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1、微机原理与接口技术微机原理与接口技术主讲主讲 易凡易凡 武汉大学物理学院电子科学与技术系武汉大学物理学院电子科学与技术系第第0 0 章章本课程介绍本课程介绍1.1.本课程在计算机课程体系中的位置本课程在计算机课程体系中的位置硬件类硬件类软件类软件类CPU及整机设计及整机设计（计算机组成原理）（计算机组成原理）BIOS与接口驱动程序设计与接口驱动程序设计模拟电路、数字逻辑电路设计模拟电路、数字逻辑电路设计嵌入式嵌入式/单片机系统单片机系统SOC芯片设计芯片设计计计算算机机系系统统结结构构外围接口电路设计外围接口电路设计操作系统操作系统编译系统编译系统数据库数据库数数据据结结构构C+JAVA离离散
2、散数数学学计计算算机机系系统统综综合合设设计计电子商务电子商务多媒体技术多媒体技术 算算法法设设计计、数数值值分分析析、信信号号与与系系统统、计计算算机机理理论论课课程程、数数学学基基础础课课程程汇编语言汇编语言软软件件工工程程VBSOC（SystemOnAChip）系统级芯片系统级芯片课程介绍微机 原理 及 接口 技术n典型机型：典型机型：IBM PCIBM PC系列机系列机n基本系统：基本系统：8086CPU8086CPU和半导体存储器和半导体存储器nI/OI/O接口电路及与外设的连接接口电路及与外设的连接n硬件接口电路原理硬件接口电路原理n软件接口编程方法软件接口编程方法2.2.本课程的
3、教学目的本课程的教学目的掌掌握握先先进进微微处处理理器器芯芯片片结结构构、微微型型计计算算机机实实现现技技术术、计计算算机机主主板板构构成成、各各种种接接口口技技术术原原理理及及其其应应用用编编程程方法；方法；掌掌握握汇汇编编语语言言程程序序的的编编写写方方法法，尤尤其其掌掌握握接接口口访访问问的方法。的方法。了解微机技术新的发展趋势，提高分析和设计接口了解微机技术新的发展趋势，提高分析和设计接口的能力。的能力。为微机的深入应用和嵌入式系统为微机的深入应用和嵌入式系统SOCSOC设计等的学习设计等的学习与实践打下良好基础。与实践打下良好基础。3.3.本课程的要求本课程的要求学学习习微微机机各各
4、种种接接口口电电路路的的原原理理与与作作用用，熟熟悉悉PC系系列机接口电路；列机接口电路；掌握常用接口的设计与分析方法；掌握常用接口的设计与分析方法；学会使用汇编语言和学会使用汇编语言和C语言对接口进行编程；语言对接口进行编程；具具有有一一定定的的动动手手实实验验能能力力和和接接口口应应用用程程序序的的编编写写能力；能力；4.4.本课程的学习方法本课程的学习方法n特点：本特点：本课课程涉及的知程涉及的知识识范范围围广，内容多广，内容多1）以）以IBM PC/XT机基本结构机基本结构这条主线，分析其基本这条主线，分析其基本结构，掌握各接口电路及可编程接口芯片的应用。结构，掌握各接口电路及可编程接
5、口芯片的应用。2）进一步扩展和延伸）进一步扩展和延伸n74.4.本课程的学习方法本课程的学习方法CPU从从8086Pentium4，从实模式，从实模式系统管理模系统管理模式；式；汇编语汇编语言言CPU及接口直接控制，及接口直接控制，16位位32位汇编；位汇编；总线总线PCI，USB等；等；中断中断从实模式下的中断向量保护模式下的中断从实模式下的中断向量保护模式下的中断描述符；从传统中断描述符；从传统中断PCI中断串行中断中断串行中断 芯片芯片组组从中大规模集成电路从中大规模集成电路(8237、8254、8255、8259、8250、8251等）等）4.4.本课程的学习方法本课程的学习方法3）理
6、论与实践相结合，锻炼实验动手能力。）理论与实践相结合，锻炼实验动手能力。掌握汇编语言编程方法掌握汇编语言编程方法掌握掌握x86系列寻址方式系列寻址方式掌握掌握x86常用指令常用指令学会学会x86汇编程序编写方法汇编程序编写方法掌握掌握PC机接口程序的编写方法机接口程序的编写方法充分利用课程实验和自修实验锻炼自己的编程能力充分利用课程实验和自修实验锻炼自己的编程能力和接口设计与分析能力和接口设计与分析能力第一章第一章微型计算机概述微型计算机概述1.1 微型微型计计算机的算机的发发展展n19461946年年，世世界界上上出出现现第第一一台台数数字字式式电电子子计计算算机机ENIACENIAC（电子
