1、微型计算机原理与接口技术（32）贾金玲 编著重庆大学出版社图书在版编目（CIP）数据微型计算机原理与接口技术/贾金玲编著重庆：重庆大学出版社，2001.12计算机科学与技术专业本科系列教材ISBN 7-5624-2349-0.微 .贾 .微型计算机接口高等学校-教材 .TP360.47中国版本图书馆 CIP 数据核字（2001）第 064149 号微型计算机原理与接口技术贾金玲编 著责任编辑： 彭 宁出 版： 重庆大学出版社出版发行印 刷： 重庆大学建大印刷厂印刷开 本： 7871092 1/16 印张 19.75 字数 493 千字版 次： 2001 年 12 月第 1 版印 次： 2001
2、 年 12 月第 1 次印刷书 号： ISBN 7-81094-609-9/TP361印 数： 15000 册定 价： 28.00 元 版权所有 侵权必究 邮购本书请与本社发行科联系。电话：028-83201495 邮编：610054 本书如有缺页、破损、装订错误，请寄回印刷厂调换。前 言本书兼顾了微型计算机知识的系统性与先进性，介绍了微型计算机的基本组成，从Intel 8086/8088 开始介绍了 80X86 系列（包括 Pentium）微处理器的组成及工作原理，并以8086/8088 和 80386、Pentium 为重点介绍了 IBM PC/XT 主机系统、80386 和 Pentiu
3、m 机系统结构以及多媒体个人计算机。由于微型计算机与外界的信息交换均是通过接口进行的，所以本书花了较大篇幅讲述微型计算机接口技术，并根据现代计算机的特点直接讲述接口与总线的连接（包括 8 位接口总线与高档微机总线的连接，并列举了实例，还介绍了 32 位微机的存储器管理等相关技术） 。同时，本书注重实验教学，通过实验使学习者形成对微型计算机的整体认识，掌握常用接口的设计与分析方法，从而具备初步的微机硬件开发能力。全书共分 12 章，微型计算机微型计算机概述、Intel 8086/8088 微处理器、总线技术、微型计算机接口技术概述、并行接口技术、串行通信与串行接口技术、中断技术与中断系统、定时计
4、数技术与接口、DMA 技术与 DMA 控制器、内存储器及其管理、人机接口技术、32 位高档微型计算机。另有配套的课程设计指导书。该书中讲述了微型计算机原理与接口技术课程设计的目标、设计步骤和设计报告的要求，并给出了大量实际的课程设计题目，每一题目都包括题目名称、内容、要求及所需设备器材。同时还配有课程设计实例，包括CPU 系统设计、存储器扩展设计以及几种类型的接口技术应用设计。本书既可作为大学计算机本科专业以及相关电子专业的教材，又可作为相关专业技术人员硬件开发与等级考试的参考书。建议学时数 80 学时，其中理论教学 60 学时，实验教学 20 学时。一、 微型计算机原理与接口技术课程定位微型
5、计算机原理与接口技术研究微型计算机的硬件组成与结构、工作原理及与外部设备的接口技术，它是计算机专业本科继“计算机组成原理”之后的一门主要硬件课程。本书在讲透基本原理的同时，紧跟微机的发展，注意介绍现代高档微机及其先进技术。本书主要作为计算机专业专业本科“微型计算机接口技术”课程的教材，也可供考研人员及从事微机应用开发的专业技术人员参考。二、 微型计算机原理与接口技术培养目标（一） 理论教学应达到的目标微型计算机原理与接口技术是计算机专业一门主要的技术基础课。该课程主要介绍微型计算机的基本组成，并以 Intel 8086/8088、80386、Pentium 微处理器为重点，着重介绍 IBM P
6、C/XT 主机系统 80386 系统结构、Pentium 机及多媒体微机系统，特别是以PC/XT 机器系统为例讲透微型计算机的工作原理及与外设的接口技术，此外，还应对高档微机，特别是 32 位 CPU 的相关技术作适当介绍。学习该课程后应使学生基本掌握微型计算机的组成及工作原理，常用接口芯片的使用方法，建立微型计算机的整机概念，并对现代高档微机及其先进技术有所了解和认识。（二） 实验教学应达到的目标微型计算机原理与接口技术是一门实践性较强的技术基础课，通过实验应使学生加深对微型计算机工作原理的理解，熟悉接口的工作原理及常用可编程接口芯片的应用，进一步掌握 A/D、D/A 转换器、存储器、键盘及
7、 LED 器件等在微机系统中的应用。通过实验应形成对微机系统的整体认识，掌握常用接口的设计和分析方法，具备最初步的微机硬件开发能力。三、 微型计算机原理与接口技术主要内容（一） 微型计算机的组成和工作原理部分微型计算机概述，Intel 8086/8088 微处理器，存储器，IBM PC/XT 主机系统结构和工作原理，微机总线，32 位微机。（二） 接口技术部分接口技术概述，常用可编程接口芯片，A/D 、D/A 转换技术在微机系统中的应用，键盘、LED 及其他外设接口。编 者2001 年 4 月目 录第 1 章 微型计算机概述 11.1 微型计算机发展简史与展望 . 11.2 微型计算机的特点及
