簡(jiǎn)介微型計(jì)算機(jī)概述教學(xué)教案

2.0微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展2.1微型計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)2.28088(8086)CPU2.3系統(tǒng)總線的形成

第2章微型計(jì)算機(jī)概述微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展

2.0計(jì)算機(jī)的發(fā)展按照性能價(jià)格體積的不同分為巨型機(jī)大型機(jī)中型機(jī)小型機(jī)微型機(jī)單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展(upmpCPU)第一代1971~197340048008第二代1973~197580806800第三代1975~1984Z808085 8086 8088第四代1984~現(xiàn)在80286803868048680586(Pentium)微型計(jì)算機(jī)的特點(diǎn):功能強(qiáng)可靠性高價(jià)格低適應(yīng)性強(qiáng)周期短體積小重量輕耗電省維護(hù)方便圖2.1微型計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)微型計(jì)算機(jī)主要由如下幾個(gè)部分組成：微處理器或稱中央處理單元(CPU)、內(nèi)部存貯器(簡(jiǎn)稱內(nèi)存)、輸入輸出接口(簡(jiǎn)稱接口)及系統(tǒng)總線。(1)CPUCPU是一個(gè)復(fù)雜的電子邏輯元件，它包含了早期計(jì)算機(jī)中的運(yùn)算器、控制器及其他功能，能進(jìn)行算術(shù)、邏輯及控制操作。是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心部件，具有以下功能：1.進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算；2.具有接收存儲(chǔ)器和I/O接口來的數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)給存儲(chǔ)器和I/O接口的能力；3.可以暫存少量數(shù)據(jù)；4.能對(duì)指令進(jìn)行寄存、譯碼并執(zhí)行所規(guī)定的操作；5.提供整個(gè)系統(tǒng)所需要的定時(shí)和控制信號(hào)；6.可響應(yīng)I/O設(shè)備的中斷請(qǐng)求。

(2)內(nèi)存顧名思義，所謂內(nèi)存就是指微型計(jì)算機(jī)內(nèi)部的存貯器。它直接連接在系統(tǒng)總線上，用來存放要執(zhí)行的程序及數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的讀出與寫入。地址：存儲(chǔ)器由許多單元組成，為區(qū)分各個(gè)存儲(chǔ)單元，就給每個(gè)存儲(chǔ)單元編上號(hào)碼，存儲(chǔ)單元的號(hào)碼就稱為地址。一般用十六進(jìn)制數(shù)表示。內(nèi)容：每個(gè)存儲(chǔ)單元中存放的8位二進(jìn)制。注意：地址與內(nèi)容的區(qū)別

(3)系統(tǒng)總線所謂總線就是用來傳送信息的一組通信線。由圖2.1可以看到系統(tǒng)總線將構(gòu)成微型機(jī)的各個(gè)部件連接到一起，實(shí)現(xiàn)了微型機(jī)內(nèi)部各部件間的信息交換。稱這種總線為內(nèi)總線。包括地址、數(shù)據(jù)、控制總線三類。微型機(jī)外部與其他外設(shè)和計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信的連接線稱為外總線。(4)接口：微型計(jì)算機(jī)廣泛地應(yīng)用于各個(gè)部門和領(lǐng)域，所連接的外部設(shè)備是各式各樣的。為了使計(jì)算機(jī)與外設(shè)能夠聯(lián)系在一起，相互匹配有條不紊地工作，就需要在計(jì)算機(jī)與外設(shè)間接一個(gè)中間部件，使計(jì)算機(jī)正常工作，該部件就叫做輸入輸出接口。2.軟件系統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)要正常工作，必須軟硬件相結(jié)合。微型計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類。(1)系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件用來對(duì)構(gòu)成微型計(jì)算機(jī)的各部分硬件，如CPU、內(nèi)存、各種外設(shè)進(jìn)行管理和協(xié)調(diào)，使它們有條不紊高效率地工作。同時(shí)為其它程序的開發(fā)、調(diào)試、運(yùn)行提供一個(gè)良好的環(huán)境。它包括操作系統(tǒng)和在操作系統(tǒng)平臺(tái)下運(yùn)行的各種高級(jí)語言、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、工具軟件及匯編語言等。在操作系統(tǒng)支持下，用戶可以開發(fā)應(yīng)用軟件。(2)應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件是針對(duì)不同應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)用戶要求的功能軟件，例如，Internet網(wǎng)點(diǎn)上的Web頁、各部門的MIS程序、CIMS中的應(yīng)用軟件以及生產(chǎn)過程中的監(jiān)測(cè)控制程序等等。應(yīng)用程序由用戶編寫，根據(jù)微型機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的資源情況來選擇用高級(jí)語言或匯編語言。2.1.2微型計(jì)算機(jī)的工作過程微型機(jī)為完成某種任務(wù)，常將任務(wù)分解成一系列的基本動(dòng)作逐一完成。CPU進(jìn)行簡(jiǎn)單的算術(shù)運(yùn)算或邏輯運(yùn)算，或從存貯器取數(shù)，將數(shù)據(jù)存放于存貯器，或由接口取數(shù)或向接口送數(shù)，這些都是一些基本動(dòng)作，也稱為CPU的操作。例如用微型計(jì)算機(jī)求解“7+10=?”這樣一個(gè)極為簡(jiǎn)單的問題，必須利用指令告訴計(jì)算機(jī)該做的每一個(gè)步驟，先做什么，后做什么。具體步驟就是：7→ALAL+10→AL其含義就是把7這個(gè)數(shù)送到AL里面，然后將AL中的7和10相加，把要獲得的結(jié)果存放在AL里。把它們變成計(jì)算機(jī)能夠直接識(shí)別并執(zhí)行的程序如下：1011000000000111第一條指令0000010000001010第二條指令11110100第三條指令這種用二進(jìn)制編碼表示的、CPU能直接識(shí)別并執(zhí)行的指令稱為機(jī)器語言。顯然它不易記憶、不直觀、易出錯(cuò)。

