微机原理与接口技术（17AC3） 微机原理与接口技术 朱华贵 2015年09月06日

课程介绍 微机 原理 与 接口 技术 典型机型：IBM PC系列 基本系统：8088CPU和半导体存储器 I/O接口电路及与外设的连接 硬件：接口电路原理 软件：接口编程方法 课程介绍

算法设计、数值分析、信号与系统、计算机理论课程、数学基础课程 本课程在专业课程体系中的位置 软件工程 算法设计、数值分析、信号与系统、计算机理论课程、数学基础课程 离散数学 数据结构 电子商务 多媒体技术 … 软件类 C++ JAVA C# … 数据库 操作系统 编译系统 计算机控制技术 计算机系统结构 BIOS与接口驱动程序设计 汇编语言 外围接口电路设计 嵌入式系统 强调接口技术包含硬件接口和软件接口 SOC芯片设计 CPU及整机设计（计算机组成原理、单片机） 模拟电路、数字逻辑电路设计 硬件类

微机原理与接口技术的学习目的 1、从应用角度，了解计算机的基本组成、工作原理，建立计算机系统的整体概念； 2、掌握汇编语言程序设计方法，从底层了解计算机； 3、了解计算机接口技术，初步具备计算机软、硬件开发能力。

教辅书 参考书： 周明德主编，微机原理与接口技术（第2版），人民邮电出版社, 2007 Kip R.Irvine著，温玉杰等译，Intel汇编语言程序设计（第五版），电子工业出版社 沈美明，温冬婵编著，IBM-PC汇编语言程序设计（第2版），清华大学出版社, 2007 Intel Co.，Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual，2011

课程学习及考核方式 工程类课程 重视练习 经验很重要 不要钻牛角尖 授课内容有侧重 考查方式 闭卷考试 卷面成绩70％，平时成绩30％（作业和实验） 作业和实验的重要性，平时成绩对最终成绩的影响

本课程的学习方法 特点：本课程涉及的知识范围广，内容多 1）抓住x86系列微机基本结构这条主线，分析其基本结构，掌握各接口电路及可编程接口芯片的应用。 2）进一步扩展和延伸 CPU—从Pentium~Core 2 Duo，实模式~保护模式； 汇编语言－CPU及接口直接控制，8位~32位汇编； 总线—PCI，USB，PCI-Express等； 中断—从实模式下的中断向量～保护模式下的中断描述符；从传统中断～PCI中断～串行中断 芯片组—从中大规模集成电路(8237、8254、8255、8259等）~ 超大规模集成电路(82G65MCH、ICH8)。 存储管理－从实地址模式到保护模式存储管理

本课程的学习方法 3）理论与实践相结合，锻炼实验动手能力。 掌握汇编语言编程方法 掌握x86系列寻址方式 掌握x86常用指令 掌握PC机接口程序的编写方法 充分利用课程实验锻炼自己的编程能力和接口设计与分析能力。

微机原理与接口技术 第1章 计算机基本知识 朱华贵 2015年09月06日

本章主要内容： 半导体存储器的分类 1 绪论 微型计算机系统的硬件组成 2 微型计算机系统的工作原理 3 微型计算机系统的启动过程 4 微型计算机系统的EDA设计方法 5

1.1 绪论 将计算机的核心器件中央处理器（运算器和控制器）集成在一块半导体芯片上，配以存储器、I/O接口电路及系统总线等设备的计算机。 微型计算机（简称微机）： 将计算机的核心器件中央处理器（运算器和控制器）集成在一块半导体芯片上，配以存储器、I/O接口电路及系统总线等设备的计算机。 微型计算机系统： 以微型计算机为主体，配上系统软件和外设之后，就构成了微型计算机系统。

微机的分类 以微处理器型号为标志划分： 286计算机 386计算机 486计算机 Pentium计算机 PentiumⅡ计算机 ……

微机的分类 按计算机运算部件处理的数据位数来划分： 8位计算机 16位计算机 32位计算机 64位计算机 …… 位数越多计算机运算速度越快。

微型计算机系统的组成 计算机硬件是计算机系统中所有实际物理装置的总称，是计算机完成各项工作的物质基础。 计算机软件是指在计算机中运行的各种程序及其处理的数据和相关的文档，是计算机的“灵魂”。

