微机原理 第5章.ppt

1 第5章 处理器总线时序和系统总线 2 在前三章中 我们面向指令系统和汇编语言程序设计 介绍了8086CPU的内部结构 在这一章中 我们将面向系统组成 介绍8086的外部特性和它的总线时序 教学重点 8086CPU的引脚功能 8086的典型时序 知识点 5 18086的引脚功能5 28086处理器时序5 3系统总线 5 18086的引脚功能 微处理器是微机系统中的核心部件 其外部特性表现在它的引脚信号上 并通过引脚的连接发挥作用 在学习芯片的引脚信号时 请关注以下几个方面 信号的功能 即信号所起的作用 引脚信号的名称通常用英文单词或英文缩写来表示 它大致反映了该引脚的功能和特征 是我们记忆的基础 信号的流向 即信号是从芯片流向外部 输出 还是从外部流向芯片 输入 抑或是双向 有效方式 信号发挥作用时的特征 电平有效 边沿有效三态能力 高电平 低电平和高阻 5 1 18086CPU的两种组态 当把8086CPU与存储器和外设连成一个计算机系统时 根据所连的存储器和外设的规模 8086可以有两种不同的组态 最小组态和最大组态 最小组态 所谓最小组态 就是系统中只有一个8088 8086微处理器 在这种情况下 所有的总线控制信号 都是直接由CPU产生的 系统中的总线控制逻辑电路被减到最少 该模式适用于规模较小的微机应用系统 最大组态 最大组态是相对于最小组态而言的 最大组态用在中 大规模的微机应用系统中 在最大组态下 系统中可以只有一个微处理器 也可以有两个或两个以上的微处理器 其中一个为主处理器 即8086 8088CPU 其它的微处理器称之为协处理器 它们是协助主处理器工作的 系统的控制信号由8288总线控制器给出 目前常用的是最大组态 8086微处理器是一个双列直插式 40个引脚的器件 8086的引脚图 在两种组态下 8086引脚中的脚24 脚31有不同的名称和意义 括号中为最大组态时的名称 最大组态下24 31引脚的含义 在最大组态下 系统中的总线控制器8288就是利用这些状态信号来产生对存储器和I O接口的控制信号的 表5 1 8288总线控制器的连接 8282 表5 1最大组态下的总线周期 无源状态 ALE AddressLatchEnable 地址锁存允许信号 输出 高电平有效 这是8288总线控制器提供给地址锁存器8282 8283的控制信号 把当前地址 数据复用总线 地址 状态复用总线上输出的地址信息 锁存到地址锁存器8282 8283中去 8288主要控制总线的含义 8288主要控制总线的含义 续 DT R DataTransmit Receive 数据发送 接收控制信号 输出 在最大组态时 为了增加数据总线的驱动能力 采用发送 接收接口芯片8286 8287 DEN DataEnable 数据允许信号 输出 高电平有效 作为发送 接收接口片子8286 8287的输出允许信号 8288主要控制总线的含义 续 AD0 AD7 AD1 A0 A1 A7 B0 B1 B7 8286 8086 DEN 数据总线 输入线 输出线 DT R T 一片8286与8086及8288的连接 8288 8288主要控制总线的含义 续 MRDC MemoyReadCommand 存储器读命令 MWTC MemoyWriteCommand 存储器写命令 IORC I OReadCommand I O读命令 IOWC I OWriteCommand I O写命令 这4个信号全是低电平有效的输出信号 供CPU以外的2个处理器用来发出使用总线的请求信号和接收CPU对总线请求回答信号 最大组态下24 31引脚的含义 续 低电平有效 有效时 表示CPU独占总线使用权 系统中的其它总线主设备不能获得对系统总线的控制 在DMA方式 此线浮空 最大组态下24 31引脚的含义 续 QS1 QS0 InstructionQueueStatus 