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教育部精品课程 《 微机系统与接口 》. 原名 微机原理及接口技术 微机原理及应用 计划学时 48 Tel: 83793513 Email:[email protected] 配套实验课程 微机实验 32 学时. 课程背景和重要性. 计算机应用 (而非使用)的开始. 先修课程 数字电路 -- 计算机结构与逻辑设计 模拟电路 ( 门 ). 计算机硬件构成 数字逻辑电路 —VLSI. 多层次 最高级 --- 运行程序 ( 功能 )

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教育部精品课程

《微机系统与接口》

原名 微机原理及接口技术

微机原理及应用

计划学时 48

Tel: 83793513 Email:[email protected]

配套实验课程

微机实验

32学时


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课程背景和重要性

  • 计算机应用(而非使用)的开始

  • 先修课程 数字电路--计算机结构与逻辑设计

    模拟电路(门)

  • 计算机硬件构成 数字逻辑电路—VLSI

  • 多层次 最高级---运行程序(功能)

    最低级----晶体管和线路

  • 本质 特殊的数字逻辑电路

    门--组合逻辑-时序逻辑-有限状态机

    指令(软件)时序/控制/运算逻辑


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教材和教学参考书

教 材

杨素行,微型计算机系统原理及应用(第2版),清华大学出版社, 2004

参考书

雷丽文等,微机原理与接口技术,电子工业出版社

戴梅萼,微型计算机技术及应用,清华大学出版社

张怀莲,IBM-PC宏汇编语言程序设计,电子工业出版社

张昆藏,IBM-PC/XT微型计算机接口技术,清华大学出版社

戴先中等,微机硬件应用实践—原理与接口,东南大学出版社,1999


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第一章 微型计算机基础

2. 原型机(复习)

3.系统组成(术语)及各部分之间关系

重 点

1. 补码的概念与运算

4.了解8086/8088工作方式与存储器的管理机制


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计算机概述

芯片 时间 时钟 DB R(位) AB 寻址空间 K个数(每片) 技术备注

8086 78年 4.77 16 16 20 1MB 2900个 引入实模式

8088 79年 4.77 8 16 20 1MB 2900个 第一用于2BMP

80286 81年 6 16 16 24 16MB 13万个 引入保护模式

80386DX 85年 12.5 32 32 32 4096MB 25万个 多任务8086模式

80386SX 88年 16 16 32 24 16MB 25万个

80486 89年 20 32 32 32 4096 125万个 内含协处理器和8KB缓存

奔腾 93年 60 32 32 32 4096 310万个 分支预测16K缓存流水线和超

标量结构

高能 95年 150 32 32 32 4096 550万个 指令优化调度执行

奔腾

P7 97年 300 64 64 32 4096 1400万个 超流指令体系结


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2.Intel公司微处理机系列的发展

奔腾

Intel公司微处理器

80586

80486

性能功能

单片机

80386

80286

80186

8086

8088

8085

8096

8049

8051

8098

8080

8008

4004

8048

8022

1972 1974 1976 1978 1980 1982 1985 1989 19931995


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计算机应用

工业控制

事务处理

计算机辅助设计CAD/制造CAM

教学培训

家庭娱乐/家政处理

科学计算


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计算机中的数制和编码

无符号数的表示和运算

1 进制

数码 权

2进制间转换(小数)

整数: 除R取余

小数: 乘R取整


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  • 带符号数的表示

    机器数 带有符号的数

    真数 机器数的实际值

    原码

    [x]原= x 0<=x<2 n-1

    2 n-1-x -2 n-1 < x<=0

    反码

    [x]反= x 0<=x<2 n-1

    2 n-1+x -2 n-1 < x<=0


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计算机中的数制和编码

补码

[x]补= x 0<=x<2 n-1

2 n+x -2 n-1 <= x<0


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计算机中的数制和编码

定点数/整型(Fixed Point)

位序号: 二进制数据

Dn*2n+Dn-1*2n-1+……D1*21+D0*20

( MSB/LSB(Most/Least Significant Bit)Dn/ D0 )

表示(代表)不同的含义不同含义的内容的表示方法(大小\物理意义)

1010 0100B 1011 1010 0011 0001B

本课程:n=8/16/32位


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字长与补码

十进制(Decimal) 八进制(Octal Q)

二进制(Binary) 十六进制(Hexdecimal)

字长: 运算器(ALU)位数

运算: 二进制(模2) 十六进制

加运算 1011 0001 0001 1100B B11CH

+1010 1011 0101 0110B +AB56H

1 0111 1100 0111 0010B 17C72H

十六位字长运算时模=?

