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第二章 微计算机的基本组成

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第二章 微计算机的基本组成. 理解 Intel 8086CPU 的寄存器结构、功能结构、最大 / 最小组态、引脚功能等。 理解存储器的体系结构和分类。 理解存储器与 CPU 的连接方式。 掌握 8086 中存储器的组织。 了解总线的概念及常用的总线体制 了解常用外围设备的简单工作原理. 2-1 微处理器. 2-1-1 Intel 8086 CPU 的结构. 8086 是 16 位处理器, 8086 寻址空间 1MB ( 2 20 )。. 8086 的寄存器结构. 通用寄存器组

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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
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第二章 微计算机的基本组成

  • 理解Intel 8086CPU的寄存器结构、功能结构、最大/最小组态、引脚功能等。
  • 理解存储器的体系结构和分类。
  • 理解存储器与CPU的连接方式。
  • 掌握8086中存储器的组织。
  • 了解总线的概念及常用的总线体制
  • 了解常用外围设备的简单工作原理
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2-1 微处理器

2-1-1 Intel 8086 CPU的结构

8086是16位处理器,8086寻址空间1MB(220)。

  • 8086的寄存器结构
  • 通用寄存器组

4个16位的数据寄存器: AX、BX、CX、DX ,也可作为8个8位的

寄存器使用AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH、DL。

2个16位的指针寄存器:堆栈指针寄存器SP和基数指针寄存器BP

2个16位的变址寄存器 :源变址寄存器SI 和目的变址寄存器DI

  • 控制寄存器组

16位指令指针寄存器 IP

16位状态标志寄存器FLAG,有9个标志位。

  • 段寄存器组4个16位的段寄存器,分别是CS代码段寄存器、

DS数据段寄存器、SS堆栈段寄存器、ES附加段寄存器。

slide3

8086的功能结构: 分EU与BIU两部分

﹡执行单元EU: 负责指令的执行,由ALU、通用寄存器组AX、BX、CX、DX、SP、BP、DI、SI、状态寄存器Flag及操作控制器电路组成。

﹡总线接口单元BIU: 形成对外总线,负责与存储器、I/O接口电路进行数据传输。由CS、DS、SS、ES、IP、指令队列缓冲器、地址加法器等功能部件组成。

﹡EU与BIU的流水线操作:

    • EU与BIU可独立工作,BIU在保证EU与片外传送操作数前提下,可进行指令预取,与EU可重叠操作。
    • 一方面提高整个执行速度,另一方面又降低了与之相配的存储器的读写速度的要求。
slide4

地址总线20位

AH

AL

AX

BH

BL

BX

CH

CL

CX

DH

DL

DX

16

SP

CS

BP

DS

8

DI

SS

0

8

ES

线

6

SI

IP

线

内部通信寄存器

ALU总线

16

暂存寄存器

E

U

1

2

3

4

5

6

ALU

标 志

总线接口单元

执行单元

( EU )

(BIU)

slide5

取指令1

执行指令1

取指令2

执行指令2

非流水线操作

8085

流水线操作

8086

取指令1

执行指令1

取指令2

执行指令2

取指令3

执行指令3

t

t0

t1

t2

t3

t4

在t0~t4时间间隔中,8085执行了2条指令。

在t0~t4时间间隔中,理想情况下 ,8086可执行3条指令。

slide6
8086的存储器组织
  • 8086有20位地址线,寻址范围为1MB ( 220 ) ,存储器地址码表示是00000 -FFFFF H。但其内部的寄存器为16位。
  • 把1MB的空间分段,每段容量最大为64KB( 216 ) ,则在段内寻址用16位的地址码(称为偏移地址)就可以完成。
  • 分段后,每一段都有一个段号,用16位二进制数表示,每段的段号(称基地址) ,也称为“段地址”,段号保存在8086内部的CS、DS、SS、ES四个16位的段寄存器中。
  • 在硬件上起作用的是物理地址。物理地址就是8086芯片的20根地址引线送出的地址码。

物理地址 =段基地址  16 + 偏移地址

slide7

15

15

0

0

16位段地址

16位偏移地址

0 0 0 0

19

0

20位物理地址

  • 将16位的段地址打入到地址加法器并左移4位,然后再与16位的偏移地址相加,形成20位的物理地址,这就是存储器分段的管理方法。
  • 例如:若当前CS=1456H,IP=1100H,则CPU将从哪一个物理存储器单元取指令?