8、其分类 21.3 微处理器、微型计算机和微型计算机系统.41.4 微型计算机的应用及实例8习题与思考题.10第 2 章 Intel 8086/8088 微处理器 .112.1 8086/8088 的编程结构 122.2 8086/8088 的引脚功能和工作模式 142.3 8086/8088 的总线操作和时序 .232.4 8086/8088 的存储器组织和 I/O 组织.292.5 IBM PC/XT 主机系统结构和工作原理.31习题与思考题.40第 3 章 总线技术.413.1 总线技术概述.413.2 局部总线.433.3 系统总线.533.4 通信总线.59习题与思考题.68第 4 章
9、 微机接口技术概述. .694.1 微机接口基本概念.694.2 接口的作用和特点.704.3 接口技术的现状及发展.724.4 接口的译码 .734.5 常用外围接口芯片.744.6 微机接口设计与分析的基本方法. .754.7 微机接口设计与分析实例.77习题与思考题.84第 5 章 并行接口技术.865.1 并行接口技术概述.865.2 可编程并行接口芯片 8255A.875.3 微机系统中的并行接口及其应用106习题与思考题108第 6 章 串行通信与串行接口技术 .1106.1 串行通信概述 .1106.2 可编程串行接口芯片 8251A1196.3 微机系统中的串行接口及其应用13
10、3习题与思考题 .137第 7 章 中断技术1387.1 中断技术概述1387.2 8086/8088 中断系统 .1407.3 可编程中断控制器 82C59A . 1447.4 高档微机中断系统 .159习题与思考题.163第 8 章 定时/计数技术及接口 .1658.1 定时/计数技术概述 .1658.2 可编程定时器/技术器 8253/8254 1668.3 8253 在微机系统中的应用 1828.4 高档微机的定时器 183习题与思考题184第 9 章 DMA 技术与 DMA 控制器 .1869.1 DMA 技术概述 1869.2 可编程 DMAC8237A 1909.3 DMA 技术
11、在微机系统中的应用.2019.4 高档微机的 DMA 功能 203习题与思考题 204第 10 章 内存储器及其管理 .20510.1 存储器概述 .20510.2 半导体存储器 .20610.3 半导体存储器在微机系统中的应用 .21010.4 PC 微机的存储器 216习题与思考题 217第 11 章 人机接口技术 .21911.1 键盘原理及其接口技术 .21911.2 CRT 显示器原理及接口技术 .22311.3 LED 显示器原理及接口技术 22811.4 LCD 显示原理及接口技术 23211.5 打印机及其接口技术 23411.6 其他交互式人机接口及有关设备 239习题与思考
12、题 242第 12 章 32 位高档微型计算机 24312.1 从 8086 到 Pentium 微处理器.24312.2 80386 的体系结构 25212.3 高档微机存储器的扩展技术 26112.4 Pentium 机及多媒体微机系统 274习题与思考题 279附录 I ASCII 码字符表280附录 II 8086/8088 指令表.281附录 III 80386 指令简表.284附录 IV Pentium 指令表287参考文献 .306第一章 微型计算机概述20 世纪科学技术对人类的最大贡献之一就是电子计算机的发明。自 1946 年第一台电子计算机问世以来，经过几十年的发展与变革，使
13、计算机逻辑部件经历了电子管时代，晶体管时代，集成电路时代，大规模、超大规模集成电路时代，超大规模、超高速集成电路时代。同时，计算机内存的容量不断增加，软、硬件不断丰富，特别是多媒体、超媒体技术的发展，使计算机的使用越来越得心应手，在当今的信息化社会、网络时代，它已成为人们工作和生活中不可缺少的基本工具，充当了改变人类社会生产和生活方式的主角。而在计算机中人们接触最多的是微型计算机。本书以 16 位微处理器 Intel 8086/8088 及 16 位微型机算计 IBM PC/XT 系统为例，对微型计算机的组成、工作原理、接口技术及现代高档微机的组成结构和相关技术等作较为全面的介绍。本章作为全书