减法?


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互补(Complement)

A+B=M(A=M-B)

A与B以M为模互补(互为补码)

X-A=X-(M-B)=X+B-M=X+B (模M运算)

2的补码(2‘s Complement)

八位:模256(100H)

80+176=256 (50H+B0H=100H)

十六位: 模65536(10000H)

456+65080=65536 1C8H+FE38H=10000H


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三位整数补码运算

溢出点


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三位有符号整数表示

十进制 无符号 原码 反码 补码 偏置码


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二进制编码

数值表示(约定)DEC的编码(表示):BCD(Binary Coded Decimal)<== >Compact BCD 10010110B代表96D (1Byte代表2位DEC);Uncompact BCD (1Byte=1位DEC)00-09H

非数值表示 7位:字母与符号:ASCII (American Standard Code for Information Interchange)美国信息交换标准代码)00-7FH(7位)P18为扩展ASCII表;8位:EBCDIC Extended BCD interchange Code 8Bit Keyboard ;16位:UNICODE (2.0版本38885个);32位:ISO 10646(Universal Code Set-----UCS-4)0000~007F=ASCII, 0000~00FF=UNICODE 2.1


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ASCII码举例

ASCII(American Standard Code for Information Interchange 美国信息交换标准代码)

00 NUL空白02 STX 文本开始

03 ETX 文本结束

07 BEL 报警符(可听见的信号)

BS 退一格(并删去该字符)

0DH CR 回车 0AH LF 换行

字符:‘0’-‘9’: 30-39H; ‘A’-41H, ‘a’-61H


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定点数和浮点表示

定点纯整数

定点纯小数

浮点数

符号位 小数点

符号位 小数点

阶符 阶码 尾符 尾码


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  • 微机工作过程

    y=5+9

    PC=040h 自动+1

    add op prog

    40h 3eh ld a,05h

    41h 05h

    42h c6h add a,09h

    43h 09h

    44h 76h halt


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微型计算机的发展史

(电子数字)计算机

一种能自动地、高速计算的电子设备

发展历史--- 1946 年诞生; 模拟计算机

电子管、晶体管(分立元件)、IC、(V)LSI

微型计算机 VLSI, CPU为单片集成

4, 8, 16….64位, 大众化: PC

字长 一般指CPU与I/O设备存储器之间一次传送二进制数据的位数(总线字长)。

运算器(ALU)位数 精度


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基本概念

  • 传统: CPU(中央处理单元)?

    外设 ( Peripherals)---终端(Terminals)

  • MPU或P:LSI-CPU微处理器(ALU+CTRLER)

  • MPC(微机):MPU+MEM+I/O接口电路+辅助电路(裸机)

  • MPCS(微机系统):MPC+外部设备和其它专用电路、电源、面板、机架、系统软件


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微处理器、微型计算机和微机系统

微型计算机

微处理器

运算器 寄存器组

控制器 内部总线

总线接口 缓存器

内存储器 系统总线

输入输出输出

接口电路

外部设备 软件

微机系统


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8位微处理器典型结构


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微机系统典型结构

MPU


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系统的基本(原型)组成

硬件=主机+ 外设(Peripherals)

CPU+ MEMERY +I/O接口

运算器(ALU)+控制器+寄存器

硬件+软件

软件=系统软件+ 应用软件 (系统软件:控制接口/系统管理类)

OS(DOS/WIN/WIN9X/NT/XP-OS/2,UNIX,LINUX)

+娱乐/CAD/CAI/CAT/SCADA/管理/


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地址总线 AB

CPU

I/O

I/O

组成结构:

数据总线 DB

控制总线 CB

技术指标与硬件组成

微机基本技术指标:字长、运算速度、存储容量、主频、指令系统、外设配置等


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硬件组成之一 处理器

CPU(MPU):ALU/CTRLer/Register

  • 算术逻辑运算(数据信息处理)-数据流

  • 程序流管理(指令R、指令译码器、控制电路)对各部件发出相应的控制信息,使它们协调工作应用系统

  • 直接途径(内部处理信息):寄存器:速度快


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硬件组成之二 存储器

MEM:存储记忆单元/装置:Main Storage/Inner mem; 可直接处理-与外存的本质区别

  内容信息:程序/数据(数值—非数值ASCII(控制码))

