微型計算機原理與接口技術(shù)第二章微型計算機基礎

微型計算機原理與接口

技術(shù)

第二章微型計算機基礎

第1頁

【：要的容J

1.微型計算機硬件組成

2.微型計算機基本工作原理

3.80x86功能結(jié)構(gòu)

第2頁

【老燈目標】

1.掌握微型計算機的組成；

2.掌握微型計算機的工作原理;

3.掌握8086的功能結(jié)構(gòu)；

4,掌握8086的工作方式；

5.理解8086的工作時序；

6,了解80x86的功能結(jié)構(gòu)。

第3頁

ItA]

i.微型計算機的組成和工作原理;

2.8086的功能結(jié)構(gòu)；

3.8086工作方式。

第4頁

【唯京】

61.8086的工作時序

第5頁

【加鶴克】

2.1微型計算機結(jié)構(gòu)

2.28086/8088微處理器

2.3系統(tǒng)總線

第6頁

2.1微型計算機基本結(jié)構(gòu)

＞微型計算機的組成

a微型計算機系統(tǒng)

(MCS—Micro-ComputerSystem)

O微型計算機工作原理

第7頁

微型計算機系統(tǒng)

第8頁

微處理器(Microprocessor)

一個大規(guī)模集成電路芯片

內(nèi)含控制器、運算器和寄存器等

微機中的核心芯片

微型計算機(Microcomputer)

通常指微型計算機的硬件系統(tǒng)

還有一般的說法：微機、微型機

微型計算機系統(tǒng)(Microcomputersystem)

指由硬件和軟件共同組成的完整的計算機系統(tǒng)

第9頁

,地址總線AB

輸

輸

存

出

CI/O入I/OI/O

儲

接㈡設

接設接

器

P㈡?zhèn)洧?/p>

口備口□

U

AB:AddressBus

DB:DataBus

CB:ControlBus第io頁

第11頁

功能：控制中心、提供運算、判斷能力

構(gòu)成：AL成CU、Registers

例：Intel8088/8086>PIILP4、Celeron

AMDK7(Athlon、Duron)

CPU的位數(shù)：4位、8位、16位、32位、64位

是指一次能處理的數(shù)據(jù)的位數(shù)

第12頁

典型8位微處理器結(jié)構(gòu)

外

來

控

制

信

號

D廣D。雙向數(shù)據(jù)總筑

第13頁

功能：存放程序和數(shù)據(jù)（各類信息數(shù)據(jù)、

文字、圖像、…）

內(nèi)存：ROM、RAM、CACHE...

特點：隨機存取，速度快，容量小

外存：硬盤、光盤、等...

特點：順序存取/塊存取，速度慢，容量

大

第14頁

簡寫為I/O接口，是CPU與外部設備間交換

信息的橋梁

第15頁

連接多個功能部件的一組公共信號線

地址總線AB：用來傳送CPU輸出的地址信號，確定被

訪問的存儲單元、I/O端口。地址線的根數(shù)決定了CPU

的尋址范圍。

CPU的尋址范圍=2Zn-地址線根數(shù)

數(shù)據(jù)總線DB：在CPU與存儲器、I/O接口之間數(shù)據(jù)傳送

的公共通路。數(shù)據(jù)總線的條數(shù)決定CPU一次最多可以

傳送的數(shù)據(jù)寬度。

控制總線CB：用來傳送各種控制信號

第16頁

地址總線的位數(shù)決定了可以連接存儲器的容量。

數(shù)據(jù)總線的位數(shù)決定了一次可以存取數(shù)據(jù)的位數(shù)。

處理器數(shù)據(jù)總線位地址總線位最大尋址空

CPU位數(shù)數(shù)數(shù)間

8088/80188168201MB

8086/801861616201MB

8028616162416MB

80386/804863232324GB

Pentium3264324GB

Pentiumll

32643664GB

/P3/P4

第17頁

軟件：為運行、管理和維護計算機系統(tǒng)或

為實現(xiàn)某一功能而編寫的各種程序的總

和及其相關資料。

操作系統(tǒng)

