《微型计算机技术》学习辅导PPT参考课件.ppt

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 2 1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 3 2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 4 2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 5 2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 6 2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 7 2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 8 2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 9 2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 50 m 80088080 8085 8086 808880286 80386 80486Pentium PentiumPro Pentium Pentium Pentium 4200万 0 13 m 集成电路技术的发展是基础高性能 低能耗 高速度 低成本 19 Intel4004 20 Intel8088 21 IntelPentium 22 IntelPentium 23 主频为3 2G的Intel处理器 处理器核心 Prescott和Northwood 24 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150kw5000次 秒 27 电子计算机的发展 ENIAC 28 电子计算机的发展 ENIAC 29 电子计算机的发展 ENIAC 30 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 2353 CPU NSGeodeGX1 300芯片组 NSCS5530A内存 在板64MBSDRAMVGA 支持VGA和VESA 最大可达1280 x1024和1024x768LCD接口 18位LCD信号输出网口 10 100MbpsAudio AC97尺寸 68mmx100mm功耗 5V 1 6A 34 EmbeddedSolution OS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Pentium 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Pentium 8086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Pentium 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 46 8086CPU Intel 1978年 16位29000个晶体管 3 m40pin 双直列封装5MHz 8MHz 10MHz 47 8086CPU结构图 48 8086CPU内部结构 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 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 52 内部寄存器结构 53 标志寄存器 PSW 54 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 55 8086CPU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 56 8086CPU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 57 8086CPU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 58 8086CPU的引脚 控制总线 BHE S7高8位数据允许 状态MN MX最小 