7、数据和计算器）（电子数据和计算器）n发发展展到到以以大大规规模模集集成成电电路路为为主主要要部部件件的的第第四四代代，产产生了微型计算机生了微型计算机n微微型型计计算算机机自自2020世世纪纪7070年年代代问问世世以以来来伴伴随随着着微微电电子子学学的的发发展展，按按CPUCPU的的字字长长和和功功能能划划分分，她她大大致致经经历历了了5 5代演变代演变n第一代第一代(1971-1973)(1971-1973)：4 4位和位和8 8位低档微机位低档微机以以INTEL公公司司的的4004、4040、8008微微处处理理器器组组成的微机为代表。成的微机为代表。n第二代第二代(1974-1978)
8、:8(1974-1978):8位中档微机位中档微机以以INTEL公公司司的的8080、8085，Motorola公公司司的的的的MC6800,Zilog公公司司的的Z80微微处处理理器器组组成成的的微微机为代表。机为代表。如如Apple-II微机n第三代第三代(1978-1984):16(1978-1984):16位微机位微机以以8086、8088、80286、MC68000、Z800微微处处理器组成的微机为代表理器组成的微机为代表如如IBM PC系列机系列机n第四代第四代(1985-1992):32(1985-1992):32位微机。位微机。80386、8048632位位PC机机、Macin
9、tosh机、机、PS/2机机n第五代：高档第五代：高档32位机及位机及64位微机（位微机（1993后）后）以以 Pentium、Pentium II、Pentium III、Pentium 4为核心处理器的微机为核心处理器的微机其它芯片，如其它芯片，如 AMD Itanium、64位位RISC微处理器芯片微处理器芯片微机服务器、工程工作站、图形工作站微机服务器、工程工作站、图形工作站第第一一代代1971年年Intel 40044位位2300108KHz 每秒每秒6万次万次1972年年Intel 80088位位3500基本指令周期为基本指令周期为2050s第第二二代代1974年年Intel 80
10、808位位60002MHzMC68008位位68001976年年Z808位位100002.5MHz第第三三代代1978年年Intel 808616位位290005MHz基本指令周期基本指令周期0.5 s1982年年Intel 8028616位位13.4万万基本指令周期基本指令周期0.2 s第第四四代代1985年年 10月月8038632位位27.5万万 16-33MHz3-4 MIPS 1989年年4月月 8048632位位120万万33-120MHz/41-54 MIPS第第五五代代1993.3.22Pentium32位位310万万 75-133M Hz 0.6 m1995.11.8Pent
11、ium pro32位位550万万200MHz/400 MIPS 1997年年Pentium 32位位700万万 266MHz/400 MIPS 1999.2.26Pentium 32位位2800万万450MHz1999.2.24AMD-K6-32位位2130万万450MHz 0.25 m2000.11.24Pentium 432位位4200万万1.4GHz 0.18 m更新更新微机发展概况微机发展概况Pentium 4EPentium 4EPentium 4Pentium 4Pentium 4 Pentium 4 Extreme Extreme EditionEditionAthlon 64A
12、thlon 64Athlon 64 FXAthlon 64 FX核心核心核心核心PrescottPrescottNorthwoodNorthwoodGallatinGallatinClawHammerClawHammerSledgeHammerSledgeHammerSocketSocketSocket478Socket478Socket478Socket478Socket478Socket478Socket754Socket754Socket940Socket940频率频率频率频率2.8-3.4GHz2.8-3.4GHz1.6-3.4GHz1.6-3.4GHz3.2-3.4GHz3.2-3.
