微机原理及应用(第2章)

1、微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线1Research Center of Information and Control Engineering, Xian University of Technology 微型计算机概述微型计算机概述专专 业：业：自动化自动化教教 师：焦尚彬师：焦尚彬学学 生：生：自动化自动化09级级 微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线22.0 微型计算机的发展微型计算机的发展2.1 微型计算机的基本结构微型计算机的基本结构2.2 8088(8086)CPU结构结构2.3 系统总线的形成

2、系统总线的形成微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线3 2.0 微机发展微机发展l计算机系统计算机系统是能够自动地、快速地、准确地进行信是能够自动地、快速地、准确地进行信息处理的电子工具，其工作过程的实质是电子器件息处理的电子工具，其工作过程的实质是电子器件状态的快速变化。状态的快速变化。l1946年，世界上出现了第一台由电子管构成的，能年，世界上出现了第一台由电子管构成的，能够按照人们事先的安排，快速完成所要求计算任务。够按照人们事先的安排，快速完成所要求计算任务。 第一讲第一讲 微机发展和基本结构微机发展和基本结构微机原理及应用多媒体课件微机原理及应

3、用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线4l计算机发展的各个阶段是以所采用的电子器件的不计算机发展的各个阶段是以所采用的电子器件的不同来划分的，即电子管、晶体管、中小规模集成电同来划分的，即电子管、晶体管、中小规模集成电路和大规模及超大规模集成电路计算机。路和大规模及超大规模集成电路计算机。l微型计算机属于第四代电子计算机产品，即大规模微型计算机属于第四代电子计算机产品，即大规模及超大规模集成电路计算机，是继承电路技术不断及超大规模集成电路计算机，是继承电路技术不断发展，芯片集成度不断提高的产物。发展，芯片集成度不断提高的产物。微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线

4、微处理器及总线5l主机按体积、性能和价格分为巨型机、大型机、中主机按体积、性能和价格分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机五类，从其工作原理上来讲，型机、小型机和微型机五类，从其工作原理上来讲，微型机与其它几类计算机并没有本质上的差别。所微型机与其它几类计算机并没有本质上的差别。所不同的是由于采用了集成度较高的器件，使得其在不同的是由于采用了集成度较高的器件，使得其在结构上具有独特的特点，即将组成计算机硬件系统结构上具有独特的特点，即将组成计算机硬件系统的两大核心部分的两大核心部分运算器和控制器运算器和控制器，集成在一片集，集成在一片集成电路芯片上，显然该芯片是整个微机系统的核心，成电路芯

5、片上，显然该芯片是整个微机系统的核心，称为中央处理器称为中央处理器CPU，或者微处理器，或者微处理器MPU。微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线6一、一、 微机的发展微机的发展l 微机系统的核心部件为微机系统的核心部件为CPU，因此我们主要以，因此我们主要以CPU的发展、演变过程为线索，来介绍微机系统的的发展、演变过程为线索，来介绍微机系统的发展过程，主要以发展过程，主要以Intel公司的公司的CPU为主线。为主线。微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线7第一代：第一代：4位及低档位及低档8位微处理器位微处理器l

6、1971年，年，Intel公司推出第一片公司推出第一片4位微处理器位微处理器Intel4004，以其为核心组成了一台高级袖珍计算机。，以其为核心组成了一台高级袖珍计算机。随后出现的随后出现的Intel4040，是第一片通用的，是第一片通用的4位微处理位微处理器。器。l1972年，年，Intel8008，8位，集成度约位，集成度约2000管管/片，时片，时钟频率钟频率1MHz。微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线8第二代：中、低档第二代：中、低档8位微处理器位微处理器l1973年年1974年，年，Intel8008、M6800、Rockwell6502，

7、8位，集成度位，集成度5000管管/片，时钟频率片，时钟频率24MHz。l这一时期，微处理器的设计和生产技术已经相当成这一时期，微处理器的设计和生产技术已经相当成熟，组成微机系统的其它部件也愈来愈齐全，系统熟，组成微机系统的其它部件也愈来愈齐全，系统朝着提高集成度、提高功能与速度，减少组成系统朝着提高集成度、提高功能与速度，减少组成系统所需的芯片数量的方向发展。所需的芯片数量的方向发展。微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线9第三代：高、中档第三代：高、中档8位微处理器位微处理器l1975年年1976年，年，Z80，Intel8085，8位，时位，时钟频

8、率钟频率24MHz，集成度约，集成度约10000管管/片，还片，还出现了一系列单片机。出现了一系列单片机。微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线10第四代：第四代：16及低档及低档32位微处理器位微处理器l1978年，年，Intel首次推出首次推出16位处理器位处理器8086（时钟频率达（时钟频率达到到48MHz），），8086的内部和外部数据总线都是的内部和外部数据总线都是16位，地址总线为位，地址总线为20位，可直接访问位，可直接访问1MB内存单元。内存单元。l1979年，年，Intel又推出又推出8086的姊妹芯片的姊妹芯片8088（时钟频率（时钟

