微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴

1、第2章微處理器與總線1微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴主要內容：微處理器的一般構成及工作原理；8088微處理器的特點、引線及結構；總線的一般概念；*80386微處理器的特點及結構；*Pentium 4微處理器中的新技術。2微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴2.1 微型機概述3微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴了解：微處理器的功能；微處理器的基本組成。4微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴微處理器的功能是計算機系統的核心根據指令實現各種相應的運算實現數據的暫存實現與存儲器和接口的信息通信 .5微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴微處理器的一般構成運算器控制器內部寄存器

2、組6微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴2.2 8088微處理器7微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴主要內容：8088/8086CPU的特點8088CPU外部引線及功能；8088CPU的內部結構和特點；各內部寄存器的功能；8088的工作時序。8微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴一、8088/8086CPU的特點了解：程序與指令指令執(zhí)行的一般過程指令的串行執(zhí)行與并行流水線執(zhí)行8088/8086CPU的主要特點9微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴1. 程序和指令程序：具有一定功能的指令的有序集合指令：由人向計算機發(fā)出的、能夠為計算機所識別的命令。10微型計算機原理與接口技術(

3、第二版)馮博琴2. 指令執(zhí)行的一般過程 取指令 指令譯碼 讀取操作數 執(zhí)行指令 存放結果11微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴3. 串行和并行方式的指令流水線串行工作方式： 控制器和運算器交替工作，按順序完成 上述指令執(zhí)行過程。并行工作方式： 運算器和控制器可同時工作。12微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴串行工作方式8088以前的CPU采用串行工作方式：取指令1執(zhí)行指令1分析指令1CPUBUS忙碌忙碌取指令2執(zhí)行指令2分析指令213微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴并行工作方式8088CPU采用并行工作方式BIU EU取指令1執(zhí)行指令1分析指令1CPU取指令2執(zhí)行指令2分析

4、指令2取指令2執(zhí)行指令2分析指令2忙碌忙碌忙碌忙碌忙碌14微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴4. 8088/8086 CPU的特點采用并行流水線工作方式 通過設置指令預取隊列實現對內存空間實行分段管理 將內存分為4個段并設置地址段寄存器，以實 現對1MB空間的尋址支持多處理器系統CPU內部結構存儲器尋址部分工作模式15微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴8088CPU的兩種工作模式8088可工作于兩種模式下 最小模式 最大模式最小模式為單處理器模式，控制信號較少，一般可不必接總線控制器。最大模式為多處理器模式，控制信號較多，須通過總線控制器與總線相連。16微型計算機原理與接口技術(第

5、二版)馮博琴注意下列幾點：8086的數據線和地址線是復用的，8086可用高8位傳送1字節(jié)，也可用低8位傳送1個字節(jié)，還可一次傳送1個字RESET是系統復位信號17微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴兩種工作模式的選擇方式8088是工作在最小還是最大模式由MN/MX端狀態(tài)決定。MN/MX=0工作于最大模式，反之工作于最小模式18微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴二、8088CPU的引線及功能引腳定義的方法可大致分為：每個引腳只傳送一種信息（RD等）；引腳電平的高低不同的信號（IO/M等）；CPU工作于不同方式有不同的名稱和定義（WR/LOCK 等）；分時復用引腳（AD7AD0 等） ；

6、引腳的輸入和輸出分別傳送不同的信息（RQ/GT）19微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴主要引線（最小模式下）地址線和數據線：AD7-AD0：低8位地址和數據信號分時復用。在傳送地址信號時為單向，傳送數據信號時為雙向。A19-A16：高4位地址信號，分時復用。A15-A8 ：輸出8位地址信號。20微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴主要的控制和狀態(tài)信號WR： 寫信號；RD： 讀信號；IO/M：為“0”表示訪問內存， 為“1”表示訪問接口；DEN： 低電平有效時，允許進行讀/寫操作；RESET：復位信號。21微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴例：當WR=1，RD=0，IO/M=0時

7、， 表示CPU當前正在進行讀存儲器操作22微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴READY信號23微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴中斷請求和響應信號INTR：可屏蔽中斷請求輸入端NMI：非屏蔽中斷請求輸入端INTA：中斷響應輸出端24微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴總線保持信號HOLD：總線保持請求信號輸入端。當CPU 以外的其他設備要求占用總線時， 通過該引腳向CPU發(fā)出請求。HLDA：總線保持響應信號輸出端。CPU對 HOLD信號的響應信號。25微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴26微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴三、8088CPU的內部結構8088內部由兩