利用助記符加上操作數(shù)來表示指令就方便得多了。上面的程序可寫成：MOVAL，7ADDAL，10HLT程序中第一條指令將7放在AL中；第二條指令將AL中7加上10并將相加之和放在AL中；第三條指令是停機(jī)指令。當(dāng)順序執(zhí)行完上述指令時(shí)，AL中就存放著要求的結(jié)果。

2.28088(8086)CPU

2.2.1概述目前，16位微處理器有很多產(chǎn)品，如：M68000,Z8000,8086/8088,80286等，考慮到IBM-PC機(jī)較普及，重點(diǎn)介紹8088。8086與8088的區(qū)別在于前者為16條數(shù)據(jù)線，后者為8條數(shù)據(jù)線，程序可移植。8088是8080和8085的改進(jìn)型，像8080和8085一樣，它的指令是以字節(jié)為基礎(chǔ)構(gòu)成的，它的性能的提高，主要依賴于采取了以下一些特殊措施。1.建立4字節(jié)的指令預(yù)取隊(duì)列，使取指和執(zhí)行并行進(jìn)行。2.設(shè)立地址段寄存器，擴(kuò)大CPU尋址范圍。3.在結(jié)構(gòu)上和指令設(shè)置方面支持多微處理器系統(tǒng)，提高處理能力。圖2.2一般8位處理器與8088處理器指令執(zhí)行過程對(duì)比(a)一般8位處理器的指令執(zhí)行過程；(b)8088處理器的指令執(zhí)行過程2.2.28088CPU引線及其功能8088CPU是一塊具有40條引出線的集成電路芯片，其各引出線的定義如圖2.3所示。為了減少芯片的引線，有許多引線具有雙重定義和功能，采用分時(shí)復(fù)用方式工作，即在不同時(shí)刻，這些引線上的信號(hào)是不相同的。用MN//MX引線決定CPU工作模式，等于1時(shí)為最小模式：只有8088CPU，系統(tǒng)總線由CPU的引線形成；等于0時(shí)為最大模式，微型機(jī)除了8088CPU外，還有其它的CPU，如8087；總線由CPU引線和總線控制器8288共同形成。圖2.38088處理器芯片引線圖1.最小模式下的引線在最小模式下，8088CPU的引線如圖2.3所示(不包括括號(hào)內(nèi)的信號(hào))。它們是：A16~A19/S3~S6:這是4條時(shí)間復(fù)用、三態(tài)輸出的引線。當(dāng)用作S3~S6時(shí)，S6始終為低，S5指示狀態(tài)寄存器中的中斷允許標(biāo)志的狀態(tài)，在每個(gè)時(shí)鐘周期開始時(shí)被更新；S4和S3用來指示現(xiàn)在正使用的段寄存器。I/O操作時(shí)，僅使用16位地址，故在送地址時(shí)，4條線輸出為低；在復(fù)位或DMA操作時(shí)，它們出于高阻、浮空、三態(tài)。表2.1S4,S3的狀態(tài)編碼S4S3所代表段寄存器00數(shù)據(jù)段寄存器01堆棧段寄存器10代碼段寄存器或不使用11附加段寄存器A8~A15:它們是三態(tài)輸出引線。在CPU尋址內(nèi)存或接口時(shí)，由這些引線送出地址A8~A15。在某種特殊情況下，這些引線也可以處于高阻狀態(tài)。AD0~AD7:它們是地址、數(shù)據(jù)時(shí)分復(fù)用的輸入輸出信號(hào)線。其信號(hào)是經(jīng)三態(tài)門輸出的。:它是CPU的輸出(三態(tài))控制信號(hào)，用來區(qū)分當(dāng)前操作是訪問存貯器還是訪問I/O端口。為0時(shí)訪問存儲(chǔ)器，為1時(shí)訪問I/O端口。:它是CPU的輸出控制信號(hào)(三態(tài))。該引腳輸出為低電平時(shí)，表示CPU正處于寫存貯器或?qū)慖/O端口的狀態(tài)。:該引腳是CPU的輸出控制信號(hào)(三態(tài))，用于確定數(shù)據(jù)傳送的方向。高電平為發(fā)送；低電平為接收。:這是CPU經(jīng)三態(tài)門輸出的控制信號(hào)。