三级pc第三章知识要点.docx

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三级pc第三章知识要点

第三章

　　一、微型计算机硬件组成与工作原理，微处理器的原理与组成:

微处理器结构，指令及其执行过程，程序中断，支持芯片及其与CPU的互连

　　微机的基本配置包括主机箱（内含CPU、内存、外存、I/O接口、总线等部件）、显示器、键盘和鼠标器。

　　在微机主板上的主要部件包括CPU、快存与主存、ROM与CMOS电路、支持系统工作的控制电路（磁盘控制、中断控制、DMA控制、系统定时控制、DRAM刷新控制等）、总线和扩展插槽等。

在主板上一般有4个或8个内存条插槽。

每个内存条的容量可以是4MB、8MB、16MB或更大。

内存条有30线、72线和168线，其数据位宽分别为16位、32位和64位。

　　主存储器常采用EDO（ExtendedDataOut）DRAM和SDRAM（同步DRAM）两种快速芯片。

目前在主板上一般都有3个PCI总线插槽和4个ISA总线插槽，一共可插入7块I/O卡。

目前奔腾机主板上一般有1个并行口，2个串行口，一个软盘插口（可接4个软驱），1个IDE插口（可接一个硬盘驱动器和一个光盘驱动器）。

　　微机常用的输入设备有:

键盘、鼠标器、扫描仪、数字化仪以及条形码读入器、磁卡读入器、IC卡读入器等。

　　微机常用的输出设备有:

显示器、打印机、绘图仪等。

　　1.微处理器的基本部件

　　微处理器的基本部件包括运算单元、控制单元和总线接口单元，在运算单元中有若干寄存存储器组。

　　2.指令及其执行过程

　　指令主要由两部分组成:

操作码和操作数（或操作数地址）。

微处理器的指令长度为一字节或多字节构成。

微处理器的指令系统曾经为了兼容性而越来越复杂，而事实上使用频率很高的指令只有很少一部分，因此提出了精简指令系统计算机（RISC）的概念。

RISC结构指令长度固定，指令格式与种类简单，在硬件和软件上采取相应措施，可以提高指令的执行速度，获得较高的性能/价格比。

　　指令的执行过程包括5个步骤:

取指令、指令译码、取操作数、执行运算和回送结果。

在现代微处理器中通常采用流水线结构，使指令的不同步骤对不同的指令同时执行，就象工厂的流水线一样，这样指令的执行时间主要与CPU的时钟周期有关，而与指令执行需要多少步骤无关。

3.时钟周期、总线周期与指令周期

　　时钟周期是CPU时钟频率的倒数。

　　总线周期是CPU通过总线读写存储器或I/O设备所需要的时间。

　　指令周期是从取指令开始到回送结果完成所需要的时间，不同的指令其指令周期也不相同。

在8086CPU中，一条指令的指令周期包含一个到几个总线周期;一个总线周期又包含4个或4个以上的时钟周期。

在80486及其以上的CPU中，由于采用指令的流水线结构，可以在一个时钟周期内执行1条甚至多条指令。

　　4.CPU的支持芯片及其与CPU的互连

　　早期CPU（8086、80286）的支持芯片分为两类:

　　①协处理器、总线控制器、时钟电路、地址驱动电路、数据收发电路等，通过局部总线与CPU相连，支持CPU访问内存和完成指令功能;

　　②中断控制器（8259）、DMA控制器（8237）、定时/计数器（8253）、通过系统总线与CPU相连，支持CPU完成I/O操作。

　　在Pentium机中现在普遍采用基于PCI/ISA总线的系统结构，CPU的支持芯片也分为两类:

①主存与二级Cache控制器芯片，CPU局部总线至PCI总线的桥控制芯片，用来连接软驱、硬驱、光驱、网卡等快速外设;

　　②PCI接口芯片（可选择IDE、SCSI或LAN接口），PCI至ISA的桥芯片（实现PCI总线到ISA总线的转换，并将8238、8259、8253等芯片集成其中），ISA总线用来连接打印机等慢速外设。

　　5.80X86CPU系列的发展

　　8086CPU，数据位宽16位，地址线20条，可访问内存空间1MB，不支持虚存。

其内部由2个部件组成:

执行部件（EU）和总线接口部件（BIU）。

　　8086CPU，数据位宽16位，地址线24条，可访问内存空间16MB，支持段式虚存，最大虚存容量为1GB（230B），工作方式分为2种:

实地址方式和保护方式。

其内部由4个部件组成:

总线部件（BU）、指令部件（IU）、执行部件（EU）和地址部件（AU）。

　　80386CPU，数据位宽为32位，地址线32条，可访问内存空间4GB，支持段页式虚存，最大虚存容量为64TB（246B），工作方式分为3种:

实地址方式、保护方式和虚拟8086方式。

其内部由6个部件组成:

总线接口部件、指令预取部件、指令译码部件、执行部件、分段部件、分页部件。

80486CPU，除80386的指标外，主要是将80386协处理器和8KB的高速缓存（Cache）集成在芯片中。

　　PentiumCPU，数据线位宽64位，地址线32条，其主要特点是采用了超标量流水线（即多条指令流水线）结构，在一个CPU时钟周期内能完成两条指令;具有分支指令预测功能;将常用指令固化;具有系统管理模式（SMM）功能（例如当系统暂时不工作时，令其处于休眠状态，以降低能耗，按任一键，可唤醒之）等。

　　PentiumⅡ具有化复杂指令为精简指令的功能，也就是具有CISC和RISC二者的优点;它含有3路超标量结构，14级指令流水线;在芯片中包含了16KB高速缓存和256KB二级高速缓存。

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二、主存储器:

存储器分类，存储器组成与工作原理，Cache存储器

　　1.ROM存储器

　　ROM（ReadOnlyMemory）是只读存储器，其内容只能读出，不能写入。

　　PROM（ProgrammableROM）是可编程只读存储器，允许用户一次性写入。

　　EPROM（ErasablePROM）是可擦除的可编程只读存储器，可通过紫外光照射来擦除其内容，而重新写入，并可以重复多次。

　　EEPROM（ElectricalEPROM）是电可擦除的可编程只读存储器，可不从电路板上拔下芯片，利用电信号擦除与写入。

　　2.SRAM与DRAM

　　静态随机存取存储器SRAM的基本存储电路利用触发器存储信息的原理，通常由6支MOS晶体管构成，工作速度较快而功耗较高;动态随机存取存储器DRAM的基本存储电路利用电容存储信息的原理，通常由2支MOS晶体管构成，由于电容的漏电而需要经常（约2毫秒）刷新，所以工作速度较慢，但芯片存储容量大且功耗低。

　　3.存储矩阵与译码驱动

　　设存储容量为2n，则存储器的地址线为n条，若直接译码驱动，就需要2n个驱动器。

为了节省驱动线数，一般将存储器分成（2n/2）×（2n/2）矩阵，这样，驱动线就是2×（n/2）条。

例如n=12，存储容量为4096，若直接译码驱动，则需驱动线4096条;若采用矩阵式译码，则只需驱动线2×26=2×64=128条。

　　4.PC机的存储控制信号

　　M/IO———访问存储器或外设的控制信号，高电平时表示访问存储器。

　　RD———读信号，低电平时表示读存储器。

　　WR———写信号，低电平时表示写存储器。

　　ALE———地址锁存信号，高电平时将地址锁存到存储器中。

　　DEN———数据有效信号，低电平时才打开数据收发器（否则存储器与数据总线断开）。

　　DT/R———数据收发控制信号，高电平表示CPU发出数据，低电平表示CPU接收数据。

　　BHE———高8位数据允许信号，低电平表示8位数据总线上的数据是16位数据的高8位。

经过总线的控制器后，存储器读写控制信号的名称会有所变化，例如MRDC是存储器读命令，MWTC是存储器写命令等。

　　5.存储器地址选择

　　一个存储器通常由若干存储器芯片组成，为了实现对存储器的正确寻址，应将存储器芯片的地址线连到CPU地址线的低位部分，以实现片内寻址;CPU地址线的其余部分应按存储器地址分布的要求，通过译码器对单个芯片进行选择（产生片选信号CS）。

