微機原理與接口技術課程大綱基礎理論微機發(fā)展歷程與馮·諾依曼結構處理器架構8086/8088微處理器體系結構詳解編程基礎指令系統(tǒng)與匯編語言程序設計存儲系統(tǒng)存儲器分類、層次及接口設計接口技術I/O接口、中斷系統(tǒng)與DMA控制技術前沿第一章：微機發(fā)展與馮·諾依曼結構11946年ENIAC（電子數(shù)值積分計算機）誕生，重達30噸，包含18,000個電子管，每秒可執(zhí)行5,000次加法運算，標志著電子計算機時代的開始。21945年馮·諾依曼在《EDVAC報告》中提出存儲程序計算機架構，奠定了現(xiàn)代計算機的理論基礎。31947-至今計算機從第一代（電子管）發(fā)展到第五代（人工智能），摩爾定律指導半導體技術飛速發(fā)展，計算能力每18-24個月翻一番。計算機之父——馮·諾依曼約翰·馮·諾依曼（JohnvonNeumann，1903-1957），匈牙利裔美國數(shù)學家，在1945年撰寫的關于EDVAC設計的報告中，首次提出了存儲程序概念。他提出的計算機設計原理被稱為"馮·諾依曼架構"，成為現(xiàn)代計算機的基礎理論，使他獲得了"計算機之父"的美譽。馮·諾依曼結構五大組成部分運算器（ALU）執(zhí)行算術運算和邏輯運算，是處理器的核心部件。包括加、減、乘、除等算術運算，與、或、非等邏輯運算功能?？刂破鹘忉屩噶畈l(fā)出控制信號，協(xié)調(diào)計算機各部件工作。包括指令寄存器、指令譯碼器、時序發(fā)生器和操作控制器等。存儲器存儲程序和數(shù)據(jù)，包括內(nèi)部存儲器和外部存儲器。具有讀/寫功能，可按地址訪問。輸入設備將人類可理解的信息轉換為計算機可處理的二進制形式。如鍵盤、鼠標、掃描儀等。輸出設備將計算機處理結果轉換為人類可理解的形式。如顯示器、打印機、揚聲器等。第二章：8086/8088微處理器體系結構Intel8086/8088微處理器是早期16位微處理器的典型代表，奠定了x86架構的基礎。其主要特點包括：16位數(shù)據(jù)總線（8086）或8位數(shù)據(jù)總線（8088）20位地址總線，可尋址1MB（2^20）內(nèi)存空間分段存儲管理模式，將物理地址空間分為多個64KB的段豐富的寄存器組，提高數(shù)據(jù)處理效率通用寄存器AX（累加器）、BX（基址）、CX（計數(shù)）、DX（數(shù)據(jù)）指針寄存器SP（棧指針）、BP（基址指針）、SI（源變址）、DI（目的變址）段寄存器CS（代碼段）、DS（數(shù)據(jù)段）、SS（棧段）、ES（附加段）8086微處理器內(nèi)部結構執(zhí)行單元(EU)包含ALU和寄存器組，負責指令執(zhí)行和數(shù)據(jù)處理。ALU執(zhí)行算術和邏輯運算，寄存器暫存數(shù)據(jù)和地址?？刂茊卧獯a指令并產(chǎn)生各種控制信號，協(xié)調(diào)執(zhí)行單元與總線接口單元的工作，同步微處理器內(nèi)部操作?？偩€接口單元(BIU)8086與8088的區(qū)別數(shù)據(jù)總線寬度8086：16位數(shù)據(jù)總線，一次可傳送2字節(jié)8088：8位數(shù)據(jù)總線，一次只能傳送1字節(jié)性能差異8086：數(shù)據(jù)傳輸效率更高，適用于需要更高性能的場合8088：硬件設計更簡單，成本更低，與8位外設兼容性更好指令隊列8086：6字節(jié)指令隊列8088：4字節(jié)指令隊列第三章：指令系統(tǒng)與匯編語言基礎指令格式8086指令由操作碼和操作數(shù)組成，操作數(shù)可以是寄存器、內(nèi)存地址或立即數(shù)。