第1章 计算机接口技术概论2011

计算机科学与技术专业专业课程微机接口技术,西安交通大学计算机科学与技术系桂小林制作公元2011年2月21日,课程的目的与意义,软件热：软件更有用！？软件热：软件更容易！？硬件还值得做吗？硬件之上、“软件”之下，需要什么？谁来完成二者的结合？计算机专业需要培养什么人才？人机接口、单片机、嵌入式系统？,软件系统,固件系统,硬件系统,课程的目的与意义（2）,我们经常看见的，需要深入了解,键盘鼠标接口,串行通信接口,音频接口,USB接口,调制解调器电话线接口,网络接口,并行行通信接口,课程的目的与意义（3）,北桥接口芯片,CPU芯片,存储器接口,南桥接口芯片,接口插座（物理形态）,PCI总线,AGP,IDE,本课程的基本任务,了解微型计算机系统的基本组成及发展史（2学时）以Intel的8086/8088为主，兼顾80X86，掌握微处理器的内部结构、编程结构、引脚及时序（先修）（4学时）掌握80 x86的寻址方式及I/O指令的工作方法（先修）(不讲）学会80386的内存管理机制（次重点）（2学时）掌握内存译码方法、存储芯片与CPU的连接方法（重点）（6）掌握常用接口芯片（8255/8253/8251）的工作原理及简单应用方法（重点）（16-18学时）掌握接口控制方法（中断和DMA）的芯片级原理与应用（8237/8259）的原理，了解二者在PC计算机的应用方法（次重点）（6）掌握模拟数字转换原理及其简单D/A和A/D接口芯片的使用(重点）（6）了解几种典型总线及其驱动技术（次重点）（4）,课程的基本目标,微机接口技术是学习和掌握微机硬件知识、接口芯片、固件和利用他们进行硬件系统设计的主干课程。包括如下三方面的内容：微型计算机的基本工作原理汇编语言程序设计（先修汇编语言程序设计）微型计算机接口技术通过学习，学生必须建立微型计算机系统的整体概念，形成微机系统软硬件开发的初步能力，达到：会看芯片手册（DataSheet）（简单芯片实例，复杂芯片实例）会看芯片时序图会设根据芯片手册和应用需要计基本应用电路（使用Protel软件）,主要参考书,桂小林，微型计算机接口技术，高等教育出版社，2010Intel微处理器从8086到Pentium系列体系结构、编程与接口技术，高等教育出版社（中英文版）李保红、缪相林、桂小林，微型计算机机组织与接口技术，清华大学出版社，2005,考核要求,作业：10实验上机：10实验报告交任课教师考试：80=联系：xlgui课件：52/gxl/,教学纲要,微机系统概论80 x86微处理器结构、时序与存储器组织总线接口及技术ISA、PCIUSB（了解原理、后续第9章应用）、RS232、485I2C、SPI、JTAG8、16、32位存储器系统接口设计（16位重点）输入/输出接口控制方法/译码设计并行接口芯片-8255A及其应用(重点应用）LED键盘打印机,24,教学纲要,串行接口芯片-8251ARS-232应用可编程定时/计数器芯片：8253A精确定时，计算机日时钟脉冲计数，编码盘可编程DMA控制芯片8237原理（一般掌握）中断系统与可编程中断控制芯片8259原理（一般掌握）模数转换和数码转换接口A/D应用D/A应用,第1章：微机系统概论,1.1计算机发展概论1.2微处理器与单片机1.3微型计算机1.4微型计算机应用,1.1计算机发展概论,图灵机模型1936年，英国数学家阿伦图灵(A.M.Turring)从计算一个数的一般过程着手对计算的本质进行了研究，提出了一种理想的计算机的数学模型：图灵机（TurringMachine，TM）。图灵机并不是具体的机器，而是一个通用的计算机模型。冯诺依曼计算机冯诺依曼提出了3个重要的设计思想（EDVAC）：（1）计算机由5个基本部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备；（2）采用二进制形式表示计算机的指令和数据；（3）将程序（由一系列指令组成）和数据存放在存储器中，并让计算机自动地执行程序。这就是“存储程序和程序控制”思想的基本含义。该思想奠定了现代计算机体系结构的根基。第一台计算机ENIAC(1946年),1.2微处理器与单片机,1.2.1微处理器1.2.2单片计算机,1.2.1微处理器,微处理器的发展史正是微型计算机发展史的一个真实缩影。微处理器是指由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部件(CPU)，又称为微处理机（MicroProcessor,MP）。