微機接口技術(shù)第1章

1、12SOC芯片設(shè)計芯片設(shè)計3各種接口技術(shù)原理及其應(yīng)用編程方法；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。提高分析和設(shè)計接口的能力。匯編語言程序的編寫方法，尤其掌握接匯編語言程序的編寫方法，尤其掌握接口訪問的方法?？谠L問的方法。先進微處理器芯片結(jié)構(gòu)、微型計算機實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、微機技術(shù)新的發(fā)現(xiàn)技術(shù)、計算機主板構(gòu)成、微機技術(shù)新的發(fā)展趨勢；展趨勢；4 概述：微機系統(tǒng)組成、工作過程、系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)概述：微機系統(tǒng)組成、工作過程、系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu) 軟件如何控制軟件如何控制CPU和接口：指令系統(tǒng)和匯編編程和接口：指令系統(tǒng)和匯編編程 總線如何工作：總線標準

2、（總線如何工作：總線標準（PCI,USB,PCI-E） I/O接口如何主動與接口如何主動與CPU通信：中斷技術(shù)（通信：中斷技術(shù)（8259）常用外設(shè)與通信接口：串行通信協(xié)議與常用外設(shè)與通信接口：串行通信協(xié)議與8250，并行，并行接口接口8255，人機交互接口，人機交互接口PCH中的定時計數(shù)與中的定時計數(shù)與DMA控制器：控制器：8254， 8237系統(tǒng)編程技術(shù)：處理器的初始化，任務(wù)調(diào)度，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)動程序編寫驅(qū)動程序編寫 CPU如何與如何與MEM或或I/O設(shè)備通信：設(shè)備通信：I/O接口與譯碼接口與譯碼 IA-32/Intel64處理器原理與基本執(zhí)行環(huán)境

3、處理器原理與基本執(zhí)行環(huán)境 現(xiàn)代微機存儲管理方法：段式，頁式，現(xiàn)代微機存儲管理方法：段式，頁式，Cache5周明德主編，微機原理與接口技術(shù)（第周明德主編，微機原理與接口技術(shù)（第2版）版），人民郵電出版社，人民郵電出版社, 2007Intel Co.，Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developers Manual，2011Kip R.Irvine著，溫玉杰等譯，著，溫玉杰等譯，Intel匯編語匯編語言程序設(shè)計（第五版），電子工業(yè)出版社言程序設(shè)計（第五版），電子工業(yè)出版社沈美明，溫冬嬋編著，沈美明，溫冬嬋編著，IBM-PC匯編語言匯編語言程序設(shè)

4、計（第程序設(shè)計（第2版），清華大學出版社版），清華大學出版社, 20076 教師姓名：譚懷亮教師姓名：譚懷亮 辦公地點：基地辦公地點：基地305、工會、工會(成教樓成教樓)511 Email： 個人網(wǎng)站：個人網(wǎng)站： 助教：待定助教：待定7 課程組成：課程組成： 授課信息授課信息：3-4班班 授課時間：周二授課時間：周二3-4節(jié)，周五節(jié)，周五5-6節(jié)節(jié) 小班研討：小班研討：4、8、12、16周周 授課地點：綜合樓授課地點：綜合樓 實驗地點：工訓中心微機原理實驗室實驗地點：工訓中心微機原理實驗室 考試成績組成：考試成績組成：8第第1章章 現(xiàn)代微機結(jié)構(gòu)概述現(xiàn)代微機結(jié)構(gòu)概述9硬件硬件軟件軟件控制器控制

5、器運算器運算器系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件 BIOS與操作系統(tǒng)與操作系統(tǒng) CPU存儲器存儲器輸入設(shè)備輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸出設(shè)備支撐軟件支撐軟件 微機微機系統(tǒng)系統(tǒng)1.1 微機系統(tǒng)組成微機系統(tǒng)組成10：同步各種操作的同步信號。：同步各種操作的同步信號。：使總線上各種部件全：使總線上各種部件全部做初始化處理。部做初始化處理。：表示某中斷源向處理器發(fā)中斷請求。：表示某中斷源向處理器發(fā)中斷請求。：表示中斷請求被響應(yīng)。：表示中斷請求被響應(yīng)。：表示要對所發(fā)地址的存儲單元：表示要對所發(fā)地址的存儲單元進行讀操作。進行讀操作。：表示要對所發(fā)地址的存儲單元：表示要對所發(fā)地址的存儲單元進行寫操作。進行寫操作。：表示

6、要對所發(fā)地址的端口做讀操作。：表示要對所發(fā)地址的端口做讀操作。：表示要對所發(fā)地址的端口做寫操作。：表示要對所發(fā)地址的端口做寫操作。：總線主設(shè)備請求總線控制權(quán)。：總線主設(shè)備請求總線控制權(quán)。：總線仲裁機構(gòu)允許了某設(shè)備的總線控：總線仲裁機構(gòu)允許了某設(shè)備的總線控制權(quán)請求。制權(quán)請求。11裸裸 機機基本輸入輸出系統(tǒng)基本輸入輸出系統(tǒng)(BIOS)操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) 支撐軟件支撐軟件應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件軟件軟件系統(tǒng)系統(tǒng)12a.直接訪問直接訪問：可以直接進行內(nèi)存和端口的訪問，也可以自：可以直接進行內(nèi)存和端口的訪問，也可以自行在行在CPU的各種工作模式間切換。通常所有的的各

