第一章 绪论
一、
微型计算机系统
（一）、概述：
由计算机的发展历史可总结出计算机发展的特点有如下几条：
（1）体积越来越小；
（2）价格越来越低；
（3）性能越来越好；
（4）应用越来越广。
（二）、微型计算机的发展阶段：
由第一台电子计算机到现在，短短半个多世纪，它历经了最神速的变化，从第一片微处理器Intel4004到现在的P6（Merced），这期间的发展速度远非其它学科可比。
（1） 4位机： 1971~1972；
代表芯片： Intel4004、4040、8008（低档8位机）；
主频： 1MHZ；
执行指令速度： 20µS；
集成度： 1000~2000支管子/片；
支持的语言： 机器语言或简单的汇编语言。
（2） 8位机： 1973~1977；
代表芯片： Intel8080、8085，Motorola6800、6802，ZlogZ80；
主频： 2~4MHZ；
执行指令速度： 1~2µS；
集成度： 5000~10000支管子/片
支持的语言： 支持高级语言，具有DMA功能。
（3） 16位机： 1978~1982；
代表芯片： Intel8086、8088（80286：高性能），Motorola6800（68010：高性能
）、ZlogZ800
主频： 4~8MHZ
执行指令速度： 0.5µS；
集成度： 20000~60000支管子/片
此时期的计算机被人们称为第一代超大规模集成电路计算机，其软硬件都比较完善，最具代表性的是IBM公司1981年8月推出的8086/8088。
（4） 32位机： 1983~1992
代表芯片： Intel80386、80486，Motorola68020
主频： 16MHZ~32MHZ
指令执行时间： 0.05µS甚至更短；
集成度： 15万~50万支/片；
（5） 64位机： 1993年至今；
代表芯片：
Pentium(P5)，PentiumⅡ、Ⅲ， PentiumⅣ，
Itanium(Intel代号为Merced) ；
主频： 66MHZ—上GMHZ；
执行指令时间： ns级；
集成度： 上千万只/片。
（三）、微型计算机系统（MCS）
1、
微处理器 （功能、结构及引脚）
（1）、微处理器的基本功能：
①数据传递
②数据运算
③计算机各部件控制。
（2）
微处理器的结构：
①早期微处理器的基本结构：
计算器（ALU），控制器、寄存器组及总线。
②现代微处理器的结构：
随着电子技术的发展，计算机的集成度越来越高，CPU的功能也越来越完善，结构图见教材P4。
[在讲结构图时先讲一些基本概念：
A.流水线：类似于工厂的流水线生产，Pentium有两条流水线U、V，每条流水线分五个步骤：指令预取、指令译码、地址生成、指令执行，回写。当一条指令完成预取，流水线便可对另一条指令开始操作；每条流水线都拥有自己的ALU、地址生成电路和数据CACHE接口；两条流水线可并行工作，故执行指令的速度比无标量结构的计算机快一倍。
B.分支预测：循环操作在软件设计中十分普遍，而每次循环当中对循环条件的判断占用了大量CPU时间，为此引入了分支预测的概念。Pentium提供了一个分支目标缓冲器BTB（Branch Target
Buffer，实际上是一个小Cache），来动态的预测程序的分支，当一条指令导致程序分支时，BTB记忆下这条指令及分支的目标地址，并用这些信息预测这条指令再次产生分支时的路径，CPU首先从此处预取。例如上学期学过的乘法运算流程]]
Pentium微处理器的结构包括：
A、总线接口部件（64位数据线、36位地址线、控制线）
B、控制部件
C、片上高速缓冲器（指令Cache和数据Cache）
D、预取缓冲器（Small Cache）
E、整型ALU
F、寄存器组
G、浮点部件
H、地址生成电路
整个指令执行过程采用双流水线。
