微機原理與接口技術(shù)：第1章 現(xiàn)代微機結(jié)構(gòu)概述

1教材：現(xiàn)代微機原理與接口技術(shù)（第3版）電子工業(yè)出版社微機原理與接口技術(shù)2第0章本課程介紹30.1本課程在計算機課程體系中的位置硬件類軟件類CPU及整機設(shè)計（計算機組成原理）BIOS與接口驅(qū)動程序設(shè)計模擬電路、數(shù)字邏輯電路設(shè)計嵌入式/單片機系統(tǒng)SOC芯片設(shè)計計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)外圍接口電路設(shè)計操作系統(tǒng)編譯系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)C++JAVA離散數(shù)學(xué)計算機系統(tǒng)綜合設(shè)計電子商務(wù)多媒體技術(shù)…算法設(shè)計、數(shù)值分析、信號與系統(tǒng)、計算機理論課程、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課程匯編語言軟件工程VB…40.2本課程的教學(xué)目的掌握先進微處理器芯片結(jié)構(gòu)、微型計算機實現(xiàn)技術(shù)、計算機主板構(gòu)成、各種接口技術(shù)原理及其應(yīng)用編程方法；了解微機技術(shù)新的發(fā)展趨勢，系統(tǒng)科學(xué)地獲得分析問題和解決問題的訓(xùn)練；提高分析和設(shè)計接口的能力?；A(chǔ)：匯編語言程序的編寫方法，尤其接口訪問的方法。50.3本課程的要求不僅要學(xué)習(xí)微機各種接口電路的原理與作用，熟悉PC系列機接口電路，而且還要掌握常用接口的設(shè)計與分析方法，學(xué)會使用匯編語言對接口進行編程，并具有一定的動手實驗?zāi)芰徒涌趹?yīng)用程序的編寫能力，為微機的深入應(yīng)用和嵌入式系統(tǒng)SOC設(shè)計等的學(xué)習(xí)與實踐打下良好基礎(chǔ)。同時有興趣的同學(xué)自學(xué)Windows驅(qū)動程序的編寫方法。課堂上注意聽講并及時記錄教師課堂上補充的內(nèi)容(上網(wǎng)查資料)，認(rèn)真獨立完成作業(yè)，做好課程實驗,做好課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)。60.4本課程的學(xué)習(xí)方法1）抓住x86系列微機基本結(jié)構(gòu)這條主線，分析其基本結(jié)構(gòu)，掌握各接口電路及可編程接口芯片的應(yīng)用。特點：本課程涉及的知識范圍廣，內(nèi)容多2）進一步擴展和延伸CPU—從Core~Sandybridge，實模式~保護模式；總線—PCI，USB，PCI-Express等；中斷—從實模式下的中斷向量～保護模式下的中斷描述符；從傳統(tǒng)中斷～PCI中斷～串行中斷

芯片組—從中大規(guī)模集成電路(8237、8254、8255、8259等）~超大規(guī)模集成電路(82G65MCH、ICH8)-2芯片。存儲管理－從實地址模式到保護模式存儲管理70.4本課程的學(xué)習(xí)方法3）理論與實踐相結(jié)合，鍛煉實驗動手能力。掌握匯編語言編程方法掌握x86系列尋址方式掌握x86常用指令學(xué)會x86匯編程序編寫方法掌握PC機接口程序的編寫方法充分利用課程實驗鍛煉自己的編程能力和接口設(shè)計與分析能力。84）從系統(tǒng)的角度弄清楚“軟件發(fā)出I/O寫指令→CPU及譯碼電路產(chǎn)生數(shù)據(jù)/控制信號→接口電路產(chǎn)生對外設(shè)的數(shù)據(jù)信號和控制信號”的過程，以及“外設(shè)的數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)→接口電路→CPU→I/O讀指令將數(shù)據(jù)或狀態(tài)送到軟件”的過程；0.4本課程的學(xué)習(xí)方法90.5本課程內(nèi)容組織

