微机系统与接口.ppt

1、1,国家级精品课程微机系统与接口,Microcomputer Systems and Interfaces,同类课程 微机原理及接口技术 微型计算机原理及应用计划学时 48主讲教师: 马旭东 联系方式: 13809022379/ 83795360/83793291 配套实验课程: 微机实验及课程设计 (48学时) 实验课教师: 房芳(12班) /顾群(3-4班),2,课程目标,掌握微机系统的基本组成、工作原理、接口电路及硬件的连接，建立微机系统的概念，具备初步开发微机系统软、硬件的能力。,微型计算机系统 (Micro-Computer System and Applications)应用与开

2、发（而非使用）的开始,Lucky一代: 计算机无所不能;娱乐享受工具; 几乎人手一台,使用自如 良好学习条件?能学好吗?必要性,3,课程背景和重要性,先修课程(软件基础): 计算机科学基础/程序设计与C语言 高级程序设计语言如何实现的? (面向过程,OO设计方法?)系统与数据结构实现孰先孰后?重要性差异?,实例化:英特尔X86/Pentium系列微处理机汇编语言(机器语言)系统开发基础实时系统(Real time Systems)控制,4,课程背景和重要性,先修课程(硬件基础):数字逻辑电路/模拟电子线路(门电路、运算放大器)计算机结构与组成 机器级属性-概念性结构和功能特性 体系结构的逻辑实

3、现(数据流/控制流组成和逻辑设计),本质 特殊的数字逻辑电路 门-组合逻辑时序逻辑有限状态机 指令（软件）时序/控制/运算逻辑二者融合CPLD/FPGA软核处理器(ALtera Nios II),问题: 计算机物理实现?实例化: 英特尔架构微处理器及系统多层次 最高级-运行程序(功能)/ 最低级-晶体管和线路,5,课程背景和重要性,实例化:不同的计算机实现IA: DeskTop/Laptop/Notebook Computer 结构功能复杂, 计算功能强大,人机交互,应用广泛32位/64位.硬件基础,软件开发其他实现:8/16/32位单片机/微控制器DSP/DSP控制器嵌入式处理器,面向嵌入式

4、系统应用/开发:硬件/软件开发固件FirmWare Engineer,6,第一章 微型计算机基础,重 点 1. 补码的概念与运算2. 微型机基本结构(概念复习）3系统组成（术语）及各部分之间关系4. 了解8086/8088工作方式与存储器的管理机制,7,计算机中常用数制,无符号整型(Unsigned, Integer) n位二进制数据： 位序号Di（1/0） Dn-1*2n-1+D1*21+D0*20 ( MSB/LSB（Most/Least Significant Bit）Dn/ D0 ) 表示(代表)不同的含义不同含义的内容的表示方法(大小/物理意义)扩展到小数N=8/16: 1010 0

5、100B / 1011 1010 0011 0001B,本课程:n=8/16/32位: 0A4H, 0BA31H 0BA31A4A4H,基2(Base),8,数制：数的表示和运算,不同的基(Base):十进制（Decimal) Di=09 八进制（Octal Q) Di=07二进制（Binary) Di=0,1十六进制（Hexdecimal) Di=09,AF,45340(D)= 130434Q=1011 0001 0001 1100B = 0B11CH,9,模、字长与补码,字长： 运算器（ALU)位数 （宽度）运算： 二进制（模2） 十六进制加运算 1011 0001 0001 1100B

6、B11CH +1010 1011 0101 0110B +AB56H 1 0101 1100 0111 0010B 15C72H,十六位模10000H(65536),正负数补码(Complement),10,互补（Complement),A+B=M (A=M-B) (M)-B=+A? A与B以M为模互补（互为补码） X-A=X-(M-B)=X+B-M=X+B (模M运算）,2的补码（2s Complement)位：模2；1+1=10B 八位：模256（100H) 80+176=256 （50H+B0H=100H),十六位: 模65536（10000H) 456+65080=65536 1C8H

