微型计算机原理与应用课件-第2章

《微机原理及其应用》第2章微处理器及系统结构2.28086/8088CPU主要特性及内部结构2.38086／8088CPU工作模式和引脚功能2.48086／8088的存储器组织目录内容简介：8086/8088微处理器系统特性及结构；内部寄存器的结构特点，8086/8088微机系统的存储器组织。2.58086／8088的总线操作和时序2.1微型计算机的基本结构2.1微型计算机系统1.微型计算机的基本组成一个典型的微型计算机系统可以分成硬件系统和软件系统两大部分。微型计算机系统硬件系统软件系统主机外部设备CPU内存储器控制器运算器寄存器只读存储器（ROM）随机存储器（RAM）高速缓冲存储器（Cache）输入设备（键盘、鼠标、光笔、扫描仪）输出设备（显示器、打印机、绘图仪）其他设备（网卡、调制解调器、声卡、显卡、视频卡）系统软件操作系统（DOS、Windows、UNIX等）语言处理程序（编译系统、解释系统等）数据库管理系统（VF、Oracle、Access等）网络软件（等）其他（编辑程序、诊断程序、连接装配程序等）应用软件Office套件（Word、Excel、PowerPint、FontPage等）工具软件（解压缩软件、杀毒软件等）用户程序（）第1章微机基础知识1．微机的硬件系统计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五大部分组成。通常把运算器和控制器称为中央处理器CPU，把CPU和存储器合称为计算机的主机。而把输入设备和输出设备以及外存储器合称为外部设备，简称外设。微型计算机由微处理器、存储器、输入输出（I/O）接口电路及系统总线组成的，系统总线（三总线）即数据总线、地址总线和控制总线，如图1-1所示。地址总线AB控制总线CB数据总线DB图1-1微型计算机的基本结构微处理器ROMRAMI/O接口外设CPU第1章微机基础知识1)CPUCPU是一个复杂的电子逻辑元件，它包含了早期计算机中的运算器、控制器及其他功能，能进行算术、逻辑运算及控制操作。2)内存所谓内存就是指微型计算机内部的存储器。由书中图2.1可以看到，内存是直接连接在系统总线上的。因此，内存的存取速度比较快。由于内存价格较高，一般其容量较小。这与作为外设(外部设备)的外部存储器刚好相反，后者容量大而速度慢。内存用来存放微型计算机要执行的程序及数据。在微型计算机的工作过程中，CPU从内存中取出程序执行或取出数据进行加工处理。这种由内存取出的过程称为读出内存，而将数据或程序存放于内存的过程则称为写入内存。内存包含有很多存储单元(每个内存单元包含8bit),为区分不同的内存单元，对计算机中的每个内存单元进行编号，内存单元的编号就称为内存单元的地址。•读：将内存单元的内容取入CPU，原单元内容不改变；•写：CPU将信息放入内存单元，单元中原内容被覆盖；•内存的读写的步骤为：•CPU把要读写的内存单元的地址放到AB上•若是写操作，CPU紧接着把要写入的数据放到DB上•CPU发出读写命令•数据被写入指定的单元或从指定的单元读出到DB•若是读操作，CPU紧接着从DB上取回数据3)系统总线系统总线包括地址总线、数据总线和控制总线。这些总线提供了微处理器(CPU)与存储器、输入/输出接口部件的连接线。可以认为，一台微型计算机就是以CPU为核心，其他部件全都“挂接”在与CPU相连接的系统总线。微型计算机与外设的连接线称为外总线，也称为通信总线。它的功能就是实现计算机与计算机或计算机与其他外设的信息传送。微型计算机工作时，通过系统总线将指令读到CPU；CPU的数据通过系统总线写入内存单元；CPU将要输出的数据经系统总线写到接口，再由接口通过外总线传送到外设；当外设有数据时，经由外总线传送到接口，再由CPU通过内总线读接口读到CPU中。•地址总线AB：用来传送CPU输出的地址信号，确定被访问的存储单元、I/O端口。地址线的根数决定了CPU的寻址范围。