微型计算机系统概述

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1、单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,*,,*,微,机,原理及接口技术,,胡 波,,,贵州师范大学,,课程性质及教学目的,,,《,微型计算机原理与接口技术,》,是工科一门重要的专业技术基础课程。,,本课程帮助学生掌握微型计算机的硬件组成及使用；学会运用汇编语言进行程序设计；树立起计算机体系结构的基本概念；掌握微机的基本组成、工作原理、接口电路及硬件的连接，建立微机系统的整机概念，具备初步开发微机系统软、硬件的能力。,课程简介及要求,课程简介及要求,课程特点,:,,,理论与实际联系非常紧密的课程,,,课程内容更新极快。,,内容多，学时少

2、，进度快，难度大，应用广。,第,1,章 微型计算机系统概述,1.1,微型计算机组成结构及数据的表示,1.2,微型计算机接口组成,1.3,I/O,端口地址分配与地址译码技术,,1.1.1,项目,1,：认识微型计算机组成结构,,1.,项目要求与目的,,（,1,）项目要求：,认识微型计算机的组成，并从性能上认识微型计算机结构。,,（,2,）项目目的：,,●了解微型计算机的基本结构。,,●了解微型计算机的基本概念。,,●掌握计算机系统的组成以及计算机硬件、软件知识。,,,,,,2,．项目说明,,,计算机是一种能对各种信息进行存储和高速处理的电子机器，它是,20,世纪人类最伟大的科技发明之一。计算机作

3、为,21,世纪最主要的信息工具，正在日益深入到我们工作和生活的每一个角落。这里通过一个项目来学习微型计算机的组成结构，通过它来掌握一些微机的基本概念和组成结构。,1.1,微型计算机组成结构及数据的表示,,第,1,章 微型计算机系统概述,,,,,3,．项目实物图,,,微型计算机组成由主机、显示器、键盘、鼠标等，台式和笔记本电脑外观图如图,1-1,所示。其中主机内部包括了主板、内存、硬盘、光驱、显示卡、声卡等，如图,1-2,所示。,图,1-1,台式和笔记本电脑外观图,1-2,主板图解,第,1,章 微型计算机系统概述,1.1.2,知识讲解,,1.,概述,,1946,年，在美国诞生了世界上第一台现

4、代数字式电子计算机（,Electronic Numerical Integrator and Calculator,，,ENIAC,）。,,1981,年，,IBM,公司推出了,IBM-PC,以后，计算机的发展开创了一个新的时代,——,微型计算机时代。近,30,年来，微型计算机凭借自身的特点，其应用迅速扩展到工业、农业、第三产业等生产、生活、学习等各个领域，成为人们日常使用最多的计算机类型。,,微型计算机（,Micro-Computer,）简称微机，就是指以微处理器（,Micro-Processor,）为核心，配上由大规模集成电路制作的存储器、输入,/,输出（,I/O,）接口电路以及系统总线所组

5、成的计算机。微型计算机的系统结构和工作原理和其他机型一样都是符合冯,·,诺依曼体系结构要求，由运算器、控制器、存储器、输入设备及输出设备,5,个硬件部分组成。,第,1,章 微型计算机系统概述,2,．,CPU,,,从功能上看，控制器和运算器是计算机系统中密切相关而又相互独立的两个组成部分。,,在硬件实现上，通常把控制器和运算器以及数量不等的寄存器集成到一个大规模集成电路芯片上，称为中央处理器（,Central Processing Unit,，,CPU,）。它由算术逻辑部件（,ALU,）、累加器和通用寄存器组、程序计数器、时序和控制逻辑部件以及内部总线等组成。 如图,1-3,所示为微型计算机,

6、CPU Intel,酷睿,2,四核芯片外观图，其尺寸比火柴盒略大。,,图,1-3 CPU,外观图,第,1,章 微型计算机系统概述,,微处理器并不能独立工作，必须与相应的存储器、输入,/,输出接口电路及系统总线配合，构成一台微型计算机才能运行程序。连接这些独立的部件需要一个公共载体，这就是主板（,Main Board,），也称为母版（,Mother Board,）。 主板上集成有,CPU,插座、芯片组、总线系统、输入,/,输出（,I/O,）控制芯片、内存插座、输入,/,输出系统、扩展卡插座、电源接口等，如图,1-2,所示。其他部件直接插接在主板上，或者通过电缆电线连接与主板上。,,,,CPU,

7、的发展速度相当快，不同时期,CPU,类型是不同的，从早期的,8086,、,80286,、,80386,、,80486,，到中期的,Pentium,（奔腾）、,PentiumⅡ,、,Pentium Ⅲ,，再到今天的,Pentium 4,、双核、多核等，经历了很多代的改进。,3,．微型计算机,第,1,章 微型计算机系统概述,微型计算机主机是插接到同一块主板上的,CPU,、存储器、输入,/,输出接口电路以及系统总线形成的一个整体。其中存储器用以存放程序和数据。输入,/,输出接口电路实现外部设备与,CPU,和存储器之间的连接。系统总线是,CPU,向存储器及接口电路提供地址、数据及控制信息的通道，一般

