微機原理與接口技術(shù)及實訓(xùn)_微型計算機系統(tǒng)概述

1、1第一章 微型計算機系統(tǒng)概述1.1 計算機的發(fā)展與應(yīng)用 1.1.1 微型計算機的發(fā)展與分類 1.1.2 微型計算機的應(yīng)用1.2微型計算機系統(tǒng)的構(gòu)成 1.2.1 微型計算機的硬件系統(tǒng) 1.2.2 微型計算機的軟件系統(tǒng)1.3 PC機系列體系結(jié)構(gòu) 1.3.1 基于8088 PC總線的微機結(jié)構(gòu) 1.3.2 基于80286 ISA總線的微機結(jié)構(gòu) 1.3.3 基于80386 ISA總線的微機結(jié)構(gòu) 1.3.4 基于80486 EISA總線的微機結(jié)構(gòu) 1.3.5 基于Pentium ISA/PCI總線的微機結(jié)構(gòu)21.1 計算機的發(fā)展與應(yīng)用 人類第一臺數(shù)字電子計算機：1946 年，美國賓夕法尼亞大學(xué)研制出。取名

2、為：ENIAC（Electronic numerical integrator and calculator）。 由著名數(shù)學(xué)家：馮諾依曼，推出了新的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提出采用二進制、存儲程序及在程序控制下執(zhí)行的理念 。第一代：1946年1957年。 器件：電子管，磁芯和磁鼓存儲器。 軟件采用：機器語言和匯編語言，沒有OS。 內(nèi)存容量：僅為幾KB。 運算速度：每秒5000 次的加法運算。 體積：非常非常龐大，用6樓計算機大樓。造價昂貴 性能：非常非常很差 3第二代：1957年1965年 采用晶體管：磁芯內(nèi)存，磁盤外存，內(nèi)存容量增至幾十KB 運算速度：每秒十萬次。 體積：大大減小，用1層樓，計算機中

3、心。 造價：價格降低、昂貴。 性能：大大提高。 軟件采用高級言：COBOL、FORTRAN、ALGOL 等高級高級語言。第三代: 1965年1971年 采用集成電路：內(nèi)存采用磁芯和半導(dǎo)體，磁盤外存 運算速度：可達每秒幾十萬次到每秒幾百萬次； 體積：更進一步大大減小、只用1個大房間。 價格更低。 軟件：廣泛采用了操作系統(tǒng) 。4第四代：1971年-現(xiàn)在 采用：超）大規(guī)模的集成電路。 微機誕生：1972年,4004, INTEL,BILL.蓋次 運算速度：每秒上億次的浮點運算 除了操作系統(tǒng)廣泛采用外，產(chǎn)生了網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。51.1.1微型計算機的發(fā)展及分類1微型計算機的發(fā)展第一代（19

4、71年1972年）： 71 年推出了 4 位低檔微機，其代表產(chǎn)品有 Intel 4004 72 年推出了 8 位 Intel 8008。 只有 48 條指令，時鐘頻率 500KHz；集成度每片 3500個晶體管。 第二代：1973年1977年 推出 8 位中高檔微機, Intel 公司代表產(chǎn)品 8080、8085 Motorola 公司的 M6800 Zilog 公司的Z80。 6第三代：1978年1984年 推出 16 位微機 Intel 公司代表產(chǎn)品 8086/8088 Motorola 公司的 M68000 Zilog 公司的 Z8000。 1981年著名的 IBM 公司,推出了 IBM

5、/PC/XT 1984 年將之擴展為 IBM/PC/AT（Advance Technology） 1984 年 Intel 公司推出了新的一代 16 位 80286 微處理器。7 第四代： 1985年1999年 1985 年 Intel 公司推出了32位的 80386 微處理器 每片的集成度每片達 27.5 萬晶體管 運行速度：每秒完成 500萬指令（MIPS） 1989 年 Intel 公司推出了80486 微處理器 每片的集成度達 25 萬晶體管 1993 年 Intel公司推出了 Pentium 芯片 每片的集成度達 310 萬晶體管 運行速度：每秒完成 90MIPS 指令 1995 年