9、频率达到达到4 8MHz），集成度达到），集成度达到2万万6万管万管/片。它与片。它与8086不同的是外部数据总线为不同的是外部数据总线为8位（地址线为位（地址线为20位）。位）。微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线11l1982年，年，Intel推出了推出了80286（时钟频率为（时钟频率为10MHz），），该芯片仍然为该芯片仍然为16位结构，但地址总线扩展到位结构，但地址总线扩展到24位，可位，可访问访问16MB内存，其工作频率也较内存，其工作频率也较8086提高了许多。提高了许多。80286向后兼容向后兼容8086的指令集和工作模式（实模式），的

10、指令集和工作模式（实模式），并增加了部分新指令和一种新的工作模式并增加了部分新指令和一种新的工作模式保护模保护模式。式。微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线12l1985年，年，Intel又推出了又推出了32位处理器位处理器80386（时钟频（时钟频率为率为20MHZ），该芯片的内外部数据线及地址总），该芯片的内外部数据线及地址总线都是线都是32位，可访问位，可访问4GB内存，并支持分页机制。内存，并支持分页机制。除了实模式和保护模式外，除了实模式和保护模式外，80386又增加了一种又增加了一种“虚拟虚拟8086”的工作模式，可以在操作系统控制下的工作

11、模式，可以在操作系统控制下模拟多个模拟多个8086同时工作。同时工作。微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线13l1989年推出了年推出了80486（时钟频率为（时钟频率为3040MHz），），集成度达到集成度达到15万万50万管万管/片（片（168个脚），甚至上个脚），甚至上百万管百万管/片，因此被称为超级微型机。早期的片，因此被称为超级微型机。早期的80486相当于把相当于把80386和完成浮点运算的数学协处理器和完成浮点运算的数学协处理器80387以及以及8kB的高速缓存集成到一起，这种片内的高速缓存集成到一起，这种片内高速缓存称为一级（高速缓存称

12、为一级（L1）缓存，）缓存，80486还支持主板还支持主板上的二级（上的二级（L2）缓存。后期推出的）缓存。后期推出的80486 DX2首次首次引入了倍频的概念，有效缓解了外部设备的制造工引入了倍频的概念，有效缓解了外部设备的制造工艺跟不上艺跟不上CPU主频发展速度的矛盾。主频发展速度的矛盾。微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线14第五代：高档第五代：高档32位微处理器位微处理器l1993年，年，Intel公司推出了新一代高性能处理器公司推出了新一代高性能处理器Pentium（奔（奔腾），腾），Pentium最大的改进是它拥有超标量结构（支持在一最大的

13、改进是它拥有超标量结构（支持在一个时钟周期内执行一至多条指令），且一级缓存的容量增个时钟周期内执行一至多条指令），且一级缓存的容量增加到了加到了16kB，这些改进大大提升了，这些改进大大提升了CPU的性能，使得的性能，使得Pentium的速度比的速度比80486快数倍。除此之外，快数倍。除此之外，Pentium还具有还具有良好的超频性能，把一个低主频良好的超频性能，把一个低主频CPU当作高主频当作高主频CPU来使来使用，使得花费较低的代价可获得较高的性能。用，使得花费较低的代价可获得较高的性能。AMD和和Cyrix推出了与推出了与Pentium兼容的处理器兼容的处理器K5和和6x86，但是由于

14、这些产品的浮点性能不如但是由于这些产品的浮点性能不如Pentium，超频性能，超频性能不强，且主频始终跟在不强，且主频始终跟在Intel后面跑，因此只获得了少部后面跑，因此只获得了少部分的市场份额。分的市场份额。微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线151996年，年，Intel公司推出了公司推出了Pentium Pro（高能奔（高能奔腾）。该芯片具有两大特色：腾）。该芯片具有两大特色： 一是片内封装了与一是片内封装了与CPU同频运行的同频运行的256kB或或512kB二级缓存；二级缓存； 二是支持动态预测执行，可以打乱程序原有指二是支持动态预测执行，可

15、以打乱程序原有指令顺序，按照优化顺序同时执行多条指令，这两项令顺序，按照优化顺序同时执行多条指令，这两项改进使得改进使得Pentium Pro的性能又有了质的飞跃。的性能又有了质的飞跃。微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线16l1997年初，年初，Intel发布了发布了Pentium的改进型号的改进型号Pentium MMX（多能奔腾），将一级缓存提高到（多能奔腾），将一级缓存提高到32kB，同时增加了，同时增加了57条条MMX（多媒体扩展）指令，（多媒体扩展）指令，有效地增强了有效地增强了CPU处理音频、图像和通信等多媒体处理音频、图像和通信等多媒体

