《微型计算机技术》学习辅导.ppt

《微型计算机技术》学习辅导.ppt

《《微型计算机技术》学习辅导.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《微型计算机技术》学习辅导.ppt（289页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

微型计算机技术,学习辅导,刘明华中师范大学计算机科学系,2,1教学目的,随着微型计算机在各行各业中应用的不断扩大，包括单片机在内的微型计算机的应用已随处可见，理工科学生有必要了解掌握该领域的理论知识及专业技术,微型计算机技术是计算机科学与技术专业重要的专业课程。

本课程系统地介绍微型计算机系统的基本组织结构及基本工作原理，微型计算机接口原理及应用技术。

重点阐述微处理器与外界连接技术，包括硬件接口电路的设计和相关应用软件的设计。

3,2教学要求,本课程要求学生理解和掌握微型计算机的基本概念、基本理论和基本方法，通过本课程的学习，使学生了解微型计算机系统的特点、工作原理和组织结构，掌握微型计算机接口技术的基本原理和方法，具有分析和设计接口的能力，为开发和应用微型计算机系统打下良好的理论和实践基础。

4,2具体要求1,微型计算机系统的组织结构及工作原理：

微处理器芯片、微型计算机、微型计算机系统的基本组织结构和基本工作原理；,5,2具体要求2,微型计算机接口原理及应用技术：

接口的基本概念；定时计数器、并行接口、串行接口、中断控制器、DMA控制器、A/D和D/A转换器接口等接口电路的工作原理、硬件设计及软件驱动程序的编程方法；I/O端口地址译码电路设计。

6,2具体要求3,微型计算机技术现状与发展趋势：

嵌入式系统、软硬件协同设计（Software/HardwareCo-Design）、系统芯片（SystemonChip，SOC）、具有知识产权的内核（IntellectualPropertyCore,IP核）等技术,7,2与其它课程的关系,计算机组成原理、计算机系统结构和微型计算机技术是计算机科学与技术专业的核心课程。

但三门课程内容陈旧且彼此交叉重复，为此1997年教育部邀请国内资深教授、参照国外同类权威教材，组织确定该系列教材的内容划分和所属重点。

8,2各课程的重点,计算机系统结构：

重点论述计算机系统的各种基本结构、设计技术和性能定量分析方法；计算机组成原理：

侧重讨论计算机基本部件的构成和组成方式，基本运算的操作原理和单元的设计思想、操作方式及其实现；微型计算机技术：

突出应用，详细讲述微处理器芯片、计算机主板、接口技术和应用编程方法。

9,2教材与教学参考书,教材：

微型计算机技术，孙德文，高等教育出版社，2001.1。

参考书：

1微型计算机接口技术及其应用，刘乐善等，华中科技大学出版社，2000.1。

2微型计算机原理及应用，周明德，清华大学出版社。

2000.2。

第一章微型计算机概论,11,本章重点与难点内容,本章主要介绍有关微型计算机系统的基本概念，包括微处理器、微型计算机和微型计算机系统的定义，微型计算机的发展概况，微型计算机的特点和应用，以及微型计算机的分类，并在此基础上从三个层面上引出微机系统总线结构的概念。

重点了解微型计算机系统各组成部件的功能和相互关系，理解微型计算机系统的总线结构的特点，以及对于微处理器、微型计算机和微型计算机系统，如何采用总线结构框架连接各部分组件而构成一个整体。

12,1关于微型计算机的简单介绍,首先介绍微处理器、微型计算机和微型计算机系统的定义以及三者之间的关系。

对于微处理器的发展概况，应结合微电子学的发展来了解微处理器芯片技术，以及所遵循的摩尔定律，即芯片的容量每18-24个月增加一倍。

13,术语,运算器微处理器控制器寄存器微型计算机内存储器硬件输入/输出接口输入/输出设备及外存储器微型计算机系统电源、面板、机架等软件系统软件应用软件,14,微型计算机系统基本构成,15,微处理器,中央处理器（CPU）运算器完成算术/逻辑运算控制器操作控制寄存器组存放参加运算的数据、中间结果、地址等,16,微型计算机的发展,摩尔定律第N代微处理器,17,摩尔定律,芯片的容量每18-24个月增加一倍,18,微处理器的发展,4004（2300/50m）/80088080/8085、8086/808880286/80386/80486Pentium/PentiumPro/PentiumPentium/Pentium（4200万/0.13m）集成电路技术的发展是基础高性能、低能耗、高速度、低成本,19,Intel4004,20,Intel8088,21,IntelPentium,22,IntelPentium,23,主频为3.2G的Intel处理器,处理器核心：

