微機原理第2章

1、1第第2 2章章微處理器與總線2主要內(nèi)容：n微處理器的一般構成及工作原理；微處理器的一般構成及工作原理；n80888088微處理器的特點、引線及結構；微處理器的特點、引線及結構；n總線的一般概念；分類及主要功能。總線的一般概念；分類及主要功能。32.12.1 微型機概述4了解：n微處理器的功能；微處理器的功能；n微處理器的基本組成。微處理器的基本組成。5一、微處理器的功能n進行算術運算和邏輯運算進行算術運算和邏輯運算n對指令進行譯碼、執(zhí)行規(guī)定的操作對指令進行譯碼、執(zhí)行規(guī)定的操作n具有進行數(shù)據(jù)通信的能力具有進行數(shù)據(jù)通信的能力n暫存數(shù)據(jù)暫存數(shù)據(jù)n提供定時和控制信號提供定時和控制信號n響應中斷請求響

2、應中斷請求6字長字長：字長：CPU內(nèi)部操作中的數(shù)據(jù)位數(shù)內(nèi)部操作中的數(shù)據(jù)位數(shù) =內(nèi)部寄存器的位數(shù)內(nèi)部寄存器的位數(shù) =內(nèi)部數(shù)據(jù)總線的位數(shù)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線的位數(shù) 7二、微處理器的一般構成n運算器運算器n控制器控制器n內(nèi)部寄存器組內(nèi)部寄存器組8運算器運算器：運算器：ALU、寄存器組、內(nèi)部總線。、寄存器組、內(nèi)部總線。 ALU=算術邏輯單元。一位算術邏輯運算單元算術邏輯單元。一位算術邏輯運算單元 圖圖2-1. CPU 內(nèi)部總線內(nèi)部總線=傳送指令和數(shù)據(jù)的傳送通道。傳送指令和數(shù)據(jù)的傳送通道。 運算器的運算器的3種結構種結構 ：圖：圖2-29控制器.控制器：控制程序的執(zhí)行。有下列功能：控制器：控制程序的執(zhí)行。有下列

3、功能： 指令執(zhí)行順序的控制指令執(zhí)行順序的控制 時序控制：產(chǎn)生時序信號。時序控制：產(chǎn)生時序信號。 操作控制：產(chǎn)生微操作控制信號。操作控制：產(chǎn)生微操作控制信號。 對某些異常情況和請求的處理。對某些異常情況和請求的處理。10控制器的組成控制器的組成：圖控制器的組成：圖2-3 程序計數(shù)器程序計數(shù)器PC、指令計數(shù)器、指令計數(shù)器IR、指令譯碼器、指令譯碼器ID時序控制部件時序控制部件:產(chǎn)生各種時序信號產(chǎn)生各種時序信號微操作控制部件：產(chǎn)生指令的微操作。微操作控制部件：產(chǎn)生指令的微操作。微操作微操作 微指令微指令11微操作n一條指令功能是通過按一定次序一條指令功能是通過按一定次序執(zhí)行一系列基本操作完成的。這執(zhí)

4、行一系列基本操作完成的。這些基本操作稱為微操作。些基本操作稱為微操作。12微指令n同時執(zhí)行的一組微操作叫微指令。同時執(zhí)行的一組微操作叫微指令。n一條指令功能是執(zhí)行許多微指令組成的微程序一條指令功能是執(zhí)行許多微指令組成的微程序來完成的。例如來完成的。例如: 一條加法指令有四條微指令一條加法指令有四條微指令 取指微指令取指微指令 計算地址微指令計算地址微指令 取操作數(shù)微指令取操作數(shù)微指令 加法運算并送結果微指令加法運算并送結果微指令132.2 80882.2 8088（80868086）微處理器 14主要內(nèi)容：n8088/8086CPU的特點的特點n8088CPU外部引線及功能；外部引線及功能；n

