微型計算機原理與接口技術（微課版）

劉輝林，博士，教授，1988年畢業於東北工學院計算機應用專業，主要從事大數據、計算機視覺、物聯網等方面的研究。國家雙一流建設高校多年從事相關課程的資深教師，作為課程負責人，講授“接口技術”、“嵌入式系統”兩門課程，作為主要參與者編寫過《微型計算機接口技術》（清華大學出版社，2011年）等教材。

第 1章　緒論

1.1　微型計算機的結構　1

1.1.1　PC/XT機和PC/AT機的基本結構　1

1.1.2　80386/80486機的基本結構　2

1.1.3　Pentium機的基本結構　3

1.1.4　新一代微型計算機的基本結構　4

1.2　接口技術的基本概念　5

1.2.1　接口概述　5

1.2.2　接口的功能　6

1.2.3　輸入輸出數據的傳送方式　7

1.3　端口的編址方法　9

1.3.1　I/O獨立編址　10

1.3.2　存儲器映像編址　10

1.4　I/O接口的譯碼電路　11

1.4.1　固定單端口譯碼　11

1.4.2　固定多端口譯碼　12

1.4.3　可選單端口譯碼　12

1.4.4　可選多端口譯碼　13

1.5　接口的分類　13

1.5.1　按傳送方式分類　13

1.5.2　按使用靈活性分類　14

1.5.3　按接口的通用性分類　14

1.5.4　按輸入輸出信號分類　14

1.6　小結　15

1.7　思考題　15

第 2章　微型計算機的內部接口

2.1　微處理器的發展概況　16

2.2　80386/80486微處理器　18

2.2.1　80386的內部結構　18

2.2.2　80386的寄存器　19

2.2.3　80386的引腳信號　23

2.2.4　80486的內部結構　25

2.2.5　80486的寄存器　26

2.2.6　80486的引腳信號　27

2.3　80386/80486與存儲器的接口　30

2.3.1　80386/80486與主存儲器的接口　30

2.3.2　高速緩沖存儲器接口　38

2.4　高速緩存控制器82385　40

2.4.1　82385的引腳信號　40

2.4.2　80386與82385的系統總線結構　43

2.4.3　82385的功能　44

2.4.4　82385的基本操作　44

2.4.5　82385與80386的接口電路　45

2.4.6　82385與cache本體的連接方式　46

2.5　小結　51

2.6　思考題　51

2.7　實驗設計　51

第3章　匯編語言程序設計

3.1　匯編語言的基本格式　52

3.1.1　字符集　52

3.1.2　匯編語句格式　52

3.2　尋址方式　54

3.2.1　操作數的種類　55

3.2.2　尋址的種類　55

3.3　輸入輸出指令和中斷指令　57

3.3.1　輸入輸出指令　57

3.3.2　中斷指令　59

3.4　接口程序設計方法與實例　60

3.4.1　接口程序設計方法　60

3.4.2　接口程序實例　61

3.5　小結　66

3.6　思考題　66

第4章　總線

4.1　總線的基本概念　67

4.1.1　總線的規範　67

4.1.2　總線的性能指標　68

4.2　 IBM PC總線　68

4.3　 ISA總線　70

4.4　 PCI總線　72

4.4.1　PCI總線概述　72

4.4.2　PCI總線命令　76

4.4.3　PCI總線的尋址　77

4.4.4　PCI總線數據傳輸過程　78

4.4.5　總線仲裁　80

4.4.6　PCI總線配置　81

4.4.7　PCI總線的應用　87

4.5　 PCI Express總線　89

4.5.1　PCI Express的系統架構　90

4.5.2　PCI Express分層　92

4.6　 小結　95

4.7　 思考題　95

4.8　 實驗設計　95

第5章　串行通信及接口

5.1　串行通信的基本概念　96

5.1.1　數字信號的並行傳輸和串行傳輸　96

5.1.2　串行通信的同步方式　97

5.1.3　數據編碼技術　99

5.1.4　數據傳輸速度　101

5.1.5　多路復用技術　102

5.1.6　數據傳輸介質　103

5.1.7　差錯控制　104

5.2　串行通信標準　107

5.2.1　RS-232-C接口標準　107

5.2.2　RS-449接口標準　110

5.2.3　RS-485接口標準　111