解:物理地址=1456H*16+1100H =14560H+1100H =15660H,则CPU将从物理地址为15660H的存储器单元取指令。

slide8

2-1-2 Intel 8086 的引脚功能

  • 8086微处理器采用40条引线双列直插(DIP)封装。
  • 8086微处理器有两种组态-—最小组态和最大组态。
    • 最小组态:构成较小系统时采用,系统的控制信号由CPU直接供给。
    • 最大组态:构成较大系统时采用,8086要通过总线控制器8288来形成各种总线周期,控制信号由8288供给。
    • 硬件上,MN / MX 引脚为最大/最小组态选择信号。 MN/ MX 接至电源(+5V),8086为最小组态; MN/ MX接地, 8086为最大组态。
  • 8086的引脚,在逻辑上可分为3类:

地址总线信号、数据总线信号、控制总线信号。

还有一些专用信号:电源、地、时钟。

slide9

GND

1

40

Vcc

AD14

2

39

AD15

Addr./Data

AD13

3

38

A16/S3

AD12

4

37

A17/S4

Addr./control

AD11

5

36

A18/S5

AD10

6

35

A19/S6

BHE/S7

AD9

7

34

intel

括号内为最小组态时的名称

AD8

8

33

MN/MX

8086

Addr./Data

AD7

9

32

RD

RQ#/GT0# (HOLD)

AD6

10

31

CPU

RQ#/GT1# (HLDA)

AD5

11

30

AD4

12

29

LOCK #(WR)

S2#(M/IO#)

AD3

13

28

control

S1(DT/R#)

AD2

14

27

AD1

15

26

S0(DEN#)

AD0

16

25

QS0(ALE)

NMI

17

24

QS1(INTA#)

TEST

INTR

18

23

Control

CLK

19

22

READY

GND

20

21

RESET

8086引线说明

slide10

8086的最小组态

VcC

VcC

MN/MX

RD

RESE

8284

CLK

RES

CLOCK

T

WR

READY

GENERATCR

RESET

RDY

M/I/

O

INTA

READY

8086

CPU

HOLD

HOLD

ALE

STB

BHE

HLDA

HLDA

BHE

8282

ADD BUS

ADD

OR

A19-A16

8283

ADD./DATA

INTR

INTR

AD15-AD0

I/O

OE

INTERFACE

MEMORY

DEN

DT/R#

DATA

DATA

8286

OR

T

8287

DATA

BUS

OE

8086与系统总线接口 (最小方式)

slide11

8086的最大组态

8288 总线 控制器

CLK

S0#

S1#

S2#

DEN

DT/R#

ALE

MN/MX#

INTA#

MRDC#

MWTC#

IORC#

IOWC#

Vcc

S0#

S1#

S2#

8284

CLK

READY

RESET

RES#

8086

CPU

RDY

STB

READY

BHE#

BHE#

ADD

BHE#

ADD BUS

8282

 3

A19-A16

RQ#/GT0#

ADD/DATA

RQ#/GT1#

AD15-AD0

OE#

INTR

I/0

INTERFACE

INTR

MEMORY

T

LOCK#

LOCK#

8286

 2

OE#

DATA BUS

slide12

基本引脚信号

﹡ AD15~AD0(I/O,三态):地址/数据复用引脚。

﹡ A19/S6 ~ A16/S3(O,三态):地址/状态复用引脚。

﹡NMI(In):非屏蔽中断请求线,上升边触发。

﹡ INTR (In):可屏蔽中断请求线,高电平有效。

﹡ RD (O,三态) :读选通信号,低电平有效。

﹡ RESET (In) :复位信号,至少要保持4个时钟周期的高电平,使标志寄存器Flag、IP、DS、SS、ES和指令队列置“0”,CS全置“1”(FFFFH),复位后处理器从FFFF0H存储单元取指令执行。

