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微机原理与接口技术 第一章微机接口技术基础 随着微机的普及和广泛应用 其接口技术已成为十分重要的技术 微机的强大功能往往是由接口外围设备的能力和处理外界信息的能力表现出来的 本章将详细介绍有关微机接口的基础知识 1 1微型计算机 微型计算机以微处理器为基础 配以内存储器以及输入输出 I O 接口电路和相应的辅助电路而构成的裸机 1 微机的发展与应用 世界上第一台电子计算机诞生于1946年2月在美国宾西法尼亚大学问世 它是由18000多个电子管和1500多个继电器组成 功率150千瓦 重30吨 占地约167平方米 它能够按人预先编排和规定 自动 精确 快速地进行各种复杂的计算 其计算效率此人工提高了几千倍 且具有存贮记忆功能 此后的几十年来计算机的技术获得了飞速的发展 现在的计算机主要分为 大型计算机 中型计算机 小型计算机 微型计算机 并朝着巨型化 微型化 网络化和智能化的方向发展 归纳起来计算机的发展可发为四个阶段 2 微机的基本组成 微型计算机由运算器 控制器 存储器 输入设备和输出设备等五大部分组成 通常把运算器和控制器合称为中央处理器CPU CentralProcessing nit 而把CPU和存储器合称为计算机的主机 而把输入设备和输出设备以及外存储器的称为外部设备 简称外设 1 2微型计算机系统 微型计算机系统是以微型计算机为主体 并配备相应的外围设备和系统软件就构成了微型计算机系统 1 2 1微型计算机的工作原理 1 计算机执行程序的过程2 计算机工作过程 1 2 2微型计算机的系统配置 1 启动BIOS设置程序SETUP2 系统配置 1 2 3微型计算机的主要性能指标 1 2 4微型计算机病毒与防治 1 3计算机的数制及编码 1 3 1数制1 3 2数值型数据在计算机中的表示方式1 3 3编码1 3 4数据在计算机中的存储方式 第二章8086 8088微处理器及其系统结构 Intel8086是一种16位的微处理器 8088内部总线为16位 外部总线为8位 故称为准16位微处理器 它采用HMOS工艺40条引脚封装 8086工作时 使用5V电源 时钟频率5MHz 8086 1为10MHz 8086 2为8MHz 它具有20根地址线 故可寻址的内存空间为1M字节 2 1微处理器的基本结构 2 28086 8088CPU的主要特性及内部结构 2 38086 8088CPU的工作模式和管脚功能 2 3 1工作模式1 最大工作模式2 最小工作模式2 3 2管脚功能 2 48086 8088的存储器管理 2 4 1存储器的分段和物理地址的形成2 4 28086系统中存储器的分体结构2 4 38086 8088系统中的堆栈操作 2 58086 8088的总线操作和时序 2 5 1时钟周期 总线周期和指令周期2 5 2基本总线周期2 5 3典型总线周期2 5 4启动和复位操作 第三章8086 8088的指令系统 指令是计算机执行某种操作的命令 计算机为了完成不同的功能而要执行不同的指令 一台计算机能够识别和执行的全部指令称为该计算机的指令系统或指令集 8086和8088的指令系统完全相同 8086 8088是8位微处理器8080 8085由8位向16位扩展的产物 因而其硬件系统和指令系统都具有较强的向上兼容性 机器指令是CPU仅能识别的指令的二进制代码 也称机器码 汇编指令格式由操作码和操作数两部分组成 有些指令无操作数 操作码规定了指令的操作性质 用助记符表示 操作数规定了指令的操作对象 3 18086 8088的寻址方式 8086 8088的寻址方式分为两类 指令地址的寻址方式和操作数的寻址方式 指令地址的寻址方式主要是转移指令和调用指令的目标地址的形成方式 