微机原理与接口技术(王杰_0905072038).docx

Hefei University微机原理课程综述报告专 业： 自动化 班 级： 09自动化（1）班 姓 名： 王杰 学 号： 0905072038 指导教师： 王敬生 2012 年 01 月 01 日目录前言2一、计算机的发展3二、8086系统结构4三、8086的寻址方式和指令系统5四、汇编语言程序设计5五、存储器6六、I/O接口和总线7七、微型计算机中断系统7八、可编程计数器/定时器8253/8254及其应用8九、可编程外围接口芯片8255A及其应用8十、串行通信和可编程接口芯片8251A9前言微型计算机原理与接口技术是一门与现实生活很贴近的课程，随着70年代初第一台微型计算机的问世，计算机的技术的发展速度十分惊人，21世纪是名副其实的计算机的时代。虽然计算机技术的发展日新月异，但一代机的结构、组成原理以及它所使用的MS-D0S操作系统等，为后续的高档PC机的产生了深刻的影响。因此学习微型计算机的原理，为我们拓展我们的知识面，掌握更加丰富多彩的计算机技术打下了基础。全书13章，内容安排上注重系统性、先进性与实用性。前4章介绍8086/8088微型机系统的组成原理、体系结构、指令系统、汇编语言程序设计方法；第5章讨论存储器的原理和设计方法；第6章讲述I/O接口和系统总线；从第7章开始论述中断系统和接口技术，重点分析了中断控制器8259A、计数器/定时器8253和8254、通用并行接口8255A、通用串行接口8251A、数/模和模/数转换器及DMA控制器8237A，并概述了IBM PC/XT计算机的系统板的工作原理、第13章概要性地介绍了32位微型计算机的基本工作原理，包括32位微处理器的结构和工作模式、寄存器组成、保护模式下的内存管理、32位机新增指令与编程实例及接口技术。 一、计算机的发展计算机的诞生酝酿了很长一段时间，世界上第一台计算机是1946年问世的。 1、第一阶段 电子管计算机(19461957年) 主要特点是： (1)采用电子管作为基本逻辑部件，体积大，耗电量大，寿命短，可靠性大， 成本高。 (2)采用电子射线管作为存储部件，容量很小， 后来外存储器使用了磁鼓存储信息，扩充了容量。 (3)输入输出装置落后，主要使用穿孔卡片，速度慢，容易出去使用十分不便。 (4)没有系统软件，只能用机器语言和汇编语言编程。 2、第二阶段 晶体管计算机 (19581964年)主要特点是： (1)采用晶体管制作基本逻辑部件，体积减小，重量减轻，能耗降低，成本下降，计算机的可靠性和运算速度均得到提高。 (2)普遍采用磁芯作为贮存器，采用磁盘/磁鼓作为外存储器。 (3)开始有了系统软件(监控程序)，提出了操作系统概念，出现了高级语言。 3、第三阶段 集成电路计算机 (19651969年)主要特点是： (1)采用中，小规模集成电路制作各种逻辑部件，从而使计算机体积小，重量更轻，耗电更省，寿命更长，成本更低，运算速度有了更大的提高。 (2)采用半导体存储器作为主存，取代了原来的磁芯存储器，使存储器容量的存取速度有了大幅度的 提高，增加了系统的处理能力。 (3)系统软件有了很大发展， 出现了分时操作系统， 多用户可以共享计算机软硬件资源。(4)在程序设计方面上采用了结构化程序设计，为研制更加复杂的软件提供了技术上的保证。 4、第四阶段 大规模、超大规模集成电路计算机 (1970年至今)主要特点是： (1)基本逻辑部件采用大规模，超大规模集成电路，使计算机体积，重量，成本均大幅度降低，出现了微型机。 (2)作为主存的半导体存储器，其集成度越来越高，容量越来越大；外存储器除广泛使用软，硬磁盘外，还引进了光盘。 (3)各种使用方便的输入输出设备相继出现。 (4)软件产业高度发达，各种实用软件层出不穷，极大地方便了户。 (5)计算机技术与通信技术相结合，计算机网络把世界紧密地联系在一起 (6)多媒体技术崛起，计算机集图象，图形，声音，文字，处理与一体，在信息处理领域掀起了一场革命，与之对应的信息高速公路正在紧锣密鼓地筹划实施当中。