微机原理及应用第四章.ppt

1、微型计算机原理及应用是计算机科学与技术专业的主干课程之一，现在工科的各专业也大都开设这门课程，很多专业并把它作为研究生的入学考试的必考课程之一。 同学们在下学期还要学习计算机组成原理与设计课程。可能很多同学心理都有个疑问，课程的设置是否重复了？ 下面我们就先简单的研究一下这个问题。,前言,微型计算机原理及应用,计算机组成原理与设计,从课程的整体要求的方面来看，计算机组成原理与设计在于研究计算机内部各个部件的微观功能和实现它们的逻辑组成与物理实现，主要针对各类计算机中的运算器、控制器的逻辑组成与实现进行研究，它涉及到计算机核心部件运算器、控制器的原理的掌握，当然，我们在学习过程中还涉及到其它的外

2、围电路如存储器、时序电路、一些必要的集成电路芯片等方面的知识。为了掌握计算机内数的运算、存储、传送等知识，我们还必须掌握机器数的各种表现形式，掌握各种数的编码方案，掌握字符的编码方案，掌握它们的校验技术等等。 在计算机组成原理与设计这门课程中，我们对运算器、控制器的研究是深入到其内部的，我们甚至研究了控制器中的微程序控制器（或硬连线控制器）.,微型计算机原理及应用,从课程的整体要求来看，在微型计算机原理及应用这门课程中，我们主要是以应用为目的来研究计算机的各个部分的。我们也研究运算器和控制器，但我们针对当前的主流微机研究它的CPU的总体功能。也就是说，我们不研究CPU内部各部件的原理，只研究C

3、PU能做什么，研究它内部各个逻辑部件的总体功能,以及研究CPU外围引脚的信号功能； 我们研究如何通过8086CPU的40个外部引脚联结存储器、联结各种各样的外部接口电路，进而实现CPU与外部世界的联系。 我们不研究指令系统的设计过程，更不研究微程序，我们只研究8086计算机系列提供的现成的指令系统，研究如何用这些指令系统来设计一系列的程序以解决我们要解决的一系列的问题。当然在这门课程中程序设计主要用于解决对外部接口电路的控制问题。,从我们使用的教材的具体章节安排来看，与我们以前学过的知识或是以后要开的课程有点重叠。 第一章、第二章的内容就是计算机组成原理中的东西， 第三章有一些内容与组成原理中

4、内容相重叠，但有些内容是组成原理教材中没有的，如存储器与8086CPU的连接。 第四章，研究英特尔80X80系列微处理器的功能，好多东西我们也已经学过了，如8086的指令系统，8086的寻址方式等，但这一章里有我们要重点掌握的8086CPU的引脚信号和功能，有比较难以理解的各种总线周期及其波形图，在这一章里，我们还要掌握用8086CPU和其它的一些必须的配件组成最简单的实用的计算机电路的知识。 第五章 就是汇编语言程序设计课程的压缩版，当然这里只能介绍汇编语言中的指令系统，介绍汇编语言程序设计的基本方法，而无法进行大量的程序设计实例的展开。,第六章输入/输出方式及其中断处理 第七章 常用输入/

5、 输出接口电路 这二章是本教材的核心内容，在这二章，将向同学们介绍： 8259A（中断控制器） 8255A（并行接口） 8253（定时/计时器） 8254 （定时/计时器） 8237A-5（DMA控制器）8250或8251（串行接口） 等接口芯片与CPU的连接方法，介绍这些芯片的功能和对它们的编程应用等。在这二章还将向同学们介绍各种类型的总线的应用技术和知识。另外我们将向同学们介绍A/D转换和D/A转换原理，介绍模拟信号的处理技术，学会使用模拟接口芯片DAC0832和ADC0809芯片的使用。,第八章 微型计算机系统 我们使用的教材向大家介绍目前常用的微型计算机的各种机型的配置和性能能指标，介

6、绍微机系统常用外围电路的接口技术，如键盘接口技术、CRT显示器原理、软盘/硬盘工作原理、计算机网络基本知识等。第八章与后面第九章按这本教材的安排属于自学的内容，但出于实验教学的考虑，我们会在这一章安排点时间进行键盘接口技术、LED显示器接口技术的讲解。 从微型计算机原理与应用这门课程的名称入手对本教材的内容进行划分，我们把整本书分成三个部分。 第一部分 微型计算机体系结构与基本概念（1、2、3章） 第二部分 80X86CPU的功能结构与编程原理（4、5章） 第三部分 微机数据输入/输出方法及常用接口电路应用 （6、7、8 章）,本课程的学习目的和应用方向 微机原理与接口技术或微机原理与应用是计

