微机原理与接口技术第2章课件.ppt
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1、第2章 中央处理器v 本章介绍微型计算机的核心部件CPU,这一部分的重点内容如下:v1、8086/8088CPU的内部结构、外部引脚功能及与其它部件的连接v(编程结构、功能结构、引脚功能与CPU子系统)v2、8086/8088CPU的总线周期时序v(最大/小模式下的总线读周期、总线写周期、中断响应周期、总线请求和总操作授予时序等)v本章还将简要介绍如下的内容:v80186Pentium4超线程处理器和双核处理器的发展和继继承。2.1 8086/8088 CPUv 1978年,Inter 公司推出了8086CPU,这是一种当时最先进的高性能的16位的微处理器,为了适应市场,1981年Intel在
2、1981年推出准16位的微处理器8088CPU。v2.1.1 8086/8088 CPU的主要特征v8086和8088的不同之处v A.8086 CPU内部的指令队列为6字节,而8088为4字节的指令队列.v B.8086和8088CPU的内部数据总线宽度都为16位,但8086对外的数据总线宽度是16位,而8088对外的数据总线宽度是8位。v2.8086/8088CPU的主要特征v 8086/8088CPU是大规模集成电路芯片,其中包含有29000多个晶体管。采用双列直插式封装,有40个外接引脚,使用+5伏电压供电,CPU的时钟频率可采用5M、8M或者10M。这是它在电子学方面的特征,从计算机
3、科学方面来看,它有如下的的功能特征:v1)指令系统较完备,有100多条基本指令。v2)*寻址方式灵活多样,指令的基本寻址方式有顺序寻址、相对寻址2种,数据的基本寻址方式立即数寻址、寄存器寻址、存储器寻址三种v3)使用20位地址线对存储器寻址,存储器的物理容量可达1MB。v4)使用16位的地址线对I/O端口寻址,I/O端口数可达64KB。v5)片内数据总线都是16位的,8086的系统数据总线也是16位,但8088的系统数据总线是8位的。v6)具有软件中断和硬件中断(可屏蔽中断、非屏蔽中断)的处理能力,中断源可以多达256个(即中断号可以有256个)。v7)*具有最大模式和最小模式这两种工作模式,
4、在最大模式下,允许系统中存在其它的处理器(控制器或称总线主模块),在总线控制器8288的协助下,系统具有协调管理总线的能力。v8)具有出让总线,配合DMA控制器的请求,由DMA控制器控制总线,进行DMA传送的功能。v9)向下兼容8080/8085指令。2.1.2 8086/8088的编程结构v这一部分内容我们已经学过了,这里略过。2.1.3 8086/8088CPU的功能结构*从8086/8088CPU的功能结构图可以看出,这个芯片的内部按功能划分成执行单元(EU)和总线接口单元(BIU)两个相对独立的部件。EU负责指令的执行,BIU负责片内总线与系统总线之间信息(指令、状态、数据)的传送控制
5、。这里需要指出的是,在IBM/PCXT微机出现之前,所有计算机在执行指令时的取指令和执行指令这两个步骤一定是串行执行的,而8086/8088CPU中使用了指令队列技术之后,才使EU和BIU有可能并行工作。(所以说:独立是相对的,并行是部分的。)v1、*执行单元v 执行单元中的部件主要由冯诺伊曼体系结构中的运算器和控制器的主要部分构成。v 运算器主要由算术逻辑运算单元ALU,暂存寄存器A、B,标志寄存器F,8个通用寄存器AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI、DI。v(1)ALU 的核心是16位的全加器和16位逻辑与移位寄存器所组成,其主要功能是执行各种算术和逻辑运算并将结果送到指定的某一通用
6、寄存器中,同时它还要将运算中的一些状态反馈到标志寄存器中。当然,它还要负责16位的有效地址的运算。v(2)用寄存器组(略)v(3)状态标志寄存器F(略)v(4)EU控制器v EU控制器继承了传统计算机控制器的大部分功能:指令译码、时序微操作控制信号的产生与发布等,直接控制EU本身和CPU的其它部件完成指令所规定的功能。(传统CPU的控制器控制CPU和计算机的其它部件)2.总线接口单元BIUv*微机在工作时,总是有许多信息需要在CPU和存储器及I/O设备之间进行传输,如CPU需要到存储器取指令、数据,CPU需要将运算结果存储到存储器或传送到某外部设备等。8086以前的微机对这些传输的控制信号全部