16、应用的能力。应用的能力。兼容兼容CPU厂商在这段时间也相继推出了多款产品来与厂商在这段时间也相继推出了多款产品来与Pentium MMX竞争，其中最具代表性的要数竞争，其中最具代表性的要数AMD的的K6。K6也支持也支持MMX指令集，拥有一级缓存指令集，拥有一级缓存64kB，整数运算，整数运算性能相当优秀，超过了同主频的性能相当优秀，超过了同主频的Pentium MMX，甚至逼，甚至逼近近P。但。但K6并没有解决浮点运算性能差的问题，在图并没有解决浮点运算性能差的问题，在图形、图像、游戏等应用中的表现不尽如人意。形、图像、游戏等应用中的表现不尽如人意。微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒

17、体课件 微处理器及总线微处理器及总线17l1997年推出了年推出了P。P是对是对Pentium Pro的改进，的改进，因为其核心结构与因为其核心结构与Pentium Pro类似，但加快了类似，但加快了16位指令的执行速度，且支持位指令的执行速度，且支持MMX指令集。指令集。微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线18l1998年推出了赛扬（年推出了赛扬（Celeron）如）如P ，其特点是去掉了，其特点是去掉了P的二级缓存以及其它可以省略的东西，从而将价格降的二级缓存以及其它可以省略的东西，从而将价格降了下来。了下来。l1999年又推出了开发代号为年又推出

18、了开发代号为Coppermine的的P，该芯片加，该芯片加入了引起争议的入了引起争议的CPU序列号功能，支持序列号功能，支持SSE（Streaming SIMD Extensions，单一指令多数据流扩展）指令集，这，单一指令多数据流扩展）指令集，这是针对是针对MMX的弱点和的弱点和3DNow!设计的设计的70条新指令，大大加条新指令，大大加强强CPU在三维图像和浮点运算方面的能力。在三维图像和浮点运算方面的能力。微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线19l2000年年3月底，月底，Intel又推出了又推出了566MHz和和600MHz的赛扬的赛扬（也叫

19、（也叫Coppermine-128kB）。）。到目前为此，赛扬已经经历了几次更新换代。第一代为到目前为此，赛扬已经经历了几次更新换代。第一代为没有二级缓存的赛扬没有二级缓存的赛扬266和和300，第二代为带，第二代为带128kB二级二级缓存的赛扬缓存的赛扬300A、333A、533，中间又将，中间又将Slot 1接接口改为了口改为了Socket 370接口（类似于接口（类似于Socket 7，有，有370个针个针脚，与脚，与Socket 7不兼容），第三代为赛扬不兼容），第三代为赛扬，它们为，它们为Intel抢回低端市场立下了汗马功劳。抢回低端市场立下了汗马功劳。lCPU芯片的发展趋势：芯片的

20、发展趋势：基因基因芯片、芯片、光电光电芯片。芯片。微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线20二、二、 微型计算机的特点微型计算机的特点 微型计算机本质上与其它计算机并无太多的区别，所微型计算机本质上与其它计算机并无太多的区别，所不同的是由于广泛采用了集成度相当高的器件和部件，特不同的是由于广泛采用了集成度相当高的器件和部件，特别是把组成计算机系统的两大核心部件别是把组成计算机系统的两大核心部件运算器和控制器运算器和控制器集成在一起，形成了微型计算机系统的中央处理器集成在一起，形成了微型计算机系统的中央处理器CPU，因此带来微型计算机系统的下列一系列特点：

21、因此带来微型计算机系统的下列一系列特点：l体积小，重量轻体积小，重量轻l价格低价格低l可靠性高，结构灵活可靠性高，结构灵活l应用面广应用面广l功能强，性能优越。功能强，性能优越。微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线212.1.1 微型计算机的组成及各部分的功能微型计算机的组成及各部分的功能l 微型计算机由硬件系统和软件系统微型计算机由硬件系统和软件系统两大部分构成两大部分构成 l 1. 硬件系统硬件系统l 微型计算机硬件系统如图微型计算机硬件系统如图2.1所示。所示。微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线22图图

22、2.1 微型计算机的硬件结构微型计算机的硬件结构微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线23微型计算机主要由如下几个部分组成：微型计算机主要由如下几个部分组成：l 1、微处理器微处理器或称中央处理单元或称中央处理单元(CPU)l 2、内部存贮器内部存贮器(简称内存简称内存)l 3、输入输出接口输入输出接口(简称接口简称接口)l 4、系统总线系统总线 微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线24 (1) CPU CPU是一个复杂的电子逻辑元件，它是一个复杂的电子逻辑元件，它包含了早期计算机中的运算器、控制器及包含了早期计