13、4GHz2.0-2.2GHz2.0-2.2GHz2.2GHz2.2GHz生产技术生产技术生产技术生产技术0.090.09微米，应变微米，应变微米，应变微米，应变硅晶技术硅晶技术硅晶技术硅晶技术0.130.13微米微米微米微米0.130.13微米微米微米微米0.130.13微米，微米，微米，微米，SOISOI0.130.13微米，微米，微米，微米，SOISOI晶体管数晶体管数晶体管数晶体管数125125百万百万百万百万5555百万百万百万百万178178百万百万百万百万105.9105.9百万百万百万百万105.9105.9百万百万百万百万内核尺寸内核尺寸内核尺寸内核尺寸mm2 21121121
14、31131237237193193193193L1L1数据缓存数据缓存数据缓存数据缓存16KB16KB8KB8KB8KB8KB64KB64KB64KB64KBL1L1指令缓存指令缓存指令缓存指令缓存12001200微指令微指令微指令微指令1200012000微指令微指令微指令微指令20002000微指令微指令微指令微指令64KB64KB64KB64KBL2L2缓存缓存缓存缓存1024KB1024KB512KB512KB512KB512KB1024/512KB1024/512KB1024KB1024KBL3L3缓存缓存缓存缓存2MB2MBSIMDSIMD指令指令指令指令SSE3/SSE2/SSE
15、SSE3/SSE2/SSESSE2/SSESSE2/SSESSE2/SSESSE2/SSESSE2/SSE/SSE2/SSE/3DNow3DNow！SSE2/SSE/SSE2/SSE/3DNow3DNow！2.摩摩尔尔（Gordon Moore）定律）定律n摩摩尔尔定定律律：“晶晶体体管管的的大大小小将将以以指指数数速速率率变变小小，而而集集成成到到芯芯片片上上的的晶晶体体管管数数目目将将23年年（1824个个月）月）翻一番。翻一番。”GordonMoore，1965n*Gordon MooreInter公公司司的的创创始始人人，著著名名半半导导体科学家。体科学家。Gordon Moore 1
16、965Gordon Moore 1965的预言已经的预言已经4040年了，这条年了，这条ITIT第一定律还能走多远？第一定律还能走多远？1971/11 Intel 4004 2300 Transistors1978/6 Intel 8086 29000 Transistors 3m2002/4 Pentium 4-2.2G 55Million Transistors 0.13m2004/2 Prescott 3.4G P4125Million Transistors 90nmGordon Moore made his famous 摩尔定律摩尔定律 CPUCPU性能每性能每1818个月增加一倍
17、个月增加一倍 420042002800280070070055055031031012012027.527.513.413.42.92.90.490.490 0500500100010001500150020002000250025003000300035003500400040004500450019731973197819781982198219851985198919891993199319951995199719971999199920002000年年万晶体管万晶体管摩尔定律摩尔定律 晶体管数目每两年增加一倍晶体管数目每两年增加一倍1.2 微型微型计计算机的算机的应应用用n计算机应用通
18、常分成如下各个领域计算机应用通常分成如下各个领域科学计算，数据处理，实时控制科学计算，数据处理，实时控制计算机辅助设计，人工智能，计算机辅助设计，人工智能，n微型计算机具有如下特点微型计算机具有如下特点体体积积小小、价价格格低低、工工作作可可靠靠、使使用用方方便便、通通用用性强性强1.1.2 微型微型计计算机的算机的应应用用n用于数值计算、数据处理及信息管理方向用于数值计算、数据处理及信息管理方向通用微机，例如：通用微机，例如：PCPC微机微机功能越强越好、使用越方便越好功能越强越好、使用越方便越好n用于过程控制及智能化仪器仪表方向用于过程控制及智能化仪器仪表方向专用微机，例如：单片机、工控机