5.3　可編程串行接口芯片INS8250　111

5.3.1　8250的引腳信號　112

5.3.2　8250的內部結構　114

5.3.3　8250在IBM PC系列機中的應用　118

5.4　USB接口標準　126

5.4.1　USB概述　126

5.4.2　USB的體系結構　126

5.4.3　USB的數據傳輸方式　128

5.4.4　USB的電氣特性　129

5.4.5　USB的數據編碼和解碼　130

5.4.6　USB總線的傳輸協議　130

5.4.7　USB Type-C　136

5.4.8　USB PD　136

5.4.9　USB 4　137

5.5　USB接口芯片CH375　139

5.5.1　CH375的內部結構　139

5.5.2　CH375的引腳　140

5.5.3　CH375的固化命令　141

5.5.4　CH375接口電路的設計　146

5.5.5　CH375的應用程序　147

5.6　小結　150

5.7　思考題　150

5.8　實驗設計　151

第6章　並行通信及接口

6.1　並行通信與並行接口概述　152

6.2　可編程並行接口8255A　153

6.2.1　8255A的引腳信號　153

6.2.2　8255A的內部結構　153

6.2.3　8255A的控制字　155

6.2.4　8255A的工作方式　155

6.3　8255A的程序設計　163

6.3.1　8255A的初始化　163

6.3.2　8255A的應用實例　163

6.4　8255A在IBM PC系列機中的應用　165

6.5　小結　166

6.6　思考題　167

6.7　實驗設計　167

第7章　中斷控制接口

7.1　中斷系統概述　168

7.1.1　中斷請求與中斷源　168

7.1.2　中斷系統的功能　168

7.1.3　中斷響應　169

7.1.4　80×86系列微型計算機的中斷系統　170

7.2　中斷控制器8259A　171

7.2.1　8259A的引腳　171

7.2.2　8259A的內部結構　172

7.2.3　8259A的中斷響應順序　173

7.3　8259A的程序設計　174

7.3.1　初始化命令字ICW　174

7.3.2　操作命令字OCW　177

7.4　8259A在IBM PC系列機中的應用　180

7.4.1　8259A在PC、PC/XT中的應用　180

7.4.2　8259A在PC/AT中的應用　180

7.5　小結　182

7.6　思考題　182

7.7　實驗設計　182

第8章　DMA接口

8.1　DMA概述　183

8.1.1　DMA簡介　183

8.1.2　DMAC的基本功能　183

8.1.3　DMAC的工作過程　184

8.2　Intel 8237A DMAC　184

8.2.1　8237A的引腳信號　184

8.2.2　8237A的內部結構　186

8.2.3　8237A的操作方式　190

8.3　8237A在IBM PC系列機中的應用　193

8.3.1　8237A在PC、PC/XT中的應用　193

8.3.2　8237A在PC/AT、80386和80486等中的應用　193

8.3.3　8位通道與16位通道　194

8.3.4　8237A的地址擴展　194

8.4　8237A的程序設計　195

8.5　小結　196

8.6　思考題　197

8.7　實驗設計　197

第9章　定時器/計數器接口

9.1　定時器/計數器概述　198

9.2　8253/8254可編程定時器/計數器　198

9.2.1　8253的引腳　198

9.2.2　8253的內部結構　199

9.2.3　8253的控制字　200

9.2.4　8253的工作方式　201

9.3　8253在IBM PC系列機中的應用　203

9.3.1　8253在PC和PC/XT中的應用　204

9.3.2　利用8253的輸出產生聲音　205

9.4　MC146818 CMOS RAM/實時時鐘　208

9.4.1　MC146818的引腳　208

9.4.2　MC146818的內部結構　209

9.5　MC146818在PC/AT中的應用　212

9.5.1　MC146818與系統的連接　212

9.5.2　PC/AT的配置信息　213

9.5.3　對MC146818內部RAM的存取　214

9.6　小結　215

