第2章80X86Pentium系列微處理器

1、第2章 80X86/Pentium系列微處理器引入：計(jì)算機(jī)必須有一個(gè)控制并執(zhí)行指令的部件，該部件不僅要與計(jì)算機(jī)的其它功能部件進(jìn)行信息交換，還要控制它們的操作，所以被稱為中央處理部件或CPU。本章以8086/8088為例主要介紹控制器的工作原理和系統(tǒng)組成。本章知識(shí)點(diǎn)：1、 8088/8086編程結(jié)構(gòu)2、 8086/8088 CPU的引腳及功能3 、80X86/Pentium微處理器編程結(jié)構(gòu)4、 典型時(shí)序分析2.1 8086/8088編程結(jié)構(gòu)2.1.1 8086/8088微處理器的結(jié)構(gòu)及其功能8086：Intel系列的16位微處理器，16條數(shù)據(jù)線、20條地址線，可尋址地址范圍220=1MB，808

2、6工作時(shí)，只要一個(gè) 5V 電源和一個(gè)時(shí)鐘，時(shí)鐘頻率為5MHz 。8088：內(nèi)部與8086兼容，也是一個(gè)16位微處理器，只是外部數(shù)據(jù)總線為8位，所以稱為準(zhǔn)16位微處理器。它具有包括乘法和除法的16位運(yùn)算指令，所以能處理16位數(shù)據(jù)，還能處理8位數(shù)據(jù)。8088有20根地址線，所以可尋址的地址空間達(dá)220即1M字節(jié)。 一、8086/8088CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)從功能上看，可以分為兩大部分：Ø 總線接口單元BIU (Bus Interface Unit)Ø 執(zhí)行單元EU (Execution Unit) 8086CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖見圖2-1所示。二、各部件功能1、 總線接口單元(BIU)&

3、#216; 總線控制邏輯(輸入/輸出控制電路)2、分時(shí)傳遞地址信息或數(shù)據(jù)信息Ø 指令隊(duì)列緩沖器用于暫存指令、取指令和執(zhí)行指令可重疊操作1、 指令隊(duì)列至少保持一條指令，且只要有一條指令，EU就開始執(zhí)行2、 指令隊(duì)列只要有空余，BIU就自動(dòng)執(zhí)行取指令操作，直到填滿為止3、 若EU在執(zhí)行指令過程中需要對(duì)MEM/IO進(jìn)行存取，則BIU在執(zhí)行完現(xiàn)行取指操作總線周期后的下一總線周期中進(jìn)行4、 當(dāng)EU執(zhí)行跳轉(zhuǎn)指令時(shí)，EU要求BIU從新的地址中重新取指，則BIU清空隊(duì)列中的原有指令，重新取指到的第一條指令直接送至EU，隨后指令填入隊(duì)列4個(gè)16位段寄存器Ø 地址生成 16位指令指針寄存器IP

4、（Instruction PointerØ ）Ø20位地址產(chǎn)生器4個(gè)16位段地址寄存器（8086CPU將1MB尋址空間分為若干段，由段寄存器來識(shí)別當(dāng)前尋址的段，每個(gè)段功能各不相同）CS(Code Segment) 代碼段寄存器，指示當(dāng)前執(zhí)行程序所在存儲(chǔ)器的區(qū)域；DS(Data Segment) 數(shù)據(jù)段寄存器，指示當(dāng)前程序所用之?dāng)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)器區(qū)域；SS(Stack Segment) 堆棧段寄存器，指示當(dāng)前程序所用之堆棧位于的存儲(chǔ)器區(qū)域；ES(Extra Segment) 附加段寄存器，指示當(dāng)前程序所用之?dāng)?shù)據(jù)位于的另外存儲(chǔ)器區(qū)域，在字符串操作中常用到。16位指令指針寄存器IP，存

5、儲(chǔ)指令在代碼段中的偏移地址1、 程序運(yùn)行中自動(dòng)加1，指向下一條要執(zhí)行指令的偏移地址2、 當(dāng)程序執(zhí)行到跳轉(zhuǎn)、調(diào)用、中斷等指令時(shí)，IP中的值將根據(jù)條件變化3、 通常不能被直接訪問，也不能直接賦值，指令中不會(huì)出現(xiàn)對(duì)IP的操作20位的地址加法器20位CS左移4位IP或偏移地址+地址加法器CS16位物理地址20位說明：（1）指令隊(duì)列緩沖器：在執(zhí)行指令的同時(shí)，將取下一條指令，并放入指令隊(duì)列緩沖器中。CPU執(zhí)行完一條指令后，可以指令下一條指令（流水線技術(shù)）。提高CPU效率。（2）地址加法器：產(chǎn)生20位地址。CPU內(nèi)無論是段地址寄存器還是偏移量都是16位的，通過地址加法器產(chǎn)生20位地址。2、執(zhí)行單元EU功能：