7、来之于CPU内的控制器。8086以后的微机对此作为改进,对CPU内部各部件的控制信号直接来之于EU控制器,而对CPU外的存储器,I/O接口的控制信号则来之于总线控制器。v *总线接口单元的功能是在总线接口单元的功能是在“CPU与存储器、与存储器、I/O接口电接口电路进行信息传输路进行信息传输”时起控制作用。时起控制作用。v 当然通过后面章节的学习,我们还会知道,CPU在必要的时候,还会将这个总线控制权出让给系统中的其它主控设备。v前面已经说过,总线接口单元BIU的工作是控制指挥CPU和存储器及I/O接口之间的信息交换工作。这些工作的各个细节是由BIU中的几个电路实现的。v(1)地址加法器 v
8、它将16位的段基值左移4位后与从16位的内部数总线送来的偏移地址值相加后形成20位的物理地址送到地址总线,用于对存储器的寻址。如果是计算的是指令地址,则16位的偏移地址一般来之于IP寄存器。v BIU内部的4个段寄存器、一个IP指令指针寄存器的功能作用这里就不再讲了。v(2)指令队列缓冲器(6或4字节)v 这里一个先进先出的指令队列,用于保存从存储器中取出的的若干条指令。*(这个部件不负责指令分析,这里存放的是未译码的指令。)v 由于总线部件中安排了这个指令队列缓冲器,EU要执行指令时,是从这个队列中取指令,而不必到存储器取指令,所以EU在执行指令时,BIU 仍然可以利用总线到存储器取指令,这
9、样就实现了EU和BIU的并行工作,使计算机的工作效率得到成倍的提升。但我们决不能因为这一点就说8086/8088是流水CPU。2.1.4 流水线技术图2-3(B)8086/8088CPU并行处理示意图8086/8088CPU是CISCCPU,它对不同指令的执行步骤和执行时间是不相同的,甚至指令长度都不相同,所以无法构成真正的流水计算机。取指1取指2取指3取指4取指5取指6取指7取指8取指9取指10取指11取指12译码1译码2译码3译码4译码5译码6译码7译码8译码9译码10译码11取数1取数2取数3取数4取数5取数6取数7取数8取数9取数10执行1执行2执行3执行4执行5执行6执行7执行8执行
10、9存数1存数2存数3存数4存数5存数6存数7存数8取指部件译码部件取数部件执行部件存储结果部件取指1译码1取数1执行1存数1取指2译码2取数2执行2存数2取指3译码3非流水执行情况图2-3C 五级流水计算机流水示意图 要求,指令码长相等,每条指令有相同的执行步骤,每个步骤执行时间相等。精简指令集(RISC)计算机符合上述要求。(但流水机并不一定是RISC机。)2.1.5 8086/8088CPU的最大模式和最小模式1.8086CPU的最小模式子系统图2.1.5-1 8086CPU的最小模式子系统*注意:MN/MX的接法,这里接高电平,若是最大模式系统,应接低电平,否则系统不能正确工作。v使用8
11、086CPU构成一个最小模式子系统,需要有以下的最基本的配套芯片:v 1)8086CPU芯片 一片v 2)8082(或74LS373)地址锁存器三片v 3)8286(或74LS245)数据总线收发器 二片v 4)8284时钟发生器 一片v 5)数据存储器芯片 若干片v 6)必要的输入输出设备接口电路v2、处于最大模式下的8086CPU子系统v 所谓最大模式:即系统中除了8086这一个主CPU外,还存在其它可以控制总线的从CPU,如:8087(浮点运算器),8089IOP(通道处理器)等,由于电路中有了多个的需要控制总线的设备,这就要有一个总线控制器,INTER公司提供的8288总线控制器,就是
12、专为8086配套使用的芯片。v 所以,当8086处于最大模式下,除了必须要有最小模式下的那些基本配置外,电路中还必须要有一片8288总线控制器,总线控制器有的时候是要代替主CPU进行发号施令的。图2.1.5-2 最大模式下的8086CPU子系统 比最小模式多出了一片的8288总线控制器,CPU不再直接发出对系统总线对存储器I/O接口的控制信号,而仅发出S0、S1、S2三位总线状态信号给8288,然后由8288对总线及存储器,I/O端口进行控制。2.1.6 8086/8088CPU芯片引脚功能介绍8088的第28号引脚为IO/M极性与8086的相反8088 的数据总线只有8位。v *8086/8
