第 2 章微型计算机基础

第2章微型计算机基础

主要内容： • 微型机的构成及工作原理 • 8088/8086 CPU的结构及工作原理 • 系统总线

§2.1 微型机的基本结构 掌握： • 微机系统的基本组成 • 微型机的工作原理 • 微机8088的存储器组织

一、微型计算机系统组成 微型计算机系统的三个层次微处理器(Microprocessor) 微型计算机(Microcomputer) 微型计算机系统(MicrocomputerSystem)

ALU 寄存器控制器微处理器存储器 I/O接口总线微型计算机 (主机) 硬件系统软件系统键盘、鼠标显示器软驱、硬盘、光驱打印机、扫描仪微型计算机系统外设系统软件应用软件微型计算机系统的三个层次

核心级——微处理器 • 微处理器简称CPU，是计算机的核心，主要包括：运算器ALU：完成各种运算；控制器CU：控制中心寄存器组：专用和通用寄存器。 • CPU实现了运算功能和控制功能，每种 CPU有其特有的指令系统。

硬件系统级——微型计算机 • 以微处理器为核心，配上只读存储器(ROM)、读写存储器(RAM)、输入/输出(I/O)接口电路及系统总线等部件，就构成了微型计算机。 • 将CPU、存储器、I/O接口、总线等集成在一片超大规模集成电路芯片上，称为单片微型计算机，简称单片机。

系统级 • 以微型计算机为中心，配以相应的外围设备以及控制微型计算机工作的软件，就构成了完整的微型计算机系统。 • 微型计算机如果不配有软件，通常称为裸机 • 软件分为系统软件和应用软件两大类。

一、微型计算机的基本结构 微处理器（CPU）存储器输入/输出接口总线 1. 微型计算机的硬件系统

C P U 地址总线 AB I/O 接口输出设备 I/O 接口 I/O 接口存储器输入设备数据总线 DB 控制总线 CB 微型计算机的概念结构 AB: Address Bus DB: Data Bus CB: Control Bus

主机硬件系统——CPU • 计算机的控制中心，提供运算、判断能力 • 构成：ALU、CU、Registers（图2-3）例：Intel 8088/8086、PIII、P4、Celeron等 AMD （Athlon、Duron等） CPU的位数：4位、8位、16位、32位、64位是指一次能处理的数据的位数

主机硬件系统——存储器 • 存放程序和数据的记忆装置 • 用途：存放程序和要操作的各类信息（数据、文字、图像…） • 内存：ROM、RAM • 特点：随机存取，速度快，容量小 • 外存：硬盘、光盘、U盘等 • 特点：顺序存取/块存取，速度慢，容量大

有关内存储器的几个概念 • 内存单元的地址和内容 • 内存容量 • 内存的操作 • 内存的分类

Bit 7 6 5 4 3 2 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 内存单元地址 . . . 内存单元内容 1 0 1 1 0 1 1 0 38F04H *内存单元有时又称为地址单元 . . . 内存单元的地址和内容 • 内存包含有很多存储单元(每个内存单元包含8bit)，为区分不同的内存单元，对计算机中的每个内存单元进行编号，内存单元的编号就称为内存单元的地址。

内存容量 • 即内存单元的个数，以字节为单位。 • 注意：内存空间与内存容量的区别内存容量：实际配置的内存大小。例：某微机配置2条128MB的SDRAM内存条，其内存容量为256MB 内存空间：又称为存储空间、寻址范围，是指微机的寻址能力，与CPU的地址总线宽度有关。

内存操作 • 读：将内存单元的内容取入CPU，原单元内容不改变； • 写：CPU将信息放入内存单元，单元中原内容被覆盖； • 内存的读写的步骤为： • CPU把要读写的内存单元的地址放到AB上 • 若是写操作，CPU紧接着把要写入的数据放到DB上， CPU发出读写命令，数据被写入指定的单元或从指定的单元读出到DB； • 若是读操作， CPU紧接着从DB上取回数据

内存储器的分类 • 随机存取存储器（RAM） • 可读可写 • 易失性，临时存放程序和数据 • 只读存储器（ROM） • 工作时只能读 • 非易失性，永久或半永久性存放信息

主机硬件系统——输入/输出接口 • 简写为I/O接口，是CPU与外部设备间的桥梁 I/O 接口 CPU 外设

接口的功能 • 提供驱动外设的电压或电流； • 匹配计算机与外设之间的信号电平、速度、信号类型、数据格式等； • 缓存发给外设的数据、控制命令和外设提供的运行状态信息； • DMA控制和中断控制。