19、专用微机，例如：单片机、工控机可靠性高、实时性强可靠性高、实时性强程序相对简单、处理数据量小程序相对简单、处理数据量小 将将CPU以以及及其其他他主主要要部部件件（如如ROM、RAM、I/O接接口口）都都集集成成在在一一个个微微处处理理器器芯片中芯片中例如：常用的例如：常用的MCS-51、MCS-961.3 微型微型计计算系算系统统的的组组成成1.3.1 冯冯.诺诺伊曼伊曼(John von Neumann)计计算机的算机的结结构构1.1.“存存储储程序程序”概念概念ENIAC（Electronic Numerrical Integrator And Computer）不具备不具备“存储程序存
20、储程序”的功能的功能EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer）采用采用“存存储储程序程序”的概念，并付的概念，并付诸实现诸实现，“开创开创了整个程序设计时代的到来了整个程序设计时代的到来”2.2.冯冯氏氏计计算机算机结结构：构：n冯冯.诺诺伊伊曼曼提提出出的的“存存储储程程序序”、“程程序序控控制制”的的概概念念奠定了奠定了现现代代计计算机算机结结构的基构的基础础 n“存存储储程程序序”指指将将指指令令、数数据据以以二二进进制制形形式式存存入入计计算机的存算机的存储储器中。器中。n“程程序序控控制制”指指计计算算机机自自动动取取
21、出出并并执执行行存存储储器器中中的的指令、完成指令、完成预预定的操作。定的操作。n计计算算机机的的硬硬件件系系统统基基本本上上由由运运算算器器、存存储储器器、输输入入/输输出出(I/O)接接口口、和和输输入入/输输出出设设备备、电电源源系系统统等等组组成成,如如图图1.1所示。所示。由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成；由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成；数据和程序以二进制代码形式存放；数据和程序以二进制代码形式存放；控制器根据存放在存储器中的程序来工作。控制器根据存放在存储器中的程序来工作。n一台计算机是以运算器为中心，由运算器、存储器、控制器、一台
22、计算机是以运算器为中心，由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备组成。输入设备和输出设备组成。2.2.冯氏计算机的基本结构冯氏计算机的基本结构原原始始数数据据和指令和指令计算结果计算结果运算器运算器进进行行算算术术和和逻逻辑辑运运算算的的部部件件（arithmetic arithmetic logic logic unitunit，简称，简称ALUALU）控制器控制器产生整个指令系统所需的全部操作的控制信号。产生整个指令系统所需的全部操作的控制信号。存储器存储器用用于于存存放放指指令令（代代码码）和和数数据据，也也称称为为主主存存储储器或内存。器或内存。CPU(central proces
23、sing unit)中央处理部件，由运算器与控制器共同构成。中央处理部件，由运算器与控制器共同构成。“主机主机”CPU与与存存储储系系统统I/O接接口口电电源源系系统统等等组组成成了了计算机系统的计算机系统的“主机主机”。输入输入/输出设备被称为外部设备。输出设备被称为外部设备。n微型机的硬件结构微型机的硬件结构以以CPU为为中中心心，加加上上只只读读存存储储器器（ROM）读读写写存存储储器器（RAM）I/O接接口口电电路路和和系系统统总总线线缓缓冲冲器器组成。如组成。如图图1.2所示。所示。n微型计算机的几个重要部件：微型计算机的几个重要部件：微微处处理器（理器（microprocessor
