第章微处理器及其结构.ppt
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1、第2章 微处理器及其结构,2.1 微处理器概述 2.2 8086/8088 微处理器 2.3 80286Pentium 4 微处理器 2.4 80x86Pentium系列微处理器的程序设计模型 2.5 实模式下的存储器寻址 2.6 保护模式下的存储器寻址,本章主要目标,硬件设计: 掌握集成电路芯片8086/8088、8284、8282(74LS373)、8286(74LS245)的基本工作原理;设计实现8086最小/最大两种工作模式下核心控制单元。 时序:掌握片级总线和系统总线的工作时序。 软件编程: 掌握实方式和保护方式下的寻址方法。 扩展:使用PROTEL软件绘制8086最小/最大两种工作
2、模式下核心控制单元设计的原理图。,第2章 微处理器及其结构,2.1 微处理器概述,微处理器的主要性能指标 微处理器的工作方式,2.1.1微处理器的主要性能指标,1.字长:一次处理二进制位数,通常为通用寄存器宽度。 2.主频:处理器时钟频率,如4GHz等。 3.外频:通常指处理器外部总线频率,如100MHz等。 4.工作电压:通常有5V,3.5V, 2.7V, 1.2V等 5.制造工艺:最小线距,通常以um或nm表示。 6.地址线宽度:指处理器外部地址线引脚条数,如20,32和36条等、,2.1.1微处理器的主要性能指标,7.数据线宽度:指处理器外部数据线条数,如16,32和64条等。 8.内置
3、协处理器:指处理器内部是否集成了数学协处理器,如80387。 9.超标量结构:是否具有两个及以上指令流水线。 10.Cache:是否集成了高速缓冲存储器。 11.多媒体扩展技术:是否具有多媒体扩展技术,如MMX/SSE/SSE2等。 12.是否具有超线程技术等。,2.1.1微处理器的主要性能指标 结束,2.1.2 微处理器的工作方式,实地址方式 保护地址方式 虚拟8086方式 系统管理方式 工作方式间的相互转换,实地址方式,8086/8088微处理器采用的寻址方式。 系统启动后,任何处理器(Intel)自动进入实地址方式。 实地址方式的主要特点: 1.寻址方式、存储器管理、中断处理与8086一
4、样. 2.操作数默认长度为16位。 3.不用虚拟地址,最大地址范围仍限于1MB,只采用分段方式,每段最大64KB。 4.存储器中保留两个固定的区域,一个是初始化程序区FFFFFH-FFFF0H,另一个为中断向量表003FFH-00000H。 5.所有程序在最高级0级上执行。,保护地址方式,所谓保护是指在执行多任务操作时,对不同任务使用的虚拟存储器空间进行完全的隔离,保护每个任务顺利执行。 保护方式具有如下特点: 1.存储器采用虚拟地址空间、线性地址空间和物理地址空间三种方式来描述。 2.强大的寻址空间。在保护方式下,80386可以寻址的空间大至64TB(246)(虚拟地址)。 3.使用4级保护
5、功能,可实现程序与程序、用户与用户、用户与操作系统之间的隔离和保护,为多任务操作系统提供优化支持。 4.在保护方式下,32位处理器既可以进行16位操作,又可进行32位操作。,虚拟8086方式,所谓虚拟8086模式是指一个多任务的环境,即模拟多个8086的工作方式。 虚拟8086方式的主要特点如下: 1.可执行原来采用8086书写的应用程序 。 2.段寄存器的用法与实地址方式一样。 3.可以使用分页方式,将1MB分为256个页面,每页4KB。 4.在虚拟8086方式中,应用程序在最低特权级3级上运行,因此80386指令系统中的特权指令不能使用。,系统管理方式,SMM功能主要包括电源管理以及为操作
6、系统和正在运行的程序提供安全性。 SMM最显著的应用就是电源管理。 用于笔记本电脑的处理器从80386DL开始就支持SMM,目的是降低系统功耗。 用于台式机支持SMM的处理器有Pentium、Pentium II、Pentium III以及Pentium 4等。,工作方式间的相互转换,2.1.2 微处理器的工作方式 2.1 微处理器概述 结束,2.2 8086/8088微处理器,什么是8086/8088微处理器?,8086是Intel 78 年推出的16位微处理器(79年推出8088 ) 4万多个晶体管(8088为2.9万个晶体管) 时钟频率4.77MHZ 数据线16位(8088的外部数据线8
7、位) 地址线20位 40脚DIP封装 推出8088的主要目的是为了与当时已有的一套Intel外部设备接口芯片直接兼容使用。,2.2 8086/8088微处理器,2.2.1 8086/8088 内部结构 2.2.2 8086/8088 的工作模式与引脚信号 2.2.3 时钟发生器(8284A) 2.2.4 总线分离与缓冲 2.2.5 8086 最小工作模式下控制核心单元的组成 2.2.6 8288 总线控制器 2.2.7 8086 最大工作模式下控制核心单元的组成 2.2.8 8086/8088 的总线操作及时序,2.2.1 8086/8088内部结构,1、8086/8088由哪几部分组成? 2
8、、BIU和EIU的主要功能是什么? 3、8086/8088是否采用采用了指令流水技术? 4、BIU总线接口单元由哪几部分组成? 5、为什么要设置段地址寄存器? 6、段地址寄存器用来存放什么? 7、指令指针寄存器 IP中存放什么? 8、地址加法器实现什么功能? 9、为什么设置指令队列? 10、EU执行单元由哪几部分组成?,1、8086/8088由哪几部分组成?,按功能可分为两部分: 总线接口单元 BIU (Bus Interface Unit) 执行单元 EU (Execution Unit)。,2.2.1 8086/8088内部结构,2、BIU和EU的主要功能是什么?,BIU 负责完成微处理器
