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1、1微机系统及其接口技术n教材：教材：微型机算机系统原理及应用，第微型机算机系统原理及应用，第2版版n出版：出版：清华大学出版社，清华大学出版社，2005n编者：编者：杨素行杨素行n主讲：主讲：王学香王学香n单位：单位：电子科学与工程学院电子科学与工程学院ASIC工程中心工程中心四牌楼校区逸夫馆北五楼四牌楼校区逸夫馆北五楼n电话：电话：83793265ext.8506nE-Mail:2课程目标课程目标电电气气、电电子子信信息息类类专专业业校校级级平平台台课课，是是学学习习微微机机硬件知识和汇编语言程序设计的硬件知识和汇编语言程序设计的专业基础课专业基础课：F微型计算机的基本工作原理微型计算机的基
2、本工作原理F汇编语言程序设计汇编语言程序设计F微型计算机接口技术微型计算机接口技术目目的的：以以处处理理器器、总总线线、接接口口、通通道道和和监监控控程程序序为为线线索索，建建立立微微型型计计算算机机系系统统的的整整体体概概念念，理理解解硬软件间的硬软件间的辩证关系辩证关系，学会解决问题的方法，学会解决问题的方法。3硬件系列课程之一硬件系列课程之一微机系统与接口技术微机系统与接口技术综合电子设计综合电子设计嵌入式系统设计嵌入式系统设计 指定选修课指定选修课以技术为主以技术为主面向应用面向应用软硬件相结合软硬件相结合课程课程特点特点专业技术基础课专业技术基础课4先修课程先修课程数字逻辑数字逻辑提
3、供硬件基础提供硬件基础计算机组成原理计算机组成原理确立计算机部件功能确立计算机部件功能掌握计算机工作原理掌握计算机工作原理汇编语言程序设计汇编语言程序设计建立必备软件基础建立必备软件基础掌握指令系统、程序格式掌握指令系统、程序格式先修先修课程课程5课程主要内容第一章（第一章（6学时）学时）概念与基本知识概念与基本知识第二、三章第二、三章（12学时）学时）指令与汇编程序设计指令与汇编程序设计第四章（第四章（4学时）学时）半导体存储器半导体存储器第五章（第五章（4学时）学时）基本基本I/O第五章（第五章（16学时）学时）数字数字I/O第六章（第六章（4学时）学时）模拟模拟I/O中断系统中断系统定时
4、定时/计数器计数器串行接口串行接口DMA并行接口并行接口6听课要求与考核方式听课要求与考核方式学习学习要求要求1.复习并掌握复习并掌握先修课的有关内容先修课的有关内容2.课堂：课堂：听讲与理解、适当笔记听讲与理解、适当笔记3.课后：课后：认真读书、完成作业认真读书、完成作业4.考核方式：考核方式：考试成绩考试成绩 80作业作业 15课堂表现课堂表现 57教材微微型型计计算算机机系系统统原原理理及及应应用用，第第2版版，杨杨素素行行等等编编，清清华华大大学学出出版版社，社，20058教学参考书:郁慧娣，微机系统及其接口技术，郁慧娣，微机系统及其接口技术， 东南大学出版社东南大学出版社吴吴宁宁，8
5、0X86/Pentium80X86/Pentium微微型型计计算算机机原原理理及及应应用用， 电子工业出版社；电子工业出版社；戴梅萼戴梅萼, ,微型计算机技术及应用，微型计算机技术及应用， 清华大学出版社清华大学出版社张怀莲张怀莲,IBM-PC,IBM-PC宏汇编语言程序设计，宏汇编语言程序设计， 电子工业出版社电子工业出版社9第第1 1章章 微机系统概微机系统概述述教学重点n微处理器的发展简史微处理器的发展简史n微型计算机的系统组成微型计算机的系统组成nIBMPC系列机的主机板系列机的主机板101.1 微型计算机的发展和应用n1946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
6、计计算算机机ENIAC（电子数据和计算器）。（电子数据和计算器）。n发发展展到到以以大大规规模模、超超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，产产生生了了微微型型计计算算机机。著著名名的的摩尔定律摩尔定律。最新的台式机最新的台式机。n1971年年10月月，Intel公公司司设设计计了了世世界界上上第第一一个个4位位微微处处理理器器芯芯片片Intel4004，含含有有2300个个晶晶体管，开创了一个全新的体管，开创了一个全新的计算机时代计算机时代。111.1.1微型计算机的发展n第第1代代(1971年年)：4位和低档位和低档8位微机位微机4004(4位位)4040(8位
