1、微機(jī)系統(tǒng)與接口技術(shù),本課程在計(jì)算機(jī)課程體系中的位置,本課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)和信息安全等專業(yè)本科和?？茖W(xué)生必修的一門專業(yè)課。 其前修課程有大規(guī)模集成電路、計(jì)算機(jī)組成原理、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。 為進(jìn)一步學(xué)習(xí)和研究計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、分布式系統(tǒng)、大規(guī)模并行處理系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集群、網(wǎng)格系統(tǒng)等打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。,本課程的教學(xué)目的,系統(tǒng)學(xué)習(xí)微處理器、內(nèi)外存儲(chǔ)器、各種控制器和輸入/輸出接口芯片的結(jié)構(gòu)和原理，掌握構(gòu)成現(xiàn)代微機(jī)系統(tǒng)的硬軟件組成和接口技術(shù)。 切實(shí)掌握微型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)、計(jì)算機(jī)主板組成原理、各種接口設(shè)計(jì)及其驅(qū)動(dòng)編程方法、微機(jī)系統(tǒng)的研究和開發(fā)。 深入了解微處理器和微機(jī)系統(tǒng)的新發(fā)展和新技術(shù)，學(xué)會(huì)系統(tǒng)科學(xué)地

2、分析問題和解決問題，提高認(rèn)知能力和創(chuàng)新能力。,本課程的要求,同學(xué)們不僅要學(xué)習(xí)32位微處理器的原理及微機(jī)各種接口電路的原理與作用，而且還要掌握常用接口的設(shè)計(jì)與分析方法，并具有一定的動(dòng)手實(shí)驗(yàn)?zāi)芰徒涌趹?yīng)用程序的編寫能力，為將來的學(xué)習(xí)與實(shí)踐打下良好基礎(chǔ)。 請(qǐng)同學(xué)們下載電子講義，在課堂上注意聽講并在講義中補(bǔ)充課堂筆記，認(rèn)真獨(dú)立完成作業(yè)，做好實(shí)驗(yàn)、做好課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)。,本課程的教材,本課程內(nèi)容組織,第二章-32位微處理器體系結(jié)構(gòu)與工作原理,第三章-內(nèi)存儲(chǔ)器:半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 、存儲(chǔ)器硬件組織、存儲(chǔ)器子系統(tǒng),第五章-微機(jī)與外設(shè)數(shù)據(jù)交換:中斷方式與8259 DMA方式與8237,第六章-總線技術(shù):系統(tǒng)總線

3、局部總線 外設(shè)總線 通信總線,第七章-用戶交互接口:鍵盤接口、打印機(jī)接口 、顯示器接口,第八章-外存儲(chǔ)器:磁記錄編碼、EIDE和SCSI接口、磁盤陣列、光盤,第四章-I/O接口:計(jì)數(shù)器82C54 并行接口82C55A 串行通信與8250,第一章-微機(jī)系統(tǒng)和接口的組成原理，典型微處理器簡介,第九章微計(jì)算機(jī)組成: IBM PC/XT、IBM PC/AT、32位微機(jī)系統(tǒng),第一章 概 論,1.1 微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成,微型計(jì)算機(jī)屬于第四代電子計(jì)算機(jī)產(chǎn)品。一般主機(jī)按體積、性能和價(jià)格分為巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)和微型機(jī)五類。 起初，中央處理器CPU的運(yùn)算器和控制器集成在一片集成電路芯片上，稱為微處理器M

4、PU。 微處理器是微機(jī)系統(tǒng)的核心部分，自70年代初出現(xiàn)第一片微處理器芯片以來，微處理器的性能和集成度幾乎每兩年翻一番，其發(fā)展速度大大超過了前幾代計(jì)算機(jī)。,1.1.1 微機(jī)系統(tǒng)、微計(jì)算機(jī)和微處理器,1.2 典型微處理器簡介1.2.1 8位微處理器特點(diǎn),產(chǎn)品：Intel 8080，Motorola 6800，Zilog Z80，Rockwell R6502,特點(diǎn)： 線寬：2m，NMOS，8000管 主頻：1MHz（M6800），2MHz（8080），2.54.0MHz（Z80） 總線：8DB，16AB，40DIP 寄存器：8080有9個(gè)：B、C、D、E、H、L以及W、Z，累加器、SP、PC MC6

