微型计算机原理与接口技术幻灯片(第二版)冯博琴第2章

1,第2章 微处理器与总线,2,主要内容：,微处理器的一般构成及工作原理； 8088微处理器的特点、引线及结构； 总线的一般概念； *80386微处理器的特点及结构； *Pentium 4微处理器中的新技术。,3,§2.1 微型机概述,4,了解：,微处理器的功能； 微处理器的基本组成。,5,微处理器的功能,是计算机系统的核心 根据指令实现各种相应的运算 实现数据的暂存 实现与存储器和接口的信息通信 .,6,微处理器的一般构成,运算器 控制器 内部寄存器组,7,§2.2 8088微处理器,8,主要内容：,8088/8086CPU的特点 8088CPU外部引线及功能； 8088CPU的内部结构和特点； 各内部寄存器的功能； 8088的工作时序。,9,一、8088/8086CPU的特点,了解： 程序与指令 指令执行的一般过程 指令的串行执行与并行流水线执行 8088/8086CPU的主要特点,10,1. 程序和指令,程序： 具有一定功能的指令的有序集合 指令： 由人向计算机发出的、能够为计算机所识别的命令。,11,2. 指令执行的一般过程,取指令 指令译码 读取操作数 执行指令 存放结果,12,3. 串行和并行方式的指令流水线,串行工作方式： 控制器和运算器交替工作，按顺序完成 上述指令执行过程。 并行工作方式： 运算器和控制器可同时工作。,13,串行工作方式,8088以前的CPU采用串行工作方式：,取指令1,执行 指令1,分析 指令1,CPU,BUS,忙碌,忙碌,取指令2,执行 指令2,分析 指令2,14,并行工作方式,8088CPU采用并行工作方式,BIU,EU,取指令1,执行 指令1,分析 指令1,CPU,取指令2,执行 指令2,分析 指令2,取指令2,执行 指令2,分析 指令2,忙碌,忙碌,忙碌,忙碌,忙碌,15,4. 8088/8086 CPU的特点,采用并行流水线工作方式 通过设置指令预取队列实现 对内存空间实行分段管理 将内存分为4个段并设置地址段寄存器，以实 现对1MB空间的寻址 支持多处理器系统,CPU内部结构,存储器寻址部分,工作模式,16,8088CPU的两种工作模式,8088可工作于两种模式下 最小模式 最大模式 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。 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。,17,注意下列几点： 8086的数据线和地址线是复用的， 8086可用高8位传送1字节，也可用低8位传送1个字节，还可一次传送1个字 RESET是系统复位信号,18,两种工作模式的选择方式,8088是工作在最小还是最大模式由MN/MX端状态决定。MN/MX=0工作于最大模式，反之工作于最小模式,19,二、8088CPU的引线及功能,引脚定义的方法可大致分为： 每个引脚只传送一种信息（RD等）； 引脚电平的高低不同的信号（IO/M等）； CPU工作于不同方式有不同的名称和定义（WR/LOCK 等）； 分时复用引脚（AD7AD0 等） ； 引脚的输入和输出分别传送不同的信息（RQ/GT）,20,主要引线（最小模式下）,地址线和数据线： AD7-AD0：低8位地址和数据信号分时复用。在传送地址信号时为单向，传送数据信号时为双向。 A19-A16：高4位地址信号，分时复用。 A15-A8 ：输出8位地址信号。,21,主要的控制和状态信号,WR： 写信号； RD： 读信号； IO/M：为“0”表示访问内存， 为“1”表示访问接口； DEN： 低电平有效时，允许进行读/写操作； RESET：复位信号。,22,例：,当WR=1，RD=0，IO/M=0时， 表示CPU当前正在进行读存储器操作,23,READY信号,24,中断请求和响应信号,INTR：可屏蔽中断请求输入端 NMI：非屏蔽中断请求输入端 INTA：中断响应输出端,25,总线保持信号,HOLD：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， 通过该引脚向CPU发出请求。 HLDA：总线保持响应信号输出端。CPU对 HOLD信号的响应信号。,26,27,三、8088CPU的内部结构,8088内部由两部分组成： 执行单元（EU） 总线接口单元（BIU）,28,执行单元包括,运算器 8个通用寄存器 1个标志寄存器 EU部分控制电路,教材第46页图2-6图,29,执行单元,功能 指令译码 指令执行 暂存中间运算结果 保存运算结果特征,指令的执行,在标志寄存器FLAGS中,在ALU中完成,在通用寄存器中,30,总线接口单元,功能： 从内存中取指令到指令预取队列 负责与内存或输入/输出接口之间的数据传送 在执行转移程序时，BIU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。,31,结论,指令预取队列的存在使EU和BIU两个部分可同时进行工作，从而 提高了CPU的效率； 降低了对存储器存取速度的要求,32,8088的内部寄存器,含14个16位寄存器，按功能可分为三类 8个通用寄存器 4个段寄存器 2个控制寄存器,深入理解：每个寄存器中数据的含义,33,通用寄存器,数据寄存器（AX，BX，CX，DX） 地址指针寄存器（SP，BP） 变址寄存器（SI，DI）,34,数据寄存器,8088含4个16位数据寄存器，它们又可分为8个8位寄存器，即： AX BX CX DX,AH，AL,CH，CL,BH，BL,DH，DL,35,数据寄存器特有的习惯用法,AX：累加器。所有I/O指令都通过AX与接口传送 信息，中间运算结果也多放于AX中； BX：基址寄存器。在间接寻址中用于存放基地址； CX：计数寄存器。用于在循环或串操作指令 中存放计数值； DX：数据寄存器。