6、（1）從指令隊(duì)列中取出指令。（2）對(duì)指令進(jìn)行譯碼，發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)。（3）接收由總線接口送來的數(shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)據(jù)至接口。（4）進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算。執(zhí)行部件的組成：（1）四個(gè)通用寄存器AX、BX、CX、DX。 四個(gè)通用寄存器都是16位或作兩個(gè)8位來使用。（2）專用寄存器SP-堆棧指針寄存器，指示棧頂?shù)钠频刂稡P-基址指針寄存器，表示數(shù)據(jù)在堆棧段中的基地址DI-目的變址寄存器，SI- 源變址寄存器（3）算術(shù)邏輯單元ALU 完成8位或者16位二進(jìn)制算術(shù)和邏輯運(yùn)算，計(jì)算偏移量。（4）數(shù)據(jù)暫存寄存器協(xié)助ALU完成運(yùn)算，暫存參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)。（5）執(zhí)行部件的控制電路從總線接口的指令隊(duì)列取出指令操作碼，通過譯碼電路

7、分析，發(fā)出相應(yīng)的控制命令，控制ALU數(shù)據(jù)流向。（6）*標(biāo)志寄存器借進(jìn)位標(biāo)志奇偶標(biāo)志半借進(jìn)位標(biāo)志零標(biāo)志符號(hào)標(biāo)志單步中斷方向標(biāo)志中斷允許溢出標(biāo)志16位寄存器，其中有7位未用。D15D14D13D12D11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0OFDFIFTFSFZFAFPFCF說明:(1) 溢出標(biāo)志位OF: (2) 進(jìn)位/借位標(biāo)志位CFOF = 1 溢出 CF = 1 有進(jìn)/借位OF = 0 不溢出 CF = 0 無進(jìn)/借位(3) 輔助進(jìn)位/借位標(biāo)志位AF (4) 符號(hào)標(biāo)志位SFAF = 1 有進(jìn)/借位 SF = 1 結(jié)果為負(fù)數(shù)AF = 0 無進(jìn)/借位 SF = 0 結(jié)果為正數(shù) (5) 零

8、狀態(tài)標(biāo)志位ZF (6) 奇偶標(biāo)志位PFZF = 1 結(jié)果為全0 PF = 1 有偶數(shù)個(gè)“1”ZF = 0 結(jié)果不為全0 PF = 0 有奇數(shù)個(gè)“1”(7) 控制標(biāo)志位DF (8) 中斷控制標(biāo)志位IFDF = 1 遞減方式 IF = 1 允許中斷 DF = 0 遞增方式 IF = 0 屏蔽中斷(9) 陷阱控制標(biāo)志位TFTF = 1 單步方式TF = 0 正常方式2.1.2 8086/8088CPU執(zhí)行程序的操作過程（1）20位地址的形成，并將此地址送至程序存儲(chǔ)器指定單元，從該單元取出指令字節(jié)，依次放入指令隊(duì)列中。（2）每當(dāng)8086的指令隊(duì)列中有2個(gè)空字節(jié)，8088指令隊(duì)列中有1個(gè)空字節(jié)時(shí)，總線接

9、口部件就會(huì)自動(dòng)取指令至隊(duì)列中。（3）執(zhí)行部件從總線接口的指令隊(duì)列首取出指令代碼，執(zhí)行該指令。（4）當(dāng)隊(duì)列已滿，執(zhí)行部件又不使用總線時(shí)，總線接口部件進(jìn)入空閑狀態(tài)。（5）執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令、調(diào)用指令、返回指令時(shí)，先清空隊(duì)列內(nèi)容，再將要執(zhí)行的指令放入隊(duì)列中。2.2 8086/8088微處理器的引腳及工作模式圖2-2 8086/8088 CPU的引腳圖2.2.1 8086/8088微處理器的引腳及功能8086 CPU的40條引腳信號(hào)按功能可分為四類：地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線和其它(時(shí)鐘與電源)，如圖2-2所示。一、最小模式和最大模式的概念根據(jù)所連的存儲(chǔ)器和外設(shè)規(guī)模的不同，使它們可以在兩種模式下工作：最小

