位微处理器课件.ppt
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- 微处理器 课件
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1、四、16位微处理器0.本章知识脉络1.微处理器的发展历程Fair Child仙童1.微处理器的发展历程1.微处理器的发展历程1.微处理器的发展历程 创立者:鲍勃诺依斯和戈登摩尔 时 间:1968年7月18日 1971年11月15日 霍夫 世界上第一个微处理器 40041.微处理器的发展历程 4位微处理器具备45条指令 每秒能执行5万条指令 性能不如ENIAC 集成度却要高很多,微处理器从此诞生。1.微处理器的发展历程 性能是4004的两倍 主频只有200KHZ 只能做基本的整数运算 同类处理器M6800、Z-801.微处理器的发展历程 3微米制造技术 集成度达到29000个晶体管 内部和外部总
2、线都是16位,寻址20位 主频达4.77MHZ 同类处理器M68000、Z80001.微处理器的发展历程 8088并非8086的升级版,甚至性能还不如8086 因为在IBM个人电脑中的使用,产生了PC的概念取得巨大的商业成功,因而名垂史册。同时,Intel提出了协处理器的概念8088可以搭配8087使用 8087协处理器主要负责浮点方面的运算,直到486的推出,才将浮点和整数运算单元合并在一起。1.微处理器的发展历程 16位数据总线,24位地址总线 1.5um技术制造 主频12MHz以上 它的效率是8088的4倍以上 与8086二进制兼容 建立了CISC(复杂指令集)结构1.微处理器的发展历程
3、 32位数据总线、32位地址总线(可寻址4GB)其中386SX是准32位CPU,即内部数据通道为32位,外部数据通道为16位,为了兼容采用286的系统设备 40MHz主频2.8086/8088 CPU 的结构8088/8086 CPU寄存器组寄存器组算术逻辑单元算术逻辑单元ALU 标志寄存器标志寄存器FR暂存器暂存器执行单元执行单元EU(Execution Unit)总线接口单元总线接口单元BIU(Bus Interface Unit)完成取指令和完成取指令和存取数据操作存取数据操作负责分析指令负责分析指令和执行指令和执行指令内部控制逻辑内部控制逻辑段寄存器段寄存器(CS、SS、DS、ES)地
4、址加法器地址加法器指令队列指令队列输入输入/输出控制电路输出控制电路指令指针寄存器指令指针寄存器IPIP内部暂存器内部暂存器 IP ES SS DS CS输入输入/输出输出控制电路控制电路外部总线外部总线执行部分执行部分控制电路控制电路1 2 3 4 5 6ALU标志寄存器标志寄存器 AH AL BH BLCH CL DH DL SP BP SI DI通用通用寄存寄存器器地址地址加法加法器器指令队列缓冲器指令队列缓冲器执行部件执行部件(EU)总线接口部件总线接口部件(BIU)16位位20位位16位位8位位4.2.1 执行部件(Execution Unit)AXBXCXDX累加器累加器基地址寄存
5、器基地址寄存器计数器计数器数据寄存器数据寄存器通用寄存器通用寄存器SPBPSIDI堆栈指针寄存器堆栈指针寄存器基地址寄存器基地址寄存器源变址寄存器源变址寄存器目的变址寄存器目的变址寄存器专用寄存器专用寄存器15 0状态标志寄存器状态标志寄存器FR15 0算术逻辑单元算术逻辑单元 ALUAH ALBH BLCH CLDH DL8 7EU 控制器控制器EU4.2.1 执行部件(Execution Unit)OF DFIFTFSFZFAFPFCF15 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0进位标志进位标志奇偶标志奇偶标志半进位标志半进位标志零标志零标志符号标志符号标志中断标志中断标志单步
6、标志单步标志溢出标志溢出标志方向标志方向标志控制标志控制标志状态标志状态标志FR 寄存器各位的含义寄存器各位的含义未使用未使用4.2.2 总线接口部件(Bus Interface Unit)CSDSSSES代码段寄存器代码段寄存器数据段寄存器数据段寄存器堆栈段寄存器堆栈段寄存器附加段寄存器附加段寄存器段寄存器段寄存器IP指令指针寄存器指令指针寄存器20位的地址加法器位的地址加法器BIU总线控制逻辑总线控制逻辑1 2 3 4 5 66个字节的指令队列个字节的指令队列80884个字节个字节4.2.2 总线接口部件(Bus Interface Unit)当当8086指令队列中有指令队列中有2个(个(
7、8088有有1个)空字节时,个)空字节时,BIU自动把指令取到队列中自动把指令取到队列中 EU从指令队列取指,执行。执行过程中如果要访问存储器从指令队列取指,执行。执行过程中如果要访问存储器或或I/O,若此时若此时BIU正在取指,则取指完成后,响应正在取指,则取指完成后,响应EU的总的总线请求。线请求。当指令队列已满,当指令队列已满,EU又没有总线访问,又没有总线访问,BIU进入空闲状态进入空闲状态 执行转移、调用和返回指令时,指令队列中的原有内容自动执行转移、调用和返回指令时,指令队列中的原有内容自动消除,消除,BIU开始往指令队列中装入目标程序段中的指令。开始往指令队列中装入目标程序段中的
8、指令。4.2.3 存储器结构 CPU 所能访问的最大地址空间 由CPU对外的地址线条数决定 寻址空间=2地址线条数4.2.3 存储器结构 CPU 所能访问的最大地址空间 由CPU对外的地址线条数决定 寻址空间=2地址线条数4.2.3 存储器结构 为什么要分段?8086外部地址线为20条 故对外寻址能力为220=1MB 8086内部地址线为16条 故内部寻址能力为 216=64KB 分段的目的,正式为了解决用16位内部地址,访问1MB内存空间的问题4.2.3 存储器结构 假如你的手机电话本仅能存储8位的电话号码你如何存储朋友们的手机号?4.2.3 存储器结构 将1MB内存空间分为若干个逻辑段 每