最大模式RD读选通WR写选通 ALE地址锁存允许DEN数据允许DT R数据发送 接收READY准备就绪 59 8086CPU的引脚 控制总线 INTR可屏蔽中断请求INTA中断响应NMI不可屏蔽中断请求RESET复位 FFFF0H开始 HOLD总线保持请求HLDA总线保持响应CLK时钟VCC GND 5V 信号地 60 8088与8086的差异 8088外部8位数据总线4字节指令队列IO M准十六位CPU 8086外部16位数据总线6字节指令队列M IO十六位CPU 61 8086系统配置 8086最小模式系统8088最小模式系统 62 8086最小模式系统 63 地址锁存8282 64 双向数据总线收发器8286 1 0 65 8088最小模式系统 66 480X86微处理器的基本时序 理解8086微处理器的总线时序 8086执行指令涉及三种周期 即时钟周期 总线周期和指令周期 首先要掌握这三种周期的区别与相互之间的联系 时钟周期T是CPU的时钟频率的倒数 总线周期是完成一次总线操作所需的时间 一般包含多个T 典型4个 指令周期是执行一条指令所需的时间包含多个总线周期 67 480X86微处理器的基本时序 其次要掌握几种基本总线周期 例如读操作 写操作 中断响应周期和系统复位等 的时序关系 要求结合8086微处理器的引脚信号的功能理解三总线信号在这些典型的总线周期中出现的时间关系 从而为学习8086微处理器同内存储器及I O设备的接口作准备 68 8086CPU时序概念 指挥 CLK时钟周期CPU的时钟频率的倒数 T总线周期完成一次总线操作所需的时间 多个T 典型4个 指令周期执行一条指令所需的时间 多个总线周期 69 时钟周期或状态周期 8086CPU内部的逻辑操作以及与外部存储器和I O交换数据进行的总线操作全部由CPU的时钟来定时的 CPU的基本定时单位称为时钟周期或者状态周期 假设8086的主频为10MHz 一个时钟周期为100ns 70 总线周期及其典型示意图 CPU为了读取指令或传送数据 需要通过总线接口部件BIU与存储器或I O接口进行信息交互 执行对总线的操作 进行一次数据传送的总线操作定义为一个总线周期 71 总线周期 读操作 72 总线周期 写操作 73 中断响应周期 INTA 74 中断响应周期 INTA 第一个INTA周期通知外设接口 或中断控制器 准备好中断类型信息第二个INTA周期放出中断类型号数据CPU从DB获取中断类型号 第三章内存储器及其接口 76 本章重点与难点内容 本章主要讨论内存储器及其接口 主要内容包括三部分 第一部分介绍三类典型的半导体存储器芯片 SRAM芯片HM6116 DRAM芯片Intel2164和EPROM芯片Intel2732 的结构 工作原理和外特性 在此基础上 第二部分重点讲述半导体存储器芯片同微处理器接口的基本技术 77 本章重点与难点内容 特别是在第三部分介绍16位和32位微机系统中存储器接口技术 要求深刻理解三类典型半导体存储器芯片的外特性和读写过程 以及常用译码器 如74LS138 的特性和应用 重点掌握存储器接口的基本技术 难点是16位和32位微机系统中存储器接口的技术特点 78 1半导体存储器 存储器是计算机系统中重要的组成部分 用于存放计算机系统工作时所用的信息 首先要求掌握存储系统概念 存储器系统的体系结构 内存储器中的数据组织 存储器的分类及半导体存储器芯片的主要性能指标 对于三类典型半导体存储器芯片 SRAM芯片HM6116 DRAM芯片Intel2164和EPROM芯片Intel2732 的结构 工作原理和外特性 要求了解各引脚的功能 79 存储器概述 计算机中用来存储程序和数据的部件表征计算机的记忆能力存储器多种分类 80 存储器分类 存储器按用途可分为 内存储器 主存 与外存储器 辅存 存储器按用途可分为 TTL型 双极型 与MOS型 单极型 存储器按存取方式可分为 RAM与ROM 81 存储器概述 存储器的引脚特征地址线数据线片选输出允许读 写控制 82 半导体存储器 半导体存储器的主要性能指标存储容量 存取速度 存取时间 存储周期可靠性 MTBF功耗性能 价格比 83 半导体存储器 RAMSRAM 速度快 集成度低DRAM 速度慢 集成度高ROMMROMPROMEPROMEEPROM 84 RAM结构 工作原理 典型器件 随机存取存储器RAM在正常环境下可根据需要进行数据的读出和写入易失性存储器 