教育部精品课程《微机系统与接口》

1东南大学微机系统与接口技术 1

教育部精品课程《微机系统与接口》原名微机原理及接口技术微机原理及应用

计划学时 48 Tel: 83793513 Email:[email protected]

配套实验课程微机实验

32 学时


计算机应用（而非使用）的开始课程背景和重要性

先修课程数字电路 -- 计算机结构与逻辑设计模拟电路 ( 门 ) 计算机硬件构成数字逻辑电路— VLSI

本质特殊的数字逻辑电路门 -- 组合逻辑－时序逻辑－有限状态机指令（软件）时序 / 控制 / 运算逻辑

多层次最高级 --- 运行程序 ( 功能 ) 最低级 ---- 晶体管和线路


教材和教学参考书教材杨素行，微型计算机系统原理及应用 ( 第 2 版 ) ，清华大学出版社 , 2004参考书雷丽文等，微机原理与接口技术，电子工业出版社戴梅萼，微型计算机技术及应用，清华大学出版社张怀莲， IBM-PC 宏汇编语言程序设计，电子工业出版社张昆藏， IBM-PC/XT 微型计算机接口技术，清华大学出版社戴先中等，微机硬件应用实践—原理与接口 ,东南大学出版社 ,1999

4东南大学微机系统与接口技术

第一章微型计算机基础重点 1. 补码的概念与运算 2. 原型机 ( 复习）3 ．系统组成（术语）及各部分之间关系4 ．了解 8086/8088 工作方式与存储器的管理机制


计算机概述芯片时间时钟 DB R( 位 ) AB 寻址空间 K 个数 ( 每片 ) 技术备注 8086 78 年 4.77 16 16 20 1MB 2900 个引入实模式8088 79 年 4.77 8 16 20 1MB 2900 个第一用于 2BMP80286 81 年 6 16 16 24 16MB 13 万个引入保护模式80386DX 85 年 12.5 32 32 32 4096MB 25 万个多任务 8086 模式80386SX 88 年 16 16 32 24 16MB 25 万个80486 89 年 20 32 32 32 4096 125 万个内含协处理器和 8KB 缓存奔腾 93 年 60 32 32 32 4096 310 万个分支预测 16K 缓存流水线和超标量结构高能 95 年 150 32 32 32 4096 550 万个指令优化调度执行奔腾 P7 97 年 300 64 64 32 4096 1400 万个超流指令体系结


2.Intel 公司微处理机系列的发展

性能功能

1972 1974 1976 1978 1980 1982 1985 1989 1993 1995

4004 8008

80808085

8086

8028680386

8048680586

8088

80186

80488022

8049 80518096 809

8

Intel 公司微处理器单片机

奔腾


计算机应用工业控制事务处理计算机辅助设计 CAD/ 制造 CAM

教学培训家庭娱乐 / 家政处理科学计算


计算机中的数制和编码无符号数的表示和运算1 进制数码权

2 进制间转换（小数）整数：除 R 取余小数：乘 R 取整


带符号数的表示机器数带有符号的数真数机器数的实际值原码 [x] 原 = x 0<=x<2 n-1 2 n-1-x -2 n-1 < x<=0 反码 [x] 反 = x 0<=x<2 n-1 2 n-1+x -2 n-1 < x<=0


计算机中的数制和编码补码[x] 补 = x 0<=x<2 n-1

2 n+x -2 n-1 <= x<0


计算机中的数制和编码定点数 / 整型 (Fixed Point)

位序号 : 二进制数据 Dn*2n+Dn-1*2n-1+……D1*21+D0*20

( MSB/LSB （ Most/Least Significant Bit ） Dn/ D0 )

表示 ( 代表 ) 不同的含义不同含义的内容的表示方法 ( 大小 \ 物理意义 )

1010 0100B 1011 1010 0011 0001B 本课程 :n=8/16/32 位


十进制（ Decimal) 八进制（ Octal Q)二进制（ Binary) 十六进制（ Hexdecimal)字长：运算器（ ALU) 位数运算：二进制（模 2 ）十六进制加运算 1011 0001 0001 1100B B11CH +1010 1011 0101 0110B +AB56H 1 0111 1100 0111 0010B 17C72H 十六位字长运算时模 = ？减法？

字长与补码


互补（ Complement) A+B=M (A=M-B)

A 与 B 以 M 为模互补（互为补码） X-A=X-(M-B)=X+B-M=X+B ( 模 M 运算）

十六位 : 模 65536 （ 10000H)

