微型计算机原理.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流微型计算机原理.精品文档.微型计算机原理及应用自学指导书前 言微型计算机原理及应用自学指导书作为读者在学习本课程时的辅导。编排时与大纲的各章对应,共分九章:概述, 8086CPU结构,8086的指令系统,8086CPU的基本时序,半导体存储器与CPU的接口,输入与输出,中断技术,总线,接口技术应用。这一部分概括了各章的主要问题,并从便于自学的角度进行讨论。目的在于帮助读者澄清某些模糊概念,对微型计算机原理及应用的基本概念、原理、应用加深理解。第一章 概 述一、内容概述11 计算机和微型计算机的发展概况从1946年第一台计算机ENIAC问世以来
2、,计算机的发展已经历了四代:即以电子管为主要器件的第一代;以晶体管为主要器件的第二代;以中小规模集成电路为主要器件的第三代和应用大规模、超大规模集成电路的第四代电子计算机。第五代智能计算机和第六代神经元计算机也正在研制之中。12 微型计算机的特点与应用范围微处理器具有成本低、灵活性强、可靠性高、开发时间短以及速度快等特点,因此,微型计算机具有广泛的应用范围,可概括为数值计算、数据处理和实时控制三个方面。13 微型计算机系统的基本组成微型计算机系统由两大部分组成,即硬件和软件。计算机系统的硬件主要包括微型计算机、外围设备、控制面板和电源等。若把微处理器、存储器、输入输出接口通过系统总线连接起来,
3、就组成了微型计算机。软件是各种程序的总称,由系统软件和用户(应用)软件组成,其中系统软件包括操作系统、文件管理程序、IO驱动程序、文本编辑程序等,用户软件包括各种用户程序和用户程序库。14 微型计算机的工作原理当今世界上有数以千万计的计算机,尽管系列不同,型号各异,但就其工作原理而论,绝大多数都是基于由匈牙利籍数学家冯诺依曼提出的“存储程序控制原理”。程序存储是指描述信息处理的程序必须以目标程序的形式连同原始数据保存在内存储器中,这是计算机能自动连续工作曲前提。程序控制是指计算机根据预先编好并已存于内存的程序自动地、连续地控制全机工作,直到获得预期的结果的过程。15 典型的微处理器结构微处理器
4、是一种利用大规模集成电路工艺制作的器件。它能进行算术、逻辑和控制操作。典型的微处理器内部结构主要由寄存器阵列、累加和算术逻辑单元及控制单元组成。16 十进制数运算日常生活中实际应用的原始数据大多是十进制数,十进制数不能直接送入计算机中参加运算,必须用二进制数为它编码,使其成为二一十进制码或称BCD码后方能送入计算机。送入计算机的BCD码或经十一二转换程序变为二进制数后参加运算,或直接由计算机进行二一十进制运算(即BCD码运算)。常见的BCD码有8421码、2421码和余3码等。用二进制指令进行十进制运算时,可用DAA接在BCD数的加法或减法指令的后面,自动按照规则进行“加6修正”或“减6修正”
5、,以调整累加器的内容为正确的BCD形式。值得注意的是, DAA指令不能将任何一个二进制数都转换为BCD数。二、教学要求通过对电子计算机及微型计算发展史的了解,将使读者对这门新兴学科产生兴趣,从而增强学习该课程的自觉性。与一般计算机相比,微型计算机有自己的特点。因此,要着重理解微处理器的结构、组成、功能与外部连线。对微型计算机及微型计算机系统的定义,对8086微处理器的工作原理和十进制数运算方法必须要有所了解,对一些基本术语要学会掌握。三、重点难点微型计算机系统的基本组成及其工作原理;典型微处理器的结构和十进制数的运算方法。四、习题1、计算机分那几类?各有什么特点?答:传统上分为三类:大型主机、
