計算機接口技術太原理工大學物理與光電工程學院

鄧霄2015.3.22對計算機,微型計算機了解多少?1.運算速度——每秒運算多少次？主頻？2.內存多大？3.存儲容量？1.CPU字長——多少位？2.接口——種類、多少？進一步：本課程將深入學習，知其然，知其所以然3對微處理器，微型計算機的應用又了解多少？1.科學計算2.信息處理、事務管理3.娛樂1.生產過程控制2.民用產品：如家用電器，汽車等3.儀器儀表檢測進一步：4儀器儀表檢測——電阻式冰厚檢測系統安裝在黑龍江漠河河道現場的冰雪情自動檢測系統5儀器儀表檢測——電阻式冰厚檢測系統檢測原理6

電阻式冰厚檢測裝置——傳感器實物R-T（等效電阻-溫度梯度型）冰情檢測傳感器T（溫度梯度型）冰情檢測傳感器7儀器儀表檢測——電阻式冰厚檢測儀表82005年1月20日

冰情實時采集數據E76°22′40〃S69°22′24〃冰水情傳感器的現場檢測應用2005年1-2月，在南極中山站進行了海冰厚度觀測試驗9冰水情傳感器的現場檢測應用21:26,Feb.25.2009汾河（中國，山西，婁煩縣）河道試驗現場

E111°78′，N38°07′2008.12-2009.2汾河冰情現場觀測試驗10CompanyLogo2009.12-2014.3在中國內蒙包頭黃河河道現場開展試驗

2010.1.23-04:412010.1.23-13:112010.1.23-16:11T(℃)T(℃)T(℃)空氣冰水水水冰冰空氣空氣h（cm）h（cm）h（cm）E108°7′N40°55′

112012-2014在中國黃河萬家寨水利樞紐庫區開展試驗2012.12.23-09:00萬家寨水庫試驗現場

E111°4′，N39°5′122012.10-2013.6在內蒙額爾古納河河道開展試驗內蒙古額爾古納河齊乾河道試驗現場

E120°7′，N52°7′132011.11-12在四川巴塘金沙江上游河道開展試驗四川巴塘金沙江上游河道試驗現場

E99°1′，N30°0′2012.12.20，,00:292012.12.20，,00:29142013.12-2014.4在黑龍江漠河河道開展試驗黑龍江漠河河道試驗現場

E121°07′，N53°33′152013.12與大興安嶺水文局、中南水電設計院合作-在黑龍江漠河水文站建設成功“冰凌監測站”16172.本課程的教學目的與要求掌握先進微處理器芯片結構、微型計算機實現技術、計算機主板構成、接口技術及其應用編程方法。掌握微機技術發展趨勢，提高分析和設計接口的能力。3.先修課程：數字模擬電路、匯編語言、微機組成原理、單片機原理及應用等本課程的介紹1.本課程的地位是應用物理學專業的一門核心課程，是突出計算機應用的一門課程。184.本課程的主要學習方法a.以IBMPC/XT機為主線，分析其基本結構；進一步擴展延伸：CPU：8086——Pentium總線：PCI、AGP、USB、1394等芯片組：8253、8255、8259、8237等接口芯片過程通道技術目前主流人機接口設備b.學會分析與設計接口電路的基本方法分析接口兩側的情況如何進行信號轉換合理選擇接口芯片接口驅動程序的分析19第一章

微型計算機基礎與系統總線201.1微型計算機的基本結構

從20世紀70年代起，微型計算機開始了它的發展歷程，80年代IBMPC機的問世是一個重要的里程碑。時至今日，典型的Intel公司的微處理器從8088/8086發展到80286、386、486和酷睿(Core),整個微機系統的硬件與軟件和當初相比已是面目全非，但是在討論微型計算機接口的時候，仍然能隱約看到最初的IBMPC機的影子。

