【笔记】微机原理与接口技术

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前言

微机原理与接口技术知识点笔记

逻辑结构

计算机

计算机的定义

  • 可以替代人脑计算的设备

电子计算机的定义

  • 采用电子元件的，可以替代人脑计算的设备

第一台电子计算机

  • 1946年 - ENIAC

计算机根据运算能力的分类

  • 巨型计算机
  • 大型计算机
  • 中小型计算机
  • 微型计算机

计算机的组成结构

  • 冯诺依曼体系结构
    • 对硬件的组成
      1. 运算器
      2. 控制器
      3. 存储器
      4. 输入设备
      5. 输出设备
    • 对软件的执行方法
      • 二进制程序存储执行方式

输入/输出设备包括：接口和外围设备
中央处理单元（CPU）包括：运算器和控制器

因为计算机都是由冯诺依曼体系结构组成的，所以计算机又称冯诺依曼机

冯诺依曼体系结构的根据

  • 图灵说：“世间一切可算之物，都可以转化成无尽的加法”

存储器

存储器的特点

  • 能存数据
  • 数据能被运算器直接访问

存储器的分类

  • 随机存储器（RAM）
    • 内存条
    • 高速缓存（cache）
  • 只读存储器（ROM）
    • BIOS芯片
      • 存储了BIOS程序

随机存储器和只读存储器的区别

  • 断电时数据是否丢失（易失性）

什么是内存

  • 在冯诺依曼体系结构中，内存实质上就是存储器

什么是外存

  • 外存和内存没有任何关系，外存属于输入/输出设备（I/O设备），而内存属于存储器

存储器的工作结构

  • 冯诺依曼结构（通常用在通用计算机）
    • 指令和数据统一存放
      • 指令存放在内存条（RAM）
      • 数据存放在内存条（RAM）
  • 哈佛结构（通常用在嵌入式计算机）
    • 指令和数据分开存放
      • 指令存放在机身内存（ROM）
      • 数据存放在运行内存（RAM）

程序的执行过程

  • 当存储器中没有载入过程序时
    • 中央处理单元先从外存中将程序载入内存，再从内存执行程序
  • 当存储器中已经载入过程序时
    • 中央处理单元直接从内存中执行程序

中央处理单元

CPU的发展史

  1. 1971年，intel的工程师霍尔团队研发出第一款4位二进制CPU：4004
    • 这款4位二进制CPU被称为微处理器
    • 霍尔被称为微处理器之父
  2. 1972-1974年，霍尔团队研发出第一款8位二进制CPU：8008
  3. 1976年，霍尔团队研发出第一款16位二进制CPU：8086
  4. 1981年，IBM公司采用简化版的8086CPU——8088CPU研发第一台微型计算机，机型为PC，代号为XT，以低廉的价格在市场上出售
  5. 1982年，第一款32位CPU诞生：80386
  • 8086以后的CPU架构被称为：x86

微型计算机

微机的定义

  • 采用微处理器为CPU的计算机

微机的结构

  • 微处理器（CPU）
  • 内存
  • I/O接口

微机系统的结构

  • 硬件
    • 微型计算机
    • 外设
  • 软件
    • 系统软件
    • 应用软件
    • 开发调试软件

微机对数据的处理

  • 存储
  • 运算
  • 传输

微机的工作

  • 取指令
  • 存数据
  • 取数据
CPU与内存的工作
  • 取指令
  • 存数据
  • 取数据
CPU与I/O接口的工作
  • 存数据
  • 取数据

数据的流动方向

  • 内存 -> CPU
    • 读/取
  • CPU -> 内存
    • 写/存

总线

总线的定义

  • 凡是用来传输数据的线都被称为总线

总线的分类

  • 内部总线：CPU内部传输数据的总线
  • 外部总线：CPU外部传输数据的总线
    • 系统总线：CPU与内存和I/O接口连接的总线
      • 地址总线（AB）
      • 控制总线（CB）
      • 数据总线（DB）
    • 外围总线：I/O接口与外设连接的总线