8、包括数据总线,(DB),、地址总线,(AB),及控制总线,(CB),。微型计算机主机结构如同,1-4,所示。,图,1-4,微型计算机典型结构示意图,第,1,章 微型计算机系统概述,,,,,,微型计算机系统是以微型计算机为主体，配备输入,/,输出设备以及软件构成的。,,微型计算机系统是一个软件与硬件的结合体，没有配置软件的计算机称为裸机，在实际中无法使用。 硬件是计算机运算功能的实现基础，软件则是硬件动作的灵魂。,4,．微型计算机系统,,第,1,章 微型计算机系统概述,,,,,如图,1-5,所示为微处理器、微型计算机、微型计算机系统三者之间的关系。,,图,1-5,微型计算机系统组成示意图,第

9、,1,章 微型计算机系统概述,5,．微机系统的性能指标,,（,1,）微处理器的性能,,微处理器的性能对于微机系统性能指标起着很重要的作用。随着微处理器技术的不断发展，评价微处理器的性能可以从多个角度，但最基本的评价指标还是字长和运算速度。,,,,,第,1,章 微型计算机系统概述,,,,,①,.,字长,,,字长即,CPU,中运算器一次能处理的最大数据位数，它是反映微机系统数据处理能力的重要技术指标。常见的字长有,8,位、,16,位、,32,位、,64,位等。字长越长，说明系统的运算精度越高，数据处理能力越强。,,与字长相对应的总线宽度，特别是数据总线的宽度同样也能反映系统性能。数据总线的宽度

10、只有与,CPU,的字长相当，才能有效发挥出,CPU,数据处理能力。,第,1,章 微型计算机系统概述,,,,,②,.,运算速度,,,运算速度的高低是衡量计算机系统的一个重要性能指标。提高主频对于提高,CPU,运算速度是至关重要的。主频频率越高,CPU,的运算速度越快。 主频的单位是,GHz,。,,反映微机系统运算速度的另一个单位是,MIPS,，即每秒能执行百万条指令数。可以看出，数值越大，计算机的速度越快。,第,1,章 微型计算机系统概述,,,,,,（,2,）存储器的性能,,,存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。随着计算机的发展，存储器在系统中的地位越来越重要。,,存储器有,

11、3,个主要的性能指标：速度、容量和每位价格（简称位价）。一般来说，速度越高，位价就越高；容量越大，位价就越低，而其容量越大，速度必越低。,,（,3,）,I/O,设备的性能,,如今，,I/O,设备多种多样，不同的设备有不同的评价指标。对于常用的外设，其性能指标有速度、分辨率和颜色深度等。,第,1,章 微型计算机系统概述,。,,,基数是指用来表示数据的数码的个数，超过（等于）此数后就要向相邻高位进一。同一数码处在数据的不同位置时所代表的数值是不同的，它所代表的实际值等于数字本身的值乘上一个确定的与位置有关的系数，这个系数则称为位权，位权是以基数为底的指数函数。例如，,128.7=1×10,2,＋

12、,2×10,1,＋,8×10,0,＋,7×10,-1,。即“,128.7”,这个数值中的“,1”,的权值是,10,2,，“,7”,的权值就是,10,-1,。,6.,数据在计算机中的表示,（,1,） 数制,,数制（,Number System,）是用一组固定的数字符号和一套统一的规则来表示数目的方法。若用,R,个基本符号来表示数目则称为,R,进制，,R,称为基数。例如二进制的基数为,2,，数符有,2,个；十进制的基数为,10,，数符有,10,个。,,按进位的原则进行计算称为进位计数制。进位计数制中有两个重要的概念：基数和位权。,第,1,章 微型计算机系统概述,,,,,二进制（,Binary n

13、otation,）：用“,0”,和“,1”,两个数字表示。逢二进一。,,运算规则有：,0 + 0 = 0 0,,0 = 0,,0 + 1 = 1 0,,1 = 0,,1 + 0 = 1 1,,0 = 0,,1 + 1 = 10 1,,1 = 1,,表示方法：（,11011,）,2,或,11011,B,,权表示法：（,11011,）,2 = 1,,2,4,+1,,2,3,+0,,2,2,+1,,2,1,+1,,2,0,在计算机中常用的进位计数制有二进制、八进制、十进制和十六进制。在日常生活中，通常使用十进制表示方法，而计算机内部采用

14、的是二进制表示法，有时为了简化二进制数据的书写，也采用八进制和十六进制表示法。为了区别不同进制的数据，可在数的右下角标注。一般用,B,（,Binary,）或,2,表示二进制数，,O,（,Octal,）或,8,表示八进制数，,H,（,Hexadecimal,）或,16,表示十六进制数，,D,（,Decimal,）或,10,表示十进制。在本书中我们用字母,B,、,O,、,H,、,D,表示法，如果省略进制字母，则默认为十进制数。,,① 二进制数,,第,1,章 微型计算机系统概述,,,十六进制（,Hexdecimal,notation,）：用“,0,、,1,、,……9,、,A,、,B,、,C,、,D