若干为了节省译码器件，只用部分高位CPU地址参加译码，则会产生地址重叠问题。

在实际应用中，应避免两个以上的地址访问到同一存储单元。

　　6.CPU时序与存储器存取时间的配合

　　CPU进行读写操作是按一定的时序进行的，如果存储器的读出时间或写入时间较长，不能满足CPU时序的要求，则需要在CPU时序中插入等待周期，才能保证对存储器的正确读写。

　　7.高速缓存（Cache）

　　为了使高速的CPU与慢速的主存储器之间能协同工作，而又不要在CPU时序中插入等待周期，而在CPU与主存储器之间引入高速缓存（又称快存）。

在快存中存放使用最频繁的指令和数据，这样CPU的工作速度得到了保证，从而提高了整个系统的工作速度。

为什么不提高整个内存的速度?

因为成本太高。

目前内存（DRAM）的存取时间是60～70纳秒，快存（SRAM）的存取时间是15纳秒，而前者的价格是后者的10倍。

　　为了提高快存的工作效率，在CPU中的缓存又分成存取指令和存取数据两部分，并在CPU芯片外设立二级缓存，奔腾机的一级缓存容量为16KB（存放指令与数据各8KB），二级缓存容量为256KB或512KB。

　　一、二级缓存合在一起，可使CPU访问缓存的命中率达到98%，如果数据既不在一级缓存中，又不在二级缓存中，则Cache控制器将从主存中存取数据，并在向CPU传送数据的同时，修改缓存中的内容。

显然，应保持Cache与主存中数据的一致性，为此，当CPU执行写操作时，不但要写入Cache中，还要写入主存中。

三、输入输出控制:

输入输出寻址，轮询I/O方式，中断传送方式，DMA传送方式1.I/O寻址

　　在80X86系列CPU中，采用专门的I/O指令来对I/O端口进行输入或输出操作。

在CPU中负责与I/O端****换信息的寄存器只能是AL（8位数据或16位数据）。

在输入、输出指令中，直接寻址范围是0～255;通过DX寄存器存放外设的端口地址而间接寻址的范围是0～65535。

两个连续的8位端口可以当作一个16位端口来使用。

　　在PC机中，实际上只有10条地址线（A0～A9）参加I/O端口地址译码，因此实际能访问的I/O端口数为1024。

相应的地址空间为000H～3FFH，其中000H～1FFH分配给系统板上的I/O端口，200H～3FFH分配给I/O插卡。

所以当地址线A9为高电平时，表示PC机的系统总线与I/O插卡交换数据;A9为低电平时，系统总线为主板上的I/O端****换数据。

　　区分访问内存与外设的控制信号是M/IO，当其为低电平时，表示CPU访问I/O设备。

为区分读操作或写操作应利用CPU相应控制信号，如IOR表示读I/O端口，IOW表示写I/O端口。

在I/O端口的地址译码电路中，还必须使用AEN信号参与译码，AEN是DMA允许地址输出信号，高电平时表示DAM控制器接管地址总线，只有当ANE为低电平时，才表示是CPU接管地址总线，在地址总线上送来的CPU是访问I/O端口的地址，才允许I/O端口进行译码输出。

　　2.计算机与外设交换信息的方式

　　计算机与外设交换信息的方式有4种:

直接程序传送方式、程序查询方式、程序中断方式和DMA（直接访问存储器）方式。

　　直接程序传送方式适合于开关和数码显示器等比较简单，可以直接向其输入或输出的器件。

程序查询方式适用于那些数据有一个准备与就绪过程的外设，只有外设准备好了，CPU才能进行数据的读写。

　　程序中断方式使CPU与外设能同时并行地工作，以提高CPU的利用率。

DMA方式是计算机与外设高速交换信息的方式，这种方式在DMA控制器的控制下，让外设与内存之间不通过CPU而直接交换数据。

由于DMA是用硬件实现这种数据交换的，所以速度很高，并且可以批量传输，适用于高速外设。

在DMA开始之前要用程序对DMA控制器芯片进行初始化;在DMA传输结束后，也要用程序进行有关数据的处理工作。

　　3.计算机与外设之间交换信息的内容

　　计算机与外设之间交换信息的类型有3种:

外设的状态、计算机给外设的命令、双方交换的信息。

　　4.查询I/O方式

　　查询方式的程序设计包括如下步骤:

①输入I/O设备的状态信息;

　　②判断I/O设备就绪否?

