微機(jī)原理與接口技術(shù)：第1章 現(xiàn)代微機(jī)結(jié)構(gòu)概述

1教材：現(xiàn)代微機(jī)原理與接口技術(shù)（第3版）電子工業(yè)出版社微機(jī)原理與接口技術(shù)2第0章本課程介紹30.1本課程在計(jì)算機(jī)課程體系中的位置硬件類軟件類CPU及整機(jī)設(shè)計(jì)（計(jì)算機(jī)組成原理）BIOS與接口驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)模擬電路、數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)嵌入式/單片機(jī)系統(tǒng)SOC芯片設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)外圍接口電路設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)編譯系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)C++JAVA離散數(shù)學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)電子商務(wù)多媒體技術(shù)…算法設(shè)計(jì)、數(shù)值分析、信號(hào)與系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)理論課程、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課程匯編語(yǔ)言軟件工程VB…40.2本課程的教學(xué)目的掌握先進(jìn)微處理器芯片結(jié)構(gòu)、微型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)、計(jì)算機(jī)主板構(gòu)成、各種接口技術(shù)原理及其應(yīng)用編程方法；了解微機(jī)技術(shù)新的發(fā)展趨勢(shì)，系統(tǒng)科學(xué)地獲得分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的訓(xùn)練；提高分析和設(shè)計(jì)接口的能力?；A(chǔ)：匯編語(yǔ)言程序的編寫方法，尤其接口訪問(wèn)的方法。50.3本課程的要求不僅要學(xué)習(xí)微機(jī)各種接口電路的原理與作用，熟悉PC系列機(jī)接口電路，而且還要掌握常用接口的設(shè)計(jì)與分析方法，學(xué)會(huì)使用匯編語(yǔ)言對(duì)接口進(jìn)行編程，并具有一定的動(dòng)手實(shí)驗(yàn)?zāi)芰徒涌趹?yīng)用程序的編寫能力，為微機(jī)的深入應(yīng)用和嵌入式系統(tǒng)SOC設(shè)計(jì)等的學(xué)習(xí)與實(shí)踐打下良好基礎(chǔ)。同時(shí)有興趣的同學(xué)自學(xué)Windows驅(qū)動(dòng)程序的編寫方法。課堂上注意聽講并及時(shí)記錄教師課堂上補(bǔ)充的內(nèi)容(上網(wǎng)查資料)，認(rèn)真獨(dú)立完成作業(yè)，做好課程實(shí)驗(yàn),做好課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)。60.4本課程的學(xué)習(xí)方法1）抓住x86系列微機(jī)基本結(jié)構(gòu)這條主線，分析其基本結(jié)構(gòu)，掌握各接口電路及可編程接口芯片的應(yīng)用。特點(diǎn)：本課程涉及的知識(shí)范圍廣，內(nèi)容多2）進(jìn)一步擴(kuò)展和延伸CPU—從Core~Sandybridge，實(shí)模式~保護(hù)模式；總線—PCI，USB，PCI-Express等；中斷—從實(shí)模式下的中斷向量～保護(hù)模式下的中斷描述符；從傳統(tǒng)中斷～PCI中斷～串行中斷

芯片組—從中大規(guī)模集成電路(8237、8254、8255、8259等）~超大規(guī)模集成電路(82G65MCH、ICH8)-2芯片。存儲(chǔ)管理－從實(shí)地址模式到保護(hù)模式存儲(chǔ)管理70.4本課程的學(xué)習(xí)方法3）理論與實(shí)踐相結(jié)合，鍛煉實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力。掌握匯編語(yǔ)言編程方法掌握x86系列尋址方式掌握x86常用指令學(xué)會(huì)x86匯編程序編寫方法掌握PC機(jī)接口程序的編寫方法充分利用課程實(shí)驗(yàn)鍛煉自己的編程能力和接口設(shè)計(jì)與分析能力。84）從系統(tǒng)的角度弄清楚“軟件發(fā)出I/O寫指令→CPU及譯碼電路產(chǎn)生數(shù)據(jù)/控制信號(hào)→接口電路產(chǎn)生對(duì)外設(shè)的數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)”的過(guò)程，以及“外設(shè)的數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)→接口電路→CPU→I/O讀指令將數(shù)據(jù)或狀態(tài)送到軟件”的過(guò)程；0.4本課程的學(xué)習(xí)方法90.5本課程內(nèi)容組織

第1章—概述：微機(jī)系統(tǒng)組成、工作過(guò)程、系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