7、位)8008(8位位)n第第2代代(1974年年) ：中高档：中高档8位微机位微机Z80(Zilog)、I8085、M68000，Apple-II微机微机n第第3代代(1978年年)：16位微机位微机8088 808680286，IBM PC系列机系列机121.1.1微型计算机的发展（续）n第第4代代(1985年年) ：32位微机位微机n8038680486PentiumPentium II Pentium IIIPentium IV Pentium D13微型计算机的应用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n通用微机，例如：通用微机，例如：PC微机微机n
8、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n专用微机，例如：专用微机，例如：单片机单片机、工控机、工控机n可靠性高、实时性强可靠性高、实时性强n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个微处理器芯片中一个微处理器芯片中例如：常用的例如：常用的MCS-51、MCS-96141.3 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
9、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15CPU存储器I/O接口输入设备I/O接口地址总线地址总线 ABAB输出设备数据总线数据总线 DBDB控制总线控制总线 CBCBI/O接口AB:AddressBusDB:DataBusCB:ControlBusn微处理器子系统微处理器子系统n存储器存储器nI/O设备和设备和I/O接口接口n系统总线系统总线微型计算机的硬件组成16系统总线n总线是指传递信息的一组公用导线总线是指传递信息的一组公用导线n总线是传送信息的公共通道总线是传送信息的公共通道n微机系统采用总线结构连接系统功能部件微机系统采用总线结构连接系统功能
10、部件n总线信号可分成三组总线信号可分成三组n地址总线地址总线AB：传送地址信息：传送地址信息n数据总线数据总线DB ：传送数据信息：传送数据信息n控制总线控制总线CB ：传送控制信息：传送控制信息17总线信号n地址总线地址总线ABn输出将要访问的内存单元或输出将要访问的内存单元或I/O端口的地址端口的地址n地址线的多少决定了系统直接寻址存储器的范围地址线的多少决定了系统直接寻址存储器的范围n数据总线数据总线DBnCPU读操作时，外部数据通过数据总线送往读操作时，外部数据通过数据总线送往CPU nCPU写操作时，写操作时，CPU数据通过数据总线送往外部数据通过数据总线送往外部n数据线的多少决定了
11、一次能够传送数据的位数数据线的多少决定了一次能够传送数据的位数n控制总线控制总线CBn协调系统中各部件的操作，有输出控制、输入状态等信号协调系统中各部件的操作，有输出控制、输入状态等信号n控制总线决定了系统总线的特点，例如功能、适应性等控制总线决定了系统总线的特点，例如功能、适应性等18微型计算机的软件系统 操作系统操作系统 MS-DOS 汇编程序汇编程序 MASM和和LINK 文本编辑程序文本编辑程序 EDIT.COM 调试程序调试程序 DEBUG.EXE218088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
12、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系统系统配置配置开关开关主机板组成1.微处理器子系统微处理器子系统8088：16位位内内部部结结构构、8位位数数据据总总线线、20位地址总线、位地址总线、4.77MHz主频主频2.存储器存储器ROM-BIOS、主体为、主体为RAM3.I/O接口控制电路接口控制电路8259A、8253、8237A、8255等等4.I/O通道通道62线
13、的线的IBM PC总线总线22存储空间的分配存储空间的分配保留保留ROM64KB基本基本ROM64KB扩展扩展RAM15MB基本基本ROM64KB保留保留ROM64KB扩展扩展ROM128KB显示显示RAM128KB系统系统RAM640KB000000H0A0000H0C0000H0E0000H0F0000H100000HFE0000HFFFFFFH常规内存常规内存1MB扩展内存扩展内存15MB存储空间的分配常规内存：常规内存：1MBn基本基本RAM区：区：640KBn保留保留RAM区：区：128KBn扩展扩展ROM区：区：128KBn基本基本ROM区：区：64KB扩展内存：用作扩展内存：用作
