第2章微处理器与总线.

微型计算机原理与接口技术莫善军中山大学工学院Tel:[phone]课件下载：:ppt热动专业——《计算机原理》2第2章微处理器与总线本章讲述：1微处理器的特点28086的微处理器380386微处理器4P45总线热动专业——《计算机原理》31微处理器概述冯·诺依曼计算机结构：以运算器为核心、以存储程序原理为基础运算器输出设备控制器输入设备存储器指令驱动指令流控制命令数据流热动专业——《计算机原理》4微型计算机结构存储器I/O接口输入设备I/O接口地址总线AB输出设备CPU数据总线DB控制总线CBI/O接口AB:AddressBusDB:DataBusCB:ControlBus热动专业——《计算机原理》5微处理器的一般结构运算器算术逻辑运算，由加法器和(ALU)一些辅助逻辑电路组成指令流控制控制器时序控制，产生节拍定时信号指令译码和操作控制寄存器组存放临时数据、运算的中间结果、运算特征、操作数地址性能：8位→16位→32位(主流)→64位(趋势)主要部件热动专业——《计算机原理》6运算器运算器由算术逻辑单元（ALU）、通用或专用寄存器组及内部总线组成。ALU：加法器、逻辑运算功能部件运算器结构：单总线结构双总线结构三总线结构（In：两条、Out：一条）热动专业——《计算机原理》7控制器指令控制：连续执行指令的过程控制。取指令、译码、传送操作数、存结果时序控制：时钟周期、指令周期操作控制：产生控制信号控制器组成：程序计算器（PC）指令寄存器（IR）指令译码器（ID）热动专业——《计算机原理》8微处理器结构：指令执行过程地址寄存器AR累加器A加法器数据寄存器DR指令寄存器IR指令译码器ID时序逻辑电路时序控制信号（控制命令）1011000000000101000001000000100011110100内部总线存储器01234程序计数器PC地址MOVAX,5ADDAX,8HLT地址总线+1③地址译码器读写控制电路④输出地址10110000⑦锁存指令锁存数据⑥置初值①②输出指令地址锁存地址②读写命令⑤⑧指令译码锁存输出(取指/译码/执行)运算器控制器热动专业——《计算机原理》9第2章微处理器与总线本章讲述：1微处理器的特点28086的微处理器1）外部引脚2）内部结构3）存储组织4）工作时序380386微处理器4P45总线热动专业——《计算机原理》1028088/8086微处理器1981年8088微处理器40根外部引线，5V工作电压8088外部总线8位，8086外部总线6位8088/8086是IBMPC/XT的核心部件，PC技术发展的基石2.1特点2.2CPU引脚2.3内部结构热动专业——《计算机原理》112.18088/8086特点采用并行流水线工作方式：通过设置指令预取队列（IPQ）实现对内存空间实行分段管理：将内存分段并设置地址段寄存器，以实现对1MB空间的寻址。支持多处理器系统：8087FPU执行部件取指部件热动专业——《计算机原理》12计算机运算过程取指令指令译码取操作数执行指令存放结果CPU执行一条指令的过程类似于工厂生产流水线，被分解为多个小的步骤，称为指令流水线。原料调度分配生产线成品仓库出厂数据和程序指令控制器的调度分配ALU等功能部件处理后的数据存储器输出热动专业——《计算机原理》13指令流水线指令流水线有两种运作方式：串行方式：取指令和执行指令在不同的时刻按顺序执行。并行方式：取指令和执行指令可同时执行，需要有能并行工作的硬件的支持。热动专业——《计算机原理》148086以前的CPU采用串行工作方式串行工作方式取指令1执行1取指令2执行2CPUBUS忙碌忙碌取指令3执行3忙碌空闲空闲空闲t1t0t2t3t4t56个周期执行了3条指令热动专业——《计算机原理》15并行工作方式8086CPU采用并行工作方式取指令1取指令2取指令3取指令4执行1执行2执行3BUS忙碌执行4CPUt1t0t2t3t4t5取指令5执行5忙碌忙碌忙碌忙碌忙碌6个周期执行了5条指令热动专业——《计算机原理》16并行操作的前提取指令部件和指令执行部件要能够并行工作；各部件执行时间基本相同，否则需再细分；取指令部件取出的指令要能暂存在CPU内部某个地方；指令执行部件在需要时总能立即获得暂存的指令；需要解决转移指令问题。