2010微机原理及接口技术课件资料教程

《2010微机原理及接口技术课件资料教程》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2010微机原理及接口技术课件资料教程（108页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第2章 计算机系统组成与工作原理,计算机体系结构 Computer Architecture 冯诺依曼体系结构 以存储器为中心（五大部分）、二进制、存储程序原理 对冯诺依曼体系结构的改进 CPU指令集、存储器子系统、输入/输出子系统 计算机组织结构 Computer organization 总线与接口、CPU组织、存储器组织、输入/输出组织 计算机互连结构 interconnection 1. 总线：要素、组织、仲裁、带宽、时序 2. 串行总线 计算机工作原理,2.1.1 冯诺依曼体系结构,硬件组成 五大部分: 运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备核心和关键：存储器 信息表示：二进制

2、计算机内部的控制信息和数据信息均采用二进制表示，并存放在同一个存储器中。 工作原理：存储程序/指令(控制)驱动 编制好的程序(包括指令和数据)预先经由输入设备输入并保存在存储器中； 计算机开始工作后，在不需要人工干预的情况下由控制器自动、高速地依次从存储器中取出指令并加以执行。,2.1.2 对冯诺依曼体系结构的改进,改进 CPU指令集 指令功能、指令格式、寻址方式 存储器子系统 分层结构 输入/输出子系统 总线/接口+多种I/O方式 改变 改变串行执行模式，发展并行技术； 改变控制驱动方式，发展数据驱动、需求驱动、模式驱动等其它驱动方式；,重点,例： MOV R0，#2,操作码助记符： 与动作

3、一一对应,操作码：由CPU设计人员定义，具有固定的写法和意义。 操作数：可由编程人员采用不同方式给出。,;注释,指令举例,指令设计步骤,指令集结构(ISA，Instruction Set Architecture)： 是体系结构的主要内容之一，其功能设计实际上就是确定软硬件的功能分配。 考虑因素 速度、成本和灵活性 实现方式 硬件、软件 优化策略 RISC、CISC 实现内容 数据类型、指令功能、指令格式、寻址方式 实现步骤 根据应用初拟出指令的分类和具体的指令； 编写出针对该指令系统的各种高级语言编译程序； 对多种算法程序进行模拟测试，确认指令系统的操作码和寻址方式的效能是否都比较高； 用硬

4、件实现高频使用的指令，软件实现低频使用指令。,2. 存储器子系统,计算机系统中存储器采用分级体系结构的根本目的是为了协调速度、容量、成本三者之间的矛盾。,简单的二级结构： 内 存 外 存,完整的四级结构： 寄存器 Cache 主存 辅存,其中：cache-主存结构解决高速度与低成本的矛盾； 主存-辅存结构利用虚拟存储器解决大容量与低成本的矛盾；,现代计算机中的多级存储器体系结构,寄存器组 特点：读写速度快但数量较少；其数量、长度以及使用方 法会影响指令集的设计。 组成：一组彼此独立的Reg，或小规模半导体存储器。 RISC：设置较多Reg，并依靠编译器来使其使用最优化。 Cache 高速小容量

5、(几十千到几兆字节)； 借助硬件管理对程序员透明； 命中率与失效率； 主（内）存 编址方式：字节编址 信息存放方式：大/小端（big/ small endianness）系统 辅（外）存 信息以文件(file)的形式存放。 虚拟存储技术,很像一个临时仓库,Cache技术和虚拟存储器技术,相同点： 以存储器访问的局部性为基础； 采用的调度策略类似； 对用户都是透明的；,不同点： 划分的信息块的长度不同； Cache技术由硬件实现，而虚拟存储器由OS的存储管理软件辅助硬件实现；,small endianness,不同宽度数据的存储方式,按整数边界对齐存储可以保证访存指令的速度,按任意边界对齐存储可

6、以保证存储空间的利用,3. 输入/输出子系统,14/81,关键：设置接口电路,计算机与直接相联的外围设备进行数据交换的过程通常称为输入/输出(In/Out)，而与远方设备进行数据交换的过程习惯上称为数据通信(data communication)。,15/81,CPU与外设两者的信号不兼容，在信号类型、功能定义、逻辑定义和时序关系上都不一致。如：信号类型有机械的、物理的、电信号等，信号形式有脉冲、模拟量或数字量等； 两者的工作速度不匹配，CPU速度高，外设速度低 ； 若不通过接口，而由CPU直接对外设的操作实施控制，就会使CPU处于穷于应付与外设打交道之中，大大降低CPU的效率； 数据传输方式

