微机原理课程综述

HEFEI UNIVERSITY

微型计算机原理与接口技术课程综述

系别电子信息与电气工程系

专业电气自动化

班级 09自动化1班

姓名王典

指导老师王敬生

完成时间 2012年1月1号

微型计算机原理及其接口技术课程综述

09自动化（1）班王典学号0905072002

摘要：

和串口通信和可编程接口芯片8251A等等内容。当今社会计算机领域发展十分迅速，随着计算机处理速度的更新换代频率越来越快，人类信息文明依然高度发达。作为一个当代大学生掌握计算机相关的知识时是很必要的。而要从基础入手去了解计算机的处理过程和运算规则，《原理以及接口技术》恰恰给了我们指引，引导我们从计算机的原理处去了解计算机系统整个的工作流程。微机原理与接口技术这门课程通过pc机及其兼容机的80X86 系列这个主线，分析了计算机的工作原理和接口技术，培养了我们对微型计算机应用系统的认知和分析的能力。本门课程主要内容包括：86系列微处理器芯片，汇编语言上的设计，存储器以及I/O接口和总线，微型计算机的中端系统、可编程计数/定时器8253及其应用、可编程外围接口芯片8255A及其应用

关键字：cpu 存储器总线汇编语言

正文：

一，计算机发展史：

1．第一代电子计算机

第一代电于计算机是从1946年至1958年。它们体积较大，运算速度较低，存储容量不大，而且价格昂贵。使用也不方便，为了解决一个问题，所编制的程序的复杂程度难以表述。这一代计算机主要用于科学计算，只在重要部门或科学研究部门使用。

第二代电子计算机，第二代计算机是从1958年到1965年，它们全部采用晶体管作为电子器件，其运算速度比第一代计算机的速度提高了近百倍，体积为原来的几十分之一。在软件方面开始使用计算机算法语言。这一代计算机不仅用于科学计算，还用于数据处理和事务处理及工业控制。

第三代计算机是从1965年到1970年。这一时期的主要特征是以中、小规模集成电路为电子器件，并且出现操作系统，使计算机的功能越来越强，应用范围越来越广。它们不仅用于科学计算，还用于文字处理、企业管理、自动控制等领域，出现了计算机技术与通信技术相结合的信息管理系统，可用于生产管理、交通管理、情报检索等领域。

第四代计算机是指从1970年以后采用大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）为主要电子器件制成的计算机。例如80386微处理器，在面积

约为10mm X l0mm的单个芯片上，可以集成大约32万个晶体管。第四代计算机的另一个重要分支是以大规模、超大规模集成电路为基础发展起来的微处理器和微型计算机。

微型计算机的发展大致经历了四个阶段：

第一阶段是1971～1973年，微处理器有4004、4040、8008。1971年Intel 公司研制出MCS4微型计算机（CPU为4040，四位机）。后来又推出以8008为核心的MCS-8型。

第二阶段是1973～1977年，微型计算机的发展和改进阶段。微处理器有8080、8085、M6800、Z80。初期产品有Intel公司的MCS一80型（CPU为8080，八位机）。后期有TRS-80型（CPU为Z80）和APPLE-II型（CPU为6502），在八十年代初期曾一度风靡世界。

第三阶段是1978～1983年，十六位微型计算机的发展阶段，微处理器有8086、808880186、80286、M68000、Z8000。微型计算机代表产品是IBM-PC（CPU 为8086）。本阶段的顶峰产品是APPLE公司的Macintosh(1984年)和IBM公司的PC／AT286(1986年)微型计算机。

第四阶段便是从1983年开始为32位微型计算机的发展阶段。微处理器相继推出80386、80486。386、486微型计算机是初期产品。1993年，Intel公司推出了Pentium或称P5（中文译名为"奔腾"）的微处理器，它具有64位的内部数据通道。现在Pentium III（也有人称P7）微处理器己成为了主流产品，预计Pentium IV 将在2000年10月推出。

由此可见，微型计算机的性能主要取决于它的核心器件——微处理器（CPU）的性能。

第五代计算机将把信息采集、存储、处理、通信和人工智能结合一起具有形式推理、联想、学习和解释能力。它的系统结构将突破传统的冯·诺依曼机器的概念，实现高度的并行处理。