23、算机中的运算器、控制器及其他功能，能进行算术、逻辑及控制操作。其他功能，能进行算术、逻辑及控制操作。是计算机系统的核心部件。是计算机系统的核心部件。微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线25CPU具有以下具有以下功能功能：l1.进行算术和逻辑运算；进行算术和逻辑运算；l2.具有接收存储器和具有接收存储器和I/O接口来的数据和发送数据给接口来的数据和发送数据给存储器和存储器和I/O接口的能力；接口的能力；l3.可以暂存少量数据；可以暂存少量数据；l4.能对指令进行寄存、译码并执行所规定的操作；能对指令进行寄存、译码并执行所规定的操作；l5.提供整个系统所需

24、要的定时和控制信号；提供整个系统所需要的定时和控制信号；l 6.可响应可响应I/O设备的中断请求。设备的中断请求。 微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线26 (2)内存内存l 所谓所谓内存内存，是指微型计算机内部的存，是指微型计算机内部的存贮器。贮器。 它直接连接在系统总线上，用来它直接连接在系统总线上，用来存放要执行的存放要执行的程序程序和和数据数据。l 数据的数据的读出读出：CPU从内存中取出程序从内存中取出程序执行或取出数据加工处理的过程。执行或取出数据加工处理的过程。l 数据的数据的写入写入：CPU将数据和程序存放将数据和程序存放于内存的过程。

25、于内存的过程。微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线27l 地址地址：存储器由许多单元组成，：存储器由许多单元组成，8088规定每个存储单元要存规定每个存储单元要存8位二进制数，为位二进制数，为区分各个存储单元，就给每个存储单元区分各个存储单元，就给每个存储单元编上号码，存储单元的号码就称为地址。编上号码，存储单元的号码就称为地址。一般用十六进制数表示。一般用十六进制数表示。l 内容内容：每个存储单元中存放的：每个存储单元中存放的8位二进位二进制。制。l注意：地址与内容的区别注意：地址与内容的区别微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器

26、及总线微处理器及总线28(3) 系统总线系统总线l 所有的微型计算机都采用总线结构。所有的微型计算机都采用总线结构。 l 所谓所谓总线总线就是用来传送信息的一组通信线。就是用来传送信息的一组通信线。l 系统总线将构成微型机的各个部件连接到一系统总线将构成微型机的各个部件连接到一起，实现了微型机内部各部件间的信息交换起，实现了微型机内部各部件间的信息交换（见图（见图2.1）。称这种总线为）。称这种总线为内总线内总线。包括。包括地址地址总线总线AB（根据寻址空间大小而不同）、数据（根据寻址空间大小而不同）、数据总线总线DB、控制总线、控制总线CB三类。三类。微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多

27、媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线29地址总线地址总线(Address Bus) 地址总线是微型计算机用来传送地址信息的信号地址总线是微型计算机用来传送地址信息的信号线。地址总线的位数决定了线。地址总线的位数决定了CPU可以直接寻址的内存可以直接寻址的内存空间的大小。因为地址总是从空间的大小。因为地址总是从CPU发出的，所以地址发出的，所以地址总线是单向的、三态总线。单向指信息只能沿一个方总线是单向的、三态总线。单向指信息只能沿一个方向传送，三态指除了输出高、低电平状态外，还可以向传送，三态指除了输出高、低电平状态外，还可以处于高阻抗状态（浮空状态）。处于高阻抗状态（浮空状态）。微机原理及

28、应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线30数据总线数据总线(Data Bus)l 数据总线是数据总线是CPU用来传送数据信息的信号线（双用来传送数据信息的信号线（双向、三态）。数据总线是双向三态总线，即数据既可向、三态）。数据总线是双向三态总线，即数据既可以从以从CPU送到其它部件，也可以从其它部件传送给送到其它部件，也可以从其它部件传送给CPU，数据总线的位数和处理器的位数相对应。，数据总线的位数和处理器的位数相对应。控制总线控制总线(Control Bus)l 控制总线是用来传送控制信号的一组总线。这组控制总线是用来传送控制信号的一组总线。这组信号线比较复杂，

29、由它来实现信号线比较复杂，由它来实现CPU对外部功能部件对外部功能部件（包括存储器和（包括存储器和I/O接口）的控制及接收外部传送给接口）的控制及接收外部传送给CPU的状态信号，不同的微处理器采用不同的控制信的状态信号，不同的微处理器采用不同的控制信号。号。l 控制总线的信号线，有的为单向，有的为双向或控制总线的信号线，有的为单向，有的为双向或三态，有的为非三态，取决于具体的信号线。三态，有的为非三态，取决于具体的信号线。微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线31l 微型机以微型机以CPU为核心，为核心，CPU提供的信提供的信号经号经总线形成电路总线形成

30、电路形成系统总线，其他形成系统总线，其他部件部件“挂接挂接”在系统总线上。在系统总线上。l 微型机外部与其他外设和计算机进行微型机外部与其他外设和计算机进行通信的连接线称为通信的连接线称为外总线外总线。微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线32(4) 接口接口l 微型计算机广泛地应用于各个部门和领域，微型计算机广泛地应用于各个部门和领域，所连接的外部设备是各式各样的，输入输出及所连接的外部设备是各式各样的，输入输出及控制信号各不相同，有模拟信号也有数字信号，控制信号各不相同，有模拟信号也有数字信号，有电平信号也有电流信号。有电平信号也有电流信号。l 为了