5、800有6個(gè)：PC、SP、IX、Acc.A、Acc.B、CCR Z80有18個(gè)8位寄存器以及4個(gè)16位寄存器PC、SP、IX、IY I/O端口：i8080和Z80是獨(dú)立編址，M6800是存儲(chǔ)器映像 指令：7080條 周期為2s 時(shí)鐘：單/多相 電源：單/多電源，5v、12v 功能：中斷、堆棧、微程序控制 語言：匯編，高級(jí)語言的解釋和編譯 應(yīng)用：商業(yè)和實(shí)時(shí)控制、智能終端、生產(chǎn)/進(jìn)程控制，PC,1.2.1 8位微處理器i8080,Intel8080：由8080芯片，系統(tǒng)控制器8228，時(shí)鐘發(fā)生/驅(qū)動(dòng)器8224構(gòu)成。 1973年,Motorola6800：ALU、指令譯碼和控制、寄存器組、I/O和數(shù)

6、據(jù)緩沖。 1974年,1.2.1 8位微處理器M6800,1.2.1 8位微處理器Z80,Z80：由ALU、控制部件、寄存器組、總線及其緩沖器組成。1977年。 兩組通用R、變址R、中斷頁面I、刷新計(jì)數(shù)器R，較強(qiáng)中斷能力， 電源時(shí)鐘單一，158條指令、兼容8080指令系統(tǒng),1.2.2 16位微處理器-i8086/i8088（1）,1. Intel 8086/8088 （1978/1979年） 線寬：1.5m COMS工藝 2.9萬管 5MHz8MHz主頻 DB：內(nèi)部：16位，外部：8086為16位，8088為8位 AB：20位，尋址1MB地址空間 EU：ALU AX、BX、CX、DX：通用寄存

7、器 SP、BP：指針寄存器 DI、SI：變址寄存器 FLAGS：狀態(tài)標(biāo)志CF、PF、AF、ZF、SF、OF 控制狀態(tài)DF、IF、TF 指令譯碼 控制電路 BIU：CS、DS、SS、ES 段寄存器 IP指令指針 內(nèi)部通信寄存器 20位地址加法器： REGx16偏移量 指令隊(duì)列FIFO：8088是4B，8086是6B 總線控制電路,1.2.2 16位微處理器-i8086/i8088（2）,BIU:與內(nèi)存及I/O芯片接口，提供總線控制信號(hào)，執(zhí)行外部總線周期， 根據(jù)EU請(qǐng)求完成取指和數(shù)據(jù)交換; EU：指令執(zhí)行，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和有效地址計(jì)算并管理R,1.2.2 16位微處理器-i80186/i80188,

8、2. Intel 80186/80188 單片機(jī)：內(nèi)含 8MHz主頻、68引腳的 8086/8088 時(shí)鐘發(fā)生器 片選和準(zhǔn)備好電路 一個(gè)中斷控制器：PIC(1) 二個(gè)DMA通道：DMAC(2) 三個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器：CNT(3) 應(yīng)用：智能控制器、網(wǎng)卡等,1.2.2 16位微處理器-i80286（1）,3. Intel 80286 （1982年） (1)概況 增強(qiáng)16位，線寬1.52m，13.4萬管，625MHz主頻 DB：16 四列直插封裝 AB：24 片內(nèi)MMU：物理地址16MB，虛擬地址1GB 工作模式：實(shí)（地址）模式：8086全部功能。 保護(hù)（虛擬地址）模式：實(shí)模式存儲(chǔ)管理 虛存支持保護(hù)

9、多任務(wù)多用戶支持， 4級(jí)特權(quán)保護(hù)：支持OS與任務(wù)分離，支持任務(wù)中程序與數(shù)據(jù)保護(hù) CS、DS、SS、ES TSS任務(wù)狀態(tài)段、DTS描述符表段（GDT、LDT、IDT） 15條新指令,1.2.2 16位微處理器-i80286（2）總線部件BU 指令部件IU 執(zhí)行部件EU 地址部件AU每個(gè)部件可與其他部件異步并行操作，運(yùn)行速度比較快,1.2.2 16位微處理器-i80286（3）,（2）內(nèi)部結(jié)構(gòu)：BU，IU，EU，AU BU：CPUDB 與80287FPU接口 預(yù)取器和6B指令隊(duì)列 IU：指令譯碼器：指令字節(jié)69位微碼 已譯碼指令隊(duì)列：容納3條指令 EU：ALU 寄存器組：通用寄存器，F(xiàn)LAGS 控