指令長度可變，從1到6字節(jié)不等。尋址方式包括立即尋址、寄存器尋址、直接尋址、寄存器間接尋址、基址變址尋址等多種方式，靈活高效。常用指令分類數(shù)據(jù)傳送指令：MOV,PUSH,POP,XCHG等算術邏輯指令：ADD,SUB,MUL,DIV,AND,OR,NOT等控制轉移指令：JMP,CALL,RET,JZ,JNZ等匯編語言程序示例解析;簡單加法程序示例DATASEGMENTNUM1DW1234H;第一個操作數(shù)NUM2DW5678H;第二個操作數(shù)RESULTDW?;存放結果DATAENDSCODESEGMENTASSUMECS:CODE,DS:DATASTART:MOVAX,DATA;初始化數(shù)據(jù)段MOVDS,AXMOVAX,NUM1;加載第一個數(shù)到AXADDAX,NUM2;加上第二個數(shù)MOVRESULT,AX;保存結果MOVAH,4CH;DOS退出功能INT21H;調(diào)用DOS中斷CODEENDSENDSTART程序結構分析數(shù)據(jù)段（DATA）定義了操作數(shù)和結果變量代碼段（CODE）包含實際執(zhí)行的指令序列ASSUME指令建立段寄存器與段名的關聯(lián)程序執(zhí)行流程：初始化數(shù)據(jù)段寄存器DS執(zhí)行加法運算保存結果匯編語言與機器碼對比匯編語言特點使用助記符表示操作碼，如MOV,ADD,JMP等支持標號和符號名，提高程序可讀性可使用偽指令進行程序組織，如SEGMENT,PROC等需要通過匯編器轉換為機器碼才能執(zhí)行機器碼特點由二進制數(shù)字組成，通常以十六進制表示直接被CPU識別和執(zhí)行人類難以直接閱讀和編寫與特定處理器架構緊密相關第四章：存儲系統(tǒng)原理與設計1CPU寄存器容量極小，速度極快，直接集成在CPU內(nèi)部2Cache緩存小容量、高速度、高成本的SRAM，彌補CPU與主存速度差距3主存儲器(RAM)中等容量和速度，系統(tǒng)運行時的工作存儲區(qū)，掉電數(shù)據(jù)丟失4只讀存儲器(ROM)存儲BIOS等固件程序，斷電數(shù)據(jù)不丟失5外部存儲器硬盤、光盤、閃存等，容量大、速度慢、成本低的永久存儲設備存儲器地址映射與分段機制邏輯地址與物理地址轉換8086/8088采用分段尋址方式，使用16位的段值和16位的偏移量來表示20位的物理地址：或表示為：這種設計使8086/8088能夠突破64KB（2^16）的尋址限制，訪問高達1MB（2^20）的內(nèi)存空間。不同段寄存器對應不同類型的內(nèi)存訪問：CS:IP-指令訪問DS:偏移-數(shù)據(jù)訪問SS:SP-棧操作Cache技術簡介工作原理利用程序的局部性原理（時間局部性和空間局部性），將可能被CPU訪問的數(shù)據(jù)提前從主存調(diào)入Cache。性能影響Cache命中率通常在85%-95%之間，顯著提高系統(tǒng)性能。提高Cache容量和優(yōu)化替換算法可提高命中率。映射方式直接映射、全相聯(lián)映射和組相聯(lián)映射三種方式，各有優(yōu)缺點，影響Cache的使用效率。第五章：輸入輸出接口技術程序查詢方式CPU通過輪詢方式檢查設備狀態(tài)，等待設備就緒后進行數(shù)據(jù)傳輸。實現(xiàn)簡單，但CPU利用率低，適用于簡單系統(tǒng)。中斷驅(qū)動方式設備就緒時向CPU發(fā)送中斷請求，CPU暫停當前程序執(zhí)行中斷服務程序。提高CPU利用率，是常用的I/O控制方式。DMA方式數(shù)據(jù)傳輸由DMA控制器直接管理，無需CPU干預。