9、个逻辑段的容量64KB 各个段起始地址低4位必须全部为0(段首址可被16整除)各个段可以部分重叠、完全重叠、连续排列、断续排列4.2.3 存储器结构 逻辑地址:程序员使用的地址、CPU内部总线上的地址(16位)物理地址:CPU访问内存或I/O设备所使用的地址(20位)4.2.3 存储器结构15 0段 基 址3 2 1 015 0偏 移 地 址0 0 0 0地址加法器19 物 理 地 址 0物理地址物理地址=段基址段基址16+偏移地址偏移地址4.2.3 存储器结构 若当前IP=2200H CS=1000H,则存放下一条待取指令的内存地址是?10000 H 2200 H =12200 H P77
10、图4-44.2.4 8086的总线工作周期 执行一条指令所需要的时间 取指令分析指令执行指令 CPU存取一次存储器或I/O端口所需要的时间 总线周期由4个以上的时钟周期构成每个时钟周期又称作一个T状态4.2.4 8086的总线工作周期 一般情况下一个指令周期包含若干个总线周期 如:取指阶段,至少需要一个总线周期 取数阶段,至少需要一个总线周期 存数阶段,至少学要一个总线周期 在8086中,一般以时钟周期作为基本时间单位 时钟周期=1/主频4.2.4 8086的总线工作周期指令周期总线周期总线周期4.3 8086/8088 CPU的引脚信号和工作模式 电源+地=2条 20条地址线 16条数据线
11、时钟信号、复位信号等控制信号 至少40+n 条 引脚4.3 8086/8088 CPU的引脚信号和工作模式123456789101112131415161718192040393837363534333231302928272625242322218086CPU地AD14AD13AD12AD11AD10AD9AD8AD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0NMIINTRCLK地VCC(5V)AD15A/S2A/S4A/S5A/S6BHE/S2MN/MXRDHOLD(RQ/GT0)HLDA(RQ/GT1)WR(LOCK)M/IO(S2)DT/R(S1)DEN(SD)ALE(QSD)INTA
12、(QS4)TESTREADYRESET芯片的引脚过多,会导致制造技术的困难,所以通常采用“引脚复用”技术来实现“一脚多用”从而减少芯片引脚数量4.3 8086/8088 CPU的引脚信号和工作模式 为了工业生产的标准化,集成电路的外形及引脚分布有一定的规范,称为封装形式 常见的封装形式有:双列直插 DIP、QFP、SO等 4.3 8086/8088 CPU的引脚信号和工作模式 分时复用:不同时刻用作不同功能 模式复用:不同工作模式下用作不同功能123456789101112131415161718192040393837363534333231302928272625242322218086C
13、PU地AD14AD13AD12AD11AD10AD9AD8AD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0NMIINTRCLK地VCC(5V)AD15A/S2A/S4A/S5A/S6BHE/S2MN/MXRDHOLD(RQ/GT0)HLDA(RQ/GT1)WR(LOCK)M/IO(S2)DT/R(S1)DEN(SD)ALE(QSD)INTA(QS4)TESTREADYRESET4.3.1 8086/8088的引脚信号和功能 AD15AD0(8088中只有AD7 AD0)地址/数据复用总线,双向,三态总线周期的T1状态输出地址T2、T3状态输出数据 A19/S6A16/S3,地址/状态线复用,输
14、出,三态总线周期的T1状态输出地址其余状态输出状态信息4.3.1 8086/8088的引脚信号和功能 BHE/S7(8086)高8位数据线允许/状态信息复用引脚,输出00005H00004H00003H00002H00001H00000H一个字一个字BHE A0 0 0 字操作字操作 0 1 奇地址高位字节奇地址高位字节 1 0 偶地址低位字节偶地址低位字节奇地址奇地址存储器存储器偶地址偶地址存储器存储器A0A19A1D7D0D15D8512K*8512K*8D7D0D15D8BHESELSEL4.3.1 8086/8088的引脚信号和功能 NMI,非屏蔽中断,输入 INTR,可屏蔽中断请求信
15、号,输入 RD,读信号,输出,三态,低电平有效 CLK,时钟信号,输入 RESET,复位信号,输入4.3.1 8086/8088的引脚信号和功能 READY,准备好信号,输入 TEST,测试信号,输入,低电平有效 MN/MX,最小/最大模式控制引脚,输入 此引脚接电源(高电平)时8086工作于最小模式 此引脚接地(低电平)时8086工作于最大模式 GND地和VCC电源引脚4.3.2 最小工作模式 系统中只有8086或8088一个微处理器 所有总线控制信号直接来自8086或8088 相对地 最大工作模式是指系统中包含多个微处理器的情况 一般由8086或8088作为主处理器,8087作为数值运算协
16、处理器,8089作为输入输出协处理器4.3.2 最小工作模式8086(8088)8284A地址锁存器数据收发器地址总线数据总线控制总线为何要使用地址锁存和数据收发?1、地址和数据引脚是分时复用的,这就需要对不同时刻发送的数据(地址或数据)进行区分和保存2、CPU的运行速度相对于内存和外设是很高的,这就需要有个暂存部件,将CPU发出的“转瞬即逝”的数据保存下来。3、当系统外部电路较多或信号传输线路较长时,需要增加输出信号的强度(电流)。4.3.2 最小工作模式 AD0AD15、A16、A17、A18、A19 BHE ALE(Address Latch Enable):地址所存允许(输出)向地址锁
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