工業(yè)用微型計算機

第1章微型計算機概論微處理器——由運算器、控制器、寄存器陣列組成微型計算機——以微處理器為基礎，配以內存以及輸入輸出接口電路和相應的輔助電路而構成的裸機微型計算機系統——由微型計算機配以相應的外圍設備及其它軟件而構成的系統單片機——又稱為“微控制器”和“嵌入式計算機”，是單片微型計算機單板機——屬于計算機系統總線——是CPU、內存、I/O接口之間相互交換信息的公共通路，由數據總線(雙向)、地址總線和控制總線組成微機系統中的三種總線：片總線，元件級總線內總線(I-BUS),系統總線外總線(E-BUS),通信總線第2章80X86處理器8086CPU兩個獨立的功能部件：執(zhí)行部件(EU)，由通用計算器、運算器和EU控制系統等組成，EU從BIU的指令隊列獲得指令并執(zhí)行2?總線接口部件(BIU),由段寄存器、指令指針、地址形成邏輯、總線控制邏輯和指令隊列等組成，負責從內存中取指令和取操作數8086CPU的兩種工作方式：最小方式，MN/MX接+5V(MX為低電平)，用于構成小型單處理機系統支持系統工作的器件：時鐘發(fā)生器，8284A總線鎖存器，74LS373總線收發(fā)器，74LS245控制信號由CPU提供最大方式，MN/MX接地(MX為低電平)，用于構成多處理機和協處理機系統支持系統工作的器件：時鐘發(fā)生器，8284A總線鎖存器，74LS373總線收發(fā)器，74LS245總線控制芯片，8288控制信號由8288提供指令周期、總線周期、時鐘周期的概念及其相互關系：執(zhí)行一條指令所需要的時間稱為指令周期一個CPU同外部設備和內存儲器之間進行信息交換過程所需要的時間稱為總線周期時鐘脈沖的重復周期稱為時鐘周期一個指令周期由若干個總線周期組成，一個總線周期又由若干個時鐘周期組成8086CPU的總線周期至少由4個時鐘周期組成總線周期完成一次數據傳輸包括：傳送地址，傳送數據等待周期——在等待周期期間，總線上的狀態(tài)一直保持不變空閑周期——總線上無數據傳輸操作MMX——多媒體擴展SEC——單邊接口，PENTIUM2的封裝技術SSE——數據流單指令多數據擴展，PENTIUM3的指令集亂序執(zhí)行——不完全按程序規(guī)定的指令順序執(zhí)行(PENTIUMPRO)推測執(zhí)行——遇到轉移指令時，不等結果出來便先推測可能往哪里轉移以便提前執(zhí)行(PENTIUMPRO)8086CPU邏輯地址與物理地址的關系：CPU與存儲器交換信息，使用20位物理地址程序中所涉及的都是16位邏輯地址物理地址==段基值*16+偏移地址20條地址線==1M，(00000H~FFFFFH);16條數據線==64K,(0000H~FFFFH)段起始地址必須能被16整除8086的結構，各引腳功能，全部要掌握(教科書P14~P18)復位(RESET)時CPU內寄存器狀態(tài)：PSW(FR)、IP、DS、SS、ES清零CS置FFFFH指令隊列變空8086CPU外部總線16位，8088CPU外部總線8位80286CPU：16位CPU兩種工作方式：實地址方式，使用20條地址線，兼容8086全部功能保護虛地址方式，使用24條地址線，有16M的尋址能力80386CPU：32位CPU數據線32位地址線32位，直接尋址4GB內部寄存器32位三種存儲器地址空間：邏輯地址，線性地址，物理地址三種工作方式：實方式，保護方式，虛擬8086方式80486CPU：采用RISC集成FPU和CACHE第3章存儲器及其接口半導體存儲器分類：1?