指令对列状态信号 输出 两个信号组合起来提供指令对列的状态 表5 2 QS1QS0性能00无操作01取走指令队列第一个字节10队列空11除第一个字节外 还取走了后续字节中的代码 最大组态下24 31引脚的含义 续 5 1 28086的引线 两种组态下 名称和功能相同的32个引脚的含义 AD15 AD0 AddressDataBus 地址 数据复用引脚 输入 输出 三态 在DMA方式 此线浮空 同一引脚在不同时刻传送不同的信息 称为分时复用引脚 功能相同的32个引脚的含义 续 A19 S6 A16 S3 Address Status 地址 状态复用引脚 输出 三态 S6始终为0 用以指示8086CPU当前与总线连通 注意 在I O操作时 这些地址不用 全为低电平 S5 用来指示中断允许标志位IF的状态S5 1 允许可屏蔽中断请求S5 0 禁止可屏蔽中断请求 S4 S3共有四个组态 用以指明当前使用的段寄存器 在DMA方式 此线浮空 READY 准备好 信号引脚 输入 从所寻址的存储器或I O设备发来的响应信号 高电平有效 当其有效时 表示内存或I O设备准备就绪 马上就可以进行一次数据的传输 READY信号由存储器或I O端口根据其速度需要用硬件电路产生 功能相同的32个引脚的含义 续 INTR InterruptRequest 可屏蔽中断请求信号引脚 输入 高电平有效 NMI Non MaskableInterrupt 非屏蔽中断请求信号 输入 是一个边沿触发信号 是一个由低到高的上升沿 功能相同的32个引脚的含义 续 RESET复位信号 输入 高电平有效 8086CPU要求复位信号至少维持4个时钟周期才能起到复位的效果 复位信号输入之后 CPU结束当前操作 并对处理器的标志寄存器 IP DS SS ES寄存器及指令队列进行清零操作 而将CS设置为0FFFFH CLK时钟信号 输入 8086的标准时钟频率为8MHZ 功能相同的32个引脚的含义 续 VCC电源引脚 8086CPU采用单一的 5V电源 该输入引脚电平的高 低决定了CPU工作在最小组态还是最大组态 接 5V 最小组态 接地 最大组态 功能相同的32个引脚的含义 续 S7在当前的芯片设计中并未赋予实际的意义 功能相同的32个引脚的含义 续 最大组态典型配置 最大组态典型配置 AD15 AD0 BACK 5 28086处理器时序 指令周期 总线周期及时钟周期的概念及它们之间的联系 8086工作在最大组态下存储器读写时序 重点掌握 1 什么是时序 时序是计算机操作运行的时间顺序 5 2 1时序的基本概念 2 指令周期 总线周期及时钟周期 一条指令从其代码被从内存单元中取出到其所规定的操作执行完毕 所用的时间 称为相应指令的指令周期 由于指令的类型 功能不同 因此 不同指令所要完成的操作也不同 相应地 其所需的时间也不相同 也就是说 指令周期的长度因指令的不同而不同 指令周期 指令周期 总线周期及时钟周期 CPU通过总线与内存或I O端口之间 进行一个字节 或字 数据交换所进行的操作 称为一次总线操作 相应于某个总线操作的时间即为总线周期 总线周期 时钟周期是微机系统工作的最小时间单元 它取决于系统的主频率 系统完成任何操作所需要的时间 均是时钟周期的整数倍 时钟周期又称为T状态 时钟周期 指令周期 总线周期及时钟周期 三种周期的联系 一个指令周期由一个或几个总线周期组成 一个基本的总线周期由4个T状态组成 分别称为T1状态 T2状态 T3状态 T4状态 在每个T状态下 CPU完成不同的动作 在有些情况下 如果存储器或外设的速度跟不上CPU 在基本总线周期的T3和T4之间插入1个或多个附加时钟周期TW TW又叫等待状态 思考 应插入多少个Tw取决于什么因素 READY信号 每条指令的功能不同 所需要进行的操作也不同 指令周期的长度也必不相同 但是 不同的指令所要完成的操作 都是由一系列的总线操作组合而成的 