微机原理及接口技术 第2章 微型计算机概述

第2章微型计算机概述2.1微型计算机的基本结构2.28088(8086)CPU2.3系统总线的形成第2章微型计算机概述第2章微型计算机概述2.1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1.硬件系统微型计算机硬件系统如图2.1所示。第2章微型计算机概述图2.1微型计算机的硬件结构第2章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)CPUCPU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)内存顾名思义，所谓内存就是指微型计算机内部的存贮器。第2章微型计算机概述(3)系统总线所谓总线就是用来传送信息的一组通信线。由图2.1可以看到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。第2章微型计算机概述2.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。第2章微型计算机概述(2)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。第2章微型计算机概述2.1.2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。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：7→ALAL+10→AL第2章微型计算机概述其含义就是把7这个数送到AL里面，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：1011000000000111第一条指令0000010000001010第二条指令11110100第三条指令第2章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：MOVAL，7ADDAL，10HLT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2章微型计算机概述2.28088(8086)CPU2.2.1概述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2章微型计算机概述图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2章微型计算机概述2.2.28088CPU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。第2章微型计算机概述图2.38088处理器芯片引线图第2章微型计算机概述1.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：A16~A19/S3~S6:这是4条时间复用、三态输出的引线。表2.1S4,S3的状态编码S4S3所代表段寄存器00数据段寄存器01堆栈段寄存器10代码段寄存器或不使用11附加段寄存器第2章微型计算机概述A8~A15: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A8~A15。在某种特殊情况下，这些引线也可以处于高阻状态。AD0~AD7：它们是地址、数据时分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。: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。/IOMWR第2章微型计算机概述: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。ALE：三态输出控制信号，高电平有效。：它是读选通输出信号(三态)，低电平有效。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。：它是可用WAIT指令对该引脚进行测试的输入信号，低电平有效。NMI：它是非屏蔽中断输入信号，边沿触发，正跳变有效。/DTRDENRDTEST第2章微型计算机概述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。HOLD：它是高电平有效的输入信号，用于向CPU提出保持请求。: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。INTASSO第2章微型计算机概述表2.2复位后的内部寄存器状态第2章微型计算机概述表2.3复位后各引脚的状态第2章微型计算机概述表2.4状态编码/./.IOMDTRSSO第2章微型计算机概述2.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。/MNMX210..SSS/0./1RQGTRQGTLOCK第2章微型计算机概述表2.5的状态编码2~oSS第2章微型计算机概述表2.6QS1,QS0的状态编码第2章微型计算机概述2.2.38088CPU的内部结构1.8088CPU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)，如图2.4所示。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址的计算。第2章微型计算机概述图2.48088微处理器的内部结构第2章微型计算机概述第2章微型计算机概述第2章微型计算机概述第2章微型计算机概述2.8088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，其结构如图2.5所示。(1)数据寄存器(2)指针寄存器(3)变址寄存器(4)控制寄存器·C——进位标志位。·P——奇偶标志位。·A——半加标志位。第2章微型计算机概述·Z——零标志位。·S——符号标志位。·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。·O——溢出标志位。(5)段寄存器第2章微型计算机概述2.2.4存贮器寻址1.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=CS×16+IP=FFFF0H+0000H==FFFF0H;第2章微型计算机概述图2.7物理地址的形成第2章微型计算机概述图2.8各段寄存器的使用情况第2章微型计算机概述2.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2章微型计算机概述第2章微型计算机概述下面对表2.8中的内容做简要说明如下：①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。②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。③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2章微型计算机概述2.2.5时序在8088CPU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。8088的读总线周期和写总线周期分别表示在图2.9和图2.10中。第2章微型计算机概述图2.98088的读总线周期第2章微型计算机概述图2.108088的写总线周期第2章微型计算机概述2.3系统总线的形成2.3.1几种常用的芯片1.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2.11所示。第2章微型计算机概述2.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。其引线如图2.12所示。从图2.12可以看到，两个控制端分别控制4个三态门。当其控制端加上低电平时，相应的4个三态门导通；加高电平时，三态门呈高阻状态。第2章微型计算机概述3.双向三态门驱动器对于数据总线，可采用双向驱动器。在构成系统总线时，常用8286和8287。两者除8286是正相的，8287是反相的外，其他的完全相同。8286的框图如图2.13所示。第2章微型计算机概述图2.11具有三态输出的锁存器第2章微型计算机概述图2.12单向三态门74LS244第2章微型计算机概述图2.13双向三态门驱动器第2章微型计算机概述2.3.2最小模式下的系统总线形成最小模式下，系统总线形成如图2.14所示。这里说明两点：①系统总线的控制信号是8088CPU直接产生的。若8088CPU驱动能力不够，可以加上74LS244进行驱动。②现在形成的系统总线上不能进行DMA传送，因为未对系统总线形成器件(8282、8286)做进一步控制。若需要时，可参阅本节后面的内容，当然也可以考虑用HLDA来参与控制。第2章微型计算机概述图2.148088最小模式下总线形成第2章微型计算机概述2.3.3最大模式下的系统总线的形成在图2.15中，8282和8286可分别用74LS373和74LS245代替。在此图中同样没有考虑在系统总线上实现DMA传送的问题。下面提到的在PC/XT系统总线上所采用的DMA传送方法是一种解决方案。总的原则就是，在进行DMA传送时，一定要保证总线形成电路的所有输出信号端都呈现高阻状态，即放弃对系统总线的控制。第2章微型计算机概述图2.158088最大模式下总线形成第2章微型计算机概述2.3.4PC/XT微型机总线的形成PC/XT微型机选用8088CPU。它同样工作在最大模式之下。但是，与图2.15不同的是，在PC/XT系统总线上，可以实现DMA传送。PC/XT微型机系统总线的形成如图2.16所示。第2章微型计算机概述图2.16PC/XT微型机系统总线形成