﹡ CLK (In) : 时钟信号,处理器基本定时脉冲。

slide13

﹡READY (In):准备好信号,高电平有效。处理器与存储器及I/O接口速度同步的控制信号。

﹡TEST (In): 测试信号,低电平有效。处理器执行WAIT指令时每5个时钟周期对其进行一次测试。

﹡Vcc (In): 处理器的电源引脚,接+5V电源。

﹡GND : 处理器的地线引脚,接系统地线。

﹡ BHE / S7 (O,三态):高字节允许/状态复用引脚。

slide14

最小组态下的有关控制信号

﹡INTA (O) :最小组态下的中断响应信号

﹡ALE (O) : 地址锁存允许信号

﹡DEN (O,三态) :数据允许信号

﹡DT/ R (O,三态) :数据总线缓冲器方向控制信号。

﹡M/ IO (O,三态) :存储器或I/O接口选择信号。

﹡WR (O,三态) :写命令信号,低电平有效。

﹡HOLD (In) : 总线请求信号。

﹡HLDA (O) : 总线请求响应信号。

slide15

最大组态下的有关控制信号

﹡QS1、QS0 (O) :指令队列状态信号。表明8086当前指令队列的状态。

﹡S2 , S1 , S0 (O,三态) :最大组态总线周期状态信号。作为总线控制器8288的输入信号,8288输出各种控制信号。

﹡LOCK (O,三态) :总线封锁信号。信号有效时不允许其他主控部件占用总线。

﹡RQ/ GT0, RQ/ GT1 (I/O) :最大模式总线请求/总线响应信号,每条引线作为输入时是总线请求RQ信号,每条引线作为输出时是总线请求响应GT信号。

slide16

2-1-3 Intel 8086 的时序

  • 指令周期:执行一条指令所需要的时间。

每条指令的执行由:取指令、译码和执行构成。

  • 总线周期与时钟周期:
    • 指令周期又可以分为一个个总线周期。
    • CPU从存储器或 I/O 端口读写一个字节(或字)就是一个总线周期。
    • 8086的基本总线周期为4个时钟周期,每个时钟周期间隔称为一个T状态,它是8086中处理动作的最小单位。
    • 每个总线周期通常包括4个T状态,即T1、T2、T3、T4。
    • CPU时钟频率为8MHz,时钟周期为125ns。
slide17

T1 状态:CPU将地址信息放到地址/数据复用总线(A/D)上,并且发出地址锁存信号ALE。

  • T2 状态:CPU发出读写等控制信号。
    • 读总线周期:A/D总线进入浮动(高阻)状态,为接收数据做准备。(从输出切换到输入方式)
    • 写总线周期: 从T2 至 T4 之间把数据送到A/D总线上,且保持到总线周期的结束(T4)。
  • T3、T4:对于读或写总线周期,A/D总线上均为数据。
  • Tw:当RAM或I/O接口速度不够时,T3与 T4 之间可插入的等待状态 。(在T3状态的前沿采样READY线)
slide18

最大组态时存储器读周期时序

一个总线周期

T1

T2

T3

T4

CLK

101

111

S2#—S0#

A19/S6—

A16/S3

A19—A16

S6—S3状态输出

输出

Add

AD15-AD0

DATA 输入

ALE

读存储器命令

MRDC

DT/R

DEN

slide19

写存储器

命令

AMWC

MWTC

  • 最大组态时存储器写周期时序

一个总线周期

T1

T2

T3

T4

CLK

110

111

S2#—S0#

A19/S6—

A16/S3

A19—A16

S6—S3状态输出

Add输出

AD15-AD0

DATA 输出

ALE

DT/R

DEN

slide20

几十K到一M字节,工作速度与CPU相当,存取时间为20~50ns。几十K到一M字节,工作速度与CPU相当,存取时间为20~50ns。

高速缓冲存储器

(cache)

几M到几十M字节,工作速度较高,存取时间为100ns,比CPU慢得多

主(内)存储器

外部(后备)存储器

几百M到几千M字节,工作速度较慢

2-2 半导体存储器

存储器的发展要求:

扩大容量、加快速度和降低成本。

前面两种合称为内存储器,采用的是半导体存储器;