6、 Intel 公司推出了Pentium Pro 芯片 8 每片的集成度達 550 萬晶體管 其內(nèi)裝有125KB/512KB高速緩存 CACHE 運行速度每秒完成 300MIPS 指令 1996 年將多媒體技術(shù) MMX 用于 Pentium，推出多能奔騰芯片MMX Pentium； 1997 年又將 MMX 技術(shù)用于 Pentium Pro，推出 Pentium II 1999 年 Intel 公司，推出了 Pentium III； 2000 年 3 月推出 Pentium 4。第五代 2000年現(xiàn)在, 新一代 64 位的微處理器芯片已經(jīng)誕生。 9n2 微型計算機的分類 常見的分類方式生要有 4

7、 種： 按字長來分：8 位微機，16 位微機，32 位微機和 64 位微機。 按用途來分：自動控制機和數(shù)據(jù)處理機。 按芯片型號分: 286 微機，386 微機，486 微機和 Pentium微機。 按組裝的形式分：單片機，單板機和多板機。 10 （1）單片機： 將 CPU 、RAM、ROM、定時器、并行接口、串行接口、有的芯片還集成了 A/D、D/A 轉(zhuǎn)換電路，集成在一塊大規(guī)模集成電路的芯片上，這個芯片就是一臺微型機器，簡稱為單片機。 其程序一般固化在 ROM 中直接運行； 一般采用標準總線和總線插板組成方式，由廠方提供大量的系列化的總線功能模板，供用戶自己選擇； 主要用于工業(yè)自動化控制，儀器

8、儀表及家用電器。 產(chǎn)品有Intel 公司的 MCS8051、8096P； Motorola 公司的 MC68HC05、MC68HC11 等。11 （2）單板機： CPU、存儲器、I/O 接口及簡單輸入輸出設(shè)備（主要是指小鍵盤和 LED）裝在同一塊印刷電路板上而組成的一臺微型機器，簡稱為單板機。 有簡單的 I/O 設(shè)備； 用機器語言、匯編語言進行編程 常用于一些較為簡單的控制系統(tǒng)和進行教學(xué) 用Z80 芯片裝配成 TP801，國內(nèi)常見。 （3）多板機： 將 CPU、存儲器、I/O 接口、驅(qū)動電路、電源分別制作成不同的印刷電路板，將這些電路板插在主板上的插槽上，由系統(tǒng)總線相連，所構(gòu)成的計算機系統(tǒng)。

9、多板機的應(yīng)用程序、系統(tǒng)程序，存放在硬盤上 功能很強，廣泛應(yīng)用的多板機有：IBM PC/XT、IBM PC/AT，PC286、PC386、PC486、Pentium系列。121.1.2 微型計算機的應(yīng)用 1. 科學(xué)計算和數(shù)據(jù)處理 科學(xué)研究領(lǐng)域，如衛(wèi)星軌道的計算、天氣預(yù)報和地震勘探；工程設(shè)計，如大水壩的設(shè)計；社會經(jīng)濟管理，如進行經(jīng)濟普查； 2. 生產(chǎn)控制和試驗控制 工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動化，國防、交通實時監(jiān)測、控制和管理，利用計算機可大大地高生產(chǎn)效率。 3. 計算機輔助設(shè)計 飛機制造、機械制造、建筑工程設(shè)計、集成電路設(shè)計，這些復(fù)雜的設(shè)計活中，使用計算機來進行輔助設(shè)計可以極在地提高設(shè)計的效率，提高質(zhì)量，提