第3章—軟件如何控制CPU和接口：指令系統(tǒng)和匯編編程

第6章—總線如何工作：總線標(biāo)準(zhǔn)（PCI,USB,PCI-E）

第7章—I/O接口如何主動(dòng)與CPU通信：中斷技術(shù)（8259）

第9章—常用外設(shè)與通信接口：串行通信協(xié)議，并行接口8255，人機(jī)交互接口

第8章—ICH8中的定時(shí)計(jì)數(shù)與DMA控制器：8254，8237

第10章—系統(tǒng)編程技術(shù)：處理器的初始化，任務(wù)調(diào)度，BIOS，WDM驅(qū)動(dòng)程序編寫

第5章—CPU如何與MEM或I/O設(shè)備通信：I/O接口與譯碼

第2章—IA-32/Intel64處理器原理與基本執(zhí)行環(huán)境

第4章—現(xiàn)代微機(jī)存儲(chǔ)管理方法：段式，頁(yè)式，Cache10100.6本課程參考資料及課時(shí)安排教材：楊全勝主編，現(xiàn)代微機(jī)原理與接口技術(shù)（第3版），電子工業(yè)出版社,2012.12參考書：周明德主編，微機(jī)原理與接口技術(shù)（第2版），人民郵電出版社,2007IntelCo.，Intel?64andIA-32ArchitecturesSoftwareDeveloper’sManual，2011KipR.Irvine著，溫玉杰等譯，Intel匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)（第五版），電子工業(yè)出版社沈美明，溫冬嬋編著，IBM-PC匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)（第2版），清華大學(xué)出版社,2007110.6本課程參考資料及課時(shí)安排互聯(lián)網(wǎng)46＋16（4*4）120.7實(shí)驗(yàn)1.匯編語(yǔ)言的熟悉2.8259中斷應(yīng)用3.PCI-BIOS的訪問(wèn)4.PCI中斷應(yīng)用（選）5.8254定時(shí)器/計(jì)數(shù)器應(yīng)用設(shè)計(jì)6.8237芯片實(shí)驗(yàn)（選）7.8255并行接口應(yīng)用設(shè)計(jì)8.A/D轉(zhuǎn)換130.8考試試卷考試出勤20%