判斷數(shù)據(jù)總線上是否有有效數(shù)據(jù)。ALE:三態(tài)輸出控制信號(hào)，高電平有效。地址鎖存信號(hào)。:它是讀選通輸出信號(hào)(三態(tài))，低電平有效。READY:它是準(zhǔn)備就緒輸入信號(hào)，高電平有效。INTR:它是可屏蔽中斷請(qǐng)求輸入信號(hào)，高電平有效。:它是可用WAIT指令對(duì)該引腳進(jìn)行測(cè)試的輸入信號(hào)，低電平有效。NMI:它是非屏蔽中斷輸入信號(hào)，邊沿觸發(fā)，正跳變有效。RESET:它是CPU的復(fù)位輸入信號(hào)，高電平有效。:它是CPU輸出的中斷響應(yīng)信號(hào)，是CPU對(duì)外部輸入的INTR中斷請(qǐng)求信號(hào)的響應(yīng)，送出2個(gè)負(fù)脈沖。HOLD:它是高電平有效的輸入信號(hào)，用于向CPU提出保持請(qǐng)求。HLDA:它是CPU對(duì)HOLD請(qǐng)求的響應(yīng)信號(hào)，高電平有效。:是一條狀態(tài)輸出線。見表2.4。CLK:這個(gè)是時(shí)鐘信號(hào)輸入端。標(biāo)準(zhǔn)為5MHz。VCC:它是5V電源輸入引腳。GND:它是接地端。表2.2復(fù)位后的內(nèi)部寄存器狀態(tài)表2.3復(fù)位后各引腳的狀態(tài)表2.4狀態(tài)編碼2.最大模式下的引線當(dāng)加上低電平時(shí)，8088CPU工作在最大模式之下。此時(shí)，除引線24到34之外，其他引線與最小模式完全相同。:這是最大模式下由8088CPU經(jīng)三態(tài)門輸出的狀態(tài)信號(hào)。見表2.5:它們是總線請(qǐng)求允許引腳。:它是一個(gè)總線封鎖信號(hào)，低電平有效。QS1、QS0：它是CPU輸出的隊(duì)列狀態(tài)信號(hào)。見表2.6HIGH：在最大模式時(shí)始終為高電平輸出。表2.5的狀態(tài)編碼表2.6QS1,QS0的狀態(tài)編碼2.2.38088CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.8088CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)8088微處理器內(nèi)部分為兩個(gè)部分：執(zhí)行單元(EU)和總線接口單元(BIU)，如圖2.4所示。EU單元負(fù)責(zé)指令的執(zhí)行。它包括ALU(運(yùn)算器)、通用寄存器和狀態(tài)寄存器等，主要進(jìn)行16位的各種運(yùn)算及有效地址的計(jì)算。BIU單元負(fù)責(zé)與存儲(chǔ)器和I/O設(shè)備的接口。它由段寄存器、指令指針、地址加法器和指令隊(duì)列緩沖器組成。地址加法器將段和偏移地址相加，生成20位物理地址。圖2.48088微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.8088處理器中的內(nèi)部寄存器在8088處理器中，用戶能用指令改變其內(nèi)容的，主要是一組內(nèi)部寄存器，其結(jié)構(gòu)如圖2.5所示。(1)數(shù)據(jù)寄存器:AX,BX,CX,DX(2)指針寄存器:SP,BP(3)變址寄存器:SI,DI(4)控制寄存器:IP,PSW·C——進(jìn)位標(biāo)志位。·P——奇偶標(biāo)志位?！——半加標(biāo)志位?！——零標(biāo)志位?！——符號(hào)標(biāo)志位?！——陷阱標(biāo)志位(單步標(biāo)志位)?！——中斷允許標(biāo)志位。·D——方向標(biāo)志位?！——溢出標(biāo)志位。(5)段寄存器:CS,DS,SS,ES舉例：78H+25H=9DH;1FH+25H=44H78H011110001FH00011111+5AH01011010+25H00100101

