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1、第 2 講,第2講 微處理器外部特性,教學重點 最小組態(tài)下的基本引腳和總線形成 最小組態(tài)下的總線時序,計劃學時數(shù)：4/46,2.1 8086(8)的引腳信號和總線形成,外部特性表現(xiàn)在其引腳信號上，學習時請?zhí)貏e關注以下幾個方面： 引腳的功能 信號的流向 有效電平 三態(tài)能力,指引腳信號的定義、作用；通常采用英文單詞或其縮寫表示,,信號從芯片向外輸出，還是從外部輸入芯片，或者是雙向的,,起作用的邏輯電平 高、低電平有效 上升、下降邊沿有效,,輸出正常的低電平、高電平外，還可以輸出高阻的第三態(tài),2.1.1 8086的兩種組態(tài)模式,兩種組態(tài)構成兩種不同規(guī)模的應用系統(tǒng) 最小組態(tài)模式 構成小
2、規(guī)模的應用系統(tǒng) 8086本身提供所有的系統(tǒng)總線信號 最大組態(tài)模式 構成較大規(guī)模的應用系統(tǒng)，例如可以接入數(shù)值協(xié)處理器8087 8086和總線控制器8288共同形成系統(tǒng)總線信號,2.1.1 8086的兩種組態(tài)模式（續(xù)）,兩種組態(tài)利用MN/MX*引腳區(qū)別 MN/MX*接高電平為最小組態(tài)模式 MN/MX*接低電平為最大組態(tài)模式 兩種組態(tài)下的內(nèi)部操作并沒有區(qū)別,IBM PC/XT采用最大組態(tài) 我們以最小組態(tài)展開基本原理,最小組態(tài) 用于單個微處理器組成的系統(tǒng)，由8086產(chǎn)生系統(tǒng)所需的全部控制信號。 最大組態(tài) 用于多處理器系統(tǒng)中，8086不直接提供控制信號.控制信號主要由總線控制器8288形成,,1、 80
3、86的兩種組態(tài),1. 數(shù)據(jù)和地址引腳,AD7AD0（Address/Data） 地址/數(shù)據(jù)分時復用引腳，雙向、三態(tài) 在訪問存儲器或外設的總線操作周期中，這些引腳在第1個時鐘周期輸出存儲器或I/O端口的低8位地址A7A0 其他時間用于傳送8位數(shù)據(jù)D7D0,1. 數(shù)據(jù)和地址引腳（續(xù)1）,A15A8（Address） 中間8位地址引腳，輸出、三態(tài) 在訪問存儲器或外設時，提供20位地址中中間8位的地址A15A8,1. 數(shù)據(jù)和地址引腳（續(xù)2）,A19/S6A16/S3（Address/Status） 地址/狀態(tài)分時復用引腳，輸出、三態(tài) 這些引腳在訪問存儲器的第1個時鐘周期輸出高4位地址A19A16 在訪
4、問外設的第1個時鐘周期全部輸出低電平（訪問外設時不使用） 其他時間輸出狀態(tài)信號S6S3,2. 讀寫控制引腳,ALE（Address Latch Enable） 地址鎖存允許，輸出、三態(tài)、高電平有效 ALE引腳高有效時，表示復用引腳：AD7AD0和A19/S6A16/S3正在傳送地址信息 由于地址信息在這些復用引腳上出現(xiàn)的時間很短暫，所以系統(tǒng)可以利用ALE信號將地址信息鎖存起來,2. 讀寫控制引腳（續(xù)1）,IO/-M（Input and Output/Memory） I/O或存儲器訪問，輸出、三態(tài) 該引腳輸出高電平時，表示CPU將訪問I/O端口，這時地址總線A15A0提供16位I/O口地址 該引
