《微機原理實驗》課件

《微機原理實驗》本課程將帶您探索微機原理的奧秘，通過實驗加深對計算機體系結構、指令系統(tǒng)、匯編語言、操作系統(tǒng)等方面的理解。實驗課程目標加深理解深入理解微機原理課程中的重要概念，如CPU架構、內存尋址、中斷處理等，并將其應用于實際操作中。培養(yǎng)能力鍛煉學生進行微機系統(tǒng)硬件和軟件設計、調試和分析的能力，培養(yǎng)學生的動手實踐能力和解決實際問題的能力。促進合作鼓勵學生團隊協(xié)作，共同完成實驗項目，提升團隊合作能力，培養(yǎng)學生有效溝通和協(xié)作的能力。實驗內容體系本課程實驗內容覆蓋了微機原理的核心知識體系，從8086CPU體系結構開始，逐步深入到各種外圍設備接口和常用處理器架構的學習。從基礎到高級，循序漸進，幫助學生掌握微機系統(tǒng)硬件和軟件的相互作用原理。8086CPU體系結構實驗實模式和保護模式尋址實驗中斷處理機制實驗輸入輸出接口、存儲器接口實驗DMA控制器實驗常用外圍設備接口實驗串行通信接口實驗并行通信接口實驗鍵盤掃描與顯示實驗定時計數(shù)器的應用實驗實時時鐘的編程實驗8259可編程中斷控制器實驗8237可編程DMA控制器實驗8254可編程定時/計數(shù)器實驗8255可編程外設接口實驗8251可編程通信接口實驗8741/8742可編程外設控制器實驗80186/80188體系結構實驗80386/80486體系結構實驗Pentium處理器實驗嵌入式處理器體系結構實驗CISC與RISC處理器架構對比實驗當代處理器發(fā)展趨勢實驗實驗1-8086CPU體系結構認識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。指令分類掌握數(shù)據(jù)傳輸、算術運算、邏輯運算、程序控制和字符串操作等指令的分類和使用方法。匯編語言學習使用匯編語言編程，編寫簡單的匯編程序，實現(xiàn)基本的CPU操作，如數(shù)據(jù)存儲、運算和控制。實驗操作使用模擬器或實驗平臺，運行編寫的匯編程序，觀察程序執(zhí)行結果，分析程序運行流程。實驗2-實模式下的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、直接尋址實模式下，8086CPU使用16位段寄存器和16位偏移地址進行尋址，總共可尋址1MB物理地址空間。每個段寄存器指向16位段地址，偏移地址提供段內地址。實驗3-保護模式下的尋址1保護模式概述保護模式是x86處理器的一種工作模式，它提供更高級的內存管理和安全特性。在保護模式下，處理器使用段描述符來描述內存段，每個段都有自己的訪問權限和屬性，從而可以實現(xiàn)對內存的細粒度控制。2尋址方式段選擇器偏移量保護模式下的尋址使用段選擇器和偏移量來訪問內存。段選擇器指向段描述符，段描述符包含段基址和段界限。偏移量指定了段內的相對地址。3實模式與保護模式對比地址空間內存管理安全特性保護模式與實模式相比具有更高的地址空間、更強大的內存管理機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。實驗4-中斷處理機制1中斷源外部設備2中斷請求發(fā)出中斷信號3中斷響應CPU暫停當前任務4中斷處理執(zhí)行中斷服務程序5中斷返回恢復執(zhí)行原任務中斷是計算機系統(tǒng)中重要的機制，允許外部設備在需要時打斷CPU的正常執(zhí)行，并進行相應的處理。本實驗將深入學習中斷處理機制，包括中斷源、中斷請求、中斷響應、中斷處理和中斷返回等關鍵步驟。實驗5-輸入輸出接口本實驗介紹微機系統(tǒng)中輸入輸出接口的基本概念、分類、特點和工作原理。1基本概念I/O接口的功能和作用2分類并行接口、串行接口、中斷式I/O、DMA方式3特點速度、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控制實驗內容包括：I/O接口的硬件連接、軟件編程、實驗驗證。實驗6-存儲器接口1存儲器接口存儲器接口是指CPU與存儲器之間交互的通道。2存儲器地址譯碼將邏輯地址轉換為物理地址。3存儲器讀寫操作CPU通過存儲器接口讀寫數(shù)據(jù)。4存儲器控制器控制存儲器讀寫操作。存儲器接口是微機系統(tǒng)中重要的組成部分，它負責CPU與存儲器之間的數(shù)據(jù)傳輸。實驗7-DMA控制器DMA控制器的功能DMA控制器是微機系統(tǒng)中的一種重要外設。它允許外設直接訪問內存，而無需CPU的干預。