作業(yè),課堂提問(wèn)20%

考試60%

實(shí)驗(yàn)考試實(shí)驗(yàn)報(bào)告50%

實(shí)驗(yàn)結(jié)果演示50%14第1章現(xiàn)代微機(jī)結(jié)構(gòu)概述15硬件軟件控制器運(yùn)算器系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件BIOS與操作系統(tǒng)WindowsXP、LinuxCPU存儲(chǔ)器輸入設(shè)備輸出設(shè)備支撐軟件匯編、編譯、調(diào)試、數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件微機(jī)系統(tǒng)硬件是系統(tǒng)的硬平臺(tái)，操作系統(tǒng)是系統(tǒng)的軟平臺(tái)，系統(tǒng)應(yīng)用軟件通常支撐用戶軟件的開發(fā)。1.1微機(jī)系統(tǒng)組成161.微機(jī)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)1）運(yùn)算器與控制器——CPU運(yùn)算含義運(yùn)算含義＋算術(shù)加OR邏輯加－算術(shù)減NOT按位取反*算術(shù)乘NEG求補(bǔ)/算術(shù)除移位AND邏輯乘循環(huán)指令預(yù)取單元指令譯碼單元控制單元結(jié)果回寫單元控制器運(yùn)算器——算術(shù)邏輯單元，負(fù)責(zé)算術(shù)與邏輯運(yùn)算172）存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器是微機(jī)的存儲(chǔ)和記憶裝置，用來(lái)存放數(shù)據(jù)和程序。存儲(chǔ)器分為內(nèi)部存儲(chǔ)器和外部存儲(chǔ)器。微機(jī)的內(nèi)部存儲(chǔ)器也稱內(nèi)存或主存，8個(gè)二進(jìn)制位為一個(gè)單元（字節(jié)），每個(gè)單元規(guī)定一個(gè)唯一的物理地址。8位二進(jìn)制位＝1個(gè)字節(jié)（Byte）1024（210）字節(jié)＝1KB1024KB(220字節(jié))=1MB230字節(jié)＝1GB240字節(jié)＝1TB3）I/O設(shè)備與I/O接口184）微機(jī)的總線CPU地址總線（AB）RAMI/O接口I/O設(shè)備ROM數(shù)據(jù)總線（DB）控制總線（CB）地址只能由CPU或DMA控制器發(fā)出到其他部件。數(shù)據(jù)總線是雙向的，其寬度決定了一次可以傳送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)。控制信號(hào)每根都是單向的，或者傳送CPU發(fā)出的控制信息、或者是部件發(fā)回的狀態(tài)信息。19IA-32必有的控制信號(hào)（不一定都是CPU引腳信號(hào)）：時(shí)鐘信號(hào)（CLK）：同步各種操作的同步信號(hào)。復(fù)位信號(hào)（RESET#、SYS_RESET#）：使總線上各種部件全部做初始化處理。中斷請(qǐng)求（INTR）：表示某中斷源向處理器發(fā)中斷請(qǐng)求。中斷響應(yīng)（INTA#）：表示中斷請(qǐng)求被響應(yīng)。存儲(chǔ)器讀控制信號(hào)（MRDC#）：表示要對(duì)所發(fā)地址的存儲(chǔ)單元進(jìn)行讀操作。存儲(chǔ)器寫控制信號(hào)（MWTC#）：表示要對(duì)所發(fā)地址的存儲(chǔ)單元進(jìn)行寫操作。I/O讀控制信號(hào)(IORC#)：表示要對(duì)所發(fā)地址的端口做讀操作。I/O寫控制信號(hào)(IOWC#)：表示要對(duì)所發(fā)地址的端口做寫操作?？偩€請(qǐng)求信號(hào)（REQ#）：總線主設(shè)備請(qǐng)求總線控制權(quán)?？偩€允許信號(hào)（GNT#）：總線仲裁機(jī)構(gòu)允許了某設(shè)備的總線控制權(quán)請(qǐng)求。202.微機(jī)系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)裸機(jī)基本輸入輸出系統(tǒng)(BIOS)操作系統(tǒng)支撐軟件應(yīng)用軟件硬件系統(tǒng)系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件軟件系統(tǒng)21a.直接訪問(wèn)特點(diǎn)：可以直接進(jìn)行內(nèi)存和端口的訪問(wèn)，也可以自行在CPU的各種工作模式間切換。通常所有的端口和內(nèi)存都是對(duì)程序員開放的。工具：匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言。應(yīng)用：BIOS都是基于這種低級(jí)層次用匯編來(lái)編寫的。部分操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序和部分用戶程序也有使用這種方法的。優(yōu)點(diǎn)：能夠編寫速度最快，占用空間最小的有效代碼。缺點(diǎn)：需要對(duì)硬件和接口有很熟悉的了解。要會(huì)匯編，或熟練使用C語(yǔ)言的指針。不利于增加對(duì)新設(shè)備的控制。3.PC機(jī)環(huán)境下用戶軟件對(duì)外部硬件的訪問(wèn)方法22b.通過(guò)BIOS訪問(wèn)特點(diǎn)：通過(guò)BIOS提供的功能調(diào)用間接地對(duì)內(nèi)存或端口訪問(wèn)，從而控制硬件。工具：匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言。應(yīng)用：驅(qū)動(dòng)程序有些會(huì)使用這些功能調(diào)用。需要獲得高效率的應(yīng)用程序也采用這種方法。優(yōu)點(diǎn)：能夠編寫速度較快的有效代碼?？梢圆恍枰帉懼苯訉?duì)硬件進(jìn)行控制的代碼。缺點(diǎn)：需要對(duì)底層信號(hào)有所了解。增加對(duì)新設(shè)備的控制不是很方便，但好于直接訪問(wèn)。

23c.使用操作系統(tǒng)提供的應(yīng)用層訪問(wèn)特點(diǎn)：使用操作系統(tǒng)各種驅(qū)動(dòng)程序所提供的功能調(diào)用或API函數(shù)間接對(duì)硬件或內(nèi)存進(jìn)行訪問(wèn)。工具：VC++、Delphi、Java、C#等。應(yīng)用：編寫面向終端用戶的各類應(yīng)用程序。優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需對(duì)硬件控制有太多了解，只需完成應(yīng)用層面的工作就可以，而且還保證操作系統(tǒng)的完整與安全。缺點(diǎn)：需要了解大量的API和功能調(diào)用函數(shù)的功能。由于是間接調(diào)用，所以代碼的效率和編譯系統(tǒng)有很大的關(guān)系。24思考題除了馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)外,還有什么結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī),其特點(diǎn)是什么?25高級(jí)語(yǔ)言源程序編譯匯編語(yǔ)言源程序匯編二進(jìn)制機(jī)器作業(yè)指令操作系統(tǒng)調(diào)度或BOOT引導(dǎo)二進(jìn)制機(jī)器指令流CPU取指、譯碼、控制單元電路上的電信號(hào)直接控制CPU各部件運(yùn)作通過(guò)接口電路控制外設(shè)運(yùn)作1.2微機(jī)系統(tǒng)的工作原理與工作過(guò)程

