1、計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè) 專業(yè)課程 微機接口技術(shù),西安交通大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)系 公元二0一0年,課程的目的與意義,課程的目的與意義（2）,我們經(jīng)?？匆姷?，需要深入了解,鍵盤鼠標接口,串行通信接口,音頻接口,USB接口,調(diào)制解調(diào)器 電話線接口,網(wǎng)絡(luò)接口,并行行通信接口,課程的目的與意義（3）,北橋接口芯片,CPU芯片,存儲器接口,南橋接口芯片,接口插座（物理形態(tài)）,總線（BUS）,本課程的基本任務(wù),了解微型計算機系統(tǒng)的基本組成及發(fā)展史（2學(xué)時） 以Intel的8086/8088為主，兼顧80X86，掌握微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、編程結(jié)構(gòu)、引腳及時序（部分先修）（4學(xué)時） 掌握80 x86的尋址方式及I

2、/O指令的工作方法（先修）(不講） 學(xué)會80386的內(nèi)存管理機制（次重點）（2學(xué)時） 掌握內(nèi)存譯碼方法、存儲芯片與CPU的連接方法（重點）（6） 掌握常用接口芯片（8255/8253/8251）的工作原理及簡單應(yīng)用方法（重點）（16-18學(xué)時） 掌握接口控制方法（中斷和DMA）的芯片級原理與應(yīng)用（8237/8259）的原理，了解二者在PC計算機的應(yīng)用方法（次重點）（6） 掌握模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換原理及其簡單D/A和A/D接口芯片的使用(重點）（6） 了解幾種典型總線及其驅(qū)動技術(shù)（次重點） （4）,課程的基本目標,微機接口技術(shù)是學(xué)習(xí)和掌握微機硬件知識、接口芯片、固件和利用他們進行硬件系統(tǒng)設(shè)計的主干課程。

3、包括如下三方面的內(nèi)容： 微型計算機的基本工作原理 匯編語言程序設(shè)計（先修匯編語言程序設(shè)計） 微型計算機接口技術(shù) 通過學(xué)習(xí)，學(xué)生必須建立微型計算機系統(tǒng)的整體概念，形成微機系統(tǒng)軟硬件開發(fā)的初步能力，達到： 會看芯片手冊（DataSheet） （簡單芯片實例，復(fù)雜芯片實例） 會看芯片時序圖 會設(shè)根據(jù)芯片手冊和應(yīng)用需要計基本應(yīng)用電路 （使用Protel軟件）,主要參考書,桂小林，微型計算機接口技術(shù)，高等教育出版社，2010 李保紅、繆相林、桂小林，微型計算機機組織與接口技術(shù)，清華大學(xué)出版社，2005 Intel微處理器從8086到Pentium系列體系結(jié)構(gòu)、編程與接口技術(shù)，高等教育出版社（中英文版）,

4、考核要求,作業(yè)：10 實驗上機：10 實驗報告交任課教師 考試：80 = 聯(lián)系：bhli 課件：52/gxl/,教學(xué)綱要,微機系統(tǒng)概論 80 x86微處理器結(jié)構(gòu)、時序與存儲器管理 16、32位存儲器系統(tǒng)接口設(shè)計 I/O接口控制方法，譯碼設(shè)計 并行接口芯片-8255A及其應(yīng)用 LED 鍵盤 打印機 串行接口芯片-8251A RS-232,24,教學(xué)綱要,可編程定時/計數(shù)器芯片：8253A 精確定時，計算機日時鐘 脈沖計數(shù)，編碼盤 可編程DMA控制芯片8237原理 中斷系統(tǒng)與可編程中斷控制芯片8259原理 模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)碼轉(zhuǎn)換接口 A/D應(yīng)用 D/A應(yīng)用 總線接口

