微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述

第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述1.1微型計(jì)算機(jī)組成結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)的表示1.2微型計(jì)算機(jī)接口組成1.3I/O端口地址分配與地址譯碼技術(shù)1整理ppt1.1微型計(jì)算機(jī)組成結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)的表示1.1.1工程1：認(rèn)識(shí)微型計(jì)算機(jī)組成結(jié)構(gòu)1.1.2知識(shí)講解第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述2整理ppt1.1.1工程1：認(rèn)識(shí)微型計(jì)算機(jī)組成結(jié)構(gòu)1.工程要求與目的〔1〕工程要求：認(rèn)識(shí)微型計(jì)算機(jī)的組成，并從性能上認(rèn)識(shí)微型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)?！?〕工程目的：●了解微型計(jì)算機(jī)的根本結(jié)構(gòu)?！窳私馕⑿陀?jì)算機(jī)的根本概念?！裾莆沼?jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成以及計(jì)算機(jī)硬件、軟件知識(shí)。2．工程說明 計(jì)算機(jī)是一種能對(duì)各種信息進(jìn)行存儲(chǔ)和高速處理的電子機(jī)器，它是20世紀(jì)人類最偉大的科技創(chuàng)造之一。計(jì)算機(jī)作為21世紀(jì)最主要的信息工具，正在日益深入到我們工作和生活的每一個(gè)角落。這里通過一個(gè)工程來學(xué)習(xí)微型計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu)，通過它來掌握一些微機(jī)的根本概念和組成結(jié)構(gòu)。1.1微型計(jì)算機(jī)組成結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)的表示第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述3整理ppt3．工程實(shí)物圖微型計(jì)算機(jī)組成由主機(jī)、顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)等，臺(tái)式和筆記本電腦外觀圖如圖1-1所示。其中主機(jī)內(nèi)部包括了主板、內(nèi)存、硬盤、光驅(qū)、顯示卡、聲卡等，如圖1-2所示。圖1-1臺(tái)式和筆記本電腦外觀圖1-2主板圖解第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述4整理ppt1.1.2知識(shí)講解1.概述1946年，在美國誕生了世界上第一臺(tái)現(xiàn)代數(shù)字式電子計(jì)算機(jī)〔ElectronicNumericalIntegratorandCalculator，ENIAC〕。1981年，IBM公司推出了IBM-PC以后，計(jì)算機(jī)的開展開創(chuàng)了一個(gè)新的時(shí)代——微型計(jì)算機(jī)時(shí)代。近30年來，微型計(jì)算機(jī)憑借自身的特點(diǎn)，其應(yīng)用迅速擴(kuò)展到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)等生產(chǎn)、生活、學(xué)習(xí)等各個(gè)領(lǐng)域，成為人們?nèi)粘Ｊ褂米疃嗟挠?jì)算機(jī)類型。微型計(jì)算機(jī)〔Micro-Computer〕簡稱微機(jī)，就是指以微處理器〔Micro-Processor〕為核心，配上由大規(guī)模集成電路制作的存儲(chǔ)器、輸入/輸出〔I/O〕接口電路以及系統(tǒng)總線所組成的計(jì)算機(jī)。微型計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理和其他機(jī)型一樣都是符合馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)要求，由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備及輸出設(shè)備5個(gè)硬件局部組成。第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述5整理ppt2．CPU從功能上看，控制器和運(yùn)算器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中密切相關(guān)而又相互獨(dú)立的兩個(gè)組成局部。在硬件實(shí)現(xiàn)上，通常把控制器和運(yùn)算器以及數(shù)量不等的存放器集成到一個(gè)大規(guī)模集成電路芯片上，稱為中央處理器〔CentralProcessingUnit，CPU〕。它由算術(shù)邏輯部件〔ALU〕、累加器和通用存放器組、程序計(jì)數(shù)器、時(shí)序和控制邏輯部件以及內(nèi)部總線等組成。如圖1-3所示為微型計(jì)算機(jī)CPUIntel酷睿2四核芯片外觀圖，其尺寸比火柴盒略大。

圖1-3CPU外觀圖第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述6整理ppt微處理器并不能獨(dú)立工作，必須與相應(yīng)的存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口電路及系統(tǒng)總線配合，構(gòu)成一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)才能運(yùn)行程序。連接這些獨(dú)立的部件需要一個(gè)公共載體，這就是主板〔MainBoard〕，也稱為母版〔MotherBoard〕。主板上集成有CPU插座、芯片組、總線系統(tǒng)、輸入/輸出〔I/O〕控制芯片、內(nèi)存插座、輸入/輸出系統(tǒng)、擴(kuò)展卡插座、電源接口等，如圖1-2所示。其他部件直接插接在主板上，或者通過電纜電線連接與主板上。

