現(xiàn)代計算機接口技術

1、現(xiàn)代計算機接口技術,第1章、微型計算機概述第2章、80x86微處理器結構第3章、輸入輸出系統(tǒng)第4章、微型計算機中斷系統(tǒng)芯片8259第5章、定時/計數(shù)器芯片8253第6章、并行接口芯片8255第7章、D/A轉換芯片0832，A/D轉換芯片0809,第1章、微型計算機概述,1、計算機發(fā)展概況 2、計算機的基本結構,一 、發(fā)展概況,1、計算機的發(fā)展歷程第一代電子計算機稱為電子管計算機。 第二代計算機稱為晶體管計算機，其主要邏

2、輯元件采用的是晶體管。 第三代計算機的內(nèi)存儲器采用了半導體存儲器，可靠性和存取速度有了明顯的改善。 第四代計算機以采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路為標志。 關于第五代計算機人們正在進行著多方面的探索。,1942年哈佛大學和IBM公司合作,在美國首次制造出了現(xiàn)代計算機的雛形——馬克Ⅰ。 1944年美國物理學家毛希利（John·Mauchely）提出了一個名曰“高速電子管計算裝置”的現(xiàn)代計算機制造方案。該機于1946年正式交付

3、使用，取名ENIAC——電子數(shù)字積分機和計算機,世界上第一臺計算機ENIAC,,2 產(chǎn)生條件 計算技術 半導體技術 電子技術,微處理器的飛速發(fā)展,80386,80486,奔騰,奔騰2代,奔騰4代,80286,奔騰3代,,IA-64（安騰）,4004,,第一階段（1971~1973）：4位或低檔微處理器時代。 代表：Intel 4004、Intel 4040。4位數(shù)據(jù)總線。微處理器和存儲器采用PMOS（n型襯底、p溝道，

4、靠空穴的流動運送電流的MOS管）工藝，工作速度很慢。微處理器的指令系統(tǒng)不完整；存儲器的容量很小，只有4K；沒有操作系統(tǒng)，只有匯編語言。主要用于工業(yè)儀表、過程控制或計算器中。,二、微處理器發(fā)展的幾個時代,Intel4004和采用4004的計算器,第二階段（1974~1978）：8位中高檔微處理器時代。代表：Intel 8080/8085、Zilog Z80、Motorola 6800。以8位微處理器為基礎微處理器采用NMOS（溝

5、道在柵電壓控制下p型襯底反型變成n溝道 ）工藝，具有較完整的指令系統(tǒng)和較強的功能。存儲器容量達64KB，配有熒光屏顯示器、鍵盤、軟盤驅動器等設備，構成了獨立的臺式計算機。配有簡單的操作系統(tǒng)（如CP/M）和高級語言。,第三階段（1978~1984）：16位微處理器時代。代表:Intel 8086、8088、Motorola 68000和Zilog Z8000。以16位和準32位微處理器為基礎。微處理器采用HMOS（高性能金屬氧化物

6、半導體 ）工藝。在體系結構方面吸納了傳統(tǒng)小型機甚至大型機的設計思想，如虛擬存儲和存儲保護?？梢允褂枚喾N高級語言，多種尋址方式、多級中斷系統(tǒng)。具有完善的OS ，Microsoft公司的MS DOS操作系統(tǒng)并公布了IBM PC的總線設計。代表機型：IBM PC/XT 、 IBM PC/AT(286),IBM PC系列機,8088CPU,IBM PC機,IBM PC/XT機,IBM PC/AT機,第四階段（1985~1991 ）：32

7、微處理器時代代表：Intel 80x86（80386、80486、586）。采用CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor )或HMOS工藝32位數(shù)據(jù)總線和32位地址總線可以完成多任務操作,第五階段（1992~2000）：奔騰處理器時代 INTEL公司32位處理器。代表：Pentium、Pentium pro（高能）、 Pentium MMX （多能） 、Pentium Ⅱ、