内存的单位和单元

  • 内存的最小单位：字节（Byte）

  • 内存的最小单元：位（比特bit）

  • 1字节永远等于8位

数据的存储

内存

  • 存储单元：内存中存放数据的空间
  • 存储单元地址：内存中数据的索引方式
    • 存储单元地址，从上往下依次是：低地址->高地址

CPU

  • 寄存器：CPU中存放数据的空间
  • 寄存器名：CPU中数据的索引方式

I/O接口

  • I/O端口：I/O接口中存储数据的空间
  • I/O端口地址：I/O接口中数据的索引方式

I/O接口芯片组

  • 芯片组包括：北桥芯片和南桥芯片

北桥芯片：负责与CPU进行通信
南桥芯片：负责与外围设备进行通信

8086五大I/O接口芯片

  • 8237
  • 8251
  • 8253
  • 8255
  • 8259

CPU的工作步骤

  1. 获取地址
  2. 控制信号
  3. 数据传输

CPU芯片的分类

  • 可编程芯片
  • 不可编程芯片

8086CPU内部结构（按照编程结构）

  • 指令执行单元（EU）
  • 总线接口单元（BIU）

8086CPU管理内存的方法

  • 8080CPU时16位的，但是却可以管理20位的内存地址，所运用的方式为：存储单元地址分段
    • 将内存地址分段，分为段地址和偏移地址

物理地址包括：段地址和偏移地址

物理地址（20位） = 段地址（16位） * 10H + 偏移地址（16位）
物理地址（20位） = 段地址（16位） * 16D + 偏移地址（16位）

8086芯片的结构

  • 8086有40根引脚，80286有64根引脚

8086的编程结构

  • 指定执行单元（EU）
  • 总线接口单元（BIU）

CPU工作方式

串行工作方式

  • 在8086之前的CPU采用串行工作方式

先从内存取指令到BIU，再在EU执行指令

并行的工作方式

  • 在8086开始的CPU采用并行工作方式

BIU从内存取指令的同时，EU执行上一个取出的指令

指令队列缓冲器

  • 最多只能存放6字节的指令

8086指令的分类

  • 单字节指令
  • 双字节指令
  • 三字节指令

BIU向指令队列缓冲器入队列的原则

  • 当出现两个及以上空字节时才会向指令队列缓冲器入队列

  • 当出现的空闲字节不足两个的时候，BIU空闲

周期

总线周期

  • BIU工作一次的时间
时钟周期

  • 1个总线周期 >= 4个时钟周期

  • CPU的主频越高，时钟周期越短

总线接口单元（BIU）

BIU的结构

  • 寄存器（16位寄存器）
    • 段寄存器（Segment）
      • CS：代码段寄存器
      • DS：数据段寄存器
      • SS：堆栈段寄存器
      • ES：附加段寄存器（附加数据段寄存器）
    • IP：指令指针寄存器
      • 用来存放下一条将要被执行的指令的地址
  • 地址加法器
  • I/O控制电路
  • 指令队列缓冲器

一个程序载入内存最多划分4个段

BIU的工作周期

  • 总线周期
    • T1：发出地址
    • T2：撤销地址，为数据传输做准备
      • 空闲周期
        • Tw：如果内存或I/O接口的数据未准备完，此时需要消耗时间周期等待
    • T3：完成数据传输
    • T4：结束传输（结束态），此时工作结束

BIU的工作内容

  • 取指令
  • 存数据
  • 取数据
BIU取指令
  • 先从CS得到段地址，再从IP得到偏移地址，最终通过地址加法器，得到20位地址
BIU取/存数据
  • 先从DS/SS/ES得到段地址，再根据程序代码得到偏移地址，最终通过地址加法器，得到20位地址

指令执行单元（EU）

EU的结构

  • 通用寄存器（16位寄存器。可以划分位两个8位使用，分别为高8位和低8位）
    • AX（AH、AL）
    • BX（BH、BL）
    • CX（CH、CL）
    • DX（DH、DL）
  • 专用寄存器
    • SP
    • BP
    • SI
    • DI
  • 算术逻辑单元（逻辑运算单元）（ALU）
  • 数据暂存寄存器（运算寄存器）
  • 执行部分控制电路（执行部件的控制电路）
  • 标志寄存器（PSW）

