第2章微型计算机原理与应用.ppt

1 微型计算机原理及应用 第二章微型计算机基础 2 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 3 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 冯 诺依曼计算机 存储程序式计算机 运算器 存储器 控制器 输入设备 输出设备 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 2 1微型机的基本结构 5 微型计算机的硬件主要是由CPU 存储器 I O接口和I O设备组成 各组成部分之间通过地址总线 AB 数据总线 DB 控制总线 CB 联系在一起 AB DB和CB统称为系统总线 系统总线是各部之间传送信息的公共通道 2 1 1微型计算机的概念结构 6 1 硬件系统 微处理器 CPU 存储器 Memory 输入 输出接口总线 BUS 2 1 1微型计算机的概念结构 7 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 又称算术逻辑单元 arithmeticandlogicunit ALU 主要完成加 减 乘 除四则运算和各种逻辑运算 控制器 一般由指令寄存器 指令译码器和操作控制电路组成 它从存储器中依次取出程序的各条指令 并根据指令的要求 向微机的各个部件发出相应的控制信号 使各部件协调工作 从而实现对整个系统的控制 寄存器组 实质上是CPU内部的若干存储单元 它们分为专用寄存器通用寄存器 专用寄存器的作用是固定的 通用寄存器则可由程序员规定其用途 不同型号的CPU通用寄存器的数目不同 微处理器中还有一些不能直接为程序员所用的寄存器 如 累加器 暂存器和指令寄存器等 它们仅受内部定时与控制逻辑的控制 2 1 1微型计算机的概念结构 8 微处理器典型结构示意图 2 1 1微型计算机的概念结构 9 2 存储器存储器又称内存或主存 是微型计算机的存储和记忆部件 用以存放数据 包括原始数据 中间结果和最终结果 和当前执行的程序 微型机的内存都属于半导体存储器 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 每个内存单元可存放8位二进制数 即一个字节的二进制信息 内存单元的总数称为微机的内存容量 单位为字节 内存单元存放的信息称为内存单元的内容 2 1 1微型计算机的概念结构 10 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 38F04H 内存地址 单元内容 2 1 1微型计算机的概念结构 11 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 2 1 1微型计算机的概念结构 12 存储器读写操作过程 内存的操作 2 1 1微型计算机的概念结构 13 04 08 2 1 1微型计算机的概念结构 14 内存储器的分类 按工作方式不同 内存可分为两大类 随机存取存储器 randomaccessmemory RAM 又称读写存储器 用于存放用户装入的程序 数据及部分系统信息 当机器断电后 所存信息消失 只读存储器 readonlymemory ROM ROM中的信息只能被CPU随机读取 而不能由CPU任意写入 当机器断电后 所存信息不丢失 主要用来存放监控程序和基本输入输出程序 还可用来存放各种常用数据和表格等 2 1 1微型计算机的概念结构 15 3 输入 输出接口 接口是CPU与外部设备间的桥梁 接口的分类 串行接口并行接口 输入接口输出接口 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 2 1 1微型计算机的概念结构 16 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 1 1微型计算机的概念结构 17 4 总线 总线是由一组导线和相减电路组成 是各种公共信号线的集合 用途微机各部分传递信息所共同使用的 高速信息公路 在CPU 存储器 I O接口之间传输信息的总线称为 系统总线 系统总线包括数据总线 地址总线和控制总线 2 1 1微型计算机的概念结构 18 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 2 1 1微型计算机的概念结构 19 2 1 2微型计算机的工作过程 1 存储程序计算机 存储程序 就是把处理问题的步骤和所需的数据事先送入存储器中保存起来 工作时由计算机的控制部件逐条取出并执行之 从而使计算机自动连续进行运算 指令是对计算机发出的一条条工作命令 命令它执行规定的操作 每一条基本操作命令称为一条机器指令 指令必须指明要执行的操作 和操作中要使用的数据 称为操作数 计算机能够理解 计算机必须能够执行 程序是使计算机能识别并能执行的按一定顺序排列起来的基本操作命令的集合 指令的两个条件 20 2 存储程序工作原理 程序和数据保存 给出首地址 自动执行 2 1 2微型计算机的工作过程 逐条执行指令序列的过程 每执行一条指令包括 取指令和执行指令两个过程 21 2 微型计算机 微机 的工作过程 存储程序的概念是指把程序和数据送到具有记忆功能的存储器保存起来 