微机接口微机接口第1章

计算机接口技术太原理工大学物理与光电工程学院

邓霄2015.3.22对计算机,微型计算机了解多少?1.运算速度——每秒运算多少次？主频？2.内存多大？3.存储容量？1.CPU字长——多少位？2.接口——种类、多少？进一步：本课程将深入学习，知其然，知其所以然3对微处理器，微型计算机的应用又了解多少？1.科学计算2.信息处理、事务管理3.娱乐1.生产过程控制2.民用产品：如家用电器，汽车等3.仪器仪表检测进一步：4仪器仪表检测——电阻式冰厚检测系统安装在黑龙江漠河河道现场的冰雪情自动检测系统5仪器仪表检测——电阻式冰厚检测系统检测原理6

电阻式冰厚检测装置——传感器实物R-T（等效电阻-温度梯度型）冰情检测传感器T（温度梯度型）冰情检测传感器7仪器仪表检测——电阻式冰厚检测仪表82005年1月20日

冰情实时采集数据E76°22′40〃S69°22′24〃冰水情传感器的现场检测应用2005年1-2月，在南极中山站进行了海冰厚度观测试验9冰水情传感器的现场检测应用21:26,Feb.25.2009汾河（中国，山西，娄烦县）河道试验现场

E111°78′，N38°07′2008.12-2009.2汾河冰情现场观测试验10CompanyLogo2009.12-2014.3在中国内蒙包头黄河河道现场开展试验

2010.1.23-04:412010.1.23-13:112010.1.23-16:11T(℃)T(℃)T(℃)空气冰水水水冰冰空气空气h（cm）h（cm）h（cm）E108°7′N40°55′

112012-2014在中国黄河万家寨水利枢纽库区开展试验2012.12.23-09:00万家寨水库试验现场

E111°4′，N39°5′122012.10-2013.6在内蒙额尔古纳河河道开展试验内蒙古额尔古纳河齐乾河道试验现场

E120°7′，N52°7′132011.11-12在四川巴塘金沙江上游河道开展试验四川巴塘金沙江上游河道试验现场

E99°1′，N30°0′2012.12.20，,00:292012.12.20，,00:29142013.12-2014.4在黑龙江漠河河道开展试验黑龙江漠河河道试验现场

E121°07′，N53°33′152013.12与大兴安岭水文局、中南水电设计院合作-在黑龙江漠河水文站建设成功“冰凌监测站”16172.本课程的教学目的与要求掌握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、接口技术及其应用编程方法。掌握微机技术发展趋势，提高分析和设计接口的能力。3.先修课程：数字模拟电路、汇编语言、微机组成原理、单片机原理及应用等本课程的介绍1.本课程的地位是应用物理学专业的一门核心课程，是突出计算机应用的一门课程。184.本课程的主要学习方法a.以IBMPC/XT机为主线，分析其基本结构；进一步扩展延伸：CPU：8086——Pentium总线：PCI、AGP、USB、1394等芯片组：8253、8255、8259、8237等接口芯片过程通道技术目前主流人机接口设备b.学会分析与设计接口电路的基本方法分析接口两侧的情况如何进行信号转换合理选择接口芯片接口驱动程序的分析19第一章

微型计算机基础与系统总线201.1微型计算机的基本结构

从20世纪70年代起，微型计算机开始了它的发展历程，80年代IBMPC机的问世是一个重要的里程碑。时至今日，典型的Intel公司的微处理器从8088/8086发展到80286、386、486和酷睿(Core),整个微机系统的硬件与软件和当初相比已是面目全非，但是在讨论微型计算机接口的时候，仍然能隐约看到最初的IBMPC机的影子。

211.1.1微型计算机的硬件冯.诺依曼体系结构

221.1.1微型计算机的硬件微机的硬件结构

23FE000H~FFFFFHPC/XT机的基本结构1.1.1微型计算机的硬件—微机硬件结构的发展24386/486机的基本结构1.1.1微型计算机的硬件—微机硬件结构的发展25南北桥架构的Pentium2基本结构1.1.1微型计算机的硬件—微机硬件结构的发展26中心架构的Pentium3微机的基本结构1.1.1微型计算机的硬件—微机硬件结构的发展27IntelCore(酷睿)

架构1.1.1微型计算机的硬件—微机硬件结构的发展281.1.1微型计算机的硬件—微机硬件结构的发展291.1.1微型计算机的硬件—微机硬件结构的发展301.机器的字长:计算机内部ALU

(算术逻辑单元,arithmeticandlogicunit)