7、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。端口和內(nèi)存都是對程序員開放的。：匯編語言或：匯編語言或C語言。語言。：BIOS都是基于這種低級層次用匯編來編寫的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。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。有使用這種方法的。：能夠編寫速度最快，占用空間最小的有效代：能夠編寫速度最快，占用空間最小的有效代碼。碼。：需要對硬件和接口有很熟悉的了解。：需要對硬件和接口有很熟悉的了解。 要會匯編，或熟練使用要會匯編，或熟練使用C語言的指針。語言的指針。 不利于增加對新設(shè)備的控制。不利于增加對新設(shè)備的控制。1

8、3b.通過通過BIOS訪問訪問：通過：通過BIOS提供的功能調(diào)用間接地對內(nèi)存提供的功能調(diào)用間接地對內(nèi)存或端口訪問，從而控制硬件?；蚨丝谠L問，從而控制硬件。：匯編語言或：匯編語言或C語言。語言。：驅(qū)動程序有些會使用這些功能調(diào)用。需要：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。獲得高效率的應(yīng)用程序也采用這種方法。：能夠編寫速度較快的有效代碼。：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可以不需要編寫直接對硬件進行控制的代碼。碼。：需要對底層信號有所了解。：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，但好于增加對新設(shè)備的控制不是很方便

9、，但好于直接訪問。直接訪問。14c.編寫操作系統(tǒng)驅(qū)動程序編寫操作系統(tǒng)驅(qū)動程序：使用：使用BIOS功能調(diào)用或直接訪問的方法編功能調(diào)用或直接訪問的方法編寫寫設(shè)備設(shè)備驅(qū)動程序。驅(qū)動程序。：VC+與與DDK開發(fā)包，或第三方開發(fā)工具開發(fā)包，或第三方開發(fā)工具如如DriverStudio。：在操作系統(tǒng)層面上的設(shè)備控制，并為用戶：在操作系統(tǒng)層面上的設(shè)備控制，并為用戶程序提供程序提供API支持。支持。：既控制硬件，又保證操作系統(tǒng)的完整與安：既控制硬件，又保證操作系統(tǒng)的完整與安全。全。：需要對底層信號有所了解。：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需要對操作系統(tǒng)的各個管理模塊有深入的了解

10、。了解。15d.使用操作系統(tǒng)提供的應(yīng)用層訪問使用操作系統(tǒng)提供的應(yīng)用層訪問：使用操作系統(tǒng)各種驅(qū)動程序所提供的功能：使用操作系統(tǒng)各種驅(qū)動程序所提供的功能調(diào)用或調(diào)用或API函數(shù)間接對硬件或內(nèi)存進行訪函數(shù)間接對硬件或內(nèi)存進行訪問。問。：VC+、Delphi、Java、C#等。等。：編寫面向終端用戶的各類應(yīng)用程序。：編寫面向終端用戶的各類應(yīng)用程序。：無需對硬件控制有太多了解，只需完成應(yīng)：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用層面的工作就可以 ，而且還保證操作系，而且還保證操作系統(tǒng)的完整與安全。統(tǒng)的完整與安全。：需要了解大量的：需要了解大量的API和功能調(diào)用函數(shù)的功和功能調(diào)用函數(shù)的功能。

11、能。 由于是間接調(diào)用，所以代碼的效率和編譯由于是間接調(diào)用，所以代碼的效率和編譯系統(tǒng)有很大的關(guān)系。系統(tǒng)有很大的關(guān)系。16高級語言源程序高級語言源程序編譯編譯匯編語言源程序匯編語言源程序匯編匯編二進制機器作業(yè)指令二進制機器作業(yè)指令操作系統(tǒng)調(diào)度或操作系統(tǒng)調(diào)度或BOOT引導引導二進制機器指令流二進制機器指令流CPU取指、譯碼、控制單元取指、譯碼、控制單元電路上的電信號電路上的電信號直接控制直接控制CPU各部件運作各部件運作通過接口電路控制外設(shè)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微機系統(tǒng)的工作原理與工作過程 17部分部分X86指令與控制信號的關(guān)系指令與控制信號的關(guān)系 18 微

12、機的工作過程就是逐條執(zhí)行進入到內(nèi)存中的二進制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：地分為兩個操作階段：，CPU從內(nèi)存中讀取指令，程序計數(shù)器從內(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，轉(zhuǎn)指令等情況，否則，PC一般都是在每次取指后一般都是在每次取指后加上一個增量（當前指令的字節(jié)數(shù)）；加上一個增量（當前指令的字節(jié)數(shù)）；，對取出的指令先譯碼，解釋指令的功，對取出的指令先譯碼，解釋指令的功能，然后執(zhí)