需要DC的支持SRAM DRAM 85 SRAM 内部结构 86 SRAM 例 SRAM2114 1K 4位 1K个存储单元 每单元4位需要10条地址线 4条数据线直接与地址 数据线相连 87 DRAM 内部结构 Intel2164 64K 1 88 DRAM Intel2164 64K 1位 行 列地址复用 只有一半的地址引脚利用RAS CAS进行控制需要刷新 典型为2ms 4ms 可通过双路复用器电路 74LS157 与地址线相连 89 DRAM S 0 A路S 1 B路 90 ROM结构 工作原理 典型器件 只读存储器非易失性存储器 主要存放不经常修改的数据 程序等往往以字节为基本单元 91 EPROM 2716 2K 8 92 2半导体存储器接口的基本技术 首先熟悉典型的3 8译码器74LS138 能综合应用各种典型芯片进行存储器系统的设计与分析 掌握存储空间的地址分配和片选技术 特别注意半导体存储器芯片同微处理器连接口时应注意的问题 93 存储器接口技术 存储器与CPU的连接数据线 根据单元宽度连接地址线片内地址 选择片内的单元片外地址 参与地址译码 确定被选中的存储芯片地址选择全译码 部分译码 线选 混合译码 94 存储器接口技术 全译码所有的片外地址均参与译码 地址空间无浪费74LS138 95 存储器接口技术 部分译码部分片外地址参与译码线路较简单地址有重叠 96 存储器接口技术 线选个别片外地址线直接连至存储芯片的片选输入端有大量的地址重叠只适用于小存储容量需求的场合 97 存储器接口技术 存储器接口中考虑的问题时序配合负载能力选择存储芯片 98 存储器与8位系统的连接 99 316位和32位系统中内存储器接口 在掌握存储器扩展技术之后 应能理解PC机中的存储器组织 特别是16位微机系统中存储器接口的技术特点 包含奇偶分体 8088 8086的存储器访问操作等 100 存储器与16位CPU的连接 101 存储器与16CPU的连接 102 存储器与CPU的连接 103 存储器与16位CPU的连接 1 8 SRAM6116 2K 8 9 16 EPROM2732 4K 8 第四章输入 输出 105 本章重点与难点内容 微处理器同外设的连接和信息传递是微机系统要解决的最主要的问题 本章在介绍输入输出的一般问题的基础上 要求着重掌握微机系统中数据传送的几种控制方式 程序控制方式 直接存储器存取方式 I O通道控制方式 比较各自的优点 重点是程序控制的三种方式 无条件传送 查询传送和中断传送 的工作原理 硬件设置和软件编制 106 本章重点与难点内容 本章主要内容还有三种最常用的简单输入 输出接口电路 锁存器74LS373 缓冲器74LS244和数据收发器74LS245 的工作特性和应用 理解DMA控制方式的基本概念及其特点 DMA传送过程 简要认识可编程DMA控制器8237A 107 1概述 输入输出接口的基本功能 输入输出系统的特点 接口与端口的区别与相互关系以及I O的编址方式 CPU对外设的访问实质上是对外设接口电路中相应的端口进行访问 特别要求理解I O端口的两种编址方式 即独立编址和统一编址的特点 区别与相互关系 108 I O接口 定义 CPU与外设之间传送信息的一个界面CPU与 外部世界 的连接电路 是CPU与外界进行信息交换的中转站 109 I O接口与CPU相连 与存储器连接一样 I O接口通过三总线与CPU相连 110 为什么设置I O接口 CPU与外界的联络CPU与外界信号线不兼容 在功能 逻辑定义和时序关系上不一致 不匹配 不协调 工作速度不兼容 数据缓冲提高CPU效率 避免CPU穷于应付与外设打交道外设发展不依赖于CPU 而由接口完成两者之间的匹配 111 I O接口 功能 执行CPU命令 命令口返回外设状态 状态口数据缓冲 数据口解决连接的不匹配 不协调速度 数据缓冲信号电平 信号电平转换电路信号格式 信息转换逻辑 数据宽度与格式 时序 时序控制电路多端口 多连接 地址译码 设备选择 112 I O接口 组成 硬件电路基本逻辑电路 核心电路命令 状态 数据缓冲寄存器端口地址译码 不可缺少其它 供选电路中断 DMA 定时 计数 串行 D A或A D等 113 I O接口 组成 软件编程初始化程序段 基本部分芯片的工作方式 初始条件等传送方式程序段 与数据传送有关主控程序段 接口的主要任务例如数据采集程序段 包括发启动转换信号 查转换结束信号 