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微机原理与接口技术(陈光军+傅越千).pdf

微机原理与接口技术(陈光军+傅越千)

jxva
2009-10-27 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《微机原理与接口技术(陈光军+傅越千)pdf》,可适用于高等教育领域

目录第章计算机基础知识计算机发展概况微处理器和微机的发展微机的分类微机系统微机硬件微机软件硬件与软件的关系计算机中的数制及其转换数与数制数制转换计算机中数的表示方法机器数与真值原码、反码、补码补码的运算规则与溢出判断计算机中常用的编码微机的主要性能指标和应用微机的主要性能指标微机的应用小结习题第章X微处理器内部结构微处理器的功能结构微处理器的典型结构CPU的内部结构CPU的寄存器结构存储器组织及其寻址存储单元的地址和内容存储器的结构及访问存储器地址的分段IO地址空间高档微处理器微处理器微处理器微处理器Pentium系列微处理器小结习题第章指令系统与寻址方式寻址方式操作数类型寻址方式指令系统数据传送指令算术运算指令逻辑运算指令移位指令控制转移指令字符串操作指令处理器控制指令小结习题第章汇编语言程序设计机器语言与汇编语言汇编语言语句汇编语言语句的种类汇编语言的语句格式指令语句的操作数组成指令语句中的运算符和操作符伪指令系统数据定义伪指令符号定义伪指令段定义伪指令模块定义与连接伪指令微机原理与接口技术·VI··VI·过程定义伪指令汇编语言程序的结构汇编语言程序的结构程序正常返回DOS的方法基本结构程序设计顺序程序设计分支程序设计循环程序设计子程序设计DOSBIOS功能调用DOS系统功能调用BIOS功能调用小结习题第章X微处理器的外部功能CPU的引脚功能CPU的引脚功能CPU的引脚功能CPU的总线操作与时序指令周期、总线周期与T状态存储器与IO读写周期微处理器的系统配置CPU最小模式下的系统配置CPU最大模式下的系统配置CPU的引脚功能CPU的引脚功能Pentium微处理器的引脚功能简介小结习题第章总线技术总线概述总线的概念总线标准的特性总线的分类设计总线应考虑的因素微型计算机常用总线标准PC总线ISA与EISA总线PCI总线局部总线STD总线USB总线小结习题第章半导体存储器概述存储器系统存储器的分类存储器芯片的主要技术指标随机存储器静态存储器动态存储器只读存储器快速擦除读写存储器存储器的扩展存储容量的位扩展存储容量的字扩展字位扩展存储器与CPU的速度匹配芯片技术结构技术高速缓冲存储器Cache的基本结构和工作原理Cache的地址映像与变换替换算法小结习题第章CPU的存储器管理实模式存储器管理存储器的分段结构物理地址的形成目录·VII··VII·保护虚地址方式存储器管理存储器的分段管理存储器的分页管理保护机制段级别保护页级别保护虚拟的模式小结习题第章中断技术中断概述中断的概念中断源中断类型中断类型号中断矢量表中断优先级中断的嵌套CPU的中断处理过程中断请求中断响应中断处理中断返回可编程中断控制器AA的结构与引脚A中断响应时序A的工作方式A的命令字A的编程及其在微型计算机中的应用CPU的中断接口技术微型计算机中断分配情况DOS下中断服务程序的编写小结习题第章微型计算机的IO接口技术IO接口的概念与功能概述IO接口电路的基本功能IO接口信号的分类IO端口的概念与编址方式数据传送的控制方式程序控制传送方式DMA传送方式定时器计数器的功能与引脚的工作方式的控制字与编程并行接口芯片AA概述A的控制字A的工作方式A编程DMA控制器A概述A引脚A内部结构与寄存器A的软件命令A的工作时序A的初始化及其在PC机中的应用小结习题第章串行通信接口及应用串行通信基础串行通信数据传送方式串行通信协议串行通信的接口标准RSC的机械特性RSC的电气特性可编程串行通信接口芯片概述的寄存器微机原理与接口技术·VIII··VIII·的编程及应用小结习题第章系统扩展接口设计PC机与键盘的接口键盘的分类键盘的工作原理键盘接口及应用PC机与显示器的接口CRT显示器LCD显示器LED显示器PC机与打印机的接口打印机的工作原理打印机接口及应用PC机与鼠标的接口鼠标的工作原理鼠标接口及应用PC机与扫描仪的接口扫描仪的工作原理扫描仪的主要性能指标及接口PC机与数码相机的接口数码相机的工作原理数码