隨機存取存儲器，RAM靜態(tài)RAM，SRAM(HM6116，2K*8)動態(tài)RAM，DRAM，需要刷新電路(2164，64K*1)只讀存儲器，ROMPROM,可編程ROM，一次性寫入ROMEPROM,可擦除可編程ROM(INTEL2732A，4K*8)EEPROM,電可擦除可編程ROM半導體存儲器的性能指標：存儲容量存取速度（用兩個時間參數表示：存取時間，存取周期）可靠性性能/價格比內存條及其特點：內存條是一個以小型板卡形式出現的存儲器產品，它的特點是：安裝容易，便于用戶進行更換，也便于擴充內存容量HM6116、2164、INTEL2732A的外特性（教科書P50~P53）INTEL2732A的6種工作方式：讀輸出禁止待用編程編程禁止INTEL標識符實現片選控制的三種方法：全譯碼部分譯碼（可能會產生地址重疊）線選法地址重疊——多個地址指向同一存儲單元存儲器芯片同CPU連接時應注意的問題：CPU總線的負載能力問題CPU的時序同存儲器芯片的存取速度的配合問題16位微機系統中，內存儲器芯片的奇偶分體：1M字節(jié)分成兩個512K字節(jié)（偶存儲體，奇存儲體）偶存儲體同低8位數據總線（D7~D0）相連接，奇存儲體同高8位數據總線（D15~D8）相連接CPU的地址總線A19~A1同兩個存儲體中的地址線A18~A0相連接，CPU地址總線的最低位A0和BHE（低電平）用來選擇存儲體要訪問的16位字的低8位字節(jié)存放在偶存儲體中，稱為對準字，訪存只需要一個總線周期;要訪問的16位字的低8位字節(jié)存放在奇存儲體中，稱為未對準字，訪存需要兩個總線周期8088CPU數據總線是8位，若進行字操作，則需要兩個總線周期，第一個周期訪問低位，第二個周期訪問高位存儲器的字位擴展，考試必考（教科書P71習題2、習題6）74LS138的綜合應用必須熟練掌握，考試必考：（教科書P55~P58;P71~P72習題7、習題8;P231第五2題）存儲器芯片的地址范圍地址線的連接（片內地址，片外地址）數據線的連接控制線的連接（片選信號CE，寫信號WE,輸出信號0E等，以上信號都為低電平）第4章輸入輸出與中斷I/O接口一一把外圍設備同微型計算機連接起來實現數據傳送的控制電路稱為“外設接口電路”即1/0接口I/O端口——I/O接口中可以由CPU進行讀或寫的寄存器被稱為“端口”外設接口與CPU的信息傳送：外設接口通過微機總線(片總線、內總線、外總線)與CPU連接CPU同外設接****換的三種信息：數據信息，包括數字量、模擬量和開關量狀態(tài)信息，表示外設當前所處的工作狀態(tài)控制信息用于控制外設接口的工作數據信息、狀態(tài)信息、控制信息都是通過數據總線來傳送的I/O端口的編址方式及其特點：獨立編址(專用的I/O端口編址)——存儲器和I/O端口在兩個獨立的地址空間中優(yōu)點：I/O端口的地址碼較短，譯碼電路簡單，存儲器同I/O端口的操作指令不同，程序比較清晰;存儲器和I/O端口的控制結構相互獨立，可以分別設計缺點：需要有專用的I/O指令，程序設計的靈活性較差統一編址(存儲器映像編址)——存儲器和I/O端口共用統一的地址空間，當一個地址空間分配給I/O端口以后，存儲器就不能再占有這一部分的地址空間優(yōu)點：不需要專用的I/O指令，任何對存儲器數據進行操作的指令都可用于I/O端口的數據操作，程序設計比較靈活;由于I/O端口的地址空間是內存空間的一部分，這樣，I/O端口的地址空間可大可小，從而使外設的數量幾乎不受限制缺點：I/O端口占用了內存空間的一部分，影響了系統的內存容量;訪問I/O端口也要同訪問內存一樣，由于內存地址較長，導致執(zhí)行時間增加微機系統中，數據傳送的控制方式：程序控制方式，以CPU為中心，數據傳送的控制來自CPU，通過預先編制好的程序實現數據的傳送DMA方式，直接存儲器訪問，不需要CPU干預，也不需要軟件介入的高速傳送方式程序控制傳送方式分為三種：無條件傳送方式，又稱“同步傳送方式”，用于外設的定時是固定的而且是已知的場合，外設必須在微處理器限定的指令時間內準備就緒，并完成數據的接收或發(fā)送查詢傳送方式，當CPU同外設工作不同步時，為保證數據傳送的正確而提出的，CPU必須先對外設進行狀態(tài)檢測，若外設已“準備好”，才進行數據傳送中斷傳