14、的引导介绍微机的发展、特点、分类、应用，并给出实例，以建立对微机的初步认识。1.1 微型计算机发展简史与展望微型计算机是第四代计算机向微型化方向发展的一个重要分支，它的发展是以微处理器的发展为标志的。自 1971 年出现微处理器开始，仅 30 年的时间，已推出了五代微处理器产品。第一代微处理器是以 Intel 公司 19711972 年推出的 4004、4040 和 8008 作为典型代表，其集成度为 2000 与 3300 个晶体管/片。第二代微处理器是 19741977 年由几家公司分别推出的产品，以 Intel 的8080/8085，Motorola 的 M6800,Rockwell 的
15、 R6502 和 Zilog 的 Z80 作为典型代表，其集成度达 9000 个晶体管/片。70 年代后期，超大规模集成电路投入使用，进一步推动微型计算机向更高层次发展。19781980 年出现了第三代微处理器，Intel 的 8086/8088，Motorola 的 M68000 和 Zilog的 Z8000 作为典型代表相继问世，其集成度高达 29000 个晶体管/片，成为当时国内外市场上最流行的三种微处理器。它们采用 HMOS 高密度工艺，运算速度比 8 位机快 25 倍，赶上和超过了 70 年代小型机的水平。80 年代以后，微处理器进入第四代产品，向系列化方向发展，Intel 公司相继
16、推出了性能更高、功能更强的 80186 和 80286，它们与 8086 向上兼容。到 1985 年 Intel 公司又率先推出了 32 位微处理器 80386，它们与 8086、80186 和 80286 向上兼容，它们构成了完整的80 系列微处理器。与此同时，Motorola 公司推出了 32 位微处理器 M68020，集成度高达68000 个晶体管/片。 HP 公司推出的 p 32 位微处理器芯片，集成度高达 45 万个晶体管/片，时钟频率达到 18MHz，速度之快，性能之高，足以同高档的小型机乃至中型机相匹敌。进入 90 年代以来，Intel 公司在开发新一代微处理器技术方面继续领先，
17、1993 年 3 月，Intel 公司发布了最新微处理器产品 Pentium，它可以称为第五代微处理器产品，其使用亚微米级的 CMOS 技术，使集成度高达 310 万个晶体管/片。Intel 公司于 2000 年 4 月底向各主要电脑制造商提供了该公司 20002001 年微处理器产品的开发计划。该计划表明，今后将继续提高面向低价位个人电脑 Celeron 的工作频率，使其在 2000 年底达到 733MHz, 2001 年还将推出工作频率为 766MHz 的 Celeron 微处理器芯片。而作为 Pentium 后续产品的 Willaette 的工作频率已达 1.5GHz 以上。早在 196
18、5年，美国化学家，现为 Intel 公司名誉董事长的戈登摩尔（Gordon Moore）就在一片论文中宣布，他通过 19591965 年实际生产的集成电路的考察，发现在集成电路芯片上集成的晶体管数量每隔 18 个月会翻一番，芯片的性能也随之提高一倍，30 多年来这一规律屡试不爽，因而被人们称为“摩尔定律” 。随着 DNA（Deoxyribonucleic Acid,脱氧核糖核酸）技术的应用，将会使计算机的速度进一步提升，不仅如此在其它性能和功能方面也成指数规律的上升。在过去十年内，电脑创造的信息远远超过人类五千年历史所留下的文化。今天，微处理器已经遍布我们生活的每一个角落，甚至在衣服和身体中都
19、可以嵌入 CPU。可以肯定，在未来的三十年内，计算机界将发生一场革命，其结果是用光学元件或 DNA 技术构成CPU。它们除性能成数万倍，甚至数百万倍的提高以外，结构将完全改变。随着卫星通信技术的发展，世界范围的高速宽带网将在实质上改变人们的生活。每台电脑 24 小时在线，共享所有电脑资源，并完成我们每天要做的工作。未来微处理器的三个发展方向是：更强大的处理能力、人工智能、网络。微机的发展如此之快，我们实在无法确切地知道未来将会怎么样。1.2 微型计算机的特点及其分类1.2.1 微型计算机的特点微型计算机的发展之所以如此迅速，主要取决于其独具的特点。1形小、体轻、功耗低经过大规模集成化的电路，尺
20、寸小，重量轻，功耗低。如拥有 6800 个晶体管的M6800 的芯片尺寸是 5.25.4mm2，16 位的 M68000 的芯片尺寸是 42.25mm2，Pentium 机拥有 310 万个晶体管，其芯片尺寸是 13.94cm2。外壳形状有长方形的双列直插式，有方形的针筒形和贴片形。使用为数不多的片子，在一块印制板上就可组成一台微机的主板，其功耗：小型的只有几瓦，一台通用的 IBM PC 系列微机也只有 200 瓦左右。2价格廉一般的微处理器芯片只要十几几十元，组成的主板也不过几百元。而且随着大规模集成电路工艺的日趋成熟，生产批量的加大，价格还会继续向下浮动。微型计算机不仅单位买得起，作为家庭