系統(tǒng)軟件鬻算

網(wǎng)絡系統(tǒng)

軟件工具軟件

應用軟件

第18頁

高級語言源程序匯編語言源程序

二進制機器作業(yè)指令

、F操作系統(tǒng)調(diào)度或BOOT引導

二進制兇器指令流

CPU取指、譯碼、控制單元

電路上的控制信號

直接控制CPU各部件運作通過接口電路控制外設運作

第19頁

用戶程序

操作系統(tǒng)

BIOS

裸機

第20頁

2.28086/8088微處理器結(jié)構(gòu)

8086微處理器：1978年推出,全球首款16位微處理器,

芯片上集成了2.9萬只晶體管，采用40條引腳雙列直插式

(DIP)封裝。

第21頁

lntel8086是標準的16位微處理器；Intel8088是準16位微處理器，它們

在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上都是按16位設計的，但山tel8088在外部引腳上和當時

的8位微處理器lnter8080/8085相兼容。不僅數(shù)據(jù)總線的位數(shù)加寬了一

倍，更重要的是采用了流水線處理技術(shù)。

一條指令的執(zhí)行可以分為：

取指令

指令譯碼

指令執(zhí)行

在指令執(zhí)行時根據(jù)需要在存儲器中存取操作數(shù)。

第22頁

8086與以往的8位機的最大區(qū)別

f8位微處理器中，是按照這三步周而復始的循環(huán)來工作的，

?每次取指令都是直接從存儲器中取出的。計算機執(zhí)行程序時,

CPU的工作順序是：

取指令...執(zhí)行指令...再取指令...再執(zhí)行指令...

在16位微處理器中，8086微處理器首先采用了預取指令技術(shù)，

提前把指令從存儲器中取到微處理器中，每次執(zhí)行指令的時

候直接在微處理器內(nèi)部就可以獲得指令，從而大大提高微處

理器的性能。

預取指令技術(shù)是通過設置預取指令緩沖隊列來實現(xiàn)的。

8086CPU工作順序是：取指令，執(zhí)行指令同時進行。并行工

2.28086/8088微處理器功能結(jié)構(gòu)

08086CPU的功能結(jié)構(gòu)

O寄存器結(jié)構(gòu)及操作

第24頁

2.28086/8088微處理器結(jié)構(gòu)

1.2.18088/8086微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

8086CPU由

指令執(zhí)行部件EU總線才妾口音B件BIU

兩個部分組成。

指令執(zhí)行部件EU主要功能是執(zhí)行指令。

總線接口部件BIU主要功能是負責CPU與存儲器和

I/O接口之間的數(shù)據(jù)傳送。

第25頁

2.28086/8088微處理器結(jié)構(gòu)

地址加法器

通用寄存器組地址總線（20位）

地址

通用寄存器Z

數(shù)據(jù)總線

BX

..

CX16位）

CS

DX

DS

SS專用寄存器組

ES

[P

內(nèi)部暫存器

總線］

總線8086內(nèi)存僮器?

、一ALU數(shù)據(jù)總線（16

控制

邏輯II/W口I

控制器

指令隊列

運算器隊列指令隊列

ALU

總線

EU

控制器

（8位）

標志寄存器

指令執(zhí)行部件（EU）總線接口部件（B1U）

圖1-38086微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)第26頁

2.2.18088/8086微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

指令執(zhí)行部件EU

r-----[I

通用寄存器

AXAHAL

BXBHBL

CXoa買IWEU^功能是執(zhí)行指

DXDHDLCS

BPFs令。一般情況下，

SPTs

豆'Ej

TF

DI

二內(nèi)部暫存器指令按照它存放的

ALU數(shù)據(jù)總線（1&交先后次序順序執(zhí)行,

從指令隊列中源

暫存器指令隊列EU

源不斷地取得指令

隊列指令隊列

ALUr總線代碼，滿負荷地連

EU仁

UII控制薜

X7

標志寄存器1」續(xù)執(zhí)行指令。

-------指令執(zhí)行部件皿

指令A指令B

第27頁

Hg.2.2.18088/8086微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1、指令執(zhí)行部件EUALU:

通用寄存器■''rx\可完成16位或8位

AXAHAL

BXBHBL丁松的二進制運算,運

CXCHCL

DXDHDLCS

Fs

BP算結(jié)果通過內(nèi)部總

Ts

SP

■siES

TF線送到通用寄存器

DI

內(nèi)部暫存器

ALU數(shù)據(jù)總線（1申g或者送往BIU的內(nèi)

\7

7>部暫存器中，等待

暫存器寫入內(nèi)存儲器。

運算結(jié)果的特

X7ALU

隊列指令隊列

ALU總線征（如有無進位）

EU

1356

控制器

（8位）仁置入標志寄存器中。

標志寄存器

指令執(zhí)行部件（W總線接口部件（BI

第28頁

2.2.18088/8086微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1、指令執(zhí)行部件EU

通用寄存器EU控制器負責

AX

2

BX數(shù)據(jù)，:從BIU的指令隊

CX

DXCS

DS歹［中取出寸旨令,

S3

ES

IP并對指令譯碼,

內(nèi)部暫存器

ALt數(shù)據(jù)總線（1權(quán),根據(jù)指令要求

7>

向EU內(nèi)部各部

暫存器

件發(fā)出控制命

隊列指令隊列

ALU令以實現(xiàn)各條

EU總線

1356J

控制器

X7（8位）

標志寄存器＜」指令的功能。

指令執(zhí)行部件（W總線接口部件（BI

第29頁

2.2.18088/8086微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2、總線接口部件BIU

BIU的功能:

形成訪問內(nèi)存儲器的

物理地址；

訪問內(nèi)存儲器取得指

令,暫存到指令隊列中

等待執(zhí)行；

訪問內(nèi)存儲器或I/O

接口以讀取操作數(shù)參與

EU運算，或存放運算結(jié)

果等；

產(chǎn)生外部總線的各種

控制信號。第30頁

Hg.2.2.18088/8086微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2、總線接口部件BIU

6字節(jié)的指令隊列：

一旦指令隊列中

空出2個字節(jié)，BIU將

自動進行讀指令的操

作以填滿指令隊列。

總線控制邏輯：

將CPU的內(nèi)部總

線與CPU引腳所連接

的外部總線相連，是

CPU與外部交換信息

的必經(jīng)之路。

第31頁

2.2.18088/8086微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

8086/8088CPU的流水線操作

?BIU不斷地從存儲器取指令送入指

令隊列，EU不斷地從指令隊列取出

指令執(zhí)行。

-EU和BIU構(gòu)成了一個簡單的2工位流水線

（指令隊列是實現(xiàn)流水線操作的關鍵，

類似于工廠流水線的傳送帶）

-使得大部分取指令操作和執(zhí)行指令操作

重疊進行，大大提高了CPU的工作效率

?新型CPU將一條指令劃分成更多的階

段，以便可以同時執(zhí)行更多的指令。

例如，P4為20個階段（超級流水線:

弟32貝

2.2.18088/8086微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3、8088CPU與8086CPU的區(qū)另

(1)8088與外部交換數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總線寬度是8位，而

EU內(nèi)部總線和寄存器仍是16位，所以把8088稱為準

16位微處理器。

(2)8088BIU中指令隊列長度只有4字節(jié),只要隊列

中出現(xiàn)一個空閑字節(jié)，BIU就會自動地訪問存儲器,

取指令來填滿指令隊列。

第33頁

2.2.28086/8088微處理器的寄存器

14個16位寄存器15870

累加器、

AXAHAL

通用數(shù)據(jù)寄存器：BXBHBL基址寄存器J通用數(shù)據(jù)