5、及技術(shù) ISA PCI USB PS/2,第1章：微機系統(tǒng)概論,1.1 計算機發(fā)展概論 1.2 微處理器與單片機 1.3微型計算機 1.4 微型計算機應(yīng)用,1.1 計算機發(fā)展概論,圖靈機模型 1936年，英國數(shù)學(xué)家阿倫圖靈(A.M.Turring)從計算一個數(shù)的一般過程著手對計算的本質(zhì)進行了研究，提出了一種理想的計算機的數(shù)學(xué)模型：圖靈機（Turring Machine，TM）。圖靈機并不是具體的機器，而是一個通用的計算機模型。 馮諾依曼計算機 馮諾依曼提出了3個重要的設(shè)計思想（EDVAC） ： （1）計算機由5個基本部分組成：運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備； （2）采用二進制形式表

6、示計算機的指令和數(shù)據(jù)； （3）將程序（由一系列指令組成）和數(shù)據(jù)存放在存儲器中，并讓計算機自動地執(zhí)行程序。 這就是“存儲程序和程序控制”思想的基本含義。該思想奠定了現(xiàn)代計算機體系結(jié)構(gòu)的根基。 第一臺計算機ENIAC (1946年),1.2 微處理器與單片機,1.2.1 微處理器 1.2.2 單片計算機,1.2.1 微處理器,微處理器的發(fā)展史正是微型計算機發(fā)展史的一個真實縮影。 微處理器是指由一片或幾片大規(guī)模集成電路組成的具有運算器和控制器功能的中央處理器部件(CPU)，又稱為微處理機（Micro Processor, MP）。 在微型計算機中直接用CPU來表示微處理器，它除算術(shù)邏輯部件和控制部件

7、以外，還包含一組寄存器（Registers）和高速緩沖存儲器（Cache）等特殊的存儲器。 微處理器的發(fā)展大體上分為8個階段 1、第一階段：4位或8位微處理器 2、第二階段：8位微處理器 3、第三階段：16位微處理器 4、第四階段：16位高性能微處理器 5、第五階段：32位微處理器 6、第六階段：32位Pentium微處理器 7、第七階段：64位Itanium處理器 8、第八階段：雙核和多核處理器,1、第一階段：4位或8位微處理器,1971年10月，Intel公司推出了第一片微處理器4004，它的字長為4位，主要用于計算器和儀器、儀表，提高了這些設(shè)備的性能。按今天的標準衡量，它處理信息的能力很

8、低，但正是這個不太起眼的芯片，改變了人們的生活。 后來，Intel公司又推出了8位微處理器8008，集成了2000個晶體管，工藝水平是10m。這是微處理器發(fā)展的第一階段。,2、第二階段：8位微處理器,隨著4004的推出，一些半導(dǎo)體制造商也開始轉(zhuǎn)型生產(chǎn)微處理器， 其中Zilog公司在于1976年推出了8位微處理器Z80，Motorola公司也推出了8位微處理器MC6800。 同一時期，Intel公司也相繼推出了8位微處理器8080和8085，其中8080集成了5400個晶體管，工藝水平是6m。這是微處理器發(fā)展的第二階段。 世界上第一臺微型計算機Altair 8800是1975年4月由一家名為Al

9、tair的公司推出的，采用了Z80芯片做微處理器。雖說它是PC真正的祖先，但它沒有顯示器，沒有鍵盤，面板上只有指示燈和開關(guān)，給人的感覺更像是一臺儀器箱。,3、第三階段：16位微處理器,1978年，Intel公司推出了8位微處理器8086，Zilog公司推出了Z8000，Motorola公司推出了MC68000。 8086微處理器集成了2.9萬只晶體管，時鐘頻率為4.77MHz。同期，Intel還推出了8087協(xié)處理器，協(xié)處理器的作用是負責(zé)浮點運算。 第一臺IBM PC機選用的是8088這個型號，8088其實是8086的一個簡化版，其內(nèi)部數(shù)據(jù)總線是16位，但外部卻使用8位的數(shù)據(jù)總線（8086內(nèi)部