1.2.1從程序到電子信號(hào)2626部分X86指令與控制信號(hào)的關(guān)系指令產(chǎn)生的信號(hào)常用名含義INAL,21HIORC#IOR#讀I/O端口OUT21H,ALIOWC#IOW#寫I/O端口MOVAX,[21H]MRDC#MEMR#讀內(nèi)存MOV[21H],AXMWTC#MEMW#寫內(nèi)存在Pentium及之前的處理器中有：表示存儲(chǔ)器操作或I/O操作的IO/M#信號(hào)表示讀信號(hào)有效的RD#表示寫信號(hào)有效的WR#IO/M#RD#WR#產(chǎn)生的控制信號(hào)001MEMR#010MEMW#101IOR#110IOW#272.微機(jī)的工作過(guò)程微機(jī)的工作過(guò)程就是逐條執(zhí)行進(jìn)入到內(nèi)存中的二進(jìn)制機(jī)器指令流的過(guò)程。而一條指令的執(zhí)行過(guò)程可以簡(jiǎn)單地分為兩個(gè)操作階段：取指階段，CPU從內(nèi)存中讀取指令，程序計(jì)數(shù)器保存要被取出的下一條指令的地址，除非遇到跳轉(zhuǎn)指令等情況，否則，PC一般都是在每次取指后加上一個(gè)增量（當(dāng)前指令的字節(jié)數(shù)）；執(zhí)行階段，對(duì)取出的指令先譯碼，解釋指令的功能，然后執(zhí)行譯碼好的指令，這期間可能會(huì)讀寫存儲(chǔ)器或端口來(lái)獲取操作數(shù)或者存放結(jié)果。程序的執(zhí)行過(guò)程就是周期性和重復(fù)性地進(jìn)行取指令和執(zhí)行指令兩個(gè)操作。2829每?jī)蓚€(gè)相鄰的時(shí)鐘脈沖上升（下降）沿之間的時(shí)間間隔稱為T狀態(tài)，也稱為時(shí)鐘周期（ClockCycle）

TCPU與存儲(chǔ)器或輸入/輸出端口進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳輸所花費(fèi)的時(shí)間稱為一個(gè)總線周期（BusCycle）

對(duì)于8088CPU,它的總線周期是其與存儲(chǔ)器或輸入/輸出端口存取一個(gè)字節(jié)所花費(fèi)的時(shí)間。

執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間稱為指令周期（InstructionCycle）1.2.2微機(jī)系統(tǒng)工作時(shí)序30指令周期總線周期……(總線周期)時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期…………單指令周期CPU的指令周期只包含一個(gè)時(shí)鐘周期31PUSHAXINCBYTEPTR[DI]328088的典型總線周期33（1）、T1狀態(tài)M//IO信號(hào)：對(duì)存儲(chǔ)器寫還是對(duì)I/O設(shè)備中寫數(shù)據(jù)；AD7-AD0、A15-A8

、A19/S7-A16/S3：確定20位地址；ALE：地址鎖存信號(hào)，以使地址/數(shù)據(jù)線分開。（2）、T2狀態(tài)A19/S6-A16/S3：出現(xiàn)S6-S3狀態(tài)信號(hào)。決定段寄存器、IF狀態(tài)、8088CPU是否連在總線上。WR、RD：由高電平變?yōu)榈碗娖?，開始進(jìn)行寫操作。34（3）T3狀態(tài)若存儲(chǔ)器或I/O端口已做好接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，則在T3狀態(tài)期間將數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)總線上，在T3結(jié)束時(shí)，CPU將AD15-AD0上數(shù)據(jù)寫入到存儲(chǔ)器或I/O設(shè)備中。（4）TW狀態(tài)在T3狀態(tài)，存儲(chǔ)器或外設(shè)沒有準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)，使READY=0，則CPU在T3和T4之間插入一個(gè)或幾個(gè)TW狀態(tài)，直到設(shè)備準(zhǔn)備好READY=1為止。（5）T4狀態(tài)在T4狀態(tài)，數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)總線上被撤除，各種控制信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)進(jìn)入無(wú)效狀態(tài)，CPU完成了對(duì)存儲(chǔ)器或I/O設(shè)備的寫操作。35PentiumPro基本時(shí)序36掌握時(shí)序的重要性：當(dāng)CPU與存儲(chǔ)器以及I/O端口連接時(shí)，要考慮如何正確地實(shí)現(xiàn)時(shí)序上的配合當(dāng)微機(jī)應(yīng)用于實(shí)時(shí)控制時(shí)，必須估計(jì)或計(jì)算CPU