5、腳輸出低電平時，表示CPU將訪問存儲器，這時地址總線A19A0提供20位存儲器地址,2. 讀寫控制引腳（續(xù)2）,-WR（Write） 寫控制，輸出、三態(tài)、低電平有效 有效時，表示CPU正在寫出數(shù)據(jù)給存儲器或I/O端口 -RD（Read） 讀控制，輸出、三態(tài)、低電平有效 有效時，表示CPU正在從存儲器或I/O端口讀入數(shù)據(jù),2. 讀寫控制引腳（續(xù)3）,IO/-M、-WR 和-RD 是最基本的控制信號 3 者組合后，可產(chǎn)生4種基本的總線操作（周期）,2. 讀寫控制引腳（續(xù)4）,READY 存儲器或I/O口就緒，輸入、高電平有效 在總線操作周期中，8088 CPU會在第3個時鐘周期的前沿測試該引腳 如
6、果測到高有效，CPU直接進入第4個時鐘周期 如果測到無效，CPU將插入等待周期Tw CPU在等待周期中仍然要監(jiān)測READY信號，有效則進入第4個時鐘周期，否則繼續(xù)插入等待周期Tw。,2. 讀寫控制引腳（續(xù)5）,-DEN（Data Enable） 數(shù)據(jù)允許，輸出、三態(tài)、低電平有效 有效時，表示當前數(shù)據(jù)總線上正在傳送數(shù)據(jù)，可利用他來控制對數(shù)據(jù)總線的驅(qū)動 DT/-R（Data Transmit/Receive） 數(shù)據(jù)發(fā)送/接收，輸出、三態(tài) 該信號表明當前總線上數(shù)據(jù)的流向 高電平時數(shù)據(jù)自CPU輸出（發(fā)送） 低電平時數(shù)據(jù)輸入CPU（接收）,2. 讀寫控制引腳（續(xù)6）,-SS0（System Status
7、 0） 最小組態(tài)模式下的狀態(tài)輸出信號 它與IO/-M和DT/-R一道，通過編碼指示CPU在最小組態(tài)下的 8 種工作狀態(tài)： 1. 取指（000）5. 中斷響應（100） 2. 存儲器讀（001） 6. I/O讀（101） 3. 存儲器寫（010） 7. I/O寫（110） 4. 過渡狀態(tài)（011） 8. 暫停（111）,與最大組態(tài)對比,3. 中斷請求和響應引腳,INTR（Interrupt Request） 可屏蔽中斷請求，輸入、高電平有效 有效時，表示請求設備向CPU申請可屏蔽中斷 該請求的優(yōu)先級別較低，并可通過關中斷指令CLI清除標志寄存器中的IF標志、從而對中斷請求進行屏蔽,3. 中斷請求
8、和響應引腳（續(xù)1）,-INTA（Interrupt Acknowledge） 可屏蔽中斷響應，輸出、低電平有效 有效時，表示來自INTR引腳的中斷請求已被CPU響應，CPU進入中斷響應周期 中斷響應周期是連續(xù)的兩個，每個都發(fā)出有效響應信號，以便通知外設他們的中斷請求已被響應、并令有關設備將中斷向量號送到數(shù)據(jù)總線,3. 中斷請求和響應引腳（續(xù)2）,NMI（Non-Maskable Interrupt） 不可屏蔽中斷請求，輸入、上升沿有效 有效時，表示外界向CPU申請不可屏蔽中斷 該請求的優(yōu)先級別高于INTR，并且不能在CPU內(nèi)被屏蔽 當系統(tǒng)發(fā)生緊急情況時，可通過他向CPU申請不可屏蔽中斷服務,4
9、. 總線請求和響應引腳,HOLD 總線保持（即總線請求），輸入、高電平有效 有效時，表示總線請求設備向CPU申請占有總線 該信號從有效回到無效時，表示總線請求設備對總線的使用已經(jīng)結束，通知CPU收回對總線的控制權,4. 總線請求和響應引腳（續(xù)1）,HLDA（HOLD Acknowledge） 總線保持響應（即總線響應），輸出、高電平有效 有效時，表示CPU已響應總線請求并已將總線釋放此時CPU的地址總線、數(shù)據(jù)總線及具有三態(tài)輸出能力的控制總線將全面呈現(xiàn)高阻，使總線請求設備可以順利接管總線 待到總線請求信號HOLD無效，總線響應信號HLDA也轉為無效，CPU重新獲得總線控制權,5. 其它引腳,RE