15、,、,E,、,F”,十六个数字表示。逢十六进一。,,表示方法：（,5A0D7,）,16,或,5A0D7,H,,权表示法：（,5A0D7,）,16 = 5,,16,4,+10,,16,3,+0,,16,2,+13,,16,1,+7,,16,0,②八进制数,,八进制（,Octal notation,）：用“,0,、,1,、,2,、,3,、,4,、,5,、,6,、,7”,八个数字表示。逢八进一。,,表示方法：（,5127,）,8,或,5127,O,,权表示法：（,5127,）,8 = 5,,8,3,+1,,8,2,+2,,8,1,+7,,8,0,③,十进制数,,十进制（,Decim

16、al notation,）：用“,0,、,1,、,2,、,3,、,4,、,5,、,6,、,7,、,8,、,9”,十个数字表示。逢十进一。,,表示方法：（,5927,）,10,或,5927,D,,权表示法：（,5927,）,10 = 5,,10,3,+9,,10,2,+2,,10,1,+7,,10,0,,④十六进制数,,第,1,章 微型计算机系统概述,常用进制的表示法如表,1-1,所示。,,十进制,二进制,八进制,十六进制,0,0000,0,0,1,0001,1,1,2,0010,2,2,3,0011,3,3,4,0100,4,4,5,0101,5,5,6,0110,6,6,7,011

17、1,7,7,8,1000,10,8,9,1001,11,9,10,1010,12,A,11,1011,13,B,12,1100,14,C,13,1101,15,D,14,1110,16,E,15,1111,17,F,16,10000,20,10,表,1-1,十、二、八、十六进制表示法,第,1,章 微型计算机系统概述,（,2,）各种进制数之间的转换,对各种进制数之间的转换，我们要掌握转换的方法和规则，为了便于理解我们将进制的转换分成“二进制数,,八进制数、十六进制数”、“二进制数,,十进制数”两大类。,●,二进制数转换为八进制、十六进制数,,由于,8,1,=2,3,（八进制数的一位等于二进

18、制数的三位）、,16,1,=2,4,（十六进制数的一位等于二进制数的四位）的关系，它们之间的转换就变得很简单。其转换规则是以小数点为中心，左右“按位组合”前后不够补,0,。即八进制是按三位组合，十六进制是按四位组合。,,【,例,1-1】,把（,11010111,.,01111,）,2,转换为八进制数、十六进制数。,,（,11010111,.,01111,）,2=,（,011,010,111.011,110,）,2=,（,327.36,）,8,,（,11010111,.,01111,）,2=,（,1101,0111.0111,1000,）,2=,（,D7.78,）,16,① 二进制、八进制、十六

19、进制之间的转换,,第,1,章 微型计算机系统概述,,【,例,1-3】,把（,101.01,）,2,、（,257,）,8,、（,32CF.4,）,16,转换为十进制数。,,（,101.01,）,2=1×2,2,+0×2,1,+1×2,0,+0×2,-1,+1×2,-2,=,（,5.25,）,10,=5.25,,（,257,）,8=2×8,2,+5×8,1,+7×8,0,=,（,175,）,10,=175,,（,32CF.4,）,16=3×16,3,+2×16,2,+12×16,1,+15×16,0,+4×16,-1,=,（,13007.25,10,=13007.25,● 八进制数、十六进制数转

20、换为二进制数,,其转换规则仍是以小数点为中心，“按位展开”（八进制数的一位等于二进制数的三位、十六进制数的一位等于二进制数的四位），最后去掉前后的,0,。,【,例,1-2】,把（,327.36,）,8,、（,D7.78,）,16,,转换为二进制数。,,（,327.36,）,8,=,（,011,010,111.011,110,）,2,=,（,11010111,.,01111,）,2,,（,D7.78,）,16,=,（,1101,0111.0111,1000,）,2,=,（,11010111,.,01111,）,2,,②,二进制、八进制、十六进制与十进制之间的转换,,●,二进制数、八进制数、十六进

21、制数转换为十进制数,,二进制数、八进制数、十六进制数转换为十进制数，其转换规则相同，是“按权展开相加”。同十进制的展开一样，只是其权位不同而已。,,第,1,章 微型计算机系统概述,,十进制数转换成二进制数分两种情况进行，整数部分和小数部分，具体规则如下所示。,,,整数部分,：除,2,取余倒排。即采用除,2,取余，直到商为,0,，先得的余数排在低位，后得的余数排在高位。,● 十进制数转换为二进制数、八进制数、十六进制数,,,小数部分,：乘,2,取整顺排。即采用乘,2,取整数，直到值为,0,或达到精度要求，先得的整数排在高位，后得的整数排在低。,,第,1,章 微型计算机系统概述,例：将（,10

22、5.625,）,10,转换成二进制数。,,,,,第,1,章 微型计算机系统概述,7.,位、字节、字和字长,（,2,）字节（,byte,）。,在计算机中，,8,位二进制数称为一个“字节”（,byte,，简写,B,），构成一个字节的,8,个位被看做一个整体。它是计算机存储信息的基本单位，同时它也是计算机存储空间大小的最基本容量单位。字节又是衡量计算机存储二进制信息量的单位，它有千字节（,KB,）、兆字节（,MB,）、吉字节（,GB,）、太字节（,TB,）。,,1KB=1024B=2,10,B 1MB=1024KB=2,20,B,,1GB=1024MB=2,30,B