8、Pentium Ⅲ、Pentium 4 。CMOS 集成芯片 外部總線64位，內(nèi)部32位內(nèi)部集成浮點運算器FPU、高速緩存（Cache）、存儲管理機構。流水線控制，多種高級語言、完善的OS 。,Pentium 4,Pentium,80386,英特爾微處理器芯片,第六階段（2000年后）：后奔騰時代。內(nèi)部、外部均64位的處理器IA-64結構。將幾條指令捆綁為128Bit長指令束可運行三種操作系統(tǒng)工藝：采用0.18?m晶體

9、管工藝IA－64架構的發(fā)展代表： 第一代芯片：MERCED 第二代芯片：Mckinley 第三代芯片：Madison 第四代芯片：Itanium 1、2、3,三、 微型計算機的基本結構,,1 、兩個基本概念,MPU:又稱微處理器。 將原來很大的中央處理器集成在一片或者幾片的大規(guī)模集成電路芯片上。 微型計算機： 以MPU 為基礎，由MPU 、存儲器、

10、I/O口以及其它支持邏輯組成的計算機。,存儲器,寄存器,輸出接口,運算器,控制器,輸入接口,輸入設備,輸出設備,,,,,,,,,,,CPU,微型計算機,2、微型計算機定義,3、微型計算機系統(tǒng),微型計算機系統(tǒng) 1、硬件系統(tǒng)：微型計算機，外設，電源2、軟件系統(tǒng)：系統(tǒng)軟件，應用軟件,微型計算機系統(tǒng)的組成,微型計算機的硬件組成,四、微型計算機的特點,價格便宜體積小耗電低可靠性高對環(huán)境要求低適用性、靈活性好,五、微型計算機系統(tǒng)的主要

11、指標,MPU的字長主頻存儲容量：高速緩存容量、內(nèi)存容量、外存容量總線類型、總線速度外設配置軟件配置,六、微型計算機的應用范圍,1．科學計算2．數(shù)據(jù)處理3．辦公自動化4．輔助系統(tǒng)5．仿真6．過程控制,七、微型計算機分類,1、按位數(shù) 8、16、32，64數(shù)據(jù)總線2、按cpu類型 intel,motorola3、按結構,單片機：將CPU（中央處理單元）、數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、I/O和定時器/計數(shù)器等外圍模塊集成在

12、一個芯片上。單板機 ：由CPU、RAM/ROM、I/O 通過總線連接，做在一塊印刷電路板上，另加簡單的 顯示器以及鍵盤等。 微型計算機系統(tǒng)：硬件 微型計算機＋計算機外設 軟件 系統(tǒng)軟機＋應用軟件等,第二章：8086微處理器的結構,1、8086/8088CPU的內(nèi)部結構、引腳功能和工作模式。2、時序基本概念。,重點內(nèi)容:,一、微處理器的工作方式,實地址方式：直接尋址的實際物理地址，即只能處理1MB

13、以下的存儲空間的工作方式。 特點： 操作數(shù)默認32位 存儲器采用分段方式，每段最大64KB. FFFF0-FFFFFH為初始化程序區(qū)。 00000-003FFH為中斷向量表。 具有特權處理器，程序自動在最高級0級上執(zhí)行。,保護地址方式：指執(zhí)行多任務操作時，對不同的存儲空間完全隔離，保護每個任務的順利執(zhí)行。 特點： 存儲器采用虛擬地

14、址空間、線性地址空間、物理地址空間描述。 強大的尋址空間，遠超出實際的物理空間。 處理器采用4級保護功能，可支持程序與程序、用戶與用戶、用戶與操作系統(tǒng)之間的隔離和保護，為多任務操作系統(tǒng)提供優(yōu)化、支持。 在保護方式下，32位處理器可提供16位或32位運算，可啟動分頁單元，支持虛擬內(nèi)存。 16位的80286、32位的80386以上微處理器,虛擬8086方式：在多任務環(huán)境下，處理器被模擬成多個8086同時工作