读数据以及存数据内容程序终止与退出程序段 保护硬件其它程序段 辅助人机对话 菜单设计等 114 I O接口通过的信息 I O接口与外设交互三种信息数据信息控制信息状态信息均通过DBCPU同外设之间的信息传递 实质上是对端口进行读 写操作 115 I O接口 形式 固定式结构 简单I O接口电路由简单组合电路构成的I O接口电路按需求构成 不可改变半固定式结构使用GAL或PAL器件逻辑表达式的功能和工作方式根据需要可以改变一旦烧入 逻辑表达式即固定 116 I O接口 形式 可编程结构使用专用可编程I O接口芯片具有内部寄存器 方式 状态 数据 由程序设置 改变 其工作方式智能型结构使用专用I O处理器或通用单片机完成外设的全部管理功能 117 2简单接口电路 本节扼要地介绍了三种常用的简单输入 输出接口电路 即锁存器74LS373 缓冲器74LS244和数据收发器74LS245的工作特性和应用 通过学习这三种最常用的简单输入 输出接口电路 理解CPU与外设传送信息的工作原理 硬件设置和软件编制 118 简单的I O接口 74LS244 119 连接8个开关的基本输入接口 120 简单的I O接口 74LS374 121 连接8个LED的基本输出接口 122 可编程I O接口 8255A 123 3常用输入输出方法 主要介绍微机系统中数据传送的几种控制方式 程序控制方式 直接存储器存取方式 I O通道控制方式 对于程序控制的三种方式 无条件传送 查询传送和中断传送 本章主要学习无条件传送和查询传送工作原理 硬件设置和软件编制 中断传送方式将在第五章重点讲述 数据传送还有I O处理机方式 124 CPU与外设的信息传递方式 程序控制方式无条件传送方式条件传送方式 查询方式 中断方式中断申请 响应 服务 返回DMA方式 直接存储器存取需DMA控制器的介入数据的传送不经过CPUI O处理机方式 125 程序控制方式 无条件传送 外设总是准备好输入 数据已经准备好输出 已准备好接收只有数据 没有状态同步方式不需要过多的程序处理 在需要与外设交换信息时 随时访问I O端口 126 程序控制方式 无条件传送 127 程序控制方式 无条件传送 128 程序控制方式 条件传送 查询传送方式查询外设的状态信息输入 数据已准备好输出 接收装置已准备好状态端口 数据端口 129 程序控制方式 条件传送 输入 130 程序控制方式 条件传送 131 程序控制方式 条件传送 输出 132 程序控制方式 条件传送 133 中断方式 需要访问外设时 允许相应的中断 当期望的状态到达时 产生中断请求充分利用CPU的资源 提高效率常用于高速CPU与低速外设之间的数据交换 134 I O处理机方式 DMA可以撇开CPU实现直接的数据传送 但无法单独实现数据的处理建立独立的处理机制 单独处理I O数据例 智能串行接口卡 135 4可编程DMA控制器8237A 理解DMA控制方式的基本概念及其特点 DMA传送过程 针对具体的高性能可编程DMA控制器8237A 主要了解其性能以及DMA操作和传送类型 136 DMA方式 直接存储器方式不必通过CPU的中转 IN OUT指令均通过AL AX 而直接在I O接口与存储器之间进行传递 抢占总线 需要DMA控制器的介入适用于大量数据的交换 137 DMA方式 第五章中断 139 本章重点与难点内容 中断传送是最常用和有效的输入输出控制方式 特别是在处理一些紧急事件时 中断特别有效 本章主要介绍有关中断的基本知识 例如中断和中断源 中断处理过程 中断优先权和中断嵌套等 重点掌握8086 8088PC机中断系统 中断分类 中断响应的工作过程以及中断程序设计 同时要求掌握可编程中断控制器8259A的特性 结构和工作原理 140 本章重点与难点内容 难点是8086 8088PC机的中断机制 中断向量与中断向量表 中断类型号与中断向量指针等在中断工作过程的作用 141 1概述 在计算机系统中 中断的例子很多 中断作为传送数据和处理一些紧急事件最常用和有效的控制方式 在学习时要求掌握有关中断的基本概念 主要包括中断和中断源 中断系统的功能 中断屏蔽 中断优先级排队和中断的嵌套 特别是中断处理过程中的现场保护和断点保护 开中断和关中断时机的选择 中断识别等 142 中断 是一个由中断源激发的过程 它打断正在执行的程序 CPU在正常运行程序时 由于程序的预先安排或计算机内外部事件 引起CPU中断正在运行的程序 