微機(jī)原理及應(yīng)用綜述微機(jī)原理與接口技術(shù)

1、HEFEI UNIVERSITY20142015學(xué)年第2學(xué)期微控制器原理及應(yīng)用課程綜述系別 電子信息與電氣工程系 專業(yè) 自動(dòng)化專業(yè) 班 級(jí) 13自動(dòng)化卓越班 姓名 畢凱 1305032032 指導(dǎo) 老師 王敬生 完成 時(shí)間 2015年6月18日 微控制器原理及應(yīng)用課程綜述摘要當(dāng)今社會(huì)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域發(fā)展十分迅速，隨著計(jì)算機(jī)處理速度的更新?lián)Q代頻率越來越快，人類信息文明依然高度發(fā)達(dá)。作為一個(gè)當(dāng)代大學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)相關(guān)的知識(shí)時(shí)是很必要的。而要從基礎(chǔ)入手去了解計(jì)算機(jī)的處理過程和運(yùn)算規(guī)則，原理以及接口技術(shù)恰恰給了我們指引，引導(dǎo)我們從計(jì)算機(jī)的原理處去了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整個(gè)的工作流程。微機(jī)原理與接口技術(shù)這門課程通過pc

2、機(jī)及其兼容機(jī)的80X86 系列這個(gè)主線，分析了計(jì)算機(jī)的工作原理和接口技術(shù)，培養(yǎng)了我們對微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的認(rèn)知和分析的能力。本門課程主要內(nèi)容包括：86系列微處理器芯片，匯編語言上的設(shè)計(jì)，存儲(chǔ)器以及I/O接口和總線，微型計(jì)算機(jī)的中端系統(tǒng)、可編程計(jì)數(shù)/定時(shí)器8253及其應(yīng)用、可編程外圍接口芯片8259A及其應(yīng)用“微機(jī)原理與接口技術(shù)”是一門實(shí)踐性和實(shí)用性都很強(qiáng)的課程，學(xué)習(xí)的目的在于應(yīng)用。本課程設(shè)計(jì)是配合“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課堂教學(xué)的一個(gè)重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，它能起到鞏固課堂和書本上所學(xué)知識(shí)，加強(qiáng)綜合能力，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平，啟發(fā)創(chuàng)新思想的效果。我們希望每個(gè)學(xué)生都能自己動(dòng)手獨(dú)立設(shè)計(jì)完成一個(gè)典型的微機(jī)應(yīng)用

3、小系統(tǒng)。關(guān)鍵字： cpu ；存儲(chǔ)器； 總線；匯編語言1. 微型計(jì)算機(jī)的概述1.1 發(fā)展概況1946-1958 第一代電子管計(jì)算機(jī)。磁鼓存儲(chǔ)器，機(jī)器語言、匯編語言編程。世界上第一臺(tái)數(shù)字計(jì)算機(jī)ENIAC。1958-1964 第二代晶體管計(jì)算機(jī)。磁芯作主存儲(chǔ)器, 磁盤作外存儲(chǔ)器，開始使用高級(jí)語言編程。1964-1971 第三代集成電路計(jì)算機(jī)。使用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，出現(xiàn)多終端計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。1971- 第四代大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)。出現(xiàn)微型計(jì)算機(jī)、單片微型計(jì)算機(jī)，外部設(shè)備多樣化。1981- 第五代人工智能計(jì)算機(jī)。模擬人的智能和交流方式。1946年由美國賓夕法尼亞大學(xué)研制 ENIAC（Electronic

