接口与通信 第1章 概述.ppt

1、计算机图形学概述,第一章 概 述,1.1 微型计算机系统的基本结构体系 1.2 接口与通信的基本概念 1.3 IBM PC系列机系统,观看动画,计算机图形学概述,目录,1.1微型计算机系统的基本结构体系 （1）微型计算机系统的基本结构 （2）微型计算机的结构体系 1.2接口与通信的基本概念 （1）接口（Interface） （2）通信（Communication） 1.3IBM PC系列机系统 （1）IBM PC系列微机硬件系统 （2）主板（或称系统板） 1.4习题与思考题,计算机图形学概述,（引子）处理器的发展过程,4位微处理器（Intel 4004、Intel 4040） 8位微处理器（I

2、ntel 80808085、Motorola 6800、Zilog Z80、MT6500） 16位微处理器（Intel 8086/8088、Intel 80186、Intel 80286、Motorola 68000、Zilog Z8000） 32位微处理器（Intel 80386、Intel 80486、Motorola 68020、Zilog Z80000） 基于IA-32的32位微处理器系列 （Pentium、Pentium Pro、Pentium 、Pentium 、Pentium 、Pentium D、Pentium E、） 基于IA-64的64位微处理器系列 （Itanium安腾）

3、,计算机图形学概述,第一节 微型计算机系统的基本结构体系,基本概念 （1）微处理器 （2）微型计算机主机（简称：微型计算机） （3）微型计算机系统,计算机图形学概述,第一节 微型计算机系统的基本结构体系,基本概念 （1）微处理器 它通常指的是一个能独立工作的中央处理器CPU（Central Processing Unit）。它包括运算器ALU（Arithmetic Logic Unit）、控制器CU（Control Unit）和一组寄存器堆。为了与大、中、小型机的中央处理器（CPU）区分，微处理器通常简称为MP（Microprocessor）或MPU（Microprocessing Unit）

4、。微处理器通常集成封装在一块芯片中，这块芯片称为微处理器芯片。微处理器是微型计算机的中央处理器。,计算机图形学概述,第一节 微型计算机系统的基本结构体系,基本概念 （2）微型计算机主机（简称：微型计算机） 用总线将微处理器、内存储器、输入输出接口连接起来，再配以电源、地、时钟等，就构成了微型计算机主机，简称为MC（Microcomputer：微型计算机）。 （3）微型计算机系统 微型计算机主机再配上相应的软件、输入输出设备，就构成了微型计算机系统，简称为MCS（Microcomputer System）。所以通常所说的一套微型计算机应当是指一套微型计算机系统。,计算机图形学概述,微处理器、微型

5、计算机、微型计算机系统之间的关系,图1-1 微处理器、微型计算机（主机）、微型计算机系统之间的关系,计算机图形学概述,一、微型计算机系统的基本结构,（一）微型计算机系统的基本结构 1-1.典型微型计算机系统的结构,图1-2 典型微型计算机系统的结构,计算机图形学概述,1-1.典型微型计算机系统的结构,由图1-2可以看出，微处理器在这个结构中处于核心的支配地位，它通过三总线（数据总线DB（Data Bus）、地址总线AB（Address Bus）、控制总线CB（Control Bus）与程序存储器（ROM：Read Only Memory）、数据存储器（RAM：Random Access Mem

6、ory）、IO（Input/Output）接口交换数据，总线起着信息通道的作用。程序存储器ROM中存放着系统软件的底层部分，也是核心部分。,计算机图形学概述,1-1.典型微型计算机系统的结构,根据上面的结构或者以它为基础做些改进、扩展，我们很容易组成单片微型计算机、单板微型计算机、组装式的通用微型计算机系统。 （1）单片微型计算机。 就是把图1-2中的各功能模块，即微处理器、ROM、RAM、IO接口、总线、时钟电路集成封装在一块芯片中，故称单片微型计算机。 （2）单板微型计算机。 就是把图1-2中的各功能模块，即微处理器、ROM、RAM、IO接口、总线、时钟电路制作在一块印刷电路板上，故称单板