（3） 微处理器的引脚信号
①地址引脚信号
②数据引脚信号
③控制引脚信号
2、
微计算机（MC）
用总线将CPU、MEMORY、I/O接口及设备连接为一体，则构成了微计算机，微计算机又分单总线机和多总线机。
（1）单总线机（见教材P5）：只有一组总线，CPU处于主控地位，MEMORY及I/O接口均使用同一组总线，故CPU对MEMORY及I/O接口总线的操作只能分时进行，速度低，属低档次。
（2）多总线机（见教材P6图1-3）：这种微机中有多组总线，MEMORY、I/O接口及显示器等可使用不同的总线，CPU可在多组总线上进行信息传输，速度快，属高档机。其中的每一组总线称为局部总线。
3、
微计算机系统
微计算机系统的硬件部分称为微机，加上相应的软件部分才构成微机系统（微机、操作系统、应用软件），计算机又分：小型机、大型机、巨形机，我们讲的主要是小型机，即微机或叫PC机。
二、
接口技术的基本概念
（一）、何谓接口？接口的分类。
1．接口（Interface）:
使CPU与外设进行匹配的一种界面，或者说承担CPU与外设交换信息工作的电路，这种电路我们称为硬接口。硬接口必须在软件的支持下方能工作。
2． 接口的分类：
（1）内置接口：嵌在主板上的接口电路，如：
①硬盘接口IDE
②通用串行端口USB
③软盘接口
④键盘、鼠标接口
⑤内置声卡、显卡、网卡（集成在主板上）。
（2）外置接口：通过扩展槽引出的接口，如：
①插入插槽的MODEM
②插入图形加速端口的显卡
③各种仪器上使用的带计算机的专用接口
（二）、插槽的类型：
1． 8位ISA（Industries Standard Association）插槽
原始IBM机上用的双列、62脚插槽。
2． 16位ISA插槽：
IBM286机上用的插槽，增加了36个脚，与8位机兼容，8位接口板插入插槽的前半部分，16位接口板插入插槽的两部分。
3． 32位EISA插槽：
这种插槽是由康柏公司提供的386机上使用的插槽，与8位、16位兼容，四列直插式，与16位很相似。
以上三种插槽都有个共同特点：慢（8M）！这种“慢”是由最初的PC机带来的，那时的总线是与CPU匹配的，但随着CPU的速度越来越快（从8M到数GHZ），而总线的速度依然是8MHZ，无法与CPU匹配；通常情况下这种速度并不讨厌，因为外设的速度大部分都不高；而在磁盘读写、图形用户接口中，速度却显得极为重要。由此引入了以下三种插槽：
4．
VESA局部总线插槽：
这种插槽是486机上引入的，将486CPU芯片的引脚直接引入插槽，接口与CPU的信息传输可达33MHZ。
5． PCI总线插槽：
该插槽是由Intel公司研制出的，重新设计了PC机的总线，用桥的办法在CPU与本地I/O间插入另一组总线，并研制出一套芯片来扩展这组总线，PCI总线又称夹层总线，该总线配合32位CPU，能以132MB/S传递数据，该总线配合64位CPU，能以264MB/S传递数据。PCI插槽是目前最流行的插槽，现代微机都配有PCI插槽。
6． 图形加速端口（AGP）：
AGP端口是专为视频卡设计的点对点的高性能连接，计算机中只有一个AGP 插槽，AGP为高速连接，可以66MHZ的基频运行，配合32位CPU，能以266MB/S传递数据。
（作业：设置→控制面板→属性框中选“诊断”→选择你安装了MODEM的端口COM→
点击“详细信息”查出“UART”的型号）
（三）、为何引入接口；接口的功能是什麽;有哪几种类型。
1．为何引入接口：
（1）速度匹配
（2）时序匹配
（3）
信息格式匹配
（4）
信号电平匹配
2.接口的功能：
（1）数据缓存：协调CPU与外设的数据传送速率
（2）端口寻址：寻找某一外设端口
（3）命令译码：产生相应的控制信号
（4）同步控制；使各部件协调工作
3． 接口的种类：（按接口电路所连外设的功能分）