9DH1101001044H01000100AF,PF,CF,ZF,SF,OF2.2.4存貯器尋址1.由段寄存器、段偏移地址確定物理地址如圖2.7所示，20位的物理地址是這樣產(chǎn)生的：物理地址=段寄存器的內(nèi)容×16+偏移地址表2.2中已經(jīng)表明，復(fù)位時(shí)CS的內(nèi)容為FFFFH，IP的內(nèi)容為0000H。復(fù)位后的啟動(dòng)地址由CS段寄存器和IP的內(nèi)容(作為偏移量)共同決定，即：?jiǎn)?dòng)地址=CS×16+IP=FFFF0H+0000H==FFFF0H;圖2.7物理地址的形成例1：有一塊120個(gè)字的存儲(chǔ)區(qū)域，其起始地址為625A:234D，寫出這個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域首末單元的物理地址。解：存儲(chǔ)區(qū)域的字節(jié)數(shù)為2x120=240=0F0H首地址為625AHx10H+234DH=648EDH末地址為648EDH+0F0H-1=649DCH或者625AHx10H+(234DH+0F0H)-1=625A0H+243DH-1=649DCH圖2.8各段寄存器的使用情況2.段寄存器的使用段寄存器的設(shè)立不僅使8088的存貯空間擴(kuò)大到1MB，而且為信息按特征分段存貯帶來了方便。在存貯器中，信息按特征可分為程序代碼、數(shù)據(jù)、微處理器狀態(tài)等。下面對(duì)表2.8中的內(nèi)容做簡(jiǎn)要說明如下：①在各種類型的存貯器訪問中，其段地址要么由“默認(rèn)”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的內(nèi)容是用傳送指令送入的，但任何傳送指令不能向段寄存器CS送數(shù)。③表中“段內(nèi)偏移地址”一欄指明，除了有兩種類型訪問存貯器是“依尋址方式求得有效地址”外，其它都指明使用一個(gè)16位的指針寄存器或變址寄存器。2.2.5時(shí)序在8088CPU中，CPU與內(nèi)存或接口間進(jìn)行通信，如將一個(gè)字節(jié)寫入內(nèi)存一個(gè)單元(或接口)，或者從內(nèi)存某單元(或某接口)讀一個(gè)字節(jié)到CPU，這種讀(或)寫的過程稱為一個(gè)總線周期。8088的讀總線周期和寫總線周期分別表示在圖2.9和圖2.10中。圖2.98088的讀總線周期圖2.108088的寫總線周期

2.3系統(tǒng)總線的形成

2.3.1幾種常用的芯片1.帶有三態(tài)輸出的鎖存器在形成8088(86)系統(tǒng)總線時(shí)，常用到具有三態(tài)輸出的信號(hào)鎖存器8282和8283。除前者是正相輸出而后者是反相輸出外，8282和8283的其他性能完全一樣。其引線如圖2.11所示。8228與74LS373類似。2.單向三態(tài)門驅(qū)動(dòng)器將數(shù)個(gè)三態(tài)門集成在一塊芯片中構(gòu)成單向三態(tài)門驅(qū)動(dòng)器，其種類非常多。其中74系列的244就是經(jīng)常使用的一種三態(tài)門驅(qū)動(dòng)器。其引線如圖2.12所示。從圖2.12可以看到，兩個(gè)控制端分別控制4個(gè)三態(tài)門。當(dāng)其控制端加上低電平時(shí)，相應(yīng)的4個(gè)三態(tài)門導(dǎo)通；加高電平時(shí)，三態(tài)門呈高阻狀態(tài)。3.雙向三態(tài)門驅(qū)動(dòng)器對(duì)于數(shù)據(jù)總線，可采用雙向驅(qū)動(dòng)