23、1TB=1024GB=2,40,B,计算机中的信息是用二进制表示，那么反映这些二进制信息的量有，位、字长，字节、字等指标。,,（,1,）位或比特（,bit,）。,计算机中的存贮信息是由许多个电子线路单元组成，每一个单元称为一个“位”（,bit,），它有两个稳定的工作状态，分别以“,0”,和“,1”,表示。它是计算机中最小的数据单位。,第,1,章 微型计算机系统概述,,（,4,）字长。,CPU,内每个字可包含的二进制的长度称为“字长”（,word size,）。它是计算机存储、传送、处理数据的信息单位，是衡量比较计算机的功能精确度及运算速度的主要性能指标之一。字长越长，在相同时间内就能传送越多

24、的信息，从而使计算机运算速度更快、精度越高、寻址空间越大、内存储器容量更大、计算机系统支持的指令数量越丰富。低档微机的字长为,8,位（一个字节），高档微机的字长有,16,位（两个字节）、,32,位（四个字节）等。,,,,,（,3,）字（,word,）。,由若干个字节组成一个“字”（,word,）。一个“字”可以存放一条计算机指令或一个数据。,第,1,章 微型计算机系统概述,1.2,微型计算机接口组成,,（,1,）项目要求：直观的了解接口，认识微机的常用接口。,,（,2,）项目目的：,,●了解微型计算机接口的基本概念。,,●了解接口的组成。,,●掌握,CPU,和接口数据交换的四种方式。,2,．

25、项目说明,,1.2.1,项目,2,：认识微机的常用接口,随着计算机的不断发展，单独的计算机已不能满足人们的需要，计算机的扩展能力成为人们认识电脑的一个重要的性能指标，常用的接口有鼠标、键盘接口，打印机接口、扫描仪接口等。,1.,项目要求与目的,,,,,第,1,章 微型计算机系统概述,3,．项目实物图,,,微机常用接口外观图如图,1-6,所示，这是一个微机主板，主要由,CPU,插槽、,PCI,扩展槽、内存插槽、,BIOS,、,CMOS,电池、,CMOS,跳线、,ATX,电源插座、音频接口、,AGP,扩展槽、,USB,接口、鼠标接口、键盘接口等组成。,图,1-6,微机常用接口,第,1,章 微型

26、计算机系统概述,,,,,,1.2.2,知识讲解,,微机接口（,interface,）就是微处理器,CPU,与“外部世界”的连接电路，是,CPU,与外界进行信息交换的中转站。比如源程序或原始数据要通过接口从输入设备送进去，运算结果要通过接口向输入设备送出来；控制命令通过接口发出去，现场状态通过接口取进来，这些来往信息都要通过接口进行变换与中转。这里所说的“外部世界”是指除,CPU,本身以外的所有设备或电流，包括存储器、,I/O,设备、控制设备、测量设备、通信设备、多媒体设备、,A/D,与,D/A,转换器等。,第,1,章 微型计算机系统概述,从图,1-7,可以看出，各类外部设备（简称外设）和存储

27、器，都是通过各自的接口电路连到微机系统的总线上去的，因此用户可以根据自己的要求，选用不同类型的外设，设置相应的接口电路，把它们挂到系统总线上，构成不同用途、不同规模的应用系统。,图,1-7,微机系统各类接口框图,第,1,章 微型计算机系统概述,,在微机系统中一般有多种外设，在同一种外设中也可能有多台，而一个,CPU,在同一时间里只能与一台外设交换信息，这就要在接口中设置,I/O,端口地址译码电路对外设进行寻址。,CPU,将,I/O,设备的端口地址代码送到接口中的地址译码电路，并经译码电路，把地址代码翻译成,I/O,设备的选择信号。一般是把高位地址用于接口芯片选择，低位地址进行芯片内部寄存器的

28、选择，以选定需要与自己交换信息的设备端口，只有被选中的设备才能与,CPU,进行数据交换或通信。没有选中的设备，就不能与,CPU,交换数据。,,2.,接口功能,,,接口应具备哪些功能呢？从解决,CPU,与外设在连接时存在的矛盾的观点来看，一般有如下功能：,（,1),对外部设备的寻址功能,第,1,章 微型计算机系统概述,,外部设备的信号电平可能不是,TTL,电平或,CMOS,电平，因此需要由接口电路来完成信号电平的转换。,（,2),信号转换功能,,外部设备的工作速率远远低于,CPU,的速率，为了提高,CPU,的工作效率并避免丢失数据，接口中必须有数据缓冲器。接口中设置的数据缓存寄存器作为两者之间

29、的中介，暂存发送方发出的数据，等待接收方在足够的时间内取走数据。借助于数据缓冲器，高速工作地,CPU,与低速工作地外部设备之间的数据交换可以协调进行。由于数据缓存器直接连在系统数据总线上，因此它应具有三态特性。,,（,3),数据缓冲功能,第,1,章 微型计算机系统概述,,,,为了使接口具有较强的灵活性、可扩充性以适应多种工作方式或工作状态，接口应具有可编程的特性。,,上述功能并非要求每种接口都具备，对不同用途的微机系统，其接口功能不同，接口电路的复杂程度大不一样。但前,3,种功能是接口电路中的核心部分，是一般接口都需要的。,（,4),联络功能,,接口应当具备握手信号。,CPU,送来的控制信号