10、模式：只有一8086/8088CPU。最大模式：有兩個(gè)或兩個(gè)以上的CPU，一個(gè)為主CPU8086/8088，另一個(gè)為協(xié)CPU8087/8089。指令周期：執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間?？偩€周期（機(jī)器周期）：CPU通過總線與存儲(chǔ)器或I/O接口進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳輸所需的時(shí)間。T狀態(tài)（時(shí)鐘周期）：CPU處理動(dòng)作的最小單位。二、8086的引腳信號(hào)1、 最小模式（ MN/MX接5V） AD15AD0，地址/數(shù)據(jù)總線（復(fù)用引腳、雙向、三態(tài)） A19/S6A16/S3，地址/狀態(tài)總線 （復(fù)用引腳，輸出，三態(tài)） BHE/ S7，高8位數(shù)據(jù)允許/狀態(tài)線 MN/MX，最小/最大模式控制信號(hào)，輸入 RD，讀信號(hào) WR，寫信

11、號(hào)M/IO，存儲(chǔ)器/輸入輸出控制信號(hào) ALE，地址鎖存允許信號(hào)READY(Ready)，準(zhǔn)備就緒信號(hào)INTR，可屏蔽中斷請(qǐng)求信號(hào)INTA，中斷響應(yīng)信號(hào) NMI，非屏蔽中斷請(qǐng)求信號(hào)RESET，系統(tǒng)復(fù)位信號(hào) DEN，數(shù)據(jù)允許信號(hào) (DT/R，數(shù)據(jù)發(fā)送/接收控制信號(hào) HOLD，總線保持請(qǐng)求信號(hào)輸入 HLDA，總線保持響應(yīng)信號(hào) TEST，測(cè)試信號(hào) CLK，時(shí)鐘輸入信號(hào) VCC(+5V)，GND 2、 最大模式（ MN/MX接地）8086 CPU工作在最大模式時(shí)，其2431引腳需重新定義，如下表所示。 QS1/QS0，指令隊(duì)列狀態(tài)信號(hào) S2、S1、S0 ，總線周期狀態(tài)信號(hào) LOCK ，總線封鎖信號(hào) RQ

12、/GT1和RQ/GT0 ，總線請(qǐng)求信號(hào)輸入/總線請(qǐng)求信號(hào)允許輸出2.2.2 8086在最小和最大模式下的典型配置圖2-3 8086最小工作模式的典型配置一、 8086最小工作模式的典型配置在最小工作模式系統(tǒng)配置中，除了8086 CPU外，還需要在外圍電路中加入：Ø 1片8284A，作為時(shí)鐘發(fā)生器。Ø 3片8282(8位鎖存器)或74LS373，作為地址鎖存器。Ø 2片8286/8287或74LS245，作為雙向總線收發(fā)器，以增加數(shù)據(jù)總線的驅(qū)動(dòng)能力。二、 8086最大工作模式的典型配置從圖2-9和圖2-10中可以看出，8086CPU在最大模式和最小模式之間的主要區(qū)別

13、是：在最大模式下，需要增加一個(gè)轉(zhuǎn)換控制信號(hào)的電路，用來對(duì)CPU發(fā)出的控制信號(hào)進(jìn)行變換和組合，即8288總線控制器。8288接受8086CPU的狀態(tài)信號(hào)S2、S1和S0，經(jīng)過變換和組合，由8288產(chǎn)生并發(fā)出對(duì)存儲(chǔ)器或I/O端口的讀/寫信號(hào)，產(chǎn)生和發(fā)出對(duì)地址鎖存器8282及總線收發(fā)器8286的控制信號(hào)等。圖2-4 8086最大工作模式的典型配置三、 8086最小模式和最大模式的比較1、不同之處最小模式下系統(tǒng)控制信號(hào)直接由8086CPU提供；最大模式下因系統(tǒng)復(fù)雜，芯片數(shù)量較多，為提高驅(qū)動(dòng)能力和改善總線控制能力，大多數(shù)的系統(tǒng)控制信號(hào)由總線控制器8288提供。最小模式下8086的31、30腳提供一組總線

14、請(qǐng)求/響應(yīng)信號(hào)（HOLD、HLDA），而最大模式下8086的31、30腳將提供兩組總線請(qǐng)求/響應(yīng)信號(hào)（RQ/GT0、RQ/GT1）。2、相同之處：8086的低位地址線與數(shù)據(jù)線復(fù)用，為保證地址信號(hào)維持足夠的時(shí)間，需使用ALE信號(hào)將低位地址線鎖存（通過鎖存器8282），以形成真正的系統(tǒng)地址總線； 8086的數(shù)據(jù)線通過數(shù)據(jù)收發(fā)器8286后形成系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線，以增大驅(qū)動(dòng)能力，數(shù)據(jù)收發(fā)器主要由DEN和DT/R兩個(gè)信號(hào)控制。 習(xí)題與思考：18086/8088系統(tǒng)中為什么一定要有地址鎖存器？需要鎖存哪些信息？2若8086CPU工作于最小模式，試指出當(dāng)CPU完成將AH的內(nèi)容送到物理地址為 91001H的存儲(chǔ)單元