相机主要技术指标及接口小结习题第章数模和模数转换器的接口设计概述DA转换器DA转换器工作原理DA转换器性能指标典型DA转换器芯片典型DA转换器的接口及应用AD转换器AD转换器的工作原理AD转换器的主要性能指标典型AD转换器芯片典型AD转换器的接口及应用多路模拟开关及采样保持电路多路模拟开关采样保持电路小结习题第章微型计算机应用系统的设计微型计算机应用系统概述微型计算机应用系统的一般类型微型计算机应用系统的设计原则微型计算机应用系统的设计过程和内容常用模块电路地址译码和总线驱动存储器数字量输入输出接口模拟量输入输出信号隔离接口电路器件的选择微机应用系统设计举例STD总线介绍光电隔离开关量输入接口板设计路位AD转换接口板设计小结习题附录附录AASCII码表附录BDOS系统功能调用附录C常用BIOS子程序的功能及其调用参数参考文献第章计算机基础知识教学提示:电子数字计算机是世纪人类杰出的发明之一微机作为其典型代表推广和普及了计算机在各个领域的应用。本章主要介绍微机的发展、分类、主要技术指标、系统组成以及计算机中采用的数制与码制等基础知识。教学要求:本章让学生了解微机的发展过程冯·诺依曼计算机的特点微机的分类、性能指标、系统组成及应用领域。应重点掌握数制的转换、无符号数、带符号数以及常用二进制编码等的表示方法。计算机发展概况电子计算机是由各种电子器件组成的能够自动、高速、精确地进行逻辑控制和信息处理的现代化设备。它是世纪人类最伟大的发明之一。自世纪年代第一台电子计算机问世以来计算机以构成某硬件的逻辑部件为标志已经历了从电子管、晶体管、中小规模集成电路、大规模及超大规模集成电路计算机这个阶段。随着大规模集成电路的发展计算机分别朝着巨型机、大型机和超小型机、微型机两个方向发展。以微处理器为核心配上大容量的半导体存储器及功能强大的可编程接口芯片连上外部设备(包括键盘、显示器、打印机和软驱、光驱等外部存储器)及电源所组成的计算机称作微型计算机简称微型机或微机有时又被称为PC(PersonalComputer)或MC(MicroComputer)。微机加上系统软件构成微型计算机系统(MCS简称微机系统)。微机的诞生和发展是伴随着大规模集成电路的发展而发展起来的。微机在系统结构和基本工作原理上与其他计算机(巨型、大型、中小型计算机)没有本质差别所不同的是微机采用了集成度相当高的器件和部件它的核心部分是微处理器。微处理器(或称微处理机)是指一片或几片大规模集成电路组成的、具有运算器和控制器功能的中央处理器(CPU)。以微处理器为核心的微机是计算机的第四代产品。微处理器和微机的发展微机主要随微处理器的发展而升级换代而微处理器的发展通常以字长和功能为主要指标至今可以划分为个时期。第一时期(年):位或位低档微处理器和微机年Intel公司宣布CPU。它是一种位微处理器其运算速度为KIs(千指令秒)指令周期为µs时钟频率为MHz集成度约为管片。寻址能力为KB有条指令。另一种位微处理器是。同年出现了的低档位扩展型产品其寻址能力为KB有条指令。这一时期的代表机型是MCS和MCSS。微机原理与接口技术····第二时期(年):位中高档微处理器和微机年Intel发布位中档微处理器其运算速度约KIs。指令周期为µs寻址空间为KB。同期Motorola公司的MC与相当。Ziog公司的Z和Intel公司年发布的最后一款位微处理器属于位高档微处理器。的运算速度为KIs指令周期为µs。在这一时期出现了以AA、Z和MC为CPU组装成的微机。其中基于CPU的第一台个人计算机Altair在年问世。而以MC为CPU的AppleII具有很大的影响。这些个人计算机普遍采用了汇编语言、高级语言(如Basic、Fortran、PLI等)其中Altair机的BASIC解释程序就是由BillGates开发的。后期配上了操作系统(如CPM、AppleII、DOS等)从而使微机开始配上磁盘和各种外设。第三时期(年):位微处理器和微机年以后出现了位微处理器代表产品如Intel公司的(集成度为管片)、、Motorola公司的MC(集成度为管片)和Zilog公司的Z(集成度为管片)等。扩大了存储容量并增加了指令功能(如乘法和除法指令)。指令的总量从的条增加到的两万多条所以被称作CISC(ComplexInstructionSetComputer)处理器。还增加了内部寄存器使用指令集更容易编写高效、复杂的软件。