送方式，解決了“無條件傳送方式”和“查詢傳送方式”只能串行工作的缺點，為了使CPU和外設之間可以并行工作，提出中斷傳送方式，采用中斷方式傳送數據時,CPU從啟動外設到外設就緒這段時間，仍在執(zhí)行主程序，當“中斷服務程序”執(zhí)行完畢后，則重新返回主程序DMA操作的基本方法：周期挪用，DMA乘存儲器空閑時訪問存儲器，周期挪用不減慢CPU的操作周期擴展，CPU與DMA交替訪問存儲器，這種方法會使CPU處理速度減慢，一次只能傳送一個字節(jié)3.CPU停機方式，CPU等待DMA的操作，這是最常用的DMA方式，由于CPU處于空閑狀態(tài)，所以會降低CPU的利用率DMAC及其傳送方式：在DMA傳送方式中，對數據傳送過程進行控制的硬件稱為DMA控制器，即：DMACDMAC的三種傳送方式：（1） 單字節(jié)傳送方式（2） 成組傳送方式（3） 請求傳送方式DMAC的基本功能：能接收外設的DMA請求信號，并能向外設發(fā)出DMA響應信號能向CPU發(fā)出總線請求信號，當CPU發(fā)出總線響應信號后，能接管對總線的控制權，進入DMA方式能發(fā)出地址信息，對存儲器尋址并修改地址指針能發(fā)出讀、寫等控制信號，包括存儲器訪問信號和I/O訪問信號能決定傳送的字節(jié)數，并能判斷DMA傳送是否結束能發(fā)出DMA結束信號，釋放總線，使CPU恢復正常工作8086中斷的特點：1.最多可處理256種不同的中斷類型，每個中斷都有一個中斷類型碼外部中斷（硬件中斷）;內部中斷（軟件中斷）8086內部中斷的特點：中斷類型碼或者包含在指令中，或者是預先規(guī)定的不執(zhí)行INTA總線周期除單步中斷外，任何內部中斷都無法禁止4.除單步中斷外，任何內部中斷的優(yōu)先級都比任何外部中斷的高中斷向量表：中斷向量表是存放中斷服務程序入口地址（即：中斷向量）的表格它存放在存儲器的最低端，共1024個字節(jié)，每4個字節(jié)存放一個中斷向量（形成一個單元），一共可存256個中斷向量每個單元（4字節(jié)）高地址的兩個字節(jié)存放中斷向量的段基值，低地址存放偏移量每個單元（4字節(jié)）的最低地址為向量表地址指針，其值為對應的中斷類型碼乘48086中斷系統、中斷分類（南京大學出版的《應試指導》P50表格）中斷控制器的基本要求：能控制多個中斷源，實現中斷傳送能對多個中斷源同時發(fā)出的中斷請求進行優(yōu)先級判別能實現中斷嵌套能提供對應中斷源的中斷類型碼可編程中斷控制器8259A的主要功能：每一片8259A可管理8級優(yōu)先權中斷源，通過8259A的級聯，最多可管理64級優(yōu)先權的中斷源對任何一級中斷源都可單獨進行屏蔽，使該級中斷請求暫時被掛起，直到取消屏蔽時為止能向CPU提供可編程的標識碼，對于8086CPU來說就是中斷類型碼具有多種中斷優(yōu)先權管理方式：（1）完全嵌套方式(2)自動循環(huán)方式特殊循環(huán)方式特殊屏蔽方式查詢排序方式8259A的結構，由8個基本組成部分：IRR,8位中斷請求寄存器，用來存放從外設來的中斷請求信號IRO~IR7IMR，8位中斷屏蔽寄存器，用來存放CPU送來的屏蔽信號ISR，8位中斷服務寄存器，用來記憶正在處理中的中斷級別PR，優(yōu)先級判別器，也稱優(yōu)先級分析器控制邏輯數據總線緩沖器讀/寫邏輯級聯緩沖器/比較器其中，IRR、IMR、ISR、PR和控制邏輯五個部分是實現中斷優(yōu)先管理的核心部件8259A的中斷結束方式：EOI命令方式：普通EOI命令特殊EOI命令自動EOI方式8259A的中斷工作順序(教科書P93~P94)第5章并行接口片選一一CE(低電平)，確定當前對哪個芯片進行操作讀寫——RD/WR(WR為低電平)，決定CPU對I/O接口執(zhí)行取出(讀)操作還是存入(寫)操作可編程——通過計算機指令來選擇接口芯片的不同功能