15、操作時(shí)，以下哪些信號(hào)應(yīng)為低電平：M/、/S7、 DT/。若CPU完成的是將物理地址91000H單元的內(nèi)容送到AL中，則上述哪些信號(hào)應(yīng)為低電平。3什么是引腳的分時(shí)復(fù)用？請(qǐng)說出8086/8088CPU有哪些引腳是分時(shí)復(fù)用引腳？其要解決的問題是什么？4試說明8086/8088工作在最大和最小模式下系統(tǒng)基本配置的差異。2.3 Pentium系列微處理器簡(jiǎn)介2.3.1 Pentium的原理結(jié)構(gòu)圖2-5 Pentium CPU原理結(jié)構(gòu)圖一、Pentium CPU內(nèi)部的主要部件總線接口部件U流水線和V流水線指令高速緩沖存儲(chǔ)器Cache數(shù)據(jù)高速緩沖存儲(chǔ)器Cache指令預(yù)取部件指令譯碼器浮點(diǎn)處理部件FPU分支目

16、標(biāo)緩沖器BTB微程序控制器中的控制ROM寄存器組Pentium微處理器的原理結(jié)構(gòu)圖如上圖所示二、原理結(jié)構(gòu)在Pentium CPU中，總線接口部件實(shí)現(xiàn)CPU與系統(tǒng)總線之間的連接，其中包括64位雙向的數(shù)據(jù)線、32位地址線和所有的控制信號(hào)線，具有鎖存與緩沖等功能，總線接口部件實(shí)現(xiàn)CPU與外設(shè)之間的信息交換，并產(chǎn)生相應(yīng)的各類總線周期1、 互相獨(dú)立的指令Cache和數(shù)據(jù)Cache Pentium則在片內(nèi)設(shè)置了2個(gè)獨(dú)立的8KB Cache，分別用于存放指令代碼與數(shù)據(jù)。2、超標(biāo)量流水線 Pentium有U、V兩條指令流水線，故稱之為超標(biāo)量流水線，超標(biāo)量流水線技術(shù)的應(yīng)用，使得Pentium CPU的速度較80

17、486有很大的提高。因此，超標(biāo)量流水線是Pentium系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的核心。3、重新設(shè)計(jì)的浮點(diǎn)運(yùn)算部件如圖2-5所示，浮點(diǎn)運(yùn)算部件內(nèi)有專門用于浮點(diǎn)運(yùn)算的加法器、乘法器和除法器，還有80位寬的8個(gè)寄存器構(gòu)成了寄存器堆，內(nèi)部的數(shù)據(jù)通路為80位。浮點(diǎn)運(yùn)算部件支持IEEE754標(biāo)準(zhǔn)的單、雙精度格式的浮點(diǎn)數(shù)，還可以使用一種臨時(shí)實(shí)數(shù)的80位浮點(diǎn)數(shù)。4、以BTB實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換預(yù)測(cè) Pentium采用了分支目標(biāo)緩沖器（branch target buffer）實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)，可以減少指令流水作業(yè)中因分支轉(zhuǎn)移指令而引起的流水線斷流 引入了轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)技術(shù)，不僅能預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)移是否發(fā)生，而且能確定轉(zhuǎn)移到何處去執(zhí)行程序2.3.2

18、Pentium的寄存器1.Pentium的寄存器可以分為三組：基本寄存器組：包括通用寄存器、指令寄存器、標(biāo)示寄存器以及段寄存器；系統(tǒng)寄存器組：包括系統(tǒng)地址寄存器、控制寄存器；浮點(diǎn)部件寄存器組：包括數(shù)據(jù)寄存器堆、控制寄存器、狀態(tài)寄存器、指令指針寄存器和數(shù)據(jù)指針寄存器以及標(biāo)記字寄存器；2.3.3 Pentium的工作模式簡(jiǎn)介Pentium的虛擬存儲(chǔ)器（Vivtual Storage）技術(shù)、高速緩存（Cache）技術(shù)以及超標(biāo)量流水線技術(shù)是微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的三大支柱，虛擬存儲(chǔ)器的目標(biāo)是如何高速允許多個(gè)軟件進(jìn)程共享并使用主存儲(chǔ)器這一容量有限的存儲(chǔ)資源。虛擬存儲(chǔ)器的實(shí)現(xiàn)不僅僅體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)上的完美無缺

