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《微机原理与接口技术》主讲易凡wdyifan@163.com武汉大学物理学院电子科学与技术系第0章本课程介绍1.本课程在计算机课程体系中的位置硬件类软件类CPU及整机设计（计算机组成原理）BIOS与接口驱动程序设计模拟电路、数字逻辑电路设计嵌入式/单片机系统SOC芯片设计计算机系统结构外围接口电路设计操作系统编译系统数据库数据结构C++JAVA离散数学计算机系统综合设计电子商务多媒体技术…算法设计、数值分析、信号与系统、计算机理论课程、数学基础课程汇编语言软件工程VB…SOC（SystemOnAChip）系统级芯片课程介绍微机原理及接口技术典型机型：IBMPC系列机基本系统：8086CPU和半导体存储器I/O接口电路及与外设的连接硬件－－接口电路原理软件－－接口编程方法2.本课程的教学目的•掌握先进微处理器芯片结构、微型计算机实现技术、计算机主板构成、各种接口技术原理及其应用编程方法；•掌握汇编语言程序的编写方法，尤其掌握接口访问的方法。•了解微机技术新的发展趋势，提高分析和设计接口的能力。•为微机的深入应用和嵌入式系统SOC设计等的学习与实践打下良好基础。3.本课程的要求•学习微机各种接口电路的原理与作用，熟悉PC系列机接口电路；•掌握常用接口的设计与分析方法；•学会使用汇编语言和C语言对接口进行编程；•具有一定的动手实验能力和接口应用程序的编写能力；4.本课程的学习方法特点：本课程涉及的知识范围广，内容多1）以IBMPC/XT机基本结构这条主线，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。2）进一步扩展和延伸74.本课程的学习方法•CPU—从8086~Pentium4，从实模式~系统管理模式；•汇编语言－CPU及接口直接控制，16位~32位汇编；•总线—PCI，USB等；•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～PCI中断～串行中断•芯片组—从中大规模集成电路(8237、8254、8255、8259、8250、8251等）4.本课程的学习方法3）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x86系列寻址方式•掌握x86常用指令•学会x86汇编程序编写方法•掌握PC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和接口设计与分析能力第一章微型计算机概述1.1微型计算机的发展1946年，世界上出现第一台数字式电子计算机ENIAC（电子数据和计算器）发展到以大规模集成电路为主要部件的第四代，产生了微型计算机微型计算机自20世纪70年代问世以来伴随着微电子学的发展，按CPU的字长和功能划分，她大致经历了5代演变第一代(1971-1973)：4位和8位低档微机•以INTEL公司的4004、4040、8008微处理器组成的微机为代表。第二代(1974-1978):8位中档微机•以INTEL公司的8080、8085，Motorola公司的的MC6800,Zilog公司的Z80微处理器组成的微机为代表。如Apple-II微机第三代(1978-1984):16位微机•以8086、8088、80286、MC68000、Z800微处理器组成的微机为代表•如IBMPC系列机第四代(1985-1992):32位微机。•80386、80486•32位PC机、Macintosh机、PS/2机第五代：高档32位机及64位微机（1993后）•以Pentium、PentiumII、PentiumIII、Pentium4为核心处理器的微机•其它芯片，如AMD•Itanium、64位RISC微处理器芯片•微机服务器、工程工作站、图形工作站第一代1971年Intel40044位2300108KHz每秒6万次1972年Intel80088位3500基本指令周期为20～50μs第二代1974年Intel80808位60002MHzMC68008位68001976年Z808位100002.5MHz第三代1978年Intel808616位290005MHz／基本指令周期0.5μs1982年Intel8028616位13.4万基本指令周期0.2μs第四代1985年10月8038632位27.5万16-33MHz／3-4MIPS1989年4月8048632位120万33-120MHz/41-54MIPS第五代1993.3.22Pentium32位310万75-133MHz0.6μm1995.11.8Pentiumpro32位550万200MHz/400MIPS1997年PentiumⅡ32位700万266MHz/400MIPS1999.2.26PentiumⅢ32位2800万450MHz1999.2.24AMD-K6-Ⅲ32位2130万450MHz0.25μm2000.11.24Pentium432位4200万1.4GHz0.18μm更新……微机发展概况Pentium4EPentium4Pentium4ExtremeEditionAthlon64Athlon64FX核心PrescottNorthwoodGallatinClawHammerSledgeHammerSocketSocket478Socket478Socket478Socket754Socket940频率2.8-3.4GHz1.6-3.4GHz3.2-3.4GHz2.0-2.2GHz2.2GHz生产技术0.09微米，应变硅晶技术0.13微米0.13微米0.13微米，SOI0.13微米，SOI晶体管数125百万55百万178百万105.9百万105.9百万内核尺寸m2112131237193193L1数据缓存16KB8KB8KB64KB64KBL1指令缓存1200微指令12000微指令2000微指令64KB64KBL2缓存1024KB512KB512KB1024/512KB1024KBL3缓存——2MB——SIMD指令SSE3/SSE2/SSESSE2/SSESSE2/SSESSE2/SSE/3DNow！