13、行譯碼好的指令，這期間可能會讀寫能，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。存儲器或端口來獲取操作數(shù)或者存放結(jié)果。19每兩個相鄰的時鐘脈沖上升（下降）沿之間的時間每兩個相鄰的時鐘脈沖上升（下降）沿之間的時間間隔稱為間隔稱為T狀態(tài)，也稱為狀態(tài)，也稱為 TCPU與存儲器或輸入與存儲器或輸入/輸出端口進行一次數(shù)據(jù)傳輸所輸出端口進行一次數(shù)據(jù)傳輸所花費的時間稱為一個花費的時間稱為一個 對于對于8088CPU, 它的總線周期是其與存儲器或輸入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。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

14、執(zhí)行一條指令所需要的時間稱為2021Pentium Pro基本時序基本時序 22掌握時序的重要性：掌握時序的重要性： 當當CPU與存儲器以及與存儲器以及I/O端口連接時，要考慮如何端口連接時，要考慮如何正確地實現(xiàn)時序上的配合正確地實現(xiàn)時序上的配合 當微機應(yīng)用于實時控制時，必須估計或計算當微機應(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?shù)闹噶?/p>

15、，以盡量縮短指令的存儲空候，選用適當?shù)闹噶睿员M量縮短指令的存儲空間和指令的執(zhí)行時間間和指令的執(zhí)行時間 23返回返回1.3 現(xiàn)代微機系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)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)現(xiàn)代微機的基本結(jié)構(gòu) 當前微機主要由主板和各類當前微機主要由主板和各類I/O接口卡組成。接口卡組成。241.基于基于3芯片平臺架構(gòu)的微機系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)芯片平臺架構(gòu)的微機系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)CPU北橋芯片北橋芯片南橋芯片南橋芯片Super I/OBIOS/Firmware Hub主存儲器主存儲器圖形控制器圖形控制器音頻音頻主總線主總線高速連接高速連接PCI總線插槽總線插槽PCI Express總線總線USB網(wǎng)絡(luò)連接網(wǎng)

16、絡(luò)連接ATA/SATALPC傳統(tǒng)設(shè)備傳統(tǒng)設(shè)備252. 基于基于2芯片平臺架構(gòu)的微機系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)芯片平臺架構(gòu)的微機系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)2/3代代Intel 酷酷睿睿CPUPCHIntel ME 8.x Firmware和和BIOS SupportIntel搞清晰音頻搞清晰音頻DIM 2.0集成集成10/100/1000MAC8個個PCI Express 2.04個個USB3.0，10個個USB2.0，雙，雙EHCI傳統(tǒng)傳統(tǒng)PCI支持支持3個獨立顯示支持個獨立顯示支持SPI116 lanes PCI Express 3.0 Graphics或或 18和和14 lanes PCI Express 3.0an

17、d 14 lanes for Thunderbolt16 lanes16GB/SFDIDDR3 1333/1600MHzDDR3 1333/1600MHz6個個SATA端口：端口：eSATAIntel千兆網(wǎng)接口千兆網(wǎng)接口PCIe1SM Bus26 1.3.2 Intel微處理微處理器家族發(fā)展概述器家族發(fā)展概述 27小結(jié)：小結(jié)：281.3.3 Intel X58平臺架構(gòu)（平臺架構(gòu)（3芯片平臺）芯片平臺）291.3.4 Intel H77平臺架構(gòu)（平臺架構(gòu)（2芯片平臺）芯片平臺）30 集成了千兆以太網(wǎng)控制器集成了千兆以太網(wǎng)控制器 ，支持，支持10/100/1000 Mb/s多種傳輸速率多種傳輸速率

18、 集成了集成了SATA控制器，數(shù)據(jù)傳輸率達到控制器，數(shù)據(jù)傳輸率達到3.0/6.0Gb/s(300/600MB/s) 集成了集成了Intel 高清晰音頻控制器高清晰音頻控制器, 最高最高192 kHz采樣率采樣率 有兩個級聯(lián)的有兩個級聯(lián)的8237DMA控制器，支持控制器，支持PC/PCI和和LPC DMA 允許連接像允許連接像Super I/O那樣的傳統(tǒng)的那樣的傳統(tǒng)的ISA總線設(shè)備總線設(shè)備 提供提供8個個PCI-Express根端口，支持根端口，支持PCI Express基本規(guī)范基本規(guī)范2.0。 直接媒體接口（直接媒體接口（Direct Media Interface，DMI） 集成顯示連接與顯示接口集成顯示連接與顯示接口31PCH芯片是一個多功能的芯片，它把各種功能劃分到芯片是一個多功能的芯片，它把各種功能劃分到多個邏輯設(shè)備中，每個邏輯設(shè)備又分各種功能。多個邏輯設(shè)備中，每個邏輯設(shè)備又分各種功能。比如比如PCI