微机原理第2章

1、1第第2 2章章微处理器与总线2主要内容：n微处理器的一般构成及工作原理；微处理器的一般构成及工作原理；n80888088微处理器的特点、引线及结构；微处理器的特点、引线及结构；n总线的一般概念；分类及主要功能。总线的一般概念；分类及主要功能。32.12.1 微型机概述4了解：n微处理器的功能；微处理器的功能；n微处理器的基本组成。微处理器的基本组成。5一、微处理器的功能n进行算术运算和逻辑运算进行算术运算和逻辑运算n对指令进行译码、执行规定的操作对指令进行译码、执行规定的操作n具有进行数据通信的能力具有进行数据通信的能力n暂存数据暂存数据n提供定时和控制信号提供定时和控制信号n响应中断请求响

2、应中断请求6字长字长：字长：CPU内部操作中的数据位数内部操作中的数据位数 =内部寄存器的位数内部寄存器的位数 =内部数据总线的位数内部数据总线的位数 7二、微处理器的一般构成n运算器运算器n控制器控制器n内部寄存器组内部寄存器组8运算器运算器：运算器：ALU、寄存器组、内部总线。、寄存器组、内部总线。 ALU=算术逻辑单元。一位算术逻辑运算单元算术逻辑单元。一位算术逻辑运算单元 图图2-1. CPU 内部总线内部总线=传送指令和数据的传送通道。传送指令和数据的传送通道。 运算器的运算器的3种结构种结构 ：图：图2-29控制器.控制器：控制程序的执行。有下列功能：控制器：控制程序的执行。有下列

3、功能： 指令执行顺序的控制指令执行顺序的控制 时序控制：产生时序信号。时序控制：产生时序信号。 操作控制：产生微操作控制信号。操作控制：产生微操作控制信号。 对某些异常情况和请求的处理。对某些异常情况和请求的处理。10控制器的组成控制器的组成：图控制器的组成：图2-3 程序计数器程序计数器PC、指令计数器、指令计数器IR、指令译码器、指令译码器ID时序控制部件时序控制部件:产生各种时序信号产生各种时序信号微操作控制部件：产生指令的微操作。微操作控制部件：产生指令的微操作。微操作微操作 微指令微指令11微操作n一条指令功能是通过按一定次序一条指令功能是通过按一定次序执行一系列基本操作完成的。这执

4、行一系列基本操作完成的。这些基本操作称为微操作。些基本操作称为微操作。12微指令n同时执行的一组微操作叫微指令。同时执行的一组微操作叫微指令。n一条指令功能是执行许多微指令组成的微程序一条指令功能是执行许多微指令组成的微程序来完成的。例如来完成的。例如: 一条加法指令有四条微指令一条加法指令有四条微指令 取指微指令取指微指令 计算地址微指令计算地址微指令 取操作数微指令取操作数微指令 加法运算并送结果微指令加法运算并送结果微指令132.2 80882.2 8088（80868086）微处理器 14主要内容：n8088/8086CPU的特点的特点n8088CPU外部引线及功能；外部引线及功能；n

5、8088CPU的内部结构和特点；的内部结构和特点；n各内部寄存器的功能；各内部寄存器的功能；n8088的工作时序。的工作时序。15一、8088/8086CPU的特点n了解：了解：n程序与指令程序与指令n指令执行的一般过程指令执行的一般过程n指令的串行执行与并行流水线执行指令的串行执行与并行流水线执行n8088/8086CPU的主要特点的主要特点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由人向计算机发出的、能够为计算机所识别的命令。由人向计算机发出的、能够为计算机所识别的命令。172. 指令执行的一般过程 取指令取指令 指令译码指

6、令译码 读取操作数读取操作数 执行指令执行指令 存放结果存放结果183. 串行和并行方式的指令流水线n串行工作方式：串行工作方式： 控制器和运算器交替工作，按顺序完成控制器和运算器交替工作，按顺序完成 上述指令执行过程。上述指令执行过程。n并行工作方式：并行工作方式： 运算器和控制器可同时工作。运算器和控制器可同时工作。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执行执行指令指令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执行执行指令指令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执行执行指令指令1分析分析指令指令1CPU取指令取指令2执行执行指令指令2分析分析指令指令2取指令取指令3执行执行指令指令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的特点n采用并行流水线工作方式采用并行流水线工作方式 通过设置指令预取队列实现通过设置指令预取队列实现n对内存空间实行分段管理对内存空间实行分段管理 将内存分为将内存分为4 4个段并设置地址段寄存器，以实个段并设置地址段寄存器，以实 现对现对1 1MBMB空间的寻址空间的寻址n支持多处理器系统支持多处理器系统CPU内内部结构部结构存储器存储器寻址