SSE2/SSE/3DNow！2.摩尔（GordonMoore）定律摩尔定律：“晶体管的大小将以指数速率变小，而集成到芯片上的晶体管数目将2－3年（18－24个月）翻一番。”——GordonMoore，1965*GordonMoore－－Inter公司的创始人，著名半导体科学家。GordonMoore1965的预言已经40年了，这条IT第一定律还能走多远？1971/11Intel40042300Transistors1978/6Intel808629000Transistors3μm2002/4Pentium4-2.2G55MillionTransistors0.13μm2004/2Prescott3.4GP4125MillionTransistors90nmGordonMooremadehisfamous…摩尔定律CPU性能每18个月增加一倍4200280070055031012027.513.42.90.490500100015002000250030003500400045001973197819821985198919931995199719992000年万晶体管摩尔定律晶体管数目每两年增加一倍1.2微型计算机的应用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•计算机辅助设计，人工智能，……微型计算机具有如下特点•体积小、价格低、工作可靠、使用方便、通用性强……1.1.2微型计算机的应用用于数值计算、数据处理及信息管理方向•通用微机，例如：PC微机•功能越强越好、使用越方便越好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•可靠性高、实时性强•程序相对简单、处理数据量小将CPU以及其他主要部件（如ROM、RAM、I/O接口）都集成在一个微处理器芯片中例如：常用的MCS-51、MCS-961.3微型计算系统的组成1.3.1冯.诺伊曼(JohnvonNeumann)计算机的结构1.“存储程序”概念•ENIAC（ElectronicNumerricalIntegratorAndComputer）——不具备“存储程序”的功能•EDVAC（ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer）•采用“存储程序”的概念，并付诸实现，“开创了整个程序设计时代的到来”2.冯氏计算机结构：冯.诺伊曼提出的“存储程序”、“程序控制”的概念奠定了现代计算机结构的基础“存储程序”指将指令、数据以二进制形式存入计算机的存储器中。“程序控制”指计算机自动取出并执行存储器中的指令、完成预定的操作。计算机的硬件系统基本上由运算器、存储器、输入/输出(I/O)接口、和输入/输出设备、电源系统等组成,如图1.1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；•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。一台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。2.冯氏计算机的基本结构运算器存储器控制器输出设备输入设备原始数据和指令计算结果运算器•进行算术和逻辑运算的部件（arithmeticlogicunit，简称ALU）控制器•产生整个指令系统所需的全部操作的控制信号。存储器•用于存放指令（代码）和数据，也称为主存储器或内存。CPU(centralprocessingunit)•中央处理部件，由运算器与控制器共同构成。“主机”•CPU与存储系统I/O接口电源系统等组成了计算机系统的“主机”。•输入/输出设备被称为外部设备。微型机的硬件结构•以CPU为中心，加上只读存储器（ROM）读写存储器（RAM）I/O接口电路和系统总线缓冲器组成。如图1.2所示。微型计算机的几个重要部件：①微处理器（microprocessorunit；MPU）•计算机的核心部件。它包括：算术逻辑部件（ALU）；累加器及通用寄存器组；程序计数器指令寄存器和指令译码器；时序和控制部件②主存储器•可分为只读存储器（ReadOnlyMemory—ROM）和随机存储器（RandomAccessMemory—RAM）③总线（BUS）•是连接CPU与存储器I/O接口的公共导线，采用总线结构是微型计算机的结构特点之一•总线可分为三类：地址总线（addressbus）•它传输地址信息，用于寻址存储单元和I/O端口。用“AB”表示；数据总线（databus）•用于传输数据。用“DB”表示；控制总线（controlbus)•它向系统各部件发出（或接收）控制信号。用“CB”表示。④I/O接口与I/O设备•I/O接口是CPU与输入输出设备进行数据交流的中介电路。•I/O设备（输入/输出设备）通过I/O接口将程序和数据输入内存。•CPU通过I/O接口将运行结果及程序、数据送到输出设备上。8088微处理器8087协处理器8288总线控制器I/O通道8259中断控制器随机存储器RAM只读存储器ROM8253定时控制器8237DMA控制器8255并行接口控制总线数据总线地址总线地址锁存器数据收发器扬声器接口8284时钟发生器键盘接口系统配置开关主机板组成1.微处理器子系统•8088：16位内部结构、8位数据总线、20位地址总线、4.77MHz主频2.存储器•ROM-BIOS、主体为RAM3.I/O接口控制电路•8259A、8253、8237A、8255等4.I/O通道•62线的IBMPC总线总线结构MPUMI/O总线MPUM存储器总线I/OI/O总线单总线双总线全局M全局I/ODMA控制器双重总线MPU局部I/O局部M缓冲器总线控制逻辑局部总线全局总线1.3.3计算机系统的软件组成计算机的软件可分为系统软件和应用软件系统软件•包括使用和管理计算机本身的软件。如：•操作系统：DOS，Windows等；•数据库管理系统：FOXPRO，…；•计算机网络管理软件；•语言处理、服务性软件•它是计算机用户在各自的业务