CPU的開展速度相當(dāng)快，不同時(shí)期CPU類型是不同的，從早期的8086、80286、80386、80486，到中期的Pentium〔奔騰〕、PentiumⅡ、PentiumⅢ，再到今天的Pentium4、雙核、多核等，經(jīng)歷了很多代的改進(jìn)。3．微型計(jì)算機(jī)第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述7整理ppt微型計(jì)算機(jī)主機(jī)是插接到同一塊主板上的CPU、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口電路以及系統(tǒng)總線形成的一個(gè)整體。其中存儲(chǔ)器用以存放程序和數(shù)據(jù)。輸入/輸出接口電路實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備與CPU和存儲(chǔ)器之間的連接。系統(tǒng)總線是CPU向存儲(chǔ)器及接口電路提供地址、數(shù)據(jù)及控制信息的通道，一般包括數(shù)據(jù)總線(DB)、地址總線(AB)及控制總線(CB)。微型計(jì)算機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)如同1-4所示。圖1-4微型計(jì)算機(jī)典型結(jié)構(gòu)示意圖第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述8整理ppt微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是以微型計(jì)算機(jī)為主體，配備輸入/輸出設(shè)備以及軟件構(gòu)成的。微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)軟件與硬件的結(jié)合體，沒有配置軟件的計(jì)算機(jī)稱為裸機(jī)，在實(shí)際中無法使用。硬件是計(jì)算機(jī)運(yùn)算功能的實(shí)現(xiàn)根底，軟件那么是硬件動(dòng)作的靈魂。4．微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述9整理ppt如圖1-5所示為微處理器、微型計(jì)算機(jī)、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)三者之間的關(guān)系。圖1-5微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成示意圖第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述10整理ppt5．微機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)〔1〕微處理器的性能微處理器的性能對(duì)于微機(jī)系統(tǒng)性能指標(biāo)起著很重要的作用。隨著微處理器技術(shù)的不斷開展，評(píng)價(jià)微處理器的性能可以從多個(gè)角度，但最根本的評(píng)價(jià)指標(biāo)還是字長和運(yùn)算速度。第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述11整理ppt①.字長

字長即CPU中運(yùn)算器一次能處理的最大數(shù)據(jù)位數(shù)，它是反映微機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力的重要技術(shù)指標(biāo)。常見的字長有8位、16位、32位、64位等。字長越長，說明系統(tǒng)的運(yùn)算精度越高，數(shù)據(jù)處理能力越強(qiáng)。與字長相對(duì)應(yīng)的總線寬度，特別是數(shù)據(jù)總線的寬度同樣也能反映系統(tǒng)性能。數(shù)據(jù)總線的寬度只有與CPU的字長相當(dāng)，才能有效發(fā)揮出CPU數(shù)據(jù)處理能力。第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述12整理ppt②.運(yùn)算速度運(yùn)算速度的上下是衡量計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)重要性能指標(biāo)。提高主頻對(duì)于提高CPU運(yùn)算速度是至關(guān)重要的。主頻頻率越高CPU的運(yùn)算速度越快。主頻的單位是GHz。反映微機(jī)系統(tǒng)運(yùn)算速度的另一個(gè)單位是MIPS，即每秒能執(zhí)行百萬條指令數(shù)?？梢钥闯?，數(shù)值越大，計(jì)算機(jī)的速度越快。第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述13整理ppt〔2〕存儲(chǔ)器的性能 存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的記憶設(shè)備，用來存放程序和數(shù)據(jù)。隨著計(jì)算機(jī)的開展，存儲(chǔ)器在系統(tǒng)中的地位越來越重要。存儲(chǔ)器有3個(gè)主要的性能指標(biāo)：速度、容量和每位價(jià)格〔簡稱位價(jià)〕。一般來說，速度越高，位價(jià)就越高；容量越大，位價(jià)就越低，而其容量越大，速度必越低。〔3〕I/O設(shè)備的性能如今，I/O設(shè)備多種多樣，不同的設(shè)備有不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)于常用的外設(shè)，其性能指標(biāo)有速度、分辨率和顏色深度等。第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述14整理ppt?；鶖?shù)是指用來表示數(shù)據(jù)的數(shù)碼的個(gè)數(shù)，超過〔等于〕此數(shù)后就要向相鄰高位進(jìn)一。同一數(shù)碼處在數(shù)據(jù)的不同位置時(shí)所代表的數(shù)值是不同的，它所代表的實(shí)際值等于數(shù)字本身的值乘上一個(gè)確定的與位置有關(guān)的系數(shù)，這個(gè)系數(shù)那么稱為位權(quán)，位權(quán)是以基數(shù)為底的指數(shù)函數(shù)。例如，128.7=1×102＋2×101＋8×100＋7×10-1。即“128.7〞這個(gè)數(shù)值中的“1〞的權(quán)值是102，“7〞的權(quán)值就是10-1。6.數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示〔1〕數(shù)制數(shù)制〔NumberSystem〕是用一組固定的數(shù)字符號(hào)和一套統(tǒng)一的規(guī)那么來表示數(shù)目的方法。假設(shè)用R個(gè)根本符號(hào)來表示數(shù)目那么稱為R進(jìn)制，R稱為基數(shù)。例如二進(jìn)制的基數(shù)為2，數(shù)符有2個(gè)；十進(jìn)制的基數(shù)為10，數(shù)符有10個(gè)。按進(jìn)位的原那么進(jìn)行計(jì)算稱為進(jìn)位計(jì)數(shù)制。進(jìn)位計(jì)數(shù)制中有兩個(gè)重要的概念：基數(shù)和位權(quán)。第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述15整理ppt