4、 Numerical Integrator And calculator），運(yùn)算速度 5000次/秒，功耗150kw/h，占地170m2 ，造價(jià)100萬美元。1.2微型計(jì)算機(jī)的硬件體系結(jié)構(gòu) 運(yùn)算器和控制器被集成在一片被稱之為CPU的芯片中，它是微機(jī)的運(yùn)算、控制中心，用來實(shí)現(xiàn)算術(shù)、邏輯運(yùn)算，并對全機(jī)進(jìn)行控制。 存儲(chǔ)器（又稱為主存或內(nèi)存）用來存儲(chǔ)程序或數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)要執(zhí)行的程序以及要處理的數(shù)據(jù)都要事先裝入到內(nèi)存中才能被CPU執(zhí)行或訪問。 輸入/輸出(I/O)接口是微機(jī)與輸入輸出設(shè)備之間的橋梁，這種接口電路又稱做“I/O適配器”（I/O Adapter）。這里有必要強(qiáng)調(diào)一下大容量外存儲(chǔ)器與內(nèi)存儲(chǔ)器（主

5、存或內(nèi)存）之間的關(guān)系。由于微型計(jì)算機(jī)內(nèi)存容量有限，所以使用大容量的外存儲(chǔ)器作為內(nèi)存的后援設(shè)備，它的容量可以比內(nèi)存大很多，但存取速度卻比內(nèi)存慢得多。所以，除必要的系統(tǒng)程序外，一般程序（包括數(shù)據(jù)）都存放在外存中，只有在運(yùn)行時(shí)，才把它從外存?zhèn)魉偷絻?nèi)存的某個(gè)區(qū)域，再由CPU控制執(zhí)行。圖2 微型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2. 8086的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：圖3 8086CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖8086CPU是由EU和BIU組成：總線接口部件（BIU）和執(zhí)行部件（EU）按以下流水線技術(shù)原則協(xié)調(diào)工作，共同完成所要求的信息處理任務(wù)：一，每當(dāng)8086的指令隊(duì)列中有兩個(gè)空字節(jié)，或8088的指令隊(duì)列中有一個(gè)空字節(jié)時(shí)，BIU就會(huì)自動(dòng)把指令取

6、到指令隊(duì)列中。其取指的順序是按指令在程序中出現(xiàn)的前后順序。二，每當(dāng)EU準(zhǔn)備執(zhí)行一條指令時(shí)，它會(huì)從BIU部件的指令隊(duì)列前部取出指令的代碼，然后用幾個(gè)時(shí)鐘周期去執(zhí)行指令。在執(zhí)行指令的過程中，如果必須訪問存儲(chǔ)器或者IO端口，那么EU就會(huì)請求BIU，進(jìn)入總線周期，完成訪問內(nèi)存或者IO端口的操作；如果此時(shí)BIU正好處于空閑狀態(tài)，會(huì)立即響應(yīng)EU的總線請求。如BIU正將某個(gè)指令字節(jié)取到指令隊(duì)列中，則BIU將首先完成這個(gè)取指令的總線周期，然后再去響應(yīng)EU發(fā)出的訪問總線的請求。三，當(dāng)指令隊(duì)列已滿，且EU又沒有總線訪問請求時(shí)，BIU便進(jìn)入空閑狀態(tài)。四，在執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令、調(diào)用指令和返回指令時(shí)，由于待執(zhí)行指令的順序發(fā)生

7、了變化，則指令隊(duì)列中已經(jīng)裝入的字節(jié)被自動(dòng)消除，BIU會(huì)接著往指令隊(duì)列裝入轉(zhuǎn)向的另一程序段中的指令代碼。有以上內(nèi)容可以看出BIU與EU它們兩者的工作是不同步的，正是這種既相互獨(dú)立又相互配合的關(guān)系，使得8086/8088可以在執(zhí)行指令的同時(shí)，進(jìn)行取指令代碼的操作，也就是說BIU與EU是一種并行工作方式，改變了以往計(jì)算機(jī)取指令譯碼執(zhí)行指令的串行工作方式，大大提高了工作效率，。 3. 8086尋址方式和指令系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)指令通常包含操作碼和操作數(shù)兩部分，前者指出操作的性質(zhì)，后者給出操作的對象。尋址方式就是指令中說明操作數(shù)所在的地址的方法。8086訪問操作數(shù)采用多種靈活的尋址方式，是指令系統(tǒng)可以方便的在1

