微機原理與接口技術

前言

在多數非計算機工科專業(yè)的課程體系中，“微機原理與接口技術”往往是計算機系列課程之一。該課程的培養(yǎng)目標是：加強學生對微型計算機硬件組成的理解，提高對計算機硬件的應用能力，甚至硬件開發(fā)的能力，綜合應用計算機的軟、硬件知識，解決本專業(yè)的實際問題。但是，目前在多數院校開設的“微機原理與接口技術”課程仍然是基于1978年推出的Intel 8086／8088處理器來展開的，其中所用到的8086芯片和其他接口芯片早已退出市場，不再使用。相對于高速發(fā)展的微型計算機技術，教材內容顯得陳舊，難以做到學以致用，也難以滿足學生對新技術、新知識的追求。如今，嵌入式設備和系統(tǒng)隨處可見，各種智能設備都包含嵌入式微處理器或者微控制器，而嵌入式芯片就是一種高檔的微處理器。本書以ARM嵌入式芯片為基礎講解微機原理，希望能夠解決原來課程內容陳舊、技術落后的問題；也希望能夠做到學以致用，解決理論和實際密切聯(lián)系的問題，提高學生學習的積極性。本書的基本內容仍然包括處理器體系結構、指令系統(tǒng)及匯編語言編程、微機接口技術3部分。這和教指委的要求是一致的，只是在技術上更加先進。本書結合意法半導體公司（ST）的STR710芯片和基于這種芯片的實驗板進行敘述。書中所介紹的示例程序都已在這個實驗板上調試通過。ARM芯片是32位的RISC芯片，在微處理器體系結構方面，增加了指令流水線技術的介紹。在指令系統(tǒng)方面，RISC處理器的指令比較簡單和規(guī)范，特別是傳送指令、轉移指令都比8086指令簡單。但是由于指令是32位的，每條指令包含的內容很豐富，學習時要特別注意。在匯編語言程序設計方面，要注意偽指令和指示性命令的不同。由于實際應用開發(fā)中，應用程序多數是用高級語言編寫的，也要注意匯編語言和高級語言混合編程的問題。在存儲系統(tǒng)方面，除了介紹一般的RAM、ROM外，對FLASH存儲器也有較多的介紹。學生應該了解。NOR FLASH和NAND FLASH的區(qū)別。另外，還對存儲器和32位微機系統(tǒng)的連接進行了較多的介紹，更加符合當前微機系統(tǒng)的實際情況。在中斷技術方面，除了介紹一般的中斷原理和中斷過程外，還介紹了ARM的兩級中斷系統(tǒng)。并對中斷向量的概念進行了擴展，使之具有更加普遍的意義。在接口技術方面，沒有介紹8255等接口芯片，而是介紹基于片內寄存器的接口技術。這種接口方式，也是當前各種單片機和其他嵌入式處理器所使用的，具有普遍的使用意義。在總線技術方面，除了介紹一般微機中使用的各種總線及其發(fā)展外，還介紹了嵌入式系統(tǒng)中廣泛使用的I2c總線和CAN總線，對于STR710的I2C總線接口及應用進行了介紹。STR710芯片功能較強，各種專用寄存器很多，講課時可以根據情況酌情選擇。本書由徐惠民主編，參加編寫的還有劉瑞芳、李濤、李哲。由于作者水平有限，書中不足之處在所難免，敬請讀者批評指正。

內容概要

本書是基于嵌入式芯片的“微機原理與接口技術”課程的新教材。教材的基本內容符合教育部計算機基礎課程教學指導委員會對該課程的基本要求。本書內容包括微型計算機概論、ARM技術概論、ARM微處理器的指令系統(tǒng)、ARM匯編程序設計、ARM高級語言編程、存儲器、STR710F芯片及其存儲系統(tǒng)、中斷技術、I/O接口技術和總線技術。　　本書可作為高等院校電子信息工程、通信工程、電子科學與技術、電子工程、自動化等專業(yè)計算機技術硬件基礎課程的教材，也可作為ARM技術培訓教材和有關人員的自學教材。