能够一次同时处理的二进制的位数。

2.主频

:CPU的主频＝外频×倍频系数4.内存容量:计算机可存储信息的多少,通常以字节为单位5.运算速度:每秒能执行的指令条数6.扩展能力:计算机系统配置各种外设的可能性与适应性3.FSB:是将CPU连接到北桥芯片的总线，也是CPU和外界交换数据的主要通道

1.1.1微型计算机的硬件—微机的主要技术指标311.1.2微型计算机的软件系统软件：包括操作系统、汇编程序、编译程序、调试程序、监控诊断程序、设备驱动程序等，它是硬件和应用软件之间的接口。应用软件：则包括字处理程序、图表处理程序、数据库管理程序、用户应用程序等。321.2微型计算机的运行1.2.0基本概念

寄存器：一种双稳态触发器(8个或16个)，能够同时被读出或写入

位：16位—字；8位—字节8088/8086的寄存器有8位和16位两种，如AX，AH，AL331.2.1计算机中的数制

二进制B

权为2

十进制

D权为10

八进制

O权为8十六进制

H权为16将十六进制3C7F转换成八进制数将二进制数10101010转换成十六进制数将二进制数10101转换成八进制数将十六进制数37CA6转换成二进制将八进制数376转换成二进制数1.2微型计算机的运行36177AA2511011111001010011011111110341.2.1计算机中的数制原码：正数的符号位为0，负数的符号位为1，其它位按照一般的方法来表示数的绝对值。用这样的表示方法得到的就是数的原码。反码：对于一个带符号的数来说，正数的反码与其原码相同，负数的反码为其原码除符号位以外的各位按位取反。补码：正数的补码与其原码相同，负数的补码为其反码在最低位加1在计算机系统中，数值一律用补码来表示(存储)

1.2微型计算机的运行351.2.2计算机中的编码

ASCII码:它原来是美国的国家标准，1967年被定为国际标准。ASCII码由8位二进制数组成，其中最高位为校验位，用于传输过程检验数据正确性。其余7位二进制数表示一个字符，共有128种组合

BCD码(二—十进制码)：用4位二进制数来表示1位十进制数中的0~9这10个数码，简称BCD码

Unicode码：是一种在计算机上使用的字符编码。它为每种语言中

的每个字符设定了统一并且唯一的二进制编码，以满足

跨语言、跨平台进行文本转换、处理的要求。1.2微型计算机的运行Win8下Eudcedit命令36

1.2.3微型计算机的工作过程取指过程示意图

1.2微型计算机的运行371.38088/8086CPU的技术特点

8088/8086是Intel公司于20世纪70年代末推出的16位微处理器（8088为准16位），从那时起，先进的技术和工艺使微处理器的性能有了很大的提高，微计算机的发展速度是惊人的。

如今8088/8086CPU早已不再使用，但是它们的一些特点及其背后的设计思想仍然值得我们学习和借鉴。38芯片引脚图AD7～AD0地址/数据分时复用引脚A15～A8中间8位地址引脚A19/S6～A16/S3地址/状态分时复用引脚ALE地址锁存允许IO/M*I/O或存储器访问WR*写控制；RD*读控制READY存储器或I/O口就绪DEN*数据允许；DT/R*数据发送/接收SS0*最小模式下的状态输出信号INTR可屏蔽中断请求；INTA*可屏蔽中断响应NMI不可屏蔽中断请求HOLD总线保持；HLDA总线保持响应RESET复位请求；CLK时钟输入Vcc电源；GND接地；TEST*测试

MN/MX*最小/最大工作模式1.38088/8086CPU的技术特点

39最小工作模式构成小规模的应用系统8088本身提供所有的系统总线信号最大工作模式构成较大规模的应用系统，例如可以接入数值协处理器80878088和总线控制器8288共同形成系统总线信号IBMPC/XT采用最大组态本书以最小组态展开基本原理1.38088/8086CPU的技术特点

40指令流水线

取指令—取操作数—执行指令—存结果地址段寄存器

段寄存器+偏移地址64KB—1MB多处理器工作模式

最小模式、最大模式对外围设备的控制1.38088/8086CPU的技术特点

411.4新型CPU简介(发展概述)

第一代微处理器Intel4004、Intel4040——4位处理器；Intel8008——低档8位处理器；第二代微处理器Intel8080、MC6800、6501、6502——8位处理器；Intel8085、Z80、MC6809——高档8位处理器；指令比较完善，有了中断与DMA；汇编、BASIC、FORTRAN；后期配备CP/M操作系统42第三代微处理器Intel8086、Z8000、MC68000——16位处理器；

IBMPC、IBMPC/XTIntel80286、MC68010——高档16位处理器；IBMPC/AT第四代微处理器Intel80386——32位处理器；-实地址模式、虚地址保护模式、虚拟8086模式Intel80486——32位处理器；