若未就绪，则重新取设备状态继续判断;③若I/O设备已就绪，则执行I/O数据传输。

　　查询方式所需硬件、软件都很简单，但浪费了大量的CPU时间。

为了提高查询方式中CPU的工作效率，可以让CPU依次对多个外设查询，即轮询。

5.程序中断I/O方式

　　在计算机中专门负责中断处理的硬件和软件称为中断系统。

不同类型的CPU，其中断系统的机能不同。

　　从主程序转向I/O中断服务程序的过程称为中断响应，I/O中断响应是通过硬件实现的。

其任务是:

　　①保存主程序的返回地址;

　　②转向中断服务程序的入口地址。

中断服务程序的任务是:

①保护CPU现场;

　　②开中断（在响应中断的过程中要关中断，以区分一次响应中断的过程。

若在本次处理中断的过程中允许响应更高级别的中断，则需及时开中断）;③中断服务处理;

　　④恢复主程序的CPU现场;

　　⑤在80X86系统中，要向8259发EOI（中断结束）命令，以便执行中断嵌套功能;⑥返回主程序的断点处，以便继续执行主程序。

　　6.80X86的中断系统

　　80X86CPU设有256种中断类型，其中断类型号为0～255。

中断服务程序的入口地址集中放在内存的中断向量表中，每个中断向量（即中断服务程序入口地址）要占4字节，因此，内存的中断向量表共占1KB，分布在内存地址区间0～3FFH中。

　　已知中断类型号为n，则相应的中断向量地址为4n，在4n和4n+1地址单元中存放该中断服务程序入口地址的偏移量，在4n+2和4n+3单元中存放中断服务程序入口的段地址。

　　7.8259中断控制器芯片

　　一片8259可提供8个I/O中断源，在286以上的PC机中用两片8259级联，可提供15个I/O中断源。

在8259中，用中断服务寄存器ISR存放正在服务的中断源标志。

8259的全嵌套中断工作方式是允许在中断服务程序的执行过程中响应更高级别中断请求的方式，它要求中断服务程序在中断返回之前，向8259发EOI（中断结束）命令，以便8259清除ISR寄存器中该中断源的对应位，转去处理级别较低的中断服务。

　　8259在其8个中断源IRQ0～IRQ7中，规定其优先级别是:

IRQ0最高，IRQ1次之，……IRQ7最低。

　　通过设置初始化命令字可以改变中断源的优先级别，甚至可以使优先权在各中断源之间轮流旋转。

　　8.8259的初始化命令字

　　8259的初始化命令字共有4个，ICW1～ICW4必须按顺序写入。

8259只有2个端口地址，即一个为偶数的地址和一个为奇数的地址，ICW1应写入偶地址，ICW2～ICW4均是奇地址。

ICW1用于设置8259的基本工作方式。

　　ICW2用于设置中断类型，使中断源IRQ号与CPU的中断类型号建立一一对应的关系。

ICW3用于设置8259级联的具体方式。

　　ICW4用于设置中断结束方式、缓冲方式、特殊的全嵌套方式等。

　　中断结束方式分为自动中断结束方式和非自动中断结束方式，前者适用于无中断嵌套的情况，8259中ISR的中断源标志在CPU响应中断请求后由8259自动清除，在中断服务序中无需向8259发EOI命令;后者适用于中断嵌套的情况，在中断服务程序结束前，要8259发EOI命令，以便清除ISR中相应的中断源标志位。

