武汉理工大学32位微型计算接口技术及应用复习资料讲解.docx
- 文档编号:5704220
- 上传时间:2022-12-31
- 格式:DOCX
- 页数:32
- 大小:1.47MB
武汉理工大学32位微型计算接口技术及应用复习资料讲解.docx
《武汉理工大学32位微型计算接口技术及应用复习资料讲解.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《武汉理工大学32位微型计算接口技术及应用复习资料讲解.docx(32页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
武汉理工大学32位微型计算接口技术及应用复习资料讲解
第一章概述
1.接口的概念:
1.协调信号;2.同步速度;3.提高效率;4.适应拓展
2.接口的功能:
接口功能可归纳成5点:
1.对外设发命令;2.获得外设工作状态;3.数据缓冲4.信号转换;5.选择设备
3.接口的组成:
接口由两部分组成
硬件:
接口逻辑电路(可编程接口芯片)、端口地址译码电路、数据锁存/缓冲器(由触发器/三态门组成的芯片)
软件:
(上层,DOS和Win32两形式)应用程序(芯片初始化、数据交换(中断或DMA服务)、交换生命期控制);(对Win32形式还有下层)本地与PCI信号转换控制
4.接口与CPU交换数据的方式,在微机中,可归纳成3种:
1)查询方式;2)中断方式;3)DMA方式。
5.分析与设计接口的方法可归纳成2种:
两侧法:
CPU——I/O设备
硬软结合:
(1)硬件设计:
视I/O需要首选“可编程芯片”、译码芯片、锁存/缓冲芯片,附加组合逻辑电路(逻辑、GAL、FPGA/CPLD)
(2)软件设计:
32位接口编程方式有4种
DOS下3种:
(直接控制——高效难不易移植、DOS调用、BIOS调用——针对标准设备)
Windows下1种:
利用Win32的API调用编程。
6.总线与接口标准
总线:
是在模块和模块之间或设备与设备之间的一组进行互连和传输信息的信号线,信息包括指令、数据和地址。
总线标准:
指芯片之间、扩展卡之间以及系统之间,通过总线进行连接和传输信息时,应该遵守的一些协议与规范。
接口标准:
外设接口的规范,涉及接口信号线定义、信号传输速率、传输方向和拓扑结构,以及电气特性和机械特性等多个方面。
7.总线与接口的区别?
1.总线标准具有公用性;接口标准大多是专用的。
2.总线往往以主板上的总线扩展槽形式提供使用;接口一般是以接口插座(头)形式提供使用。
3.总线一般是并行传输;接口有并行传输,也有串行传输。
4.总线定义的信号线多,而且齐全,有分离的控制线、数据线和地址线;接口的信号线少,而且不齐全,一般是控制线、数据线和地址线共用。
8.为什么要采用总线技术?
面向总线的结构有如下优点:
1)便于采用模块结构设计;
2)标准总线可得到多个厂商的广泛支持;
3)模块结构便于扩充和升级;
4)便于故障诊断和维修;
5)降低了成本
9.系统总线主要性能指标
(1)I/O地址空间0100H~03FFH
(2)24位地址线可直接寻址的内存空间为16MB
(3)8/16位数据线
(4)引脚数:
62+36=98线
(5)最大任意16位(bit)
(6)最高时钟频率8MHz
(7)最大传输率16MB/s
(8)中断功能
(9)DMA通道功能
(10)开放式总线结构,允许多个CPU共享系统资源。
第二章32位处理器的工作模式
1.主要内容
1)微处理器的工作模式是指微处理器对存储器的操作模式.
2)8086只有一种模式是实地址模式.简称实模式.
3)80286到Pentium增加了一种模式,即受保护的虚地址模式,简称保护模式.
4)在保护模式下,为兼容8086对存储器的实模式操作,又派生出了一种虚拟8086工作模式,简称V86模式.
5)32位微处理器有实模式,保护模式和V86模式3种.
2.实模式的特点
①存储器地址空间采用实地址,不支持虚拟存储器.
②无保护机制,不支持存储保护功能.
③单任务执行,不支持多任务.