和不同通道聯絡一一CPU通過外設接口芯片同外設交換信息時，接口芯片與外設間有一定的“聯絡”信號：STB(低電平)，選通信號RDY，就緒信號接口電路應包含的電路單元：輸入/輸出數據鎖存器和緩沖器控制命令和狀態(tài)寄存器地址譯碼器讀寫控制邏輯中斷控制邏輯簡單I/O接口芯片和可編程I/O接口芯片的異同處：相同點：都可實現CPU與外設間的數據傳送，都具有暫存信息的數據緩沖器或鎖存器不同點：簡單接口芯片功能單一可編程接口芯片具有多種工作方式，可用程序來改變其基本功能74LS373鎖存器、74LS244緩沖器、74LS245數據收發(fā)器的外特性(教科書P100~P103)可編程并行接口芯片8255A的結構：數據總線緩沖器三個8位端口：PA、PB、PCA組和B組的控制電路：A組控制PA和PC7~PC4,B組控制PB和PC3~PC0讀/寫控制邏輯8255A的工作方式：方式0——基本輸入/輸出，輸出鎖存方式1——單向選通輸入/輸出，輸入輸出均鎖存方式2——雙向選通輸入/輸出，輸入輸出均鎖存，僅限于A組使用8255A的應用要重點掌握，考試必考：教科書P110~Pill表格教科書Pill~Pii28255A的初始化教科書P113應用舉例教科書P117習題78255A聯絡信號的作用：STB（低電平）：輸入選通信號IBF：輸入緩沖器滿信號OBF（低電平）：輸出緩沖器滿信號ACK（低電平）：輸出時響應信號INTR：中斷請求信號INTE:中斷允許信號INTE1:方式2,由PC6置/復位&INTE2:方式2,由PC4置/復位8255A初始化的兩種控制命令字：方式選擇控制字（D7=1）C口按位置/復位控制字（D7=0）16位系統中并行接口的特點：8086最小方式的微機系統，8255A芯片最多可有16片，分為兩組掛到系統總線上一組8255A的端口地址在奇地址邊界上，另一組在偶地址邊界上每片8255A最多可提供3個8位端口（PA、PB、PC），每一組最多可有192條I/O線第6章定時器/計數器電路定時器/計數器在微機系統中的作用：外部實時時鐘，以實現延時控制或定時能對外部事件計數的計數器可編程定時器/計數器的典型結構：控制寄存器控制邏輯計數初值寄存器CR計數執(zhí)行單元CE計數輸出鎖存器OL可編程間隔定時器8253-5具有三個獨立的16位減法計數器，三個計數器中每一個都有三條信號線：（1）CLK 計數輸入，用于輸入定時基準脈沖或計數脈沖OUT――輸出信號，以相應的電平指示計數的完成，或輸出脈沖波形GATE――選通輸入，用于啟動或禁止計數器的操作每個計數器都有三個寄存器：控制寄存器計數初值寄存器減1計數寄存器8253-5的初始化：(教科書P121;P135習題5;P231第五。1題)寫入方式控制字寫入計數初始值注意此2項對應不同的端口地址8253-5的工作方式(教科書P122~P127)8253-5的工作方式計數器啟動方式輸出波形(N為計數初值)方式0,計數結束中斷方式軟件啟動OUT在計數為0時，由L>H方式1,硬件可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)方式硬件啟動N*TCLK的負脈沖方式2，速率發(fā)生器軟/硬件啟動N*TCLK的重復負脈沖方式3，方波方式軟/硬件啟動重復的方波方式4,軟件觸發(fā)選通方式軟件啟動一個TCLK的負脈沖方式5，硬件觸發(fā)選通方式硬件啟動一個TCLK的負脈沖第7章串行接口在計算機領域中，有兩種數據通信方式：串行傳輸、并行傳輸，二者區(qū)別：距離：并行通信適用于近距離，串行通信適用于遠距離速度：并行接口的速度快于串行接口費用：串行通信費用低于并行通信串行通信有兩種基本通信方法：異步通信(ASYNC),CPU與外設之間有兩項約定：字符格式、波特率字符格式：1位起始位，低電平;5~8位數據位，低位在前，高位在后;1位奇偶校驗位;1——2位終止位，高電平波特率，單位時間內傳送二進制數據的位