7、微型计算机。 （3）组装式的通用微型计算机系统。 以单板微型计算机和单片微型机为中心，配上IO设备和IO驱动器及各种控制面板和电源等硬件，再加上计算机工作的软件，构成组装式的通用微型计算机系统。至于配备哪些功能的模块配件，用户可根据自己需要自由确定。由于各生产厂家提供品种丰富的OEM产品，使这种组装灵活多样。,计算机图形学概述,微处理器的结构,（二）微处理器的结构 16位微处理器Intel 8086,计算机图形学概述,微处理器的结构,由图1-3可以看出，Intel 8086由两个独立的功能部件组成：执行部件EU（Execution Unit）和总线接口部件BIU（Bus Interface U

8、nit）。 执行部件EU由ALU、通用寄存器堆和程序状态字PSW（标志寄存器）组成，它完成指令的执行，并向BIU提供数据和地址。 总线接口部件BIU负责从内存中取出指令，送到指令流队列中排队。执行指令时，BIU负责从内存中取操作数并将操作结果送回内存中。当EU正在执行指令而不访问存储器时，BIU就利用这段总线空闲时间取出程序中的下一条指令，放到指令流队列中排队。这样，EU和BIU相互,计算机图形学概述,微处理器的结构,并行的工作，EU执行指令，BIU取指令、取或存内存操作数，EU执行完一条指令后就可以立即执行下一条指令，EU和BIU两者并行工作，减少了CPU为取指令而等待的时间，从而提高了整个

9、系统的工作速度。 同8位微处理器不同的是，8086内的运算器、寄存器、数据总线不是8位而是16位，其外部的数据总线也是16位。这样，数据的操作是按16位为单位进行的，这就使数据的运算速度、传输速度获得了很大的提高。同时，为了照顾人们过去多年使用微型机的习惯和做到与8位微处理器兼容，8086又可同8位微处理器一样进行8位数据操作，四个数据寄存器AX、BX、CX和DX都可分成两个8位寄存器：AH和AL,计算机图形学概述,微处理器的结构,、BH和BL、CH和CL、DH和DL单独进行8位操作，相应的对存储器和IO接口既可以进行8位又可进行16位数据传输。 另外，8086内部增加了四个16位的段寄存器C

10、S、DS、ES和SS。这样，一个16位的段寄存器与指令中寻址方式决定的16位偏移量相加，可以得到20位地址，即： （段寄存器）16十偏移量=20位物理地址 从而使8086的存储器寻址能力达到1MB。,计算机图形学概述,微处理器的结构,从图1-4可以看出，16位微处理器Intel8086具有16位数据总线D0D15，可以与外界进行16位数据交换；地址线则为20位A0A19，故可以寻址的内存空间最大为1MB，其中低16位地址线A0A15与数据线D0D15相覆盖，两者分时在这16根引脚上传输地址和数据。,计算机图形学概述,二、微型计算机的结构体系,总线功能 总线就是微型计算机中模块到模块之间传输信息

11、的通道，是各种公共信息线的集合。具体地说，形成总线的信号线可以分成以下三组，亦即总线的功能就是传送以下三组信息。 （1）地址（存储器地址、端口地址）线、数据线、命令线（如Read、Write、Status等）。这组信息是在总线上传输的基本信息。 （2）数据握手信号线（Data Handshake Lines）。这组信号线用来控制模块间的数据传输，即控制数据传输的开始和结束，如RS232C的RTS、CTS等。 （3）总线控制线。这组信号线起着总线仲裁作用，即接收各模块占用总线的请求（如一些模块的总线申请和认可信号BUSREQ、BUSACK等），并作出回答，决定并告诉此时总线由谁占用。,计算机图形

12、学概述,微型计算机的结构体系,定义 片内总线是微处理器的内总线，在微处理器内用来连接ALU、CU和寄存器堆等逻辑功能单元。 片间总线是微处理器、存储器芯片、IO接口芯片等之间的连接总线。 内总线是微型机系统内连接各插件板的总线。 外总线用于微型计算机系统之间或者微型计算机与外部设备的通信。,计算机图形学概述,微型计算机的结构体系,总线分类 片内总线 片间总线,单总线结构 双总线结构 三总线结构 数据总线 地址总线 控制总线,计算机图形学概述,微型计算机的结构体系,内总线,片间总线 电源线 地线 备用线,外总线 外总线技术已经很成熟，各种应用要求皆有标准可遵循。如，并行总线有IEEE488总线标