用位微处理器组装的微机(如IBMPC、PCXT、PCAT、AST、COMPAQ)在功能上已达到和超过了低档小型机PDP。第四时期(年):位微处理器和微机年Intel公司推出CPUMotorola同期相继发布MC~四款位微处理器。年Intel公司又推出微处理器其主要性能为的~倍。这一时期的主要微机产品有IBMPSII、AST、COMPAQ等。第五时期(年):超级位Pentium微处理器和微机年月Intel公司推出Pentium微处理器芯片(俗称)。其内部集成了万个晶体管采用了全新的体系结构性能大大高于Intel系列其他微处理器。Pentium系列CPU的主频从MHz到MHz不等它支持多用户、多任务具有硬件保护功能支持构成多处理器系统。年Intel公司推出了高能奔腾(PentiumPro)微处理器它集成了万个晶体管内部时钟频率为MHz采用了独立总线和动态执行技术处理速度大幅提高。年底Intel公司又推出了多能奔腾(PentiumMMX)微处理器MMX(MultiMediaeXtension)技术是Intel公司最新发明的一项多媒体增强指令集技术它为CPU增加了条MMX指令此外还将CPU芯片内的高速缓冲存储器Cache由原来的KB增加到KB使处理器多媒体的应用能力大大提高。年月Intel公司推出了PentiumII微处理器它集成了约万个晶体管个位的MMX寄存器时钟频率达MHz二级高速缓冲存储器Cache达到KB它的浮点运算性能、MMX性能都有了很大的提高。年月Intel公司推出了PentiumIII微处理器它集成了万个晶体管时第章计算机基础知识····钟频率为MHz。随后又推出了新一代高性能位Pentium微处理器它采用了NetBurst的新式处理器结构可以更好地处理互联网用户的各种需求在数据加密、视频压缩和对等网络等方面的性能都有较大幅度的提高。早在年底世界上主要微机生产厂商都有自己的微机系列其更新的产品主要定位于多媒体、网络文件服务器上。当前高档微机以其很高的性能价格比正向着社会各个领域乃至家庭日常生活不断渗透使人类迈步奔向信息社会新纪元。)第六时期(年以后):新一代位微处理器Merced和微机在不断完善Pentium系列处理器的同时Intel公司与HP公司联手开发了更先进的位微处理器Merced。Merced采用全新的结构设计这种结构称为IA(IntelArchitecture)IA不是原Intel位X结构的位扩展也不是HP公司的位PARISC结构的改造。IA是一种采用长指令字(LIW)、指令预测、分支消除、推理装入和其他一些先进技术从程序代码提取更多并行性的全新结构。微机的分类微机的品种繁多系列各异最常见的有以下种分类方法。按微处理器的位数分类按微处理器的位数分为位机、位机、位机、位机、位机即分别以位、位、位、位、位处理器为核心组成的微机。按微机的用途分类按微机的用途分为通用机和专用机两类。按微机的档次分类按微机的档次可分为低档机、中档机和高档机。计算机的核心部件是它的微处理器也可以根据所使用的微处理器档次将微机分为机、机、机、机、Pentium机、PentiumⅡ机、PentiumIII机和Pentium机等。按微机的组装形式和系统规模分类按微机的组装形式和系统规模可分为单片机、单板机、个人计算机。单片机是将微机的主要部件如微处理器、存储器、输入输出接口等集成在一片大规模集成电路芯片上形成的微机它具有完整的微机功能。单片机具有体积小、可靠性高、成本低等特点广泛应用于智能仪器、仪表、家用电器、工业控制等领域。单板机是将微处理器、存储器、输入输出接口、简单外设等部件安装在一块印制电路板上形成的微机。单板机具有结构紧凑、使用简单、成本低等特点常常应用于工业控制和实验教学等领域。个人计算机也就是人们常说的PC机它是将一块主机板(包括微处理器、内存储器、输入输出接口等芯片)和若干接口卡、外部存储器、电源等部件组装在一个机箱内并配置显示器、键盘、鼠标等外部设备和系统软件构成的微机系统。PC机具有功能强、配置灵活、软件丰富、使用方便等特点是目前最普及、应用最广泛的微机。微机原理与接口技术····微机系统年美籍匈牙利数学家冯·诺依曼(JohnVonNeumann)等人在一篇《关于电子计算仪器逻辑设计的初步探讨》的论文中第一次提出了计算机组成和工作方式的基本思想。其主要思想是:()计算机应由运算器、控制器、存储器、输入和输出设备这五大部分组成。