第2章 微型计算机概述

1、第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述2.1 微型计算机的基本结构微型计算机的基本结构2.2 8088(8086)CPU2.3 系统总线的形成系统总线的形成第第2 2章章 微型计算机概述微型计算机概述 第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述2.1 2.1 微型计算机的基本结构微型计算机的基本结构 2.1.1 微型计算机的组成及各部分的功能微型计算机的组成及各部分的功能 1. 硬件系统 2. 软件系统第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述微型计算机的组成微型计算机的组成微型计算机系统MCS微型计算机MC微处理器(核心件) MP 第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述微型计算机系统的系统结

2、构微型计算机系统的系统结构 冯诺伊曼结构：也称普林斯顿结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置，因此程序指令和数据的宽度相同，如Intel公司的8086中央处理器的程序指令和数据都是16位宽。 Intel的8086和其他中央处理器、ARM的ARM7、MIPS的MIPS 处理器。第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述微型计算机系统的系统结构微型计算机系统的系统结构 哈佛结构：是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。中央处理器首先到程序指令存储器中读取程序指令内容，解码后得到数据地址，再到相应的数据存储器

3、中读取数据，并进行下一步的操作（通常是执行）。程序指令存储和数据存储分开，可以使指令和数据有不同的数据宽度，如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是14位宽度，而数据是8位宽度。 Sun的Station CPU， Microchip 公司的PIC系列芯片，摩托罗拉的MC68系列、Zilog公司的Z8系列和ARM9、ARM10和ARM11。第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述冯冯诺伊曼计算机结构诺伊曼计算机结构运算器运算器控制器控制器输入设备输入设备存储器存储器输出设备输出设备第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述冯冯 诺依曼机工作原理诺依曼机工作原理 将计算过程描述为由许多条

4、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。第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述图2.1 微型计算机的硬件结构1. 硬件系统硬件系统 微型计算机硬件系统如图所示。第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述 微型计算机主要由如下几个部分组成：微处理器或称中央处理单元(CPU)、内部存贮器(简称内存)、输入输出接口(简称接口)及系统总线。 (1) CPU CPU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、逻辑及控制操作。 (2)

5、内存 顾名思义，所谓内存就是指微型计算机内部的存贮器。 用来存放要执行的程序及数据。内存的编号称为内存地址。第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述 (3) 系统总线 所谓总线就是用来传送信息的一组通信线。系统总线将构成微型机的各个部件连接到一起，实现了微型机内部各部件间的信息交换。 (4) 接口 微型计算机广泛地应用于各个部门和领域，所连接的外部设备是各式各样的。不仅要求不同的电平、电流，而且要求不同的速率、信号类型等。 为了使计算机与外设能够联系在一起，相互匹配并有条不紊的工作，就需要在计算机和外设之间接上一个中间部件，以便使计算机正常工作，该部件就叫做输入/输出接口。 接口的编号称为接口

6、地址。第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述 2. 软件系统软件系统 微型计算机软件系统包括系统软件和应用软件两大类。 (1)系统软件系统软件 系统软件用来对构成微型计算机的各部分硬件，如CPU、内存、各种外设进行管理和协调，使它们有条不紊高效率地工作。同时，系统程序还为其他程序的开发、调试、运行提供一个良好的环境。第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述 (2) 应用软件应用软件 应用软件是针对不同应用，实现用户要求的功能软件，例如，Internet网点上的Web页、各部门的MIS程序、CIMS中的应用软件以及生产过程中的监测控制程序等等。 应用软件一般由用户开发完成。可以用汇编语言，也可

7、以用高级语言。第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述 2.1.2 微型计算机的工作过程微型计算机的工作过程 CPU进行简单的算术运算或逻辑运算，或从存贮器取数，将数据存放于存贮器，或由接口取数或向接口送数，这些都是一些基本动作，也称为CPU的操作。 将若干基本操作组合在一起，就可以完成某种非常复杂的任务。 完成某种任务的一组指令就称为程序，计算机的工作就是执行程序。 用微型计算机求解“7+10=?”这样一个极为简单的问题，必须利用指令告诉计算机该做的每一个步骤，先做什么，后做什么。具体步骤就是： 7AL AL+10AL 第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述 其含义就是把7这个数送到AL里