而转到为预先安排的事件或内外部事件服务的程序中去 143 中断过程 当CPU正常运行程序时 由于内部事件或外设请求 随机的 引起CPU暂时中止正在运行的程序 转去执行发出请求的外设 或内部事件 的服务子程序 待该服务程序执行完毕 再返回被中止的程序 这一过程称为中断 144 中断的图示 145 传统数据传送方式的缺点 条件方式 查询方式 占用CPU时间 无条件方式 固定的时序 外设必须处于 就绪 状态 146 为什么要引入中断 中断原先是用于对紧急事件的处理中断方式的优点 中断传送可以和CPU并行工作 147 中断的主要作用 实时处理在计算机用于工业控制时 由于很多控制参数发生变化的频率很高 计算机要及时地获得它们的变化情况 当有关参数发生变化时 外部设备则向计算机发出中断请求信号 要求计算机进行处理 从而达到实时数据处理的目的 148 中断的主要作用 故障处理在计算机运行时 往往会发生一些无法事先预料到的故障 如电源 内存或运算溢出等 当这些故障出现时 故障源向CPU发出中断请求 CPU对故障进行自动处理 149 中断的主要作用 同步操作在很多计算机系统中 外设与CPU经常同时工作 由于外设的工作速度较慢 所以CPU启动外设后 继续运行其它程序 而这时外设也进行数据的准备工作 当外设将数据准备完毕后 向CPU发出中断请求 CPU暂停当前工作 进行相应的数据处理工作 150 中断术语 中断源引起中断的事件内部中断 片内 程序 外部中断 片外 中断响应CPU对中断的响应 处理 并不是有求必应在一定时刻 满足一定条件 才能响应之 151 中断术语 中断向量表中断服务子程序入口地址的地址表 类似于跳转表 中断优先级多个中断源之间的轻重缓急高级中断 低级中断中断屏蔽使得CPU无法感知相关中断请求的机制 152 28086 8088中断系统 8086 8088的中断系统非常巧妙 每个中断都有一个 以供CPU进行识别 8086 8088中最多能处理256中不同的中断类型 中断可以由来自外部的事件产生的两种硬中断 不可屏蔽中断NMI及可屏蔽中断INTR 即外部中断是由外部设备从8086 8088的两条中断信号线 INTR和NMI 随机性输入提出的中断申请 内部中断是通过软件调用的不可屏蔽中断 软中断有ROM BIOS中断 DOS中断和未定义自由中断 重点掌握8086 8088PC机的中断机制 通过学习中断向量表 中断类型号与中断向量指针之间的关系 理解记忆中断处理过程 153 中断分类 154 中断分类 8086 8088系统可容纳256种 个 不同的中断外部中断 硬件中断 不可屏蔽中断 NMI 可屏蔽中断 INTR 内部中断 软件中断 INT指令CPU出错调试 155 不可屏蔽中断 NMI CPU必须响应 不受IF的限制部分紧急事件由NMI向CPU请求中断上升沿触发类型中断号 n 2 156 可屏蔽中断 INTR 除了NMI之外的硬件中断 绝大部分的外部中断均由INTR向CPU请求中断CPU可根据情况选择响应或不响应 受IF的制约电平触发 必须保持 直至CPU响应之 157 内部中断 软件中断 不可屏蔽三种类型指令中断 Intn 如INT21HCPU出错调试中断单步中断断点中断 158 中断处理过程 可屏蔽 CPU响应中断的条件外设接口提出 发出 中断请求有效请求电平信号能到达CPU的INTR引脚 时间间隔足够宽 中途未被屏蔽 CPU的中断控制位IF 1 允许INTR中断 CPU执行到当前指令的最后一个总线周期的最后一个时钟周期时 才检测中断 有特例 两条指令必须连续执行除外 159 INTR中断处理过程图示 无嵌套 160 中断处理过程 中断向量表 中断向量表8086 8088系统具有256种中断类型将256个中断服务子程序的入口地址 集中排放在0000 0000开始的1024字节的存储空间区域内每个类型对应4个字节 段 偏移 256 4 1024字节只需获得中断类型 号 即可 161 中断向量表 向量地址类型号nn 4 IPn 4 2 CS 162 中断处理过程 向量中断 向量中断利用中断类型号 中断向量表决定中断服务子程序入口地址的中断方式 163 中断处理过程 向量中断 中断类型系统中的每个中断源均具有一个中断类型号内部中断固定中断类型号Intn 中断号 nNMI中断类型号 n 2INTR由中断控制器 中断源向CPU提供中断类型号 164 中断处理过程 主程序 设置中断向量BIOS用户自定义中断初始化中断控制器开中断 