第1章—概述：微機系統(tǒng)組成、工作過程、系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

第3章—軟件如何控制CPU和接口：指令系統(tǒng)和匯編編程

第6章—總線如何工作：總線標(biāo)準(zhǔn)（PCI,USB,PCI-E）

第7章—I/O接口如何主動與CPU通信：中斷技術(shù)（8259）

第9章—常用外設(shè)與通信接口：串行通信協(xié)議，并行接口8255，人機交互接口

第8章—ICH8中的定時計數(shù)與DMA控制器：8254，8237

第10章—系統(tǒng)編程技術(shù)：處理器的初始化，任務(wù)調(diào)度，BIOS，WDM驅(qū)動程序編寫

第5章—CPU如何與MEM或I/O設(shè)備通信：I/O接口與譯碼

第2章—IA-32/Intel64處理器原理與基本執(zhí)行環(huán)境

第4章—現(xiàn)代微機存儲管理方法：段式，頁式，Cache10100.6本課程參考資料及課時安排教材：楊全勝主編，現(xiàn)代微機原理與接口技術(shù)（第3版），電子工業(yè)出版社,2012.12參考書：周明德主編，微機原理與接口技術(shù)（第2版），人民郵電出版社,2007IntelCo.，Intel?64andIA-32ArchitecturesSoftwareDeveloper’sManual，2011KipR.Irvine著，溫玉杰等譯，Intel匯編語言程序設(shè)計（第五版），電子工業(yè)出版社沈美明，溫冬嬋編著，IBM-PC匯編語言程序設(shè)計（第2版），清華大學(xué)出版社,2007110.6本課程參考資料及課時安排互聯(lián)網(wǎng)46＋16（4*4）120.7實驗1.匯編語言的熟悉2.8259中斷應(yīng)用3.PCI-BIOS的訪問4.PCI中斷應(yīng)用（選）5.8254定時器/計數(shù)器應(yīng)用設(shè)計6.8237芯片實驗（選）7.8255并行接口應(yīng)用設(shè)計8.A/D轉(zhuǎn)換130.8考試試卷考試出勤20%