8、部寻址部分分工作模工作模式式228088CPU的两种工作模式n8088可工作于两种模式下可工作于两种模式下 最小模式最小模式 最大模式最大模式n最小模式为单处理器模式，控制信号较少，最小模式为单处理器模式，控制信号较少，一般可不必接总线控制器。一般可不必接总线控制器。n最大模式为多处理器模式，控制信号较多，最大模式为多处理器模式，控制信号较多，须通过总线控制器与总线相连。须通过总线控制器与总线相连。23最小模式下的连接示意图8088CPU控制总线控制总线数据总线数据总线地址总线地址总线地址地址锁存锁存数据数据收发收发ALE时钟发时钟发生生 器器24最大模式下的连接示意图8088CPU数据总线数

9、据总线地址总线地址总线地址地址锁存锁存数据数据收发收发ALE时钟发时钟发生生 器器总总 线线控制器控制器控制总线控制总线25两种工作模式的选择方式n80888088是工作在最小还是最大模式由是工作在最小还是最大模式由MN/MXMN/MX端状端状态决定。态决定。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的引线及功能n引脚定义的方法可大致分为：图引脚定义的方法可大致分为：图2-5 P432-5 P43n每个引脚只传送一种信息（每个引脚只传送一种信息（RDRD等）；等）；n引脚电平的高低不同的信号（引脚电平的高低不同的信

10、号（IO/MIO/M等）；等）；nCPUCPU工作于不同方式有不同的名称和定义（工作于不同方式有不同的名称和定义（WR/LOCK WR/LOCK 等）；等）；n分时复用引脚（分时复用引脚（ADAD7 7ADAD0 0 等）等） ；n引脚的输入和输出分别传送不同的信息（引脚的输入和输出分别传送不同的信息（RQ/GTRQ/GT）27主要引线（最小模式下）n地址线和数据线：地址线和数据线：nADAD7 7-AD-AD0 0：低低8 8位地址和数据信号分时复用。位地址和数据信号分时复用。在传在传送地址信号时为单向，传送数据信号时为双向。送地址信号时为单向，传送数据信号时为双向。nA A1919-A-A

11、1616：高高4 4位地址信号，分时复用。位地址信号，分时复用。nA A1515-A-A8 8 ：输出输出8 8位地址信号。位地址信号。28主要的控制和状态信号nWRWR： 写信号；写信号；nRDRD： 读信号；读信号；nIO/MIO/M：为为“0”“0”表示访问内存，表示访问内存， 为为“1”“1”表示访问接口；表示访问接口；nDENDEN： 低电平有效时，允许进行读低电平有效时，允许进行读/ /写操作；写操作；nRESETRESET：复位信号。复位信号。29例：n当当WR=1WR=1，RD=0RD=0，IO/M=0IO/M=0时，时， 表示表示CPUCPU当前正在进行当前正在进行读存储器读

12、存储器操作操作30READY信号T T1 1T T2 2T T3 3TwaitTwaitT T4 431Ready信号外部同步控制输入信号，外部同步控制输入信号，外设发出，准备好。当外设发出，准备好。当READY为低电为低电平时，没有准备好。平时，没有准备好。CPU在在T3 周期周期 采样采样READY信号，为低时自动插入信号，为低时自动插入等待周期等待周期TW直到直到READY变成高电平。变成高电平。32中断请求和响应信号nINTR：可屏蔽中断请求输入端可屏蔽中断请求输入端nNMI：非屏蔽中断请求输入端非屏蔽中断请求输入端nINTA：中断响应输出端中断响应输出端33总线保持信号nHOLD：总

13、线保持请求信号输入端。当总线保持请求信号输入端。当CPU 以外的其他设备要求占用总线时，以外的其他设备要求占用总线时， 通过该引脚向通过该引脚向CPU发出请求。发出请求。nHLDA：总线保持响应信号输出端。总线保持响应信号输出端。CPU对对 HOLD信号的响应信号信号的响应信号。 (4)34三、三、8088CPU的内部结构n8088内部由两部分组成：内部由两部分组成： 执行单元（执行单元（EU） 总线接口单元（总线接口单元（BIU）35执行单元包括 运算器运算器 8个通用寄存器个通用寄存器 1个标志寄存器个标志寄存器 EU部分控制电路部分控制电路教材教材 图图2-636执行单元n功能功能n指令

14、译码指令译码n指令执行指令执行n暂存中间运算结果暂存中间运算结果n保存运算结果特征保存运算结果特征指令的执行指令的执行在标志寄存器在标志寄存器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问题（1） 1. 微处理器内部由那三部分组成？微处理器内部由那三部分组成？ 2. 控制器有那些功能？控制器有那些功能？ 3. 8086由那两部分组成？其功能是什么？由那两部分组成？其功能是什么？ 4. 熟悉熟悉8088最小模式下的主要引脚功能。最小模式下的主要引脚功能。38总线接口单元功能：功能：负责负责CPU与存储器、与存储器、I/O接口之间的信息传送。接口之间的信息传送。 n从内存中