二進(jìn)制〔Binarynotation〕：用“0〞和“1〞兩個(gè)數(shù)字表示。逢二進(jìn)一。運(yùn)算規(guī)那么有：0+0=000=00+1=101=01+0=110=01+1=1011=1表示方法：〔11011〕2或11011B權(quán)表示法：〔11011〕2=124+123+022+121+120在計(jì)算機(jī)中常用的進(jìn)位計(jì)數(shù)制有二進(jìn)制、八進(jìn)制、十進(jìn)制和十六進(jìn)制。在日常生活中，通常使用十進(jìn)制表示方法，而計(jì)算機(jī)內(nèi)部采用的是二進(jìn)制表示法，有時(shí)為了簡化二進(jìn)制數(shù)據(jù)的書寫，也采用八進(jìn)制和十六進(jìn)制表示法。為了區(qū)別不同進(jìn)制的數(shù)據(jù)，可在數(shù)的右下角標(biāo)注。一般用B〔Binary〕或2表示二進(jìn)制數(shù)，O〔Octal〕或8表示八進(jìn)制數(shù)，H〔Hexadecimal〕或16表示十六進(jìn)制數(shù)，D〔Decimal〕或10表示十進(jìn)制。在本書中我們用字母B、O、H、D表示法，如果省略進(jìn)制字母，那么默認(rèn)為十進(jìn)制數(shù)。①二進(jìn)制數(shù)第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述16整理ppt十六進(jìn)制〔Hexdecimalnotation〕：用“0、1、……9、A、B、C、D、E、F〞十六個(gè)數(shù)字表示。逢十六進(jìn)一。表示方法：〔5A0D7〕16或5A0D7H權(quán)表示法：〔5A0D7〕16=5164+10163+0162+13161+7160②八進(jìn)制數(shù)八進(jìn)制〔Octalnotation〕：用“0、1、2、3、4、5、6、7〞八個(gè)數(shù)字表示。逢八進(jìn)一。表示方法：〔5127〕8或5127O權(quán)表示法：〔5127〕8=583+182+281+780③十進(jìn)制數(shù)十進(jìn)制〔Decimalnotation〕：用“0、1、2、3、4、5、6、7、8、9〞十個(gè)數(shù)字表示。逢十進(jìn)一。表示方法：〔5927〕10或5927D權(quán)表示法：〔5927〕10=5103+9102+2101+7100④十六進(jìn)制數(shù)第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述17整理ppt常用進(jìn)制的表示法如表1-1所示。十進(jìn)制二進(jìn)制八進(jìn)制十六進(jìn)制00000001000111200102230011334010044501015560110667011177810001089100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F16100002010表1-1十、二、八、十六進(jìn)制表示法第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述18整理ppt〔2〕各種進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換對(duì)各種進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換，我們要掌握轉(zhuǎn)換的方法和規(guī)那么，為了便于理解我們將進(jìn)制的轉(zhuǎn)換分成“二進(jìn)制數(shù)八進(jìn)制數(shù)、十六進(jìn)制數(shù)〞、“二進(jìn)制數(shù)十進(jìn)制數(shù)〞兩大類?！穸M(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制、十六進(jìn)制數(shù)由于81=23〔八進(jìn)制數(shù)的一位等于二進(jìn)制數(shù)的三位〕、161=24〔十六進(jìn)制數(shù)的一位等于二進(jìn)制數(shù)的四位〕的關(guān)系，它們之間的轉(zhuǎn)換就變得很簡單。其轉(zhuǎn)換規(guī)那么是以小數(shù)點(diǎn)為中心，左右“按位組合〞前后不夠補(bǔ)0。即八進(jìn)制是按三位組合，十六進(jìn)制是按四位組合?！纠?-1】把〔11010111.01111〕2轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制數(shù)、十六進(jìn)制數(shù)?！?1010111.01111〕2=〔011,010,111.011,110〕2=〔327.36〕8 〔11010111.01111〕2=〔1101,0111.0111,1000〕2=〔D7.78〕16 ①二進(jìn)制、八進(jìn)制、十六進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述19整理ppt【例1-3】把〔101.01〕2、〔257〕8、〔32CF.4〕16轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)?！?01.01〕2=1×22+0×21+1×20+0×2-1+1×2-2=〔5.25〕10=5.25〔257〕8=2×82+5×81+7×80=〔175〕10=175〔32CF.4〕16=3×163+2×162+12×161+15×160+4×16-1=〔13007.2510=13007.25●八進(jìn)制數(shù)、十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)其轉(zhuǎn)換規(guī)那么仍是以小數(shù)點(diǎn)為中心，“按位展開〞〔八進(jìn)制數(shù)的一位等于二進(jìn)制數(shù)的三位、十六進(jìn)制數(shù)的一位等于二進(jìn)制數(shù)的四位〕，最后去掉前后的0?！纠?-2】把〔327.36〕8、〔D7.78〕16 轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)?！?27.36〕8=〔011,010,111.011,110〕2=〔11010111.01111〕2〔D7.78〕16=〔1101,0111.0111,1000〕2=〔11010111.01111〕2②二進(jìn)制、八進(jìn)制、十六進(jìn)制與十進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換●二進(jìn)制數(shù)、八進(jìn)制數(shù)、十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制數(shù)、八進(jìn)制數(shù)、十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)，其轉(zhuǎn)換規(guī)那么相同，是“按權(quán)展開相加〞。同十進(jìn)制的展開一樣，只是其權(quán)位不同而已。第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述20整理ppt十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)分兩種情況進(jìn)行，整數(shù)局部和小數(shù)局部，具體規(guī)那么如下所示。整數(shù)局部：除2取余倒排。即采用除2取余，直到商為0，先得的余數(shù)排在低位，后得的余數(shù)排在高位。●十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)、八進(jìn)制數(shù)、十六進(jìn)制數(shù)小數(shù)局部：乘2取整順排。即采用乘2取整數(shù)，直到值為0或到達(dá)精度要求，先得的整數(shù)排在高位，后得的整數(shù)排在低。第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述21整理ppt例：將〔105.625〕10轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)。第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述22整理ppt7.位、字節(jié)、字和字長〔2〕字節(jié)〔byte〕。在計(jì)算機(jī)中，8位二進(jìn)制數(shù)稱為一個(gè)“字節(jié)〞〔byte，簡寫B(tài)〕，構(gòu)成一個(gè)字節(jié)的8個(gè)位被看做一個(gè)整體。它是計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)信息的根本單位，同時(shí)它也是計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)空間大小的最根本容量單位。字節(jié)又是衡量計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)二進(jìn)制信息量的單位，它有千字節(jié)〔KB〕、兆字節(jié)〔MB〕、吉字節(jié)〔GB〕、太字節(jié)〔TB〕。1KB=1024B=210B 1MB=1024KB=220B 1GB=1024MB=230B 1TB=1024GB=240B計(jì)算機(jī)中的信息是用二進(jìn)制表示，那么反映這些二進(jìn)制信息的量有，位、字長，字節(jié)、字等指標(biāo)?！?〕位或比特〔bit〕。計(jì)算機(jī)中的存貯信息是由許多個(gè)電子線路單元組成，每一個(gè)單元稱為一個(gè)“位〞〔bit〕，它有兩個(gè)穩(wěn)定的工作狀態(tài)，分別以“0〞和“1〞表示。它是計(jì)算機(jī)中最小的數(shù)據(jù)單位。第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述23整理ppt〔4〕字長。CPU內(nèi)每個(gè)字可包含的二進(jìn)制的長度稱為“字長〞〔wordsize〕。它是計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、傳送、處理數(shù)據(jù)的信息單位，是衡量比較計(jì)算機(jī)的功能精確度及運(yùn)算速度的主要性能指標(biāo)之一。字長越長，在相同時(shí)間內(nèi)就能傳送越多的信息，從而使計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度更快、精度越高、尋址空間越大、內(nèi)存儲(chǔ)器容量更大、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)支持的指令數(shù)量越豐富。低檔微機(jī)的字長為8位〔一個(gè)字節(jié)〕，高檔微機(jī)的字長有16位〔兩個(gè)字節(jié)〕、32位〔四個(gè)字節(jié)〕等。〔3〕字〔word〕。由假設(shè)干個(gè)字節(jié)組成一個(gè)“字〞〔word〕。一個(gè)“字〞可以存放一條計(jì)算機(jī)指令或一個(gè)數(shù)據(jù)。第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述24整理ppt1.2微型計(jì)算機(jī)接口組成1.2.1認(rèn)識(shí)微機(jī)的常用接口1.2.2知識(shí)講解第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述25整理ppt1.2微型計(jì)算機(jī)接口組成〔1〕工程要求：直觀的了解接口，認(rèn)識(shí)微機(jī)的常用接口?！?〕工程目的：●了解微型計(jì)算機(jī)接口的根本概念?！窳私饨涌诘慕M成。●掌握CPU和接口數(shù)據(jù)交換的四種方式。2．工程說明1.2.1工程2：認(rèn)識(shí)微機(jī)的常用接口隨著計(jì)算機(jī)的不斷開展，單獨(dú)的計(jì)算機(jī)已不能滿足人們的需要，計(jì)算機(jī)的擴(kuò)展能力成為人們認(rèn)識(shí)電腦的一個(gè)重要的性能指標(biāo)，常用的接口有鼠標(biāo)、鍵盤接口，打印機(jī)接口、掃描儀接口等。1.工程要求與目的第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述26整理ppt3．工程實(shí)物圖微機(jī)常用接口外觀圖如圖1-6所示，這是一個(gè)微機(jī)主板，主要由CPU插槽、PCI擴(kuò)展槽、內(nèi)存插槽、BIOS、CMOS電池、CMOS跳線、ATX電源插座、音頻接口、AGP擴(kuò)展槽、USB接口、鼠標(biāo)接口、鍵盤接口等組成。圖1-6微機(jī)常用接口第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述27整理ppt