7、+FE38H=10000H,11,有符号数(Signed)与机器数,数及其符号被数值化带符号数称为机器数机器数：常用原码、反码和补码表示,对于带符号数（二进制表示），计算机用最高位(MSB)表示符号：0-正，1-负 11111111B 微机中用补码表示带符号数例： (真值）456（D)=1C8H 1C8H+FE38H=10000H -456(D)=0FE38H=1111 1110 0011 1000B原码和反码是人为定义，补码是机器特性?,12,有符号数的表示：真值与补码,16位 有符号数： -32768+32767, 8000H0FFFFH07FFFH 无符号数：065535 （00FFFF

8、H),8位 有符号数： （不连续表示偏置码)-128+127, 10000000B1111 1111B001111111B 无符号数：0255 （00FFH),n位二进制数,13,有符号数：原码、反码与补码,若X0，则X补=X反=X原若X0，则X反=(2n-1)-|x|;X原的绝对值按位求反。(?) =2n -|x|= X补=X反+1,特性:,例：X= 72= 0100 1000B X原 = 1100 1000B X反 = 1011 0111B X补 = X反+1=1011 1000B,问题:X=-200怎么办?,14,有符号数：原码、反码与补码,特例: 位数0的原码8位：+0 = 0 000

9、0000 - 0 = 1 0000000 即：数0的原码不唯一,补码:不对称, 非线性 8位:12810000000B=80H ,-12710000001B +12701111111B=7FH16位:327681000000000000000B=8000H +327670111111111111111B=7FFFH,与字长/位数密切相关,15,三位整数补码运算,溢出点,16,三位有符号整数表示,十进制 无符号 原码 反码 补码 偏置码,17,8位有符号数整数表示列表,18,二进制编码,数值表示（约定）DEC的编码（表示）：BCD（Binary Coded Decimal）Compact BCD

10、 10010110B代表96D (1Byte代表2位DEC)； Uncompact BCD （1Byte=1位DEC）00-09H,非数值表示 7位：字母与符号：ASCII （American Standard Code for Information Interchange）美国信息交换标准代码）00-7FH（7位）P409 A1.1为扩展ASCII表；8位：EBCDIC Extended BCD interchange Code 8Bit Keyboard ；16位：UNICODE （2.0版本38885个）；32位：ISO 10646（Universal Code Set-UCS-4）0

11、000007F=ASCII, 000000FF=UNICODE 2.1,19,字符编码国际标准ASCII码(P459）,NUL 空SOH 标题开始STX 正文结束ETX 本文结束EOT 传输结束ENQ 询问ACK 承认BEL 报警符BS 退格HT 横向列表LF 换行VT 垂直制表FF 走纸控制CR 回车SO 移位输出SI 移位输入SP 空格,DLE 数据链换码DC1 设备控制1DC2 设备控制2DC3 设备控制3DC4 设备控制4NAK 否定SYN 空转同步ETB 信息组传送结束CAN 作废EM 纸尽SUB 减ESC 换码FS 分隔符GS 组分隔符RS 记录分隔符US 单元分隔符DEL 作废,

12、20,常用ASCII码举例,ASCII（American Standard Code for Information Interchange 美国信息交换标准代码, 256字符 含数字,字符和控制码00 NUL空白 02 STX 文本开始03 ETX 文本结束07 BEL 报警符（可听见的信号） BS 退一格（并删去该字符） 0DH CR 回车, 0AH LF 换行 , 40H 字符：0-9： 30-39H; A-41H, B-42H, Z-5AH; a-61H, z-7AH,21,控制与计算:定点数与浮点数,定点数(Fixed Point)小数点位置固定（例如纯整数和纯小数） 1110 01

