《微机原理实验》课件

《微机原理实验》本课程将带您探索微机原理的奥秘，通过实验加深对计算机体系结构、指令系统、汇编语言、操作系统等方面的理解实验课程目标加深理解深入理解微机原理课程中的重要概念，如CPU架构、内存寻址、中断处理等，并将其应用于实际操作中培养能力锻炼学生进行微机系统硬件和软件设计、调试和分析的能力，培养学生的动手实践能力和解决实际问题的能力促进合作鼓励学生团队协作，共同完成实验项目，提升团队合作能力，培养学生有效沟通和协作的能力实验内容体系本课程实验内容覆盖了微机原理的核心知识体系，从8086CPU体系结构开始，逐步深入到各种外围设备接口和常用处理器架构的学习从基础到高级，循序渐进，帮助学生掌握微机系统硬件和软件的相互作用原理•8086CPU体系结构实验•实模式和保护模式寻址实验•中断处理机制实验•输入输出接口、存储器接口实验•DMA控制器实验•常用外围设备接口实验•串行通信接口实验•并行通信接口实验•键盘扫描与显示实验•定时计数器的应用实验•实时时钟的编程实验•8259可编程中断控制器实验•8237可编程DMA控制器实验•8254可编程定时/计数器实验•8255可编程外设接口实验•8251可编程通信接口实验•8741/8742可编程外设控制器实验•80186/80188体系结构实验•80386/80486体系结构实验•Pentium处理器实验•嵌入式处理器体系结构实验•CISC与RISC处理器架构对比实验•当代处理器发展趋势实验实验体系结构1-8086CPU认识CPU了解8086CPU的功能、组成和工作原理，包括寄存器、指令系统、地址空间等指令分类掌握数据传输、算术运算、逻辑运算、程序控制和字符串操作等指令的分类和使用方法汇编语言学习使用汇编语言编程，编写简单的汇编程序，实现基本的CPU操作，如数据存储、运算和控制实验操作使用模拟器或实验平台，运行编写的汇编程序，观察程序执行结果，分析程序运行流程实验实模式下的位寻址2-16地址空间11MB的物理地址空间段寄存器2CS,DS,SS,ES偏移地址316位偏移量寻址方式4寄存器寻址、立即寻址、直接寻址实模式下，8086CPU使用16位段寄存器和16位偏移地址进行寻址，总共可寻址1MB物理地址空间每个段寄存器指向16位段地址，偏移地址提供段内地址实验保护模式下的寻址3-保护模式概述1保护模式是x86处理器的一种工作模式，它提供更高级的内存管理和安全特性在保护模式下，处理器使用段描述符来描述内存段，每个段都有自己的访问权限和属性，从而可以实现对内存的细粒度控制寻址方式2•段选择器•偏移量保护模式下的寻址使用段选择器和偏移量来访问内存段选择器指向段描述符，段描述符包含段基址和段界限偏移量指定了段内的相对地址实模式与保护模式对比3•地址空间•内存管理•安全特性保护模式与实模式相比具有更高的地址空间、更强大的内存管理机制以及更完善的安全特性，可以更好地满足现代操作系统的需求实验中断处理机制4-中断源1外部设备中断请求2发出中断信号中断响应3CPU暂停当前任务中断处理4执行中断服务程序中断返回5恢复执行原任务中断是计算机系统中重要的机制，允许外部设备在需要时打断CPU的正常执行，并进行相应的处理本实验将深入学习中断处理机制，包括中断源、中断请求、中断响应、中断处理和中断返回等关键步骤实验输入输出接口5-本实验介绍微机系统中输入输出接口的基本概念、分类、特点和工作原理基本概念1I/O接口的功能和作用分类2并行接口、串行接口、中断式I/O、DMA方式特点3速度、可靠性、成本、兼容性工作原理4I/O地址译码、数据传送、中断处理、DMA控制实验内容包括I/O接口的硬件连接、软件编程、实验验证实验存储器接口6-存储器接口1存储器接口是指CPU与存储器之间交互的通道存储器地址译码2将逻辑地址转换为物理地址存储器读写操作3CPU通过存储器接口读写数据存储器控制器4控制存储器读写操作存储器接口是微机系统中重要的组成部分，它负责CPU与存储器之间的数据传输实验控制器7-DMA控制器的功能DMADMA控制器是微机系统