在PC机中采用非自动中断结束式，即中断程序在返回主程序之前，必须向8259发EOI命令。

　　缓冲方式指8259和系统的数据总线之间经缓冲器相连;非缓冲方式则是直接相连。

　　当8259级联工作时，应采用特殊的全嵌套方式，允许主片响应同级的中断请求。

一8259（主片）的8个IR输入端最多可经8个8259（从片）扩展为64个输入端。

用2片8259则将中断源输入端扩展为15个。

　　9.DMA控制器芯片8237

　　8237通过HRQ向80X86CPU的HOLD发出DMA请求，CPU通过HLDA向8237作出确认，同时CPU将总线控制权交给8237。

　　在8237中有4个DMA通道，每个通道都可以连接一个独立的I/O设备，它们不能同时工作，优先顺序为通道0～通道3。

在每个通道中都有2个端口:

一个16位的地址寄存器和一个16位的字节计数器，前者用来指示进行DMA数据传输时在内存中的起始地址，后者用来对传输的DMA数据字节进行计数，以便控制DMA传送的结束。

因此一片8237共有8个端口。

　　8237可以通过DREQ（连次级的HRQ）和DACK（连次级的HLDA）来实现级联，这样，用5片8237（1个主片，4个从片）就可以使MDA通道数扩大到16个。

10.扩大DMA可寻址的内存空间

　　由于8237的地址寄存器为16位，因此可寻址的内存空间为64KB，为了扩大DMA可寻址的内存空间，可在8237外建立页面地址寄存器，设页面地址寄存器为12位，则DMA总的可寻址空间为216+12=256MB，可满足现行PC机的要求。

四、系统总线与外设接口:

基本原理、ISA总线、PCI局部总线、串行接口、SCSI接口1.系统总线

　　在微机中连接CPU、内存、外存、各种I/O接口的信号及其控制电路称为系统总线。

系统总线包括数据总线、地址总线和控制总线。

其中，数据总线是双向三态（高电平、低电平和高阻）的，地址总线是单向的（从CPU输出），控制总线按其功能，有从CPU发出的，也有向CPU输入的状态或请求信号。

此外，系统总线还包括各种电源线、地线等。

　　2.ISA（IndustryStandardArchitecture）总线

　　ISA总线是286机采用的总线，为了与PC/XT机兼容，除保留原XT机的62线插槽外，还增加了一个36线插槽，共计98线。

所以ISA插卡也是98线。

　　ISA总线的数据位宽为16位，地址线为24条，供I/O插卡使用的硬中断为11级。

因为在IRQ0～IRQ15中，除IRQ0（定时器通道0中断），IRQ1（键盘中断），IRQ2（8259级联），IRQ8（实时时钟中断），IRQ13（协处理器中断）外，可提供给I/O插卡用的最多为11个。

　　3.PCI（PeripheralComponentInterconnect）局部总线

　　为了改进ISA总线的性能，曾推出扩展的ISA总线，即EISA总线，但由于其结构复杂，成本高，未能广泛推广;IBM公司为PS/2机设计的微通道结构（MCA）总线，因与ISA总线不兼容而无法推广;美国的视频电气标准协会（VESA）推出的VESA局部总线，在性能上也不是最优;目前在奔腾机上广泛采用的局部总线是PCI，目前流行的规格是电源电压为5V，数据位宽为32位（电源电压可以是3.3V，数据线位宽可以是64位）。

　　PCI总线的特点是:

　　①采用PCI桥芯片将CPU与PCI总线隔率开，保证了PCI总线的负载性能良好，它可以带10个负载;

　　②PCI桥就是PCI总线控制器，它支持外部设备与CPU并发工作;

　　③具有“即插即用”功能，就是外设控制卡插入PCI接口后，可立即被系统调用，用户不用担心发生I/O地址冲突等问题;

　　④PCI是独立于CPU的总线，其性能指标与CPU及系统时钟无关。

⑤支持3.3V工作电压，以满足节能的绿色计算机的要求。

　　4.串行通信协议

　　异步串行通信协议又称为起停式协议，用于按字符传输，在字符之间是不同步的，只保证字符内各比特之间的同步传输。

其通信参数有数据位数、有无奇偶校验、停止位数、波特率等。

　　面向比特的同步通信协议，可实现对比特流的透明传输，比较著名的有高级数据链路控制协议ALDL（High-LevelDataControl），其传输的帧格式以一个字节的01111110B作为开始和结束标志，包括1～2字节的地址段，1字节的控制段，若干字节的数据段和2字节的CRC校验段。