15、取指令到指令预取队列从内存中取指令到指令预取队列n负责与内存或输入负责与内存或输入/输出接口之间的数据传送输出接口之间的数据传送n在执行转移程序时，在执行转移程序时，BIU使指令预取队列复位，从使指令预取队列复位，从指定的新地址取指令，并立即传给执行单元执行。指定的新地址取指令，并立即传给执行单元执行。39指令预取队列的功能n指令预取队列的存在使指令预取队列的存在使EU和和BIU两个两个部分可部分可同时进行工作同时进行工作，从而，从而n提高了提高了CPU的效率；的效率；n降低了对存储器存取速度的要求。降低了对存储器存取速度的要求。在执行指令时，在执行指令时，BIU可访问内存。可访问内存。408

16、088的内部寄存器n含含14个个16位寄存器，按功能可分为三类位寄存器，按功能可分为三类 8个通用寄存器个通用寄存器 4个段寄存器个段寄存器 2个控制寄存器个控制寄存器深入理解：每个寄存器中数据的含义深入理解：每个寄存器中数据的含义41通用寄存器 数据寄存器（数据寄存器（AX，BX，CX，DX） 地址指针寄存器（地址指针寄存器（SP，BP） 变址寄存器（变址寄存器（SI，DI）42数据寄存器n8088含含4个个16位数据寄存器，它位数据寄存器，它们又可分为们又可分为8个个8位寄存器，即：位寄存器，即：nAXnBXnCXnDXAH，ALCH，CLBH，BLDH，DL43数据寄存器特有的习惯用法n

17、AX：累加器。所有累加器。所有I/O指令指令都通过都通过AX与接口传送与接口传送 信息，中间运算结果也多放于信息，中间运算结果也多放于AX中；中；nBX：基址寄存器。在基址寄存器。在间接寻址间接寻址中用于存放基地址；中用于存放基地址；nCX：计数寄存器。用于在计数寄存器。用于在循环或串操作指令循环或串操作指令 中存放计数值；中存放计数值；nDX：数据寄存器。在数据寄存器。在间接寻址的间接寻址的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位乘除法位乘除法运算时，存放运算时，存放 高高16位数。位数。44地址指针寄存器nSP：堆栈指针寄存器，其内容为：堆栈指针寄存器，其内容为栈顶

18、的栈顶的 偏移地址；偏移地址；nBP：基址指针寄存器，常用于在访问内基址指针寄存器，常用于在访问内 存时存放内存单元的存时存放内存单元的偏移地址偏移地址。45BX与BP在应用上的区别n作为通用寄存器，二者均可用于存放数据；作为通用寄存器，二者均可用于存放数据；n作为基址寄存器，用作为基址寄存器，用BX表示所寻找的数据在表示所寻找的数据在数据段数据段；用；用BP则表示数据在则表示数据在堆栈段堆栈段。46变址寄存器nSI：源变址寄存器源变址寄存器nDI：目标变址寄存器目标变址寄存器n变址寄存器常用于指令的间接寻址或变址变址寄存器常用于指令的间接寻址或变址寻址。特别是寻址。特别是在串操作指令中在串操

19、作指令中，用，用SI存放存放源操作数源操作数的偏移地址，而用的偏移地址，而用DI存放存放目标操目标操作数作数的偏移地址。的偏移地址。47段寄存器 用于存放相应逻辑段的段基地址用于存放相应逻辑段的段基地址 CS：代码段寄存器。代码段存放指令代码代码段寄存器。代码段存放指令代码 DS：数据段寄存器数据段寄存器 ES：附加段寄存器附加段寄存器 SS：堆栈段寄存器：指示堆栈区域的位置堆栈段寄存器：指示堆栈区域的位置存放操作数存放操作数48控制寄存器nIP：指令指针寄存器，其内容为指令指针寄存器，其内容为下一条下一条要执行要执行 指令的偏移地址指令的偏移地址nFLAGS：标志寄存器，存放运算结果的特征标

20、志寄存器，存放运算结果的特征 6个状态标志位（个状态标志位（CF，SF，AF，PF，OF，ZF） 3个控制标志位（个控制标志位（IF，TF，DF） P48 图图2-949四、8086CPU的存储器组织501.物理地址与逻辑地址（1）地址空间为什么要分段？内部寄存器）地址空间为什么要分段？内部寄存器16位，位，不能装载不能装载20位的物理地址。位的物理地址。 段基址、段内偏移地址。段基址、段内偏移地址。（2）物理地址生成方法：）物理地址生成方法：P47 图图27注：注：逻辑地址不唯一逻辑地址不唯一。511.物理地址与逻辑地址（3）存储单元的两种地址）存储单元的两种地址 物理地址物理地址：20位地