1.2.2知識(shí)講解微機(jī)接口〔interface〕就是微處理器CPU與“外部世界〞的連接電路，是CPU與外界進(jìn)行信息交換的中轉(zhuǎn)站。比方源程序或原始數(shù)據(jù)要通過接口從輸入設(shè)備送進(jìn)去，運(yùn)算結(jié)果要通過接口向輸入設(shè)備送出來；控制命令通過接口發(fā)出去，現(xiàn)場狀態(tài)通過接口取進(jìn)來，這些來往信息都要通過接口進(jìn)行變換與中轉(zhuǎn)。這里所說的“外部世界〞是指除CPU本身以外的所有設(shè)備或電流，包括存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備、控制設(shè)備、測(cè)量設(shè)備、通信設(shè)備、多媒體設(shè)備、A/D與D/A轉(zhuǎn)換器等。第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述28整理ppt從圖1-7可以看出，各類外部設(shè)備〔簡稱外設(shè)〕和存儲(chǔ)器，都是通過各自的接口電路連到微機(jī)系統(tǒng)的總線上去的，因此用戶可以根據(jù)自己的要求，選用不同類型的外設(shè)，設(shè)置相應(yīng)的接口電路，把它們掛到系統(tǒng)總線上，構(gòu)成不同用途、不同規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。圖1-7微機(jī)系統(tǒng)各類接口框圖第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述29整理ppt在微機(jī)系統(tǒng)中一般有多種外設(shè)，在同一種外設(shè)中也可能有多臺(tái)，而一個(gè)CPU在同一時(shí)間里只能與一臺(tái)外設(shè)交換信息，這就要在接口中設(shè)置I/O端口地址譯碼電路對(duì)外設(shè)進(jìn)行尋址。CPU將I/O設(shè)備的端口地址代碼送到接口中的地址譯碼電路，并經(jīng)譯碼電路，把地址代碼翻譯成I/O設(shè)備的選擇信號(hào)。一般是把高位地址用于接口芯片選擇，低位地址進(jìn)行芯片內(nèi)部存放器的選擇，以選定需要與自己交換信息的設(shè)備端口，只有被選中的設(shè)備才能與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換或通信。沒有選中的設(shè)備，就不能與CPU交換數(shù)據(jù)。2.接口功能