8、面，然后将AL中的7和10相加，把要获得的结果存放在AL里。把它们变成计算机能够直接识别并执行的程序如下： 10110000 00000111 第一条指令 00000100 00001010 第二条指令 11110100 第三条指令 第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述 利用助记符加上操作数来表示指令就方便得多了。上面的程序可写成： MOV AL，7 ADD AL，10 HLT 程序中第一条指令将7放在AL中；第二条指令将AL中7加上10并将相加之和放在AL中；第三条指令是停机指令。当顺序执行完上述指令时，AL中就存放着要求的结果。 第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述2.2 8086

9、(8088)CPU2.2 8086(8088)CPU 2.2.1概述概述 8086(8088)是8080和8085的改进型，像8080和8085一样，它的指令是以字节为基础构成的，它的性能的提高，主要依赖于采取了以下一些特殊措施。 1. 建立6(4)字节的指令预取队列； 2. 设立地址段寄存器； 3. 在结构上和指令设置方面支持多微处理器系统。第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述80868086微处理器的功能结构微处理器的功能结构l8086微处理器的内部功能结构由两个独立的工作部件执行部件EU（Execution Unit）和总线接口部件BIU（Bus Interface Unit）构成

10、.l EU由运算器、寄存器组、控制器等组成，负责指令的执行。l BIU由指令队列、地址加法器、总线控制逻辑等组成，负责与系统总线打交道。第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述EUEU和和BIUBIU的管理的管理EU和BIU是并行工作的，以提高CPU效率。(1) BIU监视着指令队列。当指令队列中有2个空字节时，就自动把指令取到队列中。(2) EU执行指令时，从指令队列头部取指令，然后执行。如需访问存储器，则EU向BIU发出请求，由BIU访问存储器。(3) 在执行转移、调用、返回指令时，需清除队列中的指令，要等新指令装入队列中后，EU才继续执行指令。第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述 图

11、2.2 一般8位处理器与8088处理器指令执行过程对比(a)一般8位处理器的指令执行过程；(b)8088处理器的指令执行过程 第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述执行执行1 执行执行2 执行执行3 执行执行4 执行执行5忙忙忙忙忙忙忙忙忙忙ttt忙忙忙忙忙忙忙忙忙忙忙忙忙忙忙忙ttMPU总线总线(BUS)EUBIUBUS一般一般8位位CPU( 8080 )8086CPU取指取指1 执行执行1 取指取指2 执行执行2 取指取指3 执行执行3取指取指1 取指取指2 取指取指3 取指取指4 取指取指5串行并行第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述地址段寄存器地址段寄存器 地址加法器将段寄存器(

12、16位)的内容左移4位，然后与指令指针寄存器IP的内容相加得到20位的物理地址。 例如：从内存取指令时， (CS)5760H，(IP)=1234H，则物理地址 为： 57600H+ 1234H =57934H。 这里，先将段寄存器CS左移4位（16进制数只需后面加一个零）。第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述 2.2.2 8088CPU引线及其功能引线及其功能 8088CPU是一块具有40条引出线的集成电路芯片，其各引出线的定义如图2.3所示。为了减少芯片的引线，有许多引线具有双重定义和功能，采用分时复用方式工作，即在不同时刻，这些引线上的信号是不相同的。 8086(8088)CPU上有

13、输出引线，用以决定CPU工作在那种工作模式下。 最小模式下时，构成的微型机中只包括一个8086CPU，系统总线由CPU的引线构成，所用芯片少。 最大模式下时，构成的微型计算机中除了有8086CPU外，还可以接另外的CPU(如8087、8089等)，构成多微处理器系统。系统总线由8086CPU的引线和总线控制器8288共同形成。MN/MX第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述 图2.3 8088处理器芯片引线图 40引脚，引脚，DIP封装封装第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述信号的有效电平信号的有效电平 指控制引脚使用有效时的逻辑电平。低电平有效的引脚名字上面加有一条横线，引脚名字上无横