()存储器不但能存放数据而且也能存放程序。数据和指令均以二进制数形式存放计算机具有区分指令和数据的能力。()编好的程序事先存入存储器中在指令计数器控制下自动高速运行(执行程序)。以上几点可归纳为“程序存储程序控制”的构思。数十年来虽然计算机已经取得惊人进展相继出现了各种结构形式的计算机但究其本质仍属冯·诺依曼结构体系。众所周知微机由硬件和软件两大部分组成。硬件是指那些为组成计算机而有机联系的电子、电磁、机械、光学的元件、部件或装置的总和它是有形的物理实体。软件是相对于硬件而言的。从狭义角度看软件包括计算机运行所需的各种程序而从广义角度讲软件还包括手册、说明书和有关资料。硬件和软件系统本身还可细分为更多的子系统如图所示。算术逻辑单元(ALU)控制单元(CU)寄存器组(RS)中央处理器(CPU)(微处理器)高速缓冲存储器(Cache)RAMROM(EPROM、EPROM)内存储器软盘系统硬盘系统光盘磁带磁盘外存储器键盘、LED显示器、CRT打印机、绘图仪、鼠标器AD、DAIO接口开关量外部设备过程通道外围设备总线电源监控程序、操作系统汇编程序解释程序编译程序系统软件程序设计语言机器语言汇编语言高级语言(Basic、Fortran、C、Pascal)应用软件硬件软件微型计算机系统图微机系统的组成第章计算机基础知识····微机硬件典型的微机硬件子系统是由系统总线将CPU、存储器和输入输出接口连接起来使各部分之间可以进行信息传送、协调工作的一个子系统总体结构图如图所示。图系统硬件结构图图中各组成模块及其功能分析如下:CPU由运算器和控制器组成。运算器是完成算术和逻辑运算的部件。控制器负责全机的控制工作它负责从存储器中逐条取出指令经译码分析后向其他各部件发出相应的命令以保证正确完成程序所要求的功能。内部存储器(简称内存)是计算机的记忆部件。它是用来存储程序、原始数据、中间结果和最终结果的。有了它计算机才能有记忆功能才能把要计算和处理的数据以及程序存入计算机内使计算机脱离人的直接干预自动地工作。输入和输出设备因处于主机之外所以又称外部设备(简称外设或IO设备)。它是微机和用户或者其他通信设备交流信息的桥梁。输入设备用于提供计算所需的数据和计算机执行的程序如键盘、鼠标等。输出设备用于输出计算机的处理结果如显示器、打印机等。大容量存储器(又称外存)包括硬盘、软盘、磁带、光盘等既可用于向主机发送各种信息又可接收、保存主机传来的信息是一种输入、输出兼容设备。上面指出的几种外设已是当前微机系统中必不可少的组成部分。外部设备还有许多如绘图仪、扫描仪、数码相机、调制解调器(MODEM)等可根据需要选配。各种外部设备之间、主机与外设之间的性能差异很大因而外设一般要通过接口和各种适配器经系统总线才能与主机相连接。系统总线是微机总线的组成之一它包括数据总线(DataBus)、地址总线(AddressBus)和控制总线(ControlBus)类。数据总线传送数据信息地址总线指出信息的来源和去向控制总线则控制总线的动作。系统总线的工作由总线控制逻辑负责指挥。微机软件微机只有硬件还不能工作还必须要有软件。软件是计算机处理的程序、数据、文件的集合。其中程序的集合构成了计算机中的软件系统。程序和程序设计语言程序是计算机实现某一预期目的而编排的一系列步骤它是由指令或某种语言编写而成的。程序的开发需要借助工具程序设计语言它是系统软件的重要组成部分。早期人们只能使用计算机所固有的指令系统(机器语言)来编写程序。CPU能直接识别微机原理与接口技术····和运行机器语言中的指令代码因而用机器语言编写程序的突出优点是具有最快运行速度。但机器码不容易记忆使用不便目前已很少使用。汇编语言是一种符号语言它用助记符代替二进制的机器语言指令助记符是用英文单词或其缩写构成的字符串容易理解编程效率高。汇编语言克服了机器语言的缺点同时保留了机器语言的优点。用汇编语言编写程序可以充分发挥机器硬件的功能并提高程序的编写质量。当前在输入输出接口程序设计、实时控制系统和需要特殊保密作用的软件开发中仍处于不可替代的地位。汇编语言是面向机器的语言它与计算机CPU的类型和指令系统有关因此汇编语言的使用受到一定的限制。目前许多系统软件和应用软件都采用高级语言编写。高级语言是面向问题和过程的语句它与具体机器无关并接近人的自然语言

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