接口應(yīng)具備哪些功能呢？從解決CPU與外設(shè)在連接時(shí)存在的矛盾的觀點(diǎn)來看，一般有如下功能：〔1)對(duì)外部設(shè)備的尋址功能第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述30整理ppt

外部設(shè)備的信號(hào)電平可能不是TTL電平或CMOS電平，因此需要由接口電路來完成信號(hào)電平的轉(zhuǎn)換?！?)信號(hào)轉(zhuǎn)換功能外部設(shè)備的工作速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于CPU的速率，為了提高CPU的工作效率并防止喪失數(shù)據(jù)，接口中必須有數(shù)據(jù)緩沖器。接口中設(shè)置的數(shù)據(jù)緩存存放器作為兩者之間的中介，暫存發(fā)送方發(fā)出的數(shù)據(jù)，等待接收方在足夠的時(shí)間內(nèi)取走數(shù)據(jù)。借助于數(shù)據(jù)緩沖器，高速工作地CPU與低速工作地外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換可以協(xié)調(diào)進(jìn)行。由于數(shù)據(jù)緩存器直接連在系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線上，因此它應(yīng)具有三態(tài)特性?！?)數(shù)據(jù)緩沖功能第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述31整理ppt為了使接口具有較強(qiáng)的靈活性、可擴(kuò)充性以適應(yīng)多種工作方式或工作狀態(tài)，接口應(yīng)具有可編程的特性。上述功能并非要求每種接口都具備，對(duì)不同用途的微機(jī)系統(tǒng)，其接口功能不同，接口電路的復(fù)雜程度大不一樣。但前3種功能是接口電路中的核心局部，是一般接口都需要的。〔4)聯(lián)絡(luò)功能接口應(yīng)當(dāng)具備握手信號(hào)。CPU送來的控制信號(hào)、外部設(shè)備的工作狀況以及應(yīng)答信號(hào)都要通過接口與CPU以“握手聯(lián)絡(luò)〞的方式進(jìn)行交互?！?)中斷管理功能CPU與外設(shè)之間的通信采用中斷方式，有利于提高CPU的利用率。〔6)可編程功能第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述32整理ppt3．接口組成為了實(shí)現(xiàn)上述各種功能，接口需要有物理根底——硬件，予以支撐；還要有相應(yīng)的程序——軟件，予以驅(qū)動(dòng)。所以，一個(gè)能夠?qū)嶋H運(yùn)行的接口，應(yīng)由硬件和軟件兩局部組成。

⑴圖1-8接口電路的根本結(jié)構(gòu)硬件電路

接口電路的根本結(jié)構(gòu)如圖1-8所示。三總線:地址總線AB、數(shù)據(jù)總線DB以及控制總線CB與CPU連接。地址總線AB用來提供訪問接口電路的地址信息。數(shù)據(jù)總線DB用來與接口電路交換數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和命令信息。控制總線CB包括I/O、…、INTR等信號(hào)線。第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述33整理ppt

為了增強(qiáng)接口實(shí)用范圍，半導(dǎo)體廠商一般按照通用型、可編程模式設(shè)計(jì)制作可編程接口芯片。因此，為了使用接口，需要為CPU編寫專門的接口程序。接口程序多由匯編語言編程實(shí)現(xiàn)，一般包括初始化接口芯片、確定數(shù)據(jù)傳輸方式、控制接口硬件動(dòng)作等主要功能。⑵軟件編程第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述34整理ppt〔1〕I/O端口端口〔Port〕是接口電路中能被CPU直接訪問的存放器。CPU通過這些地址即端口向接口電路中的存放器發(fā)送命令，讀取狀態(tài)和傳送數(shù)據(jù)，因此，一個(gè)接口可以有幾個(gè)端口，如狀態(tài)口、數(shù)據(jù)口和命令口，分別對(duì)應(yīng)于狀態(tài)存放器、數(shù)據(jù)存放器和命令存放器?！駹顟B(tài)端口狀態(tài)端口〔StatePort〕主要用來指示外部設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)。每種狀態(tài)用一個(gè)二進(jìn)制位表示，每個(gè)外部設(shè)備可以有幾個(gè)狀態(tài)位，它們可被CPU讀取，以測(cè)試或檢查外部設(shè)備的狀態(tài)，決定程序的流程。一般接口電路中常見的狀態(tài)位有準(zhǔn)備就緒位〔Ready〕、外部設(shè)備忙位〔Busy〕、錯(cuò)誤位〔Error〕等。4.I/O端口和I/O操作

