《微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)》課件

《微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)》本課程將帶您探索微機(jī)原理的奧秘，通過(guò)實(shí)驗(yàn)加深對(duì)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、匯編語(yǔ)言、操作系統(tǒng)等方面的理解。實(shí)驗(yàn)課程目標(biāo)加深理解深入理解微機(jī)原理課程中的重要概念，如CPU架構(gòu)、內(nèi)存尋址、中斷處理等，并將其應(yīng)用于實(shí)際操作中。培養(yǎng)能力鍛煉學(xué)生進(jìn)行微機(jī)系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)、調(diào)試和分析的能力，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。促進(jìn)合作鼓勵(lì)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作，共同完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，提升團(tuán)隊(duì)合作能力，培養(yǎng)學(xué)生有效溝通和協(xié)作的能力。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系本課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容覆蓋了微機(jī)原理的核心知識(shí)體系，從8086CPU體系結(jié)構(gòu)開(kāi)始，逐步深入到各種外圍設(shè)備接口和常用處理器架構(gòu)的學(xué)習(xí)。從基礎(chǔ)到高級(jí)，循序漸進(jìn)，幫助學(xué)生掌握微機(jī)系統(tǒng)硬件和軟件的相互作用原理。8086CPU體系結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)實(shí)模式和保護(hù)模式尋址實(shí)驗(yàn)中斷處理機(jī)制實(shí)驗(yàn)輸入輸出接口、存儲(chǔ)器接口實(shí)驗(yàn)DMA控制器實(shí)驗(yàn)常用外圍設(shè)備接口實(shí)驗(yàn)串行通信接口實(shí)驗(yàn)并行通信接口實(shí)驗(yàn)鍵盤(pán)掃描與顯示實(shí)驗(yàn)定時(shí)計(jì)數(shù)器的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)實(shí)時(shí)時(shí)鐘的編程實(shí)驗(yàn)8259可編程中斷控制器實(shí)驗(yàn)8237可編程DMA控制器實(shí)驗(yàn)8254可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器實(shí)驗(yàn)8255可編程外設(shè)接口實(shí)驗(yàn)8251可編程通信接口實(shí)驗(yàn)8741/8742可編程外設(shè)控制器實(shí)驗(yàn)80186/80188體系結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)80386/80486體系結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)Pentium處理器實(shí)驗(yàn)嵌入式處理器體系結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)CISC與RISC處理器架構(gòu)對(duì)比實(shí)驗(yàn)當(dāng)代處理器發(fā)展趨勢(shì)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)1-8086CPU體系結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)CPU了解8086CPU的功能、組成和工作原理，包括寄存器、指令系統(tǒng)、地址空間等。指令分類(lèi)掌握數(shù)據(jù)傳輸、算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、程序控制和字符串操作等指令的分類(lèi)和使用方法。匯編語(yǔ)言學(xué)習(xí)使用匯編語(yǔ)言編程，編寫(xiě)簡(jiǎn)單的匯編程序，實(shí)現(xiàn)基本的CPU操作，如數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、運(yùn)算和控制。實(shí)驗(yàn)操作使用模擬器或?qū)嶒?yàn)平臺(tái)，運(yùn)行編寫(xiě)的匯編程序，觀察程序執(zhí)行結(jié)果，分析程序運(yùn)行流程。實(shí)驗(yàn)2-實(shí)模式下的16位尋址1地址空間1MB的物理地址空間2段寄存器CS,DS,SS,ES3偏移地址16位偏移量4尋址方式寄存器尋址、立即尋址、直接尋址實(shí)模式下，8086CPU使用16位段寄存器和16位偏移地址進(jìn)行尋址，總共可尋址1MB物理地址空間。每個(gè)段寄存器指向16位段地址，偏移地址提供段內(nèi)地址。實(shí)驗(yàn)3-保護(hù)模式下的尋址1保護(hù)模式概述保護(hù)模式是x86處理器的一種工作模式，它提供更高級(jí)的內(nèi)存管理和安全特性。在保護(hù)模式下，處理器使用段描述符來(lái)描述內(nèi)存段，每個(gè)段都有自己的訪問(wèn)權(quán)限和屬性，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)存的細(xì)粒度控制。2尋址方式段選擇器偏移量保護(hù)模式下的尋址使用段選擇器和偏移量來(lái)訪問(wèn)內(nèi)存。段選擇器指向段描述符，段描述符包含段基址和段界限。偏移量指定了段內(nèi)的相對(duì)地址。3實(shí)模式與保護(hù)模式對(duì)比地址空間內(nèi)存管理安全特性保護(hù)模式與實(shí)模式相比具有更高的地址空間、更強(qiáng)大的內(nèi)存管理機(jī)制以及更完善的安全特性，可以更好地滿足現(xiàn)代操作系統(tǒng)的需求。