8、M存儲(chǔ)空間內(nèi)尋址。指令分為單操作數(shù)、雙操作數(shù)和無操作數(shù)之分。如果是雙操作數(shù)指令，要用逗號(hào)將兩個(gè)操作數(shù)隔開。逗號(hào)右邊的稱為源操作數(shù)，左邊的稱為目的操作數(shù)。例如：將寄存器CX中的內(nèi)容送進(jìn)寄存器AX的指令為MOV AX,CX 其中AX為目的操作數(shù)，CX為源操作數(shù)。匯編語言程序格式介紹兩條常用指令：MOV 和 ADDMOV dst, src ; (dst) (src)助記符 目的 源操作數(shù)操作數(shù)例: MOV AH,BL MOV AX,1234HADD dst, src ; (dst) (dst)+(src) 助記符 目的 源操作數(shù)在本章中介紹了大良的指令，如數(shù)據(jù)傳送指令，算數(shù)運(yùn)算指令，邏輯運(yùn)算和移位指

9、令等，這些都是匯編的基礎(chǔ)，在剛開始進(jìn)行學(xué)習(xí)時(shí)，對于其中的很多指令，格式都感到難以理解，無法記憶，比如MOV AX,2000H的意義是操作數(shù)的物理地址=16*DS+2000H，又如MOV AX,ES:500H實(shí)現(xiàn)段超越，物理地址為16*ES+500H，加法：ADD(加法),ADC（帶符號(hào)的加法），INC（增量）DAA（加法的十進(jìn)制調(diào)整），減法：SUB（減法），DAS（減法的十進(jìn)制調(diào)整），乘法：MUL，NOT（取反）AND（與）OR(或)XOR(異或)TEST（測試）SHL（邏輯左移）SHR（邏輯右移），特別是一些關(guān)于字符串的處理指令，還有隱含規(guī)定，這些死記硬背是沒用的，可以在第四章的學(xué)習(xí)中結(jié)合匯

10、編語言程序的實(shí)例加以理解，記憶。比如對尋址方式小結(jié)：固定尋址：操作數(shù)固定在某個(gè)寄存器中，寄存器尋址：操作數(shù)在某個(gè)寄存器中，立即數(shù)尋址：操作數(shù)就是操作碼后跟的立即數(shù)。又如，MOV d, s它的功能是將源操作數(shù)s復(fù)制到目標(biāo)操作數(shù)d，源保持不變，目標(biāo)被源代替。在這條指令中應(yīng)當(dāng)注意的是一，d, s不能同時(shí)為存儲(chǔ)器如：MOV BX，SI 就是錯(cuò)誤的 。二，不能為立即數(shù) 錯(cuò)誤指令如：MOV 1234H，AX 三， d, s必須同時(shí)為字節(jié)型或字型錯(cuò)誤指令如：MOV AX，BL。指令后的分號(hào)“；”以后為注釋部分，對指令的執(zhí)行沒有任何影響，主要是便于閱讀或解釋指令的功能。這些都可以在以后的學(xué)習(xí)中加以深化，經(jīng)?？?/p>

11、一些經(jīng)典程序，有利于我們對這些指令的理解。4. 匯編語言程序設(shè)計(jì)：匯編語言是一種功能很強(qiáng)的程序設(shè)計(jì)語言，也是利用計(jì)算機(jī)所有硬件特性并能直接控制硬件的語言。匯編語言，作為一門語言，對應(yīng)于高級(jí)語言的編譯器，需要一個(gè)“匯編器”來把匯編語言原文件匯編成機(jī)器可執(zhí)行的代碼。高級(jí)的匯編器如MASM，TASM等等為我們寫匯編程序提供了很多類似于高級(jí)語言的特征，比如結(jié)構(gòu)化、抽象等。在這樣的環(huán)境中編寫的匯編程序，有很大一部分是面向匯編器的偽指令，已經(jīng)類同于高級(jí)語言?，F(xiàn)在的匯編環(huán)境已經(jīng)如此高級(jí)，即使全部用匯編語言來編寫windows的應(yīng)用程序也是可行的，但這不是匯編語言的長處。匯編語言的長處在于編寫高效且需要對機(jī)器