第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述35整理ppt通常所說的I/O操作是指對(duì)I/0端口的操作，而不是對(duì)I/O設(shè)備的操作，即CPU所訪問的是與I/O設(shè)備相關(guān)的端口，而不是I/O設(shè)備本身。而I/O操作也就是CPU對(duì)端口存放器的讀寫操作。CPU對(duì)數(shù)據(jù)端口進(jìn)行一次讀或?qū)懖僮饕簿褪桥c該接口連接的外部設(shè)備進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳送；CPU對(duì)狀態(tài)端口進(jìn)行一次讀操作，就可以獲得外部設(shè)備或接口自身的狀態(tài)代碼；CPU把假設(shè)干位控制代碼寫入控制端口，那么意味著對(duì)該接口或外部設(shè)備發(fā)出一個(gè)控制命令，要求該接口或外部設(shè)備按規(guī)定的要求工作?！駭?shù)據(jù)端口數(shù)據(jù)端口〔DataPort〕用以存放外部設(shè)備送往CPU的數(shù)據(jù)以及CPU輸出到外部設(shè)備去的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是主機(jī)和外部設(shè)備之間交換的最根本信息，長度一般為1-4字節(jié)。數(shù)據(jù)端口主要起數(shù)據(jù)緩沖作用?！衩疃丝诿疃丝凇睠ommandPort〕也稱控制端口〔ControlPort〕，用來存放CPU向接口發(fā)出的各種命令和控制字，以便控制接口或設(shè)備的動(dòng)作。接口功能不同，接口芯片的結(jié)構(gòu)也就不同，控制字的格式和內(nèi)容自然各不相同。一般可編程接口芯片往往具有工作方式命令字、操作命令字等?！?〕I/O操作第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述36整理ppt5.I/O端口的編址方式統(tǒng)一編址是指在整個(gè)存儲(chǔ)空間中劃分出一局部地址空間給外設(shè)端口使用，即把每一個(gè)I/O端口看作一個(gè)存儲(chǔ)單元，與存儲(chǔ)單元一樣編址，訪問存儲(chǔ)器的所有指令均可用來訪問I/O端口，不用設(shè)置專門的I/O指令，所以稱為存儲(chǔ)器映射I/O編址方式,地址空間分布情況如圖1-9所示。摩托羅拉公司的MC6800及68HC05等處理器就采用了這種方式訪問I/O設(shè)備。這種方式的優(yōu)點(diǎn):在于I/O端口的地址空間較大，對(duì)端口進(jìn)行操作的指令功能較強(qiáng)，使用時(shí)靈活方便。這種方式的缺點(diǎn)是端口占用了存儲(chǔ)器的地址空間，使存儲(chǔ)器容量減小，另外指令長度比專門I/O指令要長，因而執(zhí)行速度較慢。I/O端口的編址方式主要有兩種：內(nèi)存與I/O端口統(tǒng)一編址和I/O端口單獨(dú)編址。(1)統(tǒng)一編址第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述37整理ppt

圖1-9I/O端口統(tǒng)一編址圖1-10I/O端口單獨(dú)編址38整理ppt〔2〕獨(dú)立編址

獨(dú)立編址是指對(duì)系統(tǒng)中的I/O端口單獨(dú)編址，與內(nèi)存單元的地址空間相互分開，各自獨(dú)立，采用專門的I/O指令來訪問具有獨(dú)立空間的I/O端口,地址空間分布情況如圖1-10所示。8086/8088系統(tǒng)中就采用這種編址方式。優(yōu)點(diǎn)：不占用內(nèi)存單元的有效地址空間，地址譯碼器較簡單，端口操作指令長度較短，執(zhí)行速度較快。以上這兩種I/O編址方式各有利弊，不同類型的CPU可根據(jù)外部設(shè)備特點(diǎn)采用不同的編制方式。第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述39整理ppt

6．CPU與接口數(shù)據(jù)的交換技術(shù)在微機(jī)中，傳送數(shù)據(jù)一般有4種方式：無條件方式、查詢方式、中斷方式、直接訪問存儲(chǔ)器〔DMA〕方式?！?〕無條件方式無條件傳送是一種最簡單的傳送方式，適合于外部設(shè)備總是處于就緒狀態(tài)的情況。CPU在開始數(shù)據(jù)傳送之前，不必關(guān)心外部設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)，直接可以對(duì)外部設(shè)備接口進(jìn)行讀寫。也就是CPU在任何時(shí)候都可以向外部設(shè)備發(fā)送信息或者從外部設(shè)備接收信息。在外設(shè)還沒處于就緒狀態(tài)或外設(shè)發(fā)生故障時(shí),就會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或數(shù)據(jù)喪失。為了解決這一問題，人們考慮采用查詢傳送方式。第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述40整理ppt〔2〕查詢方式查詢方式是CPU傳送數(shù)據(jù)〔包括讀入和寫入〕之前，主動(dòng)去檢查外設(shè)是否“準(zhǔn)備好〞假設(shè)沒有準(zhǔn)備好，那么繼續(xù)查其狀態(tài)，直至外設(shè)準(zhǔn)備好了，即確認(rèn)外部設(shè)備已具備傳送條件之后，才進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。具體作法是在程序中安排一段由輸入/輸出指令和測(cè)試指令以及轉(zhuǎn)移指令組成的程序段。CPU使用測(cè)試指令和條件轉(zhuǎn)移指令循環(huán)檢測(cè)設(shè)備完成準(zhǔn)備工作的狀態(tài)。一旦設(shè)備“準(zhǔn)備好〞，CPU才執(zhí)行傳送指令，實(shí)現(xiàn)CPU與接口之間的數(shù)據(jù)交換。在查詢傳送方式中，CPU需要不斷地查詢外設(shè)的狀態(tài)，極大地降低了CPU的利用率。為了提高CPU的利用率，提高輸入/輸出系統(tǒng)的可靠性以及實(shí)時(shí)性，可以采用中斷傳送方式。〔3〕中斷方式為提高數(shù)據(jù)傳輸效率，需要改變CPU消耗大量時(shí)間查詢外部設(shè)備狀態(tài)的工作方式變外部設(shè)備的被動(dòng)接收為主動(dòng)請(qǐng)求。當(dāng)外部設(shè)備沒有做好數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)備時(shí)，CPU可以執(zhí)行與數(shù)據(jù)傳送無關(guān)的其他指令。一旦外部設(shè)備準(zhǔn)備好，主動(dòng)通過硬件信號(hào)向CPU提出傳送請(qǐng)求的其他程序。第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述41整理ppt在原來被執(zhí)行的程序看來，一個(gè)正常的執(zhí)行過程被打斷，因而稱為中斷傳送。中斷傳送方式優(yōu)點(diǎn):當(dāng)外設(shè)處于就緒狀態(tài)時(shí)才向CPU請(qǐng)求輸入或輸出效勞，不需要CPU花費(fèi)大量時(shí)間去主動(dòng)查詢外設(shè)的工作狀態(tài)，減少了大量的CPU等待時(shí)間。為了保證多個(gè)外部設(shè)備能夠在需要時(shí)，準(zhǔn)確及時(shí)地向CPU提出中斷請(qǐng)求，一般需要設(shè)置專門的硬件控制電路，因此增加了硬件開銷。〔4〕直接存儲(chǔ)器存取方式——DMA方式直接存儲(chǔ)器存取方式〔DirectMemoryAccess〕，又稱為DMA傳送方式，對(duì)于高速的外設(shè)，以及成塊交換數(shù)據(jù)的情況，例如，磁盤與內(nèi)存之間交換信息，用程序或中斷控制傳送數(shù)據(jù)的方式顯得速度太慢以及占用CPU大量時(shí)間。采用DMA方式是用一個(gè)硬件DMAC〔稱DMA控制器〕芯片來完成軟件的工作。比方，內(nèi)存地址的修改，字節(jié)長度的控制等，在這種方式下，CPU放棄數(shù)據(jù)總線、地址總線及控制總線的控制權(quán)，交給DMAC管理，使得外設(shè)和內(nèi)存的信息傳送速度能到達(dá)很高。第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述42整理ppt1.3I/O端口地址分配與地址譯碼技術(shù)1.3.1設(shè)計(jì)一個(gè)有6組I/O端口地址的譯碼電路