位BIT:(Binary Digit)0/1

半字节NIB(bibble)

字节Byte 1024=210=1KB 基本概念10242=220=1MB=1000KB

字WORD 16位IA:多L,H存放(反之例:MCS51:DPTR)

双字DWORD 32位 L,M1,M2,H

64/128位


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硬件组成之三输入输出接口

I/O Device/Interface

MPU信息来源/输出目标(程序、数据、测控信息…)---接口电路

外设:标准:KB, Point device(MOUSE、Tracking Ball、Touch screen..) ,

非标:SCANNER, Digitalizer, Digital Camera, ZIP, Video Camera, ADC, DI

CRT、Printer、Plotter DAC, DO

FDC/HDD/CD-ROM/R/RW/DVD,Tape, net-adaptor , SB, Microphone/ SPK

特点:(数字量转换)多样性,速度慢:接口电路---I/O Adaptor(适配器),非/智能化


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地址总线 AB

CPU

I/O

I/O

数据总线 DB

控制总线 CB

微型计算机的结构示意图

微机系统四部分关系


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总线---微机系统各部件相连

  • BUS一组性质相似的各部件共用的信息线的集合,正常情况下(通常)BUS只能由一组数据(降低速度)--基带。

  • 总线控制 三态缓冲器

    I/O总线的作用是通过公用的信号线可把计算机或测控系统中的模板或各种设备联成一体,以便进行彼此之间的信息交换。采用总线技术在系统设计、生产、使用和维护上具有很多优越性。


Ia 16

地址总线 AB

CPU

I/O

I/O

数据总线 DB

控制总线 CB

微型计算机的结构示意图

微机系统四部分关系(IA-16)


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微机软件(Software)

运行、管理、维护程序总和,硬件功能的应用

系统软件 控制接口/系统管理类:OS(DOS/WIN/WIN9X/NT-OS/2,UNIX)、监控程序----资源管理/任务调度;

应用软件:UTILITY(软件开发工具包)

最终用户软件:消费娱乐/网络/通信CAD/CAI/CAT/SCADA/管理/


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课程硬件基础(要求)

电气/逻辑原理图(读图、规范)

时序图(设计用动态时序)-总线

常用接口方法/逻辑电路/硬件术语

工作原理/一般时序/常用方法

寄存(器)、缓冲(器)、锁存(器)、触发(器)、编码(器)、译码(器)、放大(器)(OP) --SSI/MSI;

RAM,ROM,T/C,PIO,SIO,DMA;--MSI/LSI;


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课程软件基础:(要求)

原理--MC系统软件与硬件

  • 指令---与硬件有关的功能

  • 工具 编辑EDITOR、编译/汇编(Compiler/Assembler)、链接Linker(器)

  • 编程语言(汇编语言)—功能,语法(Syntax)

  • 实时系统—事件中断/时间中断(控制)

硬软件结合:存储访问/输入输出访问的软件实现,软替硬--充分发挥硬件功能


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微型计算机分类

  • 体系 Von NeuMANN / Harvard (外MEM可流水线作业)

  • 功能结构单/多片机/ (MCU)/MPU);

  • 组装方式 单/多板机;TP801

  • 使用方式:DESKTOP/LAPTOP/

  • NOTEBOOK(便携式)-Mobile MP

  • 安装使用非(可重装入) /嵌入式(EMBBEDED)

  • 指令:CISC/RISC

  • DSP-专用MPU(标准内核)


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IBM PC&PC/XT (20年前产品)

可以重复加载运行各种应用软件的个人计算机:

多板结构

1.系统板+I/O选卡----基于中大规模IC

μP:8088(80C88)/8087+82XX芯片组chipset

82C88 总线控制器BUS Controller

8284 Clock Generator &Driver

2.ROM----基本系统程序

3.  RAM----中间数据/应用程序

4.I/O接口电路:Speaker/KB

5. I/O expanding slots: 62脚:PC-5 XT-8


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微机系统结构(IA-16)

