现代计算机接口技术医学课件

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1、现代计算机接口技术 第1章 微型计算机概述第2章 80 x86微处理器结构第3章 输入输出系统第4章 微型计算机中断系统芯片8259第5章 定时 计数器芯片8253第6章 并行接口芯片8255第7章 D A转换芯片0832 A D转换芯片0809 第1章 微型计算机概述 1 计算机发展概况2 计算机的基本结构 一 发展概况 1 计算机的发展历程第一代电子计算机称为电子管计算机 第二代计算机称为晶体管计算机 其主要逻辑元件采用的是晶体管 第三代计算机的内存储器采用了半导体存储器 可靠性和存取速度有了明显的改善 第四代计算机以采用大规模和超大规模集成电路为标志 关于第五代计算机人们正在进行着多方面

2、的探索 1942年哈佛大学和IBM公司合作 在美国首次制造出了现代计算机的雏形 马克 1944年美国物理学家毛希利 John Mauchely 提出了一个名曰 高速电子管计算装置 的现代计算机制造方案 该机于1946年正式交付使用 取名ENIAC 电子数字积分机和计算机 世界上第一台计算机ENIAC 2产生条件计算技术半导体技术电子技术 微处理器的飞速发展 80386 80486 奔腾 奔腾2代 奔腾4代 80286 奔腾3代 IA 64 安腾 4004 第一阶段 1971 1973 4位或低档微处理器时代 代表 Intel4004 Intel4040 4位数据总线 微处理器和存储器采用PMO

3、S n型衬底 p沟道 靠空穴的流动运送电流的MOS管 工艺 工作速度很慢 微处理器的指令系统不完整 存储器的容量很小 只有4K 没有操作系统 只有汇编语言 主要用于工业仪表 过程控制或计算器中 二 微处理器发展的几个时代 Intel4004和采用4004的计算器 第二阶段 1974 1978 8位中高档微处理器时代 代表 Intel8080 8085 ZilogZ80 Motorola6800 以8位微处理器为基础微处理器采用NMOS 沟道在栅电压控制下p型衬底反型变成n沟道 工艺 具有较完整的指令系统和较强的功能 存储器容量达64KB 配有荧光屏显示器 键盘 软盘驱动器等设备 构成了独立的台

4、式计算机 配有简单的操作系统 如CP M 和高级语言 第三阶段 1978 1984 16位微处理器时代 代表 Intel8086 8088 Motorola68000和ZilogZ8000 以16位和准32位微处理器为基础 微处理器采用HMOS 高性能金属氧化物半导体 工艺 在体系结构方面吸纳了传统小型机甚至大型机的设计思想 如虚拟存储和存储保护 可以使用多种高级语言 多种寻址方式 多级中断系统 具有完善的OS Microsoft公司的MSDOS操作系统并公布了IBMPC的总线设计 代表机型 IBMPC XT IBMPC AT 286 IBMPC系列机 8088CPU IBMPC机 IBMPC

5、 XT机 IBMPC AT机 第四阶段 1985 1991 32微处理器时代代表 Intel80 x86 80386 80486 586 采用CMOS ComplementaryMetalOxideSemiconductor 或HMOS工艺32位数据总线和32位地址总线可以完成多任务操作 第五阶段 1992 2000 奔腾处理器时代INTEL公司32位处理器 代表 Pentium Pentiumpro 高能 PentiumMMX 多能 Pentium Pentium Pentium4 CMOS集成芯片外部总线64位 内部32位内部集成浮点运算器FPU 高速缓存 Cache 存储管理机构 流水线

6、控制 多种高级语言 完善的OS Pentium4 Pentium 80386 英特尔微处理器芯片 第六阶段 2000年后 后奔腾时代 内部 外部均64位的处理器IA 64结构 将几条指令捆绑为128Bit长指令束可运行三种操作系统工艺 采用0 18 m晶体管工艺IA 64架构的发展代表 第一代芯片 MERCED第二代芯片 Mckinley第三代芯片 Madison第四代芯片 Itanium1 2 3 三 微型计算机的基本结构 1 两个基本概念 MPU 又称微处理器 将原来很大的中央处理器集成在一片或者几片的大规模集成电路芯片上 微型计算机 以MPU为基础 由MPU 存储器 I O口以及其它支持