外部存储器,主流的是磁介质存储器。

slide21

双极型

读写存储器

RAM

静态SRAM

MOS

半导体

存储器

动态DRAM

掩模ROM

只读存储器

ROM

可编程序ROM

PROM

可擦去的ROM

EPROM

2-2-1 半导体存储器的分类

slide22

RAM与ROM的区别

      • RAM的数据在使用时可以读出、写入或改写,主要用来存放各种现场的输入、输出数据、中间处理结果、与外存交换的信息以及做堆栈使用。
      • ROM的信息在使用时只能读出,是不能改变的(不可以写入),掉电后信息不会丢失,一般用来存放固定的程序。
      • ROM电路比 RAM简单,集成度更高,成本更低。
  • 静态RAM与动态RAM的区别
      • 静态RAM的基本存储电路是用6个管子构成触发器,集成度低,功耗高,不需要刷新。
      • 动态RAM的基本存储电路是用单管线路组成,集成度高,功耗低,需要动态刷新 。
slide23

ROM的种类

    • 掩模ROM:按照固定线路制造,以后只能读,不能写
    • 可编程序的只读存储器PROM: 只能写一次的ROM
    • 可擦去的PROM----- EPROM:能多次擦写的ROM

(需要额外条件,如通过紫外线照射,进行擦写,且速度很慢)

    • 电可擦去的PROM----- E2PROM:功能与EPROM相似

(可用电流来进行擦写,使用更方便)

slide24

2-2-2 读写存储器RAM

  • 基本存储电路
      • 它是组成存储器的基础和核心,一个基本存储电路存储一个二进制位,“1”或“0”。
      • 存储器是由大量的基本存储电路构成的,容量为1MB的存储器需要1M * 8 个基本存储电路。
      • 有六管静态存储单元和单管动态存储单元两种。
  • 存储器芯片(如1K 4) (地址个数与数据位数)
      • 由基本存储电路构成的存储体
      • 外围电路:地址译码器、I/O电路、片选控制端、

输出缓冲器等。

slide25

2-2-3 RAM与CPU的接口

  • CPU对RAM进行读写操作:
      • 首先要由地址总线给出地址信号
      • 然后发出相应的是读还是写的控制信号
      • 最后才能在数据总线上进行信息交流。
  • RAM与CPU的接口包括:

地址线、数据线和控制线的连接。

  • 在接口时要考虑到:
      • CPU总线的负载的能力
      • CPU时序与存储器的存取速度之间的时序配合问题
      • 存储器的地址分配和选片问题
      • 控制信号的连接
slide29

译码方式

    • 全译码方式:全部高位地址线经过译码作为选片信号线
    • 部分译码方式:用部分高位地址线经过译码作为选片信号线
    • 线选方式: 直接用某一条高位地址线作为芯片的选片

例:上图中,设系统CPU有地址线16条,连接4K ROM和1K RAM。

若用高位地址线全译码输出作为个芯片的选片信号,

高地址的4条输出线接四片ROM,

最低地址的输出线接RAM,

则各地址范围是多少?

slide31

2-3 总线

  • 总线的定义:总线是一类信号线的集合,是模块间传输信息的公共通道,通过它计算机各部件间可进行各种数据和命令的传送。
  • 总线的分类:

片内总线、局部总线、系统总线、外总线

  • 总线的特性:

机械特性、功能特性、电气特性、时间特性

  • 总线的功能特性:

地址总线、数据总线、控制总线、电源与地线、备用线

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地址总线

HOLD

HLDA

总线请求

DMA请求

I / O

设备

HRQ DREQ

DMAC

HLDA DACK

总线响应

DMA响应

CPU

控制总线

数据总线

  • 总线的操作过程:
    • 系统总线上的数据传送是在主控模块的控制下进行的。主控模块是有控制总线能力的模块,常有CPU、DMAC等。从属模块则只能接受和执行主控模块的命令信号。
    • 在一个系统中,若存在多个可控制总线的主模块时,总线使用权的转移存在着一个请求与响应的过程。
    • 申请总线阶段、寻址阶段、传数阶段和结束阶段。
    • 数据传送方式:同步式传输、异步式传输和半同步式传输。
slide33

总线体制

    • PC总线(8位数据线、20条地址线)
    • ISA工业标准体系结构总线(16位数据线、24条地址线)
    • 扩展的工业总线EISA(32位数据线、32条地址线)
    • 外部设备互连总线PCI:具有高性能、低成本、使用方便、寿命长、可靠性高、灵活、数据完整、软件兼容的优点。(32位数据线,可升级到64位、64条地址线)
    • PCMCIA(笔记本用,16位数据线、26条地址线 )
slide34