STI 关中断 CLI 165 中断处理过程 CPU IO 中断源发出中断请求 并到达CPU引脚CPU在当前指令结束时 判中断请求NMI 中断类型号为2 必须响应INTR CPU在可以响应时 IF 1 发出INTA 以获取类型号保护标志寄存器和断点 转向中断服务子程序 166 中断处理过程 子程序 保护现场开中断 如果允许中断嵌套 中断处理关中断EOI 清除当前中断的被服务标志 恢复现场IRET FR恢复 段点恢复 此时嵌套的INTR中断可能被响应 167 中断处理过程 INTA 第一个INTA周期通知外设接口 或中断控制器 准备好中断类型信息第二个INTA周期放出中断类型号数据CPU从DB获取中断类型号 168 中断优先级和中断嵌套 中断嵌套多个中断源 有可能同时发出中断请求多重中断响应 服务 中断优先级给每个中断源规定优先级别 CPU先响应高级中断的请求一般情况下 在允许中断嵌套时 高级中断可以打断低级中断 同级或低级中断不能打断高级或同级中断 169 中断优先级和中断嵌套 IBMPC的中断优先级层次内部中断 出错 INTn NMIINTR单步中断 170 中断优先级和中断嵌套 IRQ0IRQ1 IRQ7 该中断正被服务标志清除 171 3可编程中断控制器8259A 8259A是一种可编程中断控制器 首先学习8259A的主要功能 引线 内部结构和工作原理 在系统上电时 必须根据8259A的具体应用环境进行初始化编程 应基本理解8259A的初始化命令字 操作命令字 编程过程以及中断控制器在微机系统中的应用 172 可编程中断控制器8259A PIC 8级 可级联至64级 优先级控制单独屏蔽 允许提供中断类型码可编程多种工作模式具有内部寄存器由初始化命令字 操作命令字进行编程改变工作模式 173 8259A 内部结构 174 8259A 内部结构 IRR中断请求寄存器锁存中断请求信号 被响应后复位1 有请求 0 无请求IMR中断屏蔽寄存器可编程屏蔽控制逐位屏蔽1 屏蔽 0 未屏蔽 175 8259A 内部结构 PR优先级判断寄存器多种中断优先判断机制ISR中断服务寄存器中断正被服务标识1 正被服务 0 未被服务全0 全1 176 8259A 中断过程 一条或多条中断请求IR变为高电平 使IRR相应位置1PR分析它们的优先级 向CPU发出中断请求INTRCPU响应中断 以INTA作为回答8259接受来自CPU的第一个INTA 最高优先级的ISR置位 相应的IRR复位第二个INTA 8259向DB发出中断类型码EOI使ISR复位 示该中断服务完毕 第六章可编程接口芯片及其应用 178 本章重点与难点内容 CPU要同外设交换信息 必须通过接口电路 本章的主要内容是介绍可编程序接口芯片的一些基本概念 重点讲述三种通用的可编程接口芯片 即可编程并行接口芯片8255A 5 可编程间隔定时器8253 5和通用同步异步接收发送器8251A的组成 功能和应用 以及两种模拟接口芯片 数 模转换器DAC0832和模 数转换器ADC0809 的工作原理及应用 179 本章重点与难点内容 通过学习 要求能够掌握并行接口8255A和定时器 计数器8253的硬件连接和应用程序编程 深刻理解有关串行通信的一些基本知识以及串行接口的基本原理和组成 并对串行接口8251A的特性及应用有一个基本的了解 180 1可编程接口芯片概述 本节从接口芯片的外特性着手 讲述了接口芯片硬件连接中的 片选 读 写 可编程接口 联络 等概念 并简要讨论接口芯片中一些公用引脚的作用及其连接方法 181 I 0端口和I 0操作 I O端口 port 端口是接口电路中能被CPU直接访问的寄存器的地址一个接口可以有几个端口 如命令口 状态口和数据口对端口的操作也有所不同 有的端口只能写或只能读 有的既可以写也可以读 182 I 0端口和I 0操作 计算机给接口电路中的每个寄存器分配一个端口 访问端口就是访问接口电路中的寄存器 I O操作I O操作是指对I 0端口的操作I O操作不是对I O设备的操作 183 I O端口 编址方式 I O独立编址M IO L64K独立编址的I O地址空间专用IN OUT指令存储器映像编址M IO HI O端口与存储器统一编址使用存储器操作指令 184 I O端口 编址方式 185 I O独立编址优点 I O端口地址单独编址而不和存储空间合在一起 大型计算机通常采用这种方式 I