14、RAM区区23系系统统板板00001F02003F04005F06007F08009F0A00BF0C00DF0E00FFDMA控制器控制器1中断控制器中断控制器1定时计数器定时计数器并行接口电路并行接口电路DMA页面寄存器页面寄存器中断控制器中断控制器2DMA控制器控制器2协处理器协处理器I/O通通道道1F01F820020727827F2F82FF37837F38038F3A03AF3B03BF3D03DF3F03F73F83FF硬盘适配器硬盘适配器游戏接口游戏接口并行打印机接口并行打印机接口LPT2串行通信接口串行通信接口COM2并行打印机接口并行打印机接口LPT1SDLC通信接口通信接
15、口BSC通信接口通信接口单色显示单色显示/打印机适配器打印机适配器彩色图形适配器彩色图形适配器CGA软盘适配器软盘适配器串行通信接口串行通信接口COM1I/O空间的分配n80x86访访问问外外设设时时，使使用用低低16位位A0A15，寻址，寻址64K个个8位位I/O端口端口nPC机机仅仅使使用用低低10位位A0A9，寻寻址址1024个个8位位I/O端口端口24内部数据总线内部数据总线控制总线控制总线数据总线数据总线地址总线地址总线暂存器暂存器累加器累加器ALU标志寄存器标志寄存器指指令令寄寄存存指指令令译译码码时序时序和和控制控制逻辑逻辑通通用用寄存器组寄存器组地地址址寄存器组寄存器组地址地址
16、总线总线控制控制数据数据总线总线控制控制微处理器的基本结构1.算术逻辑单元（运算器）算术逻辑单元（运算器）2.寄存器组寄存器组3.指令处理单元（控制器）指令处理单元（控制器）251.4 8088/8086的功能结构n8088的的内部结构内部结构从功能分成两个单元从功能分成两个单元n总总线线接接口口单单元元BIU管管理理8088与与系系统统总总线线的的接口，负责接口，负责CPU对存储器和外设进行访问；对存储器和外设进行访问；n执执行行单单元元EU负负责责指指令令的的译译码码、执执行行和和数数据的运算；据的运算；n两个单元相互独立，分别完成各自操作两个单元相互独立，分别完成各自操作n两两个个单单元
17、元可可以以并并行行执执行行，实实现现指指令令取取指指和和执行的流水线操作执行的流水线操作268088/8086的结构区别n特别注意：特别注意：8088：BIU中中，指指令令队队列列为为4个个字字节节，数数据据总线为总线为8位；位；8086：BIU中中，指指令令队队列列为为6个个字字节节，数数据据数线为数线为16位。位。278086/8088的内部寄存器的内部寄存器28通用寄存器通用寄存器数据寄存器数据寄存器AX，BX，CX，DX，AH，AL，BH，BL，CH，CL，DH，DL（16-8位位）习惯：习惯：AX：累加器累加器(Accumulator)；BX：基址寄存器；基址寄存器；CX：计数寄存器
18、，循环、串操作；计数寄存器，循环、串操作；DX：数据寄存器，数据寄存器，I/Oport,双字除；双字除；地址指针寄存器地址指针寄存器SP，BP（16位位）：SP：StackPointerR,堆栈指针寄存器堆栈指针寄存器BP：BasePointerR，基址指针寄存器，基址指针寄存器变址寄存器变址寄存器SI，DI（16位位）：SI：SourceIndexR，源变址寄存器，源变址寄存器DI：DestinationIndexR，目的变址寄存器，目的变址寄存器29段寄存器和控制寄存器段寄存器和控制寄存器n段寄存器段寄存器16位位CS：代码段寄存器：代码段寄存器SS：堆栈段寄存器：堆栈段寄存器DS：数据段
19、寄存器：数据段寄存器ES：附加数据段寄存器：附加数据段寄存器n控制寄存器控制寄存器16位位IP：指令指针寄存器：指令指针寄存器nFLAGS：标志寄存器：标志寄存器30标志寄存器标志寄存器31标志寄存器标志寄存器状态标志位状态标志位：CF、PF、AF、ZF、SF、OFCF进进位位标标志志位位：当当进进行行加加法法或或减减法法运运算算时时，若若最最高高位位发发生生进进位位或或借位则借位则CF1，否则，否则CF0；PF奇奇偶偶标标志志位位：当当逻逻辑辑运运算算结结果果中中“1”的的个个数数为为偶偶数数时时PF1，为奇数时为奇数时PF=0；AF辅辅助助进进位位位位：在在8（l6）位位加加减减法法操操作
