微型计算机接口技术CAI-CHAP01章

第1章概述本章知识要点计算机系统的硬件逻辑结构和软件组成微处理器的基本功能和结构微型计算机系统微型计算机系统的性能评价微型计算机的分类及发展微型计算机接口结构、端口编址等基本概念1.1计算机系统的组成

计算机系统通常由硬件系统和软件系统两大部分组成。硬件系统一般是指用电子器件和机电装置组成的计算机实体；软件是程序和程序运行所需要的数据及有关文档资料。

1.1.1计算机硬件的基本结构

冯·诺依曼结构特点：由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大基本部件组成计算机的硬件部分。采用二进制编码形式表示数据和指令。将程序事先存入主存储器中，使计算机在工作时能够自动高速地从存储器中取出指令加以执行。

1.存储器(Memory)

负责存储程序和数据等信息的部件。

位(bit)：

把1个脉冲单元称之为位，它是存储信息的最小单位。

字节(Byte)

：将8个二进制位编为一组叫做1个字节，它是数据处理的基本单位。

字(Word)：1个字由1个或若干个字节组成，在计算机中常用1个字来表示数据和信息的长度，并把组成1个字的位数称为字长。

存储容量：存储器的容量是以字节Byte为基本单位的，分别以B、KB、MB、GB表示。

1Byte=8bit(1字节)1KB=210B=1024B≈103B(千字节)1MB=210KB=1024KB≈106B(兆字节)1GB=210MB=1024MB≈109B(千兆字节)

地址为了便于对存放在计算机内的数据进行有效的管理和存取，通常以字节为单位对内存单元进行编号，给每一个存储单元一个地址。

访问计算机在运行过程中应该能够按照给定地址将数据、指令写入相应的存储单元，或自相应单元中取出，这样对存储器的每一次读/写操作，称作一次访问。2.

运算器(ALU—ArithmeticLogicUnit)

即算术逻辑单元，是执行算术运算和逻辑运算的部件。3.控制器(Controlunit)

是整个计算机的指挥控制中心，它负责对程序的指令进行分析，然后根据分析结果发出有一定规律的时序信号，控制并协调输入设备、输出设备、运算器和存储器等功能部件进行动操作。4.输入设备(InputDevice)

是计算机执行部件接受外界信息的中间媒介，它的任务是输入操作者提供的原始信息，并将它转换成为机器所能识别的信息，最常用的输入设备是键盘。5.输出设备(OutputDevice)

其任务是将计算机的处理结果以能为用户所接受的形式输出，常见的输出设备有监视器、打印机、绘图仪等。1.1.2计算机软件系统

1.

程序设计语言

机器语言汇编语言

高级语言

2.

系统软件

操作系统语言处理程序汇编程序 编译程序解释程序数据库管理程序

3.

应用软件

1.2微型计算机系统

1.2.1

微处理器

微处理器（Microprocessor）是指微型计算机中的CPU，是微型计算机的核心，基本功能如下：可以进行算术运算和逻辑运算；

可以保存少量数据；

能对指令进行译码并执行规定的动作；

能和存储器、I/O设备交换数据

提供微型计算机所需要的地址和控制信号；

可响应来自其他部件的中断请求以及对其他输入控制的处理。1.2.2微型计算机

1.微型计算机的典型结构

微型计算机以微处理器（即CPU）为核心，通过系统总线连接内存储器和I/O接口电路而构成。

总线(Bus)地址总线AB（AddressBus）、数据总线DB（DataBus）、控制总线CB（ControlBus）2.