10、SET 復位請求，輸入、高電平有效 該信號有效，將使CPU回到其初始狀態(tài)；當他再度返回無效時，CPU將重新開始工作 8088復位后CSFFFFH、IP0000H，所以程序入口在物理地址FFFF0H,5. 其它引腳（續(xù)1）,CLK（Clock） 時鐘輸入 系統(tǒng)通過該引腳給CPU提供內(nèi)部定時信號。8088的標準工作時鐘為5MHz IBM PC/XT機的8088采用了4.77MHz的時鐘，其周期約為210ns,5. 其它引腳（續(xù)2）,Vcc 電源，向CPU提供5V電源 GND 地，向CPU提供參考地電平 MN/-MX（Minimum/Maximum） 組態(tài)選擇，輸入 接高電平時，8088引腳工作在
11、最小組態(tài)；反之，8088工作在最大組態(tài),5. 其它引腳（續(xù)3）,-TEST 測試，輸入、低電平有效 該引腳與WAIT指令配合使用 當CPU執(zhí)行WAIT指令時，它將在每個時鐘周期對該引腳進行測試：如果無效，則程序踏步并繼續(xù)測試；如果有效，則程序恢復運行 也就是說，WAIT指令使CPU產(chǎn)生等待，直到引腳有效為止 在使用協(xié)處理器8087時，通過引腳和WAIT指令，可使8088與8087的操作保持同步,“引腳”小結,CPU引腳是系統(tǒng)總線的基本信號 可以分成三類信號： 16位數(shù)據(jù)線：D0D15 20位地址線：A0A19 控制線： ALE、IO/M*、WR*、RD*、READY INTR、INTA*、NM
12、I，HOLD、HLDA RESET、CLK、Vcc、GND,有問題！,“引腳”提問,提問之一： CPU引腳是如何與外部連接的呢？ 解答：總線形成,提問之二： CPU引腳是如何相互配合， 實現(xiàn)總線操作、控制系統(tǒng)工作的呢？ 解答：總線時序,2.1.3 最小組態(tài)的總線形成,（1）20位地址總線 采用3個三態(tài)透明鎖存器8282進行鎖存和驅(qū)動 （2）8位數(shù)據(jù)總線 采用數(shù)據(jù)收發(fā)器8286進行驅(qū)動 （3）系統(tǒng)控制信號 由8088引腳直接提供,（2） 8位數(shù)據(jù)總線的形成,采用數(shù)據(jù)收發(fā)器8286進行雙向驅(qū)動 Intel 8286是8位三態(tài)雙向緩沖器，類似功能的器件還有Intel 8287、通用數(shù)字集成電路245
13、等 另外，接口電路中也經(jīng)常使用三態(tài)單向緩沖器，例如通用數(shù)字集成電路244就是一個常用的雙4位三態(tài)單向緩沖器,（3） 系統(tǒng)控制信號的形成,由8088引腳直接提供 因為基本的控制信號8088引腳中都含有 例如：IO/M*、WR*、RD*等 其它信號的情況看詳圖,其它,2.1.4 最大組態(tài)的引腳定義,8088的數(shù)據(jù)/地址等引腳在最大組態(tài)與最小組態(tài)時相同 有些控制信號不相同，主要是用于輸出操作編碼信號，由總線控制器8288譯碼產(chǎn)生系統(tǒng)控制信號： S2*、S1*、S0*3個狀態(tài)信號 LOCK*總線封鎖信號 QS1、QS0指令隊列狀態(tài)信號 RQ*/GT0*、RQ*/GT1*2個總線請求/同意信號,2.1.