10、制電路：69位微碼控制電位序列 AU：實(shí)地址模式：段基址偏移量20位物理地址 保護(hù)模式：存儲(chǔ)保護(hù)：許可性、段限制 邏輯地址 線性地址即24位物理地址,1.2.3 32位微處理器-i80386（1）,1. Intel 80386系列（1985.10） 全32位體系結(jié)構(gòu) MMU片內(nèi)，Cache片外 1.51.0m，CHMOS工藝，132引腳，27.5萬管 主頻：12.540MHz 物理地址4GB、虛存空間64TB 段頁式虛存 6級(jí)流水線 （1）內(nèi)部結(jié)構(gòu)：6個(gè)部件組成，指令流水線，地址流水線 總線接口部件：CPU 芯片總線 特權(quán)請(qǐng)求控制器 地址驅(qū)動(dòng)器 總線帶寬控制器 多路收發(fā)器 接收預(yù)取部件取指和執(zhí)

11、行部件傳數(shù)的請(qǐng)求，并做優(yōu)先權(quán)處理;產(chǎn)生總線 周期地址、數(shù)據(jù)和控制信號(hào);與其它總線主控設(shè)備和協(xié)處理器接口。,1.2.3 32位微處理器-i80386（2）總線接口 指令預(yù)取 指令譯碼 執(zhí)行 分段 分頁部件,1.2.3 32位微處理器-i80386（3）,指令預(yù)取部件 預(yù)取器：總線空閑時(shí)，通過BIU按序取指送入預(yù)取隊(duì)列。 預(yù)取隊(duì)列（16B）指令譯碼部件。 指令譯碼部件 指令譯碼：指令字節(jié)內(nèi)部碼 已譯碼指令隊(duì)列：緩沖深度3條指令 、部件組成80386的指令流水線 執(zhí)行部件 控制器 數(shù)據(jù)處理器 保護(hù)檢測 把已譯碼指令隊(duì)列中的內(nèi)部碼轉(zhuǎn)換成時(shí)序控制信號(hào)、其他部件 協(xié)同完成指令操作，還用專用硬件加速某些操作

12、的執(zhí)行 分段部件：邏輯地址線性地址 三輸入加法器 描述符寄存器 限長和屬性PLA 經(jīng)過分段有效性檢查，把邏輯地址轉(zhuǎn)換成線性地址,1.2.3 32位微處理器-i80386（4）,分頁部件：線性地址物理地址 加法器 頁Cache 控制和特性PLA 允許分頁時(shí)，將從分段部件或指令預(yù)取部件 得到的線性地址轉(zhuǎn)換成物理地址，并用TLB加速地址 變換，變換后的物理地址送BIU，完成了內(nèi)存與I/O的存取 、部件組成80386的地址流水線 、部件構(gòu)成存儲(chǔ)器管理部件MMU,1.2.3 32位微處理器-i80386（5）,（2）寄存器組 32位寄存器：EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、EBP、ESP

13、指令指針： EIP(32)、IP(16) EFLAGS： VM、RF、NT、IOPL、OF、DF、IF、TF、 SF、ZF、AF、PF、CF VM：虛擬8086模式 RF：恢復(fù)標(biāo)志 NT：任務(wù)嵌套 IOPL：I/O特權(quán)級(jí) 控制R CR0：定義控制標(biāo)志 CR1：保留 CR2：頁故障線性地址 CR3：頁目錄表基址 系統(tǒng)地址寄存器 測試寄存器 調(diào)試寄存器 段寄存器（16位）：CS、SS、DS、ES、FS、GS,1.2.3 32位微處理器-i80386（6）,（3）工作模式 實(shí)模式：與8086相同，可以處理32位數(shù)據(jù)，增加FS、GS 保護(hù)模式：4GB物理空間、段長可達(dá)1MB（不用頁）/4GB（啟動(dòng)頁）