5、8088CPU的內(nèi)部結構和特點；的內(nèi)部結構和特點；n各內(nèi)部寄存器的功能；各內(nèi)部寄存器的功能；n8088的工作時序。的工作時序。15一、8088/8086CPU的特點n了解：了解：n程序與指令程序與指令n指令執(zhí)行的一般過程指令執(zhí)行的一般過程n指令的串行執(zhí)行與并行流水線執(zhí)行指令的串行執(zhí)行與并行流水線執(zhí)行n8088/8086CPU的主要特點的主要特點161. 程序和指令n程序：程序：n具有一定功能的指令的有序集合具有一定功能的指令的有序集合n指令：指令：n由人向計算機發(fā)出的、能夠為計算機所識別的命令。由人向計算機發(fā)出的、能夠為計算機所識別的命令。172. 指令執(zhí)行的一般過程 取指令取指令 指令譯碼指

6、令譯碼 讀取操作數(shù)讀取操作數(shù) 執(zhí)行指令執(zhí)行指令 存放結果存放結果183. 串行和并行方式的指令流水線n串行工作方式：串行工作方式： 控制器和運算器交替工作，按順序完成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。上述指令執(zhí)行過程。n并行工作方式：并行工作方式： 運算器和控制器可同時工作。運算器和控制器可同時工作。19串行工作方式n80888088以前的以前的CPUCPU采用串行工作方式：采用串行工作方式：取指令取指令1執(zhí)行執(zhí)行指令指令1分析分析指令指令1CPUBUS忙碌忙碌忙碌忙碌取指令取指令2執(zhí)行執(zhí)行指令指令2分析分析指令指令220并行工作方式n8088CPU采用并行工作方式采用并行

7、工作方式BIU EU取指令取指令1執(zhí)行執(zhí)行指令指令1分析分析指令指令1CPU取指令取指令2執(zhí)行執(zhí)行指令指令2分析分析指令指令2取指令取指令3執(zhí)行執(zhí)行指令指令3分析分析指令指令3忙碌忙碌忙碌忙碌忙碌忙碌忙碌忙碌忙碌忙碌214. 8088/8086 CPU的特點n采用并行流水線工作方式采用并行流水線工作方式 通過設置指令預取隊列實現(xiàn)通過設置指令預取隊列實現(xiàn)n對內(nèi)存空間實行分段管理對內(nèi)存空間實行分段管理 將內(nèi)存分為將內(nèi)存分為4 4個段并設置地址段寄存器，以實個段并設置地址段寄存器，以實 現(xiàn)對現(xiàn)對1 1MBMB空間的尋址空間的尋址n支持多處理器系統(tǒng)支持多處理器系統(tǒng)CPU內(nèi)內(nèi)部結構部結構存儲器存儲器尋址

8、部尋址部分分工作模工作模式式228088CPU的兩種工作模式n8088可工作于兩種模式下可工作于兩種模式下 最小模式最小模式 最大模式最大模式n最小模式為單處理器模式，控制信號較少，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。一般可不必接總線控制器。n最大模式為多處理器模式，控制信號較多，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。須通過總線控制器與總線相連。23最小模式下的連接示意圖8088CPU控制總線控制總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線地址總線地址總線地址地址鎖存鎖存數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)收發(fā)收發(fā)ALE時鐘發(fā)時鐘發(fā)生生 器器24最大模式下的連接示意圖8088CPU數(shù)據(jù)總線數(shù)

9、據(jù)總線地址總線地址總線地址地址鎖存鎖存數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)收發(fā)收發(fā)ALE時鐘發(fā)時鐘發(fā)生生 器器總總 線線控制器控制器控制總線控制總線25兩種工作模式的選擇方式n80888088是工作在最小還是最大模式由是工作在最小還是最大模式由MN/MXMN/MX端狀端狀態(tài)決定。態(tài)決定。MN/MX=0MN/MX=0工作于最大模式，反之工作工作于最大模式，反之工作于最小模式于最小模式26二、二、8088CPU的引線及功能n引腳定義的方法可大致分為：圖引腳定義的方法可大致分為：圖2-5 P432-5 P43n每個引腳只傳送一種信息（每個引腳只傳送一種信息（RDRD等）；等）；n引腳電平的高低不同的信號（引腳電平的高低不同的信