热动专业——《计算机原理》17*超级流水线和超标量结构超级流水线指令的执行步骤分得更细，流水线长度更长例如，PIII为14个阶段，P4为20个阶段有利于提高主频转移分支时的效率？解决：分支预测、推测执行超标量结构对流水线中的关键“岗位”设置多个相同的执行单元——多个工人完成一道工序P4：倍频ALU×2，FPU×2（其中一个为并行FPU）AthlonXP：ALU×6，并行FPU×3组热动专业——《计算机原理》18指令执行速度1条指令4个时钟周期1条指令2个时钟周期1条指令1个时钟周期每个时钟执行两条指令一个时钟周期中可以执行多条指令808680386804868058680X86热动专业——《计算机原理》198086GNDAD14AD13AD12AD11AD10AD9AD8AD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0NMIINTRCLKGNDVCCAD15A16/S3A17/S4A18/S5A19/S6BHE/S7MN/MXRDHOLD(RQ/GT0)HLDA(RQ/GT1)WR(LOCK)M/IO(S2)DT/R(S1)DEN(S0)ALE(QS0)INTA(QS1)TESTREADYRESET2.28088/8086CPU引脚8088GNDA14A13A12A11A10A9A8AD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0NMIINTRCLKGNDVCCA15A16/S3A17/S4A18/S5A19/S6SS0(HIGH)MN/MXRDHOLD(RQ/GT0)HLDA(RQ/GT1)WR(LOCK)M/IO(S2)DT/R(S1)DEN(S0)ALE(QS0)INTA(QS1)TESTREADYRESET热动专业——《计算机原理》20概念分时复用：不同时刻，信号功能不同工作模式：最小工作模式：8088独立工作MN/MX=1最大工作模式：多微处理器协同工作MN/MX=0三态：高电平、低电平、高阻引线分类：地址线、数据线、状态线、控制线、电源线热动专业——《计算机原理》218086808282868284ACLKRESETREADYMN/MXALEBHEA19～A16AD15～AD0DENDT/RM/IOWRRDHOLDHLDAINTRINTASTB地址锁存器（三片）BHE地址总线数据总线控制总线READYRESET+5VDE数据收发器（二片）TOENMI8086最小模式的典型系统结构热动专业——《计算机原理》22及有关电路总线控制器收发器OE（2个）TOE锁存器（3个）地址总线数据总线控制总线中断请求8086最大模式的典型系统结构热动专业——《计算机原理》23主要引线A的变化0-7：地址、数据复用。AD8-15：地址。A16-19：地址、状态复用。A/SMN/MX中断：INTRNMIINTA读写IO/MWRRD总线控制HOLDHLDA8088GNDA14A13A12A11A10A9A8AD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0NMIINTRCLKGNDVCCA15A16/S3A17/S4A18/S5A19/S6SS0(HIGH)MN/MXRDHOLD(RQ/GT0)HLDA(RQ/GT1)WR(LOCK)M/IO(S2)DT/R(S1)DEN(S0)ALE(QS0)INTA(QS1)TESTREADYRESET热动专业——《计算机原理》248086/8088引脚功能区别：8088与8086除了内部指令队列长度不同外，在引脚上还有三点区别：1、外部数据总线的宽度不同。