14、线者为高电平有效。 另有一些引脚信号编码使用，即高、低电平均有效，分别表示不同的状态或数值。 还有些引脚信号为边沿有效，即信号仅在上升（或下降）沿有效。第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述引脚的复用引脚的复用 在芯片的设计中，有时为了以少量引脚提供更多的功能，会采用引脚复用的做法。如8086CPU中就采用地址、数据线分时复用的方法，即当引脚上出现有效信号时，前一时刻总线上出现地址，后一时刻，其上传输的是数据。第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述三态能力三态能力 “三态”能力是指有些引脚除了能正常输出或输入高、低电平外，还能输出高阻状态。当它输出高阻状态时，表示芯片实际上已放弃了对该引脚

15、的控制，使之“浮空”。这样，与总线相连接的其它设备就可以获得对总线的控制权，系统转为接受总线的设备控制下工作。第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述80868086的引脚的引脚每个引脚只传送一种信息( 等)；引脚电平的高低表示不同的信号( 等)；CPU工作于不同方式有不同的名称和定义( 等)；分时复用引脚(AD15AD0等)；引脚的输入和输出分别传送不同的信息( 等)。/IO MRD/WR LOCK0/RQ GT第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述 1. 最小模式下的引线最小模式下的引线 在最小模式下，8088CPU的引线如图2.3所示(不包括括号内的信号)。它们是：A16A19/S3S

16、6:这是4条时间复用、三态输出的引线。表示状态时S6始终为低，S5指示状态寄存器中的中断允许标志的状态。 表2.1 S4,S3的状态编码 S4 S3所代表段寄存器 0 0数据段寄存器 0 1堆栈段寄存器 1 0代码段寄存器或不使用 1 1附加段寄存器 第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述 A8A15：它们是三态输出引线。在CPU寻址内存或接口时，由这些引线送出地址A8A15。在某种特殊情况下，这些引线也可以处于高阻状态。 AD0AD7：它们是地址、数据分时复用的输入输出信号线。其信号是经三态门输出的。 ：它是CPU的输出(三态)控制信号，用来区分当前操作是访问存贮器还是访问I/O端口。 ：

17、它是CPU的输出控制信号(三态)。该引脚输出为低电平时，表示CPU正处于写存贮器或写I/O端口的状态。 /IO MWR第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述 ：它是读选通输出信号(三态)，低电平有效。 ：该引脚是CPU的输出控制信号(三态)，用于确定数据传送的方向。 :这是CPU经三态门输出的控制信号(数据有效) 。 ALE：三态输出控制信号，高电平有效(地址有效-锁存)。 READY：它是准备就绪输入信号，高电平有效。 INTR：它是可屏蔽中断请求输入信号，高电平有效。 ：它是CPU输出的中断响应信号，是CPU对外部输入的INTR中断请求信号的响应。 NMI：它是非屏蔽中断输入信号，边沿触

18、发，正跳变有效。 /DT RDENRDINTA第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述 RESET：它是CPU的复位输入信号，高电平有效。 ：它是可用WAIT指令对该引脚进行测试的输入信号，低电平有效。 HOLD：它是高电平有效的输入信号，用于向CPU提出保持请求。HLDA：CPU对HOLD的响应输出，高电平有效。 ：是一条状态输出线。 CLK：这个是时钟信号输入端。 VCC：它是5V电源输入引脚。 GND：它是接地端。TESTSSO第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述 表2.2 复位后的内部寄存器状态 第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述 表2.3 复位后各引脚的状态 第第2章章 微