15、。特點： 適合80386以上處理器 使用分頁方式。將1MB分成若干個4KB的頁，用來處理較小的應用程序和數(shù)據(jù)段。 應用程序在最低特權級3級以上運行。,系統(tǒng)管理SMM方式：包含電源管理以及為操作系統(tǒng)和正在運行的程序提供安全性保障。特點： 適合Pentium以上處理器以及386DL以上的筆記本電腦。 使處理器和系統(tǒng)外圍電路處于休眠狀態(tài)，降低功耗。,二、8086內(nèi)部結構,,執(zhí)行部件 1 通用寄

16、存器2 暫存器3 ALU(算術運算邏輯單元)4 標志寄存器5 控制器,,,標志寄存器（Flag Register）,總線接口部件1段寄存器2 指令指針3 暫存器4 地址加法器5 總線接口6 指令隊列,例：mov ax,[bx]1、取指令2、存入指令隊列3、指令操作碼---〉控制器4、取內(nèi)存操作數(shù)5、保存結果,8088cpu結構,8088結構與8086區(qū)別1 數(shù)據(jù)總線：8086 16位，8088 8位2

17、 指令隊列： 6字節(jié)，4字節(jié)3 引腳上區(qū)別,8086CPU的引腳信號,,,8086系統(tǒng)的存儲結構,,BHE和A0的意義,,M// IO 、 /RD、 /WR 的關系,,,,指令隊列狀態(tài)線QS1、QS0的編碼和對應含義,三 系統(tǒng)構成1 輔助借口芯片,PLCK(1/6OSC),CLK,8284的內(nèi)部結構,/AEN1,RDY1,/AEN2,RDY2,READY,數(shù)據(jù)鎖存器8282或74373的內(nèi)部結構,雙向數(shù)據(jù)收發(fā)

18、器8286或74245的內(nèi)部結構,/DEN,DR//R,,8086CPU最小模式下的典型配置,,8086CPU最大工作模式下的典型配置,存儲器組織1存儲器結構2 存儲器分段3 存儲地址表示4 8086存儲結構,,8086的時序周期1 指令周期2 總線周期3 時鐘周期,,CPU的寫周期的時序,,,,CPU的讀周期的時序,,,輸入輸出周期中斷響應周期,CLK,HOLD和HOLDA,最大模式下存儲器時序,最大模式總線請求,第三

19、章：基本I/O接口,一、接口1、接口的基本概念2、接口的功能3、接口的組成4、接口處理的信息,接口的功能,數(shù)據(jù)鎖存/緩沖數(shù)據(jù)類型的變換地址譯碼功能中斷功能提供聯(lián)絡信號電平轉換功能提供時序控制,二、接口常用芯片介紹,,74LS273引腳圖,74273真值表,三、CPU和外設之間的數(shù)據(jù)傳送方式,1、程序傳送方式：在計算機的控制下進行的數(shù)據(jù)傳送 無條件傳送方式：CPU不必對外設的狀態(tài)進行查詢的傳送。 條件傳

20、送方式： CPU必須先對外設的狀態(tài)進行查詢，根據(jù) 查詢的結果才進行的傳送。2、中斷方式3、DMA方式4、I/O傳送方式,條件傳輸方式,/RD、/IO,41H,2、中斷方式,四、存儲器映象I/O和隔離式I/O,1、存儲器映象式I/O 將存儲器和I/O統(tǒng)一看待，統(tǒng)一編址，又稱統(tǒng)一編址方法。 特點 ：

21、 指令簡潔，訪問I/O和存儲器使用相同的指令，程 序設計靈活。 I/O口數(shù)量配置靈活 讀寫控制邏輯簡單 I/O口占用存儲空間，使存儲空間相對減少,2、隔離式I/O編址 將存儲器和I/O分別進行編址。 特點 ： I/O傳送使用專用指令，程序清晰，可讀性強。 I/O口專用指令少，沒有存儲器映象編程指令豐富，程序 設計靈活性差。 只能使用累加器進行數(shù)據(jù)傳送，

22、不如映象方式靈活。 I/O口數(shù)量配置固定 讀寫控制邏輯復雜,3、存儲器以及I/O接口譯碼方法,1）、門電路譯碼方法2）、138專用譯碼器譯碼方法3）、比較器譯碼方法4）、通用邏輯陣列GAL譯碼方法,74138功能表,74LS85引腳圖,74LS85邏輯圖,,74LS30引腳圖,GAL 16V8ADDRESS DECODERJULY 6 2002DECODE :PINS 1 2 3 4