7、逻辑组成的计算机 存储器 寄存器 输出接口 运算器 控制器 输入接口 输入设备 输出设备 CPU 微型计算机 2 微型计算机定义 3 微型计算机系统 微型计算机系统1 硬件系统 微型计算机 外设 电源2 软件系统 系统软件 应用软件 微型计算机系统的组成 微型计算机的硬件组成 四 微型计算机的特点 价格便宜体积小耗电低可靠性高对环境要求低适用性 灵活性好 五 微型计算机系统的主要指标 MPU的字长主频存储容量 高速缓存容量 内存容量 外存容量总线类型 总线速度外设配置软件配置 六 微型计算机的应用范围 1 科学计算2 数据处理3 办公自动化4 辅助系统5 仿真6 过程控制 七 微型计算机分类

8、1 按位数8 16 32 64数据总线2 按cpu类型intel motorola3 按结构 单片机 将CPU 中央处理单元 数据存储器 程序存储器 I O和定时器 计数器等外围模块集成在一个芯片上 单板机 由CPU RAM ROM I O通过总线连接 做在一块印刷电路板上 另加简单的显示器以及键盘等 微型计算机系统 硬件微型计算机 计算机外设软件系统软机 应用软件等 第二章 8086微处理器的结构 1 8086 8088CPU的内部结构 引脚功能和工作模式 2 时序基本概念 重点内容 一 微处理器的工作方式 实地址方式 直接寻址的实际物理地址 即只能处理1MB以下的存储空间的工作方式 特点

9、操作数默认32位存储器采用分段方式 每段最大64KB FFFF0 FFFFFH为初始化程序区 00000 003FFH为中断向量表 具有特权处理器 程序自动在最高级0级上执行 保护地址方式 指执行多任务操作时 对不同的存储空间完全隔离 保护每个任务的顺利执行 特点 存储器采用虚拟地址空间 线性地址空间 物理地址空间描述 强大的寻址空间 远超出实际的物理空间 处理器采用4级保护功能 可支持程序与程序 用户与用户 用户与操作系统之间的隔离和保护 为多任务操作系统提供优化 支持 在保护方式下 32位处理器可提供16位或32位运算 可启动分页单元 支持虚拟内存 16位的80286 32位的80386以

10、上微处理器 虚拟8086方式 在多任务环境下 处理器被模拟成多个8086同时工作 特点 适合80386以上处理器使用分页方式 将1MB分成若干个4KB的页 用来处理较小的应用程序和数据段 应用程序在最低特权级3级以上运行 系统管理SMM方式 包含电源管理以及为操作系统和正在运行的程序提供安全性保障 特点 适合Pentium以上处理器以及386DL以上的笔记本电脑 使处理器和系统外围电路处于休眠状态 降低功耗 二 8086内部结构 执行部件1通用寄存器2暂存器3ALU 算术运算逻辑单元 4标志寄存器5控制器 标志寄存器 FlagRegister 总线接口部件1段寄存器2指令指针3暂存器4地址加法

11、器5总线接口6指令队列 例 movax bx 1 取指令2 存入指令队列3 指令操作码 控制器4 取内存操作数5 保存结果 8088cpu结构 8088结构与8086区别1数据总线 808616位 80888位2指令队列 6字节 4字节3引脚上区别 8086CPU的引脚信号 8086系统的存储结构 BHE和A0的意义 M IO RD WR的关系 指令队列状态线QS1 QS0的编码和对应含义 三系统构成1辅助借口芯片 PLCK 1 6OSC CLK 8284的内部结构 AEN1 RDY1 AEN2 RDY2 READY 数据锁存器8282或74373的内部结构 双向数据收发器8286或74245

