微型机系统与接口技术学习培训课件.ppt

1、12SOC芯片设计芯片设计3各种接口技术原理及其应用编程方法；各种接口技术原理及其应用编程方法；提高分析和设计接口的能力。提高分析和设计接口的能力。汇编语言程序的编写方法，尤其掌握接汇编语言程序的编写方法，尤其掌握接口访问的方法。口访问的方法。先进微处理器芯片结构、微型计算机实先进微处理器芯片结构、微型计算机实现技术、计算机主板构成、微机技术新的发现技术、计算机主板构成、微机技术新的发展趋势；展趋势；4 概述：微机系统组成、工作过程、系统组成结构概述：微机系统组成、工作过程、系统组成结构 软件如何控制软件如何控制CPU和接口：指令系统和汇编编程和接口：指令系统和汇编编程 总线如何工作：总线标准

2、（总线如何工作：总线标准（PCI,USB,PCI-E）I/O接口如何主动与接口如何主动与CPU通信：中断技术（通信：中断技术（8259）常用外设与通信接口：串行通信协议与常用外设与通信接口：串行通信协议与8250，并行，并行接口接口8255，人机交互接口，人机交互接口PCH中的定时计数与中的定时计数与DMA控制器：控制器：8254，8237系统编程技术：处理器的初始化，任务调度，系统编程技术：处理器的初始化，任务调度，BIOS，WDM驱动程序编写驱动程序编写 CPU如何与如何与MEM或或I/O设备通信：设备通信：I/O接口与译码接口与译码 IA-32/Intel64处理器原理与基本执行环境处理

3、器原理与基本执行环境 现代微机存储管理方法：段式，页式，现代微机存储管理方法：段式，页式，Cache5周明德主编，微机原理与接口技术（第周明德主编，微机原理与接口技术（第2版）版），人民邮电出版社，人民邮电出版社,2007Intel Co.，Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developers Manual，2011Kip R.Irvine著，温玉杰等译，著，温玉杰等译，Intel汇编语汇编语言程序设计（第五版），电子工业出版社言程序设计（第五版），电子工业出版社沈美明，温冬婵编著，沈美明，温冬婵编著，IBM-PC汇编语言汇编语言程序设计（第

4、程序设计（第2版），清华大学出版社版），清华大学出版社,20076 教师姓名：王晓蔚（教师姓名：王晓蔚（1-2班）、杨全胜（班）、杨全胜（3-4班）班）办公地点：计算机楼办公地点：计算机楼526（王）、（王）、524（杨）（杨）Email：个人网站：个人网站：助教：待定助教：待定 课程网站：课程网站：课程论坛：课程论坛：网上题库：网上题库：课程课程QQ群：群：214313352（东南（东南10级接口群）级接口群）7 课程组成：课程组成：授课信息授课信息：3-4班班 授课时间：周二授课时间：周二1-2节，周五节，周五1-2节节 周三周三1-2节，周五节，周五1-2节节 授课地点：授课地点：J1-

5、404（1-2班）班）J1-506（3-4班）班）汇编实验地点：自行实验汇编实验地点：自行实验 接口实验地点：计算机中心微机原理实验室接口实验地点：计算机中心微机原理实验室 考试成绩组成：考试成绩组成：8第第1章章 现代微机结构概述现代微机结构概述9硬件硬件软件软件控制器控制器运算器运算器系统软件系统软件应用软件应用软件 BIOS与操作系统与操作系统 CPU存储器存储器输入设备输入设备输出设备输出设备支撑软件支撑软件 微机微机系统系统1.1 微机系统组成微机系统组成10：同步各种操作的同步信号。：同步各种操作的同步信号。：使总线上各种部件全：使总线上各种部件全部做初始化处理。部做初始化处理。：

6、表示某中断源向处理器发中断请求。：表示某中断源向处理器发中断请求。：表示中断请求被响应。：表示中断请求被响应。：表示要对所发地址的存储单元：表示要对所发地址的存储单元进行读操作。进行读操作。：表示要对所发地址的存储单元：表示要对所发地址的存储单元进行写操作。进行写操作。：表示要对所发地址的端口做读操作。：表示要对所发地址的端口做读操作。：表示要对所发地址的端口做写操作。：表示要对所发地址的端口做写操作。：总线主设备请求总线控制权。：总线主设备请求总线控制权。：总线仲裁机构允许了某设备的总线控：总线仲裁机构允许了某设备的总线控制权请求。制权请求。11裸裸 机机基本输入输出系统基本输入输出系统(B

7、IOS)操作系统操作系统 支撑软件支撑软件应用软件应用软件硬件系统硬件系统系统软件系统软件应用软件应用软件软件软件系统系统12a.直接访问直接访问：可以直接进行内存和端口的访问，也可以自：可以直接进行内存和端口的访问，也可以自行在行在CPU的各种工作模式间切换。通常所有的的各种工作模式间切换。通常所有的端口和内存都是对程序员开放的。端口和内存都是对程序员开放的。：汇编语言或：汇编语言或C语言。语言。：BIOS都是基于这种低级层次用汇编来编写的都是基于这种低级层次用汇编来编写的。部分操作系统的驱动程序和部分用户程序也。部分操作系统的驱动程序和部分用户程序也有使用这种方法的。有使用这种方法的。：能