9、内部与外部(存储器和IO端口)的信息传送,即负责取指令和存取数据。 EU 负责执行指令。,3、8086/8088是否采用了指令流水技术?,BIU 取指令和 EU 执行指令可以并行操作,采用了指令流水技术.,4、BIU总线接口单元由哪几部分组成?,4个16位的段地址寄存器: CS:代码段寄存器 DS:数据段寄存器 SS:堆栈段寄存器 ES:扩展段寄存器 16位的指令指针寄存器 IP 20位的地址加法器 6/4个字节的指令队列,2.2.1 8086/8088内部结构,2.2.1 8086/8088内部结构,5、为什么要设置段地址寄存器? 6、段地址寄存器用来存放什么?,段寄存器是为了通过“段加偏移
10、”的寻址机制实现对20位实际地址(物理地址)的寻址 。 4个16位段寄存器,用来存放16位的段地址。 CS:用来存放程序当前使用的代码段的段地址。 SS:用来存放程序当前所使用的堆栈段的段地址。 DS:用来存放程序当前使用的数据段的段地址。 ES:用来存放程序当前使用的扩展段的段地址 。 关于“段加偏移”的寻址机制将在本章的后续部分详细讨论。,7、指令指针寄存器IP中存放什么? 8、地址加法器实现什么功能?,指令指针寄存器 IP中存放着下一条待执行指令的偏移地址。 地址加法器将来自于段寄存器的16位段地址左移4位后与来自于IP寄存器或EU提供的16位偏移地址相加,形成一个20位的实际地址。,9
11、、为什么设置指令队列?,用于存放预取的指令,减少等待时间,避免取指令和取操作数发生冲突,从而提高运行效率。 8086的指令队列长度为6个字节,当队列空闲两个字节时,BIU自动从存储器取出指令字节,存入指令队列中;而8088的指令队列为4个字节长,当队列空闲一个字节时,BIU就自动取指令字节,并存到指令队列中去。,10、EU执行单元由哪几部分组成?,算术逻辑单元ALU 数据暂存寄存器 通用寄存器组 标志寄存器 EU控制电路 关于通用寄存器组和标志寄存器的内容将在本章后续部分详细讨论。,2.2.1 8086/8088内部结构,2.2.1 8086/8088内部结构 结束,2.2.2 8086/80
12、88的工作模式与引脚信号,1.8086/8088有哪两种工作模式? 2.如何设置8086/8088的两种工作模式? 3.最大模式与最小模式有什么主要区别? 4.8086/8088采用什么封装,有多少个引脚信号? 5.8086/8088有哪些基本引脚信号? 6.8086/8088在最小模式下有哪些专用引脚信号? 7.8086/8088在最大模式下有哪些专用引脚信号?,1.8086/8088有哪两种工作模式?,最小模式(单处理器系统方式):系统中只有8086/8088一个微处理器,系统中的所有总线控制信号都直接由8086/8088产生。 最大模式(多处理器系统方式):系统中含有两个或两个以上微处理
13、器,其中一个是8086/8088为主处理器,其它都是协处理器,总线控制信号由芯片8288产生。 在8086/8088系统中与其配合的协处理器有数值运算协处理器8087和输入输出协处理器8089。 80286及以后的处理器均采用最大模式。,2.如何设置8086/8088的两种工作模式?,当MNMX#接电源电压时,系统就工作于最小模式。 当MNMX#线接地,则系统就工作于最大模式。,2.2.1 8086/8088的工作模式与引脚信号,!,3.最大模式与最小模式有什么主要区别?,最大模式系统与最小模式系统的主要区别是外加有8288总线控制器,通过它对CPU发出的控制信号进行变换和组合,以得到对存储器
14、和IO端口的读写信号和对锁存器8282及对总线收发器8286的控制信号,使总线控制功能更加完善。,2.2.1 8086/8088的工作模式与引脚信号,!,2.2.1 8086/8088的工作模式与引脚信号,!,!,4.8086/8088采用什么封装,有多少个引脚信号?,采用双列直插式封装DIP,共有40个引脚信号。 一般每一个双列直插集成芯片的一侧都有一个半圆缺口或圆点凹槽标记,如果正视集成芯片的型号(此时标记应该在芯片的左侧)那么标记下方的引脚为第一引脚,依次逆时针计数,上述芯片引脚识别法国内外管脚均相同。 8086/8088采用引线分时复用技术,一条引线不同时间代表不同信号,解决引线不够问
15、题。,2.2.1 8086/8088的工作模式与引脚信号,2.2.1 8086/8088的工作模式与引脚信号,2.2.1 8086/8088的工作模式与引脚信号,5.8086/8088有哪些公共引脚信号?,AD15AD0(I/O,三态):地址/数据复用。 A19/S6A16/S3(O,三态):地址/状态复用。 BHE#/S7(O,三态):高字节允许/状态复用。 NMI(In):非屏蔽中断请求输入,上升沿触发。 INTR (In) :可屏蔽中断请求输入,高电平有效。 RD# (O,三态) :读选通信号,低电平有效。 CLK (In) : 时钟信号,处理器基本定时脉冲。 RESET(In) :复位
16、信号,高电平有效。,5.8086/8088有哪些公共引脚信号?,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指令的控制信号(有效时退出等待状态)。 MN/MX# (In):最大/最小工作模式选择信号。硬件设计者用来决定8086工作模式,MN/MX#=1 ,8086为最小模式, MN/MX#= 0 ,8086为最大模式。 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。,16个地址/数据引脚AD15AD0,在8088中,只有AD7AD0
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- 微处理器 及其 结构
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