30、、外部设备的工作状况以及应答信号都要通过接口与,CPU,以“握手联络”的方式进行交互。,,（,5),中断管理功能,CPU,与外设之间的通信采用中断方式，有利于提高,CPU,的利用率。,（,6),可编程功能,第,1,章 微型计算机系统概述,3,．接口组成,,为了实现上述各种功能，接口需要有物理基础,——,硬件，予以支撑；还要有相应的程序,——,软件，予以驱动。所以，一个能够实际运行的接口，应由硬件和软件两部分组成。,,,⑴,,图,1-8,接口电路的基本结构,硬件电路,,,接口电路的基本结构如图,1-8,所示。三总线,:,地址总线,AB,、数据总线,DB,以及控制总线,CB,与,CPU,连接。地

31、址总线,AB,用来提供访问接口电路的地址信息。数据总线,DB,用来与接口电路交换数据信息、状态信息和命令信息。控制总线,CB,包括,I/O,、,…,、,INTR,等信号线。,,,第,1,章 微型计算机系统概述,,,,,,为了增强接口实用范围，半导体厂商一般按照通用型、可编程模式设计制作可编程接口芯片。因此，为了使用接口，需要为,CPU,编写专门的接口程序。接口程序多由汇编语言编程实现，一般包括初始化接口芯片、确定数据传输方式、控制接口硬件动作等主要功能。,⑵ 软件编程,第,1,章 微型计算机系统概述,（,1,）,I/O,端口,,端口（,Port,）是接口电路中能被,CPU,直接访问的寄

32、存器。,CPU,通过这些地址即端口向接口电路中的寄存器发送命令，读取状态和传送数据，因此，一个接口可以有几个端口，如状态口、数据口和命令口，分别对应于状态寄存器、数据寄存器和命令寄存器。,,●,状态端口,,状态端口（,State Port,）主要用来指示外部设备的当前状态。每种状态用一个二进制位表示，每个外部设备可以有几个状态位，它们可被,CPU,读取，以测试或检查外部设备的状态，决定程序的流程。一般接口电路中常见的状态位有准备就绪位（,Ready,）、外部设备忙位（,Busy,）、错误位（,Error,）等。,,,,,4 . I/O,端口和,I/O,操作,,第,1,章 微型计算机系统概述,

33、通常所说的,I/O,操作是指对,I/0,端口的操作，而不是对,I/O,设备的操作，即,CPU,所访问的是与,I/O,设备相关的端口，而不是,I/O,设备本身。而,I/O,操作也就是,CPU,对端口寄存器的读写操作。,CPU,对数据端口进行一次读或写操作也就是与该接口连接的外部设备进行一次数据传送；,CPU,对状态端口进行一次读操作，就可以获得外部设备或接口自身的状态代码；,CPU,把若干位控制代码写入控制端口，则意味着对该接口或外部设备发出一个控制命令，要求该接口或外部设备按规定的要求工作。,● 数据端口,,数据端口（,Data Port,）用以存放外部设备送往,CPU,的数据以及,CPU,输

34、出到外部设备去的数据。这些数据是主机和外部设备之间交换的最基本信息，长度一般为,1-4,字节。数据端口主要起数据缓冲作用。,,● 命令端口,,命令端口（,Command Port,）也称控制端口（,Control Port,），用来存放,CPU,向接口发出的各种命令和控制字，以便控制接口或设备的动作。接口功能不同，接口芯片的结构也就不同，控制字的格式和内容自然各不相同。一般可编程接口芯片往往具有工作方式命令字、操作命令字等。,,（,2,）,I/O,操作,,第,1,章 微型计算机系统概述,5.I/O,端口的编址方式,,,统一编址是指在整个存储空间中划分出一部分地址空间给外设端口使用，即把每一个

35、,I/O,端口看作一个存储单元，与存储单元一样编址，访问存储器的所有指令均可用来访问,I/O,端口，不用设置专门的,I/O,指令，所以称为存储器映射,I/O,编址方式,,,地址空间分布情况如图,1-9,所示 。 摩托罗拉公司的,MC6800,及,68HC05,等处理器就采用了这种方式访问,I/O,设备。,,这种方式的优点,:,在于,I/O,端口的地址空间较大，对端口进行操作的指令功能较强，使用时灵活方便。,,这种方式的缺点是端口占用了存储器的地址空间，使存储器容量减小，另外指令长度比专门,I/O,指令要长，因而执行速度较慢。,,I/O,端口的编址方式主要有两种：内存与,I/O,端口统一编址和,

36、I/O,端口单独编址。,(1),统一编址,第,1,章 微型计算机系统概述,,,,图,1-9 I/O,端口统一编址 图,1-10 I/O,端口单独编址,（,2,）独立编址,,,,独立编址是指对系统中的,I/O,端口单独编址，与内存单元的地址空间相互分开，各自独立，采用专门的,I/O,指令来访问具有独立空间的,I/O,端口,,,地址空间分布情况如图,1-10,所示 。,8086/8088,系统中就采用这种编址方式。,,优点：不占用内存单元的有效地址空间，地址译码器较简单，端口操作指令长度较短，执行速度较快。,,以上这两种,I/O,编址方式各有利弊，不同类型的,CP