10、號（IO/MIO/M等）；等）；nCPUCPU工作于不同方式有不同的名稱和定義（工作于不同方式有不同的名稱和定義（WR/LOCK WR/LOCK 等）；等）；n分時復用引腳（分時復用引腳（ADAD7 7ADAD0 0 等）等） ；n引腳的輸入和輸出分別傳送不同的信息（引腳的輸入和輸出分別傳送不同的信息（RQ/GTRQ/GT）27主要引線（最小模式下）n地址線和數(shù)據(jù)線：地址線和數(shù)據(jù)線：nADAD7 7-AD-AD0 0：低低8 8位地址和數(shù)據(jù)信號分時復用。位地址和數(shù)據(jù)信號分時復用。在傳在傳送地址信號時為單向，傳送數(shù)據(jù)信號時為雙向。送地址信號時為單向，傳送數(shù)據(jù)信號時為雙向。nA A1919-A-A

11、1616：高高4 4位地址信號，分時復用。位地址信號，分時復用。nA A1515-A-A8 8 ：輸出輸出8 8位地址信號。位地址信號。28主要的控制和狀態(tài)信號nWRWR： 寫信號；寫信號；nRDRD： 讀信號；讀信號；nIO/MIO/M：為為“0”“0”表示訪問內(nèi)存，表示訪問內(nèi)存， 為為“1”“1”表示訪問接口；表示訪問接口；nDENDEN： 低電平有效時，允許進行讀低電平有效時，允許進行讀/ /寫操作；寫操作；nRESETRESET：復位信號。復位信號。29例：n當當WR=1WR=1，RD=0RD=0，IO/M=0IO/M=0時，時， 表示表示CPUCPU當前正在進行當前正在進行讀存儲器讀

12、存儲器操作操作30READY信號T T1 1T T2 2T T3 3TwaitTwaitT T4 431Ready信號外部同步控制輸入信號，外部同步控制輸入信號，外設發(fā)出，準備好。當外設發(fā)出，準備好。當READY為低電為低電平時，沒有準備好。平時，沒有準備好。CPU在在T3 周期周期 采樣采樣READY信號，為低時自動插入信號，為低時自動插入等待周期等待周期TW直到直到READY變成高電平。變成高電平。32中斷請求和響應信號nINTR：可屏蔽中斷請求輸入端可屏蔽中斷請求輸入端nNMI：非屏蔽中斷請求輸入端非屏蔽中斷請求輸入端nINTA：中斷響應輸出端中斷響應輸出端33總線保持信號nHOLD：總

13、線保持請求信號輸入端。當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，以外的其他設備要求占用總線時， 通過該引腳向通過該引腳向CPU發(fā)出請求。發(fā)出請求。nHLDA：總線保持響應信號輸出端?？偩€保持響應信號輸出端。CPU對對 HOLD信號的響應信號信號的響應信號。 (4)34三、三、8088CPU的內(nèi)部結構n8088內(nèi)部由兩部分組成：內(nèi)部由兩部分組成： 執(zhí)行單元（執(zhí)行單元（EU） 總線接口單元（總線接口單元（BIU）35執(zhí)行單元包括 運算器運算器 8個通用寄存器個通用寄存器 1個標志寄存器個標志寄存器 EU部分控制電路部分控制電路教材教材 圖圖2-636執(zhí)行單元n功能功能n指令

14、譯碼指令譯碼n指令執(zhí)行指令執(zhí)行n暫存中間運算結果暫存中間運算結果n保存運算結果特征保存運算結果特征指令的執(zhí)行指令的執(zhí)行在標志寄存器在標志寄存器FLAGS中中在在ALU中完成中完成在通用寄存器中在通用寄存器中37問題（1） 1. 微處理器內(nèi)部由那三部分組成？微處理器內(nèi)部由那三部分組成？ 2. 控制器有那些功能？控制器有那些功能？ 3. 8086由那兩部分組成？其功能是什么？由那兩部分組成？其功能是什么？ 4. 熟悉熟悉8088最小模式下的主要引腳功能。最小模式下的主要引腳功能。38總線接口單元功能：功能：負責負責CPU與存儲器、與存儲器、I/O接口之間的信息傳送。接口之間的信息傳送。 n從內(nèi)存中