10、高自化的水平。 4. 辦公自動化 政府事業(yè)單位、軍隊部門的信息化，企業(yè)的材料管理、生產(chǎn)管理，金融系統(tǒng)貸業(yè)務(wù)、證券市場的電子化，采用計算機和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可實現(xiàn)管理的自動化和無紙化。 13 5. 文化教育 多媒體的教學(xué)已經(jīng)成為學(xué)校進行教學(xué)的一個重要手段，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)會議都是計算機和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用。 6. 娛樂 多媒體技術(shù)在電影電視節(jié)目的設(shè)計、制作、合成，是計算機應(yīng)用的很好事例。返回本章目錄1412 微型計算機的系統(tǒng)構(gòu)成 1.2.1 微型計算機的硬件系統(tǒng) 微型計算機的硬件系統(tǒng)的構(gòu)成框圖，包括微處理器 CPU 子系統(tǒng)、系統(tǒng)總線、存儲器、I/O 接口及 I/O 設(shè)備，見圖1.1 。

11、1. 微處理器子系統(tǒng) 微處理器（MPU）也稱為中央處理機 CPU，采用大規(guī)模集成電路技術(shù)制作的芯片，CPU 內(nèi)有控制器、運算器和寄存器；CPU 執(zhí)行指令、進行運算、控制協(xié)調(diào)整個微機系統(tǒng)。 2. 存儲器 用來存放程序和數(shù)據(jù)信息，分為主存儲器（內(nèi)存）和輔存儲器（外存）；主存由半導(dǎo)體制成，存放當前正在執(zhí)行的程序、數(shù)據(jù)和已經(jīng)處理過的數(shù)據(jù)，它造價高、速度快、容量?。惠o存包括硬盤和光盤，用來存放暫不運行的程序和暫不處理的數(shù)據(jù)，它造價低、速度慢、容量大，可長期保存。15 3. I/O 設(shè)備,見圖1.1 輸入設(shè)備和輸出設(shè)備簡稱為 I/O 設(shè)備，也稱為外圍設(shè)備或外設(shè)，是微機進行輸入和輸出的工具和手段；通常微機配

12、制標準的 I/O 設(shè)備，包括顯示器 CRT 和鍵盤，合稱為控制臺；微機上可選配鼠標、打印機、繪圖儀、掃描儀等，作為外存的硬盤可看成輸入設(shè)備，也可看成輸出設(shè)備。 4. I/O 接口 眾多的外部設(shè)備，其工作速度差別很大，其驅(qū)動的方法不相同，無法直接與 CPU 進行連接，它們必須通過 I/O 接口電路來與CPU相連。I/O 接口的作用：在外設(shè)與 CPU 之間進行數(shù)據(jù)緩沖，配匹速度，變換信號；各種外設(shè)接口，均作成相應(yīng)的電路插板，俗稱 “卡”。通常所說的顯卡、聲卡、打印卡。161.2.2 微型計算機的軟件系統(tǒng),見圖1.2 1. 應(yīng)用軟件 系統(tǒng)軟件本身不能解決用戶自己的應(yīng)用問題，人們針對某項應(yīng)用所編制的，

13、解決用戶實際問題的程序；如財會軟件。 2. 系統(tǒng)軟件 系統(tǒng)軟件最重要的當屬操作系統(tǒng) OS (Operating System）,基本作用是：負責管理整個系統(tǒng)的全部資源（指硬件資源和軟件資源），具體為 CPU、微機的軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件組成。存儲器、I/O 設(shè)備等硬件資源，管理文件、目錄、任務(wù)、進程等軟件資源；方便用戶，用戶通過操作系統(tǒng)提供的各種功能來使用計算機，而不需要熟悉計算機的硬件。 操作系統(tǒng)通常由生產(chǎn)廠家提供，如早期的單用操作系統(tǒng) MSDOS，多用戶的 UNIX 和基于圖形用戶界面的 Window。17系統(tǒng)軟件中還有語言處理程序，計算機語言是使用者與計算機之間進行交流的工具；人們