这一问题将在讲述转移指令时说明 本节只讲述操作数的寻址方式 3 28086 8088指令系统 3 2 1数据传送指令3 2 2算术运算指令3 2 3逻辑运算与移位指令3 2 4串操作指令3 2 5控制转移指令3 2 6处理器控制指令 第四章汇编语言程序设计 汇编语言程序与计算机的结构特点密切相关 它具有执行速度快及容易实现对硬件的控制等优点 常用于系统软件编制及实现时控制等微机应用软件的开发中 本章主要介绍8086 8088汇编语言源程序的基本结构 语法规则 程序设计的方法和技巧 并举例对微机中常驻机构用程序进行分析 以便于工作掌握编程的基本规律 4 1概述 随着计算机技术的发展 程序设计语言也从低级向着高级发展 分为机器语言 汇编语言和高级语言三种不同层次的语言 机器语言是用二进制编码的机器指令来编写程序 早期的计算机就使用机器语言编程 机器语言面向机器 能直接被计算机识别和执行 通常机器语言程序又叫目标程序 执行时速度最快 程序占内存空间最少 但机器语言程序很不直观 无论编程和阅读都十分因难 查错和修改也很费力 所以现在很少有人直接用机器语言进行计算机程序设计 高级语言 如PASCAL C语言等 是独立于机器的通用语言 它更接近人们熟悉的自然语言 汇编语言是用指令的助记符 符号地址 标号等写程序的语言 通常 一个助记符表示一条机器指令 汇编语言也是面向机器的 它同具体机器联系紧密 用汇编语言编写程序可以充分利用机器的硬件资源特性 如寄存器 标志 存储器 中断系统等 更有效地使用机器 4 2汇编语言源程序结构与语句格式 4 2 1汇编语言源程序的结构一个完整的汇编语言源程序的结构是怎样的 其语法又有什么规定 下面通过一个简单的源程序实例 来了解源程序的框架结构及其语法规定和格式 4 2 2汇编语言的语句格式 一 汇编语言的语句分类汇编语言程序在汇编时 是以语句为基本单位的 汇编语言有三种基本语句 即指令语句 伪指令语句和宏指令语句 每个指令语句对应于CPU指令系统中的一打指令 是可执行的语句 对每个语句 汇编时将产生对应的目标代码 伪指令语句不产生任何目标代码 它是一种指示性语句 只是指示汇编程序如何进行汇编 只有在汇编和连接时才起作用 宏指令语句是以宏名字定义的一段指令序列 是一般性指令语句的扩展 汇编时凡是有宏指令语句之处都将用相应指令序列的目标代码插入 二 汇编语言语句的格式指令语句的格式为 标号 助记符号操作数 注释伪指令语句的格式为名字定义符号参数 参数 注释 4 3伪指令 伪指令是用来对汇编程序进行控制 在汇编过程中由汇编程序进行处理 例如定义数据 定义符号 分配存储单元 定义段及定义过程等 伪指令并不产生目标代码 即不直接命令CPU去执行什么操作 MASM宏汇编语言有近60种伪指令 本节只价绍一些常用的伪指令 4 4程序设计的基本方法 4 4 1概述8086 8088CPU将存储器分成若干段 每个段是可独立寻址的基本单位 一个段就是一些指令和数据的集合 汇编语言源程序就建立在段结构的基础上 一个程序一般可分成数据段 附加段 代码段 至于具体多少段 这完全视需要而定 而每段的段址分别存入段寄存器DS ES SS CS中 4 4 2顺序程序设计 顺序程序是指程序在执行时是完全按照指令的存放顺序从第1条开始逐条执行 直到最后一条指令为止 中间既无分支又无循环和转移的程序 用顺序程序能较好完成一些基本功能 例如数据的传送和交接 查找 代码转及算术运算等 它是构成复杂程序的基础 4 4 3分支程序设计 计算机之所以能解决复杂的问题 主要是因为它有判断能力 能根据给定的条件进行判定 作出相应的处理 分支程序设计的关键在于准确使用状态标志位和选择条件转移指令 来构造分支 8086 8088指令系统提供了许多分支转移指令 它们为程序分支的实现提供了可能性 分支程序结构有2种基本形式 