12、硬件精確控制的程序。本章的重點(diǎn)是閱讀程序和編寫程序。本章知識(shí)要點(diǎn)有：匯編語言語句類別：實(shí)指令語句、偽指令語句、宏指令語句，程序基本機(jī)構(gòu)：順序結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)、過程（子程序）-參數(shù)傳遞途徑：寄存器約定、存儲(chǔ)器約定、堆棧傳遞，程序開發(fā)步驟：編輯-匯編-鏈接-調(diào)試程序。偽指令語句：符號(hào)定義指令EQU、=，數(shù)據(jù)定義偽指令DBDWDD,段定義偽指令SEGMENTENDS,過程定義偽指令PROCENDP段指派偽指令A(yù)SSUME程序定位偽指令ORG匯編結(jié)束偽指令END。變量也有三種屬性：段、偏移量和類型。5 存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)器是用來存儲(chǔ)微型計(jì)算機(jī)工作時(shí)使用的信息（程序和數(shù)據(jù)）的部件，正是因?yàn)橛辛舜鎯?chǔ)器，

13、計(jì)算機(jī)才有信息記憶功能。按這種定義，計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器可分為兩大類：一類叫內(nèi)部存儲(chǔ)器（簡稱內(nèi)存或主存）；另一類叫外部存儲(chǔ)器（簡稱外存）。 內(nèi)部存儲(chǔ)器也叫內(nèi)存，是主存儲(chǔ)器，位于計(jì)算機(jī)內(nèi)部，用來存放系統(tǒng)軟件和當(dāng)前正在使用的或者經(jīng)常使用的程序和數(shù)據(jù)，cpu可以直接訪問。內(nèi)部存儲(chǔ)器主要是半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，存取速度快。內(nèi)部存儲(chǔ)器按照儲(chǔ)存類別又可分為隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM和只讀存儲(chǔ)器ROM。外部存儲(chǔ)器簡稱為外存，是輔助存儲(chǔ)器。外村的最大優(yōu)點(diǎn)是容量大、所以存儲(chǔ)的信息即可以修改，也可以保存。但是存取速度較慢，而且要有專門設(shè)備來管理，比如，蠕動(dòng)器、控制芯片等。外部存儲(chǔ)器容量不受限制，也稱為海量存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)容量是存儲(chǔ)器系統(tǒng)的首

14、要性能指標(biāo)，因?yàn)榇鎯?chǔ)容量越大，則系統(tǒng)能夠保存的信息量就越多，相應(yīng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能就越強(qiáng)；存儲(chǔ)器的存取速度直接決定了整個(gè)微機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行速度，因此，存取速度也是存儲(chǔ)器系統(tǒng)的重要的性能指標(biāo)；存儲(chǔ)器的成本也是存儲(chǔ)器系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)。為了在存儲(chǔ)器系統(tǒng)中兼顧以上三個(gè)方面的指標(biāo)，目前在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中通常采用三級(jí)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，即使用高速緩沖存儲(chǔ)器、主存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)器，由這三者構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的存儲(chǔ)系統(tǒng)。從整體看，其速度接近高速緩存的速度，其容量接近輔存的容量，而其成本則接近廉價(jià)慢速的輔存平均價(jià)格。6 I/O接口和總線圖4 獨(dú)立編址I/OI/O接口技術(shù)在微機(jī)系統(tǒng)中占有重要地位，本章首先從應(yīng)用角度出發(fā)，介紹I/O接口