指令:算逻运算、数据传送、I/O、跳转、系统操作等

执行方式:串行、流水线(深度-EU+BIU 两级)

取指、执行、取指、执行。。

SCLK

P26


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地址总线

20位

AX

AH AL

通 用 寄 存 器

BX

BH BL

数据总线

8088:8位

8086:16位

CX

CH CL

DX

DH DL

段寄存器

SP

BP

DI

总线 控制逻辑

SI

指令指针

外部

总线

ALU数据总线(16位)

运算寄存器

指令队列

Q总线

(8位)

EU 控制系统

1 2 3 4 5 6

8088

执行单元EU

总线接口

单元BIU

8086

标志寄存器

ALU

CS

DS

SS

ES

IP

内部暂存器

IA-16微处理器(Intel 8086/8088 )

SCLK

P19图1.9


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8086/8088流水工作过程

  • 指令队列

  • 总线接口单元BIU

1 2 23 3 34 45…

取指 取指 取指 取数 取指….

MPU

执行单元

等待 执行1 执行2 执行3 。。。

与BIU有关的指令执行

时间


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栈操作:

16位

P20图

1.10

8086/8088的内部寄存器

  • 14个16位寄存器:8通用寄存器/4段/2控制寄存器

ADD AX,100, MOV BL,DS:[1000]

SUB DX,[BX]

JC 1000

MOV


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通用寄存器功能

  • AX,BX,CX,DX,AH,AL,BH,BL,CH,CL,DH,DL(16-8)

  • 习惯:AX累加器Accumulator)/ BX基址R/ CX(Count)计数R,循环-串操作/ DX数据R(Data),I/O port, 双字除(H16);

  • SP,BP:Stack Pointer R, Base Pointer基址指针R 数据/Pointer

  • SI,DI 变址R(Source Index R, Destination Index R)--指针作用

指令、数据存储地址


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段寄存器功能

  • 段寄存器Segment Register CS,SS,DS,ES

  • Code,Stack,Data,Extra(附加段)R==Segment Base Address

  • 解决8位机兼容问题 MOV AX,[1000H]

  • 8086/8088存储器管理:20 AB1MB, 64KB单位,物理地址PA,段基地址SA,偏移地址EA(OFFSET);(SA,EA逻辑地址)关系:PA=SA*16+EA 默认:MOV AX,DS:[1000H]

  • (DS)=1234H (BX)=8000H 物理地址=1A340H


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奇偶位

=1偶

借进位

半进位

溢出标志

符号位

零标志位

跟踪

中断允许=1

方向

段寄存器和控制寄存器

  • 控制寄存器:IP,FLAGS(Instruction Pointer-预取I的偏移地址),标志R(6S/3C-FlagBits: 8088/86定义9位 )

  • 控制标志位(3)六个算术和逻辑运算结果特征(6)

当算术运算的结果超出了带符号数的范围,即溢出时,OF= 1,否则OF=0。8位带符号数范围是一128~+127,16位带符号数的范围是-32768~+32767。


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标志状态寄存器Flags

  • CF进位标志位。当进行加法或减法运算时,若最高位发生进位或借位则CF=1,否则CF=0。

  • PF奇偶标志位。当逻辑运算结果中“1”的个数为偶数时PF=1,为奇数时PF=0。

  • AF辅助进位位。在8(l6)位加减法操作中,低4位向高4位有进位、借位发生

  • ZF零标志位。当运算结果为零时ZF=1,否则ZF=0。

  • SF符号标志位。当运算结果的最高位MSB为1时SF=1,否则SF= 0。

  • OF溢出标志位。当算术运算的结果超出了带符号数的范围,即溢出时,OF= 1,否则OF=0。8位/16位带符号数范围


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标志控制寄存器

  • TF 跟踪标志位。TF= 1,使CPU处于单步执行指令的工作方式。这种方式便于进行程序的调试。每执行一条指令后,自动产生一次内部中断,从而使用户能逐条指令地检查程序。

  • IF 中断允许标志位。IF= l使CPU可以响应可屏蔽中断请求。IF= 0使CPU禁止

  • 响应可屏蔽中断请求,IF的状态对不可屏蔽中断及内部中断没有影响。

  • DF 方向标志位。DF= l 使串操作按减地址方式进行。也就是说,从高地址开始,每操作一次地址减小一次。DF=0使串操作按增地址方式进行。


8086 8088

P22

MAX模式

8086/8088的引脚信号

动态复用----机器周期至少4个时钟周期CLK:T1,T2,T3,T4,Tw)

