微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)CAI-CHAP01章

第1章概述本章知識(shí)要點(diǎn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件邏輯結(jié)構(gòu)和軟件組成微處理器的基本功能和結(jié)構(gòu)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)微型計(jì)算機(jī)的分類及發(fā)展微型計(jì)算機(jī)接口結(jié)構(gòu)、端口編址等基本概念1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通常由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。硬件系統(tǒng)一般是指用電子器件和機(jī)電裝置組成的計(jì)算機(jī)實(shí)體；軟件是程序和程序運(yùn)行所需要的數(shù)據(jù)及有關(guān)文檔資料。

1.1.1計(jì)算機(jī)硬件的基本結(jié)構(gòu)

馮·諾依曼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大基本部件組成計(jì)算機(jī)的硬件部分。采用二進(jìn)制編碼形式表示數(shù)據(jù)和指令。將程序事先存入主存儲(chǔ)器中，使計(jì)算機(jī)在工作時(shí)能夠自動(dòng)高速地從存儲(chǔ)器中取出指令加以執(zhí)行。

1.存儲(chǔ)器(Memory)

負(fù)責(zé)存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)等信息的部件。

位(bit)：

把1個(gè)脈沖單元稱之為位，它是存儲(chǔ)信息的最小單位。

字節(jié)(Byte)

：將8個(gè)二進(jìn)制位編為一組叫做1個(gè)字節(jié)，它是數(shù)據(jù)處理的基本單位。

字(Word)：1個(gè)字由1個(gè)或若干個(gè)字節(jié)組成，在計(jì)算機(jī)中常用1個(gè)字來表示數(shù)據(jù)和信息的長度，并把組成1個(gè)字的位數(shù)稱為字長。

存儲(chǔ)容量：存儲(chǔ)器的容量是以字節(jié)Byte為基本單位的，分別以B、KB、MB、GB表示。

1Byte=8bit(1字節(jié))1KB=210B=1024B≈103B(千字節(jié))1MB=210KB=1024KB≈106B(兆字節(jié))1GB=210MB=1024MB≈109B(千兆字節(jié))

地址為了便于對存放在計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理和存取，通常以字節(jié)為單位對內(nèi)存單元進(jìn)行編號(hào)，給每一個(gè)存儲(chǔ)單元一個(gè)地址。

訪問計(jì)算機(jī)在運(yùn)行過程中應(yīng)該能夠按照給定地址將數(shù)據(jù)、指令寫入相應(yīng)的存儲(chǔ)單元，或自相應(yīng)單元中取出，這樣對存儲(chǔ)器的每一次讀/寫操作，稱作一次訪問。2.

運(yùn)算器(ALU—ArithmeticLogicUnit)

即算術(shù)邏輯單元，是執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的部件。3.控制器(Controlunit)

是整個(gè)計(jì)算機(jī)的指揮控制中心，它負(fù)責(zé)對程序的指令進(jìn)行分析，然后根據(jù)分析結(jié)果發(fā)出有一定規(guī)律的時(shí)序信號(hào)，控制并協(xié)調(diào)輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、運(yùn)算器和存儲(chǔ)器等功能部件進(jìn)行動(dòng)操作。4.輸入設(shè)備(InputDevice)

是計(jì)算機(jī)執(zhí)行部件接受外界信息的中間媒介，它的任務(wù)是輸入操作者提供的原始信息，并將它轉(zhuǎn)換成為機(jī)器所能識(shí)別的信息，最常用的輸入設(shè)備是鍵盤。5.輸出設(shè)備(OutputDevice)

其任務(wù)是將計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果以能為用戶所接受的形式輸出，常見的輸出設(shè)備有監(jiān)視器、打印機(jī)、繪圖儀等。1.1.2計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)

1.

程序設(shè)計(jì)語言

機(jī)器語言匯編語言

高級(jí)語言

2.

系統(tǒng)軟件

操作系統(tǒng)語言處理程序匯編程序 編譯程序解釋程序數(shù)據(jù)庫管理程序

3.

應(yīng)用軟件

1.2微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

1.2.1

微處理器

微處理器（Microprocessor）是指微型計(jì)算機(jī)中的CPU，是微型計(jì)算機(jī)的核心，基本功能如下：可以進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算；

可以保存少量數(shù)據(jù)；

能對指令進(jìn)行譯碼并執(zhí)行規(guī)定的動(dòng)作；

能和存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備交換數(shù)據(jù)

提供微型計(jì)算機(jī)所需要的地址和控制信號(hào)；

可響應(yīng)來自其他部件的中斷請求以及對其他輸入控制的處理。1.2.2微型計(jì)算機(jī)

1.微型計(jì)算機(jī)的典型結(jié)構(gòu)

微型計(jì)算機(jī)以微處理器（即CPU）為核心，通過系統(tǒng)總線連接內(nèi)存儲(chǔ)器和I/O接口電路而構(gòu)成。

總線(Bus)地址總線AB（AddressBus）、數(shù)據(jù)總線DB（DataBus）、控制總線CB（ControlBus）2.