Prescott和Northwood,24,1关于微型计算机的简单介绍,微型计算机系统的发展经历了四个阶段：

电子管计算机（1946）、晶体管计算机（1958）、集成电路计算机（1965）、大规模集成电路计算机（1970）。

微型计算机系统往两个方向发展，一是越来越大：

小中大巨，二是越来越小：

微型计算机。

25,电子计算机的发展,电子管计算机（1946）晶体管计算机（1958）集成电路计算机（1965）大规模集成电路计算机（1970）越来越大:

小中大巨型机越来越小:

微型计算机（PC、单片机、单板机）.,26,电子计算机的发展ENIAC,第一台电子计算机（通用可编程序）18800电子管30吨150平方米150kw5000次/秒,27,电子计算机的发展ENIAC,28,电子计算机的发展ENIAC,29,电子计算机的发展ENIAC,30,1关于微型计算机的简单介绍,在学习微型计算机系统基本构成之后，按照组装形式和系统规模，可以把微型计算机划分为单片机、单板机和个人计算机。

其中单片机是将CPU、部分存储器、部分I/O接口集成在一个芯片上，单板机是将CPU、存储器、I/O接口及部分I/O设备安装在一个印刷线路板上。

31,单片机,将CPU、部分存储器、部分I/O接口集成在一个芯片上,32,单板机,将CPU、存储器、I/O接口及部分I/O设备安装在一个印刷线路板上,33,研华工控主板：

SOM-2353,CPU:

NSGeodeGX1-300芯片组:

NSCS5530A内存:

在板64MBSDRAMVGA:

支持VGA和VESA,最大可达1280x1024和1024x768LCD接口:

18位LCD信号输出网口:

10/100MbpsAudio:

AC97尺寸:

68mmx100mm功耗5V1.6A,34,EmbeddedSolution,OS为WinCE，并可支持ROM、LCD、触摸屏、COM等所有硬件的功能,1个COM，1个CFC（64M/128M）、1个USB、1个键盘、1个鼠标接口、1个PCMCIA接口、一个Audio、一个LCD,在SOM-2353的基础上，开发一底板:

35,2微型计算机系统的总线结构,分别在微处理器、微型计算机和微型计算机系统三个层面上介绍微处理器的典型结构、微型计算机的基本结构，以及用元件级总线、板卡总线和通信总线构成微机系统。

36,三个层面上的典型结构,37,总线,在计算机中，各个部件之间传送信息的公共连线称为总线。

内部总线元件级总线板卡总线/局部总线,38,地址总线（AddressBus）,CPU用来向存储器或I/O端口传送地址单向（CPU发出）位数（n）决定了CPU可直接寻址的内存容量（2n）,39,数据总线（DataBus）,CPU与存储器及外设交换数据的通路双向、三态位数与微处理器的位数相同,40,控制总线（ControlBus）,用来传输控制信号由两种方向的单向控制信号组成,第二章80X86微处理器的结构,42,本章重点与难点内容,微处理器是微型计算机系统的控制核心。

本章主要内容是介绍80X86系列微处理器（从8086到Pentium）的结构特点，详细讨论80X86微处理器的编程结构、引脚信号功能及总线时序。

重点学习8086CPU的内部结构、8086CPU的引脚信号及其功能、8086的存储器组织、8086的系统配置以及8086CPU的时序，特别是8086CPU的一些控制信号的功能应深刻理解和熟练掌握。

