現(xiàn)代微機(jī)原理與接口技術(shù) 東南大學(xué)

主講教師：楊全勝東南大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院微型機(jī)系統(tǒng)與接口技術(shù)2009年版1本課程在計算機(jī)課程體系中的位置硬件類軟件類CPU及整機(jī)設(shè)計（計算機(jī)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)計嵌入式系統(tǒng)SOC芯片設(shè)計計算機(jī)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(jī)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(jī)理論課程、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課程匯編語言軟件工程C#…20.2本課程的教學(xué)目的掌握各種接口技術(shù)原理及其應(yīng)用編程方法；提高分析和設(shè)計接口的能力。掌握匯編語言程序的編寫方法，尤其掌握接口訪問的方法。了解先進(jìn)微處理器芯片結(jié)構(gòu)、微型計算機(jī)實現(xiàn)技術(shù)、計算機(jī)主板構(gòu)成、微機(jī)技術(shù)新的發(fā)展趨勢；30.3本課程內(nèi)容組織

第1章—概述：微機(jī)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)議與8250，并行接口8255，人機(jī)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處理器原理、IA-32處理器基本執(zhí)行環(huán)境

第4章—現(xiàn)代微機(jī)存儲管理方法：段式，頁式，Cache40.4教材與教輔書教材：楊全勝主編，現(xiàn)代微機(jī)原理與接口技術(shù)（第2版），電子工業(yè)出版社教輔書：周明德主編，微機(jī)原理與接口技術(shù)（第2版），人民郵電出版社馬維華主編，微機(jī)原理與接口技術(shù)（第2版），科學(xué)出版社KipR.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50.5課程教學(xué)相關(guān)信息教師姓名：楊全勝（3-4班）辦公地點：計算機(jī)樓510（楊）Email：yangqs@個人網(wǎng)站：助教：3人（李海龍、王奎星、令少亮）課程網(wǎng)站：/people/yangqs/wjyl/manage/index.aspx課程論壇：/people/yangqs/bbs/Board.aspx?BoardID=5網(wǎng)上題庫：/people/yangqs/jkzice/課程QQ群：91262141（微型機(jī)系統(tǒng)與接口技術(shù)）60.5課程教學(xué)相關(guān)信息課程組成：授課64學(xué)時＋匯編實驗12學(xué)時＋接口實驗12學(xué)時授課信息：（3-4班）授課時間：周二1－2節(jié)，周五3－4節(jié)授課地點：教三-403匯編實驗地點：自行實驗接口實驗地點：計算機(jī)中心微機(jī)原理實驗室考試成績組成：平時成績＋期中考試成績＋期末考試成績＋匯編實驗報告＋接口實驗報告7第1章現(xiàn)代微機(jī)結(jié)構(gòu)概述8硬件軟件控制器運(yùn)算器系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件

BIOS與操作系統(tǒng)WindowsXP、Vista、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(jī)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(jī)系統(tǒng)組成91.微機(jī)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)1）運(yùn)算器與控制器——CPU運(yùn)

算含

義運(yùn)

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(bǔ)/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(yùn)算器——算術(shù)邏輯單元，負(fù)責(zé)算術(shù)與邏輯運(yùn)算102）存儲器存儲器是微機(jī)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(jī)的內(nèi)部存儲器也稱內(nèi)存或主存，8個二進(jìn)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(jìn)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114）微機(jī)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(jìn)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。12IA-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(jìn)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(jìn)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?？偩€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(jī)構(gòu)允許了某設(shè)備的總線控制權(quán)請求。132.微機(jī)系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)裸機(jī)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)14a.直接訪問特點：可以直接進(jìn)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(jī)環(huán)境下用戶軟件對外部硬件的訪問方法15b.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?？梢圆恍枰帉懼苯訉τ布M(jìn)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。

16c.編寫操作系統(tǒng)驅(qū)動程序特點：使用BIOS功能調(diào)用或直接訪問的方法編寫符合特定操作系統(tǒng)資源管理規(guī)范的設(shè)備驅(qū)動程序。工具：VC++與DDK開發(fā)包，或第三方開發(fā)工具如DriverStudio。應(yīng)用：在操作系統(tǒng)層面上的設(shè)備控制，并為用戶程序提供API支持。優(yōu)點：既控制硬件，又保證操作系統(tǒng)的完整與安全。缺點：需要對底層信號有所了解。需要對操作系統(tǒng)的各個管理模塊有深入的了解。17d.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(jìn)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。18高級語言源程序編譯匯編語言源程序匯編二進(jìn)制機(jī)器作業(yè)指令操作系統(tǒng)調(diào)度或BOOT引導(dǎo)二進(jìn)制機(jī)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(yùn)作通過接口電路控制外設(shè)運(yùn)作1.2微機(jī)系統(tǒng)的工作原理與工作過程

1.2.1從程序到電子信號19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)存在早期的8088處理器中有：表示存儲器操作與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#IOR#，IOW#，MEMR#和MEMW#是由上述三個信號組合而來201.2.2微機(jī)的工作過程微機(jī)的工作過程就是逐條執(zhí)行進(jìn)入到內(nèi)存中的二進(jìn)制機(jī)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(jìn)行取指令和執(zhí)行指令兩個操作。21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(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳輸所花費(fèi)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(fèi)的時間。執(zhí)行一條指令所需要的時間稱為指令周期（InstructionCycle）1.2.3微機(jī)系統(tǒng)工作時序22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…………單周期指令CPU的指令周期只包含一個時鐘周期分別說出8088中INCAX和INCBYTEPTR[DI]兩條指令在執(zhí)行階段的總線周期數(shù)238088的典型總線周期24PentiumPro基本時序25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(jī)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?，以盡量縮短指令的存儲空間和指令的執(zhí)行時間26返回1.3現(xiàn)代微機(jī)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)1.3.1現(xiàn)代微機(jī)的基本結(jié)構(gòu)當(dāng)前微機(jī)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(jī)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。27x86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/IIIXeon/CeleronNetBurst架構(gòu)

Pentium4、PentiumD、PentiumExtremeEdition、Xeon1.3.2Intel微處理器家族發(fā)展概述

CoreCoreDuo、Core2Duo、Core2QuadCore2ExtremeCore架構(gòu)PentiumDual-CoreNehalemCorei7、Corei5281.3.3IntelG965高速芯片組簡介291.82G965(G)MCH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PCIExpress圖形卡。提供對改進(jìn)的掃描模擬監(jiān)視器和兩個SDVO（SerialDigitalVideoOut，串行數(shù)字視頻輸出）端口的接口，擁有驅(qū)動高級數(shù)字顯示卡或媒體擴(kuò)展卡的能力。具有APIC緩沖管理支持ICH8芯片的橋電路302.ICH8芯片概述支持PCI2.3規(guī)范集成了千兆以太網(wǎng)（GigabitEthernet）控制器集成了SATA控制器，數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到3.0Gb/s(300MB/s)。集成了USB控制器，符合USB1.1/USB2.0規(guī)范集成了Intel?

高清晰音頻控制器集成了中斷控制器（含兩個級聯(lián)的82C59）基于82C54的時鐘擁有256字節(jié)電池供電的CMOSSRAM，