23、 5 6 7 8 9 10 NC A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 /IOW GND :PINS 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 NC /Y0 /Y1 /Y2 /Y3 /Y4 /Y5 /Y6 /Y7 VCC /Y1=/A7*A6*A5*A4*A3*/A2*/A1*/A0*/IOR,第

24、四章：中斷,一、中斷的定義以及分類 1、中斷的定義：CPU具有響應不可預知事件的能力。,,微機系統(tǒng)中的各種中斷源,,,2、中斷的類型,◆外部中斷（硬中斷）：由外部信號引發(fā). 可屏蔽中斷 不可屏蔽中斷◆內(nèi)部中斷（陷阱、軟中斷）：處理器執(zhí)行中斷指令時產(chǎn)生。 INT n 類型

25、0：除法出錯 類型1：單步或陷阱 類型3：斷點 類型4：溢出 類型5：邊界檢查,,,◆異常：在執(zhí)行一般指令過程中，因檢測到不正常情況而產(chǎn)生。 根據(jù)引起異常指令的報告形式，對程序連續(xù)性的影響分為 三類： 故

26、障：能被糾正的異常。在一條指令執(zhí)行前或執(zhí)行過程中 報告。一旦異常處理結束，被中斷的指令從新啟動。 陷阱：在指令執(zhí)行后產(chǎn)生，異常處理后，繼續(xù)執(zhí)行下一條 指令。 中止：用于報告嚴重錯誤，不允許從新啟動執(zhí)行失敗的程 序。,,,,異常一覽表,二、中斷矢量表和中斷類型,1、中斷矢量表2、CPU中斷響

27、應時序3、中斷響應的過程,,中斷向量指針表,8086CPU 中斷相應總線周期,CLK,AD7—AD0,三、中斷請求與排序,1、中斷優(yōu)先級編碼排優(yōu)電路2、中斷優(yōu)先級鏈式排隊電路,中斷優(yōu)先級排序,中斷優(yōu)先級編碼排優(yōu)電路,,中斷請求,INTR,中斷優(yōu)先級排鏈式排優(yōu)隊電路,請求1（高）,請求3（低）,請求2,中斷相應(INTA),,排隊鏈優(yōu)先權的控制方法,,矢量中斷優(yōu)先權的控制系統(tǒng),,一個完整的向量中斷過程,,軟件查詢方法流程圖,四、中斷控

28、制器8259A,,1、8259A的內(nèi)部結構及其功能,8259A內(nèi)部結構邏輯主要由以下三部分組成： （1）控制邏輯 （2）中斷優(yōu)先權判優(yōu)及其屏蔽 （3）輔助電路,PR,,,2、8259A的外部引腳特性,,3、8259A的工作方式,1)．中斷優(yōu)先級管理方式2)．屏蔽中斷源的方式3)．結束中斷的方式4)．引入中斷請求的方式5)．連接系統(tǒng)總線的方式6)．中斷查詢方式,1)、中

29、斷優(yōu)先級管理方式,全嵌套方式（默認方式）特殊全嵌套方式優(yōu)先級自動循環(huán)方式優(yōu)先級特殊循環(huán)方式,2)、屏蔽中斷源的方式,普通屏蔽方式特殊屏蔽方式,3)、結束中斷的方式,自動結束方式（適用于單片、不嵌套方式）非自動結束方式: （適用于級聯(lián)系統(tǒng)） 一般的中斷結束方式（適用于全嵌套） 特殊的中斷結束方式（適用于非全嵌套方式）,,4)、連接系統(tǒng)總線的方式,緩沖方式非緩沖方式,,雙向數(shù)

