引脚与总线.ppt

第二章 8088/8086处理器总线时序2.22.4节,图 1 微型计算机的功能模块,总线：连接计算机各功能部件的逻辑电路,本章主要内容,面向微机系统的外部结构（三总线结构）介绍 总线如何形成 8086CPU 的外部特性-引脚功能。如何形成总线。总线如何工作 总线操作和总线时序,三级周期的概念,ADD 2000H，AL CPU内部 存储器 总线读周期 内部译码 总线空闲 CPU寄存器 存储器 总线读周期 相加 总线空闲 CPU 存储器 总线写周期,结果送2000H,读入,读入,取指,译码,执行,指令周期,三级周期：指令周期、总线周期、时钟周期,指令周期：一条指令从取出到执行完毕所需的时间。总线周期：CPU通过总线操作与外部进行一 次数据交换的过程。时钟周期：微机系统中统一的时钟信号CLK 的周期-由CPU的主频决定。时钟 周期是CPU处理动作的最小定时单 位,三级周期：,三者关系：一个指令周期包含若干个总线周期；一个基本总线周期需4个时钟周期，称为4个“T状态”，T1、T2、T3、T4。,基本的总线周期：存储器读、写；输入输出端口的读、写；中断响应。,2.2 8086/8088的引脚信号与功能,双列直插，40个引脚其中8个引脚在最大或最小模式时信号的名称和功能是不同的。本节先讲与模式无关的引脚。,8088的引脚,与模式有关的引脚为2431括号中为最小模式时引脚名,8086的引脚图,与模式有关的引脚为2431 括号中为最大模式时引脚名,CPU的外部特性表现在其引脚信号上，学习引脚信号时要关注以下几个方面：,有效电平,三态能力,信号的流向,引脚的功能,信号从芯片向外输出，还是从外部输入芯片，或者是双向的,起作用的逻辑电平,高、低电平有效,上升、下降边沿有效,输出正常的低电平、高电平外，还可以输出高阻的第三态,分类学习这40个引脚（总线）信号数据和地址引脚读写控制引脚中断请求和响应引脚总线请求和响应引脚其它引脚,一.地址/数据引脚,AD15 AD0（Address/Data）地址/数据分时复用引脚，双向、三态在访问存储器或外设端口的总线操作周期中，这些引脚在T1 输出存储器或I/O端口的地址。其他时间用于传送数据D7 D0当CPU响应中断以及系统总线“保持响应”时,复用线都被浮置为高阻状态。,二.地址/状态引脚（续2）,A19/S6 A16/S3（Address/Status）地址/状态分时复用引脚，输出、三态这些引脚在访问存储器的T1