456+65080=65536 1C8H+FE38H=10000H

2 的补码（ 2‘s Complement)八位：模 256 （ 100H)

80+176=256 （ 50H+B0H=100H)


三位整数补码运算

溢出点


三位有符号整数表示

十进制无符号原码反码补码偏置码


二进制编码数值表示（约定） DEC 的编码（表示）： BCD（ Binary Coded Decimal ） <== >Compact BCD 10010110B 代表 96D (1Byte 代表 2 位 DEC) ； Uncompact BCD （ 1Byte=1 位 DEC ） 00-09H

非数值表示 7 位：字母与符号： ASCII （ American Standard Code for Information Interchange ）美国信息交换标准代码） 00-7FH （ 7 位）P18 为扩展 ASCII 表； 8 位： EBCDIC Extended BCD interchange Code 8Bit Keyboard ； 16 位：UNICODE （ 2.0 版本 38885 个）； 32 位： ISO 10646 （ Universal Code Set-----UCS-4 ） 0000~007F=ASCII, 0000~00FF=UNICODE 2.1


ASCII 码举例

ASCII （ American Standard Code for Information Interchange 美国信息交换标准代码）

00 NUL 空白 02 STX 文本开始03 ETX 文本结束07 BEL 报警符（可听见的信号）

BS 退一格（并删去该字符）

0DH CR 回车 0AH LF 换行字符：‘ 0’-‘9’ ： 30-39H; ‘A’-41H, ‘a’-61H


定点数和浮点表示定点纯整数

定点纯小数

浮点数

符号位小数点

符号位小数点

阶符阶码尾符尾码


微机工作过程 y=5+9 PC=040h 自动 +1 add op prog 40h 3eh ld a,05h 41h 05h 42h c6h add a,09h 43h 09h 44h 76h halt


微型计算机的发展史（电子数字）计算机一种能自动地、高速计算的电子设备

运算器（ ALU) 位数精度

字长一般指 CPU 与 I/O 设备存储器之间一次传送二进制数据的位数（总线字长）。

微型计算机 VLSI, CPU 为单片集成 4, 8, 16….64 位 , 大众化 : PC

发展历史 --- 1946 年诞生 ; 模拟计算机电子管、晶体管 ( 分立元件）、 IC 、 (V)LSI


基本概念传统 : C ＰＵ（中央处理单元）？外设 ( Peripherals)--- 终端 (Terminal

s)

MPCS （微机系统）： MPC+ 外部设备和其它专用电路、电源、面板、机架、系统软件

MPC （微机）： MPU+MEM+I/O 接口电路 + 辅助电路（裸机）

ＭＰ U 或Ｐ： LSI-CPU 微处理器（ ALU+CTRLER ）


运算器寄存器组控制器内部总线总线接口缓存器

内存储器系统总线输入输出输出接口电路外部设备软件

微处理器

微机系统

微型计算机微处理器、微型计算机和微机系统


8 位微处理器典型结构


微机系统典型结构

MPU


系统的基本（原型）组成硬件 + 软件

软件 = 系统软件 + 应用软件（系统软件：控制接口 / 系统管理类）OS(DOS/WIN/WIN9X/NT/XP-OS/2,UNIX,LINUX) + 娱乐 /CAD/CAI/CAT/SCADA/ 管理 /

硬件 = 主机 + 外设（ Peripherals ） CPU+ MEMERY +I/O 接口运算器（ ALU ） + 控制器 + 寄存器


微机基本技术指标：字长、运算速度、存储容量、主频、指令系统、外设配置等

存储器I/O接口

输入设备I/O接口

数据总线 DB

控制总线 CB

地址总线 AB

输出设备CPU

组成结构 :

技术指标与硬件组成


硬件组成之一处理器CPU （ MPU ）： ALU/CTRLer/Regist

er 算术逻辑运算（数据信息处理） - 数据流程序流管理（指令 R 、指令译码器、控制电路）对各部件发出相应的控制信息，使它们协调工作应用系统直接途径（内部处理信息）：寄存器：速度快


硬件组成之二存储器MEM: 存储记忆单元 /装置： Main Storage/Inner

mem; 可直接处理 - 与外存的本质区别　　内容信息：程序 / 数据（数值—非数值 ASCII （控制码））　位 BIT ：（ Binary Digit ） 0/1