13、.01浮点数(Floating Point)小数点位置不固定（充分利用有限位数，扩大数的表示范围和精度）阶码+尾数 X=2n*x 0.125 7F 00 00 00(MS) 3E 00 00 00(IEEE)定点运算: 处理器整数处理功能浮点运算: 仿真运算/协处理器运算 相关内容自学(含8087协处理器FPU),22,课程内容,微处理器结构指令与汇编语言程序设计微机系统技术微机系统常用接口及控制,23,教材和教学参考书,教 材杨素行，微型计算机系统原理及应用(第2/3版)，清华大学出版社, 2004/2006,参考书戴梅萼，微型计算机技术及应用，清华大学出版社钱晓捷汇编语言程序设计电子工业出

14、版社，2003吴宁编.80X86/Pentium微型计算机原理及应用.电子工业出版社,2000 戴先中等，微机硬件应用实践原理与接口,东南大学出版社,1999,24,其他参考书,谢瑞和等，32位微型计算机原理与接口技术，高等教育出版社，2004.7李继灿等，新编16/32微型计算机原理及应用（第2版），清华大学出版社，2001年唐袆玲,毛月东，32位微机原理与接口技术实验教程，西安电子科技大学出版社，2003 张怀莲，IBM-PC宏汇编语言程序设计，电子工业出版社张昆藏， IBM-PC/XT微型计算机接口技术，清华大学出版社,25,微型计算机及其发展,（电子微型计算机及其发展数字）计算机 一种

15、能自动地、高速计算的电子设备发展历史- 1946 年诞生; 模拟计算机 电子管、晶体管(分立元件）、IC、(V)LSI微型计算机 VLSI, CPU为单片集成 4, 8, 16.64位, 大众化: PC字长 一般指CPU与I/O设备存储器之间一次传送二进制数据的位数（总线字长）。运算器（ALU)位数 精度,26,微型计算机及其发展,8086/8088 80386 Pentium Pentium 4 1978 1985 1993 2001,IA64/单核/双核/三核/四核,27,微型计算机及其发展,IBM PC机（1981） 现代PC Apple II (台式/移动/手持式）,28,微机基本概念

16、,传统: CPU（中央处理单元）？ 外设 ( Peripherals)-终端(Terminals)MPU或：LSI-CPU微处理器 （ALU+CTRLER）MPC（微机）：MPU+MEM+I/O接口电路+辅助电路（裸机）MPCS（微机系统）：MPC+外部设备和其它专用电路、电源、面板、机架、系统软件嵌入式处理器与嵌入式应用 Embedded Processor/ Systems,29,微处理器、微型计算机和微机系统,30,系统的基本（原型）组成(硬件+软件）,硬件= 主机 + 外设（Peripherals） CPU+ MEMERY +I/O接口 （三大组成）运算器（ALU）+控制器+寄存器件

17、软件:控制器根据存放在存储器中的程序来工作软件=系统软件+ 应用软件 （系统软件：控制接口/系统管理类）OS(DOS/WIN/WIN9X/NT/XP-OS/2, UNIX, LINUX); RTOSEOS +娱乐/CAD/CAI/CAT/SCADA/管理/,31,技术指标与硬件组成,微机基本技术指标：字长、运算速度、存储容量、主频、指令系统、外设配置等,总线是计算机中各类公共信号线的集合，是计算机系统中各部分联络的规范通道。,32,硬件组成之一 处理器,CPU（MPU）：ALU/控制器/寄存器组工作过程: 取指令-执行-取指令-执行-. 指令执行: 算术逻辑运算(ALU)基本功能 信息交换(存

18、储器-I/O)-数据流控制 处理器控制系统管理算术逻辑运算（数据信息处理）-程序流管理（指令R、指令译码器、控制电路）对各部件发出相应的控制信息，使它们协调工作应用系统数据流: 直接途径（内部处理信息）：寄存器：速度快 间接途径(1)(半导体,内部)存储器,大容量,33,硬件组成之二 存储器,MEM:存储记忆单元/装置：Main Storage/Inner mem; 可直接处理-与外存的本质区别内容信息：程序/数据（数值非数值ASCII（控制码）,术语： 位BIT：（Binary Digit）0/1 半字节NIB(bibble)字节Byte 1024=210=1KB 10242=220=1MB