19、型计算机概述微型计算机概述表2.4 状态编码 /./ .IO MDT RSSO第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述 2. 最大模式下的引线最大模式下的引线 当 加上低电平时，8088CPU工作在最大模式之下。此时，除引线24到34之外，其他引线与最小模式完全相同。 ：这是最大模式下由8088CPU经三态门输出的状态信号。 ：它们是总线请求允许引脚。 ：它是一个总线封锁信号，低电平有效。 QS1、QS0：它是CPU输出的队列状态信号。 HIGH：在最大模式时始终为高电平输出。 /MN MX210. . SSS/0. /1RQ GTRQ GTLOCK第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述表2

20、. 5 的状态编码 2oSS第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述表2.6 QS1,QS0的状态编码 第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述2.2.3 8088与与8086的区别的区别 8088CPU指令队列为4字节长，而8086CPU指令队列为6字节长； 8088CPU外部数据总线为8位，而内部仍为16位，被称为准16位处理器，而8086CPU是真正的16位处理器，每次传送数据既可以是16位，也可以是8位(高8位或低8位)； 引脚上的区别。8086引脚信号(其中括号中为最大模式时的引脚名)第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述8088/80868088/8086引脚的区别引脚的区别 8

21、088上有8条数据总线，所以只有AD7-AD0为地址/数据复用，A15-A8只是地址线;第28脚8086中 ，在8088中为 ，电平意义相反;最大模式下8088第34引脚始终输出高电平(HIGH)；最小模式下第34脚8086中为 ，在8088中为 。/IO M/M IO0SSBHE第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述 2.2.4 8088CPU的内部结构的内部结构 1. 8088CPU的内部结构的内部结构 8088微处理器内部分为两个部分：执行单元(EU)和总线接口单元(BIU) 。 EU单元负责指令的执行。它包括ALU(运算器)、通用寄存器和状态寄存器等，主要进行16位的各种运算及有效地

22、址的计算。 BIU单元负责与存储器和I/O设备的接口。由段寄存器、指令指针、地址加法器和指令队列缓冲器组成。地址加法器将段和偏移地址相加，生成20位的物理地址。第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述图2.4 8088微处理器的内部结构 第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述 2. 8088处理器中的内部寄存器处理器中的内部寄存器 在8088处理器中，用户能用指令改变其内容的，主要是一组内部寄存器。 (1) 数据寄存器 (2) 指针寄存器 (3) 变址寄存器 (4) 控制寄存器 (5) 段寄存器第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述(1) 数据寄存器

23、第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述(2) 指针寄存器SP：堆栈指针寄存器BP：基数指针寄存器(3) 变址寄存器 SI：源变址寄存器 DI：目的变址寄存器(4) 控制寄存器IP：指针指令寄存器PSW：程序状态寄存器第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述程序状态寄存器程序状态寄存器PSW六个状态标志位：六个状态标志位： C进位标志位（加法时进位、减法时借位、位移、循环）。 P奇偶标志位（奇0偶1）。 A半加标志位。 Z零标志位。 S符号标志位。 O溢出标志位（带符号数运算结果超出8/16位表示范围）。三个控制位：三个控制位： T陷阱标志位(单步标志位)。 I 中断允许标志位。 D方向标志位

24、（串操作1减0加）。11 10 9 8 7 6 4 2第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述(5) 段寄存器CS：代码段寄存器DS：数据段寄存器SS：堆栈段寄存器ES：附加段寄存器第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述 2.2.5 存贮器寻址存贮器寻址 在8086中，把1MB的存储器空间划分成若干个逻辑段，每段最大的空间容量是64KB个存储单元。各逻辑段的起始地址必须是能被16整除的地址，即段的起始地址的低4位二进制码必须是0。一个段的高16位被称为该段的段地址。在1MB存储器地址空间中，可以有216个段地址。 段内一个存储单元的地址，用相对于段起始地址的偏移量来表示，偏移地址也是16位，