10、和外部總線均為16位）。8086/8088的地址總線為20位，尋址范圍可達1MB。 IBM公司利用8088生產(chǎn)的個人計算機IBM PC/XT，在市場上獲得巨大成功，也幫助Intel公司確立了在微處理器市場上的主導(dǎo)地位，幫助Microsoft公司確立了在操作系統(tǒng)市場上的主導(dǎo)地位。,4、第四階段：16位高性能微處理器,1982年，Intel發(fā)布了80286處理器，也就是俗稱的286。80286芯片上集成了14.3萬只晶體管，處理器16位字長，時鐘頻率由最初的6MHz逐步提高到20MHz。 其內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)總線皆為16位，地址總線24位。與8086相比，80286尋址能力達到了16MB，其速度比80

11、86提高了5倍甚至更多。80286處理器出現(xiàn)標志微處理器的發(fā)展進入第四個階段。 IBM公司將80286用在技術(shù)更為先進IBM PC AT機中，AT機的外部總線為16位(IBM PC機為8位)，內(nèi)存容量可擴展到16MB，可使用更大的硬盤來存儲數(shù)據(jù)，支持VGA彩色顯示系統(tǒng)，在性能上有了重大的進步。,第一臺IBM PC機,5、第五階段：32位微處理器,1985年，Intel公司推出了32位的微處理器80386，集成度達到100萬個晶體管，主頻為25 200MHz。與80286相比，80386不僅字長、尋址空間和主頻有較大提高，而且也擴充了保護模式，并且提供了實地址模式和虛擬8086模式來實現(xiàn)向上兼容

12、，此外80386在片內(nèi)增加了16位的高速緩存器（Cache），使運行更加流暢。 1989年Intel公司又發(fā)布了80486，其主要特點是將80386和協(xié)處理器80387集成在一起。Intel使用了一種叫“倍頻”的技術(shù)。 在486以前的CPU，CPU的內(nèi)部工作頻率（稱為主頻）和外部數(shù)據(jù)總線工作頻率（稱為總線頻率或外頻）是一致的。而486處理器出現(xiàn)后，外部總線的工作頻率已經(jīng)跟不上CPU的工作頻率了。為了解決這一問題，例如486DX4處理器，其主頻為100MHz，外頻是33MHz，處理器的主頻與外頻的倍數(shù)3就是倍頻。 在486時代，CPU還出現(xiàn)了內(nèi)部Cache，也叫L1 Cache。實際上486就是

13、集成有更高主頻的386微處理器、80387數(shù)字協(xié)處理器和8KB內(nèi)部Cache的微處理器。486使用的外部Cache，被稱為L2 Cache。,6、第六階段：32位Pentium微處理器,從1993年開始，Intel公司相繼發(fā)布了Pentium、Pentium Pro、Pentium MMX、Pentium 、Pentium III和Pentium IV等微處理器，成為市場主流。在同一時期，AMD公司也先后發(fā)布了K6、K6-2、K7，以及Thunderbird（雷鳥）、Atnlon（速龍）、Duron（鉆龍）等。Pentium處理器集成了310萬個晶體管，最初的工作頻率是60MHz、66MHz，

14、后來又提升到200MHz以上。 第一代的Pentium代號為P54C，其后又發(fā)布了代號為P55C的Pentium，它是內(nèi)建MMX(多媒體指令集)的Pentium處理器。Pentium MMX處理器增加了57條MMX指令，這些指令專門用來處理音、視頻等數(shù)據(jù)的計算，目的是提高CPU處理多媒體數(shù)據(jù)的能力。 1997年Intel發(fā)布了Pentium II處理器，其內(nèi)部集成了750萬個晶體管，并整合了MMX指令，可以更快更流暢地處理影音和圖像等多媒體數(shù)據(jù)。Pentium 內(nèi)部集合了32KB片內(nèi)L1 Cache(16K指令/16K數(shù)據(jù))，L2 Cache是512K，L2 Cache的工作頻率是CPU核心頻