31、使计算机与外设能够联系在一起，相互为了使计算机与外设能够联系在一起，相互匹配有条不紊地工作，就需要在计算机与外设匹配有条不紊地工作，就需要在计算机与外设间接一个中间部件，使计算机正常工作，该部间接一个中间部件，使计算机正常工作，该部件就叫做件就叫做输入输出接口输入输出接口。l 为了便于为了便于CPU对接口读写，就必须为接口编对接口读写，就必须为接口编号，称作接口地址。号，称作接口地址。8088的接口地址从的接口地址从0000H到到FFFFH编址，共编址，共64K。微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线332. 软件系统软件系统l 微型计算机要正常工作，必

32、须软硬件相微型计算机要正常工作，必须软硬件相结合。结合。l 微型计算机软件系统包括微型计算机软件系统包括系统软件系统软件和和应应用软件用软件两大类。两大类。微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线34(1)系统软件系统软件l 系统软件用来对构成微型计算机的各部分硬件，系统软件用来对构成微型计算机的各部分硬件，如如CPU、内存、各种外设进行管理和协调，使它、内存、各种外设进行管理和协调，使它们有条不紊高效率地工作。同时为其它程序的开们有条不紊高效率地工作。同时为其它程序的开发、调试、运行提供一个良好的环境。发、调试、运行提供一个良好的环境。l 它包括它包括操

33、作系统操作系统和在操作系统平台下运行的各和在操作系统平台下运行的各种高级语言、数据库系统、工具软件及汇编语言种高级语言、数据库系统、工具软件及汇编语言等。在操作系统支持下，用户可以开发应用软件。等。在操作系统支持下，用户可以开发应用软件。微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线35(2) 应用软件应用软件l 应用软件是针对不同应用，实现用应用软件是针对不同应用，实现用户要求的功能软件，例如，户要求的功能软件，例如，Internet网点网点上的上的Web页、各部门的页、各部门的MIS程序、程序、CIMS中的应用软件以及生产过程中的监测控中的应用软件以及生产过

34、程中的监测控制程序等等。制程序等等。l 应用程序由用户编写，根据微型机应用程序由用户编写，根据微型机应用系统的资源情况来选择用高级语言应用系统的资源情况来选择用高级语言或汇编语言。或汇编语言。微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线362.1.2 微型计算机的工作过程微型计算机的工作过程l 微型机为完成某种任务，常将任务分微型机为完成某种任务，常将任务分解成一系列的解成一系列的基本动作基本动作逐一完成。逐一完成。 l CPU进行简单的算术运算或逻辑运算，进行简单的算术运算或逻辑运算，或从存贮器取数，将数据存放于存贮器，或从存贮器取数，将数据存放于存贮器，或

35、由接口取数或向接口送数，这些都是或由接口取数或向接口送数，这些都是一些基本动作，也称为一些基本动作，也称为CPU的操作的操作。 微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线37l 例如用微型计算机求解例如用微型计算机求解“7+10=?”这这样一个极为简单的问题，必须利用指令样一个极为简单的问题，必须利用指令告诉计算机该做的每一个步骤，先做什告诉计算机该做的每一个步骤，先做什么，后做什么。具体步骤就是：么，后做什么。具体步骤就是： l 7AL l AL+10AL 微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线38 其含义就是把其含

36、义就是把7这个数送到这个数送到AL里面，然后里面，然后将将AL中的中的7和和10相加，把要获得的结果存放在相加，把要获得的结果存放在AL里。把它们变成计算机能够直接识别并执里。把它们变成计算机能够直接识别并执行的程序如下：行的程序如下：l 10110000 l 00000111 第一条指令第一条指令l 00000100 l 00001010 第二条指令第二条指令l 11110100 第三条指令第三条指令微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线39l 这种用二进制编码表示的、这种用二进制编码表示的、CPU能能直接识别并执行的指令称为直接识别并执行的指令称为机

37、器语言机器语言。显然它不易记忆、不直观、易出错。显然它不易记忆、不直观、易出错。微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线40l 利用助记符加上操作数来表示指令就方便利用助记符加上操作数来表示指令就方便得多了。上面的程序可写成：得多了。上面的程序可写成：l MOV AL，7l ADD AL，10l HLTl 程序中第一条指令将程序中第一条指令将7放在放在AL中；第二条中；第二条指令将指令将AL中中7加上加上10并将相加之和放在并将相加之和放在AL中；中；第三条指令是停机指令。当顺序执行完上述指第三条指令是停机指令。当顺序执行完上述指令时，令时，AL中就存放着