分类:

电源、地(GND)

数据(A)D0-D7(15)

地址 A0-A19

控制信号

两种工作模式:

MAX/MIN


8086 80881

8086/8088引脚分类

  • 第一类 每个引脚只传送一种信息。32P---/RD。

  • 第二类 每个引脚电平的高低代表不同的信号,例如IO/M#。

  • 第三类 引脚在8086/8088的两种不同工作方式——最小模式和最大模式下有不同的名称和定义。例如:第29脚为/WR(/LOCK)。

  • 第四类 每个引脚可以传送两种信息(分时复用)。这两种信息在时间上是可以分开的,因此可以用一个引脚在不同时刻传送不同的信息,一般称这类引脚为分时复用线。例如:AD7 ~AD。

  • 第五类 引脚的输入和输出分别传送不同的信息,如RQ/GT0输入时传送总线请求,输出时传送总线请求允许。

  • 第六类 电源/地Vcc/Vss(GND)


8086 80882

8086/8088重要引脚信号

(完成微机基本功能的基本信号)

RESET系统复位信号 输入端

RESET信号高电平有效,8086/8088要求该信号的有效时间至少为4个T状态。CPU接收到RESET信号后,立即停止当前操作,完成内部的复位过程,恢复到机器的起始状态并使系统重新启动。复位时各寄存器的状态: FLAGS=0H,IP=0,CS=FFFFH,(预取队列空),DS=ES=SS=0,各GR=0。==起始地址 0FFFF:0 (P23表1.4)

AD7~AD0(Address Data Bus)地址、数据复用端,双向工作。

A15~A8(Address)地址输出端 (A16-A19)

CLK 时钟 输入端

接至8284集成电路的输出端,由8284提供8088所需的4.77M,33%占空比(即1/3周期为高电平,2/3周期为低电平)的系统时钟信号T=2.096微秒

/ RD(Read)读信号输出端。读信号是一个低电平有效的输出信号,当/RD为低电平时,表明CPU正在对内存或外设进行读操作。

/WR(Write)写信号输出端。写信号是一个低电平有效的输出信号,当/WR为低电平时,表明CPU正在对内存或外设进行写操作。

(IORD--IOWR),(IORQ--MENRQ)


8086 8088 min

8086/8088的工作方式MIN

-单CPU模式 (P21图1.13)

锁存器:

74LS373

i8282/8283

(双向)

缓冲器

74LS245

i8286/8287


8086 8088 max

8086/8088的工作方式MAX

P26图1.14

总线

控制器8288

锁存器

双向总线

缓冲器


8086 80883

8086/8088工作过程(时序)

RESET复位FFFF:0取第一条指令TCLK控制操作逻辑(不同指令实现不同操作、处理功能:计算、读写寄存器/存储器/IO口)

指令周期

典型BIU时序


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时钟周期、总线周期和指令周期

每两个时钟脉冲上升(下降)沿之间的时间间隔称为T状态,也称为时钟周期(Clock Cycle)

T

CPU从存储器或输入/输出端口,存取一个字节(或字)所要花费的时间称为一个总线周期(Bus Cycle)

执行一条指令所需要的时间称为指令周期(Instruction Cycle)

MOV AX, BX ;2T MOV AX, [1000H] 10T, 1次传送

ADD [BX], AL ;16T+EA , 2次传送


8086 80884

8086/8088时序例-存储器写

T1:输出地址;T2:总线转向;T3:存储器访问;T4:结束


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小 结

1.外部设备一定要通过I/O接口才能与主机相连;

2.CPU内寄存器只能放暂存信息,主要信息放在存储器中;

3.原始数据(数值数据、非数值数据(如人名等字符)

编码压缩数据(位、半字节、字节、字、双字)信息/程序

4.3的ASCII码表示,*011 0011B,MSB*=0表示标准ASCII(西文),1扩展ASCII—数据、中文等,GB码----内码(GB码MSB=1);MIMH(64)

5.8086数据总线16位;8088为8位;字长=ALU数据宽度

6.8086/8088硬件工作过程:RESETTCLK控制-时序电路;时钟周期、总线周期和指令周期

第二章


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