半字节 NIB(bibble)　字节 Byte 1024=210=1KB 基本概念 10242

=220=1MB=1000KB 　　　　字 WORD 16 位 IA ：多 L， H 存放（反之例： MCS51 ： DPTR ）　双字 DWORD 32 位　 L，M1，M2， H　 64/128 位


硬件组成之三输入输出接口I/O Device/InterfaceMPU信息来源 /输出目标（程序、数据、测控信息

…） --- 接口电路外设：标准： KB, Point device(MOUSE 、 Tracking Ball 、 Touch screen..) , 非标： SCANNER, Digitalizer, Digital Camera, ZIP, Video Camera, ADC, DI CRT 、 Printer 、 Plotter DAC, DOFDC/HDD/CD-ROM/R/RW/DVD， Tape, net-adaptor , SB, Microphone/ SPK特点：（数字量转换）多样性，速度慢：接口电路 ---I/O Adaptor(适配器 )，非 /智能化


微机系统四部分关系

微型计算机的结构示意图

存储器I/O接口


数据总线 DB

控制总线 CB

地址总线 AB

输出设备CPU


总线 --- 微机系统各部件相连 BUS 一组性质相似的各部件共用的信息线的集合，正常情况下（通常） BUS只能由一组数据（降低速度） -- 基带。总线控制三态缓冲器 I/O 总线的作用是通过公用的信号线可把计算机或测控系统中的模板或各种设备联成一体，以便进行彼此之间的信息交换。采用总线技术在系统设计、生产、使用和维护上具有很多优越性。


微机系统四部分关系（ IA-16)

微型计算机的结构示意图

存储器I/O接口


数据总线 DB

控制总线 CB

地址总线 AB

输出设备CPU


微机软件 (Software)

运行、管理、维护程序总和，硬件功能的应用

最终用户软件：消费娱乐 /网络 /通信 CAD/CAI/CAT/SCADA/ 管理 /

应用软件： UTILITY （软件开发工具包）

系统软件控制接口 / 系统管理类： OS(DOS/WIN/WIN9X/NT-OS/2,UNIX) 、监控程序 ----资源管理 /任务调度；


课程硬件基础（要求）电气 / 逻辑原理图（读图、规范）时序图（设计用动态时序） - 总线常用接口方法 / 逻辑电路 / 硬件术语

工作原理 /一般时序 /常用方法寄存（器）、缓冲 ( 器 ) 、锁存 ( 器 ) 、触发( 器 ) 、编码 ( 器 ) 、译码 ( 器 ) 、放大 ( 器 )(OP) --SSI/MSI;

RAM， ROM， T/C， PIO， SIO， DMA； --MSI/LSI；


课程软件基础：（要求）原理 --MC 系统软件与硬件

•工具编辑 EDITOR 、编译 /汇编（ Compiler/Assembler ）、链接 Linker （器）•编程语言 (汇编语言 )— 功能，语法（ Syntax ）•实时系统—事件中断 / 时间中断（控制）

硬软件结合：存储访问／输入输出访问的软件实现，软替硬 --充分发挥硬件功能

•指令 --- 与硬件有关的功能


微型计算机分类体系 Von NeuMANN / Harvard ( 外 ME

M可流水线作业 ) 功能结构单 / 多片机 / (MCU)/MPU)；组装方式单 / 多板机； TP801 使用方式： DESKTOP/LAPTOP/ NOTEBOOK （便携式） -Mobile MP 安装使用非（可重装入） /嵌入式（ EMBBEDE

D ）指令： CISC/RISC DSP- 专用 MPU( 标准内核 )


IBM PC&PC/XT （ 20 年前产品）可以重复加载运行各种应用软件的个人计算机：多板结构 1 ．系统板 +I/O选卡 ---- 基于中大规模 IC μP:8088(80C88)/8087＋ 82XX芯片组 chipset82C88 总线控制器 BUS Controller8284 Clock Generator &Driver 2 ． ROM---- 基本系统程序 3. RAM---- 中间数据 / 应用程序4 ． I/O 接口电路： Speaker/KB5. I/O expanding slots: 62脚： PC-5 XT-8