-部分采用RISC(ReducedInstructionSetComputing，精简指令集计算机

)技术、突发总线技术1.4新型CPU简介(发展概述)

43第五代微处理器Pentium——32位处理器；-5级超标量结构、分支预测技术-64条数据线，32条地址线PentiumMMX（多能奔腾）——32位

-增加了57条MMX指令

-采用了SIMD技术1.4新型CPU简介(发展概述)

44第六代微处理器PentiumPro（高能奔腾）——32位处理器；-64条数据线，36条地址线-实现了动态执行技术Pentium2（奔腾2）——32位

-PentiumPro+MMX

-双独立总线结构Pentium3（奔腾3）——32位

-增加了70条SSE指令

-首次内置了序列号1.4新型CPU简介(发展概述)

45第六代之后的微处理器Pentium4——32位处理器；-超级管道技术-增加了144条SSE2指令

-简单ALU运行在2倍的处理器核心频率Itanium——64位处理器（IA-32CPU

IntelArchitecture，Intel架构

）

-采用EPIC（并行指令）技术、RISC技术和CISC（ComplexInstructionSetComputer

复杂指令集）技术

-具有显示并行功能

-具有断定执行功能-具有数据预装功能

-采用三级高速缓存1.4新型CPU简介(发展概述)

461.5系统总线1.5.1总线概述

总线：是在模块与模块之间或设备与设备之间的一组进行互联和传输信息的信号线，信息包括指令、数据和地址。(一种公共的信号线)

互联结构从分散结构发展到总线结构

总线标准：通过总线进行连接和传输信息时，应遵守的一些协议与规范

471.5.1总线概述—总线的功能与分类

总线功能或信号类型划分为：

数据总线：用来承载在源部件和目的部件之间传输的信息；地址总线：用来给出源数据或目的数据所在的主存单元或I/O端口的地址；控制总线：用来控制对数据线和地址线的访问和使用；传送定时信号和命令信息；

按总线层次结构划分为：

CPU总线、局部总线、系统总线(模块级)、通信总线(设备级)48

内部总线：芯片内部连接各元件的总线。在各个寄存器、ALU、指令部件等个元件之间连接的总线。系统总线：连接CPU、存储器和各种I/O模块等主要部件的总线。通信总线：用于主机和I/O设备之间或计算机系统之间的通信。

1.5.1总线概述—总线的功能与分类491.5.1总线概述—总线的主要性能参数

总线频率

总线宽度(8的倍数)

总线的传输速率(带宽)

总线的传输速率=（总线宽度/8位）×总线频率例：PCI总线频率为33.3MHz，总线宽度为64位的情况下，总线的传输速率=266MB/s501.5.1总线概述—总线标准的特性

物理特性(机械规范)：物理连接上的特性，包括：连线的类型、数量、接插件的几何尺寸和形状及引脚的排列等从连线的类型上看，分为电缆式、主板式和底板式从连线的数量上看，分为串行总线和并行总线51

电器特性：总线的电器特性是指总线的每一条信号线的信号传递方向、信号的有效电平范围CPU发出的信号为输出信号，送入CPU的信号为输入信号总线的电平表示方式有两种：单端方式和差分方式例如，串行总线接口标准中，可采用差分电平方式1.5.1总线概述—总线标准的特性52

信号功能特性：总线的功能特性是指总线中每根传输线的功能。如地址线、数据线、控制线。

时间特性(定时规范)

：总线的时间特性是指总线中任一根传输线在什么时间内有效，以及每根产生的信号之间的时序关系。1.5.1总线概述—总线标准的特性531.5.1总线概述—总线的数据传输方式

计算机总线中，在传输数量上分为串行传输和并行传输

1.串行传输串行总线的数据在数据线上按位进行传输，只需一根数据线，线路成本低，适合远距离的数据传输。串行总线连接慢速设备，如键盘、鼠标和终端设备等。54串行传输中的数据转换发送部件中并行数据到串行数据的转换，称为拆卸接收部件中串行数据转换成并行数据，称为装配

串行传输中的数据传输速率在信息传输通道中，携带数据信息的信号单元叫码元波特率:每秒传送数据的位数，有效的数据信息的传送每秒钟通过信道传输的信息量称为位传输速率（比特率）1.5.1总线概述—总线的数据传输方式55

2.并行传输并行总线的数据在数据线上同时有多位一起传送，每一位要有一根数据线。并行传输中的数据传输速率最大数据传输率，单位时间内在总线上传输的最大信息量(MB/s)