實(shí)驗(yàn)4-中斷處理機(jī)制1中斷源外部設(shè)備2中斷請(qǐng)求發(fā)出中斷信號(hào)3中斷響應(yīng)CPU暫停當(dāng)前任務(wù)4中斷處理執(zhí)行中斷服務(wù)程序5中斷返回恢復(fù)執(zhí)行原任務(wù)中斷是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中重要的機(jī)制，允許外部設(shè)備在需要時(shí)打斷CPU的正常執(zhí)行，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。本實(shí)驗(yàn)將深入學(xué)習(xí)中斷處理機(jī)制，包括中斷源、中斷請(qǐng)求、中斷響應(yīng)、中斷處理和中斷返回等關(guān)鍵步驟。實(shí)驗(yàn)5-輸入輸出接口本實(shí)驗(yàn)介紹微機(jī)系統(tǒng)中輸入輸出接口的基本概念、分類(lèi)、特點(diǎn)和工作原理。1基本概念I(lǐng)/O接口的功能和作用2分類(lèi)并行接口、串行接口、中斷式I/O、DMA方式3特點(diǎn)速度、可靠性、成本、兼容性4工作原理I/O地址譯碼、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理、DMA控制實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：I/O接口的硬件連接、軟件編程、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)6-存儲(chǔ)器接口1存儲(chǔ)器接口存儲(chǔ)器接口是指CPU與存儲(chǔ)器之間交互的通道。2存儲(chǔ)器地址譯碼將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址。3存儲(chǔ)器讀寫(xiě)操作CPU通過(guò)存儲(chǔ)器接口讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。4存儲(chǔ)器控制器控制存儲(chǔ)器讀寫(xiě)操作。存儲(chǔ)器接口是微機(jī)系統(tǒng)中重要的組成部分，它負(fù)責(zé)CPU與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)驗(yàn)7-DMA控制器DMA控制器的功能DMA控制器是微機(jī)系統(tǒng)中的一種重要外設(shè)。它允許外設(shè)直接訪問(wèn)內(nèi)存，而無(wú)需CPU的干預(yù)。DMA控制器的基本原理DMA控制器通過(guò)設(shè)置DMA通道，將數(shù)據(jù)從外設(shè)傳輸?shù)絻?nèi)存或從內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)酵庠O(shè)。DMA控制器的使用場(chǎng)景DMA控制器常用于高速數(shù)據(jù)傳輸，例如磁盤(pán)讀寫(xiě)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收等。DMA控制器的結(jié)構(gòu)DMA控制器通常包含多個(gè)DMA通道，每個(gè)通道可以獨(dú)立控制數(shù)據(jù)傳輸。DMA控制器的編程DMA控制器的編程主要包括設(shè)置DMA通道、啟動(dòng)DMA傳輸、監(jiān)控傳輸狀態(tài)等。實(shí)驗(yàn)8-常用外圍設(shè)備接口1了解常用外圍設(shè)備接口學(xué)習(xí)并掌握常見(jiàn)外設(shè)接口，如串口、并口、USB、PCI、ISA等2掌握常用外設(shè)接口的編程方法通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)不同接口的編程方法，并能使用相關(guān)編程技術(shù)3實(shí)踐外設(shè)接口應(yīng)用將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目，如設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)9-串行通信接口1串行通信的概念串行通信是一種數(shù)據(jù)傳輸方式，數(shù)據(jù)一位一位地順序傳輸。2UART接口通用異步接收器/發(fā)送器(UART)芯片是串行通信的核心。3程序設(shè)計(jì)與調(diào)試學(xué)習(xí)使用UART接口進(jìn)行串行通信的編程和調(diào)試方法。學(xué)生將學(xué)習(xí)串行通信的基本原理，了解UART芯片的功能和使用方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，他們將掌握使用UART接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)木幊毯驼{(diào)試方法。實(shí)驗(yàn)還將涉及一些常用的串行通信協(xié)議，例如RS-232和RS-485。實(shí)驗(yàn)10-并行通信接口并行通信接口并行通信接口是指數(shù)據(jù)位同時(shí)傳輸?shù)耐ㄐ欧绞剑俣瓤?、效率高。常用接口并行打印機(jī)接口并行硬盤(pán)接口并行掃描儀接口實(shí)驗(yàn)內(nèi)容熟悉并行通信接口的結(jié)構(gòu)和工作原理，并掌握編程方法。實(shí)驗(yàn)步驟連接并行接口設(shè)備編寫(xiě)并行通信程序調(diào)試程序，驗(yàn)證功能實(shí)驗(yàn)11-鍵盤(pán)掃描與顯示1鍵盤(pán)掃描識(shí)別按鍵按下2掃描碼轉(zhuǎn)換將掃描碼轉(zhuǎn)換為ASCII碼3字符顯示在屏幕上顯示字符本實(shí)驗(yàn)使用8255可編程外設(shè)接口芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)掃描與顯示功能。首先，需要使用8255芯片的端口A來(lái)接收鍵盤(pán)的掃描碼，并將其轉(zhuǎn)換為ASCII碼。然后，使用8255芯片的端口B來(lái)控制顯示器的顯示功能，將字符顯示在屏幕上。實(shí)驗(yàn)12-定時(shí)計(jì)數(shù)器的應(yīng)用1定時(shí)器簡(jiǎn)介定時(shí)器是一種常用的外圍設(shè)備，能夠精確地計(jì)時(shí)和控制系統(tǒng)的時(shí)間。