二，8086的系统结构：

在8086系统结构中。其中寄存器的种类很多，非常容易混淆，先列举如下：CS-代码段寄存器，DS-数据段寄存器，ES-附加段寄存器，SS-堆栈段寄存器。另外还有标志寄存器：CF-进位寄存器，PF-奇偶校验标志位，AF-辅助进位标志位，ZF-全零标志位，SF-符号标志位，OF-溢出标志位，TF-单步标志位，IF-中断标志位，DF-方向标志位，对于这些标志位的熟练掌握，对于我们以后对汇编的学习都有深刻的影响。比如在第三章的学习中，JC，JNC等的选择都与CF的标志位有关系。第二章还简单的介绍了8086CPU的引脚和功能，和8086的储存器组织，对于这些内容的熟练掌握，为我们以后在第五章储存器的学习打下基础。在

第二章8086系统的配置中，8086CPU的时序是一个难点，时序图的熟练识别，对以后关于各种芯片时序的学习都有很重要的意义。

简单介绍一下BIU与EU的工作过程：

总线接口部件（BIU）和执行部件（EU）按以下流水线技术原则协调工作，共同完成所要求的信息处理任务：

一，每当8086的指令队列中有两个空字节，或8088的指令队列中有一个空字节时，BIU就会自动把指令取到指令队列中。其取指的顺序是按指令在程序中出现的前后顺序。

二，每当EU准备执行一条指令时，它会从BIU部件的指令队列前部取出指令的代码，然后用几个时钟周期去执行指令。在执行指令的过程中，如果必须访问存储器或者I／O端口，那么EU就会请求BIU，进入总线周期，完成访问内存或者I／O端口的操作；如果此时BIU正好处于空闲状态，会立即响应EU的总线请求。如BIU正将某个指令字节取到指令队列中，则BIU将首先完成这个取指令的总线周期，然后再去响应EU发出的访问总线的请求。

三，当指令队列已满，且EU又没有总线访问请求时，BIU便进入空闲状态。

四，在执行转移指令、调用指令和返回指令时，由于待执行指令的顺序发生了变化，则指令队列中已经装入的字节被自动消除，BIU会接着往指令队列装入转向的另一程序段中的指令代码。

有以上内容可以看出BIU与EU它们两者的工作是不同步的，正是这种既相互独立又相互配合的关系，使得8086/8088可以在执行指令的同时，进行取指令代码的操作，也就是说BIU与EU是一种并行工作方式，改变了以往计算机取指令→译码→执行指令的串行工作方式，大大提高了工作效率，。

三，8086寻址方式和指令系统：

计算机指令通常包含操作码和操作数两部分，前者指出操作的性质，后者给出操作的对象。寻址方式就是指令中说明操作数所在的地址的方法。8086访问操作数采用多种灵活的寻址方式，是指令系统可以方便的在1M存储空间内寻址。指令分为单操作数、双操作数和无操作数之分。如果是双操作数指令，要用逗号将两个操作数隔开。逗号右边的称为源操作数，左边的称为目的操作数。例如：将寄存器CX中的内容送进寄存器AX的指令为MOV AX,CX 其中AX为目的操作数，CX为源操作数。

汇编语言程序格式

介绍两条常用指令：MOV 和 ADD

MOV dst, src ; (dst) (src)

助记符目的源操作数

操作数

例: MOV AH,BL MOV AX,1234H

ADD dst, src ; (dst) (dst)+(src)

↑ ↑ ↑

助记符目的源操作数

在本章中介绍了大良的指令，如数据传送指令，算数运算指令，逻辑运算和移位指令等，这些都是汇编的基础，，在刚开始进行学习时，对于其中的很多指令，格式都感到难以理解，无法记忆，比如MOV AX,[2000H]的意义是操作数的物理地址=16*DS+2000H，又如MOV AX,ES:[500H]实现段超越，物理地址为

16*ES+500H，加法：ADD(加法),ADC（带符号的加法），INC（增量）DAA（加法的十进制调整），减法：SUB（减法），DAS（减法的十进制调整），乘法：MUL，NOT （取反）AND（与）OR(或)XOR(异或)TEST（测试）SHL（逻辑左移）SHR（逻辑右移），特别是一些关于字符串的处理指令，还有隐含规定，这些死记硬背是没用的，可以在第四章的学习中结合汇编语言程序的实例加以理解，记忆。比如对寻址方式小结：固定寻址：操作数固定在某个寄存器中，寄存器寻址：操作数在某个寄存器中，立即数寻址：操作数就是操作码后跟的立即数。又如，MOV d, s 它的功能是将源操作数s复制到目标操作数d，源保持不变，目标被源代替。在这条指令中应当注意的是