2-4 常用外设简介

2-4-1 键盘

  • 键盘是由一组排列成矩阵方式的按键开关组成,是重要的输入设备。
    • 编码键盘:用硬件识别按了哪个键,产生相应的代码。
    • 非编码键盘:在软件控制下完成键盘的输入功能,在小型微机系统中使用(键盘的规模小)。
    • 非编码键盘扫描按下键的工作原理:
      • 行线上所对应的口地址作输出,列线上所对应的口地址作输入。
      • 在工作时,程序按行扫描键盘,用输入口来查询列线上的电位,看是否有低电平,由行号和列号的组合,来确定是哪一个键闭合。
slide35

+5V

+5V

+5V

+5V

D0

D1

D2

D3

L0

L1

L2

L3

D0 Q0

D1 Q1

D2 Q2

D3 Q3

R0 R1 R2 R3

DLE

KBSEL

用锁存器连接的4 X4 键盘阵列

slide36

行扫描法识别键按下的软件方法

首先判断有无键按下,从输出口输出全0,即使所有的行线同时都为低电平,再从输入口读入列线状态,如果有一列为低电平,说明有键按下。

从输出口输出1110,将键盘的第一行置为“0”,其它的行线为“1”,然后从输入端口读取列值,看是否有某一个列线为“0”;若没有,则接着输出1101,将第二行 置为“0”,其它的行线为“1”,如此循环,最终可对所有键扫一次,直到找到为止。

软件根据读入的列值判断出按下键的座标位置,形成键号。

slide37

+5V

a

c

com

g f com a b

b

a

c

a

b

d

f g b

e

f

g

e d c

d

e

f

g

dp

dp

com

dp

e d com c db

(a) 管脚图

(c) 共阳级

(b) 共阴极

2-4-2 显示器

LED显示原理

LED显示器由七段 a ~ g 组成,每段是一个发光二极管。

在共阳极接法中,只要在 a ~ g 对应的输入端加上低电平,它们的公共端加上高电平,就能点亮相应的发光二极管,使LED显示器显示相应的字型。

slide38

阴极射线管CRT显示器

  • CRT显示器工作方式有随机扫描和光栅扫描两种。
  • 光栅扫描图形显示器的工作过程:
    • 图象生成器根据主机送来的画图命令,把图画在显示存储器中生成要显示的图形的位图。
    • CRTC一方面产生水平和垂直同步信号送到监视器,使CRT电子束进行扫描,形成光栅;另一方面根据电子束在屏幕上的位置生成显示存储器的相应地址,读出对应的位图数据。
    • 从显示存储器读出的位图数据,经过查彩色表,转换成红、绿、蓝三原色的亮度值。
    • 颜色亮度值即视频信号,控制着CDT电子束,从而使CRT屏幕上形成一幅与显示存储器中所存的映像相对应的画面。
    • 为了使屏幕上显示的画面不产生闪烁,将上述过程反复进行。
slide39

字符与图形显示器的性能指标有:

分辨率、亮度等级数目、画图速度、屏幕尺寸、刷新频率等。

用于PC机显示器的显示模式有:

CGA、MDA、EGA、VGA、TVGA等。

打印机常用的有:针式打印机、喷墨打印机和激光打印机。

光驱的种类:

只读型CD-ROM、一写多读型WORM 、可抹型。

鼠标的种类:机械式和光电式。

鼠标器通过RS—232C连至微机串口(COM1或COM2)。

slide40

软磁盘存储器与硬磁盘存储器的区别

  • 软盘的盘片由聚酯薄膜作基底,涂上金属氧化物构成,硬盘由刚性的涂有金属氧化物的金属盘制造。
  • 软盘工作时,磁头压向磁盘,两者是接触的,硬盘工作时,靠磁盘高速旋转,在磁头和磁盘之间形成一个气垫,使磁头悬浮,因此,硬盘的旋转速度比软盘高得多,其访问速度就比软盘高很多。
  • 硬盘的位密度和道密度都比软盘高,存储容量也大得多。
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