作業(yè),課堂提問20%

考試60%

實驗考試實驗報告50%

實驗結(jié)果演示50%14第1章現(xiàn)代微機結(jié)構(gòu)概述15硬件軟件控制器運算器系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件BIOS與操作系統(tǒng)WindowsXP、LinuxCPU存儲器輸入設(shè)備輸出設(shè)備支撐軟件匯編、編譯、調(diào)試、數(shù)據(jù)庫管理軟件微機系統(tǒng)硬件是系統(tǒng)的硬平臺，操作系統(tǒng)是系統(tǒng)的軟平臺，系統(tǒng)應(yīng)用軟件通常支撐用戶軟件的開發(fā)。1.1微機系統(tǒng)組成161.微機系統(tǒng)硬件系統(tǒng)1）運算器與控制器——CPU運算含義運算含義＋算術(shù)加OR邏輯加－算術(shù)減NOT按位取反*算術(shù)乘NEG求補/算術(shù)除移位AND邏輯乘循環(huán)指令預(yù)取單元指令譯碼單元控制單元結(jié)果回寫單元控制器運算器——算術(shù)邏輯單元，負(fù)責(zé)算術(shù)與邏輯運算172）存儲器存儲器是微機的存儲和記憶裝置，用來存放數(shù)據(jù)和程序。存儲器分為內(nèi)部存儲器和外部存儲器。微機的內(nèi)部存儲器也稱內(nèi)存或主存，8個二進制位為一個單元（字節(jié)），每個單元規(guī)定一個唯一的物理地址。8位二進制位＝1個字節(jié)（Byte）1024（210）字節(jié)＝1KB1024KB(220字節(jié))=1MB230字節(jié)＝1GB240字節(jié)＝1TB3）I/O設(shè)備與I/O接口184）微機的總線CPU地址總線（AB）RAMI/O接口I/O設(shè)備ROM數(shù)據(jù)總線（DB）控制總線（CB）地址只能由CPU或DMA控制器發(fā)出到其他部件。數(shù)據(jù)總線是雙向的，其寬度決定了一次可以傳送的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)。控制信號每根都是單向的，或者傳送CPU發(fā)出的控制信息、或者是部件發(fā)回的狀態(tài)信息。19IA-32必有的控制信號（不一定都是CPU引腳信號）：時鐘信號（CLK）：同步各種操作的同步信號。復(fù)位信號（RESET#、SYS_RESET#）：使總線上各種部件全部做初始化處理。中斷請求（INTR）：表示某中斷源向處理器發(fā)中斷請求。中斷響應(yīng)（INTA#）：表示中斷請求被響應(yīng)。存儲器讀控制信號（MRDC#）：表示要對所發(fā)地址的存儲單元進行讀操作。存儲器寫控制信號（MWTC#）：表示要對所發(fā)地址的存儲單元進行寫操作。I/O讀控制信號(IORC#)：表示要對所發(fā)地址的端口做讀操作。I/O寫控制信號(IOWC#)：表示要對所發(fā)地址的端口做寫操作。總線請求信號（REQ#）：總線主設(shè)備請求總線控制權(quán)?？偩€允許信號（GNT#）：總線仲裁機構(gòu)允許了某設(shè)備的總線控制權(quán)請求。202.微機系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)裸機基本輸入輸出系統(tǒng)(BIOS)操作系統(tǒng)支撐軟件應(yīng)用軟件硬件系統(tǒng)系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件軟件系統(tǒng)21a.直接訪問特點：可以直接進行內(nèi)存和端口的訪問，也可以自行在CPU的各種工作模式間切換。通常所有的端口和內(nèi)存都是對程序員開放的。工具：匯編語言或C語言。應(yīng)用：BIOS都是基于這種低級層次用匯編來編寫的。部分操作系統(tǒng)的驅(qū)動程序和部分用戶程序也有使用這種方法的。優(yōu)點：能夠編寫速度最快，占用空間最小的有效代碼。缺點：需要對硬件和接口有很熟悉的了解。要會匯編，或熟練使用C語言的指針。不利于增加對新設(shè)備的控制。3.PC機環(huán)境下用戶軟件對外部硬件的訪問方法22b.通過BIOS訪問特點：通過BIOS提供的功能調(diào)用間接地對內(nèi)存或端口訪問，從而控制硬件。工具：匯編語言或C語言。應(yīng)用：驅(qū)動程序有些會使用這些功能調(diào)用。需要獲得高效率的應(yīng)用程序也采用這種方法。優(yōu)點：能夠編寫速度較快的有效代碼。可以不需要編寫直接對硬件進行控制的代碼。缺點：需要對底層信號有所了解。增加對新設(shè)備的控制不是很方便，但好于直接訪問。

23c.使用操作系統(tǒng)提供的應(yīng)用層訪問特點：使用操作系統(tǒng)各種驅(qū)動程序所提供的功能調(diào)用或API函數(shù)間接對硬件或內(nèi)存進行訪問。工具：VC++、Delphi、Java、C#等。應(yīng)用：編寫面向終端用戶的各類應(yīng)用程序。優(yōu)點：無需對硬件控制有太多了解，只需完成應(yīng)用層面的工作就可以，而且還保證操作系統(tǒng)的完整與安全。缺點：需要了解大量的API和功能調(diào)用函數(shù)的功能。由于是間接調(diào)用，所以代碼的效率和編譯系統(tǒng)有很大的關(guān)系。24思考題除了馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)外,還有什么結(jié)構(gòu)的計算機,其特點是什么?25高級語言源程序編譯匯編語言源程序匯編二進制機器作業(yè)指令操作系統(tǒng)調(diào)度或BOOT引導(dǎo)二進制機器指令流CPU取指、譯碼、控制單元電路上的電信號直接控制CPU各部件運作通過接口電路控制外設(shè)運作1.2微機系統(tǒng)的工作原理與工作過程