15、率的一半。,1999年，Intel公司推出了Pentium III。PIII擁有32K一級緩存和512K二級緩存（L2 Cache的工作頻率是CPU核心頻率的一半），包含MMX指令和Intel自己的3D指令SSE。PIII處理器在設(shè)計時便考慮了互連網(wǎng)的應(yīng)用，內(nèi)部包含了一個唯一的序列號，這個64位的處理器序列號，就相當于電腦的身份證，用戶既可以用它對電腦進行認證，也可以在商務(wù)往來或是上互聯(lián)網(wǎng)時用它進行數(shù)據(jù)加密，以提高電腦應(yīng)用的保密性。 2000年Intel發(fā)布了Pentium IV處理器。Pentium IV增加了SSE2指令集，這套指令集有144個全新的指令，用戶使用基于Pentium IV處

16、理器的個人電腦，可以創(chuàng)建專業(yè)品質(zhì)的影片，可以透過因特網(wǎng)傳遞電視品質(zhì)的影像，實時進行語音、影像通訊，實時進行3D渲染，快速進行MP3編碼解碼運算，在連接因特網(wǎng)時可以運行多個多媒體軟件。,7、第七階段：64位Itanium處理器,2001年，Intel公司推出了64位的安騰處理器，采用0.18微米的CMOS制造工藝，獲得了業(yè)界的廣泛支持，開始了安騰家族的發(fā)展史。2002年，Intel又推出了安騰家族的第二代產(chǎn)品安騰2處理器。 安騰處理器是構(gòu)建在IA-64(Intel Architecture 64)上，IA-64突破了傳統(tǒng)IA-32架構(gòu)的許多限制，在數(shù)據(jù)的處理能力，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性、可用性等方

17、面獲得了突破性的提高。2006年，Intel推出了雙核安騰2處理器9000系列，其性能與IBM Power5（4核）處理器相當，與安騰2處理器相比，性能則提高了一倍。雙核安騰2提供近三級高速緩存（24 MB），支持超線程（HT）技術(shù)和改進的英特爾虛擬化技術(shù)，功耗降低了20%。,8、第八階段：雙核和多核處理器,目前，Intel公司和AMD公司都推出了自己的多核處理器，而且雙核和 4核處理器目前已經(jīng)投入市場。從公司市場導(dǎo)向來看，他們計劃在2010年左右推出 8核處理器。 雙核處理器就是在一塊CPU基板上集成兩個處理器核心，并通過并行總線將各處理器核心連接起來。雙核只是單芯片多處理器(Chip Mu

18、lti Processors，CMP)中最基本、最簡單、最容易實現(xiàn)的一種類型。CMP最早是由美國斯坦福大學(xué)提出的，其思想是在一塊芯片內(nèi)實現(xiàn)對稱多處理(Symmetrical Multi-Processing，SMP)架構(gòu)，可并行執(zhí)行不同進程。 總之，從微處理器的發(fā)展歷程可以看出，隨著新的半導(dǎo)體工藝、新的計算機技術(shù)的涌現(xiàn)，微處理器的性能不斷提高，而成本不斷降低，這使得微型計算機在科學(xué)計算、信息處理、工業(yè)控制、儀器儀表和家用電器等領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛，在國民經(jīng)濟和日常生活中扮演著愈來愈重要的角色。,單核與多核比較,微處理器的發(fā)展規(guī)律,摩爾定律 微型計算機的發(fā)展是以微處理器的發(fā)展來表征的； 微處理器的