二路分支结构和多路分支结构 4 4 4循环程序设计 在程序设计的实际应用中 经常遇到一段程序段需要多次重复执行 对这类问题采用循环程序结构 可使程序长度缩短 并节省内存 4 4 5子程序设计 在程序设计中 会经常在其中的一个或多个程序中用到一些操作完全相同的程序段 为了减少设计工作量 节省存储空间 往往将这些程序段独立出来 放在一个存储区域成为公用的程序段 这称为子程序或过程 调用子程序的程序称为主程序或调用程序 主程序与子程序是相是相对的 如程序 调用程序 程序 又调用程序 那么程序 对程序 来说是主程序 而对程序 来说又是子程序 4 4 6DOS系统功能调用 DOS为用户提供了80多个子程序 可供选程序员直接调用 DOS规定用软中断指令INT21H进入各功能调用子程序的总入口 再为每个功能调用以附录了附在书后 子程序的入口参数和出口参数在每个功能调用的使用说明中可以查到 DOS提供了80多个功能子程序 分为 个主要方面 基本输入输出管理 内存储器读写管理 磁徽盘文件的读写管理 时间 日期的设置功能 程序员不必弄清有关的外设 电路和接口等细节 只须直接调用即可 第五章输入 输出接口技术 微型计算机与外界交换信息称为输入或输出 输入和输出设备 称为I O设备或外设 是计算机系统的重要组成部分 计算机通过它们与外界进行数据交换 如原始数据及各种现场采集到的信息 都必须通过输入设备输入到计算机 而计算机也需要把计算的结果或各种控制信息传送到各个输出设备 以实现显示 打印等各种控制动作 常用的输入输出设备有键盘 鼠标 CRT显示器 数码显示器 打印机和扫描仪等 5 1I O接口 微型计算机与外界交换信息称为输入或输出 输入和输出设备 称为I O设备或外设 是计算机系统的重要组成部分 计算机通过它们与外界进行数据交换 如原始数据及各种现场采集到的信息 都必须通过输入设备输入到计算机 而计算机也需要把计算的结果或各种控制信息传送到各个输出设备 以实现显示 打印等各种控制动作 常用的输入输出设备有键盘 鼠标 CRT显示器 数码显示器 打印机和扫描仪等 5 1 1接口信息 不同的外部设备 使用的场合不相同 CPU与外部设备之间需要传送的信息也不相同 外部设备与CPU之间交换的信息如图5 1所示 可以分为3类 分别是数据信息 状态信息和控制信息 5 1 2接口功能 各类外部设备和存储器 都是通过各自的接口电路连到微机系统总线上去的 因此用户可以根据自己的要求 选用不同类型的外设 设置相应的接口电路 把它们连到系统总线上 构成不同用途 不同规模的应用系统 5 2I O端口及其编址方式 CPU对外设的访问实际上是对I O接口电路中相应的I O端口进行访问 了解I O端口及其编址方式是设计I O接口电路的基础 5 2 1I O端口5 2 2I O端口的编址方式1 I O统一编址方式2 I O独立编址方式 5 3CPU与外部设备之间的数据传送方式 CPU为与各种不同的外设进行数据传送 必须采用多种控制方式 CPU与外设的数据传送方式通常有三种 程序控制方式 中断方式和DMA 直接存储器存取方式 方式 5 3 1程序控制传送方式 程序传送方式是指CPU与外设间的数据传送是在程序控制下实现的 可分为无条件传送和查询传送 5 3 2中断传送方式 通常是在程序中安排好在某一时刻启动外设 然后CPU继续执行其程序 当外设完成数据传送的准备后 向CPU发出中断请求信号 在CPU可以响应中断的条件下 CPU暂停正在运行的程序 转去执行中断服务程序 在中断服务程序中完成一次CPU与外设之间的数据传送 传送完成后立即返回 继续执行原来的程序 5 3 3DMA方式 外设与内存间搂据传送不经过CPU 传送过程也不需要CPU干预 在外设和内存间开设直接通道由一个专门的硬件控制电路来直接控制外设与内存间的数据交换 