CXCHCL計數(shù)器寄存器

存放運算原始/中間結(jié)果DXDHDL數(shù)據(jù)寄存器J

150

指針和變址寄存器:SP堆棧指針、

BP基址指針指針和變址

存放存儲器地址SI源變址寄存器

DI目的變址J

150

控制寄存器：指令指針\

IPL

r控制寄存器

存放程序地址和FLAGS標志寄存器_>

其他控制信息50

CS代碼段

DS數(shù)據(jù)段

>-段寄存器

段寄存器：SS堆棧段

存放各段的信息ES附加段J

第34頁

2.2.28086/8088微處理器的寄存器

1.通用寄存器組（在EU中）

8個16位通用寄存器可分成兩組:

一般用來存放16位

的數(shù)據(jù)（參加運算

的數(shù)據(jù)或運算結(jié)

果）。

其中每一個又可分

成獨立的兩個8位

寄存器使用。8位

寄存器只能存放8

位數(shù)據(jù)。

第35頁

.2.28086/8088微處理器的寄存器

1.通用寄存器組（在EU中）

8個16位通用寄存器可分成兩組:

（源地址寄存器）

（目的地址寄存器）

（基址指針寄存器）

（堆棧指針寄存器）

主要用來存放數(shù)據(jù)的偏移地址。除SP外，也可

像數(shù)據(jù)寄存器一樣用來存放16位的數(shù)據(jù)。

第36頁

2.段寄存器（在BIU中）主要用來存放4

代碼段寄存器

個邏輯段的段

段寄數(shù)據(jù)段寄存器

存器堆棧段寄存器

附加段寄存器

對內(nèi)存進行操作時，內(nèi)存一

般可分成4個邏輯段：

代碼段、數(shù)據(jù)段、堆棧

段、附加數(shù)據(jù)段

每個段存放不同性質(zhì)的數(shù)據(jù),

進行不同的操作。

第37頁

2.28086/8088微處理器的寄存器

2.段寄存器（在BIU中）主要用來存放4

個邏輯段的段

段寄

存器基址。

代碼段:存放程序指令。

數(shù)據(jù)段:用于存放當前運行程序所使用的數(shù)

據(jù)。

附加數(shù)據(jù)段：需要第二個數(shù)據(jù)段時可以使用

附加數(shù)據(jù)段。

堆棧段：用來存放專用數(shù)據(jù)。對該區(qū)域的數(shù)

據(jù)的存取遵循“先進后出”規(guī)則。

第38頁

每個段的起

始地址可用

段寄存器來

指明，程序

可從4個段寄

存器指明的

邏輯段中存

取指令和數(shù)

據(jù)。

FFFFFH

2.2.28086/8088微處理器的寄存器

3.標志寄存器FLAGS

1514131211109876543210

OFDFIFTFSFZFAFPFCF

9個標志位，存放CPU的兩類標志：

狀態(tài)標志（6個），在每次運算后產(chǎn)生，用來

表示運算結(jié)果的特征，包括CF、PF、AF、ZF、SF

和0F;