1.3.2知識(shí)講解第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述43整理ppt1.3I/O端口地址分配與地址譯碼技術(shù)1.3.1工程3：設(shè)計(jì)一個(gè)有6組I/O端口地址的譯碼電路 1.工程要求與目的〔1〕工程要求：通過工程了解74LS138譯碼器進(jìn)行地址譯碼的方法和工作原理?！?〕工程目的：●了解74LS138譯碼器的真值表。●了解用譯碼器設(shè)計(jì)I/O端口地址的方法。第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述44整理ppt2．工程說明74LS138譯碼器有8個(gè)輸出，本工程只用其中6個(gè)。而地址線的高5位A5～A9經(jīng)過74LS138譯碼器，分別產(chǎn)生DMA控制器8237A、中斷控制器8259A、定時(shí)/計(jì)數(shù)器8254、并行接口8255A等接口芯片的片選信號(hào)，而地址線的低5位A0～A4作為接口芯片內(nèi)部存放器的訪問地址。由74LS138譯碼器真值表可知，當(dāng)?shù)刂窞?00～01XH時(shí)，使輸出為低，選中8237A，由于低位地址線A0～A3已接8237A，故8237A的端口地址為000H～01FH。其他端口與此同理，如8259A的片選地址是02X～03XH,端口地址為020～03FH。第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述45整理ppt3．工程電路圖一個(gè)有6組I/O端口地址的譯碼電路如圖1-9所示。電路由地址總線、控制總線、74LS138譯碼器和門電路等組成。

圖1-974LS138譯碼器端口地址譯碼電路

第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述46整理ppt1.3.2知識(shí)講解1．I/O端口地址分配不同類型的微機(jī)系統(tǒng)采用不同的I/O地址編排方式，I/O地址空間的劃分也各不相同。對(duì)80x86而言，采用獨(dú)立編排方式，I/O端口地址的16位，最大尋址范圍為64K個(gè)地址。但是，在IBM-PC機(jī)及其兼容機(jī)的設(shè)計(jì)中，主板上只用了10位I/O端口地址線，因此支持的I/O端口數(shù)位1024個(gè)，地址空間為0000H～03FFH,并且把前512個(gè)端口分配給了主板，后512個(gè)端口分配給了擴(kuò)展槽上的常規(guī)外設(shè)。后來在PC/AT系統(tǒng)中，作了一些調(diào)整，其中前256個(gè)端口〔000～0FFH〕供系統(tǒng)板上的I/O接口芯片使用，如表1-2所示。后768〔100～3FFH〕供擴(kuò)展槽上的I/O接口控制卡使用，如表1-2所示。按照I/O設(shè)備的配置情況，I/O接口的硬件分為如下兩類。47整理ppt〔1〕系統(tǒng)板上的I/O接口系統(tǒng)板上的I/O接口也稱為板內(nèi)接口，尋址到的都是可編程大規(guī)模集成電路，完成相應(yīng)的板內(nèi)接口操作。如定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷控制器、DMA控制器、并行接口等。隨著大規(guī)模集成電路的開展，所以I/O接口芯片或控制器都已經(jīng)集成在一片或幾片大規(guī)模集成電路芯片中，形成了主板芯片組，并命名為南/北橋、MCH/ICH等。表1-2所示的各種接口芯片，雖然在主板上不能看見，但是仍然完整地存在于主板芯片組中〔一般都在南橋中〕，其板內(nèi)地址也保持不變。表1-2系統(tǒng)板內(nèi)I/O芯片端口地址