④存储器管理采用分段分段机制,支持段式管理;无分页机制,不支持页式管理.
⑤使用20位地址,支持1MB的内存空间地址。
3.32位位微处理器在实模式下的状态
1)通用寄存器和标志寄存器都扩展到32位,在原16位基础上前面加E。
数据寄存器可进行8位、16位和32位操作。
2)段寄存器仍为16位,但增加两个数据段寄存器FS和GS
3)增加三个控制寄存器CR0、CR2和CR3(无CR1)。
4)系统地址寄存器与80286类似。
系统表寄存器:
GDTR:
全局描述表寄存器
LDTR:
局部描述表寄存器
IDIR:
中断描述表寄存器
TR:
任务寄存器
功能:
在保护模式下分别指出对应的描述表在存储器中的起始地址及占存储单元数。
4.在进入实模式后,微处理器的状态如表2.1所示的相关寄存器的内容.
实模式下对段描述符的定义包括段基址、段界限和段属性3个域.
①代码段:
段基地址=段值×16
段界限=0FFFFH(64KB)
段属性:
P=1,段总是存在的(实址)
G=0,段界限以字节为单位
CPL=0,当前特权级为0(段的被访问特权)
R=1,可读可执行
E=0,向上扩展,偏移值小于等于段界限
C=0,非一致代码段,访问特权与被访问特权级恒等.
②其他段:
段基地址=段值×16
段界限=0FFFFH(64KB)
段属性:
P=1,段总是存在的(实址)
G=0,段界限以字节为单位
CPL=0,当前特权级为0(段的被访问特权)
R=1,可写可读
E=0,向上扩展,偏移值小于等于段界限
由于各个段的基址、界限和属性都是按上述固定的值由微处理器复位时设置好的,所以,实模式下不再要求用段描述符来说明各个段的具体属性.
5.上电复位后微处理器的状态
6.实模式下的存储器管理
1.由于实模式下CR0的PG=0,页式管理机构不工作,故只有段式管理.段式管理的逻辑地址采用段加偏移的方案来表示,在形式上它与16位微处理器的逻辑地址没有差别,所不同的是32位微处理器段的含义发生了变化,由原来单一的段基址变成了包括段基址.段界限和段属性的段描述符;段寄存器也扩展为段寄存器(可见部分)和段描述符高速缓存寄存器(不可见部分)两部分.
2.实模式下用户在程序中使用的地址是逻辑地址,而代码和数据存放在物理地址中,CPU运行程序时将逻辑地址转换物理地址.即
物理地址的形成:
物理地址=段值×16+偏移量
7.实模式下的存储器寻址范围
1.实模式的来源:
实模式的来源于8086微处理器,它有20根地址线,可寻址空间220B=1MB
如何去寻址或访问这个1MB的存储空间?
这是微处理器所面临的问题.由于8086的寄存器为16位,只能寻址216B=64KB,因此,实模式下存储寻址只能采用以最大长度64KB为一段的寻址方式.这个段值放在段寄存器中,表示每个段的首址或基址.偏移量表示存储单元离段首址的距离,偏移量放在偏移寄存器中.把段寄存器和偏移寄存器组合在一起进行寻址,用以指定指令或数据在存储器中的位置.
8.保护模式
保护模式是32位微处理器的本机模式,它是一种与实模式完全不同的工作模式.
保护模式的特点
①采用虚拟技术,支持虚拟存储器.
②采用保护措施,实现存储器内容的保护与隔离.
③采用分段与分页机制,实现虚拟存储器管理.
④基于虚拟机,支持多任务.
32位微处理器开机或复位时,处于实模式.如果要使微处理器进入保护模式,则可用软件的办法把控制存储器CR0的第0位PE置1来使微处理器从实模式转换到保护模式.
9.虚拟存储器的概念
所谓保护是指在执行多任务操作时,对不同任务使用的虚拟存储器空间进行完全的隔离,保护每个任务顺利执行。
1.什么是虚拟存储器?