211.1.1微型計算機的硬件馮.諾依曼體系結構

221.1.1微型計算機的硬件微機的硬件結構

23FE000H~FFFFFHPC/XT機的基本結構1.1.1微型計算機的硬件—微機硬件結構的發展24386/486機的基本結構1.1.1微型計算機的硬件—微機硬件結構的發展25南北橋架構的Pentium2基本結構1.1.1微型計算機的硬件—微機硬件結構的發展26中心架構的Pentium3微機的基本結構1.1.1微型計算機的硬件—微機硬件結構的發展27IntelCore(酷睿)

架構1.1.1微型計算機的硬件—微機硬件結構的發展281.1.1微型計算機的硬件—微機硬件結構的發展291.1.1微型計算機的硬件—微機硬件結構的發展301.機器的字長:計算機內部ALU

(算術邏輯單元,arithmeticandlogicunit)

能夠一次同時處理的二進制的位數。

2.主頻

:CPU的主頻＝外頻×倍頻系數4.內存容量:計算機可存儲信息的多少,通常以字節為單位5.運算速度:每秒能執行的指令條數6.擴展能力:計算機系統配置各種外設的可能性與適應性3.FSB:是將CPU連接到北橋芯片的總線，也是CPU和外界交換數據的主要通道

1.1.1微型計算機的硬件—微機的主要技術指標311.1.2微型計算機的軟件系統軟件：包括操作系統、匯編程序、編譯程序、調試程序、監控診斷程序、設備驅動程序等，它是硬件和應用軟件之間的接口。應用軟件：則包括字處理程序、圖表處理程序、數據庫管理程序、用戶應用程序等。321.2微型計算機的運行1.2.0基本概念

寄存器：一種雙穩態觸發器(8個或16個)，能夠同時被讀出或寫入

位：16位—字；8位—字節8088/8086的寄存器有8位和16位兩種，如AX，AH，AL331.2.1計算機中的數制

二進制B

權為2

十進制

D權為10

八進制

O權為8十六進制

H權為16將十六進制3C7F轉換成八進制數將二進制數10101010轉換成十六進制數將二進制數10101轉換成八進制數將十六進制數37CA6轉換成二進制將八進制數376轉換成二進制數1.2微型計算機的運行36177AA2511011111001010011011111110341.2.1計算機中的數制原碼：正數的符號位為0，負數的符號位為1，其它位按照一般的方法來表示數的絕對值。用這樣的表示方法得到的就是數的原碼。反碼：對于一個帶符號的數來說，正數的反碼與其原碼相同，負數的反碼為其原碼除符號位以外的各位按位取反。補碼：正數的補碼與其原碼相同，負數的補碼為其反碼在最低位加1在計算機系統中，數值一律用補碼來表示(存儲)

1.2微型計算機的運行351.2.2計算機中的編碼

ASCII碼:它原來是美國的國家標準，1967年被定為國際標準。ASCII碼由8位二進制數組成，其中最高位為校驗位，用于傳輸過程檢驗數據正確性。其余7位二進制數表示一個字符，共有128種組合

BCD碼(二—十進制碼)：用4位二進制數來表示1位十進制數中的0~9這10個數碼，簡稱BCD碼

Unicode碼：是一種在計算機上使用的字符編碼。它為每種語言中

的每個字符設定了統一并且唯一的二進制編碼，以滿足

跨語言、跨平臺進行文本轉換、處理的要求。1.2微型計算機的運行Win8下Eudcedit命令36

1.2.3微型計算機的工作過程取指過程示意圖

1.2微型計算機的運行371.38088/8086CPU的技術特點

8088/8086是Intel公司于20世紀70年代末推出的16位微處理器（8088為準16位），從那時起，先進的技術和工藝使微處理器的性能有了很大的提高，微計算機的發展速度是驚人的。