从而提高传送速度和CPU的效率 CPU仅在传送前后及传送结束后花很少的时间做一些善后处理 这种方法就是直接存储器存取方式 简称DMA方式 用来控制DMA传送的硬件控制电路就是DMA控制器 5 4DMA控制器8237A DMA技术是一种代替微处理器完成存储器与外设或存储器之间大数据量传送的方法 也称直接存储器存取方法 在DMA技术中 数据的传送是在DMA控制器控制下进行的 DMA控制器是一种独立于微处理器进行操作的专用芯片或电路 5 4 18237A的基本功能和内部结构及其管脚 5 4 28237A的工作方式 8237A进行DMA传送时 可有以下几种称工作方式 1 单字节传送模式 即每进行一次DMA传送只传送一个字节的数据 DMA控制器就释放总线 交出总线控制权 这种模式下 CPU至少可以得到一个总线周期做其它的处理 DMA控制器若仍要获得总线控制权以便继续数据传送 还可再提出总线请求 2 成批传送模式成批传送模式也叫块传送模式 就是一次DMA传送连续传送一批数据 然后才释放总线 交出总线控制权 3 请求传送模式该模式与成批传送模式类似 只不过每传送一个数据后总要测试外设的DMA请求信号 如DREQ 当该信号仍有效时 则连续传送 若该信号已无效 则暂停DMA传送 待该信号再次有效后 继续接着传送 4 级联传送模式级联模式 就是用多个DMA控制器级联起来 同时处理多台外设的数据传送 当系统中接有多台高速外设时采用该方式 5 4 38237A的寄存器组5 4 48237A的编程1 8237A的编程步骤2 软件命令3 编程举例 第六章中断处理技术 从第五章的介绍可以看到 中断方式实际上是外设与CPU交换数据的一种方式 然而中断并不止局限于这样的应用 中断还有许多别的功能 较广意义上的中断是指暂停当前CPU正在执行的程序 而跳转执行相应的中断服务程序 在中断服务程序执行完毕后 再返回到原程序执行的这样一种工作方式 本章将详细讨论中断在计算机系统中的作用 以及常用的中断控制器8259A 6 1中断的基本概念 中断是微处理器程序运行的一种方式 中断是指CPU在正常运行程序时 由于内部或外部事件引起CPU暂时中止执行现行程序 转去执行请求CPU为其服务的那个外设或事件的服务程序 待该服务程序执行完后又返回到被中止的程序这样一个过程 6 28086 8088中断系统 8086 8088有一个简单而灵活的中断系统 对于中断硬件设计及软件编制都比较方便 6 2 1中断类型6 2 2中断优先级6 2 3中断向量和中断向量表6 2 4中断向量的装入及修改6 2 58086 8088CPU的中断处理流程 6 3可编程中断控制器8259A 8259A是一种可编程的中断控制器 单片8259A可以处理8级的优先权的中断 使用1片主片和8片从片级连可以扩展到64级 8259A可以协助CPU进行中断处理 通过它可以完成以下几个任务 1 先级排队管理 根据任务的轻重缓急或设备的特殊要求 分配中断源的中断等级 8259A具有全嵌套 循环优先级 特定屏蔽多种方式的优先级排队管理 2 接受外部设备的中断请求 经过优先权判决找到哪一个中断源的中断请求级别最高 然后再向CPU提出中断申请INT 或者拒绝外设的中断请求 予以屏蔽 3 提供中断类型号 为CPU实现程序的转移给出中断服务程序入口地址指针 8259A最突出的特点是具有对中断服务程序入口地址的寻址能力 也就是当CPU响应中断申请时 通过8259A提供的中断类型号可以获得中断服务程序的入口地址 转移到中断服务子程序去执行 第七章定时计数技术 定时与计数技术在计算机系统中应用十分广泛 如在微机系统中的时钟日历 动态存储器的刷新 扬声器的发声 实时控制系统中的定时检测 定时扫描 定时中断 多任务分时系统中对任务的调度等都需要用定时器提供时钟信号 许多应用场合也要求计数器对外部事件进行计数 