2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容學(xué)習(xí)定時(shí)計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)和工作原理掌握定時(shí)計(jì)數(shù)器的編程方法使用定時(shí)器實(shí)現(xiàn)定時(shí)、計(jì)數(shù)、頻率測(cè)量等功能3實(shí)驗(yàn)步驟首先，連接定時(shí)計(jì)數(shù)器硬件，配置工作模式和時(shí)鐘頻率。然后，編寫(xiě)程序，設(shè)置定時(shí)計(jì)數(shù)器的初始值、中斷類(lèi)型和中斷處理程序。最后，運(yùn)行程序，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果并分析數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)13-實(shí)時(shí)時(shí)鐘的編程1實(shí)時(shí)時(shí)鐘概述實(shí)時(shí)時(shí)鐘概念實(shí)時(shí)時(shí)鐘應(yīng)用2實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片RTC芯片工作原理RTC芯片接口3編程實(shí)現(xiàn)時(shí)間讀取時(shí)間設(shè)置4程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)間管理定時(shí)器應(yīng)用本實(shí)驗(yàn)以實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片為基礎(chǔ)，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)時(shí)間讀取和設(shè)置。學(xué)生將學(xué)習(xí)實(shí)時(shí)時(shí)鐘的工作原理，以及如何利用編程來(lái)管理系統(tǒng)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)14-8259可編程中斷控制器1介紹8259介紹8259可編程中斷控制器的基本功能和工作原理。2中斷向量表學(xué)習(xí)中斷向量表的作用和如何配置8259。3中斷優(yōu)先級(jí)理解中斷優(yōu)先級(jí)機(jī)制并進(jìn)行優(yōu)先級(jí)設(shè)定。4中斷服務(wù)程序編寫(xiě)中斷服務(wù)程序，處理不同中斷源的事件。實(shí)驗(yàn)15-8237可編程DMA控制器DMA控制器介紹8237是一個(gè)可編程DMA控制器，用于直接內(nèi)存訪問(wèn)(DMA)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，無(wú)需CPU干預(yù)。實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)學(xué)習(xí)DMA控制器的工作原理和編程方法，掌握DMA數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容使用8237控制器進(jìn)行內(nèi)存與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸，觀察數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程。實(shí)驗(yàn)步驟配置8237控制器，設(shè)置DMA通道，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)16-8254可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器18254簡(jiǎn)介8254是一個(gè)可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，廣泛應(yīng)用于微機(jī)系統(tǒng)中。它具有三個(gè)獨(dú)立的定時(shí)/計(jì)數(shù)通道，每個(gè)通道都可以獨(dú)立編程。2實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖煜?254的工作原理、編程方法，以及各種定時(shí)/計(jì)數(shù)模式。3實(shí)驗(yàn)內(nèi)容通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證8254的工作原理，并用程序控制其產(chǎn)生不同的定時(shí)/計(jì)數(shù)信號(hào)。實(shí)驗(yàn)17-8255可編程外設(shè)接口18255概述介紹8255芯片的功能、特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景2工作模式詳細(xì)講解8255的四種工作模式和使用方法3編程實(shí)例通過(guò)具體的編程實(shí)例演示如何控制外設(shè)本實(shí)驗(yàn)旨在讓學(xué)生深入理解8255可編程外設(shè)接口的工作原理，并掌握其編程方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生將能夠運(yùn)用8255芯片控制各種外設(shè)，例如鍵盤(pán)、顯示器、電機(jī)等。實(shí)驗(yàn)18-8251可編程通信接口1實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私?251通信接口芯片的結(jié)構(gòu)和工作原理。掌握8251通信接口芯片的編程方法。2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容使用8251芯片實(shí)現(xiàn)串行通信的功能。通過(guò)編程設(shè)置8251芯片工作模式和參數(shù)。3實(shí)驗(yàn)步驟連接8251芯片與微處理器。編寫(xiě)程序控制8251芯片完成數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。