I/O芯片I/O功能I/O端口地址

8237A-1DMA控制器1000～01FH8237A-2DMA控制器20C0～0DFH74LS612DMA頁面寄存器080～09FH8259A-1中斷控制器1020～03FH8259A-2中斷控制器20A0～0BFH8254A定時(shí)器040～05FH8255A并行接口芯片與鍵盤接口060～06FHMC146818RT/CMOSRAM070～07FH8087協(xié)處理器0F0～0FFH第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述48整理ppt〔2〕擴(kuò)展卡上的I/O接口擴(kuò)展卡主要是指插接在主板插槽上的接口卡，通過系統(tǒng)總線與CPU系統(tǒng)相連。這些擴(kuò)展卡一般由假設(shè)干個(gè)集成電路按一定得邏輯組成一個(gè)部件，如軟驅(qū)卡、硬驅(qū)卡、圖形卡、聲卡、打印卡、串行通信卡等，如表1-3所示。表1-3外部設(shè)備端口地址I/O名稱端口地址游戲控制卡200～20FH并行口控制卡1370～37FH并行口控制卡2270～27FH串行口控制卡13F8～3FFH串行口控制卡22F0～2FFH用戶可用300～31FH同步通行卡13A0～3AFH同步通行卡2380～38FH單顯MDA3B0～3BFH彩顯CGA3D0～3DFH彩顯EGA/VGA3C0～3CFH硬驅(qū)控制卡1F0～1FFH軟驅(qū)控制卡3F0～3F7HPC網(wǎng)卡360～36FH第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述49整理ppt2.I/O端口地址譯碼微機(jī)系統(tǒng)中有多個(gè)接口存在，接口內(nèi)部往往包含多個(gè)端口，CPU是通過地址對(duì)不同的端口加以區(qū)分的。把CPU送出的地址轉(zhuǎn)變?yōu)樾酒x擇和端口區(qū)分依據(jù)的就是地址譯碼電路。每當(dāng)CPU執(zhí)行輸入輸出指令時(shí)，就進(jìn)入I/O端口讀寫周期，此時(shí)首先是端口地址有效，然后是I/O讀寫控制信號(hào)TOR或有效，這樣就可以很好的把端口地址譯碼產(chǎn)生的譯碼信號(hào)同或結(jié)合起來，一同控制對(duì)I/O端口讀或者寫。接口地址譯碼方法很多，下面主要介紹兩種?！?〕用門電路進(jìn)行I/O端口地址譯碼門電路譯碼就是采用與門、與非門、反相器及或非門等簡單邏輯門器件，如74LS20、74LS30、74LS32、74LS08、74LS04等，構(gòu)成譯碼電路。這是一種最根本的I/O端口地址譯碼方法，下面通過舉例來說明設(shè)計(jì)方法。第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述50整理ppt【例1-5】使用74LS20/30/32和74LS04設(shè)計(jì)I/O端口地址為2F8H的只讀譯碼電路。分析：假設(shè)要產(chǎn)生2F8H端口地址，那么譯碼電路的輸入地址就應(yīng)具有如表1-4所示的值。表1-4譯碼電路輸入地址線的值地址線00A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0二進(jìn)制001011111000十六進(jìn)制2F8設(shè)計(jì)：按照表1-4中地址表的值，采用門電路就可以設(shè)計(jì)出譯碼電路，如圖1-10〔a〕所示。圖1-10〔a〕中AEN信號(hào)必須參加譯碼，因?yàn)锳EN為高電平時(shí)，I/O處于DMA方式，或信號(hào)由DMA控制器發(fā)出；AEN為低電平時(shí)，I/O處于正常方式，或信號(hào)由CPU發(fā)出。因?yàn)樵摻涌陔娐分蠭/O處于正常方式，AEN必須為低電平，故用AEN信號(hào)參加譯碼來區(qū)分這兩種方式。第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述51整理ppt同理可設(shè)計(jì)出能執(zhí)行讀/寫操作的2E2H端口地址的譯碼電路，如圖1-10〔b〕所示。圖1-10門電路譯碼電路〔b〕(a)第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述52整理ppt〔2〕譯碼器進(jìn)行I/O端口地址譯碼假設(shè)接口電路中需要使用多個(gè)端口地址，那么可采用譯碼器來進(jìn)行譯碼。譯碼器的型號(hào)有很多，常用的譯碼器有3-8譯碼器74LS138；4-16譯碼器74LS154；雙2-4譯碼器74LS139、74LS155等。下面通過舉例來說明設(shè)計(jì)方法?！纠?-6】使用74LS138設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)板是上接口芯片的I/O端口地址譯碼電路，并且讓每個(gè)接口芯片內(nèi)部的端口數(shù)目為32個(gè)。分析：由于系統(tǒng)板上的I/O端口地址分配在000～0FFH范圍內(nèi)，故只使用低8位地址線，這意味著A9和A8兩位應(yīng)賦0值。為了讓每個(gè)被選中的芯片內(nèi)部擁有32個(gè)端口，只要留出5根低地址線不參加譯碼，其余的高位地址線作為74LS138的輸入線，參加譯碼，或作為74LS138的控制線與AEN一起，控制74LS138的譯碼是否有效。由上述分析，可以得到譯碼電路輸入地址線的值，如表1-5所示。表1-5譯碼電路輸入地址線的值地址線00A9A8A7A6A5

A4A3A2A1A0用途控制片選片內(nèi)端口尋址十六進(jìn)制0H0～7H0～1FH第1章微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述53整理pp