8086微机系统 能够完成的操作有下列几种主要类型 存贮器读或写 I O读或I O写 中断响应 2 8086CPU的典型时序 按数据传输的方向来分 可将总线操作分为读操作和写操作两种类型 按照读 写的不同对象 总线操作又可分为存贮器读 写与I O读 写操作 下面以8086工作在最大组态为基础分析8086的典型时序 1 存储器读周期和存储器写周期 T2状态 存储器读周期 续 TW状态 在T3状态 采样READY线 若READY 0 则进入等待周期 存储器读周期 续 书有错 存储器写周期 T1状态 TW状态 存储器写周期 续 书有错 最大组态存储器写周期时序 2 I O读周期和I O写周期 I O接口电路的工作速度较面慢 往往要插入等待状态 b 在T3周期采样的READY为低电平 插入一个等待周期TW状态 和存储器读写周期的时序基本相同 不同之处为 3 空转周期 只有在CPU与存贮器或I O端口之间传送数据时 CPU才执行相应的总线操作 而当它们之间不传送数据时 则进入总线空转周期 空转周期是指在两个总线周期之间的时间间隔 包含一个到多个时钟周期 在总线空转周期内 CPU的各种信号线上的状态维持不变 要注意的是 总线空操作并不意味着CPU不工作 只是总线接口部件BIU不工作 而总线执行部件EU仍在工作 如进行计算 译码 内部寄存器之间传送数据等 实质上总线空操作期间 是BIU对EU的一种等待 4 中断响应周期 对可屏蔽中断 5 系统的复位 6 CPU进入和退出保持状态的时序 BACK 5 3系统总线 5 3 1概述 总线是一组信号线的集合 是一种在各模块之间传送信息的公共通道总线是各部件联系的纽带 在微机系统中 利用总线实现芯片内部 印刷电路板各部件之间 机箱内各插件板之间 主机与外部设备之间或系统与系统之间的连接与通信 采用总线结构之后 使系统中各功能部件间的相互关系转变为各部件面向总线的单一关系 一个部件 功能板 卡 只要符合总线标准 就可以连接到采用这种总线标准的系统中 从而可以简化系统设计 简化系统结构 提高系统可靠性 易于系统的扩充和更新等等 1 总线的分类 按总线功能来划分可分为 地址总线数据总线控制总线 根据所处的位置不同 总线可以分为 片内总线 位于微处理器芯片的内部 用于算术逻辑单元ALU与各种寄存器或者其它功能单元之间的相互连接 片总线 元件级总线或局部总线 各种板 卡上实现芯片间相互连接的总线 总线的分类 续 内总线 板级总线 系统总线 计算机机箱内部 用于连接微机各功能部件插卡的总线称为系统总线 系统总线在计算机主板上 以几个并列的扩展插槽形式提供给用户 如PC总线 AT总线 ISA总线 PCI总线 AGP总线等 总线的分类 续 指微机系统之间 微机系统与仪器 仪表或其它设备之间进行通信的一种信号线 如接口标准IDE SCSI USB和IEEE1394等 前两种主要是与硬盘 光驱等设备接口相连 后面两种新型外部总线可以用来连接多种外部设备 外总线 通信总线 总线的分类 续 2 总线的操作过程 3 总线的数据传输方式 5 3 2PC总线 IBM PC及XT CPU为8088 使用的总线成为PC总线 IBM PC机的底板上有5个 XT机的底板上有8个双列插槽 具有62条引脚 引脚间隔为2 54mm 数据总线8位 各引脚的排列如图5 15所示 5 3 3ISA总线 ISA IndustryStandardArchitecture 工业标准体系结构总线 又称AT总线 是IBMAT机推出时使用的总线 ISA总线是在原来的PC XT总线的基础上扩展一个36条引线槽形成来的 同一槽线的插槽分成62和36两段 数据总线扩展到16位 地址总线扩展到24位 AT机 以80286为CPU 具有16位数据总线和24条地址总线 新增加的36个引脚排列如图5 16所示 5 3 4PCI总线 PCI PeripheralComponentInterconn