14、5 最大組態(tài)的總線形成, 系統(tǒng)地址總線 采用三態(tài)透明鎖存器74LS373和三態(tài)單向緩沖器74LS244 系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線 通過三態(tài)雙向緩沖器74LS245形成和驅(qū)動 系統(tǒng)控制總線 主要由總線控制器8288形成 MEMR*、MEMW*、IOR*、IOW*、INTA*,2.2 8088的總線時序,時序（Timing）是指信號高低電平（有效或無效）變化及相互間的時間順序關系。 總線時序描述CPU引腳如何實現(xiàn)總線操作 CPU時序決定系統(tǒng)各部件間的同步和定時,什么是總線操作？,2.2 8088的總線時序（續(xù)1）,總線操作是指CPU通過總線對外的各種操作 8088的總線操作主要有： 存儲器讀、I/O讀操作 存
15、儲器寫、I/O寫操作 中斷響應操作 總線請求及響應操作 CPU正在進行內(nèi)部操作、并不進行實際對外操作的空閑狀態(tài)Ti,什么是總線周期？,2.2 8088的總線時序（續(xù)2）,總線周期是指CPU通過總線操作與外部（存儲器或I/O端口）進行一次數(shù)據(jù)交換的過程 指令周期是指一條指令經(jīng)取指、譯碼、讀寫操作數(shù)到執(zhí)行完成的過程 8088的基本總線周期需要4個時鐘周期 4個時鐘周期編號為T1、T2、T3和T4 總線周期中的時鐘周期也被稱作“T狀態(tài)” 時鐘周期的時間長度就是時鐘頻率的倒數(shù) 當需要延長總線周期時需要插入等待狀態(tài)Tw,何時有總線周期？,演示,2.2 8088的總線時序（續(xù)3）,任何指令的取指階段都需要
16、存儲器讀總線周期，讀取的內(nèi)容是指令代碼 任何一條以存儲單元為源操作數(shù)的指令都將引起存儲器讀總線周期，任何一條以存儲單元為目的操作數(shù)的指令都將引起存儲器寫總線周期 只有執(zhí)行IN指令才出現(xiàn)I/O讀總線周期，執(zhí)行OUT指令才出現(xiàn)I/O寫總線周期 CPU響應可屏蔽中斷時生成中斷響應總線周期,如何實現(xiàn)同步？,2.2 8088的總線時序（續(xù)4）,總線操作中如何實現(xiàn)時序同步是關鍵 CPU總線周期采用同步時序： 各部件都以系統(tǒng)時鐘信號為基準 當相互不能配合時，快速部件（CPU）插入等待狀態(tài)等待慢速部件（I/O和存儲器） CPU與外設接口常采用異步時序，它們通過應答聯(lián)絡信號實現(xiàn)同步操作,2.2.1 最小組態(tài)的總
17、線時序,本節(jié)展開微處理器最基本的4種總線周期 存儲器讀總線周期 存儲器寫總線周期 I/O讀總線周期 I/O寫總線周期,存儲器寫總線周期,T1狀態(tài)輸出20位存儲器地址A19A0 IO/M*輸出低電平，表示存儲器操作； ALE輸出正脈沖，表示復用總線輸出地址 T2狀態(tài)輸出控制信號WR*和數(shù)據(jù)D7D0 T3和Tw狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)傳送是否能夠完成 T4狀態(tài)完成數(shù)據(jù)傳送,I/O寫總線周期,T1狀態(tài)輸出16位I/O地址A15A0 IO/M*輸出高電平，表示I/O操作； ALE輸出正脈沖，表示復用總線輸出地址 T2狀態(tài)輸出控制信號WR*和數(shù)據(jù)D7D0 T3和Tw狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)傳送是否能夠完成 T4狀態(tài)完成數(shù)據(jù)傳送
18、,插入等待狀態(tài)Tw,同步時序通過插入等待狀態(tài)，來使速度差別較大的兩部分保持同步 在讀寫總線周期中，判斷是否插入Tw 1. 在T3的前沿檢測READY引腳是否有效 2. 如果READY無效，在T3和T4之間插入一個等效于T3的Tw ，轉1 3. 如果READY有效，執(zhí)行完該T狀態(tài)，進入T4狀態(tài),演示,2.5 微機系統(tǒng)總線,微機系統(tǒng)采用總線結構。系統(tǒng)中主要部件通過系統(tǒng)總線相互連接、實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，并使微機系統(tǒng)具有組態(tài)靈活、易于擴展等諸多優(yōu)點 廣泛應用的總線都實現(xiàn)了標準化，便于互連各個部件時遵循共同的總線規(guī)范。接口的任一方只需要根據(jù)總線標準的要求來實現(xiàn)和完成接口的功能，而不必了解對方的接口方式。 總線