12、的内部结构 DEN DR R 8086CPU最小模式下的典型配置 8086CPU最大工作模式下的典型配置 存储器组织1存储器结构2存储器分段3存储地址表示48086存储结构 8086的时序周期1指令周期2总线周期3时钟周期 CPU的写周期的时序 CPU的读周期的时序 输入输出周期中断响应周期 CLK HOLD和HOLDA 最大模式下存储器时序 最大模式总线请求 第三章 基本I O接口 一 接口1 接口的基本概念2 接口的功能3 接口的组成4 接口处理的信息 接口的功能 数据锁存 缓冲数据类型的变换地址译码功能中断功能提供联络信号电平转换功能提供时序控制 二 接口常用芯片介绍 74LS273引脚

13、图 74273真值表 三 CPU和外设之间的数据传送方式 1 程序传送方式 在计算机的控制下进行的数据传送无条件传送方式 CPU不必对外设的状态进行查询的传送 条件传送方式 CPU必须先对外设的状态进行查询 根据查询的结果才进行的传送 2 中断方式3 DMA方式4 I O传送方式 条件传输方式 RD IO 41H 2 中断方式 四 存储器映象I O和隔离式I O 1 存储器映象式I O将存储器和I O统一看待 统一编址 又称统一编址方法 特点 指令简洁 访问I O和存储器使用相同的指令 程序设计灵活 I O口数量配置灵活读写控制逻辑简单I O口占用存储空间 使存储空间相对减少 2 隔离式I O

14、编址将存储器和I O分别进行编址 特点 I O传送使用专用指令 程序清晰 可读性强 I O口专用指令少 没有存储器映象编程指令丰富 程序设计灵活性差 只能使用累加器进行数据传送 不如映象方式灵活 I O口数量配置固定读写控制逻辑复杂 3 存储器以及I O接口译码方法 1 门电路译码方法2 138专用译码器译码方法3 比较器译码方法4 通用逻辑阵列GAL译码方法 74138功能表 74LS85引脚图 74LS85逻辑图 74LS30引脚图 GAL16V8ADDRESSDECODERJULY62002DECODE PINS12345678910NCA15A14A13A12A11A10A9 IOWG

15、ND PINS11121314151617181920NC Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7VCC Y1 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 IOR 第四章 中断 一 中断的定义以及分类1 中断的定义 CPU具有响应不可预知事件的能力 微机系统中的各种中断源 2 中断的类型 外部中断 硬中断 由外部信号引发 可屏蔽中断不可屏蔽中断 内部中断 陷阱 软中断 处理器执行中断指令时产生 INTn类型0 除法出错类型1 单步或陷阱类型3 断点类型4 溢出类型5 边界检查 异常 在执行一般指令过程中 因检测到不正常情况而产生 根据引起异常指令的报告形式 对程序连续性的影响分为三

16、类 故障 能被纠正的异常 在一条指令执行前或执行过程中报告 一旦异常处理结束 被中断的指令从新启动 陷阱 在指令执行后产生 异常处理后 继续执行下一条指令 中止 用于报告严重错误 不允许从新启动执行失败的程序 异常一览表 二 中断矢量表和中断类型 1 中断矢量表2 CPU中断响应时序3 中断响应的过程 中断向量指针表 8086CPU中断相应总线周期 CLK AD7 AD0 三 中断请求与排序 1 中断优先级编码排优电路2 中断优先级链式排队电路 中断优先级排序 中断优先级编码排优电路 中断请求 INTR 中断优先级排链式排优队电路 请求1 高 请求3 低 请求2 中断相应 INTA 排队链优先权的控制方法 矢量中断优先权的控制系统 一个完整的向量中断过程 软件查询方法流程图 四 中断控制器8259A 1 8259A的内部结构及其功能 8259A内部结构逻辑主要由以下三部分组成 1 控制逻辑 2 中断优先权判优及其屏蔽 3 辅助电路 PR 2 8259A的外部引脚特性 3 8259A的工作方式 1 中断优先级管理方式2 屏蔽中断源的方式3 结束中断的方式4 引入中断请求的方式5 连接系统