CPU的寻址范围=2n，n-地址线根数•数据总线DB：在CPU与存储器、I/O接口之间数据传送的公共通路。数据总线的条数决定CPU一次最多可以传送的数据宽度。•控制总线CB：用来传送各种控制信号机械工业出版社电子制作：邓蓓2．微型计算机软件系统软件系统是指为计算机运行工作服务的全部技术资料和各种程序，它可以保证计算机硬件的功能得以充分发挥。微机的软件系统是由系统软件、应用软件组成。●系统软件通常包括：操作系统、语言处理程序、诊断调试程序、设备驱动程序以及为提高机器效率而设计的各种程序。在系统软件中，最重要的软件当属操作系统，即OS（OperatingSystem），所有的应用程序，包括系统软件中的一些程序，都要在操作系统构筑的平台上运行。●应用软件是为了解决各类应用问题而编写的程序。它直接面向用户，为用户服务。应用软件也可以逐步标准化、模块化、逐步形成了解决各种典型问题的应用程序的组合，称为软件包。第1章微机基础知识第2章微处理器及系统结构2.2Intel8086/8088CPU主要特性及内部结构2.1.18086/8088CPU主要特性Intel8086是16位微处理器，采用HMOS工艺40条引脚封装，使用5V电源，时钟频率5MHz。主要特性如下：（1）8086CPU数据总线为16位，8088CPU数据总线为8位。（2）地址总线都是20位，低16位与数据总线分时复用，可直接寻址1MB的存储空间。（3）有16位的端口地址，可以寻址64KB的I/O端口。（4）有99条基本指令，指令功能强大。（5）有8种基本寻址方式。（6）可处理内部和外部中断，外部中断源多达256个。（7）兼容性好，与80X86、8085在源程序一级兼容。（8）8086可与和协处理器（8087、8089）组成多处理器系统。8086CPU由两部分即指令执行单元EU和总线接口单元BIU组成。指令执行单元由算术逻辑运算单元ALU、标志寄存器FLAGS、通用寄存器组和EU控制器等4个部件组成，其主要功能是执行指令。总线接口部件BIU由地址加法器、专用寄存器组、指令队列和总线控制逻辑等4个部件组成，其主要功能是形成访问存储器的物理地址、访问存储器取得指令并暂存到指令队列中等待执行，访问存储器或I/O端口以及读取操作数参与EU运算或存放运算结果等。BIU不断地从存储器取指令送入IPQ(指令预取队列)，EU不断地从IPQ取出指令执行EU和BIU构成了一个简单的2工位流水线指令预取队列IPQ是实现流水线操作的关键（类似于工厂流水线的传送带）第2章微处理器及系统结构•令预取队列的存在使EU和BIU两个部分可同时进行工作，带来了以下两个好处：•提高了CPU的效率•降低了对存储器存取速度的要求•采用并行流水线工作方式•对内存空间实行分段管理：每段大小为16B～64KB用段地址和段内偏移实现对1MB空间的寻址设置地址段寄存器指示段的首地址8088与8086的区别：1）8088BIU中指令队列长度只有4B，8086BIU指令队列长度有6B。2）8088BIU通过总线控制电路与外部交换数据的总线宽度是8位，总线控制电路与专用寄存器组之间的数据总线宽度也是8位，•而EU内部总线仍是16位，所以把8088称为准16位微处理器。•支持多处理器系统•片内无浮点运算部件，浮点运算由数学协处理器8087支持（或用软件模拟）•8086(8088)微处理器不仅将微处理器的内部寄存器扩充至16位，从而使寻址能力和算术逻辑运算能力有了进一步提高，而且由于采取了上述一些措施，使得微处理器的综合性能与8位微处理器相比有了明显的提高。2.2.18086/8088CPU引脚功能1．8086/8088CPU的主要引脚及功能8086/8088CPU是十六位的微处理器，它向外的信号至少应包含16条数据线，20条地址线，再加上其他一些必要的控制信号。为了减少芯片引脚数量，对部分引脚采用了分时复用的方式，构成40条引脚的双列直插式封装。8086CPU封装外形与内部各功能部件之间的相互连接如图2-3a)所示。