EU的工作内容

  • 取指令
  • 执行指令
  • 接收/发送数据
  • 完成运算

EU取指令

  • EU会从BIU的指令队列缓冲器中按顺序取指令，当遇到跳转指令时，会立即清空当前指令队列缓冲器，然后命令BIU从所需要的正确的指令位置获取指令

标志寄存器（PSW）

  • 上一次的运算结果产生的标志，放到标志寄存器中，为了这一次的运算服务

标志寄存器的结构

从左向右为高位到低位
标志寄存器为16位寄存器，但8086只有9位有用，其中包含6个状态标志位和3个控制标志位

  • D15
  • D14
  • D13
  • D12
  • D11：溢出标志（OF），结果是（1）否（0）有溢出
  • D10：方向标志（DF）
  • D9：中断允许（IF）
  • D8：单步中断（TF）
  • D7：符号标志（SF），符号正（0）负（1）
  • D6：零标志（ZF），结果是（1）否（0）为0
  • D5
  • D4：半进借位标志（AF），低4位向高4位有（1）无（0）进借位
  • D3
  • D2：奇偶标志（PF），结果中1的个数为奇数（0）还是偶数（1）
  • D1
  • D0：进借位标志（CF），是（1）否（0）有进借位

状态标志位：OF、SF、ZF、AF、PF、CF
控制标志位：DF、IF、TF

状态标志位
  • 根据运算结果设置的
控制标志位
  • 由程序自定义的数

物理结构

8086CPU

8086CPU的封装方法

  • 双列直插式（DIP），共有40个引脚

8086CPU工作的条件

  • 供电
    • 正极（+VCC 5V）
      • 40引脚
    • 负极（-GND）
      • 1引脚
      • 10引脚
  • 时钟信号（CLK）
    • 19引脚
  • 复位信号（RESET），将CS段置全1，其他段置全0
    • 21引脚
  • 准备好信号（READY），接收内存和I/O接口反馈的准备好信号
    • 22引脚

地址和数据复用引脚

  • AD（Address Data）：20位的地址+16位的数据

  • AD接口与I/O接口、存储器相连

  • AD14-AD0

    • 2引脚-16引脚
    • 当传输地址时，用来传输物理地址的高16位，将物理地址传输到地址锁存器
    • 当传输数据时，用来将数据存到数据收发器

  • A19/S6-A16/S3

    • 35引脚-38引脚
    • 当传输地址时，用来传输物理地址的低8位
    • 当用作状态输出引脚时，用来输出CPU状态

  • AD15

    • 39引脚

状态输出引脚

  • S（Status）：向外传输CPU状态

  • S6-S3

    • 35引脚-38引脚

中断

  • 外部中断的引脚
    • 可屏蔽中断，需要请求和响应
      • 请求信号输入
        • INTR
          • 18引脚
      • 响应信号输出
        • INTA
          • 24引脚
    • 非屏蔽中断，不需要响应，会得到屏蔽保护相关信号
      • 请求信号输入
        • NMI
          • 17引脚
  • 内部中断
    • 不需要引脚传递请求