微型计算机的特点功能强

可靠性高

价格低

适应性强

周期短，见效快

体积小，重量轻，耗电省

维护方便

1.2.3

微型计算机系统（MicrocomputerSystem）微型计算机系统是指由微型计算机配以相应的I/O设备及其专用电路、电源、机架以及软件系统所构成的系统。

I/O设备用来实现数据的输入/输出，包括CRT显示器、键盘、磁盘及磁盘驱动器和打印机等。软件系统包括操作系统和一系列系统应用程序，有了软件系统，才能发挥微型计算机系统中的硬件功能，并为用户使用计算机提供了方便。1.3微机系统的性能评价

1.3.1

微处理器的性能

字长

运算速度

1.3.2

存储器的性能

存储容量

存取速度

1.3.3I/O设备的性能

速度

分辨率

颜色深度

1.3.4其他性能

通用性

稳定性

可靠性可维护性

软件性能

价格

1.4微型机算计的分类与发展

1.4.1

微型计算机的分类按字长划分按规模划分按应用划分

1.4.2

微型计算机的发展

微处理器的发展

微型计算机的发展

单片机的发展

1.5微型计算机接口的基本概念

接口是一组电路，是中央处理器与存储器、输入输出设备等I/O设备之间协调动作的控制电路。从更一般的意义上说，接口是在两个电路或设备之间，使两者动作条件相配合的连接电路。1.5.1

接口的功能

数据缓冲及转换功能

设备选择和寻址功能

联络功能

接收、解释并执行CPU命令的功能

中断管理功能可编程功能错误检测功能1.5.2接口的逻辑结构

工作寄存器命令寄存器状态寄存器数据缓冲寄存器端口地址译码电路

供选电路

1.5.3

I/O端口的编址方式

1.I/O端口独立编址

分配给系统内所有端口地址是完全独立的，与存储器的地址空间无任何关系，主机使用专门的输入输出指令对端口进行操作。优点：I/O设备不占用存储器的地址空间。由于使用专门的I/O指令，所以程序清晰易读；又因为I/O口的地址空间独立,且一般小于存储空间，所以其控制和地址译码电路相对简单。缺点：访问端口的手段（寻址方法）没有访问存储器的手段多。

存储器地址空间I/O端口地址空间0000H0000H0001H0001H0002H0002H┇

┇

FFFEHFFFEHFFFFHFFFFH2.I/O端口与存储器统一编址把I/O端口作为存储空间的一个地址单元来对待，即每个端口占用1个存储单元的地址。

优点：不需要专门的I/O指令，端口寻址手段丰富，其数据操作与存储器一样灵活，有利于I/O程序的设计。缺点：I/O端口要占去一部分地址空间，且在它的程序中不易区分指令是访问存储器还是访问I/O设备，所以程序不易阅读。

1.5.4CPU与I/O设备间交换的信息

数据信号数字量

模拟量

开关量

状态信息反映了I/O设备当前所处的工作状态，是I/O设备通过接口往CPU传送的信息。

控制信息

控制信息是CPU通过接口传递给I/O设备的，CPU通过发送控制信息控制I/O设备的工作。

1.6

CPU与I/O设备的数据传送方式

1.6.1

程序传送方式

1.

无查询传送方式如果程序员能够确定一个I/O设备已经准备就绪，就不必查询I/O设备的状态而进行信息传输。2.查询传送方式

CPU通过执行查询程序不断地读取并测试I/O设备的状态，如果I/O设备处于准备好状态（输入设备）或空闲状态（输出设备），则CPU执行输入或输出指令与I/O设备交换信息。

1.6.2中断方式

由I/O设备提出传送请求，CPU响应后调用中断服务程序来完成数据的传送。

1.6.3DMA方式

I/O设备向DMA控制器提出传送请求，DMA控制器向CPU申请总线，然后DMA控制器利用系统总线来完成和I/O设备的数据传送。

1.6.4I/O处理机方式

I/O处理机有自己的指令系统，能独立地执行程序，能对I/O设备进行控制、对输入/输出过程进行管理，并能完成字与字之间的装配与拆卸、码制的转换、数据块的错误检测和纠错，以及格式变换等操作。同时，I/O处理机还可以向CPU报告I/O设备和I/O设备控制器的状态，对程序进行分析，并对输入/输出系统出现的各种情况进行处理。本章小结

接口电路的实质是完成CPU与I/