控制標志（3個），由指令設置，用來控制CPU

的操作，包括IF、DF和TF。

第40頁

2.2.28086/8088微處理器的寄存器

3.標志寄存器FLAGS

1514131211109876543210

OFDFIFTFSFZFAFPFCF

OF(OverflowFlag):溢出標志

-OF=1:兩個有符號數(shù)的運算結(jié)果超出范圍，結(jié)果錯誤。

?OF=0:沒有溢出，結(jié)果正確。

?進行無符號數(shù)運算時也會產(chǎn)生新的OF標志，此時無意義。

CF(CarryOutFlag):進位/借位標志

-CF=1:兩個無符號數(shù)的加法運算有“進位”，或者是減法運算

有“借位”，需要對它們的“高位”進行補充處理。

?CF=0:沒有產(chǎn)生進位或借位。

?進行有符號數(shù)運算時也會產(chǎn)生新的CF標志，此時無意義。

2.2.28086/8088微處理器的寄存器

3.標志寄存器FLAGS

1514131211109876543210

IOFIDFIIFITFISFIZFI[AF][PF][CF

SF（SignFlag）:符號標志,

SF=L表示運算結(jié)果的最高位為“1”。________

對于有符號數(shù)豆竟

OF=0時，結(jié)果正確：

SF=1表示運算結(jié)果為負

SF=0表示運算結(jié)果非負（正或零）

OF=1時，結(jié)果是錯誤的，符號位和正確值相反

例如，兩個負數(shù)相加產(chǎn)生溢出，此時SF=0。

對于無符號數(shù)運算，SF無意義（但是可以看出結(jié)果的大小規(guī)模）

2.2.28086/8088微處理器的寄存器

3.標志寄存器FLAGS

1514131211109876543210

OFDFIFTFSFZFAFPFCF

ZF(ZeroFlag):零標志

ZF=1運算結(jié)果為零，減法運算后結(jié)果為零意味著兩個參加

運算的數(shù)大小相等。

ZF=0運算結(jié)果非零。

AF:輔助進位標志，兩個BCD數(shù)運算卅b,位上的講位，供運算

后“調(diào)整”結(jié)果用，對其他數(shù)的運算沒有意義

O

PF(ParityFlag):奇偶標志,可以用來進行“奇偶校驗”

PF=1運算結(jié)果的低8位中有偶數(shù)個“1”(Even)

PF=0運算結(jié)果的低8位中看奇數(shù)個T(Odd)

■?.2.28086/8088微處理器的寄存器

運算結(jié)果對狀態(tài)標志位的影響

（1）（AL）+（AH）

00111011AL.

+01111101AH~

10111000，

上述運算后：

CF=0（無進位）；

AF=1（有輔助進位）；

PF=1（運算結(jié)果有4個1）;

SF=1（運算結(jié)果符號位為1）;

OF=1（有溢出）；

ZF=0（運算結(jié)果不為0）。

第44頁

■?.2.28086/8088微處理器的寄存器

運算結(jié)果對狀態(tài)標志位的影響

（1）（AL）-（AH）

00111011AL.

—01111101AH“

10111110.

上述運算后：

CF=1（有借位）；

AF=1（有輔助借位）；

PF=1（運算結(jié)果中有6個1）;

SF=1（符號位為1）;

OF=0（無溢出）；

ZF=O（運算結(jié)果不為0）。第45頁

9.2.28086/8088微處理器的寄存器

3.標志寄存器FLAGS

1514131211109876543210

OFDFIFTFSFZFAFPFCF

IF(InterruptEnableFlag):中斷允許標志

IF=1允許處理器響應“可屏蔽中斷請求”信號，稱為“開中斷”

IF=O不允許處理器響應“可屏蔽中斷請求”信號，稱為“關中斷

TF(TraceFlag):單步(跟蹤)標志

TF=1時，每執(zhí)行完一條指令都會產(chǎn)生一次“1號”中斷，該程序被

暫停執(zhí)行。它用于程序的調(diào)試

DF(DirectionFlag):方向標志

DF=0執(zhí)行字符串指令后，用加法修改源或目的地址指針

DF=1用減法來修改地址指針

2.28086/8088微處理器的寄存器

4.指令指針寄存器IP

?存放即將執(zhí)行的指令的偏移地址，與CS共同確

定即將執(zhí)行的指令的物理地址。

?程序運行過程中，BIU自動修改IP中的內(nèi)容，使

它始終指向?qū)⒁獔?zhí)行的下一條指令。

?程序不能直接訪問IP。

X

當前正在

4A00H:1020H.......執(zhí)行的指令

4A00H:1022HMOVAX,1020H

4A00H:1025HADDAX,Y

執(zhí)行時，

“MOVAX,1020H”IP=1025H第47頁

2.38086引腳信號和工作模式

>8086引腳信號和功能

€>最小模式下引腳信號和功能

O最大模式下引腳信號和功能

O系統(tǒng)總線

第48頁

2.38086引腳信號和工作模式

8086引腳信號和功能

ADO

系-(S2)M/I0

RD

統(tǒng)AD15

控(LOCK)WRA16/S3總

制(SO)DEN線

L

(S1)DT/R信

8086A19/S6

總線(RQO)HOLD號

控制BHE/S7

.(RQl)HLDA

ALE(QSO)

-READY中

INTA(QS1)

CPUTEST斷

INTR

控制RESET控

JMN/MXNMI」制

CLK

VCCGND

第49頁

2.38086引腳信號和工作模式

8086引腳圖

GHD——■-f：化C

ADia____一口AD1Z1140.

