现代微机原理与接口技术 东南大学

主讲教师：杨全胜东南大学计算机科学与工程学院微型机系统与接口技术2009年版1本课程在计算机课程体系中的位置硬件类软件类CPU及整机设计（计算机组成原理）BIOS与接口驱动程序设计模拟电路、数字逻辑电路设计嵌入式系统SOC芯片设计计算机系统结构外围接口电路设计操作系统编译系统数据库数据结构C++JAVA离散数学计算机系统综合设计电子商务多媒体技术…算法设计、数值分析、信号与系统、计算机理论课程、数学基础课程汇编语言软件工程C#…20.2本课程的教学目的掌握各种接口技术原理及其应用编程方法；提高分析和设计接口的能力。掌握汇编语言程序的编写方法，尤其掌握接口访问的方法。了解先进微处理器芯片结构、微型计算机实现技术、计算机主板构成、微机技术新的发展趋势；30.3本课程内容组织

第1章—概述：微机系统组成、工作过程、系统组成结构

第3章—软件如何控制CPU和接口：指令系统和汇编编程

第6章—总线如何工作：总线标准（PCI,USB,PCI-E）第7章—I/O接口如何主动与CPU通信：中断技术（8259）

第9章—常用外设与通信接口：串行通信协议与8250，并行接口8255，人机交互接口

第8章—ICH8中的定时计数与DMA控制器：8254，8237

第10章—系统编程技术：处理器的初始化，任务调度，BIOS，WDM驱动程序编写

第5章—CPU如何与MEM或I/O设备通信：I/O接口与译码

第2章—IA-32处理器原理、IA-32处理器基本执行环境

第4章—现代微机存储管理方法：段式，页式，Cache40.4教材与教辅书教材：杨全胜主编，现代微机原理与接口技术（第2版），电子工业出版社教辅书：周明德主编，微机原理与接口技术（第2版），人民邮电出版社马维华主编，微机原理与接口技术（第2版），科学出版社KipR.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50.5课程教学相关信息教师姓名：杨全胜（3-4班）办公地点：计算机楼510（杨）Email：yangqs@个人网站：助教：3人（李海龙、王奎星、令少亮）课程网站：/people/yangqs/wjyl/manage/index.aspx课程论坛：/people/yangqs/bbs/Board.aspx?BoardID=5网上题库：/people/yangqs/jkzice/课程QQ群：91262141（微型机系统与接口技术）60.5课程教学相关信息课程组成：授课64学时＋汇编实验12学时＋接口实验12学时授课信息：（3-4班）授课时间：周二1－2节，周五3－4节授课地点：教三-403汇编实验地点：自行实验接口实验地点：计算机中心微机原理实验室考试成绩组成：平时成绩＋期中考试成绩＋期末考试成绩＋汇编实验报告＋接口实验报告7第1章现代微机结构概述8硬件软件控制器运算器系统软件应用软件

BIOS与操作系统WindowsXP、Vista、LinuxCPU存储器输入设备输出设备支撑软件汇编、编译、调试、数据库管理软件微机系统硬件是系统的硬平台，操作系统是系统的软平台，系统应用软件通常支撑用户软件的开发。1.1微机系统组成91.微机系统硬件系统1）运算器与控制器——CPU运

