《微机原理与接口技术》课件

微机原理与接口技术本课程将带您深入了解微型计算机系统的内部工作原理和外部接口技术，帮助您掌握微机系统的设计、开发和应用能力课程大纲理论课时实验课时学时学时4824第一章微型计算机系统概述1从早期的电子管计算机到如今2计算机系统由硬件和软件两部的超高速集成电路计算机，微分组成硬件是看得见摸得着机经历了漫长的发展历程，不的实体，包括、内存、硬CPU断提高性能、降低成本，为人盘等软件是运行在硬件上的类社会带来了翻天覆地的变化程序，包括操作系统、应用程序等3冯诺依曼结构是现代计算机的基础架构，它将数据和指令统一存放在·内存中，并由统一处理，极大地提高了计算机的效率和灵活性CPU计算机系统的层次结构应用层1提供用户界面，执行用户指令系统层2管理系统资源，提供系统服务硬件层3构成计算机的物理实体微机系统的性能指标GHz主频CPU每秒执行指令的次数位64数据通路宽度CPU一次可以处理的数据位数100KMIPS每秒执行百万条指令数1TFLOPS每秒执行的浮点运算次数第二章微处理器结构算术逻辑单元（ALU）控制单元（CU）负责数据的运算和逻辑操作协调和控制各个部件的工作CPU寄存器组用于保存数据和指令微处理器特点8086/8088内部结构引脚功能工作模式采用位指令字长、位数据通路，支定义了地址总线、数据总线、控制信号包括实模式、保护模式等，分别用于不1616持段式内存管理，具有多种工作模式、电源信号等同的系统应用场景寄存器组织8086通用寄存器保存数据，用于运算、传送等操作段寄存器存放内存段的起始地址，用于段式内存管理专用寄存器用于指示状态、执行指令等CPU存储器管理实模式寻址1默认的工作模式，使用位地址，最大寻址空间为80861664KB段式管理2将内存分成多个段，每个段的大小为，每个段都有自己64KB的起始地址物理地址计算3物理地址段地址偏移地址=*16+指令系统概述8086指令格式指令由操作码和操作数组成，操作码指示要执行的操作，操作数是操作的对象寻址方式指令根据操作数地址的获取方式，可以分为多种寻址方式，如立即寻址、寄存器寻址、直接寻址等指令分类根据指令的功能，可以分为数据传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令、转移指令等数据传送指令MOV PUSH/POP XCHG将一个操作数的值传送将数据压入或弹出堆栈交换两个操作数的值到另一个操作数算术运算指令ADD/SUB MUL/DIV INC/DEC执行加法或减法运算执行乘法或除法运算对操作数进行加或减11运算逻辑运算指令AND/OR/XOR NOTTEST执行逻辑与、或、异或执行逻辑非运算对两个操作数执行逻辑运算与运算，并设置标志位移位指令循环移位逻辑移位将操作数的位向左或向右移动，移动到一算术移位将操作数的位向左或向右移动，空出的位边的位从另一边移入将操作数的位向左或向右移动，并保持符用填充0号位不变转移指令条件转移指令JMP CALL/RET无条件跳转到指定地址调用子程序或返回主程根据标志位的值，决定序是否跳转第三章存储器系统ROM只读存储器，主要用于存放系统引导程序等，断电后数据不丢失RAM Cache随机存取存储器，主要用于存放程序和数高速缓存，用于存放经常访问的数据，以据，断电后数据丢失提高访问速度213主存储器DRAM工作原理存储器刷新使用电容存储数据，需要周期性通过定期对电容充电来恢复数据刷新以保持数据内存条类型、、、等，代表不同的SDRAM DDRSDRAM DDR2SDRAM DDR3SDRAM技术标准和性能存储器ROMEPROM EEPROM可擦除可编程只读存储器，可以电可擦除可编程只读存储器，可通过紫外线照射擦除数据以通过电信号擦除数据Flash Memory闪存，是一种非易失性存储器，可以快速读取和写入数据存储器时序读写时序时序参数指存储器读写操作的各个阶段，包括地址建立时间、数据保持时间等包括地址建立时间、数据保持时间、读写延迟时间等123存取周期指存储器完成一次读写操作所需的时间存储器扩展位扩展增加存储器字长，例如将位扩展到位816字扩展增加存储器容量，例如将扩展到1KB2KB字位同时扩展同时增加字长和容量存储器芯片选择地址译码片选逻辑读写控制将发出的地址转换用于确定哪个存储器芯控制存储器芯片进行读CPU为存储器芯片的片选信片被选中或写操作号第四章输入输出系统接口是连接计算机系统和外接口的功能包括地址译码、I/O部设备的桥梁，负责将计算机数据缓冲、控制信号转换、中内部的数据传输到外部设备，断请求等并将外部设备采集到的数据传输到计算机内部接口可分为并行接口和串行接口两种类型，并行接口一次传输多位数据，速度快，但距离短；串行接口一次传输一位数据，速度慢，但距离远编址方式I/O独立编址为设备分配独立的地址空间，与内存地址空间分开I/O统一编址将设备的地址映射到内存地址空间，与内存地址空间共用I/O端口地址分配根据设备的类型和功能分配不同的端口地址I/O传送方式I/O程序查询方式反复查询设备的状态，直到设备准备好后才进行数据传输CPU