19、=1000KB 10243=230=1GB=1000M, 1TB=1024GB,34,存储器：数据类型与机器数存储,位 1 bit=1个二进制位字节 1 Byte=8 bit字 1 Word=2 Byte 双字 1 Doubleword=2 Word=4 Byte四字1 Quardword=4 Word十字节 TenByte=10 Byte,双字(6CA3B095H),四字,高字节,35,数据在内存的存储方式,低地址放低字节，高地址放高字节(Little-endian): 多数英特尔构架(IA)微处理器(80X86/Pentium), 自然连续访问多字节数(适于高精度)1234567890AB

20、CDEFHEFH,CDH,ABH,90H,.12H低地址放高字节高地址放低字节(Big-Endian):SPARC,IBM(iMCS-51, MCS-96)MSB符号,易于顺序BINDEC12H,34H,56H,EFH,36,数据在内存的存储方式,双字,384A157EH（双字）,0000H0001H0002H0003H0004H0005H0006H0007H0008H0009H000AH000BH000CH000DH,157EH（字）,4AH(字节),字节地址,89ABH（字),字地址,65EDC972384A157EH(四字）,四字地址,字地址,80X86存储格式,37,硬件组成之三输入输

21、出接口,I/O Device/InterfaceMPU信息来源/输出目标（程序、数据、测控信息）-接口电路,外设：标准：KB, Point device(MOUSE、Tracking Ball、Touch screen.) , 非标：SCANNER, Digitalizer, Digital Camera, ZIP, Video Camera, ADC, DI CRT、Printer、Plotter DAC, DOFDC/HDD/CD-ROM/R/RW/DVD，Tape, net-adaptor , SB, Microphone/ SPK特点：（数字量转换）多样性，速度慢：接口电路-I/O A

22、daptor(适配器)，非/智能化,38,微机系统四部分关系,微型计算机的结构示意图,39,总线-微机系统各部件相连,BUS 一组性质相似的各部件共用的信息线的集合，正常情况下（通常）BUS只能由一组数据（降低速度）-基带。,总线控制 三态缓冲器 I/O总线的作用是通过公用的信号线可把计算机或测控系统中的模板或各种设备联成一体，以便进行彼此之间的信息交换。采用总线技术在系统设计、生产、使用和维护上具有很多优越性。,40,课程硬件基础（要求）,电气/逻辑原理图（读图、规范）时序图（设计用动态时序）-总线常用接口方法/逻辑电路/硬件术语,寄存（器）、缓冲(器)、锁存(器)、触发(器)、编码(器)、

23、译码(器)、放大(器)(OP) -SSI/MSI;RAM，ROM，T/C，PIO，SIO，DMA；-MSI/LSI；,工作原理/一般时序/常用方法,41,课程硬件基础（要求）,电气/逻辑原理图（英美标准）与/或/非/异或/三态门,42,课程软件基础：（要求）,原理-MC系统软件与硬件,工具 编辑EDITOR、编译/汇编（Compiler/Assembler）、链接(器) Linker,编程语言(汇编语言)功能,语法（Syntax）,实时系统事件中断/时间中断（控制）,硬软件结合：存储访问输入输出访问的软件实现，软替硬-充分发挥硬件功能,指令-与硬件有关的功能,43,微机系统与接口课程学习,课程特点：典型技术类课程，信息量大-完整规范,技术/数据手册(DataSheet)为依据学习过程：螺旋形上升，逐步深化理解建议：复习并掌握先修课有关内容(硬、软件）课堂：听讲与理解、适当笔记课后：认真读书、完成作业、主动答疑-参考书实验：充分准备、善于理解、重视实践理论课成绩:考试成绩(75%)平时成绩(25%)答疑时间：单周周一第5节 地点：教4-301 参考:教务处国家级精品课程微机系统与接口网站,CH1_2,