计算机工作时只要给出第一条指令的地址 控制器就可依据存储程序中的指令顺序周而复始地取出指令 分析指令 执行指令 直到执行完全部指令为止 2 1 2微型计算机的工作过程 22 存储程序的概念是指把程序和数据送到具有记忆功能的存储器保存起来 计算机工作时只要给出第一条指令的地址 控制器就可依据存储程序中的指令顺序周而复始地取出指令 分析指令 执行指令 直到执行完全部指令为止 23 存储程序的概念是指把程序和数据送到具有记忆功能的存储器保存起来 计算机工作时只要给出第一条指令的地址 控制器就可依据存储程序中的指令顺序周而复始地取出指令 分析指令 执行指令 直到执行完全部指令为止 24 3 一个程序工作的例子 计算机实现5 8 MOVA 5ADDA 8HLT 1011000000000101000001000000100011110100 指令 程序 程序 操作码 操作数 2 1 2微型计算机的工作过程 25 存储指令 地址 MOVA 5 ADDA 8 2 1 2微型计算机的工作过程 26 取第一条指令操作码的操作步骤 00000101 00000100 11110100 00001000 存储器 10110000 00 02 01 03 04 内部总线 I 1 I 2 o 1 RA DR DB AB PC AR 1 2 4 5 6 7 ALU A 2 1 2微型计算机的工作过程 27 取第一条指令操作码的操作步骤 00000101 00000100 11110100 00001000 存储器 10110000 00 02 01 03 04 内部总线 I 1 I 2 o 1 RA DR DB AB PC AR 1 2 4 5 6 7 ALU A 2 1 2微型计算机的工作过程 28 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 29 2 2 18088 8086微处理器概述 8086和8088都属于第三代的微处理器 8088与存储器和I O进行数据传输总线宽度为8位 而8086的数据宽度为16位 30 8088的最大模式与最小模式 8088 8086具有最大和最小两种工作模式以及内置的多任务处理能力 所谓最小模式 就是在系统中只有8086 8088一个微处理器 在这种系统中 所有的控制信号都直接由8086 8088产生 因此 系统中的总线控制逻辑电路被减少到最少 最大模式是相对最小模式而言 它用在中等规模或者大型的8086 8088系统中 在此系统中 包含两个或多个微处理器 其中一个主处理器就是8086 8088 其他的处理器称为协处理器 它们协助主处理器工作 和8086 8088配合的协处理器有两个 一个是数值运算协处理器8087 一个是输入 输出协处理器8089 8088的最大和最小两种工作模式可通过 输入引脚加上不同的电平来进行选择 2 2 18088 8086微处理器概述 31 8086最小工作模式下控制核心单元的组成 5V 读写控制 读写控制 读写控制 32 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 2 2 18088 8086微处理器概述 33 2 2 28088 8086的指令流水线 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 串行工作方式 控制器和运算器交替工作 按顺序完成上述指令执行过程并行工作方式 运算器和控制器可同时工作 34 2 2 28088 8086的指令流水线 串行工作方式 控制器和运算器交替工作 按顺序完成上述指令执行过程并行工作方式 运算器和控制器可同时工作 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 35 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 2 2 28088 8086的指令流水线 36 2 2 38088的外部引脚及其功能 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 37 2 2 38088的外部引脚及其功能 非屏蔽中断 可屏蔽中断 最小最大模式控制MN MX 1 最小模式MN MX 0 最大模式 读信号 总线保持请求信号 存储器 IO控制信号IO M 0 选中存储器IO M 1 选中IO接口 写信号 数据发送 接收信号DT R 1 发送DT R 0 接收 数据允许信号 地址允许信号 准备好信号 表示内存或I O设备准备好 可以进行数据传输 复位信号 测试信号 执行WAIT指令 CPU处于空转等待 TEST有效时 结束等待状态 总线保持相应信号 38 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主要的控制和状态信号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 1 最小模式下的引线 2 2 38088的外部引脚及其功能 39 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 2 2 38088的外部引脚及其功能 40 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 