实际的物理存储器是由存储器芯片所组成的一个存储器实体,它的最大容量取决于地址总线的位数,20位地址线有1MB的空间,32位地址线可达4GB的空间.虚拟存储器是采用虚拟技术设计出来的一种比实际存储器容量大得多,而并非实际存在的存储器.
2.为什么要采用虚拟存储器?
一是成本问题:
个人计算机的内存一般都不大,在几百BM到2GB,这对多任务系统来说是很有限,增加芯片成本高不可取.采用软件方法最为合适.
二是使用虚拟存储器的好处是使编程人员可写出比任何实际配置的物理存储器大得多的程序,从而支持多任务的实现.
3.如何实现虚拟存储?
首先,虚拟存储器由存储器管理器(MMU)及1个大容量硬盘(HD)支持.由操作系统的存储器管理器控制物理存储器的分配和释放,以及硬盘和物理存储器之间的数据转换.
10.小结
1.保护模式下的存储器管理的3大特点
①管理的是虚拟存储器
②存储器要求有保护功能
③存储器要支持多任务
2.保护模式下存储器的管理方式
保护模式下有两种存储器管理方式:
段式管理:
采用段+偏移量形成物理地址
页式管理:
将存储器分为固定大小的页,并采用页表将线性地址页转换为物理页,再将物理页+页内偏移量形成物理地址.
3.虚拟地址空间到物理地址空间的转换
11.虚拟8086模式(V86模式)
1.什么是V86模式?
V86模式是在32位微处理器中模拟运行16位微处理器的一种模式,是在保护模式下由保护机制控制运行的8086模式.
2.V86模式与实模式的区别
(1)内存管理方式不同:
实地址方式只采用分段管理,而不采用分页管理,而虚拟8086方式既分段又分页。
(2)存储空间不同:
实地址下的最大寻址空间为1MB,而虚拟8086方式下每个任务尽管最大1MB,但可以在整个内存空间浮动,因此V86方式实际寻址空间为4GB。
(3)保护机制不同:
实地址方式下无保护机制,而虚拟8086方式既可以运行8086程序,又支持多任务操作,这就解决了80286保护方式既要维持保护机制,又要运行8086程序的矛盾。
如在Windows下多次双击MS-DOS即运行多个DOS程序(8086程序)。
第三章基于微处理器的微机系统软件模型
1.概述
1)微机系统软件模型:
所谓微机系统软件模型,是从软件编程的角度去看待微型机算计系统,也就是从编程使用的角度来考量微机中的微处理器、存储器及I/O系统,而不深究其内部电路结构的硬件细节.
2)描述的对象:
微机系统软件模型所描述的对象包括微处理器的寄存器模型.存储器模型和I/O地址空间模型等.
2.研究微机系统软件模型的意义
(1)从编程的观点来看待微机系统的硬件资源,可以简化对内部硬件细节的了解.
(2)使用微处理其的汇编语言编程,也必须从软件的观点去了解微处理器及其存储器子系统和I/O子系统.
(3)由于微处理器的活动(操作)都靠软件来驱动,用户编什么样的程序就可以使微处理器产生什么样的活动(操作)
(4)从兼容性来看,强调功能上.逻辑上兼容,而不强调物理上的兼容(主要是内部电路细节上的兼容).采用软件模型也是适合的.
3.实模式下微处理器的寄存器模型
AX、BX、CX、DX共同特点:
既可作为16位寄存器来用又可作为两个8位寄存器(高、低位)来用;
都是用于暂存操作数,或是运算的中间结果或其它一些信息。
指令=操作码+操作数
2)段寄存器
CS、DS、SS、ES、FS、GS等6个段寄存器,和偏移地址寄存器一起形成20位存储器物理地址,对存储器中存放的程序、数据、堆栈区域加以区别、寻址。
寻址程序(指令):
CS+IP;
寻址数据:
(DS或ES)+(SI或DI、BX、BP);
寻址堆栈:
SS+(SP或BP)
说明:
(1)6位状态标志寄存器的作用
CF进位标志(CarryFlag):
有进/借位为1,无进借位为0。
另循环指令也使CF=1。
PF奇偶标志(ParityFlag):
运算结果若低8位所含1的个数为偶数,则PF=1,否则PF=0。
AF辅助进位标志(AuxiliaryCarryFlag):
低4位向高位有进/借位(即第3位向第4位进位)为1,否则AF=0。
ZF全零标志(ZeroFlag):
当运算结果使有效位数的各位全为零时ZF=1,否则ZF=0。
SF符号标志(SignFalg):
当运算结果为负时SF=1,否则SF=0。
SF的值就是有符号数的最高位(符号位)。
OF溢出标志(OverflowFlag):
当运算结果超出了机器所能表示的范围时,则OF=1,表示溢出,否则OF=0。
溢出判断方法:
OP=Cn-1异或Cn-2
(2)3位控制寄存器
TF(trapflag):
跟踪(陷阱)标志,当TF=1时,则在执行指令时产生单步中断,它执行一条指令后就调到一个专用服务程序上去,检查指令执行情况,用于程序调试.