13、准等；串行总线有RS232C、RS422、RS423、RS-488等。大家只有遵循统一的标准才能实现正确的通信。,计算机图形学概述,微型计算机的结构体系,图1-5 四类总线之间的关系,四类总线之间的关系,计算机图形学概述,第二节 接口与通信的基本概念,一、接口（Interface） 接口就是两个模块（部件、系统等）之间的连接点（或边界）。 模块间的连接点（或边界）是由一些硬件物理电路和软件联合来实现的。这些硬件物理电路就是接口电路。,计算机图形学概述,接口,接口电路的功能： （1）数据缓冲。用来缓冲数据总线和被连接模块之间的数据传输。这可增加总线驱动能力和解决被连接模块之间由于收、发速度上的差

14、异所带来的传输数据丢失等问题。 （2）寻址。用来寻找存储单元或IO设备。 （3）命令译码。用来解释和产生各种操作命令。 （4）同步控制。用来协调被连接部件动作时间上的差异。,计算机图形学概述,接口,（5）总线仲裁。受理占用总线请求，决定总线使用者。 （6）中断功能。某些接口具有中断功能。对于这些接口应具有发送中断请求信号和接收中断响应信号的功能，以及向CPU提供中断类型码和优先级管理的功能。 （7）数据转换功能。常见的是串行数据转换成并行数据或并行数据转换成串行数据。 （8）信号电平转换。不同电气标准的信号转换，如RS232C与TTL之间的电平转换。 （9）信号驱动与隔离。,计算机图形学概述,

15、二、通信（Communication） 概括地说通信就是两个模块（部件、系统等）之间的信息交换。 接口电路是两个模块间硬件电路上的连接，通信则是它们之间的逻辑上的连接，即数据传输。接口为通信的实现提供手段和可能，通信是接口的目的。不进行通信，接口就失去了价值和意义。,计算机图形学概述,第三节 IBM PC系列机系统,IBM PC机 IBM PC/XT机,8088CPU,一.IBM PC系列微机硬件系统,计算机图形学概述,IBM PC系列微机硬件系统,Pentium机,计算机图形学概述,主板（或称系统板 ),IBM PC系列微机的整个电路由主板和插在该板总线槽上的一些电路插板（称为XX卡，或称为

16、XX适配器，如显示卡，显示适配器）组成。 主板是一块多层印刷电路板（PCB：Printed Circuit Borad），其中一层上是连接板上各元器件的电源线，一层上是连接板上各元器件的地线，其它各层上是连接板上各元器件的信号线。,计算机图形学概述,主板（或称系统板 ),图.1-7 IBM PC/XT机的主板的模块构成图,IBM PC/XT机的主板的模块构成图,计算机图形学概述,主板（或称系统板 ),IBM PC/XT机的主板主要由以下五部分组成 处理器子系统 内存储器 系统控制芯片 键盘和系统配置接口 I/O通道和I/O空间的分配,计算机图形学概述,主板（或称系统板 ),处理器子系统 处理器

17、子系统由CPU、数值运算协处理器（可选）以及其它一些外围芯片（如时钟发生器，总线控制器）组成，通过它形成的系统总线可访问总线上的其它设备。 内存储器 微机的内存储器由半导体的只读存储器ROM和随机存储器RAM构成。微机的内存储器由半导体的只读存储器ROM和随机存储器RAM构成。,计算机图形学概述,主板（或称系统板 ),其中ROM用来固化ROM-BIOS和ROM-BASIC。BIOS（Basic Input Output System）意为基本输入输出系统，除了提供系统自举的功能外，它还包括一批进行设备驱动和管理的子程序，为键盘、磁盘驱动器、显示器、时钟、打印口、串行口等系统的基本输入输出设备提