在微型计算机中直接用CPU来表示微处理器，它除算术逻辑部件和控制部件以外，还包含一组寄存器（Registers）和高速缓冲存储器（Cache）等特殊的存储器。微处理器的发展大体上分为8个阶段1、第一阶段：4位或8位微处理器2、第二阶段：8位微处理器3、第三阶段：16位微处理器4、第四阶段：16位高性能微处理器5、第五阶段：32位微处理器6、第六阶段：32位Pentium微处理器7、第七阶段：64位Itanium处理器8、第八阶段：双核和多核处理器,1、第一阶段：4位或8位微处理器,1971年10月，Intel公司推出了第一片微处理器4004，它的字长为4位，后来，Intel公司又推出了8位微处理器8008，集成了2000个晶体管，工艺水平是10m。这是微处理器发展的第一阶段。,2、第二阶段：8位微处理器,Zilog公司在于1976年推出了8位微处理器Z80，Motorola公司也推出了8位微处理器MC6800。Intel公司也相继推出了8位微处理器8080和8085世界上第一台微型计算机Altair8800是1975年4月由一家名为Altair的公司推出的，采用了Z80芯片做微处理器。没有显示器，没有键盘，面板上只有指示灯和开关，给人的感觉更像是一台仪器箱。,3、第三阶段：16位微处理器,1978年，Intel公司推出了8位微处理器8086，Zilog公司推出了Z8000，Motorola公司推出了MC68000。IBM公司利用8088生产的个人计算机IBMPC/XT，在市场上获得巨大成功，也帮助Intel公司确立了在微处理器市场上的主导地位，帮助Microsoft公司确立了在操作系统市场上的主导地位。,4、第四阶段：16位高性能微处理器,1982年，Intel发布了80286处理器，也就是俗称的286。80286芯片上集成了14.3万只晶体管，处理器16位字长，时钟频率由最初的6MHz逐步提高到20MHz。其内部和外部数据总线皆为16位，地址总线24位。与8086相比，80286寻址能力达到了16MB，其速度比8086提高了5倍甚至更多。80286处理器出现标志微处理器的发展进入第四个阶段。IBM公司将80286用在技术更为先进IBMPCAT机中，AT机的外部总线为16位(IBMPC机为8位)，内存容量可扩展到16MB，可使用更大的硬盘来存储数据，支持VGA彩色显示系统，在性能上有了重大的进步。,第一台IBMPC机,5、第五阶段：32位微处理器,1985年，Intel公司推出了32位的微处理器80386，集成度达到100万个晶体管，主频为25200MHz。与80286相比，80386不仅字长、寻址空间和主频有较大提高，而且也扩充了保护模式，并且提供了实地址模式和虚拟8086模式来实现向上兼容，此外80386在片内增加了16位的高速缓存器（Cache），使运行更加流畅。1989年Intel公司又发布了80486，其主要特点是将80386和协处理器80387集成在一起。Intel使用了一种叫“倍频”的技术。,6、第六阶段：32位Pentium微处理器,从1993年开始，Intel公司相继发布了Pentium、PentiumPro、PentiumMMX、Pentium、PentiumIII和PentiumIV等微处理器，成为市场主流。在同一时期，AMD公司也先后发布了K6、K6-2、K7，以及Thunderbird（雷鸟）、Atnlon（速龙）、Duron（钻龙）等。Pentium处理器集成了310万个晶体管，最初的工作频率是60MHz、66MHz，后来又提升到200MHz以上。,7、第七阶段：64位Itanium处理器,2001年，Intel公司推出了64位的安腾处理器，采用0.18微米的CMOS制造工艺，获得了业界的广泛支持，开始了安腾家族的发展史。2002年，Intel又推出了安腾家族的第二代产品安腾2处理器。安腾处理器是构建在IA-64(IntelArchitecture64)上，IA-64突破了传统IA-32架构的许多限制，在数据的处理能力，系统的稳定性、安全性、可用性等方面获得了突破性的提高。2006年，Intel推出了双核安腾2处理器9000系列，其性能与IBMPower5（4核）处理器相当，与安腾2处理器相比，性能则提高了一倍。双核安腾2提供近三级高速缓存（24MB），支持超线程（HT）技术和改进的英特尔虚拟化技术，功耗降低了20%。,8、第八阶段：双核和多核处理器,目前，Intel公司和AMD公司都推出了自己的多核处理器，而且双核和4核处理器目前已经投入市场。从公司市场导向来看，他们计划在2010年左右推出8核处理器。