1.2.1 微型计算机系统的硬件组成 微型计算机系统的硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大基本部件组成。 1.2 微型计算机系统的硬件组成与工作原理 1.2.1 微型计算机系统的硬件组成 冯•诺依曼的“存储程序和程序控制”的设计思想： 微型计算机系统的硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大基本部件组成。 计算机内部采用二进制数据格式表示数据和指令。 程序和数据将被事先存入主存储器中，计算机在工作时能在不需要操作人员干预的情况下，自动逐条取出指令并执行。

1.2.1 微型计算机系统的硬件组成 运算器（ALU）：运算器的核心是算术逻辑单元，是完成各种算术和逻辑运算的部件。 控制器（CU）：发出各种控制信息，使计算机各部件协调工作的部件。 存储器（M）：记忆程序和数据的部件。 输入设备（IN）：将程序和数据输入的部件。 输出设备（OUT）：将结果数据和其它信息输出的部件。

1.2.1 微型计算机系统的硬件组成 数据信息：用双线表示，包括原始数据、中间结果、计算结果和程序指令； 计算机五大部件之间有两类信息在流动： 数据信息：用双线表示，包括原始数据、中间结果、计算结果和程序指令； 控制信息：用单线表示，它是由控制器发出，指挥和协调其它各部件动作的信号。 不论是数据还是控制命令，计算机中都是用“0”和“1”表示二进制信息。 计算机工作时将存放在存储器中的程序逐条取出到控制器，控制器执行指令时发出控制信号到运算器、存储器、输入设备、输出设备。

典型冯.诺依曼计算机结构 (1)由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成计算机系统，并规定了这五部分的基本功能。 数据线路 外存储器 控制信号 内存储器 输入 输出 运算器 控制器 典型冯.诺依曼计算机结构

对照一下人进行某项运算时的情况 输入设备 主存储器 辅助存储器 输出设备 运算器 控制器 输入 输出 输入 输出 程序 (事先编写) 原始数据 运算结果 外部存储器 笔记本、手册等 输入设备 输出设备 　　　　大　脑 输入 输出 ·控制 （控制器） 眼、耳等 手、口等 ·计算、判断 （运算器） 解题方法 (事先学习） 题目 提供答案 ·记忆细胞 （内部存储器）

1.2.1 微型计算机系统的硬件组成 现代微型计算机系统硬件组成：

1、微处理器 微处理器包含运算器和控制器，微处理器的性能基本决定了计算机的性能，是微型计算机的核心。 随着微电子技术的发展，微型计算机的发展基本遵循摩尔定律。 1971年，Intel公司研制成功了第1台微处理器Intel 4004； 1973年，Intel公司又研制成功了8位微处理器Intel 8080； 1978年，Intel公司推出了首枚16位微处理器8086； 同年，IBM公司基于Intel 8088芯片推出的IBM-PC计算机，使微型计算机进入到了一个迅速发展的使用时期。 8086微处理器将在第3章介绍。

2、协处理器 协处理器用于特定任务的处理，以减轻系统微处理器的负担，是微型计算机系统的选配硬件。 例如，数字协处理器可以控制数字处理；图形协处理器可以处理视频绘制。 常见的协处理器有Intel 8087。 8087协处理器将在第3章简单介绍。

3、内存储器 也称主存或内存，用于存放计算机正在运行的程序和用到的数据等 内存储器分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ ROM）两大类。 随机存储器：RAM接受程序的控制，可由用户写入数据或读出数据，但是断电后数据会消失。RAM可以用来临时存放程序、输入数据和中间结果等。 只读存储器：ROM中的信息由厂家预先写入，一般用来存放自检程序、配置信息等。通常只能读出而不能写入，断电后信息不会丢失。 内存储器将在第6章介绍。

4、总线控制逻辑 微型计算机系统采用总线结构 总线是连接计算机各组成部件的公共数据通路。 在微型计算机系统中，总线分为： 片内总线：连接CPU内部的各个部件； 片级总线：连接CPU、存储器及I/O接口等电路，构成所谓的主机板； 系统总线：用来连接外部设备。系统总线的直观形式就是主板上的扩充插槽。

4、总线控制逻辑 主板与外部设备之间的数据传输必须通过系统总线，所以系统总线包含的信号线必须满足下列各种输入/输出操作的需要： （1）访问分布于主板之外的存储器； （2）访问I/O接口； （3）适应外部中断方式； （4）适应存储器直接与外部设备交换信息。 总线控制逻辑的任务就是产生和接受这些操作所需要的信号。 总线的相关概念将在第12章介绍。