18、供底层软件。在PC机中，磁盘操作系统DOS（Disk Operating System）通过调用BIOS来使用各种硬件设备，用户也可以在应用程序中直接调用BIOS，因此。 BIOS是一个十分重要的软件资源。32KB的,计算机图形学概述,主板（或称系统板 ),ROM-BASIC解释程序用来支持BASIC高级语言BIOS是一个十分重要的软件资源。32KB的ROM-BASIC解释程序用来支持BASIC高级语言。 从程序运行的角度来看，在PC机中，只有少量的底层程序被固化在ROM芯片中，包括操作系统在内的其它高层程序都是在应用前才调入内存储器。这种做法为实现PC机的通用性（即运行不同的操作系统和应用程

19、序）提供了便利。正因为如此，PC机的内存储器主体是由RAM构成的，,计算机图形学概述,主板（或称系统板 ),到价格因素，实际上它是由集成度较高、而价格较低的动态存储器芯片（DRAM：Dynamic Random Access Memory）构成。 在IBM PC/XT中，8088 CPU提供20根地址线A0A19，可寻址1MB的存储空间，其物理地址范围为00000FFFFFH，其内存储器空间的分配我们通过动画来演示。,播放动画,计算机图形学概述,主板（或称系统板 ),在IBM PC/XT中，主板上一般装有64256KB的RAM，通过存储器扩展卡最多可RAM扩展到640KB。RAM内存储器采用单

20、片容量为64K*1的DRAM芯片2164构成，每9片为一组，其中8片构成8位数据，第9片用于保存奇偶校验位，以校验数据存取的正确性。每进行一次内存储器的读写操作一般需要4个时钟周期（约840ns）。对DRAM来说，由于数据保存在它的极间电容中，所以存留时间极短（DRAM芯片2164为2ms），这就要求系统不断进行刷新DRAM。,计算机图形学概述,主板（或称系统板 ),在IBM PC/XT中，8088 CPU提供20根地址线A0A19，可寻址1MB的存储空间，其物理地址范围为00000FFFFFH，其内存储器空间的分配如图1-8所示，分为以下4个区段： 系统RAM区 显示RAM区 扩展ROM区

21、基本ROM区,计算机图形学概述,主板（或称系统板 ),系统RAM区：共640KB（00000H9FFFFH），最低的1KB用来存储中断向量表，接着依次安排BIOS和DOS所使用的数据、操作系统的核心程序、可选用设备的驱动程序等。除去被系统占用的这部分空间外，其它部分均向用户程序开放。 显示RAM区：该区为系统的显示缓冲存储区，通过显示卡上的RAM芯片来实现，用来存放要在屏幕上显示的数据，简称显示缓存或显存，其总体容量为128KB（A0000HBFFFFH），具体用量与显示卡和显示方式有关 。,计算机图形学概述,主板（或称系统板 ),扩展ROM区：（C0000HDFFFFH）用来安排各种I/O卡

22、上的ROM，为相应外设提供底层驱动程序。 基本ROM区：（E0000HFFFFFH）主要存放系统的ROM-BIOS程序，负责系统上电检测、磁盘DOS的引导（Boot）等初始化操作，也用来驱动系统标准配置的各种输入/输出设备，还存放供输出设备使用的字符/图形点阵信息，以及ROM-BASIC解释程序，用来支持BASIC高级语言。,计算机图形学概述,主板（或称系统板 ),在IBM PC/AT机中，80286 CPU提供24根地址线A0A23，可寻址16MB的存储空间，整个图1-8描绘了它的构成。低端的1MB的存储空间称为常规内存，其空间分配与IBM PC/XT相同。高端的15MB的存储空间称为扩展内

23、存（Extended Memory）。扩展内存高端的128KB被分配为ROM区，此外均为RAM区，可以由用户使用。,计算机图形学概述,主板（或称系统板 ),在IBM PC/AT机中，80286 CPU提供24根地址线A0A23，可寻址16MB的存储空间，整个图1-8描绘了它的构成。低端的1MB的存储空间称为常规内存，其空间分配与IBM PC/XT相同。高端的15MB的存储空间称为扩展内存（Extended Memory）。扩展内存高端的128KB被分配为ROM区，此外均为RAM区，可以由用户使用。,计算机图形学概述,主板（或称系统板 ),系统控制芯片 在PC机中，通过可编程中断控制器8259A