19、，而且虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)是操作系統(tǒng)的核心技術(shù)，操作系統(tǒng)中存儲(chǔ)器管理程序的主要任務(wù)就是要將有限的主存儲(chǔ)器不斷地動(dòng)態(tài)分配給各活動(dòng)進(jìn)程Pentium的工作模式分為：實(shí)模式、保護(hù)模式、虛擬86模式、平展模式、線性空間以及系統(tǒng)管理模式共五種。一、 Pentium工作的保護(hù)模式保護(hù)模式是受保護(hù)的虛擬地址模式的簡(jiǎn)稱。從80386 CPU開始，就具有了保護(hù)模式，Pentium CPU內(nèi)部也設(shè)有存儲(chǔ)器管理部件MMU，其中，仍然包括分段部件SU和分頁(yè)部件PU，通過系統(tǒng)程序員編程，Pentium可以工作在只分段或只分頁(yè)或既分段又分頁(yè)三種方式。二、 保護(hù)模式的三種方式1、只分段不分頁(yè)Ø 由16位的段選擇符和一個(gè)

20、32位的偏移地址組成，段選擇符的低2位用于保護(hù)，高14位指示段，因此，一個(gè)進(jìn)程可允許的最大虛擬空間為214+32=64TB。Ø 段管理部件SU將段選擇符與32位虛地址轉(zhuǎn)換成32位線性地址，也是最終的32位物理地址，因此，地址轉(zhuǎn)換速度快。缺點(diǎn)是段的頻繁調(diào)入調(diào)出，耗時(shí)多，內(nèi)存管理性能稍差一點(diǎn)。2、只分頁(yè)不分段Pentium在頁(yè)管理部件PU的管理下，可以對(duì)存儲(chǔ)器只實(shí)行分頁(yè)管理，分段部件SU不工作。與程序的段選擇符無關(guān)，僅將指令提供的32位虛地址看成是32位的線性地址，無論按4KB分頁(yè)或是按4MB分頁(yè)，均可形成32位物理地址，進(jìn)程所擁有的最大虛存空間都是232=4GB。這種只分頁(yè)不分段的保護(hù)

21、模式也稱為平展地址模式，比只分段不分頁(yè)模式靈活。3、既分段又分頁(yè)分段分頁(yè)方式是先分段后分頁(yè)，在分段的基礎(chǔ)上進(jìn)行分頁(yè)，分段所形成的32位線性地址不是最后的物理地址，而是提供給分頁(yè)部件，作為頁(yè)目錄（號(hào)）、頁(yè)表（號(hào)）以及頁(yè)內(nèi)偏移量，按4KB大小分頁(yè)。一個(gè)進(jìn)程的最大虛地址空間與只分段的虛地址模式相同，也是64TB，兼有分段與分頁(yè)的優(yōu)點(diǎn)，UNIX System V和OS/2操作系統(tǒng)使用了這種保護(hù)模式2.3.4 Pentium 系列處理器技術(shù)概述自1993年P(guān)entium問世之后，Intel公司相繼推出了Ø Pentium Pro(1995)Ø Pentium （1997年）Ø

22、; Pentium （1998年）Ø Pentium 4（2000年）等微處理器，近幾年又推出了64位的微處理器Itanium（安騰）Pentium 4微處理器簡(jiǎn)介Pentium 4晶體管數(shù)目增加到4200萬個(gè)，CPU主頻有1.4GHz、2.2GHz等版本，由于主頻大大提高，動(dòng)態(tài)電流增加，外加晶體管數(shù)目增加，所以電源功耗明顯增加，高達(dá)55W，沒有選用傳統(tǒng)的低壓供電方式，而是采用了12V直流供電。CPU插座使用478條引腳的產(chǎn)品，采用Socket 423插座將CPU固定在主板上。（1）CPU數(shù)據(jù)總線的并行傳輸速率加快，一個(gè)總線時(shí)鐘周期內(nèi)可同時(shí)傳輸4組64位的數(shù)據(jù)，稱之為四倍爆發(fā)式總線技

23、術(shù)。P4通過850外圍芯片組構(gòu)成的主機(jī)系統(tǒng)，與內(nèi)存構(gòu)成雙通道的方式傳輸數(shù)據(jù)，并行傳輸帶寬可以達(dá)到3.2GB/S。（2）Pentium 4內(nèi)部設(shè)計(jì)了兩組獨(dú)立運(yùn)行的ALU，在一個(gè)主頻時(shí)鐘周期的上升沿與下降沿之間完成所需要的運(yùn)算，平均在P4內(nèi)部一個(gè)主頻時(shí)鐘內(nèi)可以完成2條算術(shù)/邏輯運(yùn)算指令。（3）P4保留了P中MMX指令，同時(shí)又增加了70條新的MMX指令。保留了P中原有的SSE指令，又增加了新的SSE指令，組成了共計(jì)有144條的所謂SSE2指令集（4）將指令Cache直接連接到分支預(yù)取單元與執(zhí)行單元，這與以往的L1Cache的結(jié)構(gòu)是有區(qū)別的，其結(jié)構(gòu)還考慮到了微指令的格式，當(dāng)執(zhí)行重復(fù)性代碼時(shí)，可以提高程