14、將要計算機來完成的事件編寫成程序輸入給計算機；計算機通過執(zhí)行用戶的程序來完成用戶的工作。其中廣泛使用的語言有 C 語言、VB、VC、Java 等，機器只能運行機器語言。返回本章目錄1813 PC 機系列體系結(jié)構(gòu) 1.3.1 基于 8088 PC 總線的微機結(jié)構(gòu) 8088 微處理機，作為第一代機的 CPU，通過地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線對整個機器進行調(diào)試和控制，其體系結(jié)構(gòu),如圖 1.3 。 1. 8088 處理器：采用 4.77M 的工作頻率，該頻率通過 8284 對14.31818MHz 的晶體振蕩 3 分頻而得到的；每個時鐘周期 210nm。 2. 8087 協(xié)處理器：8088 在最大模式

15、下可配接 8087協(xié)處理器用來進行浮點運算，使浮點運算速度提高 100 倍。 3. 存儲器：64K 的 ROM 早期存放 32K 的 Basic 解釋程序，另 32K 固化 BIOS，包括上電自檢程序、系統(tǒng)引導(dǎo)程序、日時鐘管理程序和基本的 I/O 設(shè)備的驅(qū)動程序 4. RAM 內(nèi)存：IBM PC/XT 的主板上可接插 640K 的內(nèi)存。 5. 8253/8254 可編程定時計數(shù)器：該片提供 3 個通道。通道 0 每 55ms 向 CPU 發(fā)一個時鐘中斷信號，通過計數(shù)，用來計算時 鐘的時間；通道1 用于 DRAM 的刷新；通道2 輸出方波到揚聲器。 19 見圖1.3。 6. 8259 可編程的中

16、斷控制器：用于 8 級中斷優(yōu)先權(quán)的控制，負責對外部的中斷進行優(yōu)先排隊，將最高級中斷求發(fā)向 CPU 。 7. 8250 串行通信控制器：實現(xiàn)串行到并行，并行到串行的轉(zhuǎn)換。 8. 8237 DMA 控制器：提供有 4 個通道起先高速數(shù)據(jù)傳送。 通道0 用于動態(tài)存儲器的刷新；通道1 留給用戶；通道2 用于軟盤與內(nèi)存的 DMA 傳送；通道3 用于硬盤與內(nèi)存的 DMA 傳送。 9. 8255 并行接口：提供 3個 8 位的并行端口。 A 端口用于讀取鍵盤按鍵的掃描碼。B 端口用于控制，包括鍵盤接口電路的串行并行之間的轉(zhuǎn)換和揚聲器的發(fā)聲。C 端口用于讀取系統(tǒng)狀態(tài)，包括系統(tǒng)配置信息；如內(nèi)存容量、顯示器的類型

17、、軟盤驅(qū)動器的個數(shù)等。 10. I/O 擴展槽：PC/XT 上有 8 個 62 線的擴展槽。 201.3.2 基于 80286 的 ISA 總線的微機結(jié)構(gòu) PC/AT 為 PC/XT 的擴展型，采用 80286 作 CPU，80286 微處理器有 24 根地址線，物理尋址空間 64K，16 根數(shù)據(jù)線；軟盤驅(qū)動電路作在主板上，可選擇 5.25 英寸的軟盤驅(qū)動 3.5 英寸的軟盤驅(qū)動器、20M 以上的硬盤驅(qū)動器；其體系結(jié)構(gòu)見圖1.4 。 1. 數(shù)字運算協(xié)處理器 80287 ：進行浮點運算。 2. 定時控制器 8254：有 3 個 16 位的定時計數(shù)通道。 3. 中斷控制器重 8259：兩個聯(lián)級可管

