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第2章微型计算机基础 主要内容 微型机的基本结构8088 8086 微处理器的工作原理 引线及结构总线的一般概念 2 1微型机的基本结构 掌握 微机系统的基本组成微型机的工作原理 4 已知X 1 Y 2 求X Y 步骤 如何表示数据 如何实现对数据的运算处理 需设置哪些部件实现运算 5 冯 诺伊曼体制的核心概念 如何表示数据 二进制代码表示信息2 如何实现对数据的运算处理 存储程序工作方式 数据 指令 事先编制程序 事先存储程序 自动连续的执行程序 6 冯 诺伊曼体制的核心概念 需设置哪些部件实现运算 存储器 运算器 输入设备 输出设备 控制器 一 计算机的工作原理 冯 诺依曼的计算机工作原理存储程序工作原理 冯 诺依曼计算机结构 运算器 存储器 控制器 输入设备 输出设备 冯 诺依曼机的特点 将计算过程描述为由许多条指令按一定顺序组成的程序 并放入存储器保存指令按其在存储器中存放的顺序执行由控制器控制整个程序和数据的存取以及程序的执行以运算器为核心 所有的执行都经过运算器 二 系统组成 CPU存储器主机输入 输出接口硬件系统总线外设微机系统系统软件软件系统应用软件 1 主机硬件系统 微处理器 CPU 存储器输入 输出接口总线 1 微处理器 微处理器简称CPU 是计算机的核心 主要包括 运算器控制器寄存器组 2 存储器 定义 用于存放计算机工作过程中需要操作的数据和程序 有关内存储器的几个概念 内存单元的地址和内容内存容量内存的操作内存的分类 内存单元的地址和内容 每个单元都对应一个地址 以实现对单元内容的寻址 10110110 38F04H 内存地址 单元内容 内存容量 内存所含存储单元的个数 以字节为单位内存容量的大小依CPU的寻址范围而定 即CPU地址信号线的位数 内存操作 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 单元中原来的内容被覆盖 内存储器的分类 随机存取存储器 RAM 按工作方式可分为只读存储器 ROM 3 输入 输出接口 接口是CPU与外部设备间的桥梁 CPU I O接口 外设 接口的分类 串行接口输入接口并行接口输出接口 接口的功能 数据缓冲寄存信号电平或类型的转换实现主机与外设间的运行匹配 4 总线 基本概念分类工作原理常用系统总线标准及其主要技术指标 具体内容见后续课程 2 软件系统 软件 为运行 管理和维护计算机系统或为实现某一功能而编写的各种程序的总和及其相关资料 系统软件 应用软件 操作系统编译系统网络系统工具软件 软件 三 微型机的分类 按处理器的位数分按功能和结构分 四 主板的主要硬件构成 CPU插座芯片组内存插槽系统BIOSCMOS总线扩展槽串行 并行接口 2 28088微处理器 主要内容 8088CPU外部引线及功能8088CPU的内部结构和特点各内部寄存器的功能8088的工作时序 一 概述 指令的一般执行过程 取指令 指令译码 读取操作数 执行指令 存放结果 8088CPU的两种工作模式 8088可工作于两种模式下 即 最小模式和最大模式 最小模式为单处理机模式 控制信号较少 一般可不必接总线控制器 最大模式为多处理机模式 控制信号较多 须通过总线控制器与总线相连 最小模式下的连接示意图 8088CPU 控制总线 数据总线 地址总线 地址锁存 数据收发 ALE 时钟发生器 30 二 8086 8088的工作模式 最小模式 转到最大模式 8088 8086 最大模式下的连接示意图 8088CPU 数据总线 地址总线 地址锁存 数据收发 ALE 时钟发生器 总线控制器 控制总线 二 8088CPU的引线及功能 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 33 8088CPU的引线 主要引线 最小模式下 8088是工作在最小还是最大模式由MN MX端状态决定 MN MX 0工作于最大模式 反之工作于最小模式AD7 AD0 低8位地址和数据信号分时复用 在传送地址信号时为单向 传送数据信号时为双向 A19 A16 高4位地址信号 分时复用 A15 A8 输出8位地址信号 主要的控制和状态信号 WR 写信号RD 读信号IO M 为 0 表示访问内存为 1 表示访问接口DEN 低电平有效时 允许进行读 写操作RESET 复位信号 例 当WR 1 RD 0 IO M 0时 表示CPU当前正在进行读存储器操作 READY信号 T 1 T 2 T 3 Twait T 4 中断请求和响应信号 INTR 可屏蔽中断请求输入端NMI 非屏蔽中断请求输入端INTA 中断响应输出端 总线保持信号 HOLD 总线保持请求信号输入端 当CPU以外的其他设备要求占用总线时 通过该引脚向CPU发出请求HLDA 总线保持响应信号输出端 CPU对HOLD信号的响应信号 40 总线周期 基本总线周期由4个T状态组成 T1 T2 T3 T4等待时钟周期Tw 在总线周期的T3和T4之间插入空闲时钟周期Ti 在两个总线周期之间插入 