算含

义运

算含

义＋算术加OR逻辑加－算术减NOT按位取反*算术乘NEG求补/算术除移位AND逻辑乘循环指令预取单元指令译码单元控制单元结果回写单元控制器运算器——算术逻辑单元，负责算术与逻辑运算102）存储器存储器是微机的存储和记忆装置，用来存放数据和程序。存储器分为内部存储器和外部存储器。微机的内部存储器也称内存或主存，8个二进制位为一个单元（字节），每个单元规定一个唯一的物理地址。8位二进制位＝1个字节（Byte）1024（210）字节＝1KB1024KB(220字节)=1MB230字节＝1GB240字节＝1TB3）I/O设备与I/O接口114）微机的总线CPU地址总线（AB）RAMI/O接口I/O设备ROM数据总线（DB）控制总线（CB）地址只能由CPU或DMA控制器发出到其他部件。数据总线是双向的，其宽度决定了一次可以传送的二进制数据的位数。控制信号每根都是单向的，或者传送CPU发出的控制信息、或者是部件发回的状态信息。12IA-32必有的控制信号（不一定都是CPU引脚信号）：时钟信号（CLK）：同步各种操作的同步信号。复位信号（RESET#、SYS_RESET#）：使总线上各种部件全部做初始化处理。中断请求（INTR）：表示某中断源向处理器发中断请求。中断响应（INTA#）：表示中断请求被响应。存储器读控制信号（MRDC#）：表示要对所发地址的存储单元进行读操作。存储器写控制信号（MWTC#）：表示要对所发地址的存储单元进行写操作。I/O读控制信号(IORC#)：表示要对所发地址的端口做读操作。I/O写控制信号(IOWC#)：表示要对所发地址的端口做写操作。总线请求信号（REQ#）：总线主设备请求总线控制权。总线允许信号（GNT#）：总线仲裁机构允许了某设备的总线控制权请求。132.微机系统的软件系统裸机基本输入输出系统(BIOS)操作系统支撑软件应用软件硬件系统系统软件应用软件软件系统14a.直接访问特点：可以直接进行内存和端口的访问，也可以自行在CPU的各种工作模式间切换。通常所有的端口和内存都是对程序员开放的。工具：汇编语言或C语言。应用：BIOS都是基于这种低级层次用汇编来编写的。部分操作系统的驱动程序和部分用户程序也有使用这种方法的。优点：能够编写速度最快，占用空间最小的有效代码。缺点：需要对硬件和接口有很熟悉的了解。要会汇编，或熟练使用C语言的指针。

不利于增加对新设备的控制。3.PC机环境下用户软件对外部硬件的访问方法15b.通过BIOS访问特点：通过BIOS提供的功能调用间接地对内存或端口访问，从而控制硬件。工具：汇编语言或C语言。应用：驱动程序有些会使用这些功能调用。需要获得高效率的应用程序也采用这种方法。优点：能够编写速度较快的有效代码。可以不需要编写直接对硬件进行控制的代码。缺点：需要对底层信号有所了解。增加对新设备的控制不是很方便，但好于直接访问。

16c.编写操作系统驱动程序特点：使用BIOS功能调用或直接访问的方法编写符合特定操作系统资源管理规范的设备驱动程序。工具：VC++与DDK开发包，或第三方开发工具如DriverStudio。应用：在操作系统层面上的设备控制，并为用户程序提供API支持。优点：既控制硬件，又保证操作系统的完整与安全。缺点：需要对底层信号有所了解。需要对操作系统的各个管理模块有深入的了解。17d.使用操作系统提供的应用层访问特点：使用操作系统各种驱动程序所提供的功能调用或API函数间接对硬件或内存进行访问。工具：VC++、Delphi、Java、C#等。应用：编写面向终端用户的各类应用程序。优点：无需对硬件控制有太多了解，只需完成应用层面的工作就可以，而且还保证操作系统的完整与安全。缺点：需要了解大量的API和功能调用函数的功能。由于是间接调用，所以代码的效率和编译系统有很大的关系。18高级语言源程序编译汇编语言源程序汇编二进制机器作业指令操作系统调度或BOOT引导二进制机器指令流CPU取指、译码、控制单元电路上的电信号直接控制CPU各部件运作通过接口电路控制外设运作1.2微机系统的工作原理与工作过程