43,本章重点与难点内容,本章难点是8086系统工作在最小方式下的配置以及总线时序，要求能够画出8086系统最小方式的配置框图，分析各部件功能以及8086系统工作总线时序。

44,1从8086到Pentium,8086微处理器内部结构包括BIU（总线接口单元）和EU（执行单元）部件。

总线接口单元由段寄存器（CS、DS、SS、ES）、指令指针寄存器（IP）、地址加法器、内部寄存器、指令队列缓冲器及I/O控制逻辑等部分组成。

它是CPU与外部（存储器、I/O）的接口，提供总线信号并完成所有总线操作，例如地址形成（逻辑地址物理地址）、取指令（CS：

IP）、指令排队以及读/写操作数等功能。

45,1从8086到Pentium,执行单元部件由通用寄存器组、专用寄存器组、算术逻辑运算单元（ALU）、标志寄存器（FR）和内部控制逻辑组成，负责全部指令的译码和执行、向BIU提供数据和地址、管理内部寄存器及标志寄存器（PSW）等。

应理解EU和BIU的操作关系和指令流水。

简单了解80286、80386、80486、Pentium系列各类微处理器的结构特点以及相互之间的关系。

46,8086CPU,Intel，1978年，16位29000个晶体管，3m40pin，双直列封装5MHz/8MHz/10MHz,47,8086CPU结构图,48,8086CPU内部结构,总线接口单元BIU由段寄存器（CS、DS、SS、ES）、指令指针寄存器（IP）、地址加法器、内部寄存器、指令队列缓冲器及I/O控制逻辑等部分组成。

执行单元部件EU由通用寄存器组、专用寄存器组、算术逻辑运算单元（ALU）、标志寄存器（FR）和内部控制逻辑组成。

49,总线接口部件BIU,CPU与外部（存储器、I/O）的接口提供总线信号完成所有总线操作功能地址形成（逻辑地址物理地址）取指令（CS:

IP）、指令排队读/写操作数总线控制,50,指令执行部件EU,负责全部指令的译码和执行向BIU提供数据和地址管理寄存器及标志,51,280X86微处理器的编程结构,80X86微处理器的寄存器组主要包括基本结构寄存器、系统级寄存器、调试和测试寄存器以及浮点寄存器。

8086微处理器有14个基本结构寄存器，按其用途可分为8个通用寄存器（AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI、DI）、2个专用寄存器（IP、Flags）和4个段寄存器（CS、DS、SS、ES）3类。

对于80286、80386、80486、Pentium系列各类微处理器的系统级寄存器、调试和测试寄存器以及浮点寄存器可作一般性了解。

52,内部寄存器结构,53,标志寄存器（PSW）,54,380X86微处理器的引脚功能,对于80X86微处理器的引脚功能，本节详细描述8086/8088引脚功能，介绍时钟发生、总线锁存、总线缓冲和总线收发等概念。

通过对8086/8088的引脚按功能划分（地址总线、数据总线、控制总线及时钟与电源等其它）来学习，重点掌握时分复用技术在8086/8088引脚中的应用、8088与8086的差异、8086CPU常用控制信号的引脚功能以及8086系统配置工作方式（最小方式与最大方式）的区别。

在此基础上也简要描述32位微处理器（80386、80486、Pentium）的引脚功能。

55,8086CPU的引脚,两种模式（MN/MX）最小模式单CPU系统最大模式多CPU系统协处理器系统,56,8086CPU的引脚,四类引脚地址总线:

20位地址线数据总线:

16位数据线控制总线:

读/写/.其他:

电源/时钟/.,57,8086CPU的引脚数据/地址,数据/地址引脚AD15AD0数据/地址复用,地址需锁存（T1,ALE）20位内存地址的低16位16位I/O地址A19A16/S6S3地址/状态20位内存地址的高4位/运行状态,58,8086CPU的引脚控制总线,BHE/S7高8位数据允许/状态MN/MX最小/最大模式RD读选通WR写选通,ALE地址锁存允许DEN数据允许DT/R数据发送/接收READY准备就绪,59,8086CPU的引脚控制总线,INTR可屏蔽中断请求INTA中断响应NMI不可屏蔽中断请求RESET复位,FFFF0H开始,HOLD总线保持请求HLDA总线保持响应CLK时钟VCC,GND+5V,信号地,60,8088与8086的差异,8088外部8位数据总线4字节指令队列IO/M准十六位CPU,8086外部16位数据总线6字节指令队列M/IO十六位CPU,61,8086系统配置,8086最小模式系统8088最小模式系统,62,8086最小模式系统,63,地址锁存8282,64,双向数据总线收发器8286,1:

0:

65,8088最小模式系统,66,480X86微处理器的基本时序,理解8086微处理器的总线时序，8086执行指令涉及三种周期，即时钟周期、总线周期和指令周期。

首先要掌握这三种周期的区别与相互之间的联系。

时钟周期T是CPU的时钟频率的倒数，总线周期是完成一次总线操作所需的时间，一般包含多个T（典型4个），指令周期是执行一条指令所需的时间包含多个总线周期。

67,480X86微处理器的基本时序,其次要掌握几种基本总线周期（例如读操作、写操作、中断响应周期和系统复位等）的时序关系。

要求结合8086微处理器的引脚信号的功能理解三总线信号在这些典型的总线周期中出现的时间关系，从而为学习8086微处理器同内存储器及I/O设备的接口作准备。

68,8086CPU时序概念,指挥:

CLK时钟周期CPU的时钟频率的倒数,T总线周期完成一次总线操作所需的时间,多个T（典型4个）指令周期执行一条指令所需的时间,多个总线周期,69,时钟周期或状态周期,8086CPU内部的逻辑操作以及与外部存储器和I/O交换数据进行的总线操作全部由CPU的时钟来定时的。

CPU的基本定时单位称为时钟周期或者状态周期。

假设8086的主频为10MHz，一个时钟周期为100ns。

70,总线周期及其典型示意图,CPU为了读取指令或传送数据，需要通过总线接口部件BIU与存储器或I/O接口进行信息交互，执行对总线的操作。

进行一次数据传送的总线操作定义为一个总线周期。

71,总线周期（读操作）,72,总线周期（写操作）,73,中断响应周期（INTA）,74,中断响应周期（INTA）,第一个INTA周期通知外设接口（或中断控制器），准备好中断类型信息第二个INTA周期放出中断类型号数据CPU从DB获取中断类型号,第三章内存储器及其接口,76,本章重点与难点内容,本章主要讨论内存储器及其接口，主要内容包括三部分。

第一部分介绍三类典型的半导体存储器芯片（SRAM芯片HM6116、DRAM芯片Intel2164和EPROM芯片Intel2732）的结构、工作原理和外特性。

在此基础上，第二部分重点讲述半导体存储器芯片同微处理器接口的基本技术。

77,本章重点与难点内容,特别是在第三部分介绍16位和32位微机系统中存储器接口技术。

要求深刻理解三类典型半导体存储器芯片的外特性和读写过程，以及常用译码器（如74LS138）的特性和应用，重点掌握存储器接口的基本技术，难点是16位和32位微机系统中存储器接口的技术特点。

78,1半导体存储器,存储器是计算机系统中重要的组成部分，用于存放计算机系统工作时所用的信息。

首先要求掌握存储系统概念、存储器系统的体系结构、内存储器中的数据组织、存储器的分类及半导体存储器芯片的主要性能指标。

对于三类典型半导体存储器芯片（SRAM芯片HM6116、DRAM芯片Intel2164和EPROM芯片Intel2732）的结构、工作原理和外特性，要求了解各引脚的功能。

79,存储器概述,计算机中用来存储程序和数据的部件表征计算机的记忆能力存储器多种分类,80,存储器分类,存储器按用途可分为：

内存储器（主存）与外存储器（辅存）存储器按用途可分为：

TTL型（双极型）与MOS型（单极型）存储器按存取方式可分为：

RAM与ROM,81,存储器概述,存储器的引脚特征地址线数据线片选输出允许读/写控制,82,半导体存储器,半导体存储器的主要性能指标存储容量：

存取速度：

存取时间、存储周期可靠性：

MTBF功耗性能/价格比,83,半导体存储器,RAMSRAM:

速度快、集成度低DRAM：

速度慢、集成度高ROMMROMPROMEPROMEEPROM,84,RAM结构、工作原理、典型器件,随机存取存储器RAM在正常环境下可根据需要进行数据的读出和写入易失性存储器，需要DC的支持SRAM/DRAM,85,SRAM,内部结构,86,SRAM,例：

SRAM2114（1K4位）1K个存储单元，每单元4位需要10条地址线，4条数据线直接与地址、数据线相连,87,DRAM,内部结构Intel2164（64K1）,88,DRAM,Intel2164（64K1位）行、列地址复用，只有一半的地址引脚利用RAS、CAS进行控制需要刷新（典型为2ms4ms）可通过双路复用器电路（74LS157）与地址线相连,89,DRAM,S=0：

A路S=1：

B路,90,ROM结构、工作原理、典型器件,只读存储器非易失性存储器，主要存放不经常修改的数据、程序等往往以字节为基本单元,91,EPROM2716（2K8）,92,2半导体存储器接口的基本技术,首先熟悉典型的3-8译码器74LS138，能综合应用各种典型芯片进行存储器系统的设计与分析，掌握存储空间的地址分配和片选技术，特别注意半导体存储器芯片同微处理器连接口时应注意的问题。

93,存储器接口技术,存储器与CPU的连接数据线根据单元宽度连接地址线片内地址选择片内的单元片外地址参与地址译码，确定被选中的存储芯片地址选择全译码、部分译码、线选、混合译码,94,存储器接口技术,全译码所有的片外地址均参与译码，地址空间无浪费74LS138,95,存储器接口技术,部分译码部分片外地址参与译码线路较简单地址有重叠,96,存储器接口技术,线选个别片外地址线直接连至存储芯片的片选输入端有大量的地址重叠只适用于小存储容量需求的场合,97,存储器接口技术,存储器接口中考虑的问题时序配合负载能力选择存储芯片,98,存储器与8位系统的连接,99,316位和32位系统中内存储器接口,在掌握存储器扩展技术之后，应能理解PC机中的存储器组织，特别是16位微机系统中存储器接口的技术特点，包含奇偶分体、8088/8086的存储器访问操作等。

100,存储器与16位CPU的连接,101,存储器与16CPU的连接,102,存储器与CPU的连接,103,存储器与16位CPU的连接,#1#8，SRAM6116（2K8）#9#16,EPROM2732（4K8）,第四章输入/输出,105,本章重点与难点内容,微处理器同外设的连接和信息传递是微机系统要解决的最主要的问题，本章在介绍输入输出的一般问题的基础上，要求着重掌握微机系统中数据传送的几种控制方式（程序控制方式、直接存储器存取方式、I/O通道控制方式），比较各自的优点，重点是程序控制的三种方式（无条件传送、查询传送和中断传送）的工作原理、硬件设置和软件编制。

106,本章重点与难点内容,本章主要内容还有三种最常用的简单输入/输出接口电路（锁存器74LS373、缓冲器74LS244和数据收发器74LS245）的工作特性和应用。

理解DMA控制方式的基本概念及其特点、DMA传送过程，简要认识可编程DMA控制器8237A。

107,1概述,输入输出接口的基本功能、输入输出系统的特点、接口与端口的区别与相互关系以及I/O的编址方式。

CPU对外设的访问实质上是对外设接口电路中相应的端口进行访问，特别要求理解I/O端口的两种编址方式，即独立编址和统一编址的特点、区别与相互关系。

108,I/O接口定义,CPU与外设之间传送信息的一个界面CPU与“外部世界”的连接电路，是CPU与外界进行信息交换的中转站,109,I/O接口与CPU相连,与存储器连接一样，I/O接口通过三总线与CPU相连,110,为什么设置I/O接口,CPU与外界的联络CPU与外界信号线不兼容，在功能、逻辑定义和时序关系上不一致（不匹配、不协调）工作速度不兼容数据缓冲提高CPU效率，避免CPU穷于应付与外设打交道外设发展不依赖于CPU，而由接口完成两者之间的匹配,111,I/O接口功能,执行CPU命令：