8、够编写速度最快，占用空间最小的有效代：能够编写速度最快，占用空间最小的有效代码。码。：需要对硬件和接口有很熟悉的了解。：需要对硬件和接口有很熟悉的了解。要会汇编，或熟练使用要会汇编，或熟练使用C语言的指针。语言的指针。不利于增加对新设备的控制。不利于增加对新设备的控制。13b.通过通过BIOS访问访问：通过：通过BIOS提供的功能调用间接地对内存提供的功能调用间接地对内存或端口访问，从而控制硬件。或端口访问，从而控制硬件。：汇编语言或：汇编语言或C语言。语言。：驱动程序有些会使用这些功能调用。需要：驱动程序有些会使用这些功能调用。需要获得高效率的应用程序也采用这种方法。获得高效率的应用程序也采

9、用这种方法。：能够编写速度较快的有效代码。：能够编写速度较快的有效代码。可以不需要编写直接对硬件进行控制的代可以不需要编写直接对硬件进行控制的代码。码。：需要对底层信号有所了解。：需要对底层信号有所了解。增加对新设备的控制不是很方便，但好于增加对新设备的控制不是很方便，但好于直接访问。直接访问。14c.编写操作系统驱动程序编写操作系统驱动程序：使用：使用BIOS功能调用或直接访问的方法编功能调用或直接访问的方法编写写设备设备驱动程序。驱动程序。：VC+与与DDK开发包，或第三方开发工具开发包，或第三方开发工具如如DriverStudio。：在操作系统层面上的设备控制，并为用户：在操作系统层面上

10、的设备控制，并为用户程序提供程序提供API支持。支持。：既控制硬件，又保证操作系统的完整与安：既控制硬件，又保证操作系统的完整与安全。全。：需要对底层信号有所了解。：需要对底层信号有所了解。需要对操作系统的各个管理模块有深入的需要对操作系统的各个管理模块有深入的了解。了解。15d.使用操作系统提供的应用层访问使用操作系统提供的应用层访问：使用操作系统各种驱动程序所提供的功能：使用操作系统各种驱动程序所提供的功能调用或调用或API函数间接对硬件或内存进行访函数间接对硬件或内存进行访问。问。：VC+、Delphi、Java、C#等。等。：编写面向终端用户的各类应用程序。：编写面向终端用户的各类应用

11、程序。：无需对硬件控制有太多了解，只需完成应：无需对硬件控制有太多了解，只需完成应用层面的工作就可以用层面的工作就可以，而且还保证操作系，而且还保证操作系统的完整与安全。统的完整与安全。：需要了解大量的：需要了解大量的API和功能调用函数的功和功能调用函数的功能。能。由于是间接调用，所以代码的效率和编译由于是间接调用，所以代码的效率和编译系统有很大的关系。系统有很大的关系。16高级语言源程序高级语言源程序编译编译汇编语言源程序汇编语言源程序汇编汇编二进制机器作业指令二进制机器作业指令操作系统调度或操作系统调度或BOOT引导引导二进制机器指令流二进制机器指令流CPU取指、译码、控制单元取指、译码

12、、控制单元电路上的电信号电路上的电信号直接控制直接控制CPU各部件运作各部件运作通过接口电路控制外设运作通过接口电路控制外设运作1.2 微机系统的工作原理与工作过程微机系统的工作原理与工作过程 17部分部分X86指令与控制信号的关系指令与控制信号的关系 指指 令令产生的信号产生的信号常用名常用名含含 义义IN AL,21HIORC#IOR#读读I/O端口端口OUT 21H,ALIOWC#IOW#写写I/O端口端口MOV AX,21HMRDC#MEMR#读内存读内存MOV 21H,AXMWTC#MEMW#写内存写内存IO/M#RD#WR#产生的控制信号产生的控制信号001MEMR#010MEMW

13、#101IOR#110IOW#18 微机的工作过程就是逐条执行进入到内存中的二进制微机的工作过程就是逐条执行进入到内存中的二进制机器指令流的过程。而一条指令的执行过程可以简单机器指令流的过程。而一条指令的执行过程可以简单地分为两个操作阶段：地分为两个操作阶段：，CPU从内存中读取指令，程序计数器从内存中读取指令，程序计数器保存要被取出的下一条指令的地址，除非遇到跳保存要被取出的下一条指令的地址，除非遇到跳转指令等情况，否则，转指令等情况，否则，PC一般都是在每次取指后一般都是在每次取指后加上一个增量（当前指令的字节数）；加上一个增量（当前指令的字节数）；，对取出的指令先译码，解释指令的功，对取

14、出的指令先译码，解释指令的功能，然后执行译码好的指令，这期间可能会读写能，然后执行译码好的指令，这期间可能会读写存储器或端口来获取操作数或者存放结果。存储器或端口来获取操作数或者存放结果。19每两个相邻的时钟脉冲上升（下降）沿之间的时间每两个相邻的时钟脉冲上升（下降）沿之间的时间间隔称为间隔称为T状态，也称为状态，也称为 TCPU与存储器或输入与存储器或输入/输出端口进行一次数据传输所输出端口进行一次数据传输所花费的时间称为一个花费的时间称为一个 对于对于8088CPU,它的总线周期是其与存储器或输入它的总线周期是其与存储器或输入/输出端口存取一个字节所花费的时间。输出端口存取一个字节所花费的