7、不同，有并行、串行之分。 它们不能与CPU直接相连,必须经过中间电路再与系统相连,这部分电路被称为I/O接口电路。,具体的接口设计方法将在第4章详细讲述,输入/输出数据传输控制方式,输入输出控制方式程序控制方式,无条件控制（同步控制） 1. 特点：要求外设数据变化缓慢，操作时间固定，可以被认为始终处于 就绪状态，如一组开关或LED显示管。 2. 优点：简单， CPU随时可无条件读/写数据。 3. 缺点：无法保证数据总是有效，适用面窄。 条件控制（查询控制） 1. 特点： CPU主动、外设被动。执行I/O操作时CPU总要先查询外设状态； 若传输条件不满足时，CPU等待直到条件满足。 2.优点：解

8、决了CPU与外设之间的同步问题，可靠性高。 3.缺点：CPU利用率低，低优先级外设可能无法及时得到服务。,程序控制方式举例,无条件控制,打印机,联络信号,数据信号,条件控制,Busy,输入输出控制方式中断控制方式,中断: 是指CPU在执行正常程序时，为处理一些紧急发生的情况，暂时中止当前程序，转而对该紧急事件进行处理，并在处理完后返回正常程序的过程。,烧水的过程,方式1：查询 缺点：不停地往返于厨房和卧室,方式2：中断机制 优点：可以同时做多件事情或 处理紧急情况,在CPU正常运行程序时， 由于内部或外部某个非预料事件的发生， 使CPU暂停正在运行的程序， 而转去执行处理引起中断事件的程序 （

9、中断服务子程序）， 五.然后再返回被中断了的程序，继续执行。 六.这个过程就是计算机系统中的中断。,计算机中断的过程,main ( ) int a, b, sum; a=123; b=456; sum=a+b; ,产生一个打印机中断,中 断 原 理,中 断 系 统,计算机中断系统： 计算机中实现中断功能的软、硬件的总称，一般包括CPU内部配置的中断机构、外设接口中设计的中断控制器及各类中断服务子程序。,中断系统相关概念,中断向量： 中断向量即中断服务子程序的入口地址，也就是中断服务子程序的第一条指令在存储器中的存放地址。,中断系统相关概念,中断优先级：在系统中多个中断源可能同时提出中断请求时，

10、需要按中断的轻重缓急给每个中断源指定一个优先级别，这就是中断优先级。 CPU按照中断优先权的高低顺序，依次响应。 同级优先级问题,断点:是指CPU执行的现行程序被中断时的下一条指令的地址,又称断点地址。,中断现场:是指CPU转去执行中断服务程序前的运行状态，包括CPU内部各寄存器、断点地址等。 中断嵌套：若有更高级别的新中断源发出请求，且新中断源满足响应条件，则CPU中止当前的中断服务程序，转而响应高级中断。这种多级（重）中断的处理方式称为“嵌套”。,中 断 系 统,中断屏蔽：在某些情况下，CPU可能不对中断请求信号作出响应或处理，这就是中断屏蔽。 中断屏蔽标志 系统在处理优先级别较高的中断请

11、求时，不会理睬后来的级别较低的中断请求 。,中断处理过程,中断检测 CPU内部硬件自动完成 ，指令结束时检测 中断响应 CPU内部硬件自动完成，包括中断判优和中断索引 中断服务 CPU执行中断服务子程序并返回断点的过程。中断服务是根据用户自行编制的指令顺序完成各项操作的。,如：键盘上按键的执行过程,程序中断与子程序调用的区别,子程序的执行是程序员事先安排好的（由调用子程序的指令转入）；中断服务子程序的执行一般由随机的中断事件引发。 子程序的执行受到主程序或上层子程序的控制；中断服务子程序一般与被中断的现行程序无关。 不存在同时调用多个子程序的情况，因此子程序不需要进行优先级排队；而不同中断源则