1.2.1从程序到电子信号19部分X86指令与控制信号的关系指

令产生的信号常用名含

义INAL,21HIORC#IOR#读I/O端口OUT21H,ALIOWC#IOW#写I/O端口MOVAX,[21H]MRDC#MEMR#读内存MOV[21H],AXMWTC#MEMW#写内存在早期的8088处理器中有：表示存储器操作与I/O操作的IO/M#信号表示读信号有效的RD#表示写信号有效的WR#IOR#，IOW#，MEMR#和MEMW#是由上述三个信号组合而来201.2.2微机的工作过程微机的工作过程就是逐条执行进入到内存中的二进制机器指令流的过程。而一条指令的执行过程可以简单地分为两个操作阶段：取指阶段，CPU从内存中读取指令，程序计数器保存要被取出的下一条指令的地址，除非遇到跳转指令等情况，否则，PC一般都是在每次取指后加上一个增量（当前指令的字节数）；执行阶段，对取出的指令先译码，解释指令的功能，然后执行译码好的指令，这期间可能会读写存储器或端口来获取操作数或者存放结果。程序的执行过程就是周期性和重复性地进行取指令和执行指令两个操作。21每两个相邻的时钟脉冲上升（下降）沿之间的时间间隔称为T状态，也称为时钟周期（ClockCycle）

TCPU与存储器或输入/输出端口进行一次数据传输所花费的时间称为一个总线周期（BusCycle）

对于8088CPU,它的总线周期是其与存储器或输入/输出端口存取一个字节所花费的时间。执行一条指令所需要的时间称为指令周期（InstructionCycle）1.2.3微机系统工作时序22指令周期总线周期……(总线周期)时钟周期时钟周期时钟周期时钟周期…………单周期指令CPU的指令周期只包含一个时钟周期分别说出8088中INCAX和INCBYTEPTR[DI]两条指令在执行阶段的总线周期数238088的典型总线周期24PentiumPro基本时序25掌握时序的重要性：当CPU与存储器以及I/O端口连接时，要考虑如何正确地实现时序上的配合当微机应用于实时控制时，必须估计或计算CPU

完成操作所需要的时间，以便与控制过程配合了解时序有利于我们深入地了解指令的执行过程了解时序有利于我们利用汇编编写核心代码的时候，选用适当的指令，以尽量缩短指令的存储空间和指令的执行时间26返回1.3现代微机系统组成结构1.3.1现代微机的基本结构当前微机主要有x86系列和APPLE的Power系列，无论哪个系列，从基本配置的角度，微机由主板和各类I/O接口卡组成。主板上主要有CPU、存储器、系统芯片和I/O接口插槽，这些部件均采用总线相连接。27x86前x86架构4位处理器

4004、40408位处理器

8008、8080、8085IA-16

8086、8088、80286IA-32Pentium前

80386、80486Pentium早期架构

Pentium、PentiumMMXP6架构

PentiumPro、PentiumII、PentiumIII、PentiumII/IIIXeon/CeleronNetBurst架构

Pentium4、PentiumD、PentiumExtremeEdition、Xeon1.3.2Intel微处理器家族发展概述

CoreCoreDuo、Core2Duo、Core2QuadCore2ExtremeCore架构PentiumDual-CoreNehalemCorei7、Corei5281.3.3IntelG965高速芯片组简介291.82G965(G)MCH芯片具有36位系统总线，533/800/1066MT/s传送速率的FSB集成了一个系统存储器DDR2控制器，支持单通道或双通道DDR2内存集成图形控制器集成了一个16通道（×16）的PCIExpress端口来连接PCIExpress图形卡。提供对改进的扫描模拟监视器和两个SDVO（SerialDigitalVideoOut，串行数字视频输出）端口的接口，拥有驱动高级数字显示卡或媒体扩展卡的能力。具有APIC缓冲管理支持ICH8芯片的桥电路302.ICH8芯片概述支持PCI2.3规范集成了千兆以太网（GigabitEthernet）控制器集成了SATA控制器，数据传输率达到3.0Gb/s(300MB/s)。集成了USB控制器，符合USB1.1/USB2.0规范集成了Intel®

高清晰音频控制器集成了中断控制器（含两个级联的82C59）基于82C54的时钟拥有256字节电池供电的CMOSSRAM，