叫33記------Al6/S3

附2----437------A17/S4

AD11536——A18/SS

AD1O635——A19/S6

ADy——134——BHE/S7

AD8——833------MN/麻

ADz——932!RD

嘰——1031——HOLD

8086RQ/GTo

AD5——II30——HLDA

CPIJRQ/GT1

AD4——1229——麗LOCK

AD3——1328——M/roS2

AD2——1427-DT/RS1

AD1——1528——DENSO

ADQ——1625——ALEQSo

NMI——1724INTAQS1

IHTR——1823TEST

CLK——19二——READY

GND——20.'I-------RESET

最小方式最大方式

第50頁

2.38086引腳信號和工作模式

2.3.2最小模式下引腳信號和功能

當8086的引腳MN/MX接成高電平時CPU處于最小模式工作

方式，此時系統(tǒng)中僅有一個處理器。在此模式下CPU

各引腳定義如下：

1、AD0~AD15:地址數(shù)據(jù)復用總線

雙向，三態(tài)，高電平有效。分時傳送16位數(shù)據(jù)和地址的低16位。由

ALE鎖存地址信息。在總線周期T1用來輸出地址，在其他時鐘周期

中，讀周期時處于懸浮狀態(tài)，寫周期時傳送數(shù)據(jù)。

第51頁

2.38086引腳信號和工作模式

2.3.2最小模式下引腳信號和功能

2、A16/S3~A19/S6:地址狀態(tài)復用引腳

輸出，三態(tài)，高電平有效。分時輸出地址的高4位或CPU當前狀態(tài)。

地址信息由ALE鎖存。T1輸出高4位地址，其他時鐘周期輸出CPU當

前狀態(tài)。

3、BHE/S7:高8位數(shù)據(jù)總線允許/狀態(tài)復用引腳

輸出，三態(tài)，低電平有質(zhì)在T1時鐘周期為低電平表示高8位數(shù)

據(jù)線AD8~AD15上數(shù)據(jù)有效，否則表示只使用AD0~AD7上的8偷數(shù)

據(jù)。麗iE鎖存。和A0可用于分別選中奇偶地址的字或字節(jié)。

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2.38086引腳信號和工作模式

2.3.2最小模式下引腳信號和功能

4、ALE:地址鎖存允許信號

輸出、高電平有效。表示總線上的是地址信息，在T1產(chǎn)生正脈沖，利

用其下降沿鎖存地址信息。

5、M/IO：存儲器/輸入輸出控制信號

輸出，三態(tài)，高電平表示當前的信息是地址信息；低電平表示當前訪

回的是I/O口。

6、RD:讀信號

輸出，三態(tài)，低電平有效。表示當前總線周期正在讀存儲器或從I/O口

輸入信息。

7、WR:寫信號

輸出，三態(tài)，低電平有效。表示CPU正向存儲器寫入數(shù)據(jù)或向I/O口輸

出數(shù)據(jù)。

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2.38086引腳信號和工作模式

2.3.2最小模式下引腳信號和功能

8、DT/一數(shù)據(jù)收發(fā)信號

輸出，三態(tài)，高電平表示CPU正在發(fā)送數(shù)據(jù)；低電平表示CPU接收

數(shù)據(jù)。

9、嬴：數(shù)據(jù)允許信號

輸出，三態(tài)，低電平有效。表示CPU正在進行數(shù)據(jù)收發(fā)操作。

10、INTR:可屏蔽中斷請求信號

輸入」高電平有效。表示外部向CPU提出中斷申請。

11、INTA：中斷響應信號

輸出，低電平有效。表示外設的中斷申請得到響應。