7 1概述 定时或延时可采用三种方法 1 软件定时编写一段延时程序是一种常用的方法 这种方法通用性 灵活性好 但要占用CPU时间 不易产生精确的时间间隔 一般应用于对定时要求不高的场合 2 硬件定时设计数字逻辑电路实现定时要求 例如单稳延时电路 其优点是电路简单 不占CPU时间 但要改变定时时间的话 则必须改变电路的参数 通用性 灵活性差 3 可编程定时器 计数器 7 2可编程定时器 计数器8253 8253的基本功能如下 1 片内含有3个独立的16位减法计数器 或计数通道 分别称为计数器0通道 1通道 2通道 每个计数器又分成两个8位计数器 2 每个计算器有两种计数方式 二进制计数或BCD码计数 3 计数频率为0 2 6MHZ 4 每个计数器具有六工作方式 5 可作计数器或定时器 在PC机中 计数器0通道用作时钟的基准时间 计数器1通道用于动态存储器刷新的定时中断 计数器2通道用于控制系统中扬声器发声 第8章串行通信接口技术 接口通常是微机总线与外设之间的数据交互媒介 随着微型计算机网络及多微机系统的应用日益广泛 通信技术的应用也随之日益普及 通信接口技术的研究十分必要 而串行通信接口技术是通信接口技术的一个重要内容 因而具有研究价值 8 1串行通信 本节介绍与串行通信有关的基本概念 分类及数据传送方式 这是学习串行通信接口技术的基础 8 1 1串行通信的基本概念 通信既包括计算机与外部设备之间 也包括计算机与计算机之间的信息交换 通信有两种方式 串行通信和并行通信 串行通信是指将数据分解成二进制位用一条信号线 一位一位顺序传送的方式 串行通信的优势主要有 用于通信的线路少 因而在远距离通信时可以极大地降低成本 适合于远距离数据传送 也常用于速度要求不高的近距离数据传送 8 1 2串行通信的分类 由于信息在一个方向上传输只占用一根传输线 而这根线上既传送数据 又传送联络信号 为此为区分这根线传送的信息流中 哪一部分是联络信号 哪一部分是数据 就必须引出串行通信的一系列约定 于是 在串行通信中就有异步通信和同步通信两种基本串行通信方式 8 1 3串行数据传送方式 在串行通信中 数据通常是在两个站 如终端和微机 之间进行传送 按照数据流的方向可分成三种基本的传送模式 这就是单工方式 半双工方式和全双工方式 8 2RS 232C串行接口标准 RS 232标准 协议 是美国EIA 电子工业联合会 与BELL等公司一起开发并于1969年公布的通信协议 它是目前最常用的一种串行通信接口标准 它适合于数据传输速率在0 20000b s范围内的通信 目前已广泛用于计算机接口与终端或外设之间的连接 这个标准对串行通信接口的有关问题 如信号线功能 机械特性 电气特性都作了明确规定 8 3可编程串行接口芯片8251A 可编程串行接口芯片8251A适用于串行输入 输出数据的外部设备 当计算机发送数据给串行输入 输出数据的外部设备时 需要串行接口将CPU输出的并行数据转化为串行数据 然后一位接一位地传送给外部设备 同样 当串行输入 输出数据的外部设备发送数据给计算机时 需要把外部设备送来的串行数据转化为并行数据 然后再送入CPU进行处理 8251A可以通过初始化编程实现同步发送与接收以及异步发送与接收两种通信规程 第九章并行通信接口技术 由于微机总线上的数据都是并行传送的 所以以并行传送方式实现的接口是非常多的 并行接口是微机系统实现输入输出的主要部件之一 和串行接口技术一样 也是一个通信接口技术的重要内容 具有研究价值 9 1并行通信接口技术概述 并行接口可设计为只作为输入 输出接口 也可设计为既作为输入又作为输出的接口 它可以用两种方法实现 一种是利用同一个接口中的两个通道 一个作输入通道 一个作输出通道 另一种使用同一个双向通道 既作为输入又作为输出 并行接口的组成结构 根据并行接口的功能 