18、理 15 個外中斷源。其中 IRQ0 級中斷分配給 定時器0，用來維持系統(tǒng)時鐘的運行；IRQ1級中斷用于鍵盤；IRQ8 用于實時時鐘，IRQ13 級用于協(xié)處理器。其余的中斷連到 I/O 通道，如 IRQ3 用于串行口 COM1；IRQ4 用于串行口 COM2；IRQ7 用于打印機。21 見圖1.4 4. DMA 控制器8237：PC/AT 微機，在PC/XT 的基礎(chǔ)上又連了一個DMA 控制器，又得到了3個DMA通道：即 通道5-通道7，支持16位的數(shù)據(jù) DMA傳送；而其它通道仍用于8位數(shù)據(jù)的DMA傳送。 5. CMOS 芯片：采用 Motorola 公司生產(chǎn)的 M146818 芯片，其內(nèi)含的實

19、時時鐘為系統(tǒng)提供年、月、日、星期、時、分、秒信息；防止丟失信息保證實時時鐘的準確性，該芯片由后備電池供電。 6. 內(nèi)存：系統(tǒng)板上安裝了 256K 或 512K 的 RAM，以后擴展為 640K。 7. ROM BIOS：系統(tǒng)板上安裝了64K 的 ROM，可擴展到128K 。 8. I/O 擴展槽：為保持與 PC 機的兼容性，保留了原來 62 線的總線插槽，在插槽的另一端增加了36 線，新插槽，合拼成 98 線的稱為 “AT總線”，就是 ISA 總線。這樣在 80286 即 AT 的主板上有 6 個 98 線的 ISA 總線，有 2 個 62 線的 XT 總線。 9. 并行接口：沒有采用 825

20、5 芯片，為保持與 PC/XT 的兼容，鍵盤接口電路由 8042 微控制器；系統(tǒng)信息由 CMOS ROM 146818 芯片提供。221.3.3 基于 80386 的 ISA 總線的微機結(jié)構(gòu) 采用了 Intel 公司的 80386 微處理器的80386機器，80387協(xié)處理器用于浮點運算；采用 ISA 總線來連接系統(tǒng)中的各個部件；具有高速緩沖器 CACHE，采用一組多功能芯片代替原來的單功能的接口控制芯片；80386 微機體系結(jié)構(gòu)見圖1.5 1. 采用 ISA 總線: 代替原來的 PC 總線，性能上兼容 PC/AT總線，并且是一個公開的總線協(xié)議。 2. 系統(tǒng)系統(tǒng)芯片由幾個多功能芯片組成: 芯片

21、組代替PC/XT機中的多個單功能芯片組；由 85C320AT 總線信號控制器、85C310 Cache 存儲器控制器、85C330 數(shù)緩沖器、82C206 集成外圍控制器組成的芯片組。 3. 支持 24 位地址線，16 位數(shù)據(jù)線: 15 級硬件中斷、7 個DMA 通道。23 見圖1.5。 4. 采用單列式 SIMM 存儲組件: 進行封裝的動態(tài)存儲器作為內(nèi)存條，主板支持單條 256K、1M，總?cè)萘靠蛇_到 16M。 5. 80386 微機有 8 個 8位的擴展槽：6個 6位的擴展槽。 6. 核心邏輯芯片: 將 CPU 的局部總線與 ST/ISA、XT 總線進行隔離，速度慢的 ROM BIOS 、鍵

22、盤、鼠標連接到系統(tǒng)核心邏輯上，高速的主存儲、高速緩存 Cache 直接連接到 CPU 的局部總線上，核心邏輯將 2 個 DMA 控制器 8237 以級聯(lián)方式組合，2 個中斷控制器也以級聯(lián)方式組合。 241.3.4 基于 80486 的 EISA 總線的微機結(jié)構(gòu) 80486 微機采用了 Intel 公司的 80486 微處理器，內(nèi)集成了協(xié)處理器 80387，前期采用總線 ISA 其結(jié)構(gòu)，后來采用了EISA (擴展的工業(yè)標準結(jié)構(gòu)) 總線標準，功能上、電氣上能連接PC/XT 微機、PC/AT 微機的 ISA 總線相兼容，其體系結(jié)構(gòu)框圖見圖1.6。 1. 總線：時針為 8M，總線寬度 32 位，最高的