（1）与主板配套的接口：中断控制接口、DMA控制接口，总线裁决接口。
（2）与专用外设配套的接口：硬盘接口、软盘接口、光驱接口、键盘接口及鼠标接口等。
（3）
与通用外设配套的接口：并行I/O接口、串行I/O接口等
（四）接口处理信息的种类及I/O端口寻址的方式：
不同的信息放入不同的端口内，CPU通过相应的地址信号来访问不同的端口信息。
1． 接口处理信息的种类：（分三类）
（1）数据信息：数字量、开关量、模拟量。
（2）状态信息：反映外设的状态，由外设送给CPU，由CPU进行监视，如READY、BUSY等信 号。
（3）控制信号：由CPU给外设，以控制外设的工作。
2． I/O端口寻址方式
（1）端口：以上三类信息分别放入不同的端口（数据端口、信息端口、控制端口）
端口实为不同寄存器（见教材P9图1-4）
（2）端口寻址方式：每个端口都有一个地址，CPU通过IN、OUT指令或存储器访问指令对端口进行访问。
端口寻址方式有两种：
①．端口统一寻址：I/O与存储器使用同一地址空间，利用访存指令而不是I/O指令去访问端口。该寻址方式简化了指令系统，但占用了存储器的部分空间。
②．端口独立寻址：现在流行的个人计算机几乎都采用独立的端口寻址，即端口的地址是与存储器的地址分开的。这样可利用专门的I/O指令访问端口。
A．电路连接：将CPU 的低位地址线连接到端口寄存器上，算出各端口寄存器的地址。
B．例如：若一数据端口中存放55H的字节，设该数据端口的地址为40H，要将55H字节传送到AL寄存器中，可采用端口输入指令：
IN AL，40H
同样若将AL寄存器中的字节输出给端口40H，则可用端口输出指令：
OUT 40H，AL
（五）CPU与外设之间的数据传送方式：
我们注意到：
● 对I/O的访问比对存储器的访问要复杂，原因有二：
☆ 各种外设间的速度差异很大。
☆外设与CPU的速度及时序差异很大
●以上的差异使CPU与外设的时间同步上产生了问题：
☆何时外设有空（EMPTY）或忙（BUSY），CPU可向它写入数据。
☆何时外设准备好（READY），CPU可读取外设的数据。
亦既CPU如何与外设进行数据传送。一般来说CPU
与外设数据传送采用以下三种方式：
1． 程序查询传送方式
（1）无条件传送方式（又称同步传送）
①无条件：外设总是处于就绪状态，CPU无须查询外设的状态，直接执行端口指令传送数据。
这样的外设如开关、继电器等简单外设。
②所需端口：输入时需数据缓冲器，输出时需数据锁存器，即数据端口；无须状态端口，因无须查询状态。
③在IO/M#为高电平（既选中端口）且地址译码有效时，选中相应的端口，执行IN或OUT 指令（见P11图1-5）
（2）条件传送方式（或查询传送方式）：
①
条件传送：CPU与外设交换数据必须在具备一定条件下方能进行，即：外设准备好数据或外设空闲可接受数据；这就需要CPU不停地查询外设的状态，故必须设有状态寄存器端口。
②
所需端口：数据端口、状态端口及控制端口。CPU与外设最基本的工作就是传送数据，因此数据端口是必须的；由上可知状态端口也不可少，为了查询外设状态，必须由相应的控制寄存器端口来给出控制信号，因此也需控制端口。
③
查询式输入电路框图：（见教材图1-7）
所谓空闲是指数据锁存器中的数据已被外设取走，外设在取走数据的同时将D触发器复位，使Q端为零，在地址信号及IO/M#信号有效时BUSY为零，CPU查询到BUSY为零，既可进行数据传送。
☆以上两种传送方式的优缺点：
|
|
无条件传送方式 |
条件传送方式 |
|
优点 |
电路非常简单 |
不会丢失数据，电路及程序也简单。 |
|
缺点 |
外设需任何时候都处于准备好状态，而这样的外设并不多。倘若外设有没有准备好的状态，就会丢失数据。 |
CPU大部分时间都处于查询及等待状态，用于处理数据的时间非常少，CPU的效率极低，外设总处于被动状态。 |