主机硬件系统——总线BUS • 连接多个功能部件的一组公共信号线 • 地址总线AB：用来传送CPU输出的地址信号，确定被访问的存储单元、I/O端口。地址线的根数决定了CPU的寻址范围（内存空间）。 CPU的寻址范围 = 2n，n-地址线根数 • 数据总线DB：在CPU与存储器、I/O接口之间数据传送的公共通路。数据总线的条数决定CPU一次最多可以传送的数据宽度。 • 控制总线CB：用来传送各种控制信号。

2. 微型计算机的软件系统 • 软件：为运行、管理和维护计算机系统或为实现某一功能而编写的各种程序的总和及其相关资料。操作系统系统实用程序系统软件软件应用软件

CPU 前端总线/CPU总线外设北桥 Cache CRT AGP 接口卡 RAM PCI KBD，Mouse 串行/并行接口 HDD/CDROM(IDE、SATA) FDD USB 南桥 BIOS 总线扩展槽 ISA 3.微型计算机的物理结构

微型计算机的物理结构

INTEL芯片组主板

主板的主要硬件构成 • CPU插座 • 芯片组（南北桥/HUB） • 内存插槽 • 高速缓存（现已集成到CPU内部） • 系统BIOS，硬件控制 • CMOS，存放硬件配置参数 • 总线扩展槽，PCI、ISA • 串行、并行接口 • 软/硬盘、光驱插座

芯片组 • CPU的外围控制芯片，通常为2片 • 两种架构：南北桥、HUB（加速中心） • 南北桥 • 北桥——提供CPU/主存/高速缓存的连接、AGP接口、PCI桥接 • 南桥——提供USB、IDE(FDD/HDD)、串/并口及ISA桥接等例如：Intel 440BX、VIA694(KT133)+686B、SiS 645等 • HUB • GMCH——AGP接口、存储器通道 • ICH——PCI桥接、IDE控制器、USB、串/并口 • FWH——系统BIOS、显示BIOS、随机数发生器例如：Intel 810、Intel 815、Intel845等

二、计算机的工作过程 存储程序计算机—又称为冯•诺依曼型计算机 • 以运算器为核心、以存储程序原理为基础 • 将计算过程描述为由许多条指令按一定顺序组成的程序，即程序是由多条有逻辑关系的指令组成，指令的长度不等（一般为1～4字节） • 数据和程序均以二进制代码的形式不加区别地存放在存储器中，存放位置由地址指定，地址码也是二进制形式 • 由控制器控制整个程序和数据的存取以及程序的执行指令驱动

机器指令：基本操作命令 • 特点：电子线路实现 • 不同的计算机有不同的指令系统（包括机器指令及其使用规则）

控制器 输入设备运算器输出设备指令流存储器存储程序计算机的工作原理 • 控制器按预先存放在计算机存储器中的程序的流程自动地连续取出指令并执行之。控制命令数据流

操作码 操作数程序执行指令1 取指令指令2 指令译码指令3 取操作数指令周期指令4 执行指令 … … 存结果指令n 程序的执行过程 1、CPU如何知道从哪里取出程序的第一条指令？ 2、CPU如何按程序控制流执行指令？ 3、CPU如何知道从哪里取操作数？

例：计算5+8（p35） 汇编语言程序对应的机器指令对应的操作 ------------------ --------------------- --------------------------------- MOV AL, 5 10110000将立即数1传送到累加寄存器AL中 00000101 ADD AL, 800000100计算两个数的和，结果存放到AL中 00001000 HLT11110100停机指令执行过程见下页图

时序控制信号（控制命令） ② 时序逻辑电路 ① ③ 加法器输出指令地址置初值 +1 指令译码器ID 输出 ⑧ 程序计数器PC 指令译码累加器A 指令寄存器IR ⑦ 锁存指令锁存内部总线地址存储器 ② ④ 输出地址锁存地址地址寄存器AR 地址译码器 1011 0000 数据寄存器DR MOV A, 5 ADD A, 8 HLT 0 1 2 3 4 0000 0101 1011 0000 0000 0100 0000 1000 地址总线锁存数据 1111 0100 ⑥ 读写控制电路 ⑤ 读写命令指令执行过程(取指/译码/执行)