微机系统结构（ IA-16)指令：算逻运算、数据传送、 I/O 、跳转、系统操作等执行方式：串行、流水线（深度－ EU＋ BIU 两级）

P26

取指、执行、取指、执行。。

SCLK


IA-16 微处理器（ Intel 8086/8088 ） AH ALBH BLCH CLDH DL

SPBPDISI

通用寄存器

AXBXCXDX

ALU 数据总线（ 16 位）运算寄存器

ALU

标志寄存器

EU 控制系统执行单元

EU

∑

CSDSSSESIP内部暂存器

1 2 3 4 5 6

数据总线8088:8 位

8086:16 位

总线控制逻辑

地址总线20 位

指令队列8088

8086

Q 总线（ 8 位）

指令指针

段寄存器

外部总线

总线接口单元 BIU

SCLK

P19 图 1.9


8086/8088 流水工作过程指令队列总线接口单元 BIU

MPU执行单元

时间等待执行 1 执行 2 执行 3 。。。

1 2 23 3 34 45…取指取指取指取数取指 … .

与 BIU 有关的指令执行


8086/8088 的内部寄存器 14 个 16 位寄存器： 8 通用寄存器 /4 段 /2 控制寄存器

栈操作：16 位

P20 图1.10

ADD AX， 100， MOV BL， DS:[1000]SUB DX， [BX]JC 1000

MOV


通用寄存器功能 AX， BX， CX， DX， AH， AL， B

H， BL， CH， CL， DH， DL （ 16-8 ）

习惯： AX 累加器 Accumulator)/ BX 基址R/ CX(Count) 计数 R, 循环 - 串操作 / DX 数据 R （ Data ）， I/O port, 双字除（ H16 ）；

SP， BP ： Stack Pointer R, Base Pointer 基址指针 R 数据 /Pointer SI， DI 变址 R （ Source Index R, Destinat

ion Index R ） -- 指针作用指令、数据存储地址


段寄存器功能段寄存器 Segment Register CS,SS,DS,ES Code,Stack,Data,Extra( 附加段 )R==Segment B

ase Address 解决８位机兼容问题 MOV AX ， [1000

H] 8086/8088 存储器管理： 20 AB1MB, 64KB单位，物理地址 PA ，段基地址 SA ，偏移地址 EA （ OFFSET ）；（ SA ， EA 逻辑地址）关系： PA=SA*16+EA 默认： MOV AX ，

DS:[1000H] (DS)=1234H (BX)=8000H 物理地址＝ 1A340

H


段寄存器和控制寄存器控制寄存器： IP， FLAGS （ Instruction P

ointer-预取 I 的偏移地址），标志 R （ 6S/3C-FlagBits: 8088/86 定义 9 位）

控制标志位 (3) 六个算术和逻辑运算结果特征 (6)

奇偶位＝ 1偶

借进位半进位

溢出标志

跟踪符号位零标志位

中断允许＝ 1

方向当算术运算的结果超出了带符号数的范围，即溢出时， OF= 1 ，否则 OF ＝ 0 。 8 位带符号数范围是一 128～＋ 127 ， 16 位带符号数的范围是 -32768～＋ 32767 。


标志状态寄存器 Flags

CF 进位标志位。当进行加法或减法运算时，若最高位发生进位或借位则 CF＝ 1，否则 CF＝ 0 。 PF奇偶标志位。当逻辑运算结果中“ 1” 的个数为偶数时PF＝ 1，为奇数时 PF=0 。 AF 辅助进位位。在 8 （ l6 ）位加减法操作中，低 4 位向高 4 位有进位、借位发生 ZF零标志位。当运算结果为零时 ZF＝ 1，否则 ZF＝ 0 。 SF 符号标志位。当运算结果的最高位 MSB 为 1 时 SF=1，否则 SF= 0 。 OF溢出标志位。当算术运算的结果超出了带符号数的范围，即溢出时， OF= 1，否则 OF＝ 0 。 8 位 /16 位带符号数范围


标志控制寄存器 TF 跟踪标志位。 TF= 1，使 CPU 处于单步执行指令的工作方式。这种方式便于进行程序的调试。每执行一条指令后，自动产生一次内部中断，从而使用户能逐条指令地检查程序。 IF 中断允许标志位。 IF= l 使 CPU可以响应可屏蔽中断请求。 IF= 0 使 CPU禁止响应可屏蔽中断请求， IF 的状态对不可屏蔽中断及内部中断没有影响。 DF 方向标志位。 DF= l 使串操作按减地址方式进行。也就是说，从高地址开始，每操作一次地址减小一次。 DF＝ 0 使串操作按增地址方式进行。


8086 ／ 8088 的引脚信号　MAX模式

P22动态复用 ---- 机器周期至少 4个时钟周期CLK ： T1，T2 ， T3，T4， Tw)