6、小型机、微型机。大型主机一般为高性能的并行处理系统, 存储容量大,事物处理能力强,可为众多用户提供服务。小型机具有一定的数据处理能力,提供一定用户规模的信息服务,作为部门的信息服务中心。微型机一般指在办公室或家庭的桌面或可移动的计算系统,体积小、价格低、具有工业化标准体系结构,兼容性好。2、简述微处理器、微计算机及微计算机系统三个术语的内涵。答:微处理器是微计算机系统的核心硬件部件,对系统的性能起决定性的影响。微计算机包括微处理器、存储器、I/O接口电路及系统总线。微计算机系统是在微计算机的基础上配上相应的外部设备和各种软件,形成一个完整的、独立的信息处理系统。3、80X86微处理器有几代?各
7、代的名称是什么?答:从体系结构上可分为3代: 8080/8085:8位机。 8086/8088/80286:16位机。 80386/80486:32位机。第二章 8086CPU结构一、内容概述21 存储器8086CPU无论在什么样的工作模式下,都可以寻址1M字节的存储空间。在1M的存储器空间(00000HFFFFFH)中,各段的起始地址存放在各段寄存器中。16位地址的偏移量由EU产生,从而CPU可以寻址到该段中的每一个存储单元。(一) 逻辑地址与实际地址的关系所谓逻辑地址是指在程序中出现的地址值,如段寄存器中存放的地址值以及地址的偏移量,这两个地址值简单相加不能形成存储器的实际地址,而是要将段
8、寄存器中存放的地址值左移四位以后,与偏移量相加,这才能得到存储器的实际地址。(二) 存储器分段方法:参阅周细等编微型计算机极其应用第二版正文。(三) 8086CPU与外部存储器连接在8086的存储器空间中,信息是按字节为单位存放的。在组织8086的存储器时,1M字节的存储空间被分成两个存储库(BANK),其中一个库与CPU数据总线的低字节D7Do相连,称之为低字节库;另一个库则与数据总线的高字节D15D8相连,称为高字节库。8086CPU为了实现对这两个库的寻址和控制,把地址线A19A1(该信号应是锁存后的输出)同时连接到低位库和高位库上,地址线A0不参加直接寻址,而是作为低位库的选择信号,接
9、到低位库的SEL()端上。当A00时,选中低位库,使低位库所有地址的A0均为0(即为偶地址),而使高位库所有地址的A0均为1。高位库的选择信号由CPU的BHE()信号提供,A0与BHE()一起对存储库进行选择。22 8086微处理器的结构(一)概述8086共有95条基本指令,其中相当一部分指令的长度只有8位,在少数几位16位的指令中,只有前8位是操作码,另外8位则是数据的偏移量。由于8086是8080和8085指令系统的扩充型,因此8080和8085的指令码很容易转换成8086的指令码。8086有24种寻址方式,大体和8080相同。但是,由于8086的ALU是16位,因此大大增加了8086的寻
10、址能力。(二) 8086的内部结构8086CPU由两个独立的工作单元组成,即执行单元EU和总线接口单元BIU。EU只负责执行指令,而BIU则负责从存储器或外部设备中读取操作码和操作数,并将结果写入指令所指出的地址中,以完成所有的总线操作。这两个单元处于并行工作状态,可以同时进行存取和执行指令的操作。这样就可以充分利用各部分电路和总线,提高8086执行指令的速度。BIU中有一个能存放6个字节的指令队列,BIU将预先取来的指令存放在这个队列中, EU要执行的指令一般从这个队列中取得。在不发生程序转移的情况下,BIU已经将要执行的指令提前取来存放在这个指令队列中了。23 堆栈堆栈有时也称为“下推表”
11、或“后进先出队列”。8086使用堆栈是在存储器中执行的,它的位置由堆栈寄存器SS和堆栈指示器SP规定。SS给出当前堆栈的基址,SP给出了当前堆栈的钱顶TOS(TOP OF THE STACK),也就是SP给出了从堆栈段的基址到栈顶的补偿值。在一个系统中,一个堆钱的深度是不受限制的,但是当前使用的堆栈最长为64K字节,也就是一个段的长度。另外,堆栈的基址(SS)并不是堆栈的“栈底”。8086规定堆栈字为16位,不论是从堆栈中取出一个数,还是向堆栈中压入一个数,这个数都必须是一个16位的字,也就是说堆栈的操作都是字操作。24 8086CPU引脚(线)功能8086CPU芯片是一块具有40个引脚的集成