a）HLDA（RQ1/GT1）HOLD（RQ0/GT0）INTRGND1408086CPUAD14AD13AD12AD11AD10AD9AD8AD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0NMICLKGNDVcc（+5V）A16/S3A18/S5A19/S6WR（LOCK）AD15A17/S4BHE/S7MN/MXRDM/IO（S2）DT/R（S1）DEN（S0）ALE（QS0）INTA（QS1）TESTREADYRESET2021图2-38086CPU封装外形与实物图a）封装外形第2章微处理器及系统结构引脚定义的方法可大致分为：•每个引脚只传送一种信息（RD等）；•引脚电平的高低不同的信号（IO/M等）；•CPU工作于不同方式有不同的名称和定义（WR/LOCK等）；•分时复用引脚（AD7～AD0等）；•引脚的输入和输出分别传送不同的信息（RQ/GT等）。8088分为两种工作模式由MN/MX端状态决定：8086CPU上有MN/MX输入引线，用以决定8086CPU工作在哪种工作模式之下。当MN/MX=1时，8086CPU工作在最小模式之下。此时，构成的微型机中只包括一个8086CPU，且系统总线由CPU的引线形成，微型机所用的芯片少。当MN/MX=0时，8086CPU工作在最大模式之下。在此模式下，构成的微型计算机中除了有8086CPU之外，还可以接另外的CPU(如8087、8089等)，构成多微处理器系统。•1．最小模式下的引线在最小模式下，8086CPU的引线如图2.2所示(不包括括号内的信号)。现对各引脚介绍如下：A16～A19/S3～S6：这是4条时间复用、三态输出的引线。在8086CPU执行指令过程中，某一时刻从这4条线上送出地址的最高4位A16～A19。而在另外时刻，这4条线送出状态S3～S6。这些状态信息里，S6始终为低，S5指示状态寄存器中的中断允许标志的状态，它在每个时钟周期开始时被更新，S4和S3用来指示CPU现在正在使用的段寄存器.S4、S3的状态编码S4S3所代表的段寄存器00数据段寄存器01堆栈段寄存器10代码段寄存器或不使用11附加段寄存器在CPU进行输入/输出操作时，不使用这4位地址，故在送出接口地址的时间里，这4条线的输出均为低电平。在一些特殊情况下(如复位或DMA操作时)，这4条线还可以处于高阻(或浮空、或三态)状态。AD0～AD15：它们是地址、数据时分复用的输入/输出信号线，其信号是经三态门输出的。由于8086微处理器只有40条引脚，而它的数据线为16位，地址线为20位，因此引线数不能满足信号输入/输出的要求。则要选择分时复用。M/IO：它是CPU的三态输出控制信号，用来区分当前操作是访问存储器还是访问I/O端口。若该引脚输出为低电平，则访问的是I/O端口；若该引脚输出为高电平，则访问的是存储器。WR：它是CPU的三态输出控制信号。该引脚输出为低电平时，表示CPU正处于写存储器或写I/O端口的状态。DT/R：该引脚是CPU的三态输出控制信号，用于确定数据传送的方向。高电平为发送方向，即CPU写数据到内存或接口；低电平为接收方向，即CPU到内存或接口读数据。该信号通常用于数据总线驱动器8286/8287(74245)的方向控制•DEN:这是CPU经三态门输出的控制信号。该信号有效时，表示数据总线上有有效的数据。它在每次访问内存或接口以及在中断响应期间有效。它常用做数据总线驱动器的片选信号。•ALE：三态输出控制信号，高电平有效。当它有效时，表明CPU经其引线送出有效的地址信号。因此，它常作为锁存控制信号将A0～A19锁存于地址锁存器的输出端。•RD：它是读选通三态输出信号，低电平有效。当其有效时，表示CPU正在进行存储器或I/O读操作。•READY：它是准备就绪输入信号，高电平有效。当CPU对存储器或I/O进行操作时，在T3周期开始采样READY信号。若为高电平，表示存储器或I/O设备已准备好；若其为低电平，表明被访问的存储器或I/