1.2.1從程序到電子信號2626部分X86指令與控制信號的關(guān)系指令產(chǎn)生的信號常用名含義INAL,21HIORC#IOR#讀I/O端口OUT21H,ALIOWC#IOW#寫I/O端口MOVAX,[21H]MRDC#MEMR#讀內(nèi)存MOV[21H],AXMWTC#MEMW#寫內(nèi)存在Pentium及之前的處理器中有：表示存儲器操作或I/O操作的IO/M#信號表示讀信號有效的RD#表示寫信號有效的WR#IO/M#RD#WR#產(chǎn)生的控制信號001MEMR#010MEMW#101IOR#110IOW#272.微機的工作過程微機的工作過程就是逐條執(zhí)行進入到內(nèi)存中的二進制機器指令流的過程。而一條指令的執(zhí)行過程可以簡單地分為兩個操作階段：取指階段，CPU從內(nèi)存中讀取指令，程序計數(shù)器保存要被取出的下一條指令的地址，除非遇到跳轉(zhuǎn)指令等情況，否則，PC一般都是在每次取指后加上一個增量（當(dāng)前指令的字節(jié)數(shù)）；執(zhí)行階段，對取出的指令先譯碼，解釋指令的功能，然后執(zhí)行譯碼好的指令，這期間可能會讀寫存儲器或端口來獲取操作數(shù)或者存放結(jié)果。程序的執(zhí)行過程就是周期性和重復(fù)性地進行取指令和執(zhí)行指令兩個操作。2829每兩個相鄰的時鐘脈沖上升（下降）沿之間的時間間隔稱為T狀態(tài)，也稱為時鐘周期（ClockCycle）

TCPU與存儲器或輸入/輸出端口進行一次數(shù)據(jù)傳輸所花費的時間稱為一個總線周期（BusCycle）

對于8088CPU,它的總線周期是其與存儲器或輸入/輸出端口存取一個字節(jié)所花費的時間。

執(zhí)行一條指令所需要的時間稱為指令周期（InstructionCycle）1.2.2微機系統(tǒng)工作時序30指令周期總線周期……(總線周期)時鐘周期時鐘周期時鐘周期時鐘周期…………單指令周期CPU的指令周期只包含一個時鐘周期31PUSHAXINCBYTEPTR[DI]328088的典型總線周期33（1）、T1狀態(tài)M//IO信號：對存儲器寫還是對I/O設(shè)備中寫數(shù)據(jù)；AD7-AD0、A15-A8

、A19/S7-A16/S3：確定20位地址；ALE：地址鎖存信號，以使地址/數(shù)據(jù)線分開。（2）、T2狀態(tài)A19/S6-A16/S3：出現(xiàn)S6-S3狀態(tài)信號。決定段寄存器、IF狀態(tài)、8088CPU是否連在總線上。WR、RD：由高電平變?yōu)榈碗娖?，開始進行寫操作。34（3）T3狀態(tài)若存儲器或I/O端口已做好接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，則在T3狀態(tài)期間將數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)總線上，在T3結(jié)束時，CPU將AD15-AD0上數(shù)據(jù)寫入到存儲器或I/O設(shè)備中。（4）TW狀態(tài)在T3狀態(tài)，存儲器或外設(shè)沒有準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)，使READY=0，則CPU在T3和T4之間插入一個或幾個TW狀態(tài)，直到設(shè)備準(zhǔn)備好READY=1為止。（5）T4狀態(tài)在T4狀態(tài)，數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)總線上被撤除，各種控制信號和狀態(tài)信號進入無效狀態(tài)，CPU完成了對存儲器或I/O設(shè)備的寫操作。35PentiumPro基本時序36掌握時序的重要性：當(dāng)CPU與存儲器以及I/O端口連接時，要考慮如何正確地實現(xiàn)時序上的配合當(dāng)微機應(yīng)用于實時控制時，必須估計或計算CPU