12、可能同时向CPU提出服务请求。,微处理器中的中断设置其实和人类活动相似，微处理器毕竟是一门人造科学。,DMA 控制方式,内存与外设间有大量数据交换时，采用中断方式，每传送一次数据，就必须经历中断处理的全部步骤，而且一般需要借助CPU内部的寄存器作为中介 DMA方式：不用CPU的寄存器作传数中介, 完成存储器和外设间的直接传数，CPU必须将系统总线的控制权让给DMAC,DMA 控制方式,DMA特点：数据不通过CPU，而由DMAC直接完成存储单元或IO端口之间的数据传送。,程序/中断控制方式：以CPU为控制中心。 DMA控制方式：DMAC管理大部分的I/O事物，完成传送后DMAC主动通知CPU。,

13、DMA方式原理方框图,CPU,DMA 控制器,存储器,IO外设,HLDA,HOLD,DB,AB 写入信息时按顺序写入，不需要地址。,在计算机系统中，相联存储器主要用于虚拟存储器中存放分段表、页表和快表；在高速缓冲存储器cache中，相联存储器作为存放cache的行地址之用。这是因为，在这两种应用中，都需要快速查找。,2.2.4 连接模式与控制模式,输入/输出组织通常可以采用程序、中断、DMA等控制方式来完成总线与外设之间的数据传输。,55/81,CPU与外设两者的信号不兼容，在信号类型、功能定义、逻辑定义和时序关系上都不一致。如：信号类型有机械的、物理的、电信号等，信号形式有脉冲、模拟量或数字

14、量等； 两者的工作速度不匹配，CPU速度高，外设速度低 ； 若不通过接口，而由CPU直接对外设的操作实施控制，就会使CPU处于穷于应付与外设打交道之中，大大降低CPU的效率； 数据传输方式不同，有并行、串行之分。 它们不能与CPU直接相连,必须经过中间电路再与系统相连,这部分电路被称为I/O接口电路。,具体的接口设计方法将在第4章详细讲述,I/O接口的硬件组成与结构,数据缓冲 /锁存器,状态 寄存器,控制 寄存器,总线驱动,地址译码,控制逻辑,接CPU一侧,接外设一侧,有关端口(PORT)的概念,外设的各种信息都是通过系统的DB进行交换的；,有关信息交换的概念,端口和接口区别；,2.3 计算机

15、互连结构,interconnection structure： 指计算机系统中连接各子系统的通路集合。总线(bus)是使用最普遍的互连结构。 总线要素 线路介质、总线协议 （串、并） 总线组织 单总线、双总线、多级总线 （串、并） 总线仲裁 集中式、分布式 （串、并） 总线带宽 （并） 总线时序 同步、异步、半同步 （串、并） 串行总线 传输方向、传输距离、传输速率、差错控制、传输时序和格式,2.3.1 总线要素,一、线路介质 种类：有线（电缆、光缆）、无线（电磁波） 特性： 原始数据传输率（总线带宽） 频率带宽 传输介质可用的最高和最低频率之差 对噪声的敏感性 内部或外部干扰 对失真的敏感性

16、 信号和传输介质之间的互相作用引起 对衰减的敏感性 信号通过传输介质时的功率损耗,二、总线协议,总线信号 有效电平、传输方向/速率/格式等,电气性能,机械性能,总线时序 规定通信双方的联络方式,总线仲裁 规定解决总线冲突的方式,如接口尺寸、形状等,其它 如差错控制等,2.3.2 总线组织,一、单总线 特点：存储器和I/O分时使用同一总线 优点：结构简单，成本低廉，易于扩充 缺点：带宽有限，传输率不高（可能造成物理长度过长）,二、双总线 特点：存储总线+I/O总线 优点：提高了总线带宽和数据传输速率,三、多级总线 特点：高速外设和低速外设分开使用不同的总线。 优点：高效，进一步提高系统的传输带宽和数据传输速率。 缺点：复杂。,微机的典型多级总线结构,以上是按组织方式分为：,若按其传送范围和应用场合：,单总线双总线多级总线,片内总线片间总线系统（内）总线外部总线,外部总线、 (系统)外总线 标准总线，如并口、串口,系