9.7　思考題　216

9.8　實驗設計　216

第 10章　82380多功能接口芯片

10.1　82380概述　217

10.1.1　82380的結構　217

10.1.2　主接口　217

10.2　82380與80386的接口　219

10.2.1　主態和從態　219

10.2.2　82380的引腳排與80386的接口信號　220

10.2.3　82380的總線時序　223

10.3　DMA控制器　226

10.3.1　DMAC的結構　226

10.3.2　DMAC的功能　227

10.3.3　DMAC的接口　228

10.3.4　DMAC的操作方式　229

10.3.5　DMAC中的寄存器　232

10.3.6　DMAC編程　239

10.3.7　82380的DMAC與8237A的DMAC　241

10.4　可編程中斷控制器　242

10.4.1　PIC的功能描述　242

10.4.2　PIC的接口　244

10.4.3　PIC的總線　244

10.4.4　PIC的操作方式　245

10.4.5　PIC的寄存器　248

10.4.6　PIC的程序設計　250

10.5　82380的可編程定時器/計數器　251

10.5.1　可編程定時器/計數器功能與內部結構　251

10.5.2　可編程定時器/計數器接口信號　254

10.5.3　可編程定時器/計數器工作方式　254

10.5.4　可編程定時器/計數器的寄存器　254

10.5.5　可編程定時器/計數器的程序設計　255

10.6　等待狀態發生器　257

10.6.1　等待狀態發生器的功能描述　257

10.6.2　等待狀態發生器的接口信號　258

10.6.3　等待狀態發生器的總線　258

10.6.4　等待狀態發生器的寄存器　262

10.6.5　等待狀態發生器的程序設計　262

10.7　DRAM刷新控制器　262

10.7.1　DRAM刷新控制器的功能描述　262

10.7.2　DRAM刷新控制器的接口信號　263

10.7.3　DRAM刷新控制器的總線　263

10.7.4　DRAM刷新控制器的操作方式　264

10.7.5　DRAM刷新控制器的寄存器組　264

10.7.6　DRAM刷新控制器的程序設計　265

10.8　重定位寄存器和地址譯碼　265

10.8.1　重定位寄存器　265

10.8.2　地址譯碼　266

10.9　CPU復位和關機檢測　266

10.9.1　硬件復位　267

10.9.2　軟件復位　267

10.9.3　關機檢測　267

10.10　內部控制和診斷端口　267

10.10.1　內部控制端口　267

10.10.2　診斷端口　268

10.11　小結　268

10.12　思考題　269

10.13　實驗設計　269

第 11章　硬盤與光盤接口

11.1　硬盤與固態硬盤接口　270

11.1.1　IDE接口　270

11.1.2　EIDE接口　277

11.1.3　SCSI　278

11.1.4　SATA接口　279

11.1.5　m.2接口　282

11.2　光盤接口　283

11.3　小結　284

11.4　思考題　284

11.5　實驗設計　284

第 12章　專用鍵盤接口與通用鼠標接口

12.1　專用鍵盤接口　285

12.1.1　8042微處理器　285

12.1.2　PC/AT的鍵盤接口邏輯　286

12.1.3　8042的編程　288

12.2　通用鼠標接口　292

12.3　小結　296

12.4　思考題　296

12.5　實驗設計　296

第 13章　顯示器接口

13.1　VGA接口　297

13.2　DVI　297

13.3　HDMI　298

13.4　DP接口　299

13.5　雷電接口　300

13.6　小結　301

13.7　思考題　301

第 14章　打印機接口

14.1　Centronics標準打印機接口　302

14.2　標準並行外設接口IEEE1284　303

14.3　IBM PC系列機的並行打印機接口　304

14.3.1　打印機適配器結構　304

14.3.2　打印機適配器編程　306

14.3.3　打印機適配器的其他應用　308

14.4　新一代打印機連接方式　312

14.5　小結　313

14.6　思考題　313

14.7　實驗設計　314