(zhlng)條數(shù)，單位用MIPS (MillionInstructionPerSecond)，即百萬條指令/秒。執(zhí)行不同類型的指令所需時(shí)間不同，因此使用各種指令的平均執(zhí)行時(shí)間及相應(yīng)運(yùn)行指令的比例計(jì)算，作為衡量運(yùn)算速度的標(biāo)準(zhǔn)。1.3 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)格式一、數(shù)制1.幾種數(shù)制的表示2.其它數(shù)制轉(zhuǎn)換到十進(jìn)制3.十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成其它進(jìn)制4.二進(jìn)制編碼的十六進(jìn)制二、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)格式1.補(bǔ)碼 計(jì)算機(jī)中的數(shù)用二進(jìn)制表示，數(shù)的符號(hào)也用二進(jìn)制表示，一般用最高有效位來表示數(shù)的符號(hào)，0表正數(shù)，1表示負(fù)數(shù)。將一個(gè)數(shù)與符號(hào)用數(shù)值化表示，這樣的數(shù)稱為機(jī)器數(shù)。機(jī)器數(shù)的字長(zhǎng)由計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)決定，也就是決定了機(jī)器數(shù)的表示范

14、圍。8位字長(zhǎng)可以表示256個(gè)數(shù)，對(duì)無符號(hào)數(shù)， 共十八頁(yè)取數(shù)范圍為0255(0FFH)；對(duì)有符號(hào)數(shù)，取數(shù)范圍為128127 (80H7FH)。16位字長(zhǎng)的微機(jī)，無符號(hào)數(shù)的取數(shù)范圍為065535(0FFFFH)，有符號(hào)數(shù)的取數(shù)范圍為3276832768(8000H7FFFH)。 機(jī)器數(shù)可以用原碼，補(bǔ)碼和反碼表示，常用的是補(bǔ)碼表示法。 補(bǔ)碼表示法中正數(shù)X采用符號(hào)絕對(duì)值表示，即數(shù)的最高有效位為0，其余部分(b fen)用數(shù)的絕對(duì)值。負(fù)數(shù)X用 表示，n為機(jī)器字長(zhǎng)。求負(fù)數(shù)補(bǔ)碼的簡(jiǎn)單方法是將此數(shù)對(duì)應(yīng)的正數(shù)原碼寫出，再按位求反得到反碼，反碼加1得到補(bǔ)碼。 2.BCD碼 二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制(BCD)是將十進(jìn)制數(shù)

15、的每一位以二進(jìn)制數(shù)編碼方式表示，十進(jìn)制的09分別用BCD數(shù)的0000到1001表示，而不是整個(gè)十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制形式。BCD碼有壓縮和非壓縮兩種形式。壓縮BC數(shù)據(jù)以每字節(jié)2個(gè)數(shù)字的形式存儲(chǔ)，非壓縮BCD數(shù)據(jù)以每字節(jié)l位數(shù)字的形式存儲(chǔ)。壓縮BCD數(shù)據(jù)常用于微處理機(jī)指令系統(tǒng)中的某些指令，例如BCD加法和減法。 共十八頁(yè)3.ASCII碼 計(jì)算機(jī)中的字符，字符串，在機(jī)器(j q)中必須用二進(jìn)制數(shù)來表示，另外從鍵盤輸入的信息（數(shù)字或字符）或顯示輸出的信息都是以字符的方式輸入輸出的。4.數(shù)據(jù)類型 計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)類型有字節(jié)(Byte)，字(Word)，雙字(double word)等。一個(gè)字節(jié)為8位二

16、進(jìn)制數(shù)，字節(jié)數(shù)據(jù)以無符號(hào)和有符號(hào)的整數(shù)形式存儲(chǔ)。一個(gè)字為16位二進(jìn)制數(shù)，由兩個(gè)字節(jié)組成，雙字?jǐn)?shù)據(jù)有4個(gè)字節(jié)，為32位二進(jìn)制數(shù)。用匯編語言定義字節(jié)，字，雙字?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)，分別用偽指令DB，DW，DD定義。在存儲(chǔ)器中存放時(shí)，最低有效字節(jié)存放在低地址存儲(chǔ)單元中，高有效位存放在高地址存儲(chǔ)單元中。 5.浮點(diǎn)數(shù) 計(jì)算機(jī)中小數(shù)點(diǎn)的表示有定點(diǎn)和浮點(diǎn)兩種。定點(diǎn)的小數(shù)點(diǎn)固定在最高位的最右邊或最低位的最右邊。在32位字長(zhǎng)的計(jì)算計(jì)中，用浮點(diǎn)數(shù)來表示。浮點(diǎn)數(shù)包括符號(hào)位S，尾數(shù)（有效小數(shù)）和指數(shù)（階）。4字節(jié)的浮點(diǎn)數(shù)為單精度，8字節(jié)的浮點(diǎn)數(shù)為雙精度。如下圖所示： 共十八頁(yè)其中圖(a)為單精度格式，包括一個(gè)符號(hào)位，8位階(指數(shù))

17、，24位小數(shù)。尾數(shù)可用原碼，補(bǔ)碼或反碼表示，為了讓數(shù)有統(tǒng)一的表示，規(guī)定尾數(shù)的最高位為1，稱為規(guī)格化數(shù)。事實(shí)上24位尾數(shù)包括一個(gè)默認(rèn)位(隱藏)，存儲(chǔ)23位就可以表示24位了，默認(rèn)的l位是規(guī)格化實(shí)數(shù)的第1位。規(guī)格化一個(gè)數(shù)時(shí)，調(diào)整(tiozhng)它使其值大于等于1，而小于2。例如12轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)為1100B，規(guī)格化后結(jié)果為1.1103，其中整數(shù)1不存儲(chǔ)在23位尾數(shù)部分內(nèi)，為默認(rèn)位。階(指數(shù))以移碼表示，對(duì)單精度浮點(diǎn)數(shù)偏移7FH(127)，對(duì)雙精度格式偏移量為3FFH(1023)，存儲(chǔ)浮點(diǎn)數(shù)階碼前，偏移量要先加到階碼上，對(duì)上例12來說，在單精度格式中移碼后的階表示示為1273即130(82H)。 共十八頁(yè)十進(jìn)制數(shù)12的二進(jìn)制為1100，非規(guī)格化數(shù)為1.123，符號(hào)(fho)為0；移碼階 1273130（82H）1000 0010；尾數(shù) 1000000 00000000 00000000（小數(shù)點(diǎn)前的1為默認(rèn)）。例：將數(shù)224轉(zhuǎn)換成單精度浮點(diǎn)數(shù)。2241110 0000，非規(guī)格化數(shù)為1.1127，符號(hào)為0；移碼階 1277134（86H）1000 0110；尾數(shù) 1100000 00000000 00000000。 共十八頁(yè)內(nèi)容摘要微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)。其中算術(shù)邏輯部件ALU主要完成算術(shù)運(yùn)算(yn su