I/O中断方式设备在准备好后向发送中断请求，响应中断并处理数据I/O CPUCPU传输DMA方式直接内存访问，设备直接与内存进行数据传输，无需干预I/O CPU可编程接口芯片8255A结构工作方式编程方法包含三个独立的位端口，每个端口包括基本、选通、双向传送等，可通过向的控制寄存器写入数据来8I/O I/O I/O8255A可设置为不同的工作模式根据不同的应用需求进行选择设定其工作模式和端口方向工作模式8255A方式1（选通I/O）2端口可设置为输入或输出，并可使用握手信号进行同步方式0（基本I/O）1端口可独立设置为输入或输出方式2（双向传送）端口可同时进行输入和输出，使用握手3信号进行同步应用实例8255ALED显示接口键盘接口使用控制显示的亮灭使用读取键盘按键的状态8255A LED8255A，实现简单的数字或字符显示，并将按键编码传输到CPU步进电机控制使用控制步进电机的旋转，实现精密的电机控制8255A第五章中断系统中断是计算机系统中的一种机制，它中断类型包括硬件中断、软件中断、中断处理过程包括中断请求、中断响允许外部设备或程序在需要时向异常中断等应、中断处理和中断返回四个阶段CPU发送请求，以便暂停当前任务，CPU转而处理紧急事件中断系统8086中断向量表1存放各中断服务程序的入口地址，用于快速找到对应中断的处理程序中断优先级2多个中断同时发生时，根据中断优先级选择处理哪个中CPU断中断响应3检测到中断请求后，根据中断向量表找到对应中断服务CPU程序的入口地址，并跳转到该地址执行可编程中断控制器8259A内部结构工作模式初始化编程包含个可编程中断请求通道，可用于管提供多种工作模式，可根据系统需求设通过向的控制寄存器写入数据来88259A理多个外部设备的中断请求定中断优先级、中断屏蔽等设定其工作模式和中断向量中断服务程序编写规范必须遵循一定的规范，包括保护现场、处理中断、恢复现场等保护现场将状态、寄存器等重要信息保存到堆栈中，以便中断处理CPU完成后恢复现场中断返回中断处理完成后，执行中断返回指令，将控制权返回到中CPU断发生前的程序第六章控制器DMA控制器可以实现设备与是一个典型的控制DMA I/O8237A DMA内存之间的数据传输，不需要器，具有多个独立的通道DMA的干预，提高了数据传输，每个通道可以控制一个设CPU I/O效率备的传输工作模式包括单字节传输、块传输、循环传输等，可以根据不同DMA的传输需求进行选择传送过程DMA申请阶段设备向控制器发出请求，申请使用通道I/O DMA DMA传送阶段控制器根据设置的传输参数，直接将数据从设备传输到内存DMA I/O或从内存传输到设备I/O结束阶段数据传输完成后，控制器向发出中断信号，通知数DMA CPUCPU据传输完毕编程8237A初始化编程传送模式设置状态查询设定通道的工作模选择通道的工作模查询通道的当前状DMADMADMA式、传输参数等式态第七章定时器计数器/定时器计数器是一种能够产生是常用的可编程定/8253/8254定时信号或计数脉冲的电路，时器计数器芯片，具有三个独/广泛应用于计算机系统中立的计数器，每个计数器可设置为不同的工作模式和计数方式定时器计数器的应用实例包括精确定时、波形发生、频率计数等/工作模式8253方式0至方式5计数方式选择输出波形不同的工作模式对应不同的计数方式和可以选择计数器以何种方式进行计数，可以选择计数器输出什么样的波形，例输出波形例如二进制计数、计数等如方波、脉冲等BCD定时器应用精确定时波形发生频率计数使用定时器产生精确的使用定时器产生不同的使用定时器测量外部信定时信号，用于控制系波形，用于驱动外部设号的频率统的时间间隔备或控制系统运行第八章串行通信接口串行通信是指数据一位一位地是常用的串行通信标RS-232C依次传输，适用于远距离传输准，定义了通信数据的格式、，例如计算机与手机之间的通波特率、校验方式等信是常用的串行通信接口芯片，支持异步串行通信，可用于8250/16550控制数据收发、设置通信参数等异步串行通信数据格式定义了数据位数、起始位、停止位、校验位等波特率设置设定每秒传输的数据位数校验方式使用校验位对数据进行校验，确保数据传输的正确性编程控制8250初始化设置数据收发状态查询设定串行通信参数，例控制串行通信接口进行查询串行通信接口的当如数据位数、波特率、数据收发前状态，例如是否发送校验方式等完成、是否收到数据等第九章并行通信接口并行通信是指数据同时传输多是常用的并行通信标IEEE-488位，适用于近距离传输，例如准，定义了通信数据的格式、计算机与打印机之间的通信传输方式、控制信号等打印机接口是常用的并行通信接口，用于连接计算机与打印机，将计算机内部的数据传输到打印机进行打印打印机接口编程状态检测查询打印机接口的当前状态，例如是否处于忙状态、是否准备好接受数据等数据输出将要打印的数据传输到打印机接口控制命令发送控制命令到打印机接口，控制打印机的操作，例如选择打印模式、打印速度等第十章与转换A/D