30、據(jù)收發(fā)器8286或74245的內(nèi)部結構,/DEN,DR//R,5)、引入中斷請求的方式,邊沿觸發(fā)方式電平觸發(fā)方式,6)、中斷查詢方式,硬件查詢方式軟件查詢方式,8086CPU 中斷相應總線周期,CLK,AD7—AD0,,1）、ICW1（芯片控制初始化命令字),4、8259A的初始化命令字,,,,不用,LTIM 0：邊沿 1：電平,,2）、ICW2（設置中斷類型碼的初始化命令字）,引入中斷的引腳號（82

31、59A自動填寫）,,3）、ICW3（主片/從片初始化命令字）,主片 （1：表示接有從片）,從片,A0,,ID2~ID0對應的從片中斷請求引腳號,,4）、ICW4（方式控制初始化命令字）,A0,,標識符,SFNM 0:工作于一般全嵌套 1:工作于特殊全嵌套 AEOI 0:工作于非自動結束方式。 1:工作于自動結束方式。,初始化命令設置流程圖,,初始化流程圖,舉例：,MOV AL,

32、13H ; 0001 0 0 1 1 OUT 80H,AL MOV AL 18H ; 00011000 OUT 81H,AL MOV AL,05H; 000 0 0 1 0 1 OUT 81H,AL,,XXX 標志 邊沿 X SGNL ICW4,標識碼 SFNM BUF M/S AEO

33、I uPM,,5、操作命令字1）、OCW1（中斷屏蔽操作命令字),,2)、OCW2(設置優(yōu)先權循環(huán)方式和中斷結束方式）,R（優(yōu)先級循環(huán)位） 1：循環(huán)優(yōu)先級 0：固定優(yōu)先級SL（選擇指定IRi級別位） 1：L2-L0有效 0：L2-L0無效EOI（

34、中斷結束命令位）,,0,,OCW2 的組合控制方式,,3）、OCW3OCW3主要有三個方面的功能：控制8259A的中斷屏蔽；設置中斷查詢方式；設置讀8259A內(nèi)部寄存器命令；,A0,,,標志位,,COW3的組合控制方式,中斷標識碼的格式,例：軟件查詢方式的使用,,MOV DX,208HMOV AL,00001100BOUT DX,ALIN AL,DXTEST AL,80H ;I是否為“1”JZ ENDAND A

35、L,07H,,RR和RIS組合控制邏輯,例:IRR ISR寄存器的讀取,MOV DX,208H; 讀IRRMOV AL,00001010B;OUT DX,ALIN AL,DX ;MOV DX,208H ;讀ISRMOV AL,00001011BOUT DX,ALIN AL,DX,0 S1 S2 0 1 P RR RIS,,8259A I/O端口地址分配表,,IBM PC/AT的外中斷,2,2,1,重定向,

36、PCI/ISA,PCI/ISA,PS2鼠標,協(xié)處理器,主硬盤,次硬盤,,要求： 利用8253產(chǎn)生的1秒脈沖作為8259A的中斷請求信號，每一秒采集一次開關值，并送LED顯示,顯示10次后退出。,中斷控制編程應用,,D7-D0,CPU,8259,8253,273,244,,,,,開關,LED,,,,INTR,,,IR2,流程圖,中斷處理子程序,,START: CLIICW1: MOV DX,200H;

37、 8259A的地址 MOV AL,00010X11B; XXX 1 LTIM ADI SNGL IC4 OUT DX,ALICW2: MOV DX,201H;中斷類型號 MOV AL, 08H; OUT DX,ALICW4: MOV DX,201H MOV AL,00000101B;0 0 0 SFMN BUF M/S AEOI UPM

38、 OUT DX,AL,MOV AX,CS; DS:DX MOV AX, SEG INT_PROCMOV DS,AX ；MOV DX,OFFSET INT_PROCMOV AX,250AH; AH=25 寫入中斷向量INT 21H,MOV DX,201HIN AL,DXAND AL,0FBH ;打開IR2中斷屏蔽,OCW1OUT DX,ALMOV CX,10STI; 開中斷LL

39、: JMP LL; 等中斷,INT_PROC: MOV DX,220H IN AL,DX MOV DX,221H OUT DX,AL LOOP INT_RET MOV AH,4CH INT 21HINT_RET: MOV DX,200H ;OCW2 MOV AL,20H