中断请求和响应信号 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 2 2 38088的外部引脚及其功能 41 2 2 48088 8086的功能结构 1 8088 8086的结构 执行部件 总线接口部件 42 8088内部由两部分组成 执行单元 EU 总线接口单元 BIU EU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 组成 运算器8个通用寄存器1个标志寄存器EU部分控制电路 2 2 48088 8086的功能结构 43 BIU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 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 2 2 48088 8086的功能结构 44 含14个16位寄存器 按功能可分为三类 2 8088 8086CPU的内部寄存器 8个通用寄存器4个段寄存器2个控制寄存器 1 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 2 2 48088 8086的功能结构 45 SP堆栈指针BP基址指针SI源变址指针DI目的变址指针 2 8088 8086CPU的内部寄存器 数据寄存器 地址指针及变址寄存器 控制寄存器组 段寄存器组 AXAHAL累加器BXBHBL基址寄存器CXCHCL计数寄存器DXDHDL数据寄存器 通用寄存器组 15870 IP指令指针FLAG标志寄存器 CS代码段寄存器DS数据段寄存器SS堆栈段寄存器ES附加段寄存器 2 2 48088 8086的功能结构 46 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 2 数据寄存器 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 2 2 48088 8086的功能结构 47 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 地址指针寄存器 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 2 2 48088 8086的功能结构 48 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 段寄存器 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 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 2 2 48088 8086的功能结构 49 段寄存器的使用 存储器分为程序段 存放程序的指令代码数据段 存放数据和运算结果堆栈段 传递参数 保存数据和状态信息8088 8086对段寄存器使用的约定 2 2 48088 8086的功能结构 50 8086 8088CPU中有4个段寄存器 所以他同时可以访问4个存储段 段与段之间可以重合 重叠 紧密相连或间隔分开 这种寻址方式允许程序在存储器内重定位 允许实模下编写的程序在保护模式下运行 访问存储器时 段地址可以由 默认 的段寄存器提供 也可以由 指定 的段寄存器提供 指定通常是靠在指令码中增加一个字节的前缀来实现的 更改寄存器的内容意味着内存段的移动 这说明无论程序段 数据段 还是堆栈段都可以超过64KB的容量 都可以用重新设置段寄存器内容的方法来扩大段 而且各内存段都可以在整个存储空间中浮动 2 2 48088 8086的功能结构 51 8088 8086的标志寄存器 CF PF OF DF IF TF SF ZF AF CF 进位标志当执行一个加法运算使最高位产生进位时 或执行一个减法运算引起最高位产生借位时CF 1 否则CF 0 此外循环指令也会影响这一标志 SF 符号标志与运算结果的最高位相同 当数据用补码表示时 负数的最高位为1 所以符号标志表示运算执行后的结果是正还是负 ZF 零标志当前的运算结果为零ZF 1 当前的运算结果为非零ZF 0 PF 奇 偶标志运算结果的低8位中所含的1的个数为偶数PF 1 否则PF 0 AF 辅助进位标志加法运算时 如果第3位往第4位有进位 减法运算时 第3位往第4位有借位AF 1 OF 溢出标志运算过程产生溢出时OF 1 DF 方向标志控制串操作指令用的标志 DF 0串操作过程中的地址会不断增值 DF 1串操作过程中的地址会不断减值 IF 中断标志控制可屏蔽中断的标志 IF 0CPU不能对可屏蔽中断请求作出响应 IF 1CPU可接受可屏蔽中断请求 TF 跟踪标志TF 1 CPU按跟踪方式执行指令 2 2 48088 8086的功能结构 52 运算结果最高位为1 SF 1 例 2个数相加后 分析各标志位的值 第三位向第四位有进位 AF 1 次高位向最高位有进位 最高位向前没有进位 OF 1 0 1 最高位没有进位 CF 0 低8位中1的个数为偶数个 PF 1 运算结果本身 0 ZF 0 2 2 48088 8086的功能结构 53 2 2 58086的存储器组织 8086有20根地址线 具有1M字节的存储器地址空间 