19、接口也是一種通用的接口技術,2.5.1 微機總線概述,總線連接方法廣泛用于微機系統(tǒng)的各個連接層次上 大規(guī)模集成電路芯片內(nèi)部（如微處理器的內(nèi)部總線） 主機板中微處理器、存儲器及I/O接口電路之間，主機模板與各種接口模板之間 微機系統(tǒng)之間以及微機系統(tǒng)與外部設備之間,芯片總線（Chip Bus）,一個大規(guī)模集成電路芯片內(nèi)部，或一個較小系統(tǒng)中各種不同器件連接在一起的總線；用于芯片級互連 芯片總線也稱為局部總線（Local Bus） 微處理器的引腳信號就是芯片總線 微處理器內(nèi)部的控制器、運算器、寄存器之間，還有系統(tǒng)主機板上CPU、存儲器、接口電路等之間通常就是利用芯片級總線互連的,圖示,內(nèi)總線（Inte
20、rnal Bus）,微機系統(tǒng)中模板與模板間連接的總線，是微機系統(tǒng)所特有的總線；用于模板級互連 內(nèi)總線也被稱為板級總線或系統(tǒng)總線（System Bus） 多數(shù)已實現(xiàn)標準化，例如STD總線、ISA總線等。 微機主板的各種擴展插槽多屬于內(nèi)總線,圖示,外總線（External Bus）,微機系統(tǒng)之間或微機系統(tǒng)與其外設通信的總線，用于設備級互連 外總線過去又稱為通信總線，主要指串行通信總線，例如RS-232 現(xiàn)在，外總線的意義常延伸為外設總線，主要用于連接各種外設 外總線種類較多，常與特定設備有關，例如Centronics并行打印機總線、IEEE 488智能儀器儀表并行總線（又稱為GPIB總線）,圖示,
21、常見系統(tǒng)總線,在微機發(fā)展和應用中出現(xiàn)了許多種內(nèi)、外總線標準 第一個標準化的微機總線S-100總線 面向工業(yè)控制領域的STD總線 32位PC機上的ISA系統(tǒng)總線、EISA總線、VESA總線、PCI總線、USB總線等,圖示,2.5.2 IBM PC總線,IBM PC總線是IBM PC/XT機上使用的8位系統(tǒng)總線 有62條信號線，用雙列插槽連接，分A面（元件面）和B面（焊接面） 實際上是8088 CPU核心電路總線的擴充和重新驅(qū)動 與最大組態(tài)下的8088總線相似,,1. 信號功能,D0D78位雙向數(shù)據(jù)線 A0A1920位輸出地址線 ALE地址鎖存允許，每個CPU 總線周期的T1 狀態(tài)高電平有效 ME
22、MR*存儲器讀，輸出、低有效 MEMW*存儲器寫，輸出、低有效 IOR*I/O讀，輸出、低有效 IOW*I/O寫，輸出、低有效 I/O CH RDYI/O通道準備好，輸入、 高有效,1. 信號功能（續(xù)1）,IRQ2IRQ7中斷請求信號，輸入、高有效 AEN地址允許信號，輸出、高有效，用于指示DMA總線周期 DRQ1DRQ3DMA請求信號，輸入、高有效 DACK0*DACK3*DMA響應信號，輸出、低有效 T/C計數(shù)結束信號，輸出、正脈沖有效,1. 信號功能（續(xù)2）,RESET復位信號，輸出、高有效 IOCHCK*I/O通道校驗，輸入、低有效 OSC晶振頻率脈沖，輸出14.31818MHz的主振
23、頻率信號 CLK系統(tǒng)時鐘，輸出4.77MHz的系統(tǒng)時鐘信號 5V、5V、12V、12V、GND電源和地線,第2講教學要求,1. 了解8088的兩種組態(tài)形式； 2. 掌握最小組態(tài)下的引腳定義、總線形成和總線時序； 3. 了解最大組態(tài)下的引腳定義、總線形成和總線時序；,第2講教學要求（續(xù)）,4. 理解總線及其層次結構 5. 掌握IBM PC總線的引腳及其總線周期。,什么是分時復用？,分時復用就是一個引腳在不同的時刻具有兩個甚至多個作用 最常見的總線復用是數(shù)據(jù)和地址引腳復用 總線復用的目的是為了減少對外引腳個數(shù) 8088 /8086CPU的數(shù)據(jù)地址線采用了總線復用方法,最小組態(tài)總線形成,S2*、S1*、S0*的編碼意義,對比,總線周期,基本總線周期由4個T狀態(tài)組成：T1、T2、T3、T4 等待時鐘周期Tw，在總線周期的T3和T4之間插入 空閑時鐘周期Ti，在兩個總線周期之間插入,動態(tài),各種周期的動態(tài)演示,等待狀態(tài),動態(tài),等待狀態(tài)Tw的插入,微機總線層次結構芯片總線,微機總線層次結構內(nèi)總線,微機總線層次結構外總線,PC機上的總線,PCI總線,,,ISA總線,USB總線,課間休息,
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