命令口返回外设状态：

状态口数据缓冲：

数据口解决连接的不匹配、不协调速度数据缓冲信号电平信号电平转换电路信号格式信息转换逻辑（数据宽度与格式）时序时序控制电路多端口、多连接地址译码（设备选择）,112,I/O接口组成,硬件电路基本逻辑电路核心电路命令、状态、数据缓冲寄存器端口地址译码不可缺少其它供选电路中断、DMA、定时/计数、串行、D/A或A/D等,113,I/O接口组成,软件编程初始化程序段基本部分芯片的工作方式、初始条件等传送方式程序段与数据传送有关主控程序段接口的主要任务例如数据采集程序段，包括发启动转换信号、查转换结束信号、读数据以及存数据内容程序终止与退出程序段保护硬件其它程序段辅助人机对话、菜单设计等,114,I/O接口通过的信息,I/O接口与外设交互三种信息数据信息控制信息状态信息均通过DBCPU同外设之间的信息传递，实质上是对端口进行读/写操作,115,I/O接口形式,固定式结构简单I/O接口电路由简单组合电路构成的I/O接口电路按需求构成,不可改变半固定式结构使用GAL或PAL器件逻辑表达式的功能和工作方式根据需要可以改变一旦烧入，逻辑表达式即固定,116,I/O接口形式,可编程结构使用专用可编程I/O接口芯片具有内部寄存器（方式、状态、数据）由程序设置（改变）其工作方式智能型结构使用专用I/O处理器或通用单片机完成外设的全部管理功能,117,2简单接口电路,本节扼要地介绍了三种常用的简单输入/输出接口电路，即锁存器74LS373、缓冲器74LS244和数据收发器74LS245的工作特性和应用。

通过学习这三种最常用的简单输入/输出接口电路，理解CPU与外设传送信息的工作原理、硬件设置和软件编制。

118,简单的I/O接口74LS244,119,连接8个开关的基本输入接口,120,简单的I/O接口74LS374,121,连接8个LED的基本输出接口,122,可编程I/O接口8255A,123,3常用输入输出方法,主要介绍微机系统中数据传送的几种控制方式（程序控制方式、直接存储器存取方式、I/O通道控制方式），对于程序控制的三种方式（无条件传送、查询传送和中断传送），本章主要学习无条件传送和查询传送工作原理、硬件设置和软件编制。

中断传送方式将在第五章重点讲述。

数据传送还有I/O处理机方式。

124,CPU与外设的信息传递方式,程序控制方式无条件传送方式条件传送方式（查询方式）中断方式中断申请、响应、服务、返回DMA方式直接存储器存取需DMA控制器的介入数据的传送不经过CPUI/O处理机方式,125,程序控制方式无条件传送,外设总是准备好输入数据已经准备好输出已准备好接收只有数据，没有状态同步方式不需要过多的程序处理，在需要与外设交换信息时，随时访问I/O端口,126,程序控制方式无条件传送,127,程序控制方式无条件传送,128,程序控制方式条件传送,查询传送方式查询外设的状态信息输入数据已准备好输出接收装置已准备好状态端口、数据端口,129,程序控制方式条件传送,输入,130,程序控制方式条件传送,131,程序控制方式条件传送,输出,132,程序控制方式条件传送,133,中断方式,需要访问外设时，允许相应的中断，当期望的状态到达时，产生中断请求充分利用CPU的资源，提高效率常用于高速CPU与低速外设之间的数据交换,134,I/O处理机方式,DMA可以撇开CPU实现直接的数据传送，但无法单独实现数据的处理建立独立的处理机制，单独处理I/O数据例：

智能串行接口卡,135,4可编程DMA控制器8237A,理解DMA控制方式的基本概念及其特点、DMA传送过程。

针对具体的高性能可编程DMA控制器8237A，主要了解其性能以及DMA操作和传送类型。

136,DMA