24、序運(yùn)行的速度，稱這種技術(shù)為指令跟蹤緩存（Trace Cache）技術(shù)。2.4 典型時(shí)序分析引入：前幾節(jié)我們已學(xué)過8086/8088CPU的內(nèi)、外部結(jié)構(gòu)，兩種工作模式，微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作過程。重點(diǎn)：與微機(jī)系統(tǒng)工作過程定時(shí)相關(guān)的三種周期，時(shí)序的基本概念，研究時(shí)序的意義，兩種工作模式下的典型時(shí)間序列分析。 相關(guān)的基本概念一、什么是時(shí)序 時(shí)序是計(jì)算機(jī)操作運(yùn)行的時(shí)間順序。二、為什么要研究時(shí)序(1) 可以進(jìn)一步了解在微機(jī)系統(tǒng)的工作過程中，CPU各引腳上信號(hào)之間的相對(duì)時(shí)間關(guān)系。由于微處理器內(nèi)部電路、部件的工作情況，用戶是看不到的，通過檢測(cè)CPU引腳信號(hào)線上，各信號(hào)之間的相對(duì)時(shí)間關(guān)系，是判斷系統(tǒng)工作是否正常

25、的一種重要途徑；(2) 可以深入了解指令的執(zhí)行過程；(3) 可以使我們?cè)诔绦蛟O(shè)計(jì)時(shí)，選擇合適的指令或指令序列，以盡量縮短程序代碼的長(zhǎng)度及程序的運(yùn)行時(shí)間。因?yàn)閷?duì)于實(shí)現(xiàn)相同的功能，可以采用不同的指令或指令序列，而這些指令或指令序列的字節(jié)數(shù)及執(zhí)行時(shí)間有可能不相同的。(4) 對(duì)于學(xué)習(xí)各功能部件與系統(tǒng)總線的連接及硬件系統(tǒng)的調(diào)試，都十分有意義，因?yàn)镃PU與存儲(chǔ)器、I/O端口協(xié)調(diào)工作時(shí)，存在一個(gè)時(shí)序上的配合問題。(5) 才能更好地處理微機(jī)用于過程控制及解決實(shí)時(shí)控制的題，三、 指令周期、總線周期及時(shí)鐘周期 微機(jī)系統(tǒng)的工作，必須嚴(yán)格按照一定的時(shí)間關(guān)系來進(jìn)行，CPU定時(shí)所用 的周期有三種，即指令周期、總線周期和時(shí)

26、鐘周期。 (1) 指令周期 一條指令從其代碼被從內(nèi)存單元中取出到其所規(guī)定的操作執(zhí)行完畢，所 用的時(shí)間，稱為相應(yīng)指令的指令周期。由于指令的類型、功能不同，因此， 不同指令所要完成的操作也不同，相應(yīng)地，其所需的時(shí)間也不相同。也就是 說，指令周期的長(zhǎng)度因指令的不同而不同。 (2) 總線周期 我們把CPU通過總線與內(nèi)存或I/O端口之間，進(jìn)行一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)交換所進(jìn)行的操作，稱為一次總線操作，相應(yīng)于某個(gè)總線操作的時(shí)間即為總線周期。雖然，每條指令的功能不同，所需要進(jìn)行的操作也不同，指令周期的長(zhǎng)度也必不相同。但是，我們可以對(duì)不同指令所需進(jìn)行的操作進(jìn)行分解，它們又都是由一些基本的操作組合而成的。如存儲(chǔ)器的讀/寫操

27、作、I/O端口的讀/寫操作、中斷響應(yīng)等，這些基本的操作都要通過系統(tǒng)總線實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)存或I/O端口的訪問的。不同的指令所要完成的操作，是由一系列的總線操作組合而成的，而線操作的數(shù)量及排列順序因指令的不同而不同。 8088的總線操作，就是8088CPU利用總線（AB、DB、CB）與內(nèi)存及I/O端口進(jìn)行信息交換的過程，與這些過程相對(duì)應(yīng)的總線上的信號(hào)變化的相對(duì)時(shí)間關(guān)系，就是相應(yīng)總線操作的時(shí)序。(3) 時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期是微機(jī)系統(tǒng)工作的最小時(shí)間單元，它取決于系統(tǒng)的主頻率，系統(tǒng)完成任何操作所需要的時(shí)間，均是時(shí)鐘周期的整數(shù)倍。時(shí)鐘周期又稱為T狀態(tài)。時(shí)鐘周期是基本定時(shí)脈沖的兩個(gè)沿之間的時(shí)間間隔，而基本定時(shí)脈沖是由外