12、电路块。为了节省引脚,许多引脚都具有双重定义,即具有复用功能。有些引脚根据时序的不同,其功能就有所区别。在ADoAD15这16条引脚上,CPU有时送地址信号,有时送数据信号。而有些引脚是因CPU的工作模式 (最小最大模式)不同而具有不同的功能的。25 8086基本系统概念(一) 8086总线周期概念8086是通过它的系统总线与外部逻辑打交道的。8086通过执行“总线周期”来传送数据或者取指令。(二) 8086地址和数据总线概念因为大多数与8086接口的存储器设备和外围设备在整个总线周期期间需要有稳定的地址,因此在T1期间,在多路转换地址数据总线上出现的地址应该锁存起来。锁存的地址用来选择所需的
13、外围设备或存储单元。为了对地址数据总线进行分路转换,8086提供了一个允许地址锁存信号(ALE),利用它可以把地址放入到8282或8283的8位双稳态锁存器中去。26 最小方式在最小方式中,8086的MNMX()引线接到VCC电源上。最小方式可以用在单板或双板的单CPU系统中。在最小方式中,8086的存储器空间地址为1M字节。输入输出空间为64K字节。数据总线为16位。8086直接提供总线控制信号(DTR(),DEN(),ALE,M/IO(),RD(),WR(),INTA()。单个CPU抢占总线机能是通过HOLD和HLDA信号“使能”的。这种机能与现有的DMA控制器相匹配。27 最大方式在最大
14、方式中,MNMX()引线接地。最大方式用在多处理机和协处理机结构中。在最大方式中,有一个总线控制器。它接收从8086来的控制信号并将其作为输入。8288对这些输入进行译码,产生控制输出信号。其一些8086的控制信号也有一定的修改,以便为外面逻辑提供更多的信息。二、教学基本要求80X86微处理器是典型的符合一般结构的微处理器,选择该微处理器作为典型机进行教学,有助于理论联系实际,也有助于今后的实际工作。因此掌握80X86微处理器的结构、组成、工作原理、各引脚的功能以及其内部操作过程,掌握微型机系统存储器、堆栈的结构特点和8086基本系统的概念,对后面各章的学习十分重要。三、重点难点存储器的结构及
15、其实际地址的产生;8086CPU的结构和其总线结构及8086的堆栈结构;8086基本系统概念及其最小方式。四、习题1、8086是多少位的微处理器?为什么?答:8086是16位的微处理器,其内部数据通路为16位,对外的数据总线也是16位。2、EU与BIU各自的功能是什么?如何协同工作?答:EU是执行部件,主要的功能是执行指令。BIU是总线接口部件,与片外存储器及I/O接口电路传输数据。EU经过BIU进行片外操作数的访问,BIU为EU提供将要执行的指令。EU与BIU可分别独立工作,当EU不需BIU提供服务时,BIU可进行填充指令队列的操作。3、8086/8088与其前一代微处理器8085相比,内部
16、操作有什么改进?答:8085为8位机,在执行指令过程中,取指令与执行执令都是串行的。8086/8088由于内部有EU和BIU两个功能部件,可重叠操作,提高了处理器的性能。4、8086/8088微处理器内部有那些寄存器,它们的主要作用是什么?答:执行部件有8个16位寄存器,AX、BX、CX、DX、SP、BP、DI、SI。AX、BX、CX、DX一般作为通用数据寄存器。SP为堆栈指针存器,BP、DI、SI在间接寻址时作为地址寄存器或变址寄存器。总线接口部件设有段寄存器CS、DS、SS、ES和指令指针寄存器IP。段寄存器存放段地址,与偏移地址共同形成存储器的物理地址。IP的内容为下一条将要执行指令的偏
17、移地址,与CS共同形成下一条指令的物理地址。5、8086对存储器的管理为什么采用分段的办法?答:8086是一个16位的结构,采用分段管理办法可形成超过16位的存储器物理地址,扩大对存储器的寻址范围 (1MB,20位地址)。若不用分段方法,16位地址只能寻址64KB空间。6、在8086中,逻辑地址、偏移地址、物理地址分别指的是什么?具体说明。答:逻辑地址是在程序中对存储器地址的一种表示方法,由段地址和段内偏移地址两部分组成,如1234H:0088H。偏移地址是指段内某个存储单元相对该段首地址的差值,是一个16位的二进制代码。物理地址是8086芯片引线送出的20位地址码,用来指出一个特定的存储单元