5、外存储器 也称辅存或外存，用来存储大量暂时不参加运算或处理的数据和程序，是主存的后备和补充。 常见的外存储器主要有： 硬盘：安装在主机箱内，常见容量有：80GB、120GB、250GB等。 光盘：信息读取要借助于光驱，其容量为650MB。 DVD光盘：存储密度高，存储容量大，容量一般为4.7GB。 优盘：是利用闪存在断电后还能保持存储的数据不丢失的特点而制成的，特点是重量轻、体积小。 移动硬盘：可以通过USB接口即插即用，特点是体积小、重量轻、容量大、存取速度快。

6、输入输出接口、鼠标等 鼠标、外存、打印机、显示器等称为外部设备，简称外设，包括输入设备和输出设备两类。 CPU与外设之间交换的信息有：数据信息、状态信息和控制信息。 在微型计算机系统中，CPU通过输入输出接口（I/O接口）与外设交换信息。 I/O接口电路的功能有连接外设和系统总线，完成信号转换、数据缓冲、与CPU进行信号联络等工作，使CPU和外设协调工作。 I/O接口的概念将在第7章介绍，常用接口芯片在第9、第10以及第11章介绍。

输入设备 输入设备能将数据和程序变换成计算机内部所能识别和接受的信息方式，并顺序地把它们送入存储器中。 扫描仪 键盘 摄像头 手写笔 数码相机

输出设备 输出设备将计算机处理的结果以人们能接受的或其它机器能接受的形式送出。 投影仪 音箱 显示器 打印机

1.2.2微型计算机系统的工作原理 1、指令、指令系统和程序 指令： 指令是指示计算机执行某种操作的命令，它由一串二进制代码组成。 一条指令通常由操作码和操作数两个部分组成。 操作码 操 作 数 指明该指令要完成的操作的类型或性质，如取数、加法、减法或逻辑乘等。 指明操作对象本身或操作对象所存储的位置：寄存器名或存储单元地址。

1、指令、指令系统和程序 指令系统： 一台计算机所能识别和执行的全部指令的集合，称为该计算机的指令集合或指令系统。 不同计算机的指令系统包含的指令种类和数目也不同。 指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它的格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，而且也直接影响到系统软件，影响到机器的适用范围。

1、指令、指令系统和程序 程序： 计算机根据人们预定的安排自动地进行数据的快速计算和加工处理。人们预定的安排是通过一个指令序列来表达的，这个指令序列就称为程序。 一条指令规定计算机执行的一个基本操作，一个程序规定计算机完成的一个完整任务。 8086的指令系统和程序设计将在第4和第5章介绍。

2、机器语言、汇编语言和高级语言 机器语言： 计算机能够直接识别的数据是由二进制数0和1组成的代码； 机器语言是直接用二进制代码指令表达的计算机语言； 一条机器指令控制计算机完成一个基本操作； 用机器语言编写的程序是计算机惟一能够直接识别并执行的程序，而用其他语言编写的程序必须经过翻译才能变换成机器语言程序，所以，机器语言程序被称为目标程序。

2、机器语言、汇编语言和高级语言 汇编语言： 为了便于记忆和书写，每条二进制代码指令都可以用字母或符号来表示，称为汇编语言； 汇编语言能够直接访问与硬件相关的存储器或I/O端口； 用汇编语言编写的程序称为汇编源程序，要翻译成机器语言程序才可以由计算机执行。这个翻译的过程称为“汇编”，这种把汇编源程序翻译成目标程序的语言加工程序称为汇编程序。

2、机器语言、汇编语言和高级语言 高级语言： 高级程序设计语言接近人类自然语言的语法习惯，易被用户掌握和使用。 目前广泛应用的高级语言有多种，如C++、JAVA等。 高级语言程序“看不见”机器的硬件结构，不能用于编写直接访问机器硬件资源的系统软件或设备控制软件。为此，一些高级语言提供了与汇编语言之间的调用接口。用汇编语言编写的程序，可作为高级语言的一个外部过程或函数，利用堆栈来传递参数或参数的地址。

3、微型计算机系统的工作原理 微型计算机的工作就是运行程序，运行程序就是依次逐条从存储器中取出预先存放的指令并完成指令规定的动作。 微机系统的基本工作原理是存储程序和程序控制。 ②CPU从内存中逐条读取该程序的指令及相关的数据 ④将指令的运算处理结果送回内存保存 ⑤任务完成后，将处理得到的全部结果成批传送到外存以长久保存 外存储器 内存储器 CPU ①任务启动时，执行该任务的程序和数据从外存成批传送到内存 指令1 指令2 指令k 指令n 程序 数据1 数据2 数据m 数据 ③CPU逐条执行指令,按指令要求完成对数据的运算和处理

