微机原理 4章 总线周期和时序

1第4章处理器总线时序和系统总线4.1概述4.2处理器总线4.38086典型时序分析4.4其它总线简介24.1概述4.1.1指令周期、总线周期和T状态指令周期—执行一条指令所需的时间。不同指令的指令周期是不同的。例:最短指令:寄←寄,只需要2个时钟周期.最长指令:16位乘、除,约需200个时钟周期.3有些指令周期可划分为一个个总线周期。总线周期—每当CPU与存储器或I/O端口交换一个字节(或字、双字)数据所需的时间称之为一个总线周期。每个基本总线周期通常包含4个T状态,一个T状态就是一个时钟周期,是CPU处理动作的最小单位。4时钟频率一个T状态时间5M200ns(0.2μs)50M20ns(0.02μs)100M10ns(0.01μs)200M5ns(0.005μs)基本的总线周期有：⒈存储器的读周期或写周期⒉I/O端口的读周期或写周期⒊中断响应周期54.1.2学习时序的目的⒈了解和熟练掌握指令的执行过程，有利于在编程时合理选用指令，提高编程质量，少占存储空间，缩短指令执行时间。如编程时完成相同功能的程序，可选用不同的指令，但指令的长度和执行时间可以有很大的不同，所以优选指令有利于提高程序质量。例：MOVAX，0CLCXORAX,AX6下面举例了解一条指令的执行过程和所需时间例：ADDMASK[BX+DI],AX执行本指令需要几个总线周期？需要多少时钟周期？ADD寄存器到内存,访问内存次数：2所需的时钟周期数为：16(24)+EAEA为12个时钟周期.对8088而言,执行本指令需要36个时钟周期.2.实时控制的要求，当用微机实时监测、控制时，必须估算执行有关程序所需的时间，以便与测控过程相配合。73.了解时序配合，有利于选用芯片和使用芯片。例如选用存储芯片时，要注意和CPU的时序配合；又例在使用液晶芯片时，需编程产生图形，就需读懂液晶芯片的有关时序。如某液晶模块的列驱动器HD61202的读出时序如下：读写使能信号E读写选择信号R/W数据、指令选择信号D/I芯片选择信号CS数据DB7~DB0注：D/I=1为数据操作；D/I=0为写指令或读状态84.2处理器总线4.2.18086微处理器的工作模式最小模式：系统中只有一片8086,其存储容量不大,所要连的I/O端口也不多,总线控制逻辑电路被减到最小。最大模式：构成的系统较大,可能包含不只一片微处理器,或要求有较强的驱动能力,带有一个总线控制器8288。4.2.28086的引脚和功能9VCC8284RESDENDT/RCLKREADYRESETTOE82868282STBALE存储器I/O芯片RDWRM/IOOE地址数据8086CPUBHEBHE(3)(2)1021354687911101214131517161819203940383637353334323031292728262425232221A14GNDA13A11A12A10A8A9AD7AD5AD6AD4AD2AD3AD1NMIAD0INTRCLKGNDVCCMN/MXBHE/S7RDRQ/GT1(HLDA)RQ/GT0(HOLD)LOCK(WR)S1(DT/R)S2(M/IO)S0(DEN)QS1(INTA)QS0(ALE)TESTREADYRESETA15A17/S4A16/S3A18/S5A19/S6最大组态(最小组态)8086CPU11对应最小组态:M/IO本信号为高，表示CPU与内存进行数据交换为低，表示CPU与I/O进行数据交换DMA传送时，M/IO置为高阻WR低有效，表示处在存储器写或I/O写INTA中断响应信号，低电平有效ALE地址锁存允许信号，高电平有效,有效时将地址信号锁存到地址锁存嚣中12HOLD为总线保持请求信号HLDA为总线保持响应信号DT/R为数据发送/接收信号,为增加数据总线的驱动能力,采用数据总线收发器(8286/8287)DEN为数据允许信号,作为8286/8287的输出允许信号13对应最大组态:S2S1S0总线周期状态信号其编码如下S2S1S0性能000中断响应001读I/O010写I/O011暂停100取指令101读内存110写内存111无效状态14RQ/GT0总线请求输入/总线请求允许输出RQ/GT1总线请求/总线请求允许每一脚为双向,其中RQ/GT0的优先权高于RQ/GT1LOCK总线封锁信号,当其有效时,别的总线主设备不能占用总线QS1,QS0指令队列状态信号,意义如下:QS1QS000无操作01从指令队列中第一字节中取走代码10队列空11除第一个字节外,还取走了后续字节中的代码.15其它引脚：AD15～AD0地址/数据复用线A19/S6,A18/S5,A17/S4,A16/S3地址/状态复用线S6始终为低,表示CPU当前与总线相连S5是中断允许标志状态位,为1允许中断S4和S3指定那一个段寄存器正在被使用.S4S3含义00当前正在使用ES01当前正在使用SS10当前正在使用CS或未用11当前正在使用DS16NMI非屏蔽中断请求信号,边缘触发信号,不能由软件加以屏蔽。INTR可屏蔽中断请求信号,高电平有效,为电平触发信号。BHE/S7高8位数据总线允许/状态复用信号为0则AD15~AD8有效为1则AD7~AD0有效RESET复位信号,当其有效CPU结束当前操作,对DS,SS,ES,IP及标志寄存器清零,将CS置为FFFFH。于是CPU从FFFF0H开始执行程序,FFFF0H处放有一条JMP指令,转到系统程序入口处,进行初始化,引导到监控程序。17RD读信号,低有效,表示正在进行存储器或I/O读.TEST测试信号(输入),本信号与WAIT指令结合起耒使用,执行WAIT指令时,CPU等待,若TEST有效,结束等待,执行下面指令.READY准备就绪信号,一般由存储器或I/O端口送来,当其有效,可进行数据传送,一般在T3开始时去采样它,若为低,需插入等待状态Tw。