20、作中中，低低4位位向向高高4位位有有进进位位、借位发生时，借位发生时，AF=1，否则，否则AF=0；ZF零标志位：零标志位：当运算结果为零时当运算结果为零时ZF1，否则，否则ZF0；SF符号标志位：符号标志位：当运算结果的最高位为当运算结果的最高位为1时时SF=1，否则，否则SF=0；OF溢溢出出标标志志位位：当当算算术术运运算算的的结结果果超超出出了了带带符符号号数数的的范范围围，即即溢出时，溢出时，OF=1，否则，否则OF0。32CF与OF举例n11110001 + 01111001n无符号数运算结果：无符号数运算结果：1,0110,1010，CF1n有符号数运算有符号数运算n151211
21、06nOF0Review（1）n微处理器发展简史微处理器发展简史n电子管电子管 晶体管晶体管 - 超大规模集成电路超大规模集成电路n微型计算机系统组成微型计算机系统组成n微型计算机微型计算机n微处理器微处理器CPU：运算器、控制器、寄存器组：运算器、控制器、寄存器组n总线总线n存储器存储器nI/O接口接口n软件软件33Review（2）n寄存器组寄存器组n通用寄存器通用寄存器n数据寄存器数据寄存器n地址指针寄存器地址指针寄存器n变址寄存器变址寄存器n段寄存器段寄存器n控制寄存器控制寄存器nIP、FLAGS3435n进位进位和和溢出溢出是两个不同的概念，没有直接联系。是两个不同的概念，没有直接联
22、系。n对对于于带带符符号号数数，如如果果8位位运运算算的的结结果果超超出出了了范范围围(128127)，16位位运运算算的的结结果果超超出出了了范范围围(3276832767)，则则OF1。对对于于无无符符号号数数，如如果果8位位运运算算的的结结果果超超出出了了范范围围(小小于于等等于于255)，16位运算的结果超出了范围位运算的结果超出了范围(小于等于小于等于65535)，则则CF1。n当当OF=0，表示机器计算的结果表示机器计算的结果符合带符号数符合带符号数的计算结果。的计算结果。当当OF=1，表示机器计算的结果表示机器计算的结果不符合带符号数不符合带符号数的计算结果。的计算结果。当当CF
23、=0，表示机器计算的结果表示机器计算的结果符合无符号数符合无符号数的计算结果。的计算结果。当当CF=1，表示机器计算的结果表示机器计算的结果不符合无符号数不符合无符号数的计算结果。的计算结果。n机机器器进进行行运运算算时时，并并不不知知道道是是带带符符号号数数还还是是无无符符号号数数，会会同同时时给出进位位和溢出位的值。给出进位位和溢出位的值。进位标志位进位标志位(CF)和溢出标志位和溢出标志位(OF)36控制标志位控制标志位：TF、IF、DFnTF：跟跟踪踪标标志志位位：TF=1，使使CPU处处于于单单步步执执行行指指令令的的工工作作方方式式。这这种种方方式式便便于于进进行行程程序序的的调调
24、试试。每每执执行行一一条条指指令令后后，自自动动产产生生一一次次内内部部中中断断，从从而而使使用用户户能能逐逐条条指指令令地地检检查程序。查程序。nIF：中中断断允允许许标标志志位位：IF=l使使CPU可可以以响响应应可可屏屏蔽蔽中中断断请请求求。IF=0使使CPU禁禁止止响响应应可可屏屏蔽蔽中中断断请请求求，IF的的状状态态对对不可屏蔽中断及内部中断没有影响。不可屏蔽中断及内部中断没有影响。nDF：方方向向标标志志位位：DF=l使使串串操操作作按按减减地地址址方方式式进进行行。也也就就是是说说，从从高高地地址址开开始始，每每操操作作一一次次地地址址减减小小一一次次。DF0使串操作按增地址方式
25、进行。使串操作按增地址方式进行。标志寄存器标志寄存器46计算机、微型计算机是如何实现科学计算的？科学计算：科学计算：5+8=?计算机内部是如何完成以上程序执行的？计算机内部是如何完成以上程序执行的？C程序程序intA；A=5；A=A+847C语言与汇编语言对应关系C程序程序(与机型无关与机型无关 ） 汇编语言汇编语言(与机型有关与机型有关)int A； A EQU ALA=5； MOV A, 5A=A+8； ADD A, 8注：注： A是变量是变量 注：注： A是寄存器是寄存器48从程序到指令编辑器（编辑器（Editor）程序设计（流程图）程序设计（流程图）编译器（编译器（Compiler）高级语言程序高级语言程序(与机型无关与机型无关)汇编器（汇编器（Assembler）汇编语言汇编语言(与机型有关与机型有关)链接器（链接器（Linker）指令机器码指令机器码(二进制二进制BIN)可执行指令代码可执行指令代码(二进制二进制BIN)