注意： • 指令包括操作码和操作数 • 每条指令包括取指令和执行指令； • 取指阶段时间相同，执行阶段时间不同； • 内存单元地址与内容的区别；

§2.2 8088微处理器 主要内容： • 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。

一、概述 • 8088、8086基本类似 • 16位CPU、AB宽度20位 • 差别： • 指令预取队列：8088为4字节，8086为6字节 • 数据总线引脚：8088有8根，8086有16根 • 8088为准16位CPU，内部DB为16位，但外部仅为8位，16位数据要分两次传送 • 本课程主要介绍8088（IBM PC采用）

指令预取队列(IPQ) 取指令指令译码读取操作数执行指令存放结果

串行工作方式： • 8088以前的CPU采用串行工作方式： 1） CPU访问存储器(存取数据或指令)时要等待总线操作的完成 2） CPU执行指令时总线处于空闲状态缺点：CPU无法全速运行解决：总线空闲时预取指令，使CPU需要指令时能立刻得到 CPU 取指令 2 取操作数2 取指令 1 存结果 1 执行 1 执行 2 忙碌忙碌 BUS 忙碌忙碌

并行工作方式： • 8088CPU采用并行工作方式执行1 执行2 EU 执行3 取指令2 取操作数存结果取指令3 取操作数取指令4 BIU BUS 忙碌忙碌忙碌忙碌忙碌忙碌

8088的流水线操作 • 8088 CPU包括两大部分：EU和BIU • BIU不断地从存储器取指令送入IPQ，EU不断地从IPQ取出指令执行 • EU和BIU构成了一个简单的2工位流水线 • 指令预取队列IPQ是实现流水线操作的关键（类似于工厂流水线的传送带） • 新型CPU将一条指令划分成更多的阶段，以便可以同时执行更多的指令 • 例如，PIII为14个阶段，P4为20个阶段(超级流水线)

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，从而带来了以下两个好处： • 提高了CPU的效率 • 降低了对存储器存取速度的要求

8088/8086 CPU的特点 • 采用并行流水线工作方式 • 对内存空间实行分段管理： • 每段大小为16B～64KB • 用段地址和段内偏移实现对1MB空间的寻址 • 设置地址段寄存器指示段的首地址 • 支持多处理器系统； • 片内无浮点运算部件，浮点运算由数学协处理器8087支持（或用软件模拟）注：80486DX以后的CPU已将数学协处理器作为标准部件集成到CPU内部

8088CPU的两种工作模式 • 8088可工作于两种模式： • 最小模式和最大模式 • 最小模式为单处理机模式，控制信号较少，一般可不必外接总线控制器。 • 最大模式为多处理机模式，控制信号较多，CPU必须通过总线控制器与总线相连。

二、8088 CPU的引线及功能 引脚定义的方法可大致分为：： • 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（AD7～ AD0 等）； • 引脚的输入和输出分别传送不同的信息（RQ/GT等）。 • 每个引脚只传送一种信息（RD等）；

主要引线（最小模式下） • 8088是工作在最小还是最大模式由MN/MX端状态决定：MN/MX=0时工作于最大模式，反之工作于最小模式。数据信号线(DB)与地址信号线(AB)： • AD7～AD0：三态，地址/数据复用线。ALE有效时为地址的低8位。地址信号有效时为输出，传送数据信号时为双向。 • A19～A16：三态，输出。高4位地址信号，与状态信号 S6-S3分时复用。 • A15～A8 ：三态，输出。输出8位地址信号。

主要的控制和状态信号 • WR：三态，输出。写命令信号； • RD：三态，输出。读命令信号； • IO/M：三态，输出。指出当前访问的是存储器还是I/O接口。高：I/O接口，低：内存 • DEN：三态，输出。低电平时，表示DB上的数据有效； • RESET：输入，为高时，CPU执行复位； • ALE：三态，输出。高：AB地址有效； • DT/ R：三态，输出。数据传送方向，高：CPU输出，低：CPU输入

[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。

READY信号(输入)： 用于协调CPU与存储器、I/O接口之间的速度差异 READY信号由存储器或I/O接口发出。 READY=0时，CPU就在T3后插入TW周期，插入的TW个数取决于READY何时变为高电平。

中断请求和响应信号 • INTR：输入，可屏蔽中断请求输入端。高：有INTR中断请求 • NMI：输入，非屏蔽中断请求输入端。低高，有NMI中断请求 • INTA：输出，对INTR信号的响应。

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：输出，对HOLD信号的响应。为高电平时，表示CPU已放弃总线控制权，所有三态信号线均变为高阻状态。

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）

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