一，d, s不能同时为存储器如：MOV [BX]，[SI] 就是错误的。

二，不能为立即数错误指令如：MOV 1234H，AX 第三， d, s必须同时为字节型或字型错误指令如：MOV AX，BL。指令后的分号“；”以后为注释部分，对指令的执行没有任何影响，主要是便于阅读或解释指令的功能。这些都可以在以后的学习中加以深化，经常看一些经典程序，有利于我们对这些指令的理解。四，汇编语言程序设计：

汇编语言是一种功能很强的程序设计语言，也是利用计算机所有硬件特性并能直接控制硬件的语言。汇编语言，作为一门语言，对应于高级语言的编译器，需要一个“汇编器”来把汇编语言原文件汇编成机器可执行的代码。高级的汇编器如MASM，TASM等等为我们写汇编程序提供了很多类似于高级语言的特征，比如结构化、抽象等。在这样的环境中编写的汇编程序，有很大一部分是面向汇编器的伪指令，已经类同于高级语言。现在的汇编环境已经如此高级，即使全部用汇编语言来编写windows的应用程序也是可行的，但这不是汇编语言的长处。汇

编语言的长处在于编写高效且需要对机器硬件精确控制的程序。

本章的重点是阅读程序和编写程序。本章知识要点有：汇编语言语句类别：实指令语句、伪指令语句、宏指令语句，程序基本机构：顺序结构、分支结构、循环结构、过程（子程序）------参数传递途径：寄存器约定、存储器约定、堆栈传递，程序开发步骤：编辑------汇编-----链接------调试程序。伪指令语句：符号定义指令EQU、=，数据定义伪指令DBDWDD……,段定义伪指令SEGMENTENDS,过程定义伪指令PROC……ENDP段指派伪指令ASSUME程序定位伪指令ORG汇编结束伪指令END。变量也有三种属性：段、偏移量和类型。

五，存储器：

存储器是用来存储微型计算机工作时使用的信息（程序和数据）的部件，正是因为有了存储器，计算机才有信息记忆功能。

按这种定义，计算机的存储器可分为两大类：

一类叫内部存储器（简称内存或主存）；另一类叫外部存储器（简称外存）。

内部存储器也叫内存，是主存储器，位于计算机内部，用来存放系统软件和当前正在使用的或者经常使用的程序和数据，cpu可以直接访问。内部存储器主要是半导体存储器，存取速度快。内部存储器按照储存类别又可分为随机存储器RAM和只读存储器ROM。

外部存储器简称为外存，是辅助存储器。外村的最大优点是容量大、所以存储的信息即可以修改，也可以保存。但是存取速度较慢，而且要有专门设备来管理，比如，蠕动器、控制芯片等。外部存储器容量不受限制，也称为海量存储器。

存储容量是存储器系统的首要性能指标，因为存储容量越大，则系统能够保存的信息量就越多，相应计算机系统的功能就越强；存储器的存取速度直接决定了整个微机系统的运行速度，因此，存取速度也是存储器系统的重要的性能指标；存储器的成本也是存储器系统的重要性能指标。为了在存储器系统中兼顾以上三个方面的指标，目前在计算机系统中通常采用三级存储器结构，即使用高速缓冲存储器、主存储器和辅助存储器，由这三者构成一个统一的存储系统。从整体看，其速度接近高速缓存的速度，其容量接近辅存的容量，而其成本则接近廉价慢速的辅存平均价格。

六，I/O接口和总线：

I/O接口技术在微机系统中占有重要地位，本章首先从应用角度出发，介绍I/O接口的相关知识，然后重点讲述可编程并行接口芯片8255A、定时/计数器接口芯片8254、串行接口芯片8250、DMA控制器接口芯片8237A和DAC0832、ADC0809转换器的功能、内部结构、工作方式、初始化编程及其应用实例，最后简单介绍了多功能外围接口芯片组82C206和82371的内部结构和功能。

I/O接口是"输入输出接口电路"的简称.他通过地址总线,数据总线和控制总线与cpu相连,是连接机箱内部设备和外围设备的一个枢纽,在计算机借口中

处于极其重要的地位

七，微型计算机中断系统：

本章我们主要了解了微机的中断系统，因为考虑到中断响应之后系统要返回断点执行，程序计数器PC内有程序指令的地址，中断时要换成中断服务程序的地址。用硬件的方法是因为响应快速，提高CPU的效率。