微型計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)功能強(qiáng)

可靠性高

價(jià)格低

適應(yīng)性強(qiáng)

周期短，見效快

體積小，重量輕，耗電省

維護(hù)方便

1.2.3

微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（MicrocomputerSystem）微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是指由微型計(jì)算機(jī)配以相應(yīng)的I/O設(shè)備及其專用電路、電源、機(jī)架以及軟件系統(tǒng)所構(gòu)成的系統(tǒng)。

I/O設(shè)備用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入/輸出，包括CRT顯示器、鍵盤、磁盤及磁盤驅(qū)動(dòng)器和打印機(jī)等。軟件系統(tǒng)包括操作系統(tǒng)和一系列系統(tǒng)應(yīng)用程序，有了軟件系統(tǒng)，才能發(fā)揮微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的硬件功能，并為用戶使用計(jì)算機(jī)提供了方便。1.3微機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)

1.3.1

微處理器的性能

字長

運(yùn)算速度

1.3.2

存儲(chǔ)器的性能

存儲(chǔ)容量

存取速度

1.3.3I/O設(shè)備的性能

速度

分辨率

顏色深度

1.3.4其他性能

通用性

穩(wěn)定性

可靠性可維護(hù)性

軟件性能

價(jià)格

1.4微型機(jī)算計(jì)的分類與發(fā)展

1.4.1

微型計(jì)算機(jī)的分類按字長劃分按規(guī)模劃分按應(yīng)用劃分

1.4.2

微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展

微處理器的發(fā)展

微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展

單片機(jī)的發(fā)展

1.5微型計(jì)算機(jī)接口的基本概念

接口是一組電路，是中央處理器與存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備等I/O設(shè)備之間協(xié)調(diào)動(dòng)作的控制電路。從更一般的意義上說，接口是在兩個(gè)電路或設(shè)備之間，使兩者動(dòng)作條件相配合的連接電路。1.5.1

接口的功能

數(shù)據(jù)緩沖及轉(zhuǎn)換功能

設(shè)備選擇和尋址功能

聯(lián)絡(luò)功能

接收、解釋并執(zhí)行CPU命令的功能

中斷管理功能可編程功能錯(cuò)誤檢測功能1.5.2接口的邏輯結(jié)構(gòu)

工作寄存器命令寄存器狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)緩沖寄存器端口地址譯碼電路

供選電路

1.5.3

I/O端口的編址方式

1.I/O端口獨(dú)立編址

分配給系統(tǒng)內(nèi)所有端口地址是完全獨(dú)立的，與存儲(chǔ)器的地址空間無任何關(guān)系，主機(jī)使用專門的輸入輸出指令對端口進(jìn)行操作。優(yōu)點(diǎn)：I/O設(shè)備不占用存儲(chǔ)器的地址空間。由于使用專門的I/O指令，所以程序清晰易讀；又因?yàn)镮/O口的地址空間獨(dú)立,且一般小于存儲(chǔ)空間，所以其控制和地址譯碼電路相對簡單。缺點(diǎn)：訪問端口的手段（尋址方法）沒有訪問存儲(chǔ)器的手段多。

存儲(chǔ)器地址空間I/O端口地址空間0000H0000H0001H0001H0002H0002H┇

┇

FFFEHFFFEHFFFFHFFFFH2.I/O端口與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址把I/O端口作為存儲(chǔ)空間的一個(gè)地址單元來對待，即每個(gè)端口占用1個(gè)存儲(chǔ)單元的地址。

優(yōu)點(diǎn)：不需要專門的I/O指令，端口尋址手段豐富，其數(shù)據(jù)操作與存儲(chǔ)器一樣靈活，有利于I/O程序的設(shè)計(jì)。缺點(diǎn)：I/O端口要占去一部分地址空間，且在它的程序中不易區(qū)分指令是訪問存儲(chǔ)器還是訪問I/O設(shè)備，所以程序不易閱讀。

1.5.4CPU與I/O設(shè)備間交換的信息

數(shù)據(jù)信號(hào)數(shù)字量

模擬量

開關(guān)量

狀態(tài)信息反映了I/O設(shè)備當(dāng)前所處的工作狀態(tài)，是I/O設(shè)備通過接口往CPU傳送的信息。

控制信息

控制信息是CPU通過接口傳遞給I/O設(shè)備的，CPU通過發(fā)送控制信息控制I/O設(shè)備的工作。

1.6

CPU與I/O設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送方式

1.6.1

程序傳送方式

1.

無查詢傳送方式如果程序員能夠確定一個(gè)I/O設(shè)備已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，就不必查詢I/O設(shè)備的狀態(tài)而進(jìn)行信息傳輸。2.查詢傳送方式

CPU通過執(zhí)行查詢程序不斷地讀取并測試I/O設(shè)備的狀態(tài)，如果I/O設(shè)備處于準(zhǔn)備好狀態(tài)（輸入設(shè)備）或空閑狀態(tài)（輸出設(shè)備），則CPU執(zhí)行輸入或輸出指令與I/O設(shè)備交換信息。

1.6.2中斷方式

由I/O設(shè)備提出傳送請求，CPU響應(yīng)后調(diào)用中斷服務(wù)程序來完成數(shù)據(jù)的傳送。

1.6.3DMA方式

I/O設(shè)備向DMA控制器提出傳送請求，DMA控制器向CPU申請總線，然后DMA控制器利用系統(tǒng)總線來完成和I/O設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送。

1.6.4I/O處理機(jī)方式

I/O處理機(jī)有自己的指令系統(tǒng)，能獨(dú)立地執(zhí)行程序，能對I/O設(shè)備進(jìn)行控制、對輸入/輸出過程進(jìn)行管理，并能完成字與字之間的裝配與拆卸、碼制的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)塊的錯(cuò)誤檢測和糾錯(cuò)，以及格式變換等操作。同時(shí)，I/O處理機(jī)還可以向CPU報(bào)告I/O設(shè)備和I/O設(shè)備控制器的狀態(tài)，對程序進(jìn)行分析，并對輸入/輸出系統(tǒng)出現(xiàn)的各種情況進(jìn)行處理。本章小結(jié)

接口電路的實(shí)質(zhì)是完成CPU與I/