三 8088CPU的内部结构 8088内部由两部分组成 执行单元 EU 总线接口单元 BIU 42 串行工作方式 8088以前的CPU采用串行工作方式 取指令1 执行1 存结果1 取指令2 取操作数 执行2 CPU BUS 忙碌 忙碌 忙碌 忙碌 43 并行工作方式 8088CPU采用并行工作方式 取指令2 取操作数 BIU 存结果 取指令3 取操作数 取指令4 执行1 执行2 执行3 EU BUS 忙碌 忙碌 忙碌 忙碌 忙碌 忙碌 44 8088 8086CPU的特点 采用并行流水线工作方式 通过设置指令预取队列实现对内存空间实行分段管理 将内存分为4个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 执行单元 功能指令的执行从指令队列中取指令代码译码在ALU中完成数据的运算运算结果的特征保存在标志寄存器FLAGS中 执行单元包括 运算器8个通用寄存器1个标志寄存器EU部分控制电路 总线接口单元 功能 从内存中取指令到指令预取队列负责与内存或输入 输出接口之间的数据传送在执行转移程序时 BIU使指令预取队列复位 从指定的新地址取指令 并立即传给执行单元执行 结论 指令预取队列的存在使EU和BIU两个部分可同时进行工作 从而提高了CPU的效率降低了对存储器存取速度的要求 8088的内部寄存器 含14个16位寄存器 按功能可分为三类8个通用寄存器4个段寄存器2个控制寄存器 通用寄存器 数据寄存器 AX BX CX DX 地址指针寄存器 SP BP 变址寄存器 SI DI 数据寄存器 8088含4个16位数据寄存器 它们又可分为8个8位寄存器 即 AXAH ALBXBH BLCXCH CLDXDH DL 数据寄存器特有的习惯用法 AX 累加器 所有I O指令都通过AX与接口传送信息 中间运算结果也多放于AX中BX 基址寄存器 在间接寻址中用于存放基地址 CX 计数寄存器 用于在循环或串操作指令中存放计数值DX 数据寄存器 在间接寻址的I O指令中存放I O端口地址 在32位乘除法运算时 存放高16位数 地址指针寄存器 SP 堆栈指针寄存器 其内容为栈顶的偏移地址BP 基址指针寄存器 常用于在访问内存时存放内存单元的偏移地址 BX与BP在应用上的区别 作为通用寄存器 二者均可用于存放数据作为基址寄存器 用BX表示所寻找的数据在数据段 用BP则表示数据在堆栈段 变址寄存器 SI 源变址寄存器DI 目标变址寄存器变址寄存器常用于指令的间接寻址或变址寻址 特别是在串操作指令中 用SI存放源操作数的偏移地址 而用DI存放目标操作数的偏移地址 控制寄存器 IP 指令指针寄存器 其内容为下一条要执行指令的偏移地址FLAGS 标志寄存器 存放运算结果的特征6个状态标志位 CF SF AF PF OF ZF 3个控制标志位 IF TF DF 段寄存器 用于存放相应逻辑段的段基地址CS 代码段寄存器 代码段存放指令代码DS 数据段寄存器ES 附加段寄存器SS 堆栈段寄存器 指示堆栈区域的位置 存放操作数 四 存储器寻址 段基地址 6000H段首地址偏移地址物理地址 代码段 60009H 00H 12H 60000H 0009H 物理地址 物理地址由段基地址和偏移地址组成物理地址 段基地址 16 偏移地址 60002H 08H 12H 60000H 0000 段基地址 16位 段首地址 例 已知CS 1055H DS 250AHES 2EF0HSS 8FF0H某操作数偏移地址 0204H画出各段在内存中的分布 段首地址及操作数的物理地址 10550H 250A0H 2EF00H 8FF00H CS DS ES SS 例题解答 设操作数在数据段 则操作数的物理地址为 250AH 16 0204H 252A4H 堆栈及堆栈段的使用 堆栈 内存中一个特殊区域 用于存放暂时不用或需要保护的数据常用于响应中断或子程序调用 例 若已知 SS 1000H SP 2000H则堆栈段的段首地址 栈顶地址 若该段最后一个单元地址为10100H 则栈底 段首 栈底 栈顶 堆栈区 五 时序 时序的概念 CPU各引脚信号在时间上的关系总线周期 CPU完成一次访问内存 或接口 操作所需要的时间 一个总线周期至少包括4个时钟周期 2 3系统总线 主要内容 总线的基本概念和分类总线的工作方式常用系统总线标准 一 概述 总线 是一组导线和相关的控制 驱动电路的集合 是计算机系统各部件之间传输地址 数据和控制信息的通道 地址总线 AB 数据总线 DB 控制总线 CB 总线分类 CPU总线系统总线外部总线 片内总线片外总线 按相对CPU的位置 按层次结构 二 总线结构 单总线结构 CPU M M I O I O I O 多总线结构 面向CPU的双总线结构面向主存的双总线结构 双总线结构多总线结构 面向CPU的双总线结构 存储器与I O接口间无直接通道 CPU M I O I O I O 面向存储器的双总线结构 在单总线结构基础上增加一条CPU到存储器的高速总线 CPU M I O I O I O 三 常用系统总线 ISA 8 16位 PCI 32