大大提高數(shù)據(jù)傳輸效率，適用于高速大容量數(shù)據(jù)傳輸場景。常用接口芯片8255A并行接口芯片提供24個可編程I/O引腳三種工作模式：基本I/O、選通I/O和雙向I/O廣泛應用于鍵盤、打印機等并行設備接口8251A串行接口芯片支持異步和同步兩種通信方式可編程的波特率和數(shù)據(jù)格式8255A接口芯片結構與工作模式8255A基本結構8255A是一種可編程并行接口芯片，內(nèi)部包含：數(shù)據(jù)總線緩沖器讀/寫控制邏輯三個8位并行端口（A、B、C）控制寄存器工作模式模式0（基本I/O）簡單輸入輸出，無握手信號模式1（選通I/O）帶握手信號的輸入輸出模式2（雙向I/O）端口A可雙向傳輸，帶握手信號8251A串行通信接口基本功能8251A是一種可編程串行通信接口芯片（USART），可實現(xiàn)：異步通信（如終端通信）同步通信（如高速數(shù)據(jù)傳輸）可編程的波特率和數(shù)據(jù)格式錯誤檢測功能寄存器功能控制寄存器：設置通信參數(shù)（波特率、奇偶校驗、停止位等）狀態(tài)寄存器：反映當前通信狀態(tài)（發(fā)送就緒、接收就緒、錯誤標志等）8251A常用于實現(xiàn)RS-232串行接口，連接計算機與外部設備如調(diào)制解調(diào)器、串行打印機等。中斷系統(tǒng)與8259A中斷控制器中斷的概念與分類中斷是指CPU暫停當前程序的執(zhí)行，轉而處理某個突發(fā)事件的機制。按來源可分為：硬件中斷：由外部設備引起（如鍵盤輸入、時鐘）軟件中斷：由程序指令引起（如INT指令）異常：由程序執(zhí)行錯誤引起（如除零錯誤）8259A中斷控制器8259A是可編程中斷控制器，具有以下特點：支持8個中斷請求輸入可級聯(lián)擴展至64個中斷源可編程的中斷優(yōu)先級支持中斷屏蔽和輪詢模式中斷響應流程與優(yōu)先級管理中斷請求外設通過中斷請求線向8259A發(fā)出中斷請求信號。優(yōu)先級判斷8259A根據(jù)預先設定的優(yōu)先級策略，決定是否處理當前中斷請求。通知CPU8259A通過INTR線向CPU發(fā)出中斷信號，CPU完成當前指令后響應中斷。中斷確認CPU通過INTA信號確認中斷，8259A返回中斷類型號。中斷處理CPU根據(jù)中斷類型號，從中斷向量表中獲取中斷服務程序地址并執(zhí)行。中斷返回執(zhí)行完中斷服務程序后，通過IRET指令返回到被中斷的程序繼續(xù)執(zhí)行。DMA控制器8237A介紹DMA工作原理直接存儲器訪問（DirectMemoryAccess）是一種無需CPU干預，外設與內(nèi)存之間直接傳輸數(shù)據(jù)的機制。DMA傳輸過程：外設向DMA控制器發(fā)出請求DMA控制器向CPU申請總線控制權CPU暫時釋放總線控制權DMA控制器接管總線，執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸傳輸完成后，DMA釋放總線，CPU恢復控制8237A特點支持4個獨立DMA通道可級聯(lián)擴展多種傳輸模式16位地址計數(shù)器第六章：現(xiàn)代微機技術展望132位處理器時代以80386為代表，引入保護模式，32位地址總線可尋址4GB內(nèi)存空間，支持虛擬內(nèi)存和多任務。264位處理器時代擴展地址空間至64位，理論上可尋址16EB內(nèi)存，提供更多通用寄存器，增強并行處理能力。3多核處理器單芯片集成多個處理器核心，通過并行處理提高性能，降低功耗。4異構計算CPU、GPU、專用加速器協(xié)同工作，針對不同類型任務優(yōu)化性能。