37、U,可根据外部设备特点采用不同的编制方式。,第,1,章 微型计算机系统概述,,6,．,CPU,与接口数据的交换技术,在微机中，传送数据一般有,4,种方式：无条件方式、查询方式、中断方式、直接访问存储器（,DMA,）方式。,（,1,）无条件方式,无条件传送是一种最简单的传送方式，适合于外部设备总是处于就绪状态的情况。,CPU,在开始数据传送之前，不必关心外部设备的当前状态，直接可以对外部设备接口进行读写。也就是,CPU,在任何时候都可以向外部设备发送信息或者从外部设备接收信息。在外设还没处于就绪状态或外设发生故障时,,,就会产生数据错误或数据丢失。为了解决这一问题，人们考虑采用查询传送方式。,

38、第,1,章 微型计算机系统概述,（,2,）查询方式,查询方式是,CPU,传送数据（包括读入和写入）之前，主动去检查外设是否“准备好”若没有准备好，则继续查其状态，直至外设准备好了，即确认外部设备已具备传送条件之后，才进行数据传送。具体作法是在程序中安排一段由输入,/,输出指令和测试指令以及转移指令组成的程序段。,CPU,使用测试指令和条件转移指令循环检测设备完成准备工作的状态。一旦设备“准备好”，,CPU,才执行传送指令，实现,CPU,与接口之间的数据交换。在查询传送方式中，,CPU,需要不断地查询外设的状态，极大地降低了,CPU,的利用率。为了提高,CPU,的利用率，提高输入,/,输出系统

39、的可靠性以及实时性，可以采用中断传送方式。,（,3,）中断方式,为提高数据传输效率，需要改变,CPU,耗费大量时间查询外部设备状态的工作方式变外部设备的被动接收为主动请求。当外部设备没有做好数据传输准备时，,CPU,可以执行与数据传送无关的其他指令。一旦外部设备准备好，主动通过硬件信号向,CPU,提出传送请求的其他程序。,第,1,章 微型计算机系统概述,在原来被执行的程序看来，一个正常的执行过程被打断，因而称为中断传送。中断传送方式优点,:,当外设处于就绪状态时才向,CPU,请求输入或输出服务，不需要,CPU,花费大量时间去主动查询外设的工作状态，减少了大量的,CPU,等待时间。为了保证多个

40、外部设备能够在需要时，准确及时地向,CPU,提出中断请求，一般需要设置专门的硬件控制电路，因此增加了硬件开销。,,,,,（,4,）直接存储器存取方式,——DMA,方式,,直接存储器存取方式（,Direct Memory Access,），又称为,DMA,传送方式，对于高速的外设，以及成块交换数据的情况，例如，磁盘与内存之间交换信息，用程序或中断控制传送数据的方式显得速度太慢以及占用,CPU,大量时间。,,采用,DMA,方式是用一个硬件,DMAC,（称,DMA,控制器）芯片来完成软件的工作。比如，内存地址的修改，字节长度的控制等，在这种方式下，,CPU,放弃数据总线、地址总线及控制总线的控制权，

41、交给,DMAC,管理，使得外设和内存的信息传送速度能达到很高。,第,1,章 微型计算机系统概述,1.3 I/O,端口地址分配与地址译码技术,1.3.1,项目,3,：设计一个有,6,组,I/O,端口地址的译码电路,1.,项目要求与目的,（,1,）项目要求：,通过项目了解,74LS138,译码器进行地址译码的方法和工作原理。,,（,2,）项目目的：,,●了解,74LS138,译码器的真值表。,,●了解用译码器设计,I/O,端口地址的方法。,,,,,第,1,章 微型计算机系统概述,2,．项目说明,,74LS138,译码器有,8,个输出，本项目只用其中,6,个。而地址线的高,5,位,A5,～,A

42、9,经过,74LS138,译码器，分别产生,DMA,控制器,8237A,、中断控制器,8259A,、定时,/,计数器,8254,、并行接口,8255A,等接口芯片的片选信号，而地址线的低,5,位,A0,～,A4,作为接口芯片内部寄存器的访问地址。由,74LS138,译码器真值表可知，当地址为,000,～,01XH,时，使输出为低，选中,8237A,，由于低位地址线,A0,～,A3,已接,8237A,，故,8237A,的端口地址为,000H,～,01FH,。其他端口与此同理，如,8259A,的片选地址是,02X,～,03XH,,端口地址为,020,～,03FH,。,第,1,章 微型计算机系统概

43、述,3,．项目电路图,一个有,6,组,I/O,端口地址的译码电路如图,1-9,所示。电路由地址总线、控制总线、,74LS138,译码器和门电路等组成。,,图,1-9 74LS138,译码器端口地址译码电路,,第,1,章 微型计算机系统概述,1.3.2,知识讲解,1,．,I/O,端口地址分配,不同类型的微机系统采用不同的,I/O,地址编排方式，,I/O,地址空间的划分也各不相同。对,80x86,而言，采用独立编排方式，,I/O,端口地址的,16,位，最大寻址范围为,64K,个地址。但是，在,IBM-PC,机及其兼容机的设计中，主板上只用了,10,位,I/O,端口地址线，因此支持的,I/O,端口