7、算机应用专业的核心课程，本课程的目的在于通过介绍微机的基本结构和工作原理，重点阐述微型计算机内部各部件之间的接口关系以及微机与外围设备的接口关系。通过本课程的学习，学生应能对常规微机系统及接口电路进行分析与设计。,接口技术在实际社会活动中的应用举例 一、对模拟量的采集转换计算与控制,恒温系统的电路设计与控制程序,L1： MOV AL，0 OUT 90H，AL CALL DELAY IN AL，70H MOV BL，AL MOV AL，0F6H SUB AL，BL OUT 80H， AL JMP L1,二、用常用接口技术对外部设备的控制 交通灯控制电路设计 自动化流水线控制电路 抢答器电路 数字

8、录音/放音技术 微机之间的串行通讯实验 电子琴电路设计（用DAC、8255、8253） 音阶 1 2 3 4 5 6 7 频率261.1 293.7 329.6 349.2 392.0 440.0 493.9,第四章 英特尔80X86系列微处理器,第一节 8086/8088微处理器,我们不研究CPU内部的组成逻辑和真实的物理实现，我们仅从汇编语言程序员的角度来研究8086/8088CPU内部的编程结构。 这里说明一点，8086CPU与8088CPU的功能结构差不多完全相同，唯一的不同点是，8086的数据总线为16位，而8088的数据总线为8位。也就是说，执行部件完全相同，总线接口部件数据的输入

9、/输出接口电路略有不同。,（一）总线接口部件BIU 四个十六位的段寄存器 CS DS SS ES 一个十六位的指令指针寄存器 IP （PC） 指令队列寄存器（六字节/4字节） 20位的地址加法器 输入/输出总线控制逻辑 用于与EU部件进行通讯联络的内部专用寄存器 总线接口部件的功能是： 担任CPU与存储器、外部接口之间的数据通讯工作。,总线接口部件的功能是： 担任CPU与存储器、外部接口之间的数据通讯工作。说得再明白一点就是负责从存储器读取指令码、负责从存储器或外设读取数据或向存储器或外设写入数据。其具休工作过程如下： （1）当指令队列中有二个字节或二个字节以上空闲时，自动到CS：IP所指出的

10、存储器单元中取出指令字节，直至指令队列填满，当然，必须在总线空闲时。 （2）每次从程序存储器中取出一个字节，顺序存放在指令队列中。（PC只能加一操作而不能一次进行加2操作） （3）当EU从指令队列中取走一个指令字节后，一般都马上进行补充。如果EU对某一指令码译码后，发现要操作的的数据在数据存储器或外设端口中时，BIU会按照EU给出的逻辑地址到存储器或外设读取数据，,（4）BIU从CPU外部取到数据送到CPU的内部总线，由EU进行处理。 （5）如果EU的处理结果需要写入存储器或外设，BIU会响应EU的请求，完成这一工作。,（二）执行部件EU 8086和8088CPU的EU部件完全相同。它们的结构

11、如下： 八个16位的通用寄存器AX，BX，CX，DX，BP，SP,SI，DI 一个16位的标志寄存器FR 一个16位算术逻辑运算单元 执行部件中的控制电路（硬连线控制器/微程序控制器） 执行部件的功能是： 由BIU部件的指令队列中取出指令码进行译码分析并执行之。,执行部件的功能是： 由BIU部件的指令队列中取出指令码进行译码分析并执行之。,其完成一条指令的具体执行过程如下： （1）从BIU的指令队列中取一个字节的指令码 （2）由指令译码器进行分析译码，确定要进行的具体操作，如本指令是无操作数指令，立即执行之； （3）如指令的执行需要操作数，则根据译码得到的寻址方式、操作数地址等信息要求BIU

12、部件取数据。 （4）将取来的数据经内部数据总线送ALU进行运算 （5）运算结果保存在ALU内部的通用寄存器或送CPU外部进行存储保存。 （6）运算操作后的有关状态保存在标志寄存器FR中,根据上面的分析，我们知道，BIU和EU是分工协作的，EU只负责执行指令，而BIU则负责取指令以及数据（操作数）的输入/输出操作。 对于8086/8088CPU它们的EU和BIU在大多数的情况下是可以并行工作的，这大大提高了CPU的运行速率。 从下一页中的图42我们可以看到，这种并行工作和我们计算机组成与设计课程中讲的RISC计算机的并行流水线还是有一定差别的。,EU与BIU的分工协作关系： EU只负责指令的执行

13、,它只能通过BIU得到指令码和数据, EU与BIU间的通讯是通16位的ALU数据总线和6位的队列总线实现的. 不管EU是否在执行指令, 只要指令队列没填满,而且BIU处于空闲状态 ，BIU总是会自动的按CS:IP的指示执行取指操作。（BIU的非空闲状态：BIU正在取指令码，BIU正在为ALU取数据或正在为ALU传送结果到存储器等） 当指令队列已填满，且EU没有向BIU发出总线请求，BIU进入空闲状态。 一般情况下，指令队列中总是至少有一个字节的指令码的，这样能够保证EU要执行的指令码总是已事先取好放在指令队列中，以保证CPU的高利用率。但有一个特例：当EU正在执行的一条指令码是一条非顺序执行指