15、取指令到指令預取隊列從內(nèi)存中取指令到指令預取隊列n負責與內(nèi)存或輸入負責與內(nèi)存或輸入/輸出接口之間的數(shù)據(jù)傳送輸出接口之間的數(shù)據(jù)傳送n在執(zhí)行轉移程序時，在執(zhí)行轉移程序時，BIU使指令預取隊列復位，從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。指定的新地址取指令，并立即傳給執(zhí)行單元執(zhí)行。39指令預取隊列的功能n指令預取隊列的存在使指令預取隊列的存在使EU和和BIU兩個兩個部分可部分可同時進行工作同時進行工作，從而，從而n提高了提高了CPU的效率；的效率；n降低了對存儲器存取速度的要求。降低了對存儲器存取速度的要求。在執(zhí)行指令時，在執(zhí)行指令時，BIU可訪問內(nèi)存?？稍L問內(nèi)存。408

16、088的內(nèi)部寄存器n含含14個個16位寄存器，按功能可分為三類位寄存器，按功能可分為三類 8個通用寄存器個通用寄存器 4個段寄存器個段寄存器 2個控制寄存器個控制寄存器深入理解：每個寄存器中數(shù)據(jù)的含義深入理解：每個寄存器中數(shù)據(jù)的含義41通用寄存器 數(shù)據(jù)寄存器（數(shù)據(jù)寄存器（AX，BX，CX，DX） 地址指針寄存器（地址指針寄存器（SP，BP） 變址寄存器（變址寄存器（SI，DI）42數(shù)據(jù)寄存器n8088含含4個個16位數(shù)據(jù)寄存器，它位數(shù)據(jù)寄存器，它們又可分為們又可分為8個個8位寄存器，即：位寄存器，即：nAXnBXnCXnDXAH，ALCH，CLBH，BLDH，DL43數(shù)據(jù)寄存器特有的習慣用法n

17、AX：累加器。所有累加器。所有I/O指令指令都通過都通過AX與接口傳送與接口傳送 信息，中間運算結果也多放于信息，中間運算結果也多放于AX中；中；nBX：基址寄存器。在基址寄存器。在間接尋址間接尋址中用于存放基地址；中用于存放基地址；nCX：計數(shù)寄存器。用于在計數(shù)寄存器。用于在循環(huán)或串操作指令循環(huán)或串操作指令 中存放計數(shù)值；中存放計數(shù)值；nDX：數(shù)據(jù)寄存器。在數(shù)據(jù)寄存器。在間接尋址的間接尋址的I/O指令指令中存放中存放 I/O端口地址；在端口地址；在32位乘除法位乘除法運算時，存放運算時，存放 高高16位數(shù)。位數(shù)。44地址指針寄存器nSP：堆棧指針寄存器，其內(nèi)容為：堆棧指針寄存器，其內(nèi)容為棧頂

18、的棧頂?shù)?偏移地址；偏移地址；nBP：基址指針寄存器，常用于在訪問內(nèi)基址指針寄存器，常用于在訪問內(nèi) 存時存放內(nèi)存單元的存時存放內(nèi)存單元的偏移地址偏移地址。45BX與BP在應用上的區(qū)別n作為通用寄存器，二者均可用于存放數(shù)據(jù)；作為通用寄存器，二者均可用于存放數(shù)據(jù)；n作為基址寄存器，用作為基址寄存器，用BX表示所尋找的數(shù)據(jù)在表示所尋找的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)段；用；用BP則表示數(shù)據(jù)在則表示數(shù)據(jù)在堆棧段堆棧段。46變址寄存器nSI：源變址寄存器源變址寄存器nDI：目標變址寄存器目標變址寄存器n變址寄存器常用于指令的間接尋址或變址變址寄存器常用于指令的間接尋址或變址尋址。特別是尋址。特別是在串操作指令中在串操