38、要求的结果。中就存放着要求的结果。 微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线411.2.1概述概述l 目前，目前，16位微处理器有很多产品，如：位微处理器有很多产品，如：M68000,Z80,8086/8088,80286等，考虑到等，考虑到IBM-PC机较普及，重点介绍机较普及，重点介绍8088。8086与与8088的的区别在于前者为区别在于前者为16条数据线，后者为条数据线，后者为8条数据条数据线，程序可移植。线，程序可移植。 l 8088是是8080和和8085的改进型，像的改进型，像8080和和8085一样，它的指令是以字节为基础构成的，一样，它的

39、指令是以字节为基础构成的，它的性能的提高，主要依赖于采取了一些特殊它的性能的提高，主要依赖于采取了一些特殊措施。措施。微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线42 8088与与8080和和8085相比性能的提高采取相比性能的提高采取了以下一些了以下一些特殊措施特殊措施： l 1. 建立建立4字节的指令预取队列，使取指字节的指令预取队列，使取指和执行并行进行。和执行并行进行。EU和和BIUl 2. 设立地址段寄存器，扩大设立地址段寄存器，扩大CPU寻址寻址范围。范围。l 3. 在结构上和指令设置方面支持多微在结构上和指令设置方面支持多微处理器系统，提高处理能

40、力。处理器系统，提高处理能力。微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线43微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线442.2.2 8088CPU引线及其功能引线及其功能l 8088CPU是一块具有是一块具有40条引出线的条引出线的集成电路芯片，其各引出线的定义如图集成电路芯片，其各引出线的定义如图2.3所示。为了减少芯片的引线，有许多所示。为了减少芯片的引线，有许多引线具有双重定义和功能，采用引线具有双重定义和功能，采用分时复分时复用用方式工作，即在不同时刻，这些引线方式工作，即在不同时刻，这些引线上的信号是不相同的。

41、上的信号是不相同的。微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线45l 用用MN/MX引线决定引线决定CPU工作模式，工作模式，等于等于1时为最小模式：只有时为最小模式：只有8088CPU，系，系统总线由统总线由CPU的引线形成；等于的引线形成；等于0时为最时为最大模式，微型机除了大模式，微型机除了8088CPU 外，还有外，还有其它的其它的CPU，如，如8087；总线由；总线由CPU引线引线和总线控制器和总线控制器8288共同形成。共同形成。 微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线46 图图2.2 8088处理器芯片引

42、线图处理器芯片引线图 微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线47 1. 最小模式下的引线最小模式下的引线 在最小模式下，在最小模式下，8088CPU的引线如的引线如图图1.3所示所示(不包括括号内的信号不包括括号内的信号)。它们。它们分别是：分别是：l A16A19/S3S6:这是这是4条时间复用、三条时间复用、三态输出的引线。态输出的引线。l CPU执行指令执行指令时，某一时刻从这时，某一时刻从这4条线条线上送出地址的高上送出地址的高4位；位； 微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线48 当用作当用作S3S6时，

43、时， S6始终为低，始终为低，S5指指示状态寄存器中的中断允许标志的状态，示状态寄存器中的中断允许标志的状态，在每个时钟周期开始时被更新；在每个时钟周期开始时被更新；S4和和S3用来指示现在正使用的段寄存器。见表用来指示现在正使用的段寄存器。见表2.1。 I/O操作操作时，仅使用时，仅使用16位地址，故在位地址，故在送地址时，送地址时，4条线输出为低；在条线输出为低；在复位或复位或DMA操作操作时，它们处于高阻、浮空或三时，它们处于高阻、浮空或三态。态。微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线49 表表1.1 S4,S3的状态编码的状态编码 S4 S3所代

44、表段寄存器 0 0数据段寄存器 0 1堆栈段寄存器 1 0代码段寄存器或不使用 1 1附加段寄存器 微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线50l A8A15 :它们是三态输出引线。在它们是三态输出引线。在CPU寻址内存或接口时，由这些引线送寻址内存或接口时，由这些引线送出地址出地址A8A15。在某种特殊情况下，这。在某种特殊情况下，这些引线也可以处于高阻状态。些引线也可以处于高阻状态。l AD0AD7:它们是地址、数据时分复它们是地址、数据时分复用的输入输出信号线。其信号是经三态用的输入输出信号线。其信号是经三态门输出的。门输出的。微机原理及应用多媒体课

45、件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线51lIO/M: 它是它是CPU的输出的输出(三态三态)控制信号，控制信号，用来区分当前操作是访问存贮器还是访用来区分当前操作是访问存贮器还是访问问I/O端口。为端口。为0时访问存储器，为时访问存储器，为1时访时访问问I/O端口。端口。l /WR: 它是它是CPU的输出控制信号的输出控制信号(三态三态)。该引脚输出为低电平时，表示该引脚输出为低电平时，表示CPU正处正处于写存贮器或写于写存贮器或写I/O端口的状态。端口的状态。 微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线52l DT/R: 该引脚是该引脚