DMA控制器的基本原理DMA控制器通過設置DMA通道，將數(shù)據(jù)從外設傳輸?shù)絻却婊驈膬却鎮(zhèn)鬏數(shù)酵庠O。DMA控制器的使用場景DMA控制器常用于高速數(shù)據(jù)傳輸，例如磁盤讀寫、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)接收等。DMA控制器的結構DMA控制器通常包含多個DMA通道，每個通道可以獨立控制數(shù)據(jù)傳輸。DMA控制器的編程DMA控制器的編程主要包括設置DMA通道、啟動DMA傳輸、監(jiān)控傳輸狀態(tài)等。實驗8-常用外圍設備接口1了解常用外圍設備接口學習并掌握常見外設接口，如串口、并口、USB、PCI、ISA等2掌握常用外設接口的編程方法通過實驗，學習不同接口的編程方法，并能使用相關編程技術3實踐外設接口應用將所學知識應用于實際項目，如設計和實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實驗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程序設計與調試學習使用UART接口進行串行通信的編程和調試方法。學生將學習串行通信的基本原理，了解UART芯片的功能和使用方法。通過實驗，他們將掌握使用UART接口進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)木幊毯驼{試方法。實驗還將涉及一些常用的串行通信協(xié)議，例如RS-232和RS-485。實驗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)位同時傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?，速度快、效率高。常用接口并行打印機接口并行硬盤接口并行掃描儀接口實驗內容熟悉并行通信接口的結構和工作原理，并掌握編程方法。實驗步驟連接并行接口設備編寫并行通信程序調試程序，驗證功能實驗11-鍵盤掃描與顯示1鍵盤掃描識別按鍵按下2掃描碼轉換將掃描碼轉換為ASCII碼3字符顯示在屏幕上顯示字符本實驗使用8255可編程外設接口芯片來實現(xiàn)鍵盤掃描與顯示功能。首先，需要使用8255芯片的端口A來接收鍵盤的掃描碼，并將其轉換為ASCII碼。然后，使用8255芯片的端口B來控制顯示器的顯示功能，將字符顯示在屏幕上。實驗12-定時計數(shù)器的應用1定時器簡介定時器是一種常用的外圍設備，能夠精確地計時和控制系統(tǒng)的時間。2實驗內容學習定時計數(shù)器的結構和工作原理掌握定時計數(shù)器的編程方法使用定時器實現(xiàn)定時、計數(shù)、頻率測量等功能3實驗步驟首先，連接定時計數(shù)器硬件，配置工作模式和時鐘頻率。然后，編寫程序，設置定時計數(shù)器的初始值、中斷類型和中斷處理程序。最后，運行程序，觀察實驗結果并分析數(shù)據(jù)。實驗13-實時時鐘的編程1實時時鐘概述實時時鐘概念實時時鐘應用2實時時鐘芯片RTC芯片工作原理RTC芯片接口3編程實現(xiàn)時間讀取時間設置4程序設計系統(tǒng)時間管理定時器應用本實驗以實時時鐘芯片為基礎，通過編程實現(xiàn)時間讀取和設置。學生將學習實時時鐘的工作原理，以及如何利用編程來管理系統(tǒng)時間。實驗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中斷向量表學習中斷向量表的作用和如何配置8259。3中斷優(yōu)先級理解中斷優(yōu)先級機制并進行優(yōu)先級設定。4中斷服務程序編寫中斷服務程序，處理不同中斷源的事件。實驗15-8237可編程DMA控制器DMA控制器介紹8237是一個可編程DMA控制器，用于直接內存訪問(DMA)方式進行數(shù)據(jù)傳輸，無需CPU干預。實驗目標學習DMA控制器的工作原理和編程方法，掌握DMA數(shù)據(jù)傳輸過程。實驗內容使用8237控制器進行內存與外設之間的數(shù)據(jù)傳輸，觀察數(shù)據(jù)傳輸過程。實驗步驟配置8237控制器，設置DMA通道，進行數(shù)據(jù)傳輸，分析實驗結果。實驗16-8254可編程定時/計數(shù)器18254簡介8254是一個可編程定時器/計數(shù)器，廣泛應用于微機系統(tǒng)中。它具有三個獨立的定時/計數(shù)通道，每個通道都可以獨立編程。