19、作指令中，用，用SI存放存放源操作數(shù)源操作數(shù)的偏移地址，而用的偏移地址，而用DI存放存放目標操目標操作數(shù)作數(shù)的偏移地址。的偏移地址。47段寄存器 用于存放相應邏輯段的段基地址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代碼段寄存器。代碼段存放指令代碼 DS：數(shù)據(jù)段寄存器數(shù)據(jù)段寄存器 ES：附加段寄存器附加段寄存器 SS：堆棧段寄存器：指示堆棧區(qū)域的位置堆棧段寄存器：指示堆棧區(qū)域的位置存放操作數(shù)存放操作數(shù)48控制寄存器nIP：指令指針寄存器，其內(nèi)容為指令指針寄存器，其內(nèi)容為下一條下一條要執(zhí)行要執(zhí)行 指令的偏移地址指令的偏移地址nFLAGS：標志寄存器，存放運算結果的特征標

20、志寄存器，存放運算結果的特征 6個狀態(tài)標志位（個狀態(tài)標志位（CF，SF，AF，PF，OF，ZF） 3個控制標志位（個控制標志位（IF，TF，DF） P48 圖圖2-949四、8086CPU的存儲器組織501.物理地址與邏輯地址（1）地址空間為什么要分段？內(nèi)部寄存器）地址空間為什么要分段？內(nèi)部寄存器16位，位，不能裝載不能裝載20位的物理地址。位的物理地址。 段基址、段內(nèi)偏移地址。段基址、段內(nèi)偏移地址。（2）物理地址生成方法：）物理地址生成方法：P47 圖圖27注：注：邏輯地址不唯一邏輯地址不唯一。511.物理地址與邏輯地址（3）存儲單元的兩種地址）存儲單元的兩種地址 物理地址物理地址：20位地

21、址總線提供的地址。位地址總線提供的地址。邏輯地址邏輯地址：編程所用的地址，段基地址和段內(nèi)偏：編程所用的地址，段基地址和段內(nèi)偏移地址，其形式是移地址，其形式是xxxxH:xxxxH即即 段基地址：段內(nèi)偏移地址段基地址：段內(nèi)偏移地址 52物理地址n段基地址段基地址 =6000Hn段首地址段首地址n偏移地址偏移地址n物理地址物理地址數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)段段60009H00H12H60000H0009H53存儲器物理地址的計算n物理地址由段基地址和物理地址由段基地址和偏移地址組成偏移地址組成物理地址物理地址=段基地址段基地址16+偏移地址偏移地址0 0 0 0段首地址段首地址 1904 偏移地址偏移地址+物物理理

22、地地址址54例：n已知已知 CS=1055H， DS=250AH ES=2EF0H SS=8FF0H 某操作數(shù)偏移地址某操作數(shù)偏移地址=0204H，n畫出各段在內(nèi)存中的分布、段首地址及操作數(shù)畫出各段在內(nèi)存中的分布、段首地址及操作數(shù)的物理地址。的物理地址。55例題解答n設操作數(shù)在數(shù)據(jù)段，則操設操作數(shù)在數(shù)據(jù)段，則操作數(shù)的物理地址為：作數(shù)的物理地址為：n250AH 16+0204H = 252A4H10550H250A0H2EF00H8FF00HCSDSESSS 56堆棧及堆棧段的使用n堆棧：內(nèi)存中一個特殊區(qū)域，用于存放暫時堆棧：內(nèi)存中一個特殊區(qū)域，用于存放暫時不用或需要保護的數(shù)據(jù)。不用或需要保護的

