《微型计算机技术》学习辅导

《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21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。32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。42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；52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。62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72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。82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。92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(2300/50μm)/80088080/8085、8086/808880286/80386/80486Pentium/PentiumPro/PentiumⅡPentiumⅢ/PentiumⅣ(4200万/0.13μm)集成电路技术的发展是基础高性能、低能耗、高速度、低成本19Intel400420Intel808821IntelPentium22IntelPentiumⅡ23主频为3.2G的Intel处理器处理器核心：Prescott和Northwood24§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150kw5000次/秒27电子计算机的发展——ENIAC28电子计算机的发展——ENIAC29电子计算机的发展——ENIAC30§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--2353CPU: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＜5V@1.6A34EmbeddedSolutionOS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PentiumⅢ）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PentiumⅢ8086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PentiumⅢ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。468086CPUIntel，1978年，16位29000个晶体管，3μm40pin，双直列封装5MHz/8MHz/10MHz478086CPU结构图488086CPU内部结构1.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。2.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。52150SP堆栈指示器BP基址指示器SI源变址器DI目的变址器指针和变址寄存器15870AHAL累加器BHBL基址寄存器CHCL计数器DHDL数据寄存器通用寄存器150IP指令指示器FR标志寄存器控制寄存器150CS代码段寄存器DS数据段寄存器SS堆栈段寄存器ES附加段寄存器段寄存器内部寄存器结构53标志寄存器(PSW)ODITSZAPC54§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。558086CPU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568086CPU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/...578086CPU的引脚——数据/地址数据/地址引脚AD15~AD0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A19~A16/S6~S3地址/状态20位内存地址的高4位/运行状态588086CPU的引脚——控制总线BHE/S7高8位数据允许/状