二、8086系统结构书本的第二章介绍了8086系统结构。其中寄存器的种类很多，很容易混，先列举如下：CS-代码段寄存器，DS-数据段寄存器，ES-附加段寄存器，SS-堆栈段寄存器。另外还有标志寄存器：CF-进位寄存器，PF-奇偶校验标志位，AF-辅助进位标志位，ZF-全零标志位，SF-符号标志位，OF-溢出标志位，TF-单步标志位，IF-中断标志位，DF-方向标志位，对于这些标志位的熟练掌握，对于我们以后对汇编的学习都有深刻的影响。比如在第三章的学习中，JC，JNC等的选择都与CF的标志位有关系。第二章还简单的介绍了8086CPU的引脚和功能，和8086的储存器组织，对于这些内容的熟练掌握，为我们以后在第五章储存器的学习打下基础。在第二章8086系统的配置中，8086CPU的时序是一个难点，时序图的熟练识别，对以后关于各种芯片时序的学习都有很重要的意义。简单介绍一下BIU与EU的工作过程：总线接口部件（BIU）和执行部件（EU）按以下流水线技术原则协调工作，共同完成所要求的信息处理任务：每当8086的指令队列中有两个空字节，或8088的指令队列中有一个空字节时，BIU就会自动把指令取到指令队列中。其取指的顺序是按指令在程序中出现的前后顺序。每当EU准备执行一条指令时，它会从BIU部件的指令队列前部取出指令的代码，然后用几个时钟周期去执行指令。在执行指令的过程中，如果必须访问存储器或者IO端口，那么EU就会请求BIU，进入总线周期，完成访问内存或者IO端口的操作；如果此时BIU正好处于空闲状态，会立即响应EU的总线请求。如BIU正将某个指令字节取到指令队列中，则BIU将首先完成这个取指令的总线周期，然后再去响应EU发出的访问总线的请求。当指令队列已满，且EU又没有总线访问请求时，BIU便进入空闲状态。在执行转移指令、调用指令和返回指令时，由于待执行指令的顺序发生了变化，则指令队列中已经装入的字节被自动消除，BIU会接着往指令队列装入转向的另一程序段中的指令代码。从上述BIU与EU的动作管理原则中，不难看出，它们两者的工作是不同步的，正是这种既相互独立又相互配合的关系，使得8086/8088可以在执行指令的同时，进行取指令代码的操作，也就是说BIU与EU是一种并行工作方式，改变了以往计算机取指令译码执行指令的串行工作方式，大大提高了工作效率，这正是8086/8088获得成功的原因之一三、8086的寻址方式和指令系统第三章的主要的内容是一些指令，如数据传送指令，算数运算指令，逻辑运算和移位指令等，这些都是汇编的基础，也是最琐碎的一章，在刚开始进行学习时，对于其中的很多指令，格式都感到难以理解，无法记忆，比如MOV AX,2000H的意义是操作数的物理地址=16*DS+2000H，又如MOV AX,ES:500H实现段超越，物理地址为16*ES+500H，加法：ADD(加法),ADC（带符号的加法），INC（增量）DAA（加法的十进制调整），减法：SUB（减法），DAS（减法的十进制调整），乘法：MUL，NOT（取反）AND（与）OR(或)XOR(异或)TEST（测试）SHL（逻辑左移）SHR（逻辑右移），特别是一些关于字符串的处理指令，还有隐含规定，这些死记硬背是没用的，可以在第四章的学习中结合汇编语言程序的实例加以理解，记忆。比如对寻址方式小结：固定寻址：操作数固定在某个寄存器中，寄存器寻址：操作数在某个寄存器中，立即数寻址：操作数就是操作码后跟的立即数。又如，MOV d, s它的功能是将源操作数s复制到目标操作数d，源保持不变，目标被源代替。在这条指令中应当注意的是 d, s不能同时为存储器如：MOV BX，SI 就是错误的 ， d不能为立即数 错误指令如：MOV 1234H，AX 第三， d, s必须同时为字节型或字型错误指令如：MOV AX，BL。指令后的分号“；”以后为注释部分，对指令的执行没有任何影响，主要是便于阅读或解释指令的功能。这些都可以在以后的学习中加以深化，经常看一些经典程序，有利于我们对这些指令的理解。