2實驗目的熟悉8254的工作原理、編程方法，以及各種定時/計數(shù)模式。3實驗內容通過實驗驗證8254的工作原理，并用程序控制其產(chǎn)生不同的定時/計數(shù)信號。實驗17-8255可編程外設接口18255概述介紹8255芯片的功能、特點和應用場景2工作模式詳細講解8255的四種工作模式和使用方法3編程實例通過具體的編程實例演示如何控制外設本實驗旨在讓學生深入理解8255可編程外設接口的工作原理，并掌握其編程方法。通過實驗，學生將能夠運用8255芯片控制各種外設，例如鍵盤、顯示器、電機等。實驗18-8251可編程通信接口1實驗目的了解8251通信接口芯片的結構和工作原理。掌握8251通信接口芯片的編程方法。2實驗內容使用8251芯片實現(xiàn)串行通信的功能。通過編程設置8251芯片工作模式和參數(shù)。3實驗步驟連接8251芯片與微處理器。編寫程序控制8251芯片完成數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。實驗19-8741/8742可編程外設控制器1概述介紹8741/8742芯片的功能和特點2內部結構分析芯片的內部寄存器和工作模式3編程接口學習如何使用指令控制芯片4應用案例演示8741/8742芯片在實際項目中的應用本實驗旨在深入理解8741/8742可編程外設控制器的功能和工作原理，掌握其編程方法，并通過實際案例學習其在不同應用場景中的使用技巧。實驗20-80186/80188體系結構實驗目的掌握80186/80188處理器的體系結構和工作原理，并能夠使用相關的工具和技術進行實驗驗證。實驗內容通過實驗了解80186/80188處理器的內部結構，包括其寄存器、內存地址空間、指令系統(tǒng)、中斷機制等。實驗步驟搭建實驗環(huán)境，準備實驗所需的硬件和軟件。根據(jù)實驗要求，編寫程序代碼，并進行編譯和鏈接。利用仿真器或真實硬件進行實驗，驗證程序的功能和性能。實驗要求實驗過程中，學生需要認真閱讀實驗指導書，理解實驗原理，并完成實驗報告。實驗21-80386/80486體系結構1處理器架構介紹80386/80486處理器的內部架構，包括指令集、寄存器、地址空間等。2保護模式深入學習保護模式下的尋址方式、內存管理機制、中斷處理機制等。3指令集掌握80386/80486處理器的指令集，包括指令格式、指令類型、指令功能等。4編程實踐通過編程實驗，應用80386/80486處理器的指令集和功能，完成具體的編程任務。實驗22-Pentium處理器體系結構Pentium處理器是Intel公司推出的一款高性能處理器，采用超標量流水線技術和分支預測技術，提高指令執(zhí)行效率。功能特性Pentium處理器擁有強大的指令集，支持多種尋址模式，能夠高效地處理各種任務。緩存機制Pentium處理器采用多級緩存結構，包括一級緩存、二級緩存和三級緩存，提升數(shù)據(jù)訪問速度。應用領域Pentium處理器廣泛應用于個人電腦、服務器、嵌入式系統(tǒng)等領域，為用戶提供高性能計算能力。實驗23-嵌入式處理器體系結構1系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)、嵌入式實時操作系統(tǒng)2硬件平臺微處理器、存儲器、外設3應用軟件控制算法、數(shù)據(jù)處理嵌入式處理器體系結構由硬件平臺、系統(tǒng)軟件和應用軟件構成。硬件平臺包含微處理器、存儲器和外設，系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)和嵌入式實時操作系統(tǒng)，應用軟件則根據(jù)具體應用需求而定。實驗24-CISC與RISC處理器架構對比復雜指令集計算機(CISC)CISC處理器使用復雜指令集，指令長度可變，支持多種尋址方式，可以完成復雜的操作，但執(zhí)行效率相對較低。精簡指令集計算機(RISC)RISC處理器使用精簡指令集，指令長度固定，指令執(zhí)行速度快，但需要更復雜的編譯器。實驗25-當代處理器發(fā)展趨勢1多核化提高性能，處理多任務。多個核心同時工作，提升系統(tǒng)效率。2性能提升工藝進步，頻率更高，吞吐量更大，提高處理能力。3節(jié)能降耗低功耗設計，優(yōu)化架構，延長電池續(xù)航時間。4人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡加速器，硬件加速機器學習，提升AI性能。實驗報告撰寫要求實驗報告格式實驗報告應使用A4紙打印，采用標準格式，排版整齊，書寫