新型接口技術32位微處理器寄存器與指令擴展寄存器擴展8086的16位寄存器擴展為32位：AX→EAX（ExtendedAX）BX→EBXCX→ECXDX→EDXSP→ESPBP→EBPSI→ESIDI→EDI新增指令示例32位處理器增加了許多新指令，大大增強了處理能力：位操作指令：BT,BTS,BTR,BTC字符串操作指令擴展雙精度移位指令：SHLD,SHRD條件設置指令：SETcc系統(tǒng)控制指令：LGDT,LIDT,LLDT等保護模式下的內(nèi)存管理分段機制保護模式下的段不再是簡單的段基址加偏移，而是通過段描述符表（GDT/LDT）進行管理。每個段描述符包含段基址、段界限、訪問權限等信息。分頁機制將線性地址空間分割為固定大小的頁（通常為4KB），通過頁目錄和頁表將線性地址映射到物理地址，支持虛擬內(nèi)存管理。特權級保護實現(xiàn)4個特權級（Ring0-3），操作系統(tǒng)運行在最高特權級（Ring0），應用程序運行在較低特權級（通常為Ring3），防止應用程序直接訪問關鍵資源。任務切換現(xiàn)代接口技術發(fā)展趨勢USB接口標準演進12MbpsUSB1.1(1998)第一代廣泛應用的USB標準480MbpsUSB2.0(2000)顯著提高傳輸速率，廣泛用于存儲設備5GbpsUSB3.0(2008)十倍速率提升，引入藍色接口20GbpsUSB3.2(2017)進一步提高速率，支持多通道40GbpsUSB4(2019)基于Thunderbolt3協(xié)議，高速數(shù)據(jù)傳輸PCIExpress發(fā)展PCIe采用點對點串行連接，每一代帶寬翻倍：PCIe1.0：每通道2.5GT/sPCIe2.0：每通道5GT/sPCIe3.0：每通道8GT/sPCIe4.0：每通道16GT/sPCIe5.0：每通道32GT/sPCIe6.0：每通道64GT/s（開發(fā)中）微機系統(tǒng)設計實例分享基于8086的簡單計算器設計1系統(tǒng)組成包含8086CPU、存儲器（ROM和RAM）、鍵盤輸入接口（8255A）、LCD顯示輸出（8255A）和電源模塊。2硬件連接8086與存儲器通過地址總線和數(shù)據(jù)總線連接，輸入輸出設備通過8255A接口芯片與系統(tǒng)總線相連。3軟件設計系統(tǒng)程序存儲在ROM中，包括鍵盤掃描、按鍵解碼、算術運算和顯示輸出等功能模塊。4功能實現(xiàn)支持基本的加減乘除運算，帶小數(shù)點計算，具有錯誤檢測和清除功能。教學難點與重點解析指令系統(tǒng)復雜尋址方式難點：8086處理器支持多種尋址方式，組合方式繁多，初學者容易混淆。解決策略：通過分類記憶和大量實例練習，建立直觀理解。先掌握基本尋址方式，再學習組合應用。中斷與DMA的協(xié)同工作難點：中斷和DMA各自機制復雜，二者協(xié)同工作涉及多個控制信號和時序關系。解決策略：使用時序圖輔助理解，分步驟分析信號變化，結合實例說明典型應用場景。存儲器分段機制理解難點：8086分段機制與物理地址計算，邏輯地址與物理地址的對應關系。解決策略：使用圖形化方式展示段-偏移地址轉換過程，提供計算實例和重疊段分析。課堂互動：匯編語言編程實戰(zhàn)設計一個數(shù)據(jù)傳送程序;數(shù)據(jù)塊傳送程序DATASEGMENTSRCDB10H,20H,30H,40H,50H;源數(shù)據(jù)塊DESTDB5DUP(?);目標數(shù)據(jù)塊DATAENDSCODESEGMENTASSUMECS:CODE,DS:DATA,ES:DATASTART:MOVAX,DATAMOVDS,AXMOVES,AXLEASI,SRC;源地址LEADI,DEST;目標地址MOVCX,5;數(shù)據(jù)長度CLD;方向標志清零