1.5.1总线概述—总线的数据传输方式561.5.2PC系统总线—ISA总线ISA（IndustrialStandardArchitecture）总线57ISA总线插槽示意图1.5.2PC系统总线—ISA总线58主要特点和性能指标I/O地址空间0100H~03FFH24位地址线可直接寻址的内存容量为16MB8/16位数据线62+36引脚最大位宽16位（bit）最高时钟频率8MHZ最大稳态传输率16MBps中断功能DMA通道功能开放式总线结构，允许多个CPU共享系统资源1.5.2PC系统总线—ISA总线59ISA总线插槽示意图ISA总线接口信号1.5.2PC系统总线—ISA总线60ISA扩展卡物理尺寸1.5.2PC系统总线—ISA总线61ISA总线扩展卡的地址和中断号分配1.5.2PC系统总线—ISA总线62ISA总线提供IRQ3~IRQ7、IRQ9~IRQ12、IRQ14、IRQ15作为中断请求输入线DRQ0~DRQ3和DRQ5~DRQ7作为自外部设备的DMA请求输入线DACK0~DACK3和DACK5~DACK7为DMA应答信号。中断号、DMA通道号和端口地址要能够给用户多种选择1.5.2PC系统总线—ISA总线63EISA(ExtendedIndustrialStandardArchitecture)总线支持32位地址，具有32位地址总线，总线频率8.33MHz最大数据传输速率33.3MHz（8.33×32位/8）结构与ISA兼容，插槽等长等宽，内部设计成双层（198）引脚1.5.2PC系统总线—EISA总线64PCI(PeripheralComponentInterconnect,外围器件互连)局部总线

PCI局部总线：是一种高性能、32位或64位地址数据线复用的总线。它的用途是在高度集成的外设控制器器件、扩展板和处理器/存储器系统之间提供一种内部连接机制。1.5.2PC系统总线—PCI总线65PCI系统框图

1.5.2PC系统总线—PCI总线66PCI插槽1.5.2PC系统总线—PCI总线67PCI插卡5v32位PCI卡尺寸1.5.2PC系统总线—PCI总线68PCI总线的特点独立于存储器传输速率高多总线共存支持突发传输支持总线主控方式采用同步操作支持两种电压下的扩展卡具有即插即用功能合理的管脚安排预留扩展空间1.5.2PC系统总线—PCI总线69USB总线，是由Conpaq、DEC、IBM、Intel、Microsoft等公司为简化PC与外设之间的互连而共同研发的一种免费的标准化连接器。1.5.2PC系统总线—USB通用串行总线70USB的主要特点即插即用，可热插拔，具有自动配置功能；多个USB集线器可相互传送数据,可连接127个外设；传输波特率为1.5Mb/s~12Mb/s；（USB2.060Mb/s，USB3.0达到625MB/s）USB总线结构简单，采用四线电缆，更换介质后连接距离达数十米1.5.2PC系统总线—USB通用串行总线71Usb3.0与Usb2.0接口比较1.5.2PC系统总线—USB通用串行总线72USB的拓扑结构1.5.2PC系统总线—USB通用串行总线73USB的应用—USB连接器可轻松的为计算机添加设备，同时不占用计算机的串口和并口如何使计算机支持USB没有USB端口，只有USB连接器；察看BIOS，确定是否支持USB，可选择USBLegacy支持选项若老式主板不支持USB设备，买一块USB连接卡就可以把USB添加到计算机中1.5.2PC系统总线—USB通用串行总线74USB的应用让WINDOWS系统支持USB进入“控制面板”—”系统”—”设备管理器”选项卡，察看计算机中是否安装了USB控制器在WINDOWS安装盘的\other\usb文件夹中，双击USBSUPP.EXE即可安装驱动程序让计算机连接更多的USB设备将集线器插入计算机，有了足够的USB端口，最多可连入127个USB设备1.5.2PC系统总线—USB通用串行总线75IEEE1394接口是苹果公司开发的串行标准，中文译名为火线接口（firewire）。同USB一样，IEEE1394也支持外设热插拔，可为外设提供电源，省去了外设自带的电源，能连接多个不同设备，支持同步数据传输。1.5.2PC系统总线—IEEE139476IEEE1394主要性能特点速度快：最高传输速率为400Mbps、3.2Gbps；支持好：支持大量带宽的设备；自供电：向被连接的设备提供4~10V/1.5A的电源；热插拔：支持带电插拔设备；不驱动：对等结构：不需要设置专门的服务器；连接多：电缆环境下，可同时连接63个不同设备；用网桥可达到无限连接；应用少：目前支持1394的设备不算多占用高：需要占用大量的资源，需要高速CPU

1.5.2PC系统总线—IEEE1394771.5.2PC系统总线—IEEE13