微机接口技术第一章

微机接口技术西安交通大学1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公元二0一0年微机接口技术西安交通大学2课程的目的与意义微机接口技术西安交通大学3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微机接口技术西安交通大学4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）总线（BUS）微机接口技术西安交通大学5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（部分先修）（4学时）掌握80x86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）微机接口技术西安交通大学6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）微机接口技术西安交通大学7主要参考书1.桂小林，微型计算机接口技术，高等教育出版社，20102.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，20053.Intel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）微机接口技术西安交通大学8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：[e-mail]课件：微机接口技术西安交通大学9教学纲要微机系统概论80x86微处理器结构、时序与存储器管理16、32位存储器系统接口设计I/O接口控制方法，译码设计并行接口芯片-8255A及其应用LED键盘打印机串行接口芯片-8251ARS-23224微机接口技术西安交通大学10教学纲要可编程定时/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原理中断系统与可编程中断控制芯片8259原理模数转换和数码转换接口A/D应用D/A应用总线接口及技术ISAPCIUSBPS/2微机接口技术西安交通大学11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微型计算机应用微机接口技术西安交通大学121.1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)微机接口技术西安交通大学13微机接口技术西安交通大学141.2微处理器与单片机1.2.1微处理器1.2.2单片计算机微机接口技术西安交通大学151.2.1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：双核和多核处理器微机接口技术西安交通大学161、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，主要用于计算器和仪器、仪表，提高了这些设备的性能。按今天的标准衡量，它处理信息的能力很低，但正是这个不太起眼的芯片，改变了人们的生活。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10μm。这是微处理器发展的第一阶段。微机接口技术西安交通大学172、第二阶段：8位微处理器随着4004的推出，一些半导体制造商也开始转型生产微处理器，其中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。同一时期，Intel公司也相继推出了8位微处理器8080和8085，其中8080集成了5400个晶体管，工艺水平是6μm。这是微处理器发展的第二阶段。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。虽说它是PC真正的祖先，但它没有显示器，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。微机接口技术西安交通大学18微机接口技术西安交通大学193、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。8086微处理器集成了2.9万只晶体管，时钟频率为4.77MHz。同期，Intel还推出了8087协处理器，协处理器的作用是负责浮点运算。第一台IBMPC机选用的是8088这个型号，8088其实是8086的一个简化版，其内部数据总线是16位，但外部却使用8位的数据总线（8086内部和外部总线均为16位）。8086/8088的地址总线为20位，寻址范围可达1MB。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。微机接口技术西安交通大学20微机接口技术西安交通大学214、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。微机接口技术西安交通大学22第一台IBMPC机微机接口技术西安交通大学235、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25~200MHz。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。在486以前的CPU，CPU的内部工作频率（称为主频）和外部数据总线工作频率（称为总线频率或外频）是一致的。而486处理器出现后，外部总线的工作频率已经跟不上CPU的工作频率了。为了解决这一问题，例如486DX4处理器，其主频为100MHz，外频是33MHz，处理器的主频与外频的倍数3就是倍频。在486时代，CPU还出现了内部Cache，也叫L1Cache。实际上486就是集成有更高主频的386微处理器、80387数字协处理器和8KB内部Cache的微处理器。486使用的外部Cache，被称为L2Cache。微机接口技术西安交通大学24微机接口技术西安交通大学256、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、PentiumⅡ、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。第一代的Pentium代号为P54C，其后又发布了代号为P55C的Pentium，它是内建MMX(多媒体指令集)的Pentium处理器。PentiumMMX处理器增加了57条MMX指令，这些指令专门用来处理音、视频等数据的计算，目的是提高CPU处理多媒体数据的能力。1997年Intel发布了PentiumII处理器，其内部集成了750万个晶体管，并整合了MMX指令，可以更快更流畅地处理影音和图像等多媒体数据。PentiumⅡ内部集合了32KB片内L1Cache(16K指令/16K数据)，L2Cache是512K，L2Cache的工作频率是CPU核心频率的一半。微机接口技术西安交通大学261999年，Intel公司推出了PentiumIII。PIII拥有32K一级缓存和512K二级缓存（L2Cache的工作频率是CPU核心频率的一半），包含MMX指令和Intel自己的3D指令—SSE。PIII处理器在设计时便考虑了互连网的应用，内部包含了一个唯一的序列号，这个64位的处理器序列号，就相当于电脑的身份证，用户既可以用它对电脑进行认证，也可以在商务往来或是上互联网时用它进行数据加密，以提高电脑应用的保密性。2000年Intel发布了PentiumIV处理器。PentiumIV增加了SSE2指令集，这套指令集有144个全新的指令，用户使用基于PentiumIV处理器的个人电脑，可以创建专业品质的影片，可以透过因特网传递电视品质的影像，实时进行语音、影像通讯，实时进行3D渲染，快速进行MP3编码解码运算，在连接因特网时可以运行多个多媒体软件。微机接口技术西安交通大学27微机接口技术西安交通大学287、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