DMA 传送方式的优先级高于程序中断，两者的区别主要表现在对CPU的干扰程度不同。中断请求不但使CPU停下来，而且要CPU执行中断服务程序为中断请求服务，这个请求包括了对断点和现场的处理以及CPU与外设的传送，所以CPU付出了很多的代价；DMA请求仅仅使CPU暂停一下，不需要对断点和现场的处理，并且是由DMA控制外设与主存之间的数据传送，无需CPU的干预，DMA只是借用了一点CPU的时间而已。还有一个区别就是，CPU对这两个请求的响应时间不同，对中断请求一般都在执行完一条指令的时钟周期末尾响应，而对DMA的请求，由于考虑它得高效性，CPU在每条指令执行的各个阶段之中都可以让给DMA使用，是立即响应。

DMA主要由硬件来实现，此时高速外设和内存之间进行数据交换不通过CPU 的控制，而是利用系统总线。DMA方式是I/O系统与主机交换数据的主要方式之一，另外还有程序查询方式和中断方式。

八，可编程计数器/定时器8253及其应用：

8253具有3个独立的16位计数器,6种不同的工作方式。

计数寄存器用来寄存计数初值,计数工作单元为16位减1计数器,它的初值便是计数寄存器内容,计数单元对CLK脉冲计数,每出现一个CLK脉冲,计数器减1,当减为零时,通过OUT输出指示信号表明计数单元已为零。当作为定时器工作时,每当计数单元为零时,计数寄存器内容会自动重新装入计数单元,而且CLK输入是均匀的脉冲序列,于是OUT输出频率是降低了的(相对于CLK信号频率)脉冲序列。

当作为计数器工作时,表明只关心在CLK端出现(代表事件)的脉冲个数,当CLK端出现了规定个数的脉冲时,OUT输出一个脉冲信号。

可编程计数器/定时器8253一共有6种工作方式：方式0：计数结束中断方式，方式1：可编程单稳态输出方式，方式2：比率发生器（分频器），方式3：方波发生器，方式4：软件触发选通，方式5：硬件触发选通。

九，可编程外围接口芯片8255A及其应用：

8255A的基本特性：

1、8255A是一个具有两个8位（A和B口）和两个4位（C口高／低四位），最多可达24位的并行输入输出端口的接口芯片，它为Intel系列CPU与外部设备之间提供TTL电平兼容的接口，如打印机、A／D、D／A转换器、键盘、步进电机以及需要同时两位以上信息传送的一切形式的并行接口。并且它的PC口还具有按位置位／复位功能，为PC口作为联络信号时的按位控制提供了强有力的支持。

2、8255A能适应CPU与I／O接口之间的多种数据传送方式的要求。如无条件传送，应答方式（查询）传送，中断方式传送，与此相应，8255A设置了方式0、方式1以及方式2（双向传送）。

3、8255A可执行功能很强，内容丰富的两条命令（方式字和控制字）为用户如何根据外界条件（I／O设备需要哪些信号线以及它能提供哪些状态线）来使用8255A构成多种接口电路，为组建微机应用系统提供了灵活方便的编程环境。它不仅作为并行接口用于Intel公司的CPU 系列，还可用于其他几乎所有CPU以及单片机。是一种名付其实的通用并行接口芯片。8255A执行命令过程中和执行命令完毕之后，所产生的状态，保留在状态字中，以供查询。

4、8255A PC口的使用比较特殊，除作数据口外，当工作在1方式和2方式时，它的部分信号线被分配作专用联络信号；PC 口可以进行按位控制；在CPU 取8255A状态时，PC口又作1，2方式的状态口用等等。这是使用8255的难点所在，学习时要特别予以注意。

5、8255A芯片内部主要由控制寄存器、状态寄存器和数据寄存器组成，因此，以后的编程主要也是对这三类寄存器进行访问。

十，串行通信和可编程接口芯片8251A

串行接口与通信概述：

1、并行通信与串行通信

数据通信的基本方式可分为两种：并行通信与串行通信并行通信是指利用多条数据传输线将一个数据的各位同时传送。特点是传输速度快，适用于短距离通信。串行通信是指利用一条传输线将数据一位位地顺序传送。特点是通信线路简单，利用电话或电报线路就可实现通信，降低成本，适用于远距离通信，但传输速度慢。

2、串行通信方式

串行通信分为两种方式：异步通信（ASYNC）与同步通信(SYNC)。a．异步通信及其协议异步通信以一个字符为传输单位，通信中两个字符间的时间间隔是不固定

的，然而在同一个字符中的两个相邻位代码间的时间间隔是固定的。通信协议（通信规程）是通信双方约定的一些规则。传送一个字符的信息格式：规定有起始位、数据位、奇偶校验位、停止位等，其中各位的意义如下：