書籍目錄

出版說明? 前言 第1章 微型計算機概論 　1.1 微型計算機概述? 　　1.1.1 微型計算機系統(tǒng)的組成 　　1.1.2 微處理器的發(fā)展? 　　1.1.3 CISC 與 RISC? 　　1.1.4 微型計算機的兩個重要分支 　1.2 微型計算機的基本工作原理? 　　1.2.1 馮·諾依曼結構? 　　1.2.2 微機主要組成部分的結構及功能 　　1.2.3 馮·諾依曼存儲程序工作原理 　　1.2.4 指令流水原理? 　1.3 計算機中數的表示? 　　1.3.1 機器數和真值? 　　1.3.2 原碼? 　　1.3.3 反碼? 　　1.3.4 補碼? 　1.4 習題? 第2章 ARM技術概論? 　2.1 ARM技術的發(fā)展及應用? 　　2.1.1 ARM處理器的應用領域 　　2.1.2 ARM處理器的特點? 　2.2 ARM處理器的體系? 　　2.2.1 ARM體系結構的版本 　　2.2.2 ARM體系結構的變型 　　2.2.3 ARM體系結構版本的命名方式 　　2.2.4 ARM處理器的各系列家族 　2.3 ARM處理器的工作狀態(tài)和運行模式 　　2.3.1 ARM處理器直接支持的數據類型 　　2.3.2 ARM處理器的工作狀態(tài) 　　2.3.3 ARM處理器的運行模式 　2.4 ARM處理器寄存器的組織與結構? 　　2.4.1 ARM狀態(tài)下的寄存器組織 　　2.4.2 Thumb狀態(tài)下的寄存器組織 　　2.4.3 程序狀態(tài)寄存器? 　2.5 ARM7TDMI處理器的功能結構? 　　2.5.1 ARM7TDMI的3級流水線 　　2.5.2 ARM7TDMI對存儲器的訪問 　　2.5.3 ARM7TDMI的內核、模塊和功能結構圖 　2.6 ARM7TDMI處理器的時序與指令周期 　　2.6.1 時序的概念? 　　2.6.2 時鐘周期、指令周期及總線周期 　　2.6.3 ARM7TDMI的總線周期? 　　2.6.4 ARM7TDMI處理器的指令周期? 　2.7 ARM處理器的選型問題? 　2.8 STR710F處理器概述? 　　2.8.1 STR710F內部結構? 　　2.8.2 STR710F外部引腳? 　2.9 習題? 第3章 ARM微處理器的指令系統(tǒng) 　3.1 ARM微處理器的指令結構? 　　3.1.1 ARM微處理器的指令集分類 　　3.1.2 ARM微處理器指令的格式 　　3.1.3 ARM微處理器指令的條件域 　3.2 ARM微處理器指令集的尋址方式 　　3.2.1 立即尋址 ? 　　3.2.2 寄存器尋址 　　3.2.3 寄存器間接尋址 　　3.2.4 寄存器偏移尋址? 　　3.2.5 基址變址尋址 　　3.2.6 多寄存器尋址 　　3.2.7 相對尋址? 　　3.2.8 堆棧尋址? 　3.3 ARM微處理器的指令集 ? 　　3.3.1 跳轉指令? 　　3.3.2 數據處理指令? 　　3.3.3 乘法指令與乘加指令 　　3.3.4 程序狀態(tài)寄存器訪問指令 　　3.3.5 ARM7TDMI微處理器的存儲器訪問指令 　　3.3.6 異常產生指令? 　　3.3.7 偽指令? 　3.4 Thumb指令及應用? 　　3.4.1 Thumb指令集簡介 　　3.4.2 Thumb指令集與ARM指令集的區(qū)別 　3.5 ARM和Thumb交叉工作? 　　3.5.1 狀態(tài)的切換? 　　3.5.2 ARM和Thumb函數之間的調用 　3.6 習題? 第4章 ARM匯編程序設計 第5章 ARM高級語言編程 第6章 存儲器?第7章 STR710F芯片及其存儲系統(tǒng) 第8章 中斷技術? 第9章 I/O接口技術? 第10章 總線技術? 附錄參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：第1章 微型計算機概論本章介紹了微型計算機的組成、發(fā)展歷史，RISC結構和CISC結構的特點，講解了微型計算機的工作原理，特別介紹了在現(xiàn)代嵌入式處理器中經常使用指令流水的原理；最后介紹了計算機中數的表示，特別是負數的表示。1.1 微型計算機概述1971年，電子計算機的發(fā)展進入了第四代。第四代電子計算機通常可以分為巨型機、大型機、中型機、小型機和微型機5類。但以系統(tǒng)結構和基本工作原理來說，微型計算機和其他幾類計算機并無本質區(qū)別，只是在體積、性能和應用范圍方面有所不同。微型計算機的發(fā)展以微處理器為核心，它具有體積小、功耗低、重量輕、價格低、可靠性高及使用方便等一系列優(yōu)點，因此獲得了廣泛的應用和迅速的發(fā)展。1.1.1 微型計算機系統(tǒng)的組成微處理器、微型計算機和微型計算機系統(tǒng)定義了微型計算機的3個層次結構，是學習微型計算機原理時必須要搞清楚的3個概念。1.微處理器微處理器（Microprocessor）簡稱uP或MP，是指由一片或幾片大規(guī)模集成電路組成的具有運算和控制功能的中央處理器件，它通常以單芯片的形式出現(xiàn)。在很多書籍或日常用語中把微處理器與CPu之間劃上了等號，其實兩者之間是有細微區(qū)別的。CPU的概念在第四代計算機之前已經出現(xiàn)。在當時，隨著計算機技術的發(fā)展，整個系統(tǒng)的運算和控制開始采用獨立的部件來實現(xiàn)，這個部件被稱為中央處理單元（Central Processingunit），這是CPU的原始定義，它是對計算機的一個功能部件的稱呼，當時的CPU通常由一塊或多塊電路板構成。此后，CPu成為任何計算機都必須具備的部件，其設計制造先后經歷了電子管、晶體管和集成電路方式。微處理器是在單個芯片上實現(xiàn)的CPU。它是設計制造CPU的一種方式。微處理器既可以單個獨立地工作，也可以多個協(xié)同工作。當前的各種大、中、小型計算機的CPU通常由多個微處理器的集合構成；而微型計算機的CPU通常由一個微處理器構成。為區(qū)別大、中、小型計算機的CPU與微型計算機的CPU，又把微型計算機的CPU稱為MPU（MicroprocessingUnit）。

編輯推薦

《微機原理與接口技術(基于嵌入式芯片)》為北京市高等教育精品教材立項項目。

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