IF(interruptenableflag):
中断允许标志,当IF=1时,允许中断请求;若TF=0时禁止中断.
DF(directionflag):
方向标志.决定串操作的方向.当DF=1时,串指令自动按减地址执行.若DF=0时,串指令按增加地址执行.
具体如P21图3.3所示.
4.实模式存储器模型
实模式存储器软件模型是用户在编程时只考虑如何使用存储器,而不考虑它的硬件细节。
其模型的内容包括存储器空间、存储器的分段与分页、存储器的寻址和物理地址的形成等。
3.4.1实模式下存储器地址空间和数据组织
1.实模式下存储器地址空间
32位处理器在实模式下,支持存储空间为220=1MB,地址由00000-FFFFF(H)编码。
若存放的信息是字节,则从0开编号,按顺序每次加1,直到1048575为止。
若存放的信息是字,则将字的低位字节存放在低地址,高位字节存放在高地址
若存放的信息是双字,则将双字的低位字存放在低地址,高位字存放在高地址。
5.实模式存储器地址分段
1)实模式存储器地址分段
实模式只采用分段的方法管理与使用存储器,每段最大64KB。
值得注意的是:
实模式下的段不能器始任意地址而必须从字节地址的16整数倍任一小段开始。
微处理器规定:
从0开始,每16个字节为一小段,如下所示:
0000,0001,0002,…,000E,000F(一小段)
0010,0011,0012,…,001E,001F(一小段)
0020,0021,0022,…,002E,002F(一小段)
2)实模式存储器逻辑地址
存储器逻辑地址也就是编程时所使用的地址,实模式的逻辑由段基址和偏移量地址两部分组成。
在程序中:
段基址值:
16位的段寄存器CS、DS、SS、ES、FS、GS表示。
偏移量:
16位指令指针IP、基址寄存器BX、指针寄存器BP或变址寄存器SI/DI表示。
如代码段逻辑地址表示为CS:
IP,数据段逻辑地址表示为DS:
BX等。
段基址与偏移量的关系如图3.10所示。
6.实模式下存储器寻址
2.段+偏移的寻址组合的潜在规则
段+偏移的寻址组合,实际上就是段寄存器和偏移寄存器组合。
微处理器对此有一套规则,用于访问不同的存储器段。
这套规则既适合于实模式也适合于保护模式,该规则定义了各种寻址方式段地址寄存器和偏移地址寄存器的组合方式。
如代码段寄存器总是和指令指针组合成CS:
IP用于寻址程序的下一条指令。
若CS=14000H;IP=1200H,则处理器从存储器的CS+IP=15200H单元取下一条指令。
3.段+偏移寻址方案允许重新定位
段+偏移寻址方案虽然很复杂,但它给系统带来许多优点,主要表现在这种段+偏移寻址方案允许程序和数据在存储器内重新定位。
段+偏移寻址方案由于偏移地址在段内寻址,因此,如果要移到不同存储区,则只需修改段寄存器内容就可保证程序的正常运行,实现程序和数据的重定位。
2.不同的逻辑地址可映射成同一个物理地址
在进行物理地址的计算时可以发现,同一个物理地址可由不同的逻辑地址来生成。
只要按照物理地址=段寄存器的值+偏移量来改变段基址和偏移量的数值,并使两者合成的物理地址的数值保持不变就行。
如一组:
002BH:
0013H,生成002C3H
另一组:
002CH:
0003H,生成002C3H
7.实模式下I/O地址空间模型
第四章
第六章内存储器接口
1.存储器分类
一)随机存取存储器RAM
1.双极型RAM
双极型RAM的主要特点:
存取时间短,通常为几纳秒到几十纳秒;
其集成度低、功耗大,而且价格也较高。
2.MOS型RAM
用MOS器件构成的RAM又可分为SRAM和DRAM。
二)只读存储器ROM
1.掩模式只读存储器
这种芯片存储的信息稳定,成本最低。