24、、定时控制器8253/8254、DMA控制器8237A等芯片完成系统的中断控制、定时控制、DMA控制器等。 中断控制 中断是指CPU的正常工作因某种原因被打断，转去执行预先安排好的一段处理程序，待该处理程序结束后仍返回断点继续执行 。 中断分为内中断和外中断两类。内中断由CPU内部异常或执行特定指令而引起；外中断由外部信号触发CPU的特定引脚而引起，外中断又可分为不可屏蔽中断和可屏蔽中断。,计算机图形学概述,主板（或称系统板 ),(2) 定时控制 系统的定时控制在IBM PC/XT和IBM PC/AT机中分别由定时控制芯片8253和8254担任，这两个芯片的功能和应用基本相同，都为系统提供3个

25、16位的定时器。 定时器0：每55ms输出一个脉冲，通过8259A的IRQ0引脚来申请定时中断。 定时器1：每15s产生一个输出，用来请求对DRAM的刷新操作。 定时器2：为主机箱内的扬声器提供音频振源。,计算机图形学概述,主板（或称系统板 ),(3) DMA控制 直接存储器存取DMA（Direct Memory Access）是指 存储器和外设间不经CPU和指令，直接通过硬件实现的高 速数据传送，以便为硬盘驱动器这样的高速外设提供服 务。这种传送需要先由DMA控制器向CPU申请系统总线， CPU出让总线后，由DMA控制器控制总线在存储器和外设 间实现数据传送。,计算机图形学概述,主板（或称系

26、统板 ),IBM PC/XT机使用1片8237A作DMA控制器，提供4个DMA通道，每个通道可关联一个高速外设。 通道0：负责对DRAM进行刷新。 通道1：系统保留，用户可以利用，也可用于SDLC协议的同步通信卡。 通道2：用于在软盘和内存储器间进行高速数据传送。 通道3：用于在硬盘和内存储器间进行高速数据传送。 IBM PC/AT机使用2片8237A作DMA控制器，通过主片通道1级联从片，从而得到7个DMA通道。由于该机设计有专门的DRAM刷新控制电路，不需要使用通道0进行刷新，所以，它将通道03用于8位数据的DMA传送，将通道57用于支持16位数据的DMA传送。,计算机图形学概述,主板（或

27、称系统板 ),键盘和系统配置接口 IBM PC/XT机采用并行接口芯片8255A 的3个8位并行端口A、B、C来实现键盘接口和系统配置信息的读取。 A端口：用于读取从键盘传送过来的按键信息，即按键或释放键时所产生的扫描码。 B端口：用于控制，包括对键盘接口的串并转换控制和扬声器的发声控制等。 C端口：用于读取系统的配置信息，该信息由主板上的一个微型双列直插（DIP）开关形成，由用户根据系统配置进行设置，由操作系统进行读取和利用。信息中包括以下内容：内存的容量、显示卡/显示器的类型、软盘驱动器的个数等。,计算机图形学概述,主板（或称系统板 ),I/O通道和I/O空间的分配 I/O通道 在PC机的

28、主板上安装有一些总线插槽，可插入各种电路插板（卡），并通过各种卡上的I/O接口电路来连接不同的外设。因此，这些总线插槽被称为I/O通道，而插在其中的电路板被称为某某设备的适配器（Adaptor）或某某卡（Card）。 选用不同的I/O接口卡可以支持相应的I/O设备 。,计算机图形学概述,主板（或称系统板 ),IBM PC/XT机的I/O总线插槽被称为PC总线，它一共有62个信号，分A、B两侧，每侧各有31个信号。8根数据线、20根地址线位于A侧（卡的元件面），6根中断请求线、6根中DMA联络线，以及内存和外设的读写控制线、电源线位于B侧（卡的焊接面）。 在IBM PC/AT机中，数据总线和地址总线的宽度分别增加为16位和24位，还增加了若干中断请求线和DMA联络线。为兼容原PC总线，IBM PC/AT机在62线插槽的一端又新增了36线的新插槽，形成98线的新总线。该总线被称为AT总线，但更多时候被称为ISA（Industry Standard Architecture）。,计算机图形学概述,主板（或称系统板 ),不管8088还是80286，都只通过它的低16位地址线A0A15来访问I/O端口，因此IBM PC/XT和IBM PC/AT机最多只能寻址64K个I/O端口，这已足