13、088共有40个引脚,我们把这些引脚分成二个部分:v1、保证CPU能够正常工作的+5V电源线引脚1个、接地线引脚2个,复位信号RESET引脚1个,CPU时钟信号输入引脚(CLK)1个,工作模式选引脚(MN/MX)1个,一共6个。这6个引脚的信号全部由外部输入,且不可悬空。v2、与计算机系统总线相连的地址线/数据线,地址线/状态线复用引脚、用于控制用的命令信号线和外部请求信号线、外部状态信号线等。这34个引脚有的用于向CPU输入信息,有的用于CPU向外部发送命令及工作状态,有的用于地址及数据的传送等。有的是单向信息引脚,有的是双向信息引脚,有的甚至是三态引脚。v下面,我们先全面的介绍8086CP
14、U处于最小模式下的引脚功能,然后再介绍最大模式下引脚功能的一些变化情况。当然,也要指出8088与8086的不同之处。三态引脚功能介绍:vV cc:(40)电源信号。这是供给8086/8088芯片电源的,电源引脚Vc。接入电压为5V。v接地线(1号引脚和20号引脚)vCLK:(19)时钟信号,输入信号,CLK来源于8284时钟发生器,8088的CLK时钟频率f=5 MHz,即时钟周期T为200ns,时钟信号 CLK用于在8086/8088 CPU和8288总线控制器中产生时序信号,控制8086/8088内部和总线设备按时序操作。v 8086的时钟频率=5MHz 8088的时钟频率=5MHzv 8
15、086-1的时钟频率=8MHz 8086-2的时钟频率=10MHz1.保证CPU能正常工作的5个引脚4)RESET:(21)复位信号,输入。RESET来源于8284时钟发生器,当它为高电平时完成CPU复位,RESET信号必须保持有效(高电平)至少4个时钟周期,才可以完成CPU内部的复位过程。复位的工作包含将CS置为0FFFFH和将IP置为0000H,复位后,即当RESET信号由高变低时,8086/8088重新启动执行,此时,CPU将从CS:IP形成的存储器物理地址去取第一条指令,从而开始执行程序的工作。5)MN/MX (33)单向输入引脚,当其为高电平时,CPU工作于最小模式,当其为低电平时,
16、CPU工作于最大模式。与系统三总线相连的34个引脚1)AD15AD0,(216、39)十六条的地址/数据分时复用线,三态功能,作为地址线时为单向输出,作为数据线时为双向(输入/输出)。如为8088CPU,则数据线仅使用低8位。其高8位A15A8为地址线专用。2)AD19/S6AD16/S3(3538)高4位地址/状态复用线,三态功能,单向输出。S4,S3的含义如表4-2所示,S5=1,表示当前IF=1,CPU处于允许可屏蔽中断状态,S5=0,表示当前IF=0,CPU处于禁止可屏蔽中断状态。S6=0,表示当前CPU正与系统总线相连,S6=1,表示当前CPU与系统总线的关系处于悬空状态。3)BHE
17、/S7:(8086的34#引脚)*高8位数据总线允许/状态线,输出信号,低电平有效。BHE仅用于8086。读写存储器时,BHE和A0配合使用,详见下图。S7没有定义。BHEA0传送字节所用数据引脚00同时传送高、低两个字节AD15AD001传送奇地址单元(高字节)AD15AD810传送偶地址单元(低字节)AD7AD011不传送4)RD (32):读命令线,单向输出,三态,低电平有效,用于将选定的存储单元或外设端口中的数据读出到数据总线。5)HOLD (31):总线请求信号线,单向输入,高电平有效,若系统中有且仅有一片的从处理器,其若要使用总线,必须从该引脚向CPU提出总线请求。6)HLDA(3
18、0):总线应答信号线,单向输出,高电平有效,CPU在接到HOLD信号时,向从处理器发出的总线应答信号,若该线为高电平时,CPU从内部将所有的三态总线断开,使其处于高阻抗状态,同时协处理器接管总线控制权。7)WR 写命令线(29):单向输出,三态,低电平有效,用于对选定的存储单元或外设端口进行写入操作。8)M/IO 存储器/外设选择信号线(28),单向输出,三态,高电平时,表示当前地址信息对存储器操作,低电平时表示当前的地址信息对外设端口操作。向总线上发出地址信号和控制信号,从而控制总线的模块叫作总线主模块(又叫系统主模块)。通常CPU是总线主模块,此外最常见的总线主模块是DMA(直接存储器访问
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