46、是CPU的输出控制信号的输出控制信号(三态三态)，用于确定，用于确定数据传送的方向数据传送的方向。高电。高电平为发送；低电平为接收。平为发送；低电平为接收。l/DEN: 这是这是CPU经三态门输出的控制信经三态门输出的控制信号。判断数据总线上号。判断数据总线上是否有有效数据是否有有效数据。l ALE: 三态输出控制信号，高电平有效。三态输出控制信号，高电平有效。地址锁存地址锁存信号。信号。l/RD : 它是它是读选通读选通输出信号输出信号(三态三态)，低电，低电平有效。平有效。微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线53l READY: 它是它是准备就绪准

47、备就绪输入信号，高电输入信号，高电平有效。平有效。l INTR: 它是它是可屏蔽中断请求可屏蔽中断请求输入信号，输入信号，高电平有效。高电平有效。l/TEST: 它是可用它是可用WAIT指令对该引脚进指令对该引脚进行测试的输入信号，低电平有效。行测试的输入信号，低电平有效。 l NMI: 它是它是非屏蔽中断非屏蔽中断输入信号，边沿输入信号，边沿触发，正跳变有效。触发，正跳变有效。 微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线54l RESET: 它是它是CPU的复位输入信号，高的复位输入信号，高电平有效。表电平有效。表1.2l/INTA: 它是它是CPU输出的

48、输出的中断响应中断响应信号，信号，是是CPU对外部输入的对外部输入的INTR中断请求信号中断请求信号的响应，送出的响应，送出2个负脉冲。个负脉冲。l HOLD:它是高电平有效的输入信号，用它是高电平有效的输入信号，用于向于向CPU提出保持请求。提出保持请求。l HLDA:它是它是CPU对对HOLD请求的响应信请求的响应信号，高电平有效。号，高电平有效。微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线55l/SSO:是一条状态输出线。它与是一条状态输出线。它与IO/M和和DT/R信号一起决定最小模式下现行总线信号一起决定最小模式下现行总线周期的状态。见表周期的状态。

49、见表1.4。l CLK:这个是时钟信号输入端。标准为这个是时钟信号输入端。标准为5MHz。 l V CC :它是它是5V电源输入引脚。电源输入引脚。l GND:它是接地端。它是接地端。微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线56 表表1.2 复位后的内部寄存器状态复位后的内部寄存器状态 微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线57 表表1.3 复位后各引脚的状态复位后各引脚的状态 微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线58表表1.4 IO/M，DT/R，/SSO 状态编码状态编码

50、 微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线592. 最大模式下的引线最大模式下的引线l 当当MN/MX加上低电平时，加上低电平时，8088CPU工作在最大模式之下。此时，除工作在最大模式之下。此时，除引线引线24到到31、34之外，其他引线与最小模式完之外，其他引线与最小模式完全相同。全相同。l/S2/S1/S0: 这是最大模式下由这是最大模式下由8088CPU经经三态门输出的状态信号。见表三态门输出的状态信号。见表2.5 ，与，与8288共同作用。共同作用。 微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线60l /RQ/G

51、T0，/RQ/GT1: 它们是总线请求允许引脚。l /LOCK :它是一个总线封锁信号，低电平有效。l QS1、QS0：它是CPU输出的队列状态信号。见表1.6l HIGH：在最大模式时始终为高电平输出。 微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线61表表1. 5 /S0/S2 的状态编码的状态编码 微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线62表表1.6 QS1,QS0的状态编码的状态编码 微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线632.2.3 8088CPU的内部结构的内部结构 1

52、. 8088CPU的内部结构的内部结构 8088微处理器内部分为两个部分：微处理器内部分为两个部分：执行单元执行单元(EU, Execution Unit )和和总线接总线接口单元口单元(BIU, Bus Interface Unit)，如图，如图1.3所示。所示。微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线64图图2.3 8088微处理器的内部结构微处理器的内部结构 微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线65EU单元单元l功能：负责指令的执行。功能：负责指令的执行。l组成：包括组成：包括ALU(算术逻辑单元算术逻辑单元

53、)、通用寄存器组、通用寄存器组、标志寄存器等，主要进行标志寄存器等，主要进行8位及位及16位的各种运算。位的各种运算。 BIU单元单元l功能：负责与存储器及功能：负责与存储器及I/O接口之间的数据传送操作。具接口之间的数据传送操作。具体来看，完成取指令送指令队列，配合执行部件的动作，体来看，完成取指令送指令队列，配合执行部件的动作，从内存单元或从内存单元或I/O端口取操作数，或者将操作结果送内存端口取操作数，或者将操作结果送内存单元或者单元或者I/O端口。端口。l组成：它由段寄存器（组成：它由段寄存器（DS、CS、ES、SS）、）、16位位指令指针寄存器指令指针寄存器IP（指向下一条要取出的指