四、汇编语言程序设计汇编语言是一种利用指令助记符、符号地址、标号来编写的计算机语言。是机器语言的符号表示，是面向机器的语言，是较低级的语言。利用汇编语言编写的程序称为源程序，需要通过汇编程序翻译成二进制代码的目标程序，再经过与库文件的连接，最后得到可执行文件程序，才能在机器上直接运行。第四章主要内容是汇编语言语句类别、MASM的运算符及其表达式、伪指令语句格式和作用、基本程序结构、调用程序和被调用程序之间的数据传送途径以及汇编源程序上机调试过程。第四章的重点是阅读程序和编写程序。本章知识要点如：汇编语言语句类别：实指令语句、伪指令语句、宏指令语句，程序基本机构：顺序结构、分支结构、循环结构、过程（子程序）-参数传递途径：寄存器约定、存储器约定、堆栈传递，程序开发步骤：编辑-汇编-链接-调试程序。伪指令语句：符号定义指令EQU、=，数据定义伪指令DBDWDD,段定义伪指令SEGMENTENDS,过程定义伪指令PROCENDP段指派伪指令ASSUME程序定位伪指令ORG汇编结束伪指令END。伪指令语句中的名字可以是变量名、段名、过程名。标号的段属性是定义标号在程序段的段地址。当程序中引用一个标号时，该标号的段值应在CS寄存器中。标号的偏移量属性表示标号所在段的起始地址到定义该标号的地址之间的字节数。偏移量是一个16位无符号数。标号的类型属性有两种：NEAR和FAR。前一种标号可以在段内被引用，地址指针为2字节；后一种标号可以在其他段被引用，地址指针为4字节。如果定义一个标号时后跟冒号，则汇编程序确认其类型为NEAR。变量也有三种属性：段、偏移量和类型。变量的段属性是变量所代表的数据区所在段的段地址。由于数据区一般在存储器的数据段中，因此变量的段地址常常在DS和ES寄存器中。变量的偏移量属性是该变量所在段的起始地址与变量的地址之间的字节数。变量的类型属性有BYTE(字节)、WORD(字)、DWORD(双字)、QWORD(四字)、TBYTE(十字)等，表示数据区中存取操作对象的大小。五、存储器半导体存储器是指用半导体器件作为存储器介质的存储器。目前，计算机的内存储器（主存储器）都由半导体存储器芯片担任。本章讨论半导体存储器芯片的类型、存储原理、使用场合、引脚功能、如何与CPU（或系统总线）连接等问题。在学习时要知道存储器芯片的存储容量的计算方法（单元数X位数/单元）,掌握常用芯片的的存储特点和使用场合，存储芯片的常用引脚及其功能要知道，在扩展时要会计算所需存储器的数量，有关存储器芯片与系统总线或CPU得连接问题，会计算各存储器的芯片地址范围。存储容量是存储器系统的首要性能指标，因为存储容量越大，则系统能够保存的信息量就越多，相应计算机系统的功能就越强；存储器的存取速度直接决定了整个微机系统的运行速度，因此，存取速度也是存储器系统的重要的性能指标；存储器的成本也是存储器系统的重要性能指标。为了在存储器系统中兼顾以上三个方面的指标，目前在计算机系统中通常采用三级存储器结构，即使用高速缓冲存储器、主存储器和辅助存储器，由这三者构成一个统一的存储系统。从整体看，其速度接近高速缓存的速度，其容量接近辅存的容量，而其成本则接近廉价慢速的辅存平均价格。六、I/O接口和总线I/O接口是输入输出接口电路的简称.他通过地址总线,数据总线和控制总线与cpu相连,是连接机箱内部设备和外围设备的一个枢纽,在计算机借口中处于极其重要的地位通常把介于主机和外设之间的一种缓冲电路称为I/O接口电路，简称I/O接口(Interface)，对于主机，I/O接口提供了外部设备的工作状态及数据；对于外部设备，I/O接口记忆了主机送给外设的一切命令和数据，从而使主机与外设之间协调一致地工作。微型计算机系统中I/O端口编址方式有两种：I/O端口与内存单元统一编址和 I/O端口与内存单元独立编址。七、微型计算机中断系统第七章我们主要了解了微机的中断系统，在CPU执行程序的过程中，出现了某种紧急或异常的事件(中断请求)，CPU需暂停正在执行的程序，转去处理该事件(执行中断服务程序)，并在处理完毕后返回断点处继续执行被暂停的程序，这一过程称为中断。