微机原理与接口技术二 微处理器与总线

微处理器

功能

• 是计算机系统的核心
• 根据指令实现各种相应的运算
• 能对指令进行译码、寄存并执行指令规定的操作
• 实现数据的暂存
• 实现与存储器和接口的信息通信
• 能够提供系统所需的定时和控制信号

运算器

算术逻辑单元ALU(Arithmetic logic Unit)
又称运算器
以加法器为基础，辅以其它逻辑电路完成加、减、乘、除和各种逻辑运算；高级的ALU还可以完成浮点运算。

控制器

Ⅰ、指令寄存器IR(Instruction Register)
指令寄存器IR用来存放从存储器取出的将要执行的指令(实为其操作码)。
Ⅱ、指令译码器ID(Instruction Decoder)
指令译码器ID用来对指令寄存器IR中的指令进行译码，以确定该指令应执行什么操作。
Ⅲ、可编程逻辑阵列PLA(Programmable Logic Array)(也称为定时与控制电路)

功能：
指令控制
时序控制
操作控制

8088/8086微处理器

区别

8088与8086同属第三代CPU
8086 CPU 内●外D●B均为16位，是真正的16位机
8088 CPU 内部D●B为16位，外部D●B为8位，故为准16位机
它们已经用于各种智能控制系统。在最小配置下，只需4片外围芯片，便可构成一小型应用系统。

指令流水线

8088/8086 CPU内部有两个能立的部件：
总线接口单元BIU（Bus Interface Unit）：
负责从内存取指送入指令流队列 从内存取操作数送至EU部份去执行
执行单元EU（Execution Unit）：
负责指令的执行

※8086的引脚

• $$\overline{S{S}_0}：系统状态信号输出$$
• $$MN/\overline{MX}：值为1，最小模式；值为0，最大模式$$
• $$\overline{WR}写信号\overline{RD}读信号（低电平有效）$$
• DT/R：数据传送方向控制信号：值为1，CPU发送数据；值为0，CPU接受数据
• A16–A19：地址、段寄存器状态复用；S6=0， S5=IF，
  S4S3=00，ES S4S3=01，SS S4S3=10，CS S4S3=11，DS
• IO/M：=1，访问输入输出端口；
  =0，访问存储器
• READY：输入信号，由内存或者I/O设备发出
• ALE:地址锁存允许信号，ALE=1
• INTR：可屏蔽中断请求输入信号
• NMI非屏蔽中断请求输入端
• $$\overline{INTA}：中断响应输入端$$
• ALE=1，地址信号；
  DEN=0，数据信号；
• RESET：复位信号
• 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。

两种工作模式

最小模式为单处理器模式。
最大模式为多处理器模式。

地址线和数据线

AD0—AD7：低8位地址和低8位数据信号分时复用。在传送地址信号时为单向，传送数据信号时为双向。
A16–A19：高4位地址信号，与状态信号分时复用。
A8—A15 ：8位地址信号

8088和8086引线功能比较

数据总线宽度不同
8088的外部总线宽度是8位，8086为16位。
访问存储器和输入输出控制信号含义不同
8088——IO/M=0表示访问内存；
8086——IO/M=1表示访问内存。
其他部分引线功能的区别

内部结构

内部由两部分组成：执行单元（EU）和总线接口单元（BIU）

执行单元

组成：
运算器
8个通用寄存器
EU部分控制电路

功能：
指令译码、指令执行、保存中间运算结果、保存运算结果特征

总线接口单元

功能：
从内存中取指令到指令预取队列
指令预取队列是并行流水线工作的基础
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

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

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

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。
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基地址。

BX和BP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。

变址寄存器

SI：源变址寄存器
DI：目标变址寄存器
变址寄存器在指令中常用于存放数据在内存中的地址。

状态标志位

CF（Carry Flag）
进位标志位。加(减)法运算时，若最高位有进(借)位则CF=1
PF（Parity Flag）
奇偶标志位。运算结果的低8位中“1”的个数为偶数时PF=l
AF（Auxiliary Carry Flag）
辅助进位标志位。加(减)操作中，若Bit3向Bit4有进位(借位)，AF=1
ZF（Zero Flag）
零标志位。当运算结果为零时ZF=1
SF（Sign Flag）
符号标志位。当运算结果的最高位为1时，SF=l
OF（Overflow Flag）
溢出标志位。当算术运算的结果超出了有符号数的可表达范围时，OF=l

控制标志位

TF（Trap Flag）
陷井标志位，也叫跟踪标志位。TF=1时，使CPU处于单步执行指令的工作方式。
IF（Interrupt Enable Flag）
中断允许标志位。IF=1使CPU可以响应可屏蔽断请求。
DF（Direction Flag）
方向标志位。在数据串操作时确定操作的方向

时序

时序的概念：CPU各引脚信号在时间上的关系。
时钟周期：每个时钟脉冲的持续时间成为一个时钟周期，用Ti表示，由时钟发生器产生，是CPU工作的基本时间单位。PC/XT时钟频率4.77MHz，时钟周期是210ns。
总线周期：CPU完成一次访问内存(或接口)操作所需要的时间。8088执行存储器读或存储器写操作需用4个时钟周期。 8088的总线周期由4个时钟周期组成，称为T1、T2、T3、T4状态；
指令周期P：由若干个总线周期组成。是从取指令开始到指令执行完毕所需要的时间。

系统总线

定义

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。

常用系统总线

ISA（8/16位）
PCI（32/64位）
AGP（加速图形端口，用于提高图形处理能力）
PCI-E（PCI Express ）
目前最新的系统总线标准，采用串行方式传输数据，依靠高频率来获得高性能。

主线的主要性能指标

总线带宽（B/S）：单位时间上总线可以传送的数据量
总线位宽（bit）：能同时传送的数据位数
总线的工作频率：（MHz）
总线带宽=（位宽/8）*（工作频率/每个存取周期的时钟数）

8088工作模式

8088可工作于两种模式下：
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。