24、 unit microprocessor unit；M MPUPU）计计算算机机的的核核心心部部件件。它它包包括括：算算术术逻逻辑辑部部件件（ALU）；累累加加器器及及通通用用寄寄存存器器组组；程程序序计计数数器器指指令寄存器和指令译码器；时序和控制部件令寄存器和指令译码器；时序和控制部件主存主存储储器器 可可分分为为只只读读存存储储器器（Read Only Memory ROM）和和随随机机存存储储器器（Random Access Memory RAM）总线总线（BUS）是是连连接接CPU与与存存储储器器I/O接接口口的的公公共共导导线线，采采用用总线结构是微型计算机的结构特点之一总线结构是
25、微型计算机的结构特点之一总线可分为三类：总线可分为三类：地址地址总线总线（address bus）它它传传输输地地址址信信息息，用用于于寻寻址址存存储储单单元元和和I/O端端口口。用用“AB”表示；表示；数据数据总线总线（data bus）用于传输数据。用用于传输数据。用“DB”表示；表示；控制控制总线总线（control bus)它它向向系系统统各各部部件件发发出出（或或接接收收）控控制制信信号号。用用“CB”表示。表示。I/O接口与接口与I/O设备设备I/O接接口口是是CPUCPU与与输输入入 输输出出设设备备进进行行数数据据交交流流的的中介电路。中介电路。I/O设设备备（输输入入/输输出
26、出设设备备）通通过过I/OI/O接接口口将将程程序序和数据输入内存。和数据输入内存。CPUCPU通通过过I/OI/O接接口口将将运运行行结结果果及及程程序序、数数据据送送到到输出输出 设备上。设备上。8088微微处处理理器器8087协协处处理理器器8288总线控制器总线控制器I/O通通道道8259中断控制器中断控制器随机存储器随机存储器RAM只读存储器只读存储器ROM8253定时控制器定时控制器8237DMA控制器控制器8255并行接口并行接口控制总线控制总线数据总线数据总线地址总线地址总线地址锁存器地址锁存器数据收发器数据收发器扬声器扬声器接口接口8284时钟发生器时钟发生器键盘键盘接口接口
27、系统系统配置配置开关开关主机板组成主机板组成1.微微处处理器子系理器子系统统8088：16位内部结构、位内部结构、8位数据总线、位数据总线、20位地址总线、位地址总线、4.77MHz主频主频2.存存储储器器ROM-BIOS、主体为、主体为RAM3.I/O接口控制接口控制电电路路8259A、8253、8237A、8255等等4.I/O通道通道62线的线的IBM PC总线总线总线结构总线结构MPUMI/O总线总线MPUM存储器总线存储器总线I/OI/OI/O总线总线单总线单总线双总线双总线全全局局M全全局局I/ODMA控制器控制器双重总线双重总线MPU局部局部I/O局部局部M缓冲器缓冲器总线控总线
28、控制逻辑制逻辑局局部部总总线线全局总线全局总线 1.3.3 计计算机系算机系统统的的软软件件组组成成n计算机的软件可分为系统软件和应用软件计算机的软件可分为系统软件和应用软件系统软件系统软件包括使用和管理计算机本身的软件。如：包括使用和管理计算机本身的软件。如：操作系统：操作系统：DOS，Windows 等；等；数据库管理系统：数据库管理系统：FOXPRO，；计算机网络管理软件；计算机网络管理软件；语言处理、服务性软件语言处理、服务性软件它它是是计计算算机机用用户户在在各各自自的的业业务务领领域域中中开开发发和和使使用用的的各各种种软软件件，是是为为解解决决某某一一个个实实际际问问题题而而编编
29、制制的的程程序序。例例如如：Photoshop，Word，WPS，金山词霸等。金山词霸等。应用软件应用软件n微型计算机的系统组成微型计算机的系统组成运算器运算器 控制器控制器 寄存器组寄存器组 内存储器内存储器 总线总线输入输出输入输出接口电路接口电路外部设备外部设备 软件软件微处理器微处理器微型计算机微型计算机微型计算机系统微型计算机系统n微型微型计计算机（算机（Microcomputer）通常指微型计算机的硬件系统通常指微型计算机的硬件系统一般的说法：微机、微型机一般的说法：微机、微型机n微型微型计计算机系算机系统统（Microcomputer system）指指由由硬硬件件和和软软件件共