中断传送方式的优点是：CPU不必查询等待，工作效率高，CPU与外设可以并行工作；由于外设具有申请中断的主动权，故系统实时性比查询方式要好得多。但采用中断传送方式的接口电路相对复杂，而且每进行一次数据传送就要中断一次CPU，CPU每次响应中断后，都要转去执行中断处理程序，且都要进行断点和现场的保护和恢复，浪费了很多CPU的时间。故这种传送方式一般适合于少量的数据传送。八、可编程计数器/定时器8253/8254及其应用第八章主要内容是：定时器/计数器的应用场合；如何实现定时/计数；可编程计数器/定时器8253芯片的内部结构、引脚功能、计数原理、6种工作方式下的工作条件和输出波形特征。重点是8253芯片的实际应用。8253的引脚功能：与系统总线相连：数据引脚D0D7、地址引脚A1、A0、控制引脚RD/CS/WR；通道引脚CLKGATEOUT其他引脚GNDVCC可编程计数器/定时器8253的工作方式：方式0：计数结束中断方式，方式1：可编程单稳态输出方式，方式2：比率发生器（分频器），方式3：方波发生器，方式4：软件触发选通，方式5：硬件触发选通。九、可编程外围接口芯片8255A及其应用第九章主要内容是并行输入/输出接口概念，可编程并行输入/输出接口芯片8255A的内部结构、引脚功能、3种工作方式下的输入输出工作过程及其实际应用。3种工作方式：方式0：基本输入/输出，方式1：选通输入/输出，方式2：双向传送8255A的引脚：与系统总线相连：数据引脚D0D7,地址引脚A1A0,控制引脚RDCSWRRESET;端口线：端口PA7PA0；端口C：PC7PC4PC3PC0；端口B：PB7-PB0；其他引脚：GNDVCC8255A的基本特性：1、8255A是一个具有两个8位（A和B口）和两个4位（C口高低四位），最多可达24位的并行输入输出端口的接口芯片，它为Intel系列CPU与外部设备之间提供TTL电平兼容的接口，如打印机、AD、DA转换器、键盘、步进电机以及需要同时两位以上信息传送的一切形式的并行接口。并且它的PC口还具有按位置位复位功能，为PC口作为联络信号时的按位控制提供了强有力的支持。2、8255A能适应CPU与IO接口之间的多种数据传送方式的要求。如无条件传送，应答方式（查询）传送，中断方式传送，与此相应，8255A设置了方式0、方式1以及方式2（双向传送）。3、8255A可执行功能很强，内容丰富的两条命令（方式字和控制字）为用户如何根据外界条件（IO设备需要哪些信号线以及它能提供哪些状态线）来使用8255A构成多种接口电路，为组建微机应用系统提供了灵活方便的编程环境。它不仅作为并行接口用于Intel公司的CPU 系列，还可用于其他几乎所有CPU以及单片机。是一种名付其实的通用并行接口芯片。8255A执行命令过程中和执行命令完毕之后，所产生的状态，保留在状态字中，以供查询。4、8255A PC口的使用比较特殊，除作数据口外，当工作在1方式和2方式时，它的部分信号线被分配作专用联络信号；PC 口可以进行按位控制；在CPU取8255A状态时，PC口又作1，2方式的状态口用等等。这是使用8255的难点所在，学习时要特别予以注意。5、8255A芯片内部主要由控制寄存器、状态寄存器和数据寄存器组成，因此，以后的编程主要也是对这三类寄存器进行访问。十、串行通信和可编程接口芯片8251A串行接口与通信概述：1、并行通信与串行通信数据通信的基本方式可分为两种：并行通信与串行通信a.并行通信是指利用多条数据传输线将一个数据的各位同时传送。特点是传输速度快，适用于短距离通信。b.串行通信 是指利用一条传输线将数据一位位地顺序传送。特点 是通信线路简单，利用电话或电报线路就可实现通信，降低成本，适用于远距离通信，但传输速度慢。2、串行通信方式串行通信分为两种方式：异步通信（ASYNC）与同步通信(SYNC)。a异步通信及其协议异步通信以一个字符为传输单位，通信中两个字符间的时间间