實(shí)驗(yàn)19-8741/8742可編程外設(shè)控制器1概述介紹8741/8742芯片的功能和特點(diǎn)2內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析芯片的內(nèi)部寄存器和工作模式3編程接口學(xué)習(xí)如何使用指令控制芯片4應(yīng)用案例演示8741/8742芯片在實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用本實(shí)驗(yàn)旨在深入理解8741/8742可編程外設(shè)控制器的功能和工作原理，掌握其編程方法，并通過(guò)實(shí)際案例學(xué)習(xí)其在不同應(yīng)用場(chǎng)景中的使用技巧。實(shí)驗(yàn)20-80186/80188體系結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆?0186/80188處理器的體系結(jié)構(gòu)和工作原理，并能夠使用相關(guān)的工具和技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解80186/80188處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括其寄存器、內(nèi)存地址空間、指令系統(tǒng)、中斷機(jī)制等。實(shí)驗(yàn)步驟搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境，準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)所需的硬件和軟件。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，編寫(xiě)程序代碼，并進(jìn)行編譯和鏈接。利用仿真器或真實(shí)硬件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證程序的功能和性能。實(shí)驗(yàn)要求實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生需要認(rèn)真閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，理解實(shí)驗(yàn)原理，并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)21-80386/80486體系結(jié)構(gòu)1處理器架構(gòu)介紹80386/80486處理器的內(nèi)部架構(gòu)，包括指令集、寄存器、地址空間等。2保護(hù)模式深入學(xué)習(xí)保護(hù)模式下的尋址方式、內(nèi)存管理機(jī)制、中斷處理機(jī)制等。3指令集掌握80386/80486處理器的指令集，包括指令格式、指令類(lèi)型、指令功能等。4編程實(shí)踐通過(guò)編程實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用80386/80486處理器的指令集和功能，完成具體的編程任務(wù)。實(shí)驗(yàn)22-Pentium處理器體系結(jié)構(gòu)Pentium處理器是Intel公司推出的一款高性能處理器，采用超標(biāo)量流水線技術(shù)和分支預(yù)測(cè)技術(shù)，提高指令執(zhí)行效率。功能特性Pentium處理器擁有強(qiáng)大的指令集，支持多種尋址模式，能夠高效地處理各種任務(wù)。緩存機(jī)制Pentium處理器采用多級(jí)緩存結(jié)構(gòu)，包括一級(jí)緩存、二級(jí)緩存和三級(jí)緩存，提升數(shù)據(jù)訪問(wèn)速度。應(yīng)用領(lǐng)域Pentium處理器廣泛應(yīng)用于個(gè)人電腦、服務(wù)器、嵌入式系統(tǒng)等領(lǐng)域，為用戶提供高性能計(jì)算能力。實(shí)驗(yàn)23-嵌入式處理器體系結(jié)構(gòu)1系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)2硬件平臺(tái)微處理器、存儲(chǔ)器、外設(shè)3應(yīng)用軟件控制算法、數(shù)據(jù)處理嵌入式處理器體系結(jié)構(gòu)由硬件平臺(tái)、系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件構(gòu)成。硬件平臺(tái)包含微處理器、存儲(chǔ)器和外設(shè)，系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，應(yīng)用軟件則根據(jù)具體應(yīng)用需求而定。實(shí)驗(yàn)24-CISC與RISC處理器架構(gòu)對(duì)比復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)(CISC)CISC處理器使用復(fù)雜指令集，指令長(zhǎng)度可變，支持多種尋址方式，可以完成復(fù)雜的操作，但執(zhí)行效率相對(duì)較低。精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)(RISC)RISC處理器使用精簡(jiǎn)指令集，指令長(zhǎng)度固定，指令執(zhí)行速度快，但需要更復(fù)雜的編譯器。實(shí)驗(yàn)25-當(dāng)代處理器發(fā)展趨勢(shì)1多核化提高性能，處理多任務(wù)。多個(gè)核心同時(shí)工作，提升系統(tǒng)效率。2性能提升工藝進(jìn)步，頻率更高，吞吐量更大，提高處理能力。3節(jié)能降耗低功耗設(shè)計(jì)，優(yōu)化架構(gòu)，延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。4人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器，硬件加速機(jī)器學(xué)習(xí)，提升AI性能。實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫(xiě)要求實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)使用A4紙打印，采用標(biāo)準(zhǔn)格式，排版整齊，書(shū)寫(xiě)