44、数位,1024,个，地址空间为,0000H,～,03FFH,,并且把前,512,个端口分配给了主板，后,512,个端口分配给了扩展槽上的常规外设。后来在,PC/AT,系统中，作了一些调整，其中前,256,个端口（,000,～,0FFH,）供系统板上的,I/O,接口芯片使用，如表,1-2,所示。后,768,（,100,～,3FFH,）供扩展槽上的,I/O,接口控制卡使用，如表,1-2,所示。按照,I/O,设备的配置情况，,I/O,接口的硬件分为如下两类。,（,1,） 系统板上的,I/O,接口,系统板上的,I/O,接口也称为板内接口，寻址到的都是可编程大规模集成电路，完成相应的板内接口操作。如定时

45、,/,计数器、中断控制器、,DMA,控制器、并行接口等。随着大规模集成电路的发展，所以,I/O,接口芯片或控制器都已经集成在一片或几片大规模集成电路芯片中，形成了主板芯片组，并命名为南,/,北桥、,MCH/ICH,等。表,1-2,所示的各种接口芯片，虽然在主板上不能看见，但是仍然完整地存在于主板芯片组中（一般都在南桥中），其板内地址也保持不变。,表,1-2,系统板内,I/O,芯片端口地址,,,,,I/O,芯片,I/O,功能,I/O,端口地址,,8237A-1,DMA,控制器,1,000,～,01FH,8237A-2,DMA,控制器,2,0C0,～,0DFH,74LS612,DMA,页面寄存器,

46、080,～,09FH,8259A-1,中断控制器,1,020,～,03FH,8259A-2,中断控制器,2,0A0,～,0BFH,8254A,定时器,040,～,05FH,8255A,并行接口芯片与键盘接口,060,～,06FH,MC146818,RT/CMOS RAM,070,～,07FH,8087,协处理器,0F0,～,0FFH,第,1,章 微型计算机系统概述,（,2,）扩展卡上的,I/O,接口,扩展卡主要是指插接在主板插槽上的接口卡，通过系统总线与,CPU,系统相连。这些扩展卡一般由若干个集成电路按一定得逻辑组成一个部件，如软驱卡、硬驱卡、图形卡、声卡、打印卡、串行通信卡等，如表,1-

47、3,所示。,表,1-3,外部设备端口地址,,I/O,名称,端口地址,游戏控制卡,200,～,20FH,并行口控制卡,1,370,～,37FH,并行口控制卡,2,270,～,27FH,串行口控制卡,1,3F8,～,3FFH,串行口控制卡,2,2F0,～,2FFH,用户可用,300,～,31FH,同步通行卡,1,3A0,～,3AFH,同步通行卡,2,380,～,38FH,单显,MDA,3B0,～,3BFH,彩显,CGA,3D0,～,3DFH,彩显,EGA/VGA,3C0,～,3CFH,硬驱控制卡,1F0,～,1FFH,软驱控制卡,3F0,～,3F7H,PC,网卡,360,～,36FH,第,1,章

48、 微型计算机系统概述,2. I/O,端口地址译码,微机系统中有多个接口存在，接口内部往往包含多个端口，,CPU,是通过地址对不同的端口加以区分的。把,CPU,送出的地址转变为芯片选择和端口区分依据的就是地址译码电路。每当,CPU,执行输入输出指令时，就进入,I/O,端口读写周期，此时首先是端口地址有效，然后是,I/O,读写控制信号,TOR,或有效，这样就可以很好的把端口地址译码产生的译码信号同或结合起来，一同控制对,I/O,端口读或者写。接口地址译码方法很多，下面主要介绍两种。,,（,1,）用门电路进行,I/O,端口地址译码,,门电路译码就是采用与门、与非门、反相器及或非门等简单逻辑门器件，如

49、,74LS20,、,74LS30,、,74LS32,、,74LS08,、,74LS04,等，构成译码电路。这是一种最基本的,I/O,端口地址译码方法，下面通过举例来说明设计方法。,第,1,章 微型计算机系统概述,,【,例,1-5】,使用,74LS20/30/32,和,74LS04,设计,I/O,端口地址为,2F8H,的只读译码电路。,,分析：若要产生,2F8H,端口地址，则译码电路的输入地址就应具有如表,1-4,所示的值。,表,1-4,译码电路输入地址线的值,,,,地址线,0 0 A,9,A,8,A,7,A,6,A,5,A,4,A,3,A,2,A,1,A,0,二进制,0 0 1

50、0,1 1 1 1,1 0 0 0,十六进制,2,F,8,设计：按照表,1-4,中地址表的值，采用门电路就可以设计出译码电路，如图,1-10,（,a,）所示。,,图,1-10,（,a,）中,AEN,信号必须参加译码，因为,AEN,为高电平时，,I/O,处于,DMA,方式，或信号由,DMA,控制器发出；,AEN,为低电平时，,I/O,处于正常方式，或信号由,CPU,发出。因为该接口电路中,I/O,处于正常方式，,AEN,必须为低电平，故用,AEN,信号参加译码来区分这两种方式。,第,1,章 微型计算机系统概述,,,同理可设计出能执行读,/,写操作的,2E2H,端口地址的译码电路，