15、的相關(guān)知識(shí)，然后重點(diǎn)講述可編程并行接口芯片8255A、定時(shí)/計(jì)數(shù)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轉(zhuǎn)換器的功能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作方式、初始化編程及其應(yīng)用實(shí)例，最后簡單介紹了多功能外圍接口芯片組82C206和82371的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能。I/O接口是"輸入輸出接口電路"的簡稱.他通過地址總線,數(shù)據(jù)總線和控制總線與cpu相連,是連接機(jī)箱內(nèi)部設(shè)備和外圍設(shè)備的一個(gè)樞紐,在計(jì)算機(jī)借口中處于極其重要的地位7 微型計(jì)算機(jī)中斷系統(tǒng)：本章我們主要了解了微機(jī)的中斷系統(tǒng)，因?yàn)榭紤]到中斷響應(yīng)之后系統(tǒng)要返回?cái)帱c(diǎn)執(zhí)行，程序計(jì)數(shù)器PC內(nèi)有

16、程序指令的地址，中斷時(shí)要換成中斷服務(wù)程序的地址。用硬件的方法是因?yàn)轫憫?yīng)快速，提高CPU的效率。DMA 傳送方式的優(yōu)先級(jí)高于程序中斷，兩者的區(qū)別主要表現(xiàn)在對CPU的干擾程度不同。中斷請求不但使CPU停下來，而且要CPU執(zhí)行中斷服務(wù)程序?yàn)橹袛嗾埱蠓?wù)，這個(gè)請求包括了對斷點(diǎn)和現(xiàn)場的處理以及CPU與外設(shè)的傳送，所以CPU付出了很多的代價(jià)；DMA請求僅僅使CPU暫停一下，不需要對斷點(diǎn)和現(xiàn)場的處理，并且是由DMA控制外設(shè)與主存之間的數(shù)據(jù)傳送，無需CPU的干預(yù)，DMA只是借用了一點(diǎn)CPU的時(shí)間而已。還有一個(gè)區(qū)別就是，CPU對這兩個(gè)請求的響應(yīng)時(shí)間不同，對中斷請求一般都在執(zhí)行完一條指令的時(shí)鐘周期末尾響應(yīng)，而對D

17、MA的請求，由于考慮它得高效性，CPU在每條指令執(zhí)行的各個(gè)階段之中都可以讓給DMA使用，是立即響應(yīng)。DMA主要由硬件來實(shí)現(xiàn)，此時(shí)高速外設(shè)和內(nèi)存之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換不通過CPU的控制，而是利用系統(tǒng)總線。DMA方式是I/O系統(tǒng)與主機(jī)交換數(shù)據(jù)的主要方式之一，另外還有程序查詢方式和中斷方式。8.學(xué)習(xí)方法總結(jié)：微機(jī)原理與接口技術(shù)這門課程會(huì)分章節(jié)講述構(gòu)成微機(jī)的中央處理器，系統(tǒng)總線，存儲(chǔ)器，輸入輸出設(shè)備和一些典型的接口電路以及它們的工作原理。我們知道微機(jī)是一個(gè)有機(jī)的整體，要講清楚任何一個(gè)部件的工作原理都不可能只單獨(dú)將這一部件拿出來講，必然涉及到其他新部件，而其他新部件我們還沒接觸到，所以經(jīng)常出現(xiàn)一個(gè)知識(shí)點(diǎn)還沒講清楚，又出現(xiàn)新的疑問，在整個(gè)課程的學(xué)習(xí)當(dāng)中疑問會(huì)一直存在，直至該課程結(jié)束，也就是說只有到學(xué)期末所有的疑問才能搞清楚。還有這門課中最難的地方在第二章，本章知識(shí)理解起來困難，并且有大量內(nèi)容（幾乎全部內(nèi)容）要求在理解的基礎(chǔ)上記憶以便為后續(xù)的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)，而這時(shí)學(xué)生剛剛開始接觸這門