它应该包括如下几个部分 1 数据寄存器 2 状态寄存器 3 控制寄存器 4 其它控制电路 9 2可编程并行通信接口芯片8255A 8255A是一种通用的可编程并行接口芯片 能够方便地8086 8088微机系统中实现并行输入 输出 通过编程选择许多种功能方式 所谓可编程实际上是指具有广泛的通用性 例如 选择芯片不同的工作方式 选择端口中的哪一端口作输入 哪一端口输出 选择端口与CPU之间采用哪种方式传送数据等 均可由用户在程序中写入方式字来进行指定 因此 它们具有广泛的适应性及很高的灵活性 这样的接口芯片称为通用接口芯片 第十章半导体存储器及接口 存储器是计算机中具有记忆功能的部件 用来存放程序和数据 是计算机的主要组成部分 存储器的容量越大 其存储的信息就越多 计算机处理的信息的能力就越强 10 1概述 微机系统一般使用半导体存储器 放在主机内的存储器称为内存储器或主存储器 简称内存或主存 用来存放当前与CPU频繁交换的信息 其工作速度快 但容量较小 它是计算机主机的一部分 CPU可以直接用指令对内存进行读写 另一类是外部存储器 其存储容量大 速度较慢 放在主机之外 也称海量存储器 如磁盘 磁带 光盘等 用来存放当前暂时不用的程序或数据 CPU不能直接用指令对外存进行读写 其信息需要使用时 必须先把它调入内存 再由CPU处理 本章主要介绍半导体存储器的分类 主要指标 半导体存储器的组成结构 基本工作原理及各类半导体存储器与CPU的连接方法 10 1 1半导体存储器的分类 半导体存储器的种类很多 按存取方式分为两大类 1 随机存取存储器 RAM 2 只读存储器 ROM 10 2随机读写存储器 RAM 随机读写存储器是指可以随时读出或写入信息的存储器 根据存储原理的不同 又可分为静态RAM 即SRAM 和动态RAM 即DRAM 两种 10 3只读存储器 ROM ROM存储的信息是非失的 亦即掉电后ROM中的信息保持不变 它的内容是预先写入的 编程后用于用户系统时其内容只能读出 不能写入 常用来存放固定的程序和参数 字库 某些语言的编译 解析程序 10 4存储器与CPU的连接 内存储器接口主要解决半导体存储器与CPU的连接问题 在微机中 CPU通过系统总线与存储器相连接 因而主要是地址线 数据线和控制如何连接的问题 数据线的连接 是将系统的数据总线与存储器的数据线相连接 地址线的连接 系统的低位地址经可直接连到所有存储器芯片 实现存储器芯片的片内寻址 系统总线的高位地址线与CPU的控制信号如结合 产生存储器芯片的片选信号 实现片向寻址 控制线的连接 系统控制总线的读写控制需要与存储器芯片的控制线相连接 第十一章数 模转换及模 数转换技术 在实时控制和测量系统中 常需用将检测到的模拟信号的模拟如温度 压力 流量等转换为信号 才能被微型机接受 把将换似量转变为数字量的器件为A D转换器 微型机所处理加工的信息是数字量 不能用它去直接控制执行机构 需要将它转变为模拟信号 才去控制和驱动执行机构 这种将数字量转换为模拟量的器件称为D A转换器 11 2数换 D A 转换器 D A转换器的作用是将数字量转换为模拟量 而要实现将一个数字转换为模拟量 就是将每一位上的代码按权转为对应的模拟量的和即为对应的模拟量 在集成电路中 通常采用T型网络将数字量转换为模拟电流 再用运算放大器将模拟电流转换为模拟电压 11 3模 数 A D 转换 A D转换器是微机应用系统的一种重要接口 数据采集系统中就包含这种接口 它能接收外界的模拟信号 并将其转换成相应的数字信号送给微型计算机 A D转换器种类很多 如计数式A D变换器 并行比较式A D转换器 双积分式A D转换器 逐次逼近式A D转换器等 下面以常用的逐次逼近式A D转换器为例说明A D转换器的工作原理 第十二章总线技术 总线技术是微机接口技术的一项重要技