1.3 微型计算机系统的启动过程 RAM 硬 盘 CMOS CPU ROM BIOS ③ ② 执行自举程序 ① 执行加电自检程序 ⑤ 装入引导程序 ⑦ 装入操作系统 ⑥执行 引导 程序 ⑧运行 操作 系统 显示初始界面 序 读 出 引 导 程 ④ CMOS ？ 从 何 处 启 动 ③ CPU ② 执行自举程序 ROM BIOS ① 执行加电自检程序

DOS DOS（Disk Operating System）是磁盘操作系统的简称，MS-DOS则是最普遍使用的PC兼容DOS。 ROM中的BIOS模块 IO.SYS模块 MSDOS.SYS模块 COMMAND.COM模块 引导程序。

1.4 微型计算机系统的EDA设计方法 目前进入我国并具有广泛影响的EDA软件有Protel、PSPICE、MultiSIM10、Modelsim和Proteus等。 是英国Labcenter Electronics公司开发的EDA工具软件，由广州风标电子技术有限公司作为中国的销售代理。 Proteus软件可以实现原理图布图、PCB自动或人工布线和SPICE电路仿真，仿真处理器及其外围电路并实时使用RAM、ROM、键盘、马达、LED等。 Proteus软件的使用及微机原理实验仿真将在后面介绍。

1.5 计算机的特点和性能指标 一、特点 能自动连续工作 运算速度快 运算精度高 存储能力和逻辑判断能力强 通用性强

二、性能指标  主频——主频很大程度上决定了计算机的运行速度，它的单位是兆赫兹（MHz）。  字长——字长决定了计算机的运算精度、指令字长度、存储单元长度等，可以是8/16/32/64位。  运算速度—— （1）早期方法是每秒执行加法指令的次数， （2）现在通常用等效速度。等效速度由各种指令平均执行时间以及对应的执令运行比例计算得出，即用加权平均法求得。它的单位是每秒百万指令（MIPS）。 对比：MFLOPS （3）还有利用所谓“标准程序”在不同的机器上运行所得到的实测速度。  存储容量——字数*字长 1024（210）简称为1K（千），1024K（220）为1M（兆），1024M（230）为1G（千兆）。

 可靠性——常用平均无故障时间（MTBF）衡量。 MTBF—Mean Time Between Falures 平均无故障时间是指两次故障之间能正常工作时间的平均值。假设表示单位时间内失效的元件数与元件总数的比例即失效率，则MTBF=1/。例如=0.02%/h，则 MTBF=1/=5000h  可维护性——可用平均修复时间（MTRF）表示，它是指从故障发生到机器修复平均所需要的时间。 MTBR—Mean Time Between Repairs（字典缩略） MTTR—Mean Time To Repair（微软计算机辞典）  可用性——是指计算机的使用效率。 A=MTBF/(MTBF+MTRF) 可靠性R、可维护性S和可用性A，称为RAS技术。  兼容性——兼容是广泛的概念，是指设备或程序可以用于多种系统中的性能。

衡量计算机性能主主要标准 衡量计算机系统性能最为可靠的尺度是时间，而时间又可以有多种定义。见下表： 衡量CPU性能主要使用用户CPU时间。    衡量计算机系统性能最为可靠的尺度是时间，而时间又可以有多种定义。见下表： 时 间 响应时间 CPU时间 用户CPU时间 系统CPU时间 (访磁盘时间)   (访主存时间) (I/O时间及其他时间) 衡量CPU性能主要使用用户CPU时间。

CPU性能 用户CPU时间取决于三个特征：时钟周期TC(或速率)，每条指令所需时钟周期数CPI以及程序中总的指令数IN。     TCPU=IN×CPI×TC 其中CPI=执行整个程序所需CPU时钟周期数/程序中指令总数

MIPS和MFLOPS     除了时间评估标准外，MIPS和MFLOPS也是常用的性能评估标准，MIPS是每秒百万次指令,对于给定的一个程序，MIPS可表示成：                                                     Rc表示时钟速率，它是Tc的倒数。至此我们知道系统性能还可以用速率表示。 MFLOPS即每秒百万次浮点运算。    要注意的是MIPS只适宜于评估标量机，不能用于评估向量机。而MFLOPS则比较适用于衡量向量机的性能。为了正确反映计算机的性能，每一种浮点操作要乘以一个正则化的值然后再求MFLOPS的值。