O端口地址不占用存储器空间使用专门的I O指令对端口进行操作 指令短 执行速度快程序中I O操作和存储器操作层次清晰 程序的可读性强I O端口地址和存储器地址可以重叠 而不会相互混淆 186 I O统一编址特点 优点指令类型多 功能齐全 这不仅使访问I O端口可实现输入 输出操作 而且还可对端口内容进行算术逻辑运算 移位等能给端口有较大的编址空间 这对大型控制系统和数据通信系统是很有意义的缺点端口占用了存储器的地址空间 使存储器容量减小指令长度比专门I O指令要长 因而执行速度较慢 187 I O独立编址的端口访问 I O指令中端口地址的宽度INAL PORT和OUTPORT AL长指令 单字节地址 最多可访问256个端口 直接在指令中给出INAL DX和OUTDX AL短指令 双字节地址 最多可访问65536个端口 用寄存器DX间接给出 188 I O独立编址的端口访问 I O端口访问对端口的访问就是CPU对端口的读 写例如 INAL 60H 系统板8255A的PA端口地址OUT61H AL 系统板8255A的PB端口地址例如 MOVDX 300H 扩展板8255A的PA端口INAL DXMOVDX 301H 扩展板8255A的PB端口OUTDX AL 189 I O端口地址译码 译码电路的输入信号I 0地址译码电路与地址信号有关而且与控制信号有关译码电路的输出信号在输出信号线中有且只有l根选中线有效有效选中一个接口芯片时 内部的数据线打开 并与系统总线相连 形成接口电路与系统总线的通路 而其它接口芯片呈高阻抗 关闭与系统总线的通路 190 I O端口地址译码 端口选择信号I O地址总线M IO74LS138 191 I O端口地址译码 片间寻址 高位地址线 控制信号经译码电路产生片选信号全译码部分译码线选法片内寻址 寄存器寻址 低位地址线直接连到I O接口芯片 低位地址线的状态数决定了接口中寄存器的个数 192 输入握手并行接口 RD 读信号线INTR 中断请求信号线IBF 输入缓冲器满 InputBufferFull 握手信号线STB STroBe握手信号线 193 输出握手并行接口 WR 写信号线INTR 中断请求信号线OBF 输出缓冲器满 OutputBufferFull 握手信号线ACK Acknowledge握手信号线 194 输入 输出握手并行接口 INTR 中断请求线OBF 输出缓冲器满握手信号线ACK 响应输入的握手信号线IBF 输入缓冲器满握手信号线STB 选通输入握手信号线INTE 中断允许位 195 2可编程并行接口芯片8255A 8255A是一种通用的可编程并行I O接口芯片 通过8255A CPU可直接同外设相连接 其应用最广 使用灵活 首先应熟悉8255A的外部特性和内部结构 了解PA口 PB口和PC口的引脚功能 特别是PC口比较特殊 即可用作数据口 有时其大部分引脚被分配作专用联络信号 控制或状态信息 196 8255A的工作原理 8255A是可编程的 连接外部设备时 通常不需要附加外部电路 并行I O接口芯片 三个八位输入 输出端口可通过软件设置芯片的多种工作方式 可编程 一种通用芯片 197 8255A的封装 Intel系列的8位并行接口芯片通用性强 使用灵活可用程序设置和改变芯片的工作方式是一种典型的可编程并行接口芯片 40个引脚 双列直插式 198 8255A的内部结构 三个8位数据端口 PA PB PC 可用软件使它们分作输入端口或输出端口 PA 一个8位数据输入锁存器一个8位数据输出锁存器 缓冲器PB 一个8位数据输入缓冲器一个8位数据输出锁存器 缓冲器PC 一个8位数据输入缓冲器一个8位数据输出锁存器 缓冲器 199 读 写控制逻辑负责管理8255A的数据传送过程接收CS A1 A0和控制信号RD WR RESET 将这些信号进行组合 得到对A组控制和B组控制的控制命令 以完成对数据 状态信息及控制信息的传输 控制数据总线缓冲器的状态数据总线缓冲器有3种状态 输入 输出 高阻态 8255A的内部结构 200 8255A的内部结构 201 A口 B口 作为独立的输入端口或输出端口 当端口A在方式1或方式2 端口B在方式1时 端口C的某些位用于传送联络信号 以适应CPU与外设间的各种数据传送方式的要求 如查询传送的应答信号 中断传送的中断申请信号等 C口 常被分成两个4位端口 以配合A口和B口的工作 输入状态信号和输出控制信号 C口未被用作联络信号的其它位可工作在方式0下 