完成操作所需要的時(shí)間，以便與控制過(guò)程配合了解時(shí)序有利于我們深入地了解指令的執(zhí)行過(guò)程了解時(shí)序有利于我們利用匯編編寫核心代碼的時(shí)候，選用適當(dāng)?shù)闹噶睿员M量縮短指令的存儲(chǔ)空間和指令的執(zhí)行時(shí)間37返回1.3現(xiàn)代微機(jī)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)1.3.1現(xiàn)代微機(jī)的基本結(jié)構(gòu)當(dāng)前微機(jī)主要有x86系列和APPLE的Power系列無(wú)論哪個(gè)系列，從基本配置的角度，微機(jī)由主板和各類I/O接口卡組成主板上主要有CPU、存儲(chǔ)器、系統(tǒng)芯片和I/O接口插槽，這些部件均采用總線相連接。3838返回I/O接口卡是插在I/O接口擴(kuò)展槽上的附加設(shè)備的接口電路板，如附加的顯示卡、聲卡、視頻卡、采集卡及網(wǎng)卡等。由于芯片集成度的提高，現(xiàn)在往往將顯示卡、聲卡和網(wǎng)卡等的功能集成到主板上的系統(tǒng)芯片甚至CPU中。39391.基于3芯片平臺(tái)架構(gòu)的微機(jī)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)CPU北橋芯片南橋芯片SuperI/OBIOS/FirmwareHub主存儲(chǔ)器圖形控制器音頻主總線高速連接PCI總線插槽PCIExpress總線USB網(wǎng)絡(luò)連接ATA/SATALPC傳統(tǒng)設(shè)備40402.基于2芯片平臺(tái)架構(gòu)的微機(jī)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)2/3代Intel酷睿CPUPCHIntel?ME8.xFirmware和BIOSSupportIntel高清晰音頻DIM2.0集成10/100/1000MAC8個(gè)PCIExpress2.04個(gè)USB3.0，10個(gè)USB2.0，雙EHCI傳統(tǒng)PCI支持3個(gè)獨(dú)立顯示支持SPI1×16lanesPCIExpress3.0Graphics或1×8和1×4lanesPCIExpress3.0and1×4lanesforThunderbolt16lanes16GB/SFDIDDR31333/1600MHzDDR31333/1600MHz6個(gè)SATA端口：eSATAIntel千兆網(wǎng)接口PCIe×1SMBus4141x86前x86架構(gòu)4位處理器

4004、40408位處理器

8008、8080、8085IA-16

8086、8088、80286IA-32Pentium前

80386、80486Pentium早期架構(gòu)

Pentium、PentiumMMXP6架構(gòu)

PentiumPro、PentiumII、PentiumIII、PentiumII/IIIPentiumMNetBurst架構(gòu)

Pentium41.3.2Intel微處理器家族發(fā)展概述CoreCore2Duo、Core2QuadCore2ExtremePentiumNetBurst架構(gòu)PentiumD、PentiumExtremeEditionNehalemCorei7、Corei5、Corei3SandBridgeCorei7、Corei5、Corei3(2代)IvyBridgeCorei7、Corei5、Corei3(3代）CoreCoreDuoIntel644242小結(jié)：型號(hào)晶體管數(shù)核心位數(shù)地址線寬數(shù)據(jù)線寬流水級(jí)數(shù)流水線數(shù)核心數(shù)80882.9萬(wàn)162016/8--18028613萬(wàn)162416--18038627.5萬(wàn)323232--180486120萬(wàn)323232511Pentium320萬(wàn)323264521PentiumIII28M3236641231Pentium442M32366420/3131PentiumD230M6436/40643132Core2Duo291M6436/40641442Core2Quad582M6436/40641444Nehalem

731M6436/40641644SandyBridge995M6436/40641644431.3.3IntelG965高速芯片組簡(jiǎn)介44441.3.3IntelX58平臺(tái)架構(gòu)（3芯片平臺(tái)）45451.3.4IntelH77平臺(tái)架構(gòu)（2芯片平臺(tái)）461.北橋芯片具有36位系統(tǒng)總線，533/800/1066MT/s傳送速率的FSB集成了一個(gè)系統(tǒng)存儲(chǔ)器DDR2控制器，支持單通道或雙通道DDR2內(nèi)存集成圖形控制器集成了一個(gè)16通道（×16）的PCIExpress端口來(lái)連接PCIE