完成操作所需要的時間，以便與控制過程配合了解時序有利于我們深入地了解指令的執(zhí)行過程了解時序有利于我們利用匯編編寫核心代碼的時候，選用適當(dāng)?shù)闹噶睿员M量縮短指令的存儲空間和指令的執(zhí)行時間37返回1.3現(xiàn)代微機系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)1.3.1現(xiàn)代微機的基本結(jié)構(gòu)當(dāng)前微機主要有x86系列和APPLE的Power系列無論哪個系列，從基本配置的角度，微機由主板和各類I/O接口卡組成主板上主要有CPU、存儲器、系統(tǒng)芯片和I/O接口插槽，這些部件均采用總線相連接。3838返回I/O接口卡是插在I/O接口擴展槽上的附加設(shè)備的接口電路板，如附加的顯示卡、聲卡、視頻卡、采集卡及網(wǎng)卡等。由于芯片集成度的提高，現(xiàn)在往往將顯示卡、聲卡和網(wǎng)卡等的功能集成到主板上的系統(tǒng)芯片甚至CPU中。39391.基于3芯片平臺架構(gòu)的微機系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)CPU北橋芯片南橋芯片SuperI/OBIOS/FirmwareHub主存儲器圖形控制器音頻主總線高速連接PCI總線插槽PCIExpress總線USB網(wǎng)絡(luò)連接ATA/SATALPC傳統(tǒng)設(shè)備40402.基于2芯片平臺架構(gòu)的微機系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)2/3代Intel酷睿CPUPCHIntel?ME8.xFirmware和BIOSSupportIntel高清晰音頻DIM2.0集成10/100/1000MAC8個PCIExpress2.04個USB3.0，10個USB2.0，雙EHCI傳統(tǒng)PCI支持3個獨立顯示支持SPI1×16lanesPCIExpress3.0Graphics或1×8和1×4lanesPCIExpress3.0and1×4lanesforThunderbolt16lanes16GB/SFDIDDR31333/1600MHzDDR31333/1600MHz6個SATA端口：eSATAIntel千兆網(wǎng)接口PCIe×1SMBus4141x86前x86架構(gòu)4位處理器

4004、40408位處理器

8008、8080、8085IA-16

8086、8088、80286IA-32Pentium前

80386、80486Pentium早期架構(gòu)

Pentium、PentiumMMXP6架構(gòu)

PentiumPro、PentiumII、PentiumIII、PentiumII/IIIPentiumMNetBurst架構(gòu)

Pentium41.3.2Intel微處理器家族發(fā)展概述CoreCore2Duo、Core2QuadCore2ExtremePentiumNetBurst架構(gòu)PentiumD、PentiumExtremeEditionNehalemCorei7、Corei5、Corei3SandBridgeCorei7、Corei5、Corei3(2代)IvyBridgeCorei7、Corei5、Corei3(3代）CoreCoreDuoIntel644242小結(jié)：型號晶體管數(shù)核心位數(shù)地址線寬數(shù)據(jù)線寬流水級數(shù)流水線數(shù)核心數(shù)80882.9萬162016/8--18028613萬162416--18038627.5萬323232--180486120萬323232511Pentium320萬323264521PentiumIII28M3236641231Pentium442M32366420/3131PentiumD230M6436/40643132Core2Duo291M6436/40641442Core2Quad582M6436/40641444Nehalem

731M6436/40641644SandyBridge995M6436/40641644431.3.3IntelG965高速芯片組簡介44441.3.3IntelX58平臺架構(gòu)（3芯片平臺）45451.3.4IntelH77平臺架構(gòu)（2芯片平臺）461.北橋芯片具有36位系統(tǒng)總線，533/800/1066MT/s傳送速率的FSB集成了一個系統(tǒng)存儲器DDR2控制器，支持單通道或雙通道DDR2內(nèi)存集成圖形控制器集成了一個16通道（×16）的PCIExpress端口來連接PCIE