18、。7、给定一个存放数据的内存单元的偏移地址是20C0H,(DS)=0C00EH,求出该内存单元的物理地址。答:物理地址:320F8H。8、8086/8088为什么采用地址/数据引线复用技术?答:考虑到芯片成本,8086/8088采用40条引线的封装结构。40条引线引出8086/8088的所有信号是不够用的,采用地址/数据线复用引线方法可以解决这一矛盾,从逻辑角度,地址与数据信号不会同时出现,二者可以分时复用同一组引线。9、8086与8088的主要区别是什么?答:8086有16条数据信号引线,8088只有8条;8086片内指令预取缓冲器深度为6字节,8088只有4字节。10、怎样确定8086的最
19、大或最小工作模式?最大、最小模式产生控制信号的方法有何不同答:引线MN/MX#的逻辑状态决定8086的工作模式,MN/MX#引线接高电平,8086被设定为最小模式,MN/MX#引线接低电平,8086被设定为最大模式。最小模式下的控制信号由相关引线直接提供;最大模式下控制信号由8288专用芯片译码后提供,8288的输入为8086的S2#S0#三条状态信号引线提供。11、8086被复位以后,有关寄存器的状态是什么?微处理器从何处开始执行程序?答:标志寄存器、IP、DS、SS、ES和指令队列置0,CS置全1。处理器从FFFFOH存储单元取指令并开始执行。12、8086基本总线周期是如何组成的?各状态
20、中完成什么基本操作?答:基本总线周期由4个时钟(CLK)周期组成,按时间顺序定义为T1、T2、T3、T4。在T1期间8086发出访问目的地的地址信号和地址锁存选通信号ALE;T2期间发出读写命令信号RD#、WR#及其它相关信号;T3期间完成数据的访问;T4结束该总线周期。13、结合8086最小模式下总线操作时序图,说明ALE、M/IO#、DT/R#、RD#、READY信号的功能。答:ALE为外部地址锁存器的选通脉冲,在T1期间输出;M/IO#确定总线操作的对象是存储器还是I/O接口电路,在T1输出;DT/R#为数据总线缓冲器的方向控制信号,在T1输出;RD#为读命令信号;在T2输出;READY
21、信号为存储器或I/O接口“准备好”信号,在T3期间给出,否则8086要在T3与T4间插入Tw等待状态。14、什么是总线请求?8086在最小工作模式下,有关总线请求的信号引脚是什么?答:系统中若存在多个可控制总线的主模块时,其中之一若要使用总线进行数据传输时,需向系统请求总线的控制权,这就是一个总线请求的过程。8086在最小工作模式下有关总线请求的信号引脚是HOLD与HLDA。15、简述在最小工作模式下,8086如何响应一个总线请求?答:外部总线主控模块经HOLD引线向8086发出总线请求信号;8086在每个时钟周期的上升沿采样HOLD引线;若发现HOLD=1则在当前总线周期结束时(T4结束)发
22、出总线请求的响应信号HLDA;8086使地址、数据及控制总线进入高阻状态,让出总线控制权,完成响应过程。16、在基于8086的微计算机系统中,存储器是如何组织的?是如何与处理器总线连接的?BHE#信号起什么作用?答:8086为16位处理器,可访问1M字节的存储器空间;1M字节的存储器分为两个512K字节的存储体,命名为偶字节体和奇字节体;偶体的数据线连接D7D0,“体选”信号接地址线A0;奇体的数据线连接D15D8,“体选”信号接BHE#信号;BHE#信号有效时允许访问奇体中的高字节存储单元,实现8086的低字节访问、高字节访问及字访问。17、“80386是一个32位微处理器”,这句话的涵义主
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