54、令代码）、（指向下一条要取出的指令代码）、20位地址加法器（用来产生位地址加法器（用来产生20位地址）、位地址）、4字节字节（8086为为6字节）指令队列缓冲器组成。字节）指令队列缓冲器组成。 微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线66BIU与与EU的动作协调原则：的动作协调原则：l每当每当8088的指令队列中有一个空字节时，的指令队列中有一个空字节时，BIU就会自就会自动把指令取到指令队列中。取指的顺序是按指令在程序动把指令取到指令队列中。取指的顺序是按指令在程序中出现的前后顺序。中出现的前后顺序。l每当每当EU准备执行一条指令时，它会从准备执行一条指

55、令时，它会从BIU部件的指令部件的指令队列前部取出指令的代码，然后用几个时钟周期去执行队列前部取出指令的代码，然后用几个时钟周期去执行指令。在执行指令的过程中，如果必须访问存储器或者指令。在执行指令的过程中，如果必须访问存储器或者IO端口，那么端口，那么EU就会请求就会请求BIU，进入总线周期，完成，进入总线周期，完成访问内存或者访问内存或者IO端口的操作；如果此时端口的操作；如果此时BIU正好处于正好处于空闲状态，会立即响应空闲状态，会立即响应EU的总线请求。如的总线请求。如BIU正将某个正将某个指令字节取到指令队列中，则指令字节取到指令队列中，则BIU将首先完成这个取指将首先完成这个取指令

56、的总线周期，然后再去响应令的总线周期，然后再去响应EU发出的访问总线的请求。发出的访问总线的请求。微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线67l当指令队列已满，且当指令队列已满，且EU又没有总线访问请求又没有总线访问请求时，时，BIU便进入空闲状态。便进入空闲状态。l在执行转移指令、调用指令和返回指令时，由在执行转移指令、调用指令和返回指令时，由于待执行指令的顺序发生了变化，则指令队列中于待执行指令的顺序发生了变化，则指令队列中已经装入的字节被自动消除，已经装入的字节被自动消除，BIU会接着往指令会接着往指令队列装入转向的另一程序段中的指令代码。队列装入转

57、向的另一程序段中的指令代码。微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线682. 8088处理器中的内部寄存器处理器中的内部寄存器 在在8088/8086处理器处理器中可供编程使用中可供编程使用的有的有14个个16位寄存器，按其用途可分为：位寄存器，按其用途可分为：通用寄存器、段寄存器、指针和标志寄通用寄存器、段寄存器、指针和标志寄存器。存器。其结构如图其结构如图2.4所示。所示。 微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线69图图2.4 8088CPU的内部寄存器的内部寄存器微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件

58、 微处理器及总线微处理器及总线70 (1)数据寄存器数据寄存器: AX, BX, CX, DX AX称为累加器，称为累加器，BX称为基址寄存器，称为基址寄存器，CX称为计数寄存器，称为计数寄存器，DX称为数据寄存器。称为数据寄存器。 微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线71表表2.7 内部数据寄存器的主要用途内部数据寄存器的主要用途微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线72 (2)指针寄存器指针寄存器: SP, BP SP是堆栈指针寄存器，由它和堆栈段寄是堆栈指针寄存器，由它和堆栈段寄存器存器SS一起来确定堆栈在

59、内存中的位置；一起来确定堆栈在内存中的位置；BP是基数指针寄存器，通常用于存放基地址。是基数指针寄存器，通常用于存放基地址。 (3)变址寄存器变址寄存器: SI, DI SI是源变址寄存器，是源变址寄存器，DI是目的变址寄存器，是目的变址寄存器，都用于指令的变址寻址方式。都用于指令的变址寻址方式。 微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线73(4)控制寄存器控制寄存器: IP，PSWlIP是指令指针寄存器，用来控制是指令指针寄存器，用来控制CPU的指令执行顺的指令执行顺序，它和代码段寄存器序，它和代码段寄存器CS一起可以确定当前所要取一起可以确定当前所要取

60、的指令的内存地址。顺序执行程序时，的指令的内存地址。顺序执行程序时，CPU每取一每取一个指令字节，个指令字节，IP自动加自动加1，指向下一个要读取的字，指向下一个要读取的字节；节；当当IP单独改变时，会发生段内的程序转移；当单独改变时，会发生段内的程序转移；当CS和和IP同时改变时，会产生段间的程序转移。同时改变时，会产生段间的程序转移。微机原理及应用多媒体课件微机原理及应用多媒体课件 微处理器及总线微处理器及总线74图图1.5 状态寄存器状态寄存器l标志寄存器的内容被称为处理器状态字标志寄存器的内容被称为处理器状态字PSW，用来，用来存放存放8086/8088CPU在工作过程中的状态。在工作