8、部分組成： 執(zhí)行單元（EU） 總線接口單元（BIU）27微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴執(zhí)行單元包括 運算器 8個通用寄存器 1個標志寄存器 EU部分控制電路教材第46頁圖2-6圖28微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴執(zhí)行單元功能指令譯碼指令執(zhí)行暫存中間運算結果保存運算結果特征指令的執(zhí)行在標志寄存器FLAGS中在ALU中完成在通用寄存器中29微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴總線接口單元功能：從內存中取指令到指令預取隊列負責與內存或輸入/輸出接口之間的數據傳送在執(zhí)行轉移程序時，BIU使指令預取隊列復位，從指定的新地址取指令，并立即傳給執(zhí)行單元執(zhí)行。30微型計算機原理與接口技

9、術(第二版)馮博琴結論指令預取隊列的存在使EU和BIU兩個部分可同時進行工作，從而提高了CPU的效率；降低了對存儲器存取速度的要求31微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴8088的內部寄存器含14個16位寄存器，按功能可分為三類 8個通用寄存器 4個段寄存器 2個控制寄存器深入理解：每個寄存器中數據的含義32微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴通用寄存器 數據寄存器（AX，BX，CX，DX） 地址指針寄存器（SP，BP） 變址寄存器（SI，DI）33微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴數據寄存器8088含4個16位數據寄存器，它們又可分為8個8位寄存器，即：AXBXCXDXAH，A

10、LCH，CLBH，BLDH，DL34微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴數據寄存器特有的習慣用法AX：累加器。所有I/O指令都通過AX與接口傳送 信息，中間運算結果也多放于AX中；BX：基址寄存器。在間接尋址中用于存放基地址；CX：計數寄存器。用于在循環(huán)或串操作指令 中存放計數值；DX：數據寄存器。在間接尋址的I/O指令中存放 I/O端口地址；在32位乘除法運算時，存放 高16位數。35微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴地址指針寄存器SP：堆棧指針寄存器，其內容為棧頂的 偏移地址；BP：基址指針寄存器，常用于在訪問內 存時存放內存單元的偏移地址。36微型計算機原理與接口技術(第二版)

11、馮博琴BX與BP在應用上的區(qū)別作為通用寄存器，二者均可用于存放數據；作為基址寄存器，用BX表示所尋找的數據在數據段；用BP則表示數據在堆棧段。37微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴變址寄存器SI：源變址寄存器DI：目標變址寄存器變址寄存器常用于指令的間接尋址或變址尋址。特別是在串操作指令中，用SI存放源操作數的偏移地址，而用DI存放目標操作數的偏移地址。38微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴段寄存器 用于存放相應邏輯段的段基地址 CS：代碼段寄存器。代碼段存放指令代碼 DS：數據段寄存器 ES：附加段寄存器 SS：堆棧段寄存器：指示堆棧區(qū)域的位置存放操作數39微型計算機原理與接口技

12、術(第二版)馮博琴控制寄存器IP：指令指針寄存器，其內容為下一條要執(zhí)行 指令的偏移地址FLAGS：標志寄存器，存放運算結果的特征 6個狀態(tài)標志位（CF，SF，AF，PF，OF，ZF） 3個控制標志位（IF，TF，DF）40微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴四、存儲器尋址段基地址（16位） 310150 0 0 0段基地址（16位）段首地址 1904 段首的偏移地址：0000H41微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴物理地址段基地址 =6000H段首地址偏移地址物理地址數據段60009H00H12H60000H0009H42微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴四、存儲器尋址物理地址

13、由段基地址和偏移地址組成物理地址=段基地址16+偏移地址0 0 0 0段首地址 1904 偏移地址+物理地址43微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴例：已知 CS=1055H， DS=250AH ES=2EF0H SS=8FF0H 某操作數偏移地址=0204H，畫出各段在內存中的分布、段首地址及操作數的物理地址。44微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴例題解答設操作數在數據段，則操作數的物理地址為：250AH 16+0204H = 252A4H10550H250A0H2EF00H8FF00HCSDSESSS 45微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴堆棧及堆棧段的使用堆棧：內存中一個