21、电脑、多媒体终端正进入千家万户。3结构简单、性能可靠由于微型计算机采用大规模集成电路组成，使系统内的组件数目大幅度下降，印制板上的接插件和焊接点比采用中、小规模集成电路的机器减少 23 个数量级，加之新型的制造工艺使芯片功耗小、发热量低，使微机的可靠性大大提高。大规模集成电路的失效率一般好于 0.0005/千小时，因而微机易做到数千小时不出故障。4灵活性好、适应性强由于微型计算机结构采用总线形式，因而结构非常灵活，易于构成满足各种需要的利用形态的应用系统，也易于进一步扩展。而且，由于微型计算机基本部件的系列化、标准化，更增强了微机的通用性。另外，微型计算机具有可编程和软件固化的特点，使得同一系
22、列的机器，仅通过改变程序就可适应不同的任务，加之标准化的总线结构，使微机适应性强，研制周期也大大缩短。1.2.2 微型计算机的分类微型计算机有多种分类方法，常用的有以下几种：1按字长分类字长是指计算机能直接处理的二进制数的位数。微型计算机的性能很大程度上取决于CPU 的字长。到目前为止，微型计算机按字长可分为：4 位微型计算机：字长为 4 位，其 CPU 的典型代表为 Intel 4004。8 位微型计算机：字长为 8 位，其 CPU 的典型代表为 Intel 8080/8085，Motorola 的M6800,和 Zilog 的 Z80。16 位微型计算机：字长为 16 位，其 CPU 的典
23、型代表为 Intel 8086/8088，Motorola 的M68000,和 Zilog 的 Z8000。32 位微型计算机：字长为 32 位，其 CPU 的典型代表为 Intel 80386，Intel 80486，Intel 80586。64 位微型计算机：字长为 64 位。这里要多说几句，当 32 位微处理器逐渐成为个人计算机的主流芯片时，以图形工作站的服务器为代表的高档微机就开始走向 64 位 CPU。近几年来较有影响的 64 位芯片有 Sun 公司的 Ultrasparc，HP 公司的 PA 8000 系列，DEC 公司的Alpha 21164,以及由 Motorola 加盟的 P
24、ower PC 620 等。2按利用形态分类按微机的利用形态可分为以下几类：单片机：将 CPU、存储器、外设接口等集成到一片芯片上所形成的微机。如 MCS51系列单片机 8031 等。单板机：将 CPU、存储器、外设接口等做到一块印制电路板上所形成的微机。如 TP801 Z80。多板机：由多块插件板组成的一台微机。如 STD 总线结构的工业控制计算机。微机套件：针对特定的用途，选用合适的微机组件（如 CPU、存储器、接口电路或芯片等）专门设计的微型计算机。微机系统：购买现成的微机系统。如 IBM PC 及其兼容机系统。3按应用环境分类随着微机用途的不断拓展，其应用环境有了较大的差异，对微机的结
25、构和要求也有所不同，按应用环境分类可使用户对不同场合使用的微机有较全面的理解，从而按照自己的需要选择相应的微机。单片机：已如前述。个人计算机：简称 PC（Personal Computer）是 20 世纪后期一种最重要的计算模式，目前全球已有约 2 亿台 PC 机供数亿人在办公室或家庭使用。随着市场的发展，个人计算机现已形成商用 PC 机、便携式 PC 机和多媒体 PC 机等 3 个重要分支。目前 PC 机的主流为32 位机。工作站/服务器：工作站（Workstation）在这里泛指供工程技术人员使用的工程工作站或图形工作站。服务器（Server）则通指在计算机网络中使用的各类服务器。工作站/
26、服务器通常使用 32 位和 64 位机。网络计算机：网络计算机（Network Computer 简称 NC）是一种依赖于网络的微型计算机，它不具备 PC 的高性能，但实现了较简单的操作和较低的购买与维护价位。1965 年，美国Oracle 公司首席执行官埃里森（L.Ellison）率先提出了用 NC 来代替 PC 的主张，迅速获得了 Sun、IBM 等公司的响应。随即联合制定了一个NC 参考规范 ，针对当时 PC 机的弱点提出了 NC 的 5 项基本特征，即硬件的平台无关性、购置成本低于 PC、总体拥有成本大大低于 PC、使用和管理明显的容易和有效的安全功能。4按制造工艺分类微型计算机按其制造工艺可分为：MOS 型微机：PMOS 型微机P 沟道 MOS 电路制造而成；NMOS 型微机N 沟道 MOS 电路制造而成；CMOS 型微机P 、N 互补 MOS 电路制造而成；