23、數(shù)據(jù)傳輸率為33M 。 2. 采用單列式存儲器組件: SIMM 封裝的 DRAM 內(nèi)存條，支持 256K、1M 、4M 的單條。 3. 采用一組多功能芯片: 系統(tǒng)系統(tǒng)芯片由幾個多功能芯片組成的芯片組，代替 PC/XT 機中的多個單功能芯片；由 82C461、系統(tǒng)控制器、82C362 總線控制器、82C465 Cache 控制器等集成外圍控制組成芯片組。 4. 80486 采用單項列式存儲器: 組件 SIMM 封裝的動態(tài)存儲器內(nèi)存條，支持單項條256KB、1MB、4MB，總?cè)萘靠蛇_32MB。 25 見圖1.6 5. 機內(nèi)除有多個 ISA 總線標準 8位、16 位擴展槽外。還有多個 EISA 標準

24、的 32 位擴展槽；VESA 總線插槽較貴，一般用于高檔的微機和服務(wù)器中。 6. 地址線支持 32位: 可尋址 4GB 的存儲空間，也支持64KB的 I/O 端口尋址，支持 11級中斷， 7. 32 位數(shù)據(jù)線: 支持 8位、16位、32 位的數(shù)據(jù)存取。261.3.5 基于 Pentium 的 ISA/PCI 總線： 南橋北橋的微機體系結(jié)構(gòu) Pentium 機的體系結(jié)構(gòu)，改變了主板的結(jié)構(gòu)，使微機體系結(jié)構(gòu)發(fā)生了根本性的變化，根據(jù)各個部件處理、傳輸信息的速度，采用了3級總線結(jié)構(gòu)：CPU總線、局部總線（PCI）和系統(tǒng)總線（ISA）。 CPU總線 64 位數(shù)據(jù)線，32 位的地址線，66MHZ (或者10

25、0MHZ) 的總線時鐘頻率；局部總線（PCI）為 32 位（或 64 位）數(shù)據(jù)/地址 分時復(fù)用同步總線，通過北橋芯片與速度更高的 CPU 相連；系統(tǒng)總線為 16 位數(shù)據(jù)線，20 位地址線。系統(tǒng)總線為 16 位數(shù)據(jù)線，20 位地址線；這種設(shè)計提高了微機的性能。橋路芯片起到了速度緩沖、電平轉(zhuǎn)換和控制協(xié)議的轉(zhuǎn)換作用；Pentium 微型機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 見圖1.7 。 1. 南橋芯片 82371：與 IDE 接口、ISA 總線等低速設(shè)備相連，南橋芯片用來管理系統(tǒng)中的低速設(shè)備。 27 見圖1.7。 2. 北橋芯片 82439HX：與 CPU、內(nèi)存、L2（二級高速緩存）CACHE、局部總線等高速設(shè)備相連，

26、南橋芯片用來管理系統(tǒng)中的高速設(shè)備。 3.有一個 IDE 接口，一個 USB 接口，一個紅外線接口:這種結(jié)構(gòu)設(shè)計，即使微處理器及局部總線發(fā)生了變動，只需改變北橋芯片，而不影響眾多的外圍芯片系列。本章結(jié)束返回目錄28圖1.1 微型計算機的硬件系統(tǒng)組成處理器子系統(tǒng)系統(tǒng)總線形成I/O 設(shè)備I/O 接口地址線數(shù)據(jù)線控制線存儲器返回14返回1529圖1.2 微型計算機系統(tǒng)組成微型計算機系統(tǒng)硬件主機外設(shè)微處理器運算器控制器寄存器組存儲器ROMRAM系統(tǒng)總線數(shù)據(jù)總線地址總線控制總線I/O接口電路輸入輸出設(shè)備外存儲器軟件系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)等程序設(shè)計語言應(yīng)用軟件（數(shù)據(jù)庫，軟件包）等返回1630圖1.3 8088 PC