184.2.3PC/XT总线总线上的信号除上面介绍过的外,还有:IORI/O读命令IOWI/0写命令MEMR存储器读命令MEMW存储器写命令IRQ2～IRQ7为中断请求信号,由外设送给中断控制器8259A的后6个引入总线。194.3最小模式下的8086时序4.3.18086的读周期时序T1T2T3T4CLKM/IOA19~A16/S6~S3AD15~AD0BHE/S7ALERDDT/RDEN高M低IOA19~A16S6~S3地址输出DATAIN20⒈T1后①M/IO变高表示存储器读,变低表示I/O读②给出地址,若存储器则给出20位地址,若为I/O端口,则给出低16位地址(高4位为低)③ALE变为有效高电平,将复用线上的地址锁存起来④DT/R变低,表示CPU读⑤BHE信号有效,表示高8位数据线上的数据有效214.3.18086的读周期时序T1T2T3T4CLKM/IOA19~A16/S6~S3AD15~AD0BHE/S7ALERDDT/RDEN高M低IOA19~A16S6~S3地址输出DATAIN22⒉T2状态下①A19/S6～A16/S3引脚输出状态信号S6～S3②AD15～AD0转为高阻③RD变低,允许读出④DEN变低,开放总线收发器8286,允许数据传送234.3.18086的读周期时序T1T2T3T4CLKM/IOA19~A16/S6~S3A15~A0ALERDDT/RDEN高M低IOA19~A16S6~S3DATAIN地址输出BHE/S7243.在T3状态,被选中的存储单元或I/O端口把数据送到数据总线,以备CPU来读取.经过译码找到指定的存储单元或I/O端口,经过一段延迟,指定单元内容出现在AD15～AD0上。4.CPU在T4下降沿采样数据线,获取数据254.3.18086的读周期时序T1T2T3T4CLKM/IOA19~A16/S6~S3A15~A0ALERDDT/RDEN高M低IOA19~A16S6~S3地址输出DATAINBHE/S7265.若到时数据出不来,可用一个产生READY信号的电路,使在T3和T4之间产生一个或几个Tw来解决时序配合27T1T2TWT4CLKM/IOA19~A16/S6~S3AD15~AD0ALERDDT/RDEN高M低IOA19~A16S6~S3地址输出DATAINT3WAITREADYREADY插入TW状态的存储器读周期284.3.28086的写周期时序8088的写周期时序CLKM/IOA19~A16/S6~S3AD15~AD0ALEWRDT/RDEN高M低IOA19~A16S6~S3地址输出T1T2T3T4DATAOUT29写周期亦由4个T状态组成,与读周期时序类似,不同点为:①当A15～A0被锁存后,在T2状态CPU要把写入的数据放至AD15～AD0上②因要写入在T2用WR来代替RD③DT/R应为高电平,表示发送同样当与CPU速度不配时,亦可插入Tw304.3.28086的写周期时序CLKM/IOA19~A16/S6~S3AD15~AD0ALEWRDT/RDEN高M低IOA19~A16S6~S3数据输出8088的写周期时序T1T2T3T4DATAOUT31初步了解了时序的一些基本概念后，再回过头来看一下前面提到过的液晶摸块中的HD61202的读出时序：读写使能信号E读写选择信号R/W数据、指令选择信号D/I芯片选择信号CS数据DB7~DB0注：D/I=1为数据操作；D/I=0为写指令或读状态324.4其它总线简介4.4.1总线概念所谓总线，就是在设备(或模块)与设备(或模块)之间传送信息的一组公用信号线，它是一条公用的信号通路。总线主要包括地址总线、数据总线和控制总线。总线的特点在于它的公用性，它允许多个设备与模块用总线来传输信息。但是两个设备或模块之间的专用信号连线，就不能称为总线。Intel系列微机系统的主要总线如下：334.4.2PC/XT总线XT总线是IBMPC/XT个人计算机采用的总线。XT总线有62根线。包括8位数据线、20位地址线、6级中断请求线、DMA通道控制线、动态RAM刷新控制线、时钟信号线和电源线等。4.4.3ISA总线ISA(IndustrialStandardArchitecture)总线是IBM公司为推出PC/AT微机而建立的系统总线标准，多数80286、80386、80486微机都采用这种总线.34ISA总线是在原PC/XT总线的基础上，再扩充36线，ISA总线与PC/XT总线兼容，以适应8/16位总线要求，支持16M存储空间。4.4.4PCI总线PCI(PeripheralComponentInterconnect)总线性能优良，可同时支持多组外设，又不受制于微处理器，并且兼容ISA、EISA等总线，与它们共存于PC系统中，它的规范确保了“即插即用”的实现，极大的方便了用户，从而得到广泛的应用,成为总线的主流。35PCI总线的时钟为33MHz，与CPU时钟无关。它的总线宽度为32位，支持8位、16位、32位操作。速度快，是ISA的10倍以上。4.4.5USB总线随着PC机的普及，计算机的外部设备也越来越多。但是由于主板上所能提供的外部接口比较少，一般只有一个并口和两个串口，所能连接的设备十分有限，而且拔插设备的时候要关机，传输速度也很慢，在要求高传输率的场合无法满足要求.于是36INTEL等七家公司为简化PC与外设之间的互连，而共同开发了一种通用串行总线USB(UniversalSerialBus)，这是一种快速的、双向的、同步传输的、廉价的并可进行热插拔的串行接口，支持各种PC与外设之间的连接。当前大部分PC机至少提供2个USB接口，适用于传输大容量数据，例数码相机、数字摄像机等。传输速度从1.5MB到48MB/S，但传输距离短，约5米之内。