最小工作模式和最大工作模式

  • 输入0，工作在最大工作模式，输入1，工作在最小工作模式

  • 括号外的是最小工作模式下的功能，括号内的是最大工作模式下的功能

  • MN/MX：不同的工作模式决定了24引脚-31引脚的不同功能
    33引脚

低电平和高电平有效

  • 有顶部横线的表示低电平有效
  • 没有顶部横线的表示高电平有效

BIOS程序的起始地址

  • CS:IP=FFFF0H

复位的种类

  • 上电复位
  • 手动复位

高8位数据线选通允许信号

  • 负责开关高8位数据线的，0表示允许连通，1表示禁止连通

  • BHE

低8位数据线选通允许信号
  • AD0可以控制低8位数据线的连通

读写信号

  • RD：读信号，属于控制引脚
    • 32引脚
  • WR：写信号，属于控制引脚
    • 29引脚

总线请求响应信号

  • HOLD：总线请求信号
    • 31引脚
  • HLDA：总线响应信号
    • 40引脚

内存/IO接口信号

  • 标识对内存操作还是对IO接口操作

  • M/IO：高电平表示对内存操作，低电平表示对IO接口操作

    • 28引脚

地址锁存器允许信号

  • 连接地址锁存器，用来控制地址锁存器的开关

  • ALE：用来控制地址锁存的开关，1表示开启锁存，0表示关闭锁存

    • 25引脚

数据收发器允许信号

  • 连接数据收发器，用来控制数据收发器的开关

  • DEN：0表示开启数据，1表示关闭数据

    • 26引脚

数据输入输出方向信号

  • 连接数据收发器，用来控制收发器的方向

  • DT/R：1是输出，0是输入

    • 27引脚

CPU的系统组成（最小模式）

时钟发生器

  • 8284

  • 石英晶振

    • 时钟IC的功能是将石英晶振发出的三角波转化成CPU能读取的数字脉冲波，发出CLK信号发送给CPU，石英晶振的波长14.318MHz

  • 时钟IC

    • 转化成5MHz或者10MHz
地址锁存芯片

  • 8282

  • 8283

  • 74LS373

  • 74HC573

  • 地址锁存芯片每片能锁存8位数据，由于CPU每次需要锁存20位地址和1位地址锁存使能信号（控制地址锁存芯片的STB引脚，用于开关地址锁存芯片），所以每次需要3片地址锁存芯片

地址锁存使能信号
  • ALE：高电平开门，低电平关门
数据收发芯片

  • 8286

  • 8287

  • 74L245

  • 数据收发芯片每片能收发8位数据，由于CPU每次需要收发16位数据，所以每次需要2片数据收发芯片

CPU的系统组成（最大模式）

存储器

存储器的分类

  • RAM：随机存储器
    • SRAM：静态RAM
      • 速度快，功耗低
    • DRAM：动态RAM
      • 速度慢，功耗低
  • ROM：只读存储器
    • PROM：可编程普通ROM
      • 可写，不可擦除
    • EPROM：光擦芯片
      • 可写，可擦除
    • EEPROM：电擦芯片（FLASH芯片）
      • 可写，可擦除

IO接口

传输的数据类型

  • 串行数据
  • 并行数据

信号类型

  • 数字信号
  • 模拟信号

信号电平类型

  • TTL(0,+5)
  • RS232(-12,+12)

IO接口芯片类型

  • 简单IO接口芯片
    • 74LS245
  • 可编程IO接口芯片
    • 8255A
      • 可编程的并行的IO接口芯片

8255A结构

8255A的封装方法

  • 双列直插式（DIP），共有40个引脚

控制端口（控口）

  • VCC：接电源正极，+5V直流电
    • 26引脚
  • GND：接电源负极
    • 7引脚
  • RESET：复位信号
    • 35引脚
  • CS：片选信号，低电平有效，高电平无效
    • 6引脚
  • RD：接收CPU的读信号
    • 5引脚
  • WR：接收CPU的写信号
    • 36引脚
  • A1，A0：片内寻址端，A1表示片内地址高位，A0表示片内地址低位；00表示访问A口，01表示访问B口，10表示访问C口，11表示访问控口
    • 8引脚，9引脚

数据端口（A口、B口、C口）

  • PA0-PA3，PA4-PA7
    • 4引脚-1引脚，40引脚-37引脚
  • PB0-PB2，PB3-PB7
    • 18引脚-20引脚，21引脚-25引脚
  • PC0-PC3，PC4-PC7
    • 14引脚-17引脚，13引脚-10引脚
  • D0-D7：接CPU的DB总线的低8位
    • 27引脚-34引脚
控制字
  • 用来设置8255A
  • 控制字有两种：方式选择控制字、C端口按位置0置1控制字
方式选择控制字
  • D7：标识位，标识控制字的类别
    • 1：表示方式选择控制字
    • 0：表示C端口按位置0置1控制字
  • D6、D5：组合表示A口的工作方式
    • 00：方式0
    • 01：方式1
    • 10、11：方式2
  • D4：A口的IO方向
    • 1：输入
    • 0：输出
  • D3：C口的高4位的IO方向
    • 1：输入
    • 0：输出
  • D2：B口的工作方式
    • 0：方式0
    • 1：方式1
  • D1：B口的IO方向
    • 1：输入
    • 0：输出
  • D0：C口低4位的IO方向
    • 1：输入
    • 0：输出

分组

  • A组控制逻辑
    • A数据端口的8位
    • C数据端口的高4位
  • B组控制逻辑
    • B数据端口的8位
    • C数据端口的低4位

完成