如今8088/8086CPU早已不再使用，但是它們的一些特點及其背后的設計思想仍然值得我們學習和借鑒。38芯片引腳圖AD7～AD0地址/數據分時復用引腳A15～A8中間8位地址引腳A19/S6～A16/S3地址/狀態分時復用引腳ALE地址鎖存允許IO/M*I/O或存儲器訪問WR*寫控制；RD*讀控制READY存儲器或I/O口就緒DEN*數據允許；DT/R*數據發送/接收SS0*最小模式下的狀態輸出信號INTR可屏蔽中斷請求；INTA*可屏蔽中斷響應NMI不可屏蔽中斷請求HOLD總線保持；HLDA總線保持響應RESET復位請求；CLK時鐘輸入Vcc電源；GND接地；TEST*測試

MN/MX*最小/最大工作模式1.38088/8086CPU的技術特點

39最小工作模式構成小規模的應用系統8088本身提供所有的系統總線信號最大工作模式構成較大規模的應用系統，例如可以接入數值協處理器80878088和總線控制器8288共同形成系統總線信號IBMPC/XT采用最大組態本書以最小組態展開基本原理1.38088/8086CPU的技術特點

40指令流水線

取指令—取操作數—執行指令—存結果地址段寄存器

段寄存器+偏移地址64KB—1MB多處理器工作模式

最小模式、最大模式對外圍設備的控制1.38088/8086CPU的技術特點

411.4新型CPU簡介(發展概述)

第一代微處理器Intel4004、Intel4040——4位處理器；Intel8008——低檔8位處理器；第二代微處理器Intel8080、MC6800、6501、6502——8位處理器；Intel8085、Z80、MC6809——高檔8位處理器；指令比較完善，有了中斷與DMA；匯編、BASIC、FORTRAN；后期配備CP/M操作系統42第三代微處理器Intel8086、Z8000、MC68000——16位處理器；

IBMPC、IBMPC/XTIntel80286、MC68010——高檔16位處理器；IBMPC/AT第四代微處理器Intel80386——32位處理器；-實地址模式、虛地址保護模式、虛擬8086模式Intel80486——32位處理器；

-部分采用RISC(ReducedInstructionSetComputing，精簡指令集計算機

)技術、突發總線技術1.4新型CPU簡介(發展概述)

43第五代微處理器Pentium——32位處理器；-5級超標量結構、分支預測技術-64條數據線，32條地址線PentiumMMX（多能奔騰）——32位

-增加了57條MMX指令

-采用了SIMD技術1.4新型CPU簡介(發展概述)

44第六代微處理器PentiumPro（高能奔騰）——32位處理器；-64條數據線，36條地址線-實現了動態執行技術Pentium2（奔騰2）——32位

-PentiumPro+MMX

-雙獨立總線結構Pentium3（奔騰3）——32位

-增加了70條SSE指令

-首次內置了序列號1.4新型CPU簡介(發展概述)

45第六代之后的微處理器Pentium4——32位處理器；-超級管道技術-增加了144條SSE2指令

-簡單ALU運行在2倍的處理器核心頻率Itanium——64位處理器（IA-32CPU

IntelArchitecture，Intel架構

）

-采用EPIC（并行指令）技術、RISC技術和CISC（ComplexInstructionSetComputer

復雜指令集）技術

-具有顯示并行功能

-具有斷定執行功能-具有數據預裝功能

-采用三級高速緩存1.4新型CPU簡介(發展概述)

461.5系統總線1.5.1總線概述

總線：是在模塊與模塊之間或設備與設備之間的一組進行互聯和傳輸信息的信號線，信息包括指令、數據和地址。(一種公共的信號線)

互聯結構從分散結構發展到總線結構

總線標準：通過總線進行連接和傳輸信息時，應遵守的一些協議與規范

471.5.1總線概述—總線的功能與分類

總線功能或信號類型劃分為：

數據總線：用來承載在源部件和目的部件之間傳輸的信息；地址總線：用來給出源數據或目的數據所在的主存單元或I/O端口的地址；控制總線：用來控制對數據線和地址線的訪問和使用；傳送定時信號和命令信息；

