第二章 微计算机的基本组成

1. 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. 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。

3. 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。

4. 地址总线20位 AH AL AX 通 BH BL BX 用 CH CL CX 寄 DH DL DX 16 存 SP CS 器 BP DS 8 DI SS 0 总 8 ES 线 6 SI 控 IP 总 制 线 逻 内部通信寄存器 辑 ALU总线 16 暂存寄存器 E 指 U 令 控 1 2 3 4 5 6 寄 ALU 制 存 系 器 统 标 志 总线接口单元 执行单元 ( EU ) (BIU)

5. 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。

6. 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

7. 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。

8. 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。

9. 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

10. 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)

11. 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

12. 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。

13. ﹡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。

14. 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。

15. 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。

16. 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。

17. 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）

18. 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

19. 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

20. 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。

21. 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

22. 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 。

23. 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）

24. 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。

25. 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

26. 用1024*1构成1K字节RAM

27. 用256*4构成1K字节RAM

28. 包括RAM和ROM的存储器与CPU的接口

29. 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？

30. 地址编码表

31. 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

32. 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。

33. 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 ）

34. 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。

35. +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

36. 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。

37. +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 地 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。

38. 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。

39. 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）。

40. 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。