19、集成度每隔18個月就會翻一番，芯片的性能也隨之提高一倍,Gordon E. Moore，Intel公司的創(chuàng)始人之一,處理器發(fā)展曲線,性能功能,1972 1974 1976 1978 1980 1982 1985 1989 1993 1995 2001,4004,8008,8080,8085,8086,80286,80386,80486,80586,8088,80186,8048,8022,8049,8051,8096,8098,Intel公司微處理器,單片機,奔騰,AVR,PIC,ARM,1.2.2 單片計算機,單片機即單片機微型計算機，是將計算機 主要功能(CPU、內(nèi)存和I/O接口等)集成在

20、一小塊硅片上的微型計算機 單片機目前發(fā)展非常迅速，種類也很多，用途非常廣泛。 Intel的8031/8051/8052等普通8位單片機 Atmel的AVR系列增強型8位單片機 PIC系列增強型16位單片機 ARM公司等的ARM7/9等32位單片機 單片機為工業(yè)測控而設(shè)計，具有三高優(yōu)勢(集成度高、可靠性高、性價比高)。 主要應(yīng)用于工業(yè)檢測與控制、計算機外設(shè)、智能儀器儀表、通訊設(shè)備家用電器等。 特別適合于嵌入式微型機應(yīng)用系統(tǒng)。,MCS-51系列,MCS-51系列基本產(chǎn)品型號： 8051、8031、8751稱為 51子系列。 不同型號MCS-51單片機CPU處理能力和指令系統(tǒng)完全兼容，只是存儲器和I

21、/O接口的配置有所不同。,MCS-96 系列,1983- 16位單片機 Intel MCS-96 系列 8098/8096、 80C198/80C196 32位單片機 80960,32位新一代通用單片機,新一代通用單片機 AVR、PIC、ARM 新一代專用單片機 DSP、MPEG4、VOIP、IPTV、RF 如，ATmega128是一種增強型外8位/內(nèi)32位AVR微處理器（內(nèi)部32位總線），具有128K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash、JTAG (IEEE std. 1149.1 Compliant) 接口,AVR單片機外設(shè)接口豐富,兩個具有獨立的預(yù)分頻器和比較器功能的8 位定時器/ 計數(shù)器 兩

22、個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時器/ 計數(shù)器 具有獨立預(yù)分頻器的實時時鐘計數(shù)器 兩路8 位PWM，6路分辨率可編程（2 到16 位）的PWM 輸出比較調(diào)制器 8路10 位ADC 面向字節(jié)的兩線接口-TWI 兩個可編程的串行同步異步接口-USART 異步RS-232C 可工作于主機/ 從機模式的SPI 串行接口 具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器 片內(nèi)模擬比較器 JTAG調(diào)試接口( 與IEEE 1149.1 標準兼容) 工作電壓：2.7 - 5.5V,1.3微型計算機,1981年8月12日，IBM公司在紐約宣布IBM PC機面世，計算機從此進入了個人電腦的新紀元。第一臺IBM

23、 PC采用Intel的8088微處理器芯片，主頻4.77MHz，有64KB內(nèi)存，采用低分辨率單色顯示器，使用單面160K軟盤存儲文件和操作系統(tǒng)，配備了微軟公司編寫的MS-DOS 1.0操作系統(tǒng)軟件。 微型計算機的基本組成如圖1.2所示。它也由硬件和軟件兩大部分構(gòu)成。其中，硬件部分由主機和外設(shè)構(gòu)成；軟件由系統(tǒng)軟件（如操作系統(tǒng)）、應(yīng)用軟件（如稅務(wù)管理軟件）和程序設(shè)計語言（如Visual Basic）等構(gòu)成。 主機由微處理器、存儲器、輸入輸出接口（I/O接口）和總線等構(gòu)成；外設(shè)由顯示器、鍵盤、鼠標、音箱等部分組成。這些硬件的功能各異，各自完成相應(yīng)的工作，如輸入、輸出、運算和存儲。,微型計算機組成,主機結(jié)構(gòu),主機板電路結(jié)構(gòu),主機是微型計