30、共同同组组成成的的完完整整的的计计算算机系统机系统1.4 微型微型计计算机的主要技算机的主要技术术指指标标1.字字长长指指参参与与运运算算的的数数的的基基本本位位数数，它它影影响响着着计计算机的计算精度和运算速度算机的计算精度和运算速度计算机的字长取决于计算机的字长取决于CPU的字长的字长微机的字长通常为微机的字长通常为4、8、16、32、64位。位。2.主存（内存）容量主存（内存）容量 内存容量通常以字节内存容量通常以字节(byte)作为基本单位作为基本单位1 byte=8 bit（位）（位）1KB=210byte1MB=220 byte（字节）（字节）1GB=230byte以每秒执行的机器
31、指令数作为运算速度指标以每秒执行的机器指令数作为运算速度指标计量单位为计量单位为 MIPS（Million Instruction per second 每秒百万条指令）每秒百万条指令）3.运算速度运算速度4.主主频频率率即机器的主时钟频率，取决与微处理器的频率。目即机器的主时钟频率，取决与微处理器的频率。目前前pentium 4芯片的频率已达几个芯片的频率已达几个G。5.性能价格比性能价格比6.平均无故障平均无故障时间时间1971年，当年，当时还处时还处在起步在起步阶阶段的段的Intel公司推出了世界上第一公司推出了世界上第一颗颗微微处处理器理器4004，这这是第一个用于是第一个用于计计算器
32、的算器的4位微位微处处理器。理器。返回返回1978年，年，Intel公司再次公司再次领导领导潮流，首次生潮流，首次生产产出出16位的微位的微处处理理器，并命名器，并命名为为i8086。返回返回1982年年Intel推出了划推出了划时时代的最新代的最新产产品品80286芯片，它仍旧是芯片，它仍旧是16位位结结构，但是在构，但是在CPU的内部含有的内部含有13.4万个晶体管，万个晶体管，时钟频时钟频率由最率由最初的初的6MHz逐步提高到逐步提高到20MHz。返回返回1985年年Intel推出了推出了80386芯片，它是芯片，它是80 x86系列中的第一种系列中的第一种32位位微微处处理器。理器。8
33、0386内部内含内部内含27.5万个晶体管，万个晶体管，时钟频时钟频率率为为12.5MHz，后逐步，后逐步提高到提高到20MHz、25MHz、33MHz。80386的内部和外部数据的内部和外部数据总总线线都是都是32位，地址位，地址总线总线也是也是32位，可位，可寻寻址高达址高达4GB内存。内存。返回返回1989年，年，Intel推出推出80486芯片，它芯片，它实实破了破了100万个晶体管的界万个晶体管的界限，集成了限，集成了120万个晶体管。万个晶体管。80486的的时钟频时钟频率从率从25MHz逐步提高到逐步提高到33MHz、50MHz。返回返回Intel的第一代品牌的第一代品牌CPU，
34、Pentium，中文名称，中文名称“奔奔腾腾”，采用，采用PGA（Pin Grid Array Package，格，格栅阵栅阵列封装）封装方式列封装）封装方式 返回返回2000年年11月，月，INTEL发发布了旗下第四代的布了旗下第四代的Pentium处处理器，也理器，也就是就是Pentium 4。它采用了全新的。它采用了全新的设计设计，包括等效的，包括等效的400MHz前前端端总线总线(100MHz4)、SSE2指令集、指令集、256512KB的二的二级缓级缓存，存，全新的超管全新的超管线线技技术术及及NetBurst架构，起步架构，起步频频率率为为1.3GHz 返回返回2001年英特年英特
35、尔尔发发布了布了Itanium(安安腾腾)处处理器。理器。Itanium处处理器是理器是英特英特尔尔第一款第一款64位元的位元的产产品，品，Itanium 2具有具有6.4GB/sec的系的系统统总线带宽总线带宽、高达、高达3MB的的L3缓缓存。存。返回返回返回返回返回返回16位和位和32位位PC机的基本部件相同机的基本部件相同返回返回图图1.1 1.1 计算机系统的硬件组成计算机系统的硬件组成返回返回输输 入入 设设 备备运算器运算器存储器存储器控制器控制器输输 出出 设设 备备程序程序数据数据CPU存储器存储器ROM存储器存储器RAMI/O接口接口I/O设备设备地址总线地址总线(AB)(AB)数据总线数据总线(DB)(DB)控制总线控制总线(CB)(CB)返回返回图图1.2 1.2 微型机的硬件结构微型机的硬件结构