8255A的内部结构 202 控制端口D A组和B组控制电路A组 端口A 端口C的高4位B组 端口B 端口C的低4位这两组控制电路一方面接收芯片内部总线上的控制字 另一方面接收来自读 写控制逻辑电路的读 写命令 以决定两组端口的工作方式和读 写操作 控制端口的内容决定A口 B口 C口的工作状态 输入或输出 和工作方式 方式0 1 2 起控制作用 A组控制电路 控制PA和PC的高4位 PC7 PC4 B组控制电路 控制PB和PC的低4位 PC3 PC0 8255A的内部结构 203 8255A的引脚信号 204 8255A的引脚信号 面向外设的引脚信号PA0 7PB0 7PC0 7 205 8255A的引脚信号 面向CPU的引脚信号D7 D08255A的数据线 和系统数据总线相连RESET复位信号 当其有效时 清除所有内部寄存器 三个数据端口 A口 B口 C口 被自动设置为输入端口CS片选信号 低电平有效 通常译码器分配给8255A一组端口地址 若该组地址有效 CS为低电平 启动8255A与CPU之间的通信 206 8255A的引脚信号 面向CPU的引脚信号RD芯片读出信号 当RD有效时 CPU可从8255A读取数据或状态信息WR芯片写入信号 当该信号有效时 CPU可往8255A写入数据或控制命令A1 A0端口选择信号 8255A内部有3个数据端口和一个控制字端口 共4个端口 A1 A0对这4个端口选择规定如下 A1A0 00 01 10 11端口A B C 控制 207 208 8255A的结构和功能 209 8255A的控制字 8255A通过向控制端口写控制字 来决定各端口的工作8255A具有两类控制字方式选择控制字定义各端口的工作方式 可使8255A的3个数据端口工作在不同的工作方式C口复位 置位控制寄存器负责对C口逐位进行复位 置位控制 可对C端口的某一位置1或置0通过D7位区分 210 2可编程并行接口芯片8255A 8255A的工作方式与端口有关 PA口有3种方式 0方式 1方式 2方式 PB口和PC口只有2种方式 0方式 1方式 8255A的编程命令包括工作方式选择控制字和对PC口按位置 复位控制字 应熟练掌握其编程格式 能够根据具体的应用要求进行应用程序编写 211 8255A的工作方式 三种工作方式方式0 一般的 又叫基本的 无条件的 输入 输出 在此方式下 A B C可分别设置成输入或输出 方式1 选通输入 输出 只有A口 B口可工作在方式1 它们要分别占用C口三条线作为联络线 C口的余下线只能工作在方式0 212 8255A的工作方式 三种工作方式方式2 双向传送方式 只有A口可工作在方式2 此时C口有5条线用来作A口和外设之间的联络线 C口剩下的3条线视B口而定 若B口工作在方式0 亦为方式0 若B口工作在方式1 则作B口联络线 8255A复位状态三端口为基本输入方式 213 方式选择控制字 特征位 特征位1有效 214 举例 设A口 B口 C口均工作在方式0 要求A口 B口作输出 C口作输入 方式选择控制字为 即方式控制字 10001001B 89H D 7 D 6 D 5 D 4 D 3 D 2 D1 D 0 1 0 0 0 1 0 0 1 特 征 位 A 口 输 出 输 入 B 组 方 式 0 B 口 输 出 输 入 A组方式0 C高 C低 方式选择控制字举例 215 方式选择控制字应送入控制口 可用如下两条指令完成 设控制口地址为83H MOVAL 89HOUT83H AL 方式选择控制字举例 216 C端口按位置位 复位控制字 217 C端口按位置位 复位控制字 C端口的数据位常作为控制位用 此控制字只影响其中某一位 其它位状态不变 例 将PC5复位 其控制字为 00001010B即0AH若将PC3置位 其控制字为 00000111B即07H注意 此控制字尽管是对端口C进行操作 但此控制字必须写入控制口 218 C端口按位置位 复位控制字 例 设控制口地址为22BH 对PC5进行复位的指令段为 MOVAL 0AHMOVDX 22BHOUTDX AL 219 8255A的工作方式 方式0 方式0 基本输入输出A B CH CL4个端口可以被分别设置或输入 或输出简单的输入输出操作 可使用无条件数据读写方式实现与外设的交互可以将联络信号接入C口 实现查询方式 220 方式0的特点 四个端口中的任一端口既可作输入口 也可作输出口 各端口之间没有必然的联系