28、部振蕩器產(chǎn)生的，通過CPU的CLK輸入端輸入，基本定時(shí)脈沖的頻率，我們稱之為系統(tǒng)的主頻率。例如8088CPU的主頻率是5MHz，其時(shí)鐘周期為200ns。一個(gè)基本的總線周期由4個(gè)T狀態(tài)組成，我們分別稱為4個(gè)狀態(tài)，在每個(gè)T狀態(tài)下，CPU完成不同的動(dòng)作。四、8086/8088微機(jī)系統(tǒng)的主要操作 8086/8088微機(jī)系統(tǒng)，能夠完成的操作有下列幾種主要類型：² 系統(tǒng)的復(fù)位與啟動(dòng)操作；² 暫停操作；² 總線操作；（I/O讀、I/O寫、存貯器讀、存貯器寫）² 中斷操作；² 最小模式下的總線保持；² 最大模式下的總線請(qǐng)求/允許。 典型的8088時(shí)序

29、分析 指令所執(zhí)行的操作，可以分為內(nèi)部操作和外部操作。不同的指令其內(nèi)、外部操作是不相同的，但這些操作可以分解為一個(gè)個(gè)總線操作。即總線操作的不同組合，就構(gòu)成了不同指令的不同操作，而總線操作的類型是有限的，我們?nèi)绻軌蛎鞔_不同種類總線操作的時(shí)序關(guān)系，且可以根據(jù)不同指令的功能，把它們分解為不同總線操作的組合，那么，任何指令的時(shí)序關(guān)系，我們就都可以知道了。一、最小模式下的典型時(shí)序CPU為了與存貯器或I/O端口進(jìn)行一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)交換，需要執(zhí)行一次總線操作，按數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较騺矸?，可將總線操作分為讀操作和寫操作兩種類型；按照讀/寫的不同對(duì)象，總線操作又可分為存貯器讀/寫與I/O讀/寫操作，下面我們就最小模式下

30、的總線讀/寫操作時(shí)序，來進(jìn)行具體分析。(1) 最小模式下的總線讀操作時(shí)序一個(gè)最基本的讀周期包含有4個(gè)狀態(tài)，即、，必要時(shí)可插入1個(gè)或幾個(gè)。狀態(tài)有效，用來指出本次讀周期是存貯器讀還是I/O讀，它一直保持到有效。地址線信號(hào)有效，高4位通過地址/狀態(tài)線送出，低16位通過地址/數(shù)據(jù)線送出，用來指出操作對(duì)象的地址，即存貯器單元地址或I/O端口地址。ALE有效，在最小模式的系統(tǒng)配置中我們講過，地址信號(hào)通過地址鎖存器8282鎖存，ALE即為8282的鎖存信號(hào)，下降沿有效。（對(duì)8088無用）有效，用來表示高8位數(shù)據(jù)總線上的信息有效，現(xiàn)在通過傳送的是有效地址信息，常作為奇地址存貯體的選通信號(hào)，因?yàn)槠娴刂反尜A體中的

31、信息總是通過高8位數(shù)據(jù)線來傳輸，而偶地址體的選通則用。當(dāng)系統(tǒng)中配有總線驅(qū)動(dòng)器時(shí)，使變低，用來表示本周期為讀周期，并通知總線驅(qū)動(dòng)器接收數(shù)據(jù)（）² 狀態(tài)高四位地址/狀態(tài)線送出狀態(tài)信息，。低16位地址/數(shù)據(jù)線浮空，為下面?zhèn)魉蛿?shù)據(jù)準(zhǔn)備。引腳成為（無定義）。有效，表示要對(duì)存貯器/I/O端口進(jìn)行讀。有效，使得總線收發(fā)器（驅(qū)動(dòng)器）可以傳輸數(shù)據(jù)（）。² 狀態(tài)從存貯器/I/O端口讀出的數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線（通過）。² 狀態(tài)若存貯器或外設(shè)速度較慢，不能及時(shí)送上數(shù)據(jù)的話，則通過READY線通知CPU，CPU在的前沿（即結(jié)束末的下降沿）檢測(cè)READY，若發(fā)現(xiàn)READY0，則在結(jié)束后自動(dòng)插入1