适用于存放一
些可批量生产的固定不变的程序或数据。
2.可编程ROM
用户可以读出其内容,但再也无法改变它的内容。
3.可擦除的PROM
可擦除的PROM芯片因其擦除的方式不同可分为两类。
(1)一是通过是紫外线照射来擦除,这种用紫外线擦除
的PROM称为EPROM
(2)另外一种是通过电的方法来擦除,这种PROM称为EEPROM芯片内容擦除后仍可以重新对它进行编程,写入新的内容。
擦除和重新编程都可以多次进行。
2.存储器芯片的主要技术指标
1)存储容量
存储器芯片的存储容量用“存储单元个数×每存储单元的位数”来表示。
当计算机的内存确定后,选用容量大的芯片则可以少用几片,这样不仅使电路连接简单,而且功耗也可以降低。
2)存取时间和存取周期
存取时间又称存储器访问时间,即启动一次存储器操作(读或写)到完成该操作所需要的时间。
CPU在读写存储器时,其读写时间必须大于存储器芯片的额定存取时间。
如果不能满足这一点,微型机则无法正常工作。
存取周期是连续启动两次独立的存储器操作所需间隔的最小时间。
若令存取时间为tA,存取周期为TC,则二者的关系为TC≥tA。
3)可靠性
目前所用的半导体存储器芯片的平均故障间隔时间约为5×l06~l×108小时左右。
4)功耗
用功耗低的存储器芯片构成存储系统,不仅可以减少对电源容量的要求,而且还可以提高存储系统的可靠性。
3.地址译码方式
存储器的地址译码方式可以分为两种,一种称为全地址译码,另一种称为部分地址译码。
一、全地址译码方式
所谓全地址译码,就是构成存储器时要使用全部地址总线信号,即所有的高位地址信号用来作为译码器的输入,低位地址信号接存储芯片的地址输入线,从而使得存储器芯片上的每一个单元在整个内存空间中具有唯一的一个地址。
如图6.9所示。
这是一片SRAM6264与8086/8088系统的连接图。
可以看出,只要A19~A13为以下二进制位时,就可访问6264存储单元,具体哪一个存储单元由低13位(A12~A0)决定。
0111101
该片6264的地址范围为:
01111010000000000000=3E000H
到
00111111111111111111=3FFFFH
若将图6.9中的“与非”门改为“或”门,如图6.10所示,则6264的地址范围就变成84000H~85FFFH。
二、部分地址译码方式
顾名思义,部分地址译码就是仅把地址总线的一部分地址信号线与存储器连接,通常是用高位地址信号的一部分(而不是全部)作为片选译码信号,图6.11就是一个部分地址译码的例子。
从图6.11可以看出,A19~A0为以下二进制位时,就可访问6264存储单元。
11111
低13位可取0000000000000~1111111111111,所以该片的地址范围为:
111110000000000000~111111111111111111
当A14A13=00:
11111000000000000000=F8000H
到
11111001111111111111=F9FFFH
当A14A13=01:
FA000H~FBFFFH
当A14A13=10:
FC000H~FDFFFH
当A14A13=11:
FE000H~FFFFFH
按这种地址译码方式,芯片占用的这4个8KB的区域决不可再分配给其它芯片。
否则,会造成总线竞争而使微机无法正常工作。
第七章总线技术
1.什么是总线
所谓总线是指能为多个功能部件互连和信息传输(指令、数据和地址)的一组公共信号线。
计算机的总线有特定的含义,通常指局部总线、系统总线和通信总线等。
采用总线结构优点:
是因为采用总线结构可以使系统结构简单、系统的扩充和更新方便、可靠性高。
总线标准化的内容主要包括:
总线接插件的机械特性(型号、尺寸)、引线数目、信号定义和时序,数据传输率,总线通信协议(传输方式、联络信号),仲裁协议等的一系列规定和约定。
2.总线标准
总线标准是指在芯片之间、插板之间以及系统之间通过连接和传输信息时应遵守一些协议和规范。
为了充分发挥总线的作用,每个总线标准都必须有具体和明确的规范说明,通常包括如下几个方面的技术规范或特性:
(1)机械特性:
规定模块插件的机械尺寸,总线插头、插座的规格及位置等;
(2)电气特性:
规定总线信号的逻辑电平、噪声容限及负载能力等;
(3)功能特性:
给出各总线信号的名称及功能定义;
(4)规程特性:
对各总线信号的动作过程及时序关系进行说明。
3.总线的分类
1.相对于CPU位置划分:
按照相对于CPU的位置可分为片内总线与片外总线。
2.按功能或信号类型划分:
按照功能或信号类型可把总线分为数据总线(DBDataBus)、地址总线(ABBus)和控制总线(CBControlBus)。
3.按总线的层次结构划分:
按照总线的层次结构可把总线分为CPU总线、局部总线、本地总线(系统总线)和通信总线。
4.总线的性能参数
(1)总线频率:
它反映总线工作速度。
以MHz表示。
(2)总线宽度:
数据总线的位数,以Bit(为)表示;有8位、16位、32位和64位。
(3)总线传输率:
表示单位时间内总线上可传输的数据总量,用MB/s表示:
总线传输率=(总线宽度÷8位)×总线频率
(4)同步方式:
有同步和异步之分;在同步方式下,总线上的主模块与从模块进行一次传输所需的时间是固定的,严格按系统时钟来统一传输操作。
异步方式下,采用应答传输技术,允许从模块自行调整传输时间。
(5)多路复用:
在一条物理线上按分时传输几种信号,叫多路复用技术。
即某一时刻传输地址信号,另一时刻传输数据或指令。
(6)负载功能:
主要是连接扩展板的数量。
不同的电路插板对总线的负载是不一样的。
(7)信号线数:
表明总线拥有多少信号线,指数据、地址、控制以及电源线的总和。
信号线越多,复杂度越高。
(8)总线控制方式:
主要指传输方式、设备配置方式、中断分配和仲裁方式。
(9)其它性能指标:
指电源电压等级,可扩展度等。
5.总线桥
1)什么是桥
所谓总线之间的桥,简单来说是一个总线与总线之间的转换器或者是总线接口。
它实现CPU总线到PCI总线、PCI总线到ISA总线的连接与转换,并允许相互通信。
连接CPU总线与PCI总线的桥叫北桥;连接PCI总线与ISA(本地总线)的桥叫南桥。
2.)PCI总线芯片组
实现总线桥功能的是一组大规模集成专用电路,被称之为PCI芯片组或PCI总线组件。
第八章中断技术
1.中断的类型
在32位微机系统中,为了支持多任务和虚拟存储功能,把外部硬件中断称为“中断”,而把内部中断称为“异常”。
系统最多支持256种中断或异常。
1)中断(硬件中断:
可屏蔽中断,不可屏蔽中断)
分为可屏蔽中断INR与不可屏蔽中断NMI。
(1)可屏蔽中断INR:
这是由外部设备通过中断控制器用中断请求线INR向CPU申请而产生的中断,但CPU可以用CLI指令来屏蔽(禁止),暂时不响应它的中断,称这种中断为可屏蔽中断。
中断控制器由82C59担任。
(2)不可屏蔽中断NMI:
这是由外部设备通过另一条中断请求线NMI向CPU申请而产生的中断,但CPU不能用CLI指令来
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 武汉理工大学 32 微型 计算 接口 技术 应用 复习资料 讲解
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)