按總線層次結構劃分為：

CPU總線、局部總線、系統總線(模塊級)、通信總線(設備級)48

內部總線：芯片內部連接各元件的總線。在各個寄存器、ALU、指令部件等個元件之間連接的總線。系統總線：連接CPU、存儲器和各種I/O模塊等主要部件的總線。通信總線：用于主機和I/O設備之間或計算機系統之間的通信。

1.5.1總線概述—總線的功能與分類491.5.1總線概述—總線的主要性能參數

總線頻率

總線寬度(8的倍數)

總線的傳輸速率(帶寬)

總線的傳輸速率=（總線寬度/8位）×總線頻率例：PCI總線頻率為33.3MHz，總線寬度為64位的情況下，總線的傳輸速率=266MB/s501.5.1總線概述—總線標準的特性

物理特性(機械規范)：物理連接上的特性，包括：連線的類型、數量、接插件的幾何尺寸和形狀及引腳的排列等從連線的類型上看，分為電纜式、主板式和底板式從連線的數量上看，分為串行總線和并行總線51

電器特性：總線的電器特性是指總線的每一條信號線的信號傳遞方向、信號的有效電平范圍CPU發出的信號為輸出信號，送入CPU的信號為輸入信號總線的電平表示方式有兩種：單端方式和差分方式例如，串行總線接口標準中，可采用差分電平方式1.5.1總線概述—總線標準的特性52

信號功能特性：總線的功能特性是指總線中每根傳輸線的功能。如地址線、數據線、控制線。

時間特性(定時規范)

：總線的時間特性是指總線中任一根傳輸線在什么時間內有效，以及每根產生的信號之間的時序關系。1.5.1總線概述—總線標準的特性531.5.1總線概述—總線的數據傳輸方式

計算機總線中，在傳輸數量上分為串行傳輸和并行傳輸

1.串行傳輸串行總線的數據在數據線上按位進行傳輸，只需一根數據線，線路成本低，適合遠距離的數據傳輸。串行總線連接慢速設備，如鍵盤、鼠標和終端設備等。54串行傳輸中的數據轉換發送部件中并行數據到串行數據的轉換，稱為拆卸接收部件中串行數據轉換成并行數據，稱為裝配

串行傳輸中的數據傳輸速率在信息傳輸通道中，攜帶數據信息的信號單元叫碼元波特率:每秒傳送數據的位數，有效的數據信息的傳送每秒鐘通過信道傳輸的信息量稱為位傳輸速率（比特率）1.5.1總線概述—總線的數據傳輸方式55

2.并行傳輸并行總線的數據在數據線上同時有多位一起傳送，每一位要有一根數據線。并行傳輸中的數據傳輸速率最大數據傳輸率，單位時間內在總線上傳輸的最大信息量(MB/s)

1.5.1總線概述—總線的數據傳輸方式561.5.2PC系統總線—ISA總線ISA（IndustrialStandardArchitecture）總線57ISA總線插槽示意圖1.5.2PC系統總線—ISA總線58主要特點和性能指標I/O地址空間0100H~03FFH24位地址線可直接尋址的內存容量為16MB8/16位數據線62+36引腳最大位寬16位（bit）最高時鐘頻率8MHZ最大穩態傳輸率16MBps中斷功能DMA通道功能開放式總線結構，允許多個CPU共享系統資源1.5.2PC系統總線—ISA總線59ISA總線插槽示意圖ISA總線接口信號1.5.2PC系統總線—ISA總線60ISA擴展卡物理尺寸1.5.2PC系統總線—ISA總線61ISA總線擴展卡的地址和中斷號分配1.5.2PC系統總線—ISA總線62ISA總線提供IRQ3~IRQ7、IRQ9~IRQ12、IRQ14、IRQ15作為中斷請求輸入線DRQ0~DRQ3和DRQ5~DRQ7作為自外部設備的DMA請求輸入線DACK0~DACK3和DACK5~DACK7為DMA應答信號。中斷號、DMA通道號和端口地址要能夠給用戶多種選擇1.5.2PC系統總線—ISA總線63EISA(ExtendedIndustrialStandardArchitecture)總線支持32位地址，具有32位地址總線，總線頻率8.33MHz最大數據傳輸速率33.3MHz（8.33×32位/8）結構與ISA兼容，插槽等長等寬，內部設計成雙層（198）引腳1.5.2PC系統總線—EISA總線64PCI(PeripheralComponentInterconnect,外圍器件互連)局部總線