中的一种重要外设它允许外设直接访问内存，而无需CPU的干预控制器的基本原理DMADMA控制器通过设置DMA通道，将数据从外设传输到内存或从内存传输到外设控制器的使用场景DMADMA控制器常用于高速数据传输，例如磁盘读写、网络数据接收等控制器的结构DMADMA控制器通常包含多个DMA通道，每个通道可以独立控制数据传输控制器的编程DMADMA控制器的编程主要包括设置DMA通道、启动DMA传输、监控传输状态等实验常用外围设备接口8-了解常用外围设备接口1学习并掌握常见外设接口，如串口、并口、USB、PCI、ISA等掌握常用外设接口的编程方法2通过实验，学习不同接口的编程方法，并能使用相关编程技术实践外设接口应用3将所学知识应用于实际项目，如设计和实现数据采集系统实验串行通信接口9-串行通信的概念1串行通信是一种数据传输方式，数据一位一位地顺序传输接口UART2通用异步接收器/发送器UART芯片是串行通信的核心程序设计与调试3学习使用UART接口进行串行通信的编程和调试方法学生将学习串行通信的基本原理，了解UART芯片的功能和使用方法通过实验，他们将掌握使用UART接口进行数据传输的编程和调试方法实验还将涉及一些常用的串行通信协议，例如RS-232和RS-485实验并行通信接口10-并行通信接口并行通信接口是指数据位同时传输的通信方式，速度快、效率高常用接口•并行打印机接口•并行硬盘接口•并行扫描仪接口实验内容熟悉并行通信接口的结构和工作原理，并掌握编程方法实验步骤•连接并行接口设备•编写并行通信程序•调试程序，验证功能实验键盘扫描与显示11-键盘扫描1识别按键按下扫描码转换2将扫描码转换为ASCII码字符显示3在屏幕上显示字符本实验使用8255可编程外设接口芯片来实现键盘扫描与显示功能首先，需要使用8255芯片的端口A来接收键盘的扫描码，并将其转换为ASCII码然后，使用8255芯片的端口B来控制显示器的显示功能，将字符显示在屏幕上实验定时计数器的应用12-定时器简介1定时器是一种常用的外围设备，能够精确地计时和控制系统的时间实验内容2•学习定时计数器的结构和工作原理•掌握定时计数器的编程方法•使用定时器实现定时、计数、频率测量等功能实验步骤3首先，连接定时计数器硬件，配置工作模式和时钟频率然后，编写程序，设置定时计数器的初始值、中断类型和中断处理程序最后，运行程序，观察实验结果并分析数据实验实时时钟的编程13-实时时钟概述实时时钟概念1实时时钟应用实时时钟芯片2RTC芯片工作原理RTC芯片接口编程实现时间读取3时间设置程序设计系统时间管理4定时器应用本实验以实时时钟芯片为基础，通过编程实现时间读取和设置学生将学习实时时钟的工作原理，以及如何利用编程来管理系统时间实验可编程中断控制器14-8259介绍82591介绍8259可编程中断控制器的基本功能和工作原理中断向量表2学习中断向量表的作用和如何配置8259中断优先级3理解中断优先级机制并进行优先级设定中断服务程序4编写中断服务程序，处理不同中断源的事件实验可编程控制器15-8237DMA控制器介绍DMA8237是一个可编程DMA控制器，用于直接内存访问DMA方式进行数据传输，无需CPU干预实验目标学习DMA控制器的工作原理和编程方法，掌握DMA数据传输过程实验内容使用8237控制器进行内存与外设之间的数据传输，观察数据传输过程实验步骤配置8237控制器，设置DMA通道，进行数据传输，分析实验结果实验可编程定时16-8254计数器/简介825418254是一个可编程定时器/计数器，广泛应用于微机系统中它具有三个独立的定时/计数通道，每个通道都可以独立编程实验目的2熟悉8254的工作原理、编程方法，以及各种定时/计数模式实验内容3通过实验验证8254的工作原理，并用程序控制其产生不同的定时/计数信号实验可编程外设接口17-8255概述82551介绍8255芯片的功能、特点和应用场景工作模式2详细讲解8255的四种工作模式和使用方法编程实例3通过具体的编程实例演示如何控制外设本实验旨在让学生深入理解8255