23、數(shù)據(jù)。n常用于響應中斷或子程序調(diào)用。常用于響應中斷或子程序調(diào)用。57例：n若已知（若已知（SS）=1000H （SP）=0100Hn則堆棧段的段首地址則堆棧段的段首地址 = ？n棧頂?shù)刂窏ｍ數(shù)刂?？n若該段最后一個單元若該段最后一個單元 地址為地址為10200H，則棧底則棧底=？段首段首棧底棧底棧頂棧頂堆堆棧棧區(qū)區(qū)58段寄存器的使用P50 表表 2-359問題（2）5. 指令隊列有什么功能？指令隊列有什么功能？6. 8088的的8個通用寄存器是什么？個通用寄存器是什么？ 4個段寄存器是什么？個段寄存器是什么？兩個控制寄存器是什么？兩個控制寄存器是什么？7. 什么是邏輯地址和物理地址，有什么關系

24、什么？什么是邏輯地址和物理地址，有什么關系什么？8. 4個段寄存器中那一個段寄存器用戶程序不用設置。個段寄存器中那一個段寄存器用戶程序不用設置。9. 什么是總線什么是總線?10. 總線周期中，什么情況下要插入總線周期中，什么情況下要插入TW等待周期？等待周期？11. 8088CPU中標志寄存器包含那些標志位什么？中標志寄存器包含那些標志位什么？60五、時序n時序的概念：時序的概念：CPU各引腳信號在時間上的關系各引腳信號在時間上的關系n總線周期：總線周期：CPU完成一次訪問內(nèi)存（或接口）完成一次訪問內(nèi)存（或接口） 操作所需要的時間。一個總線周期操作所需要的時間。一個總線周期 至少包括至少包括4

25、個時鐘周期。個時鐘周期。61微處理器的一般工作過程n一個程序工作例（求解一個程序工作例（求解5+8）取指令取指令1取操作數(shù)取操作數(shù)1取指令取指令2執(zhí)行指令執(zhí)行指令2622.32.3 系統(tǒng)總線63主要內(nèi)容：n總線的基本概念和分類；總線的基本概念和分類；n總線的工作方式；總線的工作方式；n常用系統(tǒng)總線標準。常用系統(tǒng)總線標準。64一、概述n總線：總線： 是是一組導線和相關的控制、驅動電路一組導線和相關的控制、驅動電路的的集合。集合。是計算機系統(tǒng)各部件之間傳輸?shù)刂贰?shù)據(jù)和控是計算機系統(tǒng)各部件之間傳輸?shù)刂?、?shù)據(jù)和控制信息制信息的的通道。通道。地址總線（地址總線（AB）數(shù)據(jù)總線（數(shù)據(jù)總線（DB）控制總線（

26、控制總線（CB）65總線分類66（1）按傳送的信息分）按傳送的信息分n地址總線地址總線（AB）：內(nèi)存單元地址或）：內(nèi)存單元地址或I/O端口地端口地址、地址總線的寬度、址、地址總線的寬度、8086的尋址端口的尋址端口16位，位，內(nèi)存內(nèi)存20位。位。n數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線（DB）：傳送數(shù)據(jù)，雙向，寬度。）：傳送數(shù)據(jù)，雙向，寬度。n控制總線控制總線（CB）：各種控制信號。）：各種控制信號。P76672、按層次結構分、按層次結構分nCPU總線總線（前端總線）（前端總線） ：CPU 引腳上的連線引腳上的連線n系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線：I/O 通道總線。主機與外設之間的通道總線。主機與外設之間的通信通道。通信通道。I/O 擴展插槽。擴展插槽。ISA 、 PCI、n AGP總線標準總線標準。n外設總線外設總線：主機與外部設備接口的總線。是外：主機與外部設備接口的總線。是外設的接口的標準：設的接口的標準： IDE、USB、 IEEE1394。683、按相對、按相對CPU的位置分：的位置分：n片內(nèi)總線片內(nèi)總線-CPU內(nèi)部寄存器、內(nèi)部寄存器、 ALU、控制器、控制器以及地址形成部件之間使用的總線。以及地址形成部件之間使用的總線。n片外總線片外總線- CPU與內(nèi)存和輸入輸出接口之間與內(nèi)存和輸入輸出接口之間進行通信的通路。進行通信的通路。69二、