双核处理器就是在一块CPU基板上集成两个处理器核心，并通过并行总线将各处理器核心连接起来。双核只是单芯片多处理器(ChipMultiProcessors，CMP)中最基本、最简单、最容易实现的一种类型。CMP最早是由美国斯坦福大学提出的，其思想是在一块芯片内实现对称多处理(SymmetricalMulti-Processing，SMP)架构，可并行执行不同进程。总之，从微处理器的发展历程可以看出，随着新的半导体工艺、新的计算机技术的涌现，微处理器的性能不断提高，而成本不断降低，这使得微型计算机在科学计算、信息处理、工业控制、仪器仪表和家用电器等领域的应用日趋广泛，在国民经济和日常生活中扮演着愈来愈重要的角色。,单核与多核比较,微处理器的发展规律,摩尔定律微型计算机的发展是以微处理器的发展来表征的；微处理器的集成度每隔18个月就会翻一番，芯片的性能也随之提高一倍,GordonE.Moore，Intel公司的创始人之一,处理器发展曲线,性能功能,19721974197619781980198219851989199319952001,4004,8008,8080,8085,8086,80286,80386,80486,80586,8088,80186,8048,8022,8049,8051,8096,8098,Intel公司微处理器,单片机,奔腾,AVR,PIC,ARM,1.2.2单片计算机,单片机即单片机微型计算机，是将计算机主要功能(CPU、内存和I/O接口等)集成在一小块硅片上的微型计算机单片机目前发展非常迅速，种类也很多，用途非常广泛。Intel的8031/8051/8052等普通8位单片机Atmel的AVR系列增强型8位单片机PIC系列增强型16位单片机ARM公司等的ARM7/9等32位单片机单片机为工业测控而设计，具有三高优势(集成度高、可靠性高、性价比高)。主要应用于工业检测与控制、计算机外设、智能仪器仪表、通讯设备家用电器等。特别适合于嵌入式微型机应用系统。,MCS-51系列,MCS-51系列基本产品型号：8051、8031、8751称为51子系列。不同型号MCS-51单片机CPU处理能力和指令系统完全兼容，只是存储器和I/O接口的配置有所不同。,MCS-96系列,1983-16位单片机IntelMCS-96系列8098/8096、80C198/80C19632位单片机80960,32位新一代通用单片机,新一代通用单片机AVR、PIC、ARM新一代专用单片机DSP、MPEG4、VOIP、IPTV、RF如，ATmega128是一种增强型外8位/内32位AVR微处理器（内部32位总线），具有128K字节的系统内可编程Flash,AVR单片机外设接口丰富,两个具有独立的预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器具有独立预分频器的实时时钟计数器两路8位PWM，6路分辨率可编程（2到16位）的PWM输出比较调制器8路10位ADC面向字节的两线接口-TWI两个可编程的串行同步异步接口-USART异步RS-232C可工作于主机/从机模式的SPI串行接口具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器片内模拟比较器JTAG调试接口(与IEEE1149.1标准兼容)工作电压：2.7-5.5V,1.3微型计算机,1981年8月12日，IBM公司在纽约宣布IBMPC机面世，计算机从此进入了个人电脑的新纪元。第一台IBMPC采用Intel的8088微处理器芯片，主频4.77MHz，有64KB内存，采用低分辨率单色显示器，使用单面160K软盘存储文件和操作系统，配备了微软公司编写的MS-DOS1.0操作系统软件。微型计算机的基本组成如图1.2所示。它也由硬件和软件两大部分构成。其中，硬件部分由主机和外设构成；软件由系统软件（如操作系统）、应用软件（如税务管理软件）和程序设计语言（如VisualBasic）等构成。主机由微处理器、存储器、输入输出接口（I/O接口）和总线等构成；外设由显示器、键盘、鼠标、音箱等部分组成。这些硬件的功能各异，各自完成相应的工作，如输入、输出、运算和存储。,微型计算机组成,主机结构,主机板电路结构,主机是微型计算机的核心部件，通常采用总线结构，CPU、存储器、外设接口等均挂接在总线上，外设通过总线和外设接口与主机互连，完成各种输入输出功能。下面以IBMPC/AT为例，阐述微型计算机的主机板电路结构。该结构如图1-3所示，主要由4