可编程外设接口的工作原理，并掌握其编程方法通过实验，学生将能够运用8255芯片控制各种外设，例如键盘、显示器、电机等实验可编程通信接口18-8251实验目的1了解8251通信接口芯片的结构和工作原理掌握8251通信接口芯片的编程方法实验内容2使用8251芯片实现串行通信的功能通过编程设置8251芯片工作模式和参数实验步骤3连接8251芯片与微处理器编写程序控制8251芯片完成数据发送和接收实验可编程外设控制器19-8741/8742概述1介绍8741/8742芯片的功能和特点内部结构2分析芯片的内部寄存器和工作模式编程接口3学习如何使用指令控制芯片应用案例4演示8741/8742芯片在实际项目中的应用本实验旨在深入理解8741/8742可编程外设控制器的功能和工作原理，掌握其编程方法，并通过实际案例学习其在不同应用场景中的使用技巧实验体系结构20-80186/80188实验目的掌握80186/80188处理器的体系结构和工作原理，并能够使用相关的工具和技术进行实验验证实验内容通过实验了解80186/80188处理器的内部结构，包括其寄存器、内存地址空间、指令系统、中断机制等实验步骤•搭建实验环境，准备实验所需的硬件和软件•根据实验要求，编写程序代码，并进行编译和链接•利用仿真器或真实硬件进行实验，验证程序的功能和性能实验要求实验过程中，学生需要认真阅读实验指导书，理解实验原理，并完成实验报告实验体系结构21-80386/80486处理器架构1介绍80386/80486处理器的内部架构，包括指令集、寄存器、地址空间等保护模式2深入学习保护模式下的寻址方式、内存管理机制、中断处理机制等指令集3掌握80386/80486处理器的指令集，包括指令格式、指令类型、指令功能等编程实践4通过编程实验，应用80386/80486处理器的指令集和功能，完成具体的编程任务实验处理器22-Pentium体系结构Pentium处理器是Intel公司推出的一款高性能处理器，采用超标量流水线技术和分支预测技术，提高指令执行效率功能特性Pentium处理器拥有强大的指令集，支持多种寻址模式，能够高效地处理各种任务缓存机制Pentium处理器采用多级缓存结构，包括一级缓存、二级缓存和三级缓存，提升数据访问速度应用领域Pentium处理器广泛应用于个人电脑、服务器、嵌入式系统等领域，为用户提供高性能计算能力实验嵌入式处理器体系结构23-系统软件1操作系统、嵌入式实时操作系统硬件平台2微处理器、存储器、外设应用软件3控制算法、数据处理嵌入式处理器体系结构由硬件平台、系统软件和应用软件构成硬件平台包含微处理器、存储器和外设，系统软件包括操作系统和嵌入式实时操作系统，应用软件则根据具体应用需求而定实验与处理器架构对比24-CISC RISC复杂指令集计算机精简指令集计算机CISC RISCCISC处理器使用复杂指令集，指令长度可变，支持多种寻址方式RISC处理器使用精简指令集，指令长度固定，指令执行速度快，，可以完成复杂的操作，但执行效率相对较低但需要更复杂的编译器实验当代处理器发展趋势25-多核化性能提升12提高性能，处理多任务多个工艺进步，频率更高，吞吐量核心同时工作，提升系统效率更大，提高处理能力节能降耗人工智能34低功耗设计，优化架构，延长神经网络加速器，硬件加速机电池续航时间器学习，提升AI性能实验报告撰写要求实验报告格式内容完整性实验报告应使用A4纸打印，采用标准格式，排版整齐，书写工整实验结果应清晰准确，并附上必要的截图或数据表格，无错别字实验分析应结合实验结果，阐述实验现象和原理，并得出合理的结报告中应包含实验目的、实验步骤、实验结果、实验分析、实验结论论等内容实验考核方式实验过程考核实验报告考核课堂讨论考核实验过程考核占总成绩的60%实验报告考核占总成绩的30%课堂讨论考核占总成绩的10%考查学生对实验内容的理解和掌握程度考查学生对实验结果的分析和总结能力考查学生对实验内容的理解和思考能力、操作技能、团队协作能力等、实验报告的规范性和完整性等、积极参与课堂讨论的程度等。