　　5.串行接口标准

　　目前普遍采用的串行通信接口标准是RS-232-C，它使用DB-25连接器，对25条信号线作了明确的定义。

在微机的串行通信中常用的信号只有9个，所以在PC机中，也使用9芯连接器。

RS-232-C信号的输入输出方向是以数据终端设备DTE为标准的，因此当两台计算机通过RS-232-C互连时，有关的输入输出信号（例如发送和接收）应该交*连接，这又称为无调制解调器连接。

RS-232-C采用负逻辑，-15～-3V表示逻辑1（即断开状态），+3～+15V表示逻辑0（即接通状态）。

　　为了提高串行通信的抗干扰性，又提高了RS-423和RS-422标准，前者采用非平衡驱动和差分接收;后者采用平衡驱动和差分接收，能有效的抑制共模干扰，提高了传输速度和传输距离。

当然，RS-422性能更好，也更流行。

　　6.可编程串行通信接口芯片8251和8250

　　8251和8250都是可编程的串行通信接口芯片，专门负责串行通信的处理任务，从而减轻CPU的负担。

8251支持同步和异步通信，8250支持异步通信。

　　8251芯片的时钟信号CLK为其内部提供定时，在同步通信时，CLK应大于发送器和接收器输入时钟频率的30倍;在异步方式时，必须大于发送时钟和接收时钟的4.5倍。

在同步方式下，发送时钟的频率和接收时钟的频率分别等于发送和接收的波特率;在异步方式下，发送时钟的频率和接收时钟的频率可以是发送和接收波特率的1、16、32或64倍。

　　PC机中的串行异步通信接口是以8250芯片为核心的。

它具有内部时钟产生电路，根据外部1.8432MHz的时钟频率，经16次分频，产生发送和接收时钟。

8250内部有10个寄存器，共占用7个端口地址。

7.可编程并行接口芯片8255

　　8255有3个8位的并行端口:

A口、B口和C口。

8255有3种工作方式:

方式0、方式1和方式2。

　　方式0———直接输入/输出方式，8255和外设之间无需联络信号。

A口、B口和C口均可分别由控制字规定为输入或输出。

　　方式1———选通输入/输出方式，此时，C口的3～7位为A口8位数据的传输提供联络信号;C口的0～2位为B口的8位数据提供联络信号。

　　选通输入的时序是:

　　①外设通过STB信号将数据送入A口（或B口）;

　　②A口（或B口）的状态标志IBF为1，表示输入缓冲器满，该状态信号可供程序查询;

　　③8255产生中断请求信号INTR，用于中断方式下，请求CPU从8255的A口（或B口）取走数据。

选通输出的时序是:

　　①当CPU向A口（或B口）输出数据后，OBF为0，表示输出缓冲区满，此信号可供程序查询，或将A口（或B口）中的数据打入外设。

　　②当外设取走数据后，向8255送来确认信号ACK;

　　③8255产生中断请求INTR，告诉CPU可以输出下一个数据到8255的A口（或B口）了。

方式2———A口的双向工作方式，在这种工作方式下，A口既可输入，也可输出。

由于要用到STB、IBF、OBF、ACK和INTR，共5条联络信号线，要占用C口的5位，C口只剩下3位了，因此，B口只能在方式0或方式1下工作，此时C口余下的3位可用作输入/输出线，也可做B口的联络信号。

　　8.8255的编程

　　8255有4个端口地址，从小到大依次为A口地址、B口地址、C口地址和控制口地址。

控制口用来写入8255的工作方式控制字，即实现8255芯片的初始化。

　　在程序中可对C口按位置1或置0，方法是:

D7=0，D3D2D1=所选择位的二进制编码，D0=1或0。

　　9.打印机并行接口标准

　　PC机所用的打印机接口标准是Centronics，来源于一家打印机公司的名字。

它使用了36个引脚，但在PC机打印接口中则作了简化，使用了与RS-232-C相同的DB-25接头。

一些高速激光打印机中则使用了SCSI接口。

　　10.SCSI接口

　　SCSI（SmallComputerS