14、令时，,即EU执行的是一条调用指令或转移指令等，指令队列中的指令码将被清空，再根据指令的转移目标开始指令预取周期，并利用并行工作机制尽量填满指令队列，从而实现转移及转移后的连续顺序执行。,（三）8086/8088CPU的寄存器结构,一、8086/8088CPU引脚信号与功能,为了适应不同的应用场合，有最大模式和最小模式之分。用下一页的图介绍最大与最小模式,8088的第28号引脚为IO/M极性与8086的相反,8086/8088CPU引脚功能介绍 （一）最小模式下的引脚信号及功能 1、电源（VCC）与地线（GND）（ 40、1、20号引脚共3条） 2、地址、数据、部分状态线 （共用去 20条）

15、3、专用的控制与联络信号线 （共用去 17条）,S4、S3 状态组合的作用（指示当前寻址所用的段寄存器）,0 0 使用ES 0 1 使用SS 0 使用CS 或未用任何段寄存器 1 1 使用 DS,复位时CPU内部相关寄存器的状态 IP=0000H CS=0FFFFH DS=0000H SS=0000H ES=0000H 指令队列寄存器中无指令码,*8088由于不使用高八位的数据线，所以不使用BHE信号线，改作它用（SS0）。8088的M/IO、DT/R、BHE 对应的总线操作如下：,(三)最大模式下的引脚信号及功能说明 S0、S1、S2 在MN/MX引脚接地时系统为最大模式，系统中为了能对主处

16、理器和从处理器进行协调控制，引入了8288总线控制器，它负责对CPU输出的总线周期状态信号S0、S1、S2进行解释译码，请参考P118的表4。,RQ0/GT0、RQ1/GT1 这是两对的总线请求/总线应答信号线（详细说明文字略） LOCK 总线封锁信号 当该信号为低电平时，不允许进行总线响应。 这个引脚信号是由LOCK指令前缀产生的。 如可使用： LOCK MOV AL，BL,QS1、QS0 指令队列状态信号，用于表示当前指令队列的状态，方便其它处理器监视CPU中指令队列中的队列状态情况。,(五) CPU子系统(P131) 仅仅一个INTER8086微处理器芯片，还不能构成可以应用的微机系统，

17、它必须和其它的一些芯片，再加上必要的一些输入输出设备，才可以构成一个可以实用的CPU子系统。INTER公司向我们提供了所有的这些配套芯片。 1、地址锁存与数据缓冲 为保证在对存储器或外设进行访问时地址信息的稳定，要求有一稳定的地址信息，CPU输出的地址信息必须用锁存器进行锁存。锁存信号ALE 由CPU提供。 需要锁存的地址信号线有20条， /BHE信号也要锁存，共有21条信号线要锁存，所以要三片的8288锁存器。,2、处于最小模式下的8086CPU子系统 使用8086CPU构成一个最小模式子系统，需要有以下的最基本的配套芯片： 1）8086CPU芯片 一片 2）8082(或74LS373)地址

18、锁存器三片 3）8286(或74LS245)数据总线收发器 二片 4）8284时钟发生器 一片 5）数据存储器芯片 若干片 6）必要的输入输出设备接口电路,8086的最小模式的典型配置,3、处于最大模式下的8086CPU子系统 所谓最大模式：即系统中除了8086这一个主CPU外，还存在其它可以控制总线的从CPU，如：8286/8287（浮点运算器），8089IOP（通道处理器）等，由于电路中有了多个的需要控制总线的设备，这就要有一个总线控制器， INTER公司提供的8288总线控制器，就是专为8086配套使用的芯片。 所以，当8086处于最大模式下，除了必须要有最小模式下的那些基本配置外，电路

19、中还必须要有一片8288总线控制器，总线控制器有的时候是要代替主CPU进行发号施令的。,8086CPU在最大模式下的典型配置,1.微处理器的时序概念 微处理器各个引脚上输出的信号是与时间有关的，在不同的时间段里微处理器同一引脚上输出的信号可能是不相同的，这些信号都受计算机中的一个时钟信号发生器发出的一个统一的时钟信号所控制。在这一时钟信号的控制下微处理器是一个节拍一个节拍的工作的。 从时序的角度考虑，微处理器在执行指令时有三种周期：时钟周期、总线周期、指令同期。,2) 总线周期：指的是微处理器读一次存储器或写一次存储器所要的时间，如读总线周期、写总线周期。通常一个总线周期由若干个时钟周期所组成。总线周期有时也称为机器周期 3) 指令周期：微处理器执行一条指令所需要的时间，通常指令周期由若干个总线周期所组成。由于微处理器的指令众多，每一条指令的复杂程度不同，所以所需的指令周期也不相同，我们不可以在这里针对不同的指令来讨论指令周期，实际上也没