51、如图,1-10,（,b,）所示。,图,1-10,门电路译码电路,（,b,）,(a),第,1,章 微型计算机系统概述,（,2,）译码器进行,I/O,端口地址译码,若接口电路中需要使用多个端口地址，则可采用译码器来进行译码。译码器的型号有很多，常用的译码器有,3-8,译码器,74LS138,；,4-16,译码器,74LS154,；双,2-4,译码器,74LS139,、,74LS155,等。下面通过举例来说明设计方法。,【,例,1-6】,使用,74LS138,设计一个系统板是上接口芯片的,I/O,端口地址译码电路，并且让每个接口芯片内部的端口数目为,32,个。,,分析：由于系统板上的,I/O,端口

52、地址分配在,000,～,0FFH,范围内，故只使用低,8,位地址线，这意味着,A9,和,A8,两位应赋,0,值。为了让每个被选中的芯片内部拥有,32,个端口，只要留出,5,根低地址线不参加译码，其余的高位地址线作为,74LS138,的输入线，参加译码，或作为,74LS138,的控制线与,AEN,一起，控制,74LS138,的译码是否有效。由上述分析，可以得到译码电路输入地址线的值，如表,1-5,所示。,表,1-5,译码电路输入地址线的值,,,,地址线,0 0 A,9,A,8,A,7,A,6,A,5,,A,4,A,3,A,2,A,1,A,0,用 途,控 制,片 选,片内端口寻址,十六进

53、制,0H,0,～,7H,0,～,1FH,第,1,章 微型计算机系统概述,对于译码器,74LS138,的分析有两点：一是它的控制信号线,G1,、和。只有当满足控制信号线,G1,为高电平,, ==0,时，,74LS138,才能进行译码。二是译码的逻辑关系，即输入,(C,B,A),与输入（,Y0,～,Y7,）的对应关系。,74LS138,输入,/,输出的逻辑关系，如表,1-6,所示。,,,,,,G,1,,,,,,表,1-674LS138,的真值表,,,输入,,输出,,C B A,,1 0 0,0 0 0,1 1 1 1 1 1 1 0,1 0 0

54、,0 0 1,1 1 1 1 1 1 0 1,1 0 0,0 1 0,1 1 1 1 1 0 1 1,1 0 0,0 1 1,1 1 1 1 0 1 1 1,1 0 0,1 0 0,1 1 1 0 1 1 1 1,1 0 0,1 0 1,1 1 0 1 1 1 1 1,1 0 0,1 1 0,1 0 1 1 1 1 1 1,1 0 0,1 1 1,0

55、 1 1 1 1 1 1 1,0 × ×,× × ×,1 1 1 1 1 1 1 1,× 1 ×,,× × ×,1 1 1 1 1 1 1 1,× × 1,× × ×,1 1 1 1 1 1 1 1,第,1,章 微型计算机系统概述,从表,1-6,可知，若满足控制条件，即,G1,为高电平,, ==0,,则由输入端,C,、,B,、,A,的编码来决定输出：,CBA=000,，则为低电平,,,其他输出端为高电平；,CBA=001,，为低电平，其他输出端为高电平；,…,；,CB

56、A=111,，为低电平,,,其他输出端为高电平。由此可分别产生,8,个译码输出信号（低电平）。若控制条件不满足，则输出全“,1”,，不产生译码输出信号，即译码无效。,,,思考题与练习题,（,1,）微处理器、微型计算机和微型计算机系统三者之间有什么不同？,,（,2,）填空（,417.25,）,8 =,（,,）,2=,（,,）,10=,（,,）,16,。,,（,3,）填空,1C.3A,）,16 =,,B=,,O=,D,。,,(4),填空（,124.95,）,10 =,（ ）,2=,（ ）,8=,（ ）,16,。,第,1,章 微型计算机系统概述,(5)

57、,填空（,10110111.11,）,2 =,（,,）,8=,（,,）,10=,（,,）,16,。,,(6),填空,2KB=,（,,）,MB=,（,,）,B=,（,,）,GB,。,,（,7,）什么是接口？接口的功能有哪些？,,（,8,）,CPU,与接口之间有哪几种传送数据的方式？它们各应用在什么场合？,,（,9,）,I/O,端口的编制方式有几种？各有何特点？,,（,10,）在,I/O,端口地址译码电路中常常设置,AEN=0,，这有何意义？,,（,11,）设计一个有,8,组,I/O,端口地址的译码电路，每组有,8,个端口地址，这,8,组端口地址分别是：,280H,～,287H,，,288H,～,28FH,290H,～,297H,298H,～,29FH,2A0H,～,2A7H,2A8H,～,AFH,2B0H,～,2B7H,和,2B8H,～,2BFH,。,,（,12,）写出并分析项目,3,的,I/O,端口地址。,,(13),．内存中每个用于数据存取的基本单位，都被赋予一个唯一的编号，称为,,。,,,,,第,1,章 微型计算机系统概述,第,1,章 微型计算机系统概述,本章完,再见,