14、特殊區(qū)域，用于存放暫時不用或需要保護的數據。常用于響應中斷或子程序調用。46微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴例：若已知（SS）=1000H （SP）=0100H則堆棧段的段首地址 = ？棧頂地址=？若該段最后一個單元 地址為10200H，則棧底=？段首棧底棧頂堆棧區(qū)47微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴五、時序時序的概念：CPU各引腳信號在時間上的關系總線周期：CPU完成一次訪問內存（或接口） 操作所需要的時間。一個總線周期 至少包括4個時鐘周期。48微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴微處理器的一般工作過程一個程序工作例（求解5+8）取指令1取操作數1取指令2執(zhí)行指令249

15、微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴2.5 系統總線50微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴主要內容：總線的基本概念和分類；總線的工作方式；常用系統總線標準。51微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴一、概述總線： 是一組導線和相關的控制、驅動電路的集合。是計算機系統各部件之間傳輸地址、數據和控制信息的通道。地址總線（AB）數據總線（DB）控制總線（CB）52微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴總線分類CPU總線系統總線外部總線片內總線片外總線按相對CPU的位置分按層次結構分內部總線：CPU內部連接各寄存器及運算部件之間的總線。系統總線：CPU同計算機系統的其他高速功能部件，如存

16、儲器、通道等互相連接的總線。I/O總線：中、低速I/O設備之間互相連接的總線。53微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴二、總線的系統結構單總線結構 在許多單處理器的計算機中，使用一條單一的系統總線來連接CPU、主存和I/O設備，叫做單總線結構。如圖所示： 此時要求連接到總線上的邏輯部件必須高速運行，以便在某些設備需要使用總線時能迅速獲得總線控制權；而當不再使用總線時，能迅速放棄總線控制權。54微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴多總線結構 2.雙總線結構這種結構保持了單總線系統簡單、易于擴充的優(yōu)點，但又在CPU和主存之間專門設置了一組高速的存儲總線，使CPU可通過專用總線與存儲器交換信

17、息，并減輕了系統總線的負擔，同時主存仍可通過系統總線與外設之間實現DMA操作，而不必經過CPU。當然這種雙總線系統以增加硬件為代價。如圖所示：55微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴面向CPU的雙總線結構存儲器與I/O接口間無直接通道CPU M I/O I/O I/O56微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴面向存儲器的雙總線結構在單總線結構基礎上增加一條CPU到存儲器的高速總線CPU M I/O I/O I/O57微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴3.三總線結構 它是在雙總線系統的基礎上增加I/O總線形成的。 在DMA方式中，外設與存儲器間直接交換數據而不經過CPU，從而減輕了C

18、PU對數據輸入輸出的控制，而“通道”方式進一步提高了CPU的效率。通道實際上是一臺具有特殊功能的處理器，又稱為IOP(I/O處理器),它分擔了一部分CPU的功能，以實現對外設的統一管理及外設與主存之間的數據傳送。顯然，由于增加了IOP，使整個系統的效率大大提高。然而這是以增加更多的硬件代價換來的。58微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴總線操作特點：任意時刻，總線上只能有一對設備進行信息交換。（分時）總線周期微處理器通過外部總線對存儲器或I/O端口進行一次讀/寫操作的過程。一個總線周期內做的操作：總線請求總線仲裁尋址數據傳送59微型計算機原理與接口技術(第二版)馮博琴總線性能指標 總線的帶寬總線本身所能達到的最高傳輸速率，是衡量總線性能的重要指標，單位兆字節(jié)每秒(MB/s)?！纠?】(1)某總線在一個總線周期中并行傳送4個字節(jié)的數據，假設一個總線周期等于一個總線時鐘周期，總線時鐘頻率為33MHz，則總線帶寬是多少? (2)如果一個總線周期中并行傳送64位數據，總線時鐘頻率升為66MHz，則總線帶寬是多少?解 (1)設總線帶寬用Dr表示，總線時鐘周期用T=1/f表示，一個總線周期傳送的數據量用D表示， 根據定義可得 Dr = D/T = D1/T = Df =