21、址总线提供的地址。位地址总线提供的地址。逻辑地址逻辑地址：编程所用的地址，段基地址和段内偏：编程所用的地址，段基地址和段内偏移地址，其形式是移地址，其形式是xxxxH:xxxxH即即 段基地址：段内偏移地址段基地址：段内偏移地址 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物理地址物理地址数数据据段段60009H00H12H60000H0009H53存储器物理地址的计算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组成偏移地址组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 某操作数偏移地址某操作数偏移地址=0204H，n画出各段在内存中的分布、段首地址及操作数画出各段在内存中的分布、段首地址及操作数的物理地址。的物理地址。55例题解答n设操作数在数据段，则操设操作数在数据段，则操作数的物理地址为：作数的物理地址为：n250AH 16+0204H = 252A4H10550H250A0H2EF00H8FF00HCSDSESSS 56堆栈及堆栈段的使用n堆栈：内存中一个特殊区域，用于存放暂时堆栈：内存中一个特殊区域，用于存放暂时不用或需要保护的数据。不用或需要保护的

23、数据。n常用于响应中断或子程序调用。常用于响应中断或子程序调用。57例：n若已知（若已知（SS）=1000H （SP）=0100Hn则堆栈段的段首地址则堆栈段的段首地址 = ？n栈顶地址栈顶地址=？n若该段最后一个单元若该段最后一个单元 地址为地址为10200H，则栈底则栈底=？段首段首栈底栈底栈顶栈顶堆堆栈栈区区58段寄存器的使用P50 表表 2-359问题（2）5. 指令队列有什么功能？指令队列有什么功能？6. 8088的的8个通用寄存器是什么？个通用寄存器是什么？ 4个段寄存器是什么？个段寄存器是什么？两个控制寄存器是什么？两个控制寄存器是什么？7. 什么是逻辑地址和物理地址，有什么关系

24、什么？什么是逻辑地址和物理地址，有什么关系什么？8. 4个段寄存器中那一个段寄存器用户程序不用设置。个段寄存器中那一个段寄存器用户程序不用设置。9. 什么是总线什么是总线?10. 总线周期中，什么情况下要插入总线周期中，什么情况下要插入TW等待周期？等待周期？11. 8088CPU中标志寄存器包含那些标志位什么？中标志寄存器包含那些标志位什么？60五、时序n时序的概念：时序的概念：CPU各引脚信号在时间上的关系各引脚信号在时间上的关系n总线周期：总线周期：CPU完成一次访问内存（或接口）完成一次访问内存（或接口） 操作所需要的时间。一个总线周期操作所需要的时间。一个总线周期 至少包括至少包括4

25、个时钟周期。个时钟周期。61微处理器的一般工作过程n一个程序工作例（求解一个程序工作例（求解5+8）取指令取指令1取操作数取操作数1取指令取指令2执行指令执行指令2622.32.3 系统总线63主要内容：n总线的基本概念和分类；总线的基本概念和分类；n总线的工作方式；总线的工作方式；n常用系统总线标准。常用系统总线标准。64一、概述n总线：总线： 是是一组导线和相关的控制、驱动电路一组导线和相关的控制、驱动电路的的集合。集合。是计算机系统各部件之间传输地址、数据和控是计算机系统各部件之间传输地址、数据和控制信息制信息的的通道。通道。地址总线（地址总线（AB）数据总线（数据总线（DB）控制总线（

26、控制总线（CB）65总线分类66（1）按传送的信息分）按传送的信息分n地址总线地址总线（AB）：内存单元地址或）：内存单元地址或I/O端口地端口地址、地址总线的宽度、址、地址总线的宽度、8086的寻址端口的寻址端口16位，位，内存内存20位。位。n数据总线数据总线（DB）：传送数据，双向，宽度。）：传送数据，双向，宽度。n控制总线控制总线（CB）：各种控制信号。）：各种控制信号。P76672、按层次结构分、按层次结构分nCPU总线总线（前端总线）（前端总线） ：CPU 引脚上的连线引脚上的连线n系统总线系统总线：I/O 通道总线。主机与外设之间的通道总线。主机与外设之间的通信通道。通信通道。I/O 扩展插槽。扩展插槽。ISA 、 PCI、n AGP总线标准总线标准。n外设总线外设总线：主机与外部设备接口的总线。是外：主机与外部设备接口的总线。是外设的接口的标准：设的接口的标准： IDE、USB、 IEEE1394。683、按相对、按相对CPU的位置分：的位置分：n片内总线片内总线-CPU内部寄存器、内部寄存器、 ALU、控制器、控制器以及地址形成部件之间使用的总线。以及地址形成部件之间使用的总线。n片外总线片外总线- CPU与内存和输入输出接口之间与内存和输入输出接口之间进行通信的通路。进行通信的通路。69二、