D/A模拟量是连续变化的物理量，转换器将模拟量转换为数A/D例如温度、电压等；数字量是字量，转换器将数字量转D/A离散的量，例如计算机内部的换为模拟量数据常见的转换器芯片包括逐次逼近型、双积分型、并行比较型等；A/D常见的转换器芯片包括型、权电阻型等D/A R-2R转换器A/D逐次逼近型双积分型并行比较型通过不断地逼近真实值来实现转换，利用积分运算来实现转换，抗干扰能使用多个比较器同时进行比较，速度精度高，速度较慢力强，精度高快，精度较低转换器D/AR-2R型权电阻型使用电阻网络来实现转换，结构使用不同权值的电阻来实现转换简单，精度较高，精度较高，但电路复杂精度指标主要指标包括分辨率、线性度、误差等第十一章键盘接口键盘扫描是指计算机系统不断按键识别是指将按键按下产生地检测键盘按键的状态，以便的信号转换为对应的键码，例识别用户输入的字符如字母、数字、符号等去抖处理是指消除按键按下或释放时产生的抖动现象，保证按键识别准确可靠矩阵键盘程序设计按键处理键码转换根据键码进行不同的处理，例如显示字符扫描程序将按键按下产生的信号转换为对应的键码、执行命令等通过循环扫描矩阵键盘的每一行，检测是否有按键按下第十二章显示接口LED显示LCD显示使用灯发光来显示信息，成使用液晶分子来显示信息，屏幕LED本低，应用广泛尺寸小，功耗低VGA显示使用模拟信号传输数据，能够显示高分辨率图像显示接口LED动态扫描段码转换显示控制通过控制灯的亮灭，实现动态显示效将字符或数字转换为显示的段码控制显示的亮度、颜色等参数LED LEDLED果显示控制LCD指令系统显示控制器使用特定的指令集控制显示内容LCD初始化在使用之前，需要进行初始化，设定显示参数LCD显示程序编写程序控制显示特定的字符、图形或图像LCD第十三章总线接口总线是连接计算机系统各个部总线类型包括内部总线、外部件的公共通路，用于数据传输总线、系统总线等、地址传输、控制信号传输总线标准是指总线的设计规范，例如数据位数、传输速度、信号定义等，常见的总线标准包括总线、接口、总线等PCI USBPCIE系统总线控制总线地址总线用于传输控制信号，控制总线上的信号用数据总线用于传输地址，地址总线的宽度决定了于协调和各个部件之间的工作CPU用于传输数据，数据总线的宽度决定了可以访问的内存地址范围CPU一次可以传输的数据位数CPU常用总线标准PCI总线USB接口是一种常用的扩展总线，用于连一种常用的串行总线，用于连接接计算机系统中的外设，例如声各种外设，例如鼠标、键盘、打卡、网卡等印机等PCIE总线一种高速扩展总线，用于连接高性能外设，例如显卡、存储控制器等第十四章实验指导实验是学习微机原理与接口技实验要求学生认真阅读实验内术的重要环节，通过动手实践容，熟练掌握实验步骤，并能可以加深对理论知识的理解，独立完成实验并培养实际操作能力实验准备包括实验环境搭建、设备检查、程序编写等，确保实验顺利进行基础实验通过基础实验，学生可以学习实验中会使用一些常用的工具常用的程序调试方法，掌握汇，例如调试器、汇编器等，学编语言的编程技巧生需要熟悉这些工具的使用方法实验过程中可能会遇到一些常见问题，例如程序错误、硬件故障等，学生需要学会分析问题、解决问题综合实验一交通灯控制系统设计要求实现方法使用微机控制交通灯的亮灭，实现交通根据交通灯的控制逻辑设计程序，实现使用定时器产生定时信号控制交通灯的灯的正常工作不同的工作模式亮灭，使用接口控制交通灯的开关I/O综合实验二数字温度计系统硬件电路软件设计使用微机采集温度传感器的数据，并将设计温度传感器、转换器、显示编写程序采集温度传感器数据、进行A/D LCD A/D温度信息显示在上等硬件电路转换、控制显示LCD LCD综合实验三简易示波器设计系统框图关键技术使用微机采集模拟信号，并将其波形显设计模拟信号采集电路、转换器、数模拟信号的采集、转换、数据处理算A/DA/D示在显示器上据处理模块、显示模块法、图形显示技术课程总结本课程介绍了微型计算机系统通过本课程的学习，学生应能的基本组成、工作原理和常用够掌握微机系统的基本原理，接口技术，包括结构、存并具备独立设计、开发和应用CPU储器系统、系统、中断系统微机系统的基本能力I/O、控制器、定时器计数器DMA/、串行通信接口、并行通信接口、与转换、键盘接口A/D D/A、显示接口和总线接口等希望同学们在未来的学习和工作中能将所学知识应用到实际项目中，并不断学习新知识、探索新技术，为科技发展做出贡献。