8086的外部数据总线为16位（AD15—AD0）；8088的外部数据总线为8位（AD7—AD0）。2、第28引脚不同。8086的第28引脚为M/IO，即该引脚信号为高电平，表示对存储器操作，为低电平则是对I/O端口操作；8088的第28引脚为M/IO，即该引脚信号为高电平，表示对I/O端口操作，为低电平则是对存储器操作。3、第34引脚不同。8086的第34引脚为BHE/S7，其功能已如前述；8088的第34引脚为SSO，在最小模式下的功能已如前述，在最大模式该引脚恒为“1”。热动专业——《计算机原理》252.38088/8086CPU功能结构分为两个部分：1、总线接口部件BIU（BusInterfaceUnit）2、执行部件EU（ExecutionUnit）功能结构：从程序员和使用者的角度来看的结构。热动专业——《计算机原理》26图2-18086的功能结构图CHDHDISPBPSI65标志FR3EU控制系统运算寄存器ALU124DSSSES总线控制逻辑IPCS内部RegBHAHDLCLALBL地址总线20位地址加法数据总线外部总线指令队列通用寄存器执行部件EU总线接口部件BIUALU数据总线80888086AXBXCXDXBusInterfaceUnitExecutionUnit热动专业——《计算机原理》27①数据寄存器：AX，BX，CX，DX(16位)8个通用寄存器变址寄存器：SI，DI②算术逻辑运算部件ALU16位加法器，用于对寄存器和指令操作数进行算术或逻辑运算.③标志寄存器FR（PSW）9个标志位，其中6个条件标志位用于存放结果状态.④运算寄存器⑤EU控制系统（1）组成AH,AL,BH,BL,CH,CL,DH,DL（8位）指示器：SP，BP接收从BIU的指令队列中取来的指令代码，译码并向EU内各有关部分发出时序命令信号，协调执行指令规定的操作。负责全部指令的执行；向BIU输出（地址及结果）数据；对Reg及PSW进行管理。（2）功能1.EU（ExecutionUnit，含有ALU及部分Reg.）热动专业——《计算机原理》282.BIU（BusInterfaceUnit，8086/8088同外部设备的接口部件）完成所有外部总线的操作，提供总线控制信号。具体地说，完成：取指、指令排队、读写操作数、地址转换（将两个16位地址相加20位物理地址），总线控制。代码段Reg：CS堆栈段Reg：SS数据段Reg：DS附加段Reg：ES（1）组成②指令指针寄存器IP（下一条要取的指令在当前代码段内的偏移量）4个段寄存器③指令队列Queue④20位地址加法器Σ⑤总线控制逻辑⑥内部通信寄存器①（2）功能热动专业——《计算机原理》29（3）指令队列BIU使用指令队列实现流水线操作。当指令队列中有2个或2个（1个）以上的字节空间，且EU未申请读写存储器，则BIU顺序预取后续指令代码Queue。热动专业——《计算机原理》30（1）若是运算操作：操作数暂存器ALU；运算结果经“ALU总线”相应Reg、并置PSW。（2）若从外设取数：EUBIU访问MEM或I/O内部通信寄存器向“ALU数据总线”传送数据。3.EU的工作过程从BIU指令队列中取指译码电路分析相应控制命令控制数据经过“ALU数据总线”的流向：热动专业——《计算机原理》312.3（续）内部寄存器执行环境包括内存（地址空间）1.8个通用数据寄存器2.4个段寄存器3.标志寄存器（EFLAGES）4.IP指令指针寄存器等。寄存单元热动专业——《计算机原理》32寄存器概要热动专业——《计算机原理》33控制寄存器8位寄存器IPFLAGCSDSSSES代码段寄存器数据段寄存器堆栈段寄存器附加段寄存器AHALBHBLCHCLDHDLAXBXCXDXSPBPSIDI累加器基地址寄存器计数器数据寄存器堆栈指针寄存器基地址寄存器源变址寄存器目的变址寄存器(PC)指令指针寄存器(PSW)状态标志寄存器段寄存器16位寄存器通用寄存器寄存器组（RegisterSet）寄