14、 多任務(wù)保護(hù)機(jī)制 虛擬8086模式：實(shí)模式保護(hù)功能 （4）存儲(chǔ)地址空間 物理地址空間 4GB 虛擬地址空間64TB,1.2.3 32位微處理器-i80386（7）,(5) 80386 Family 80386 DX 全32位，80386原型 80386 SX 外部DB16位，外部AB24位 80386 SL 采用低功耗和SMM（系統(tǒng)管理模式）的80386SX 3.3V和5V電源, SMI和靜態(tài)CMOS工藝 , 系統(tǒng)閑置時(shí)工作頻率降到0Hz進(jìn)入休眠狀態(tài)， 功耗低于0.25W 80386 DL 采用SL技術(shù)的80386DX，低功耗和節(jié)能型 80386 EX AB為26位的80386SX，增加系統(tǒng)管

15、理模式和 能源管理技術(shù)，主要應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng),1.2.3 32位微處理器-i80486（1）,2. Intel 80486系列（1989.4） (1)特點(diǎn) 1.00.8m工藝 120萬管 25120MHz 168針PGA RISC技術(shù)：40MIPS，常用指令執(zhí)行僅1T 微碼控制部分硬布線邏輯，降低指令執(zhí)行的時(shí)鐘數(shù) 突發(fā)總線（Burst BUS）技術(shù)。地址相關(guān)的16B數(shù)據(jù)I/O 內(nèi)部集成了FPU和Cache，并支持二級(jí)Cache 內(nèi)部結(jié)構(gòu)：總線接口部件 指令預(yù)取部件 指令譯碼部件 控制部件 整數(shù)部件 段部件：重定位 頁部件：固定頁面 Cache：數(shù)據(jù)與指令共用8KB，4路組相聯(lián) FPU：算術(shù)運(yùn)算

16、，超越函數(shù) 全32位體系結(jié)構(gòu)：地址總線、數(shù)據(jù)總線和寄存器組 數(shù)據(jù)總線動(dòng)態(tài)變換： 8/16/32位,1.2.3 32位微處理器-i80486（2）總線接口 指令預(yù)取 指令譯碼 控制 整數(shù) 分段 分頁 Cache 浮點(diǎn)部件,1.2.3 32位微處理器-i80486（3）,（2）80486系列 80486DX80386803878K BCache及控制器 80486SX80386 8KBCache及控制器 80486SL 低功耗節(jié)能型80486DX 能工作在3.3V，電源切斷電路，SMI，休眠狀態(tài) 80486SX2 時(shí)鐘倍頻技術(shù)的80486SX 80486DX2 時(shí)鐘倍頻技術(shù)的80486DX Int

17、el DX4 時(shí)鐘3倍頻技術(shù)的80486DX 0.6m工藝，3.3V，時(shí)鐘頻率100NHz,16KBCache,1.2.3 32位微處理器-Pentium（1）,3. Intel Pentium系列 （1） Pentium（1993.3）奔騰 0.80.6m靜態(tài)BiCMOS工藝，310萬管，273腳PGA，60233MHz主頻，RISC與CISC結(jié)合產(chǎn)品。 超級(jí)流水線：U、V兩條流水線，1T執(zhí)行2條指令，每條流水線都有ALU、地址生成邏輯和數(shù)據(jù)Cache接口，5級(jí)流水。 高性能FPU：浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算高度流水線化，8級(jí)流水，每T可完成12個(gè)浮點(diǎn)操作 獨(dú)立的指令Cache和數(shù)據(jù)Cache，都是8KB，

18、數(shù)據(jù)Cache有二個(gè)接口分別與U、V兩條流水線相連，2路組相聯(lián)存儲(chǔ)器。 分支預(yù)測：提高性能到達(dá)90MIPS 分支目標(biāo)緩沖器（BTB）的小Cache來動(dòng)態(tài)預(yù)測程序的分支操作。 64位外部DB：用于同內(nèi)存以528MB/S（66MHz鐘頻）交換數(shù)據(jù)，1個(gè)突發(fā)總線周期讀入256位數(shù)據(jù)。,1.2.3 32位微處理器-Pentium（2）600nmBiCMOS工藝 超級(jí)流水線 高性能FPU 獨(dú)立指令和數(shù)據(jù)CACHE 分支預(yù)測 外部DB64位,1.2.3 32位微處理器-Pentium Pro（1）,（2） Pentium Pro（1995.11）高能奔騰 0.60.25m 四層BiCMOS工藝，387腳PGA，155433MHz。 CPU內(nèi)核：有8KB代碼L1 Cache8KB數(shù)據(jù)L1Cahce，550萬管， 與CPU同頻的256KB L2 Cac