32、個(gè)或幾個(gè)，并在每個(gè)的前沿處檢測(cè)READY，等到READY變高后，則自動(dòng)脫離進(jìn)入。² 狀態(tài)在與（或）的交界處（下降沿），采集數(shù)據(jù)，使各控制及狀態(tài)線進(jìn)入無效。二、 最小模式下的總線寫操作時(shí)序 時(shí)序如圖2-6所示，最基本的總線寫周期也包括四個(gè)狀態(tài),必要時(shí)插入。² 狀態(tài)基本上同讀周期，只有此時(shí)為高不是低。² 狀態(tài)圖26總線寫周期時(shí)序與讀周期有兩點(diǎn)不同：變成；不是浮空，而是發(fā)出要寫入存貯器/I/O端口的數(shù)據(jù)。² 狀態(tài)² 狀態(tài)² 狀態(tài)、三個(gè)狀態(tài)同讀周期。已完成CPU存貯器/I/O端口的數(shù)據(jù)傳送，使數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)無效，同時(shí)，使各控制與狀態(tài)信號(hào)無效。

33、圖2-7 中斷響應(yīng)周期時(shí)序三 中斷響應(yīng)周期(對(duì)可屏蔽中斷)波形圖如圖2-7所示，由兩個(gè)連續(xù)的總線周期所組成。說明：要求INTR信號(hào)是一個(gè)高電平信號(hào)，并且維持兩個(gè)T，因?yàn)镃PU在一條指令的最后一個(gè)T采樣INTR，進(jìn)入中斷響應(yīng)后，它在第一個(gè)周期的仍需采樣INTR。在最小模式下，中斷應(yīng)答信號(hào)來自8086的引腳，而在最大模式時(shí)，則是通過、的組合由總線控制器產(chǎn)生。第一個(gè)總線周期通過用來通知外設(shè)，CPU準(zhǔn)備響應(yīng)中斷，第二個(gè)總線周期通過通知外設(shè)送中斷類型碼，該類型碼通過數(shù)據(jù)總線的低8位傳送，來自中斷源。CPU據(jù)此轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)子程序。在中斷響應(yīng)期間，為低，數(shù)據(jù)/地址線浮空，數(shù)據(jù)/狀態(tài)線浮空。在兩個(gè)中斷響應(yīng)周期

34、之間可安排23個(gè)空閑周期（8086）或沒有（8088）。四、 系統(tǒng)的復(fù)位和啟動(dòng)操作（對(duì)最大小模式都一樣）8086/8088的復(fù)位和啟動(dòng)操作，是通過RESET引腳上的觸發(fā)信號(hào)來執(zhí)行的，當(dāng)RESET引腳上有高電平時(shí)，CPU就結(jié)束當(dāng)前操作，進(jìn)入初始化（復(fù)位）過程，包括把各內(nèi)部寄存器（除CS）清0，標(biāo)志寄存器清0，指令隊(duì)列清0，將FFFFH送CS。重新啟動(dòng)后，系統(tǒng)從FFFF0H開始執(zhí)行指令。重新啟動(dòng)的動(dòng)作是當(dāng)RESET從高到低跳變時(shí)觸發(fā)CPU內(nèi)部的一個(gè)復(fù)位邏輯電路，經(jīng)過7個(gè)T狀態(tài)，CPU即自動(dòng)啟動(dòng)。要注意的是，由于在復(fù)位操作時(shí)，標(biāo)志寄存器被清0，因此其中的中斷標(biāo)志IF也被清0，這樣就阻止了所有的可屏蔽

35、中斷請(qǐng)求，都不能響應(yīng)，即復(fù)位以后，若需要必需用開中斷指令來重新設(shè)置IF標(biāo)志。圖2-8系統(tǒng)復(fù)位時(shí)序復(fù)位操作的時(shí)序如圖2-8所示，表2-1給出了復(fù)位后寄存器的狀態(tài)。表2-1 復(fù)位后寄存器的狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器狀態(tài)F（PSW）0000HIP0000HCS0FFFFHDS0000HSS0000HES0000H指令隊(duì)列空IF0（禁止）(5) 總線占用周期當(dāng)系統(tǒng)中有其它總線主設(shè)備有總線請(qǐng)求時(shí)，向CPU發(fā)總線請(qǐng)求信號(hào)HOLD，HOLD信號(hào)可以與時(shí)鐘信號(hào)異步，則在下一個(gè)時(shí)鐘的上升沿同步HOLD信號(hào)。CPU收到HOLD信號(hào)后，在當(dāng)前總線周期的T4或下一個(gè)總線周期的T1的后沿，輸出保持響應(yīng)信號(hào)HLDA，從下一個(gè)時(shí)鐘周期開始CPU出讓總線控制權(quán)，進(jìn)入總線占用周期；DMA傳送結(jié)束，掌握總線控制權(quán)的總線主設(shè)備使HOLD信號(hào)變低，并在接著的下降沿使HLDA信號(hào)變?yōu)闊o效，系統(tǒng)退出總線占用周期。 (6) 總線空操作前面我們?cè)v過，只有在CPU與存貯器