①起始位先发出一个逻辑”0”信号，表示传输字符的开始。

②数据位紧接着起始位之后。数据位的个数可以是5、6、7、8等，构成一个字符。通常采用ASCII码。从最低位开始传送，靠时钟定位。

③奇偶校验位数据位加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)，以此来校验数据传送的正确性。

④停止位它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5位、2位的高电平。

⑤空闲位处于逻辑“1”状态，表示当前线路上没有数据传送。

波特率是衡量数据传送速率的指标。表示每秒钟传送的二进制位数。例如数据传送速率为120字符/秒，而每一个字符为10位，则其传送的波特率为10×120＝1200字符/秒＝1200波特。

注：异步通信是按字符传输的，接收设备在收到起始信号之后只要在一个字符的传输时间内能和发送设备保持同步就能正确接收。下一个字符起始位的到来又使同步重新校准。

b．同步串行通信及其规程

同步通信以一个帧为传输单位，每个帧中包含有多个字符。在通信过程中，每个字符间的时间间隔是相等的，而且每个字符中各相邻位代码间的时间间隔也是固定的

同步通信的规程有以下两种

①面向比特(bit)型规程以二进制位作为信息单位。现代计算机网络大多采用此类规程。最典型的是HDLC(高级数据链路控制)通信规程。

②面向字符型规程以字符作为信息单位。字符是EBCD码或ASCII码。最典型的是IBM公司的二进制同步控制规程(BSC规程)。在这种控制规程下，发送端与接收端采用交互应答式进行通信。

十一，模数（A/D）和模数（D/A）转换：

1、D／A转换器及其接口

D/A转换器的功能是把二进制数字量电信号转换为与其数值成正比的模拟量电信号。在D/A参数中一个最重要的参数就是分辨率，它是指输人数字量发生单位数码变化时，所对应输出模拟量(电压或电流)的变化量。实现D/A转换器和微型计算机接口技术的关键是数据锁存问题。有些D/A转换器芯片本身带有锁存器，但也有些D/A从转换器芯片本身不带锁存器。此时一些并口芯片如8212，74LS273及可编程的并行I/O接口芯片8255A均可作为D/A转换的锁存器。

2、A/D转换原理

常用的A/D有并行A/D、逐次逼近A/D、双积分A/D。A／D转换与微机接口技术原理

a.三态总线输入问题

有的ADC芯片带有三态输出缓冲器，其控制端为OE(输出允许)。若不带三态缓冲器的ADC芯片(如AD570芯片)与微机接口，必须使用三态器件，如：8255A，74LS273等。

b.时间配合问题

A/D芯片一般有三个信号要求控制：启动转换信号(START)，转换结束信号(EOC)，允许输出信号(OE)。

学习方法总结：

《微机原理与接口技术》这门课程会分章节讲述构成微机的中央处理器，系统总线，存储器，输入输出设备和一些典型的接口电路以及它们的工作原理。我们知道微机是一个有机的整体，要讲清楚任何一个部件的工作原理都不可能只单独将这一部件拿出来讲，必然涉及到其他新部件，而其他新部件我们还没接触到，所以经常出现一个知识点还没讲清楚，又出现新的疑问，在整个课程的学习当中疑问会一直存在，直至该课程结束，也就是说只有到学期末所有的疑问才能搞清楚。还有这门课中最难的地方在第二章，本章知识理解起来困难，并且有大量内容（几乎全部内容）要求在理解的基础上记忆以便为后续的学习奠定基础，而这时学生刚刚开始接触这门课程便一下子觉得很难，容易产生放弃的思想。所以教师在整个学期中特别是学期初一定要不断鼓励学生：学习中存在问题是很正常的，随着进一步学习问题会得到解决，关键是坚持，树立学习信心。

学习了微机原理这门课程是我们从一个对汇编语言和计算机接口技术毫无了解的门外汉变得已经可以完成一些小的课程设计。虽然还停留在很浅显的层次，但是学到的知识是十分宝贵的帮助我掌握微型计算机的硬件组成及使用；学会运用指令系统和汇编语言进行程序设计；熟悉各种类型的接口及其应用，树立起微型计算机体系结构的基本概念，为后续计算机课程的学习和应用打好基础。在此非常感谢王老师的悉心指导。