25、所以一个段最大可以包括一个64KB的存储空间。由于相邻两个断地址相距只有16个单元，所以段与段是互相覆盖的。 实际应用中段与段之间可以是连续的、分开的、部分重叠的或完全重叠的。第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述1. 由段寄存器、段偏移地址确定物理地址由段寄存器、段偏移地址确定物理地址 如图2.7所示，20位的物理地址是这样产生的： 物理地址=段寄存器的内容16+偏移地址 表2.2中已经表明，复位时CS的内容为FFFFH，IP的内容为0000H。复位后的启动地址由CS段寄存器和IP的内容(作为偏移量)共同决定，即： 启动地址=CS16+IP =FFF

26、F0H+0000H =FFFF0H;第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述 图2.7 物理地址的形成第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述典型分段法(a) 段不重叠 (b) 段部分重叠第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述 2. 段寄存器的使用段寄存器的使用 段寄存器的设立不仅使8088的存贮空间扩大到1MB，而且为信息按特征分段存贮带来了方便。在存贮器中，信息按特征可分为程序代码、数据、微处理器状态等。 第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述图2.8 各段寄存器的使用情况 第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述 下面对表2.8中的内容做简要说

27、明如下： 在各种类型的存贮器访问中，其段地址要么由“默认”的段寄存器提供，要么由“指定”的段寄存器提供。 段寄存器DS、ES和SS的内容是用传送指令送入的，但任何传送指令不能向段寄存器CS送数。 表中“段内偏移地址”一栏指明，除了有两种类型访问存贮器是“依寻址方式求得有效地址”外，其它都指明使用一个16位的指针寄存器或变址寄存器。 第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述 2.2.6 工作时序工作时序 时序：CPU各引脚信号在时间上的关系。 时钟周期：时钟周期就是加在CPU芯片引脚CLK上的时钟信号的周期，是CPU的基本时间计量单位，它由计算机主频决定。8086主频是5MHz，一个时钟周期就是

28、200ns。 总线周期：在8086CPU中，CPU与内存或接口间进行通信，如将一个字节写入内存一个单元(或接口)，或者从内存某单元(或某接口)读一个字节到CPU，这种读(或写)的过程称为一个总线周期，一个总线周期由4个时钟周期组成，习惯上称4个状态，即T1, T2, T3, T4状态。只有在CPU和内存或I/O端口之间传递数据以及取指令时，CPU才执行总线周期。第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述 2.2.6 工作时序工作时序(续续) 指令周期：CPU完整地执行一条指令所花的时间叫做一个指令周期。一个指令周期包含一个或几个总线周期。 空闲周期：如果在一个总线周期之后，不立即执行下一个总线周

29、期，则系统总线就处于空闲状态，此时执行空闲周期Ti。 等待周期：在一个总线周期内根据READY信号插入的等待时钟周期TWAIT 。 一条指令由若干个总线周期完成，一个总线周期由4个(正常情况)时钟周期实现。第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述图2.9 8088的写总线周期第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述图2.10 8088的读总线周期 第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述图2.11 8088的中断响应周期 8086CPU在两个中断响应周期中间有三个空闲周期。第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述2.3 2.3 系统总线的形成系统总线的形成 系统总线连接微型计算机的各个部件；系

30、统总线连接微型计算机的各个部件；系统总线实现系统总线实现CPU与微机内部各部件的通信；与微机内部各部件的通信；系统总线带宽对微型计算机性能产生直接影响。系统总线带宽对微型计算机性能产生直接影响。第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述2.3.1 几种常用的芯片几种常用的芯片1. 带有三态输出的锁存器带有三态输出的锁存器 在形成8088(86)系统总线时，常用到具有三态输出的信号锁存器8282和8283。除前者是正相输出而后者是反相输出外，8282和8283的其他性能完全一样。其引线如图2.12所示。 8282兼容芯片74LS373/74HC373。第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述图2.12 具有三态输出的锁存器第第2章章 微型计算机概述微型计算机概述 2. 单向三态门驱动器单向三态门驱动器 将数个三态门集成在一块芯片中构成单向三态门驱动器，其种类非常多。其中74系列的244就是经常使用的一种三态门驱动器