这1M字节的内存单元按照00000 FFFFFH来编址 8086有20根地址线 但其内部可以表示的地址最多只能是16位 为了能寻址1MB空间 8086对存储器进行逻辑分段 每个逻辑段 64K 1M的空间分成16个逻辑段 0 15 允许它们在整个存储空间浮动 即段与段之间可以部分重叠 完全重叠 连续排列 断续排列 54 物理地址的生成方法 2 2 58086的存储器组织 55 在寻址一个具体的物理单元时 必须要由一个基地址再加上SP或IP或BP或SI或DI等可由CPU处理的16位偏移量来形成实际的20位物理地址 代 码 段 数 据 段 堆 栈 段 C S D S S S 和 其 他 寄 存 器 组 合 指 向 存 储 单 元 示 意 2 2 58086的存储器组织 56 存储器中的操作数可以是一个字节 也可以是一个字 如果是字操作数 那么低位字节放在较低的地址单元 高位字节放在较高地址单元 在不改变段寄存器值的情况下 寻址的最大范围是64KB 所以若有一个任务 它的程序长度 堆栈长度以及数据区长度都不超过64KB 可在程序开始的时候 分别给DS SS ES置值 然后在程序中就可以不再考虑这些段寄存器 程序就可以在各自的区域中正常地进行工作 若某一个任务所需的总的存储器长度 包括程序长度 堆栈长度和数据长度等 不超过64KB 则可以在程序开始时使CS SS DS相等 程序也能正常工作 若一个程序中要用的数据区超过64KB 或要求从两个 或多个 不同区域中去存取操作数 只要在取操作数以前 用指令给数据段寄存器重新赋值就可以了 2 2 58086的存储器组织 57 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 设操作数在数据段 则操作数的物理地址为 250AH 16 0204H 252A4H 2 2 58086的存储器组织 58 访问存储器时 段地址可以由 默认 的段寄存器提供 也可以由 指定 的段寄存器提供 指定通常是靠在指令码中增加一个字节的前缀来实现的 更改寄存器的内容意味着内存段的移动 这说明无论程序段 数据段 还是堆栈段都可以超过64KB的容量 都可以用重新设置段寄存器内容的方法来扩大段 而且各内存段都可以在整个存储空间中浮动 2 2 58086的存储器组织 59 2 2 68086的工作时序 微处理器是按照一定时序来工作的 时序有两种 时钟周期和总线周期 一条指令的执行需要若干个总线周期才能完成 而一个总线周期又由若干个时钟周期构成 在8088CPU中 CPU与内存或接口间都是通过总线来进行通信 如将一个字节写入内存单元 或者从内存某单元读一个字节到CPU 这种通过总线进行一次读 或写 的过程称为一个总线周期 在8086 8088中 一个最基本的总线周期由4个时钟周期组成 时钟周期是CPU的基本时间计量单位 由计算机主频决定 习惯上将4个时钟周期分别称为4个状态 即T1 T2 T3和T4状态 时序的概念 CPU各引脚信号在时间上的关系 60 基本总线周期 地址 T 1 T 2 T 3 T 4 T 1 T 2 T 3 含等待状态Tw的总线周期 地址 缓存 缓存 数据 数据 空闲周期 2 2 68086的工作时序 61 存储器 IO读时序 2 2 68086的工作时序 62 存储器 IO写时序 2 2 68086的工作时序 63 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 64 2 3 1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 便于采用模块结构设计方法 简化系统设计便于兼容便于系统的拓展和升级便于故障诊断和维修 同时也将带了成本 65 总线是一组公共信号线的集合 是在计算机系统各部件之间传输地址 数据和控制信息的公共通路 从物理结构上来看 它由一组导线和相关的控制 驱动电路组成 1 总线的分类 1 按相对于CPU的位置 总线可分为 片内总线和片外总线 片内总线 internalbus 在CPU内部 寄存器 算术逻辑部件ALU 控制部件以及地址形成部件之间传输数据所用的总线称为片内总线 片外总线 externalbus 又称通信总线 是CPU与内存和输入设备接口之间进行通信的通路 2 按总线的层次结构分 可分为 CPU总线 系统总线和外设总线 2 3 1概述 66 CPU总线 包括地址线 数据线和控制线 它们一般就是从CPU引脚上引出的连接线 用来实现与外围控制芯片之间的连接 系统总线 也称为I O通道总线 也包括地址线 数据线和控制线 用来与存储器和扩充插槽上的各扩充板卡相连接 CPU总线一般要通过专用的控制电路的在空间上 时间上进行重新组合才能转换成系统总线 外设总线 是指计算机主机与外部设备接口的总线 实际上是一种外设的接口标准 1 总线的分类 2 3 1概述 67 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 2 系统总线 ISA industrystandardarchitecture MCA microchannelarchitecture EISA extendedindustrystandardarchitecture PCI peripheralcomponentinterconnect 2 3 1概述 68 1 单总