分类：电源、地 (GND)

数据 (A)D0-D7(15)

地址 A0 － A19

控制信号

两种工作模式：MAX/MIN


第一类每个引脚只传送一种信息。 32P---/RD 。

8086 ／ 8088 引脚分类

第六类电源 / 地 Vcc/Vss （ GND ）第五类引脚的输入和输出分别传送不同的信息，如 RQ／GT0输入时传送总线请求，输出时传送总线请求允许。

第四类每个引脚可以传送两种信息 ( 分时复用）。这两种信息在时间上是可以分开的，因此可以用一个引脚在不同时刻传送不同的信息，一般称这类引脚为分时复用线。例如： AD7 ～ AD 。

第三类引脚在 8086／ 8088 的两种不同工作方式——最小模式和最大模式下有不同的名称和定义。例如：第 29脚为 /WR （ /LOCK ）。

第二类每个引脚电平的高低代表不同的信号，例如 IO／M# 。


8086 ／ 8088 重要引脚信号/ RD （ Read ）读信号输出端。读信号是一个低电平有效的输出信号，当 /RD 为低电平时，表明 CPU正在对内存或外设进行读操作。/WR （ Write ）写信号输出端。写信号是一个低电平有效的输出信号，当 /WR 为低电平时，表明 CPU正在对内存或外设进行写操作。（ IORD--IOWR),(IORQ--MENRQ)

AD7～ AD0 （ Address Data Bus ）地址、数据复用端，双向工作。 A15～ A8 （ Address ）地址输出端（ A16-A19)

RESET 系统复位信号输入端RESET信号高电平有效， 8086／ 8088要求该信号的有效时间至少为 4个 T 状态。 CPU 接收到 RESET信号后，立即停止当前操作，完成内部的复位过程，恢复到机器的起始状态并使系统重新启动。复位时各寄存器的状态 : FLAGS=0H， IP=0， CS=FFFFH，（预取队列空）， DS=ES=SS=0，各 GR=0 。 ==起始地址 0FFFF:0 （ P23 表 1.4 ）

CLK 时钟输入端接至 8284 集成电路的输出端，由 8284提供8088所需的 4 ． 77M， 33％占空比（即 1／ 3周期为高电平， 2／ 3周期为低电平）的系统时钟信号 T=2.096 微秒

(完成微机基本功能的基本信号 )


8086 ／ 8088 的工作方式 MIN

锁存器：74LS373i8282/8283

（双向）缓冲器74LS245i8286/8287

－单 CPU 模式 (P21图 1.13)


8086 ／ 8088 的工作方式 MAX

锁存器

双向总线缓冲器

总线控制器 8288

P26 图 1.14


8086/8088 工作过程（时序）RESET 复位 FFFF:0取第一条指令 TCLK 控制操作逻辑（不同指令实现不同操作、处理功能：计算、读写寄存器／存储器／ IO 口）

典型 BIU 时序

指令周期


时钟周期、总线周期和指令周期每两个时钟脉冲上升（下降）沿之间的时间间隔称为 T 状态，也称为时钟周期（ Clock Cycle ）

T

CPU从存储器或输入 /输出端口，存取一个字节（或字）所要花费的时间称为一个总线周期（ Bus Cycle ）执行一条指令所需要的时间称为指令周期（ Instruction Cycle ）

MOV AX, BX ;2T MOV AX, [1000H] 10T, 1次传送 ADD [BX], AL ； 16T＋ EA ， 2次传送


8086/8088 时序例－存储器写

T1 ：输出地址； T2 ：总线转向； T3: 存储器访问； T4: 结束


小结 1．外部设备一定要通过 I/O 接口才能与主机相连；2． CPU 内寄存器只能放暂存信息，主要信息放在存储器中；3．原始数据（数值数据、非数值数据（如人名等字符）编码压缩数据（位、半字节、字节、字、双字）信息 / 程序4． 3 的 ASCII 码表示， *011 0011B，MSB*=0 表示标准 ASCII （西文）， 1扩展 ASCII— 数据、中文等， GB 码 ----内码（ GB 码 MSB=1 ）；MIMH （ 64 ）5． 8086 数据总线 16 位； 8088 为 8 位；字长 =ALU 数据宽度6.　 8086/8088 硬件工作过程： RESETTCLK 控制－时序电路；时钟周期、总线周期和指令周期第二章

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教育部精品课程 《 微机系统与接口 》

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