PCI局部總線：是一種高性能、32位或64位地址數據線復用的總線。它的用途是在高度集成的外設控制器器件、擴展板和處理器/存儲器系統之間提供一種內部連接機制。1.5.2PC系統總線—PCI總線65PCI系統框圖

1.5.2PC系統總線—PCI總線66PCI插槽1.5.2PC系統總線—PCI總線67PCI插卡5v32位PCI卡尺寸1.5.2PC系統總線—PCI總線68PCI總線的特點獨立于存儲器傳輸速率高多總線共存支持突發傳輸支持總線主控方式采用同步操作支持兩種電壓下的擴展卡具有即插即用功能合理的管腳安排預留擴展空間1.5.2PC系統總線—PCI總線69USB總線，是由Conpaq、DEC、IBM、Intel、Microsoft等公司為簡化PC與外設之間的互連而共同研發的一種免費的標準化連接器。1.5.2PC系統總線—USB通用串行總線70USB的主要特點即插即用，可熱插拔，具有自動配置功能；多個USB集線器可相互傳送數據,可連接127個外設；傳輸波特率為1.5Mb/s~12Mb/s；（USB2.060Mb/s，USB3.0達到625MB/s）USB總線結構簡單，采用四線電纜，更換介質后連接距離達數十米1.5.2PC系統總線—USB通用串行總線71Usb3.0與Usb2.0接口比較1.5.2PC系統總線—USB通用串行總線72USB的拓撲結構1.5.2PC系統總線—USB通用串行總線73USB的應用—USB連接器可輕松的為計算機添加設備，同時不占用計算機的串口和并口如何使計算機支持USB沒有USB端口，只有USB連接器；察看BIOS，確定是否支持USB，可選擇USBLegacy支持選項若老式主板不支持USB設備，買一塊USB連接卡就可以把USB添加到計算機中1.5.2PC系統總線—USB通用串行總線74USB的應用讓WINDOWS系統支持USB進入“控制面板”—”系統”—”設備管理器”選項卡，察看計算機中是否安裝了USB控制器在WINDOWS安裝盤的\other\usb文件夾中，雙擊USBSUPP.EXE即可安裝驅動程序讓計算機連接更多的USB設備將集線器插入計算機，有了足夠的USB端口，最多可連入127個USB設備1.5.2PC系統總線—USB通用串行總線75IEEE1394接口是蘋果公司開發的串行標準，中文譯名為火線接口（firewire）。同USB一樣，IEEE1394也支持外設熱插拔，可為外設提供電源，省去了外設自帶的電源，能連接多個不同設備，支持同步數據傳輸。1.5.2PC系統總線—IEEE139476IEEE1394主要性能特點速度快：最高傳輸速率為400Mbps、3.2Gbps；支持好：支持大量帶寬的設備；自供電：向被連接的設備提供4~10V/1.5A的電源；熱插拔：支持帶電插拔設備；不驅動：對等結構：不需要設置專門的服務器；連接多：電纜環境下，可同時連接63個不同設備；用網橋可達到無限連接；應用少：目前支持1394的設備不算多占用高：需要占用大量的資源，需要高速CPU

1.5.2PC系統總線—IEEE1394771.5.2PC系統總線—IEEE13