15、时间。执行一条指令所需要的时间称为执行一条指令所需要的时间称为2021Pentium Pro基本时序基本时序 22掌握时序的重要性：掌握时序的重要性：当当CPU与存储器以及与存储器以及I/O端口连接时，要考虑如何端口连接时，要考虑如何正确地实现时序上的配合正确地实现时序上的配合 当微机应用于实时控制时，必须估计或计算当微机应用于实时控制时，必须估计或计算CPU完成操作所需要的时间，以便与控制过程配合完成操作所需要的时间，以便与控制过程配合 了解时序有利于我们深入地了解指令的执行过程了解时序有利于我们深入地了解指令的执行过程 了解时序有利于我们利用汇编编写核心代码的时了解时序有利于我们利用汇编编

16、写核心代码的时候，选用适当的指令，以尽量缩短指令的存储空候，选用适当的指令，以尽量缩短指令的存储空间和指令的执行时间间和指令的执行时间 23返回1.3 现代微机系统组成结构现代微机系统组成结构1.3.1 现代微机的基本结构现代微机的基本结构 当前微机主要由主板和各类当前微机主要由主板和各类I/O接口卡组成。接口卡组成。241.基于基于3芯片平台架构的微机系统基本结构芯片平台架构的微机系统基本结构CPU北桥芯片北桥芯片南桥芯片南桥芯片Super I/OBIOS/Firmware Hub主存储器主存储器图形控制器图形控制器音频音频主总线主总线高速连接高速连接PCI总线插槽总线插槽PCI Expre

17、ss总线总线USB网络连接网络连接ATA/SATALPC传统设备传统设备252.基于基于2芯片平台架构的微机系统基本结构芯片平台架构的微机系统基本结构2/3代代Intel 酷酷睿睿CPUPCHIntel ME 8.x Firmware和和BIOS SupportIntel搞清晰音频搞清晰音频DIM 2.0集成集成10/100/1000MAC8个个PCI Express 2.04个个USB3.0，10个个USB2.0，双，双EHCI传统传统PCI支持支持3个独立显示支持个独立显示支持SPI116 lanes PCI Express 3.0 Graphics或或 18和和14 lanes PCI

18、Express 3.0and 14 lanes for Thunderbolt16 lanes16GB/SFDIDDR3 1333/1600MHzDDR3 1333/1600MHz6个个SATA端口：端口：eSATAIntel千兆网接口千兆网接口PCIe1SM Bus26 1.3.2 Intel微处理微处理器家族发展概述器家族发展概述 27小结：小结：2.9万万162016/8-113万万162416-127.5万万323232-1120万万323232511320万万32326452128M323664123142M32366420/3131230M6436/40643132291M6436

19、/40641442582M6436/40641444731M6436/40641644995M6436/406416?44281.3.3 Intel X58平台架构（平台架构（3芯片平台）芯片平台）291.3.4 Intel H77平台架构（平台架构（2芯片平台）芯片平台）30 集成了千兆以太网控制器集成了千兆以太网控制器，支持支持10/100/1000 Mb/s多种传输速率多种传输速率 集成了集成了SATA控制器，数据传输率达到控制器，数据传输率达到3.0/6.0Gb/s(300/600MB/s)集成了集成了Intel 高清晰音频控制器高清晰音频控制器,最高最高192 kHz采样率采样率 有

20、两个级联的有两个级联的8237DMA控制器，支持控制器，支持PC/PCI和和LPC DMA 允许连接像允许连接像Super I/O那样的传统的那样的传统的ISA总线设备总线设备 提供提供8个个PCI-Express根端口，支持根端口，支持PCI Express基本规范基本规范2.0。直接媒体接口（直接媒体接口（Direct Media Interface，DMI）集成显示连接与显示接口集成显示连接与显示接口31PCH芯片是一个多功能的芯片，它把各种功能划分到芯片是一个多功能的芯片，它把各种功能划分到多个逻辑设备中，每个逻辑设备又分各种功能。多个逻辑设备中，每个逻辑设备又分各种功能。比如比如PCI-to-PCI桥是总线桥是总线0，设备，设备30，功能，功能0（简写为（简写为B0:D30:F0）。）。3233PCH的电源管理模块（的电源管理模块（D31:F0）符合）符合ACPI2.0规范，提规范，提供电源与热量管理。供电源与热量管理。34用于连接传用于连接传统设备，如统设备，如键盘，鼠标键盘，鼠标，串口，并，串口，并口，硬盘等口，硬盘等35 主板总线结构发生改变主板总线结构发生改变 微处理器性能不断增强微处理器性能不断增强 器件被高度集成器件被高度集成 电子工艺不断改进电子工艺不断改进 保持向上兼容性保持向上兼容性 1.3.4 现代微机发展的特点现代微机发展的特点