微機(jī)接口技術(shù)第1章

1主講教師：譚懷亮湖南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院微型機(jī)系統(tǒng)與接口技術(shù)2013版2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C#…30.2本課程的教學(xué)目的掌握各種接口技術(shù)原理及其應(yīng)用編程方法；提高分析和設(shè)計(jì)接口的能力。掌握匯編語(yǔ)言程序的編寫方法，尤其掌握接口訪問(wèn)的方法。了解先進(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、微機(jī)技術(shù)新的發(fā)展趨勢(shì)；40.3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)議與8250，并行接口8255，人機(jī)交互接口

第8章—PCH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，Cache50.4教材與教輔書(shū)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(shū)：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,200760.5課程教學(xué)相關(guān)信息教師姓名：譚懷亮辦公地點(diǎn)：基地305、工會(huì)(成教樓)511Email：tanhuailiang@個(gè)人網(wǎng)站：助教：待定70.6

課程教學(xué)相關(guān)信息課程組成：授課48學(xué)時(shí)＋實(shí)驗(yàn)16學(xué)時(shí)＋小班研討8學(xué)時(shí)授課信息：3-4班授課時(shí)間：周二3-4節(jié)，周五5-6節(jié)

小班研討：4、8、12、16周授課地點(diǎn)：綜合樓實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：工訓(xùn)中心微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)室考試成績(jī)組成：平時(shí)成績(jī)＋期中考試成績(jī)＋期末考試成績(jī)＋實(shí)驗(yàn)報(bào)告＋小班研討表現(xiàn)8第1章現(xiàn)代微機(jī)結(jié)構(gòu)概述9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)Windows系列、Unix、Linux、FreeBSDCPU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)軟件通常支撐用戶軟件的開(kāi)發(fā)。1.1微機(jī)系統(tǒng)組成101.IA-32/Intel64必有的控制信號(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。總線請(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。以上信號(hào)不一定都是CPU引腳信號(hào)112.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)12a.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(kāi)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13b.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)。

14c.編寫操作系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序特點(diǎn)：使用BIOS功能調(diào)用或直接訪問(wèn)的方法編寫符合特定操作系統(tǒng)資源管理規(guī)范的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。工具：VC++與DDK開(kāi)發(fā)包，或第三方開(kāi)發(fā)工具如DriverStudio。應(yīng)用：在操作系統(tǒng)層面上的設(shè)備控制，并為用戶程序提供API支持。優(yōu)點(diǎn)：既控制硬件，又保證操作系統(tǒng)的完整與安全。缺點(diǎn)：需要對(duì)底層信號(hào)有所了解。需要對(duì)操作系統(tǒng)的各個(gè)管理模塊有深入的了解。15d.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。16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)17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#181.2.2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。19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）1.2.3微機(jī)系統(tǒng)工作時(shí)序一個(gè)指令周期包含至少一個(gè)總線周期，一個(gè)總線周期包含多個(gè)時(shí)鐘周期。208088的典型總線周期21PentiumPro基本時(shí)序22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23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)主要由主板和各類I/O接口卡組成。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。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。241.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252.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搞清晰音頻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×1SMBus26x86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）Core

CoreDuoIntel6427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

731M6436/40641644SandyBridge995M6436/406416?44281.3.3IntelX58平臺(tái)架構(gòu)（3芯片平臺(tái)）291.3.4IntelH77平臺(tái)架構(gòu)（2芯片平臺(tái)）302.PCH芯片概述提供4個(gè)PCI總線插槽，支持PCI2.3規(guī)范集成了千兆以太網(wǎng)控制器，支持10/100/1000Mb/s多種傳輸速率集成了SATA控制器，數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到3.0/6.0Gb/s(300/600MB/s)

集成了USB控制器，符合USB1.1/USB2.0/USB3.0規(guī)范集成了Intel?

高清晰音頻控制器,最高192kHz采樣率集成了中斷控制器（含兩個(gè)級(jí)聯(lián)的82C59）基于82C54的時(shí)鐘擁有256字節(jié)電池供電的CMOSSRAM，硬件實(shí)現(xiàn)世紀(jì)