2 .中断传送方式：
（1）中断：所谓中断是外设或其它中断源终止当前CPU执行的程序，使CPU转向该外设执行的程序，为外设服务，一旦服务结束，即返回原程序继续工作。
（2）IRT：CPU在每条指令执行的结尾阶段，均查询是否有中断请求信号IRT，这种查询由硬件执行，不占用CPU的工作时间。
（3）优点：极大地提高了CPU 的工作效率。
缺点：需程序传送数据及保护断点、恢复断点，占用了一些时间。
3．直接存储器存取（DMA）传送：
（1）DMA方式：是一种由专门的硬件（DMA控制器）电路执行的I/O传送方式，使CPU交出对总线的控制权，让外设高速接口可直接与存储器进行数据交换。
（2）DMA方式传送数据的过程：接口READY→向DMA发出DMA请求信号→CPU通过HOLD引脚接受DMAC的请求→CPU完成当前总线操作后就会在HLDA引脚上向DMAC发出一允许信号。
（六）、中断技术
中断是一种软、硬结合的非常复杂的技术，它的出现给计算机带来了新的突破，本部份主要讲中断的基本概念、中断的响应及处理过程、优先权安排等的问题。
1．中断的概述
（1）中断与中断源：
①何为中断：CPU终止当前执行的主程序，转去执行中断源所要求的子程序，此过程称为中断。
②何为中断源：引起中断的事件及原因
③中断源的种类：A、外部中断
B、 实时时钟
C、故障源
D、为调试程序设置的中断源
（2）中断系统及其功能：
①中断系统：为实现中断而设置的各种软、硬件，包括中断控制逻辑及各种管理中断的指令。
②中断系统的功能：A、能响应中断，处理中断及返回主程序。
B、能实现优先权的排队
C、高级中断源能中断低级中断源，即能实现中断嵌套。
2．单个中断源的中断：
先讨论单各中断源的简单情况，简单的中断应包括：
A、中断请求
B、中断响应
C、中断处理
D、中断返回
（1）中断源向CPU发中断请求的条件：中断源是通过接口向CPU发请求信号的,请求信号能否发给CPU ，应满足下列两个条件：
①接口电路中必须设置中断请求触发器。
②接口电路中必须设置中断屏蔽触发器。
(2)CPU响应中断的条件：当中断源向CPU发出INTR信号,CPU若响应它应满足下列两个条件：
①IFF(CPU内部中断允许触发器)=1(开中断)，当CPU采样到INTR时，同时IFF=1，则响应中断。
②CPU在现行指令结束后响应中断.
(3)CPU执行中断后的处理过程:
在当前指令结束后
响应中断的条件 采样到INTR信号 满足该条件即响应中断，转入中断执行周期，在
IFF=1(开中断)
执行中断时,有以下几部操作:
① 关中断
② 保护断点
③ 保护现场
④ 给出中断入口地址,转入相应的服务程序
⑤ 恢复现场
⑥ 开中断
⑦ 返回主程序
3.(多个中断源的中断时)中断优先权
CPU的中断请求线(INTR)只有一条,当有多个中断源时,就要求:
A.CPU按多个中断源由高至低依次响应中断请求
B.CPU正在处理中断时,还能响应更高级的中断而屏蔽同级或低级的中断请求.
(1)中断优先级的判断方法:
①中断优先级：根据中断服务的轻重缓急进行排队。
②中断优先级的判别方法：
A、软件优先级查询方法。
B、 硬件优先级链式排队电路：响应最高优先级别的中断源、响应期应提供最高优先级的中断矢量、可进行中断嵌套。
C、专用优先级编码电路：输出最高优先级的中断类型码。
（2）中断嵌套：
允许嵌套的多级中断过程：
①关中断
②保护断点
③保护现场
④开中断
⑤给出中断服务地址，转入相应的服务程序
⑥关中断
⑦恢复现场
⑧开中断
⑨返回主程序
4.可编程的中断控制器
中断优先级管理的最常用方法是采用可编程的中断控制芯片，如8259。
（1）可编程中断控制器的功能
①可寄存每个中断源的请求信号
②通过设置，可屏蔽中断请求信号
③具有优先级控制功能