在间接寻址的I/O指令中存放 I/O端口地址；在32位乘除法运算时，存放 高16位数。,36,地址指针寄存器,SP：堆栈指针寄存器，其内容为栈顶的 偏移地址； BP：基址指针寄存器，常用于在访问内 存时存放内存单元的偏移地址。,37,BX与BP在应用上的区别,作为通用寄存器，二者均可用于存放数据； 作为基址寄存器，用BX表示所寻找的数据在数据段；用BP则表示数据在堆栈段。,38,变址寄存器,SI：源变址寄存器 DI：目标变址寄存器 变址寄存器常用于指令的间接寻址或变址寻址。特别是在串操作指令中，用SI存放源操作数的偏移地址，而用DI存放目标操作数的偏移地址。,39,段寄存器,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 DS：数据段寄存器 ES：附加段寄存器 SS：堆栈段寄存器：指示堆栈区域的位置,存放操作数,40,控制寄存器,IP：指令指针寄存器，其内容为下一条要执行 指令的偏移地址 FLAGS：标志寄存器，存放运算结果的特征 6个状态标志位（CF，SF，AF，PF，OF，ZF） 3个控制标志位（IF，TF，DF）,41,四、存储器寻址,段基地址（16位）,× × × ,× × ×,31,0,15,0 0 0 0,段基地址（16位）,段首地址,× × × ,× × ×,19,0,4,× × × ,× × ×,段首的偏移地址： 0000H,42,物理地址,段基地址 =6000H 段首地址 偏移地址 物理地址,数据段,60009H,00H,12H,60000H,0009H,43,四、存储器寻址,物理地址由段基地址和偏移地址组成,物理地址=段基地址×16+偏移地址,0 0 0 0,段首地址,× × × ,× × ×,19,0,4,× × × ,× × ×,偏移地址,+,物理地址,44,例：,已知 CS=1055H， DS=250AH ES=2EF0H SS=8FF0H 某操作数偏移地址=0204H， 画出各段在内存中的分布、段首地址及操作数的物理地址。,45,例题解答,设操作数在数据段，则操作数的物理地址为： 250AH ×16+0204H = 252A4H,10550H,250A0H,2EF00H,8FF00H,CS,DS,ES,SS,46,堆栈及堆栈段的使用,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。 常用于响应中断或子程序调用。,47,例：,若已知（SS）=1000H （SP）=0100H 则堆栈段的段首地址 = ？ 栈顶地址=？ 若该段最后一个单元 地址为10200H，则栈底=？,段首,栈底,栈顶,堆栈区,48,五、时序,时序的概念：CPU各引脚信号在时间上的关系 总线周期：CPU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 至少包括4个时钟周期。,49,微处理器的一般工作过程,一个程序工作例（求解5+8）,取指令1,取操作数1,取指令2,执行指令2,50,§2.5 系统总线,51,主要内容：,总线的基本概念和分类； 总线的工作方式； 常用系统总线标准。,52,一、概述,总线： 是一组导线和相关的控制、驱动电路的集合。是计算机系统各部件之间传输地址、数据和控制信息的通道。,地址总线（AB） 数据总线（DB） 控制总线（CB）,53,总线分类,CPU总线 系统总线 外部总线,片内总线 片外总线,按相对CPU的位置分,按层次结构分,内部总线：CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线。 系统总线：CPU同计算机系统的其他高速功能部件，如存储器、通道等互相连接的总线。 I/O总线：中、低速I/O设备之间互相连接的总线。,54,二、总线的系统结构,单总线结构,在许多单处理器的计算机中，使用一条单一的系统总线来连接CPU、主存和I/O设备，叫做单总线结构。如图所示： 此时要求连接到总线上的逻辑部件必须高速运行，以便在某些设备需要使用总线时能迅速获得总线控制权；而当不再使用总线时，能迅速放弃总线控制权。,55,多总线结构,2.双总线结构 这种结构保持了单总线系统简单、易于扩充的优点，但又在CPU和主存之间专门设置了一组高速的存储总线，使CPU可通过专用总线与存储器交换信息，并减轻了系统总线的负担，同时主存仍可通过系统总线与外设之间实现DMA操作，而不必经过CPU。当然这种双总线系统以增加硬件为代价。如图所示：,56,面向CPU的双总线结构,存储器与I/O接口间无直接通道,CPU,M,I/O,I/O,I/O,57,面向存储器的双总线结构,在单总线结构基础上增加一条CPU到存储器的高速总线,CPU,M,I/O,I/O,I/O,58,3.三总线结构 它是在双总线系统的基础上增加I/O总线形成的。 ,在DMA方式中，外设与存储器间直接交换数据而不经过CPU，从而减轻了CPU对数据输入输出的控制，而“通道”方式进一步提高了CPU的效率。通道实际上是一台具有特殊功能的处理器，又称为IOP(I/O处理器),它分担了一部分CPU的功能，以实现对外设的统一管理及外设与主存之间的数据传送。显然，由于增加了IOP，使整个系统的效率大大提高。然而这是以增加更多的硬件代价换来的。,59,总线操作,特点： 任意时刻，总线上只能有一对设备进行信息交换。（分时） 总线周期 微处理器通过外部总线对存储器或I/O端口进行一次读/写操作的过程。 一个总线周期内做的操作： 总线请求 总线仲裁 寻址 数据传送,60,总线性能指标 总线的带宽,总线本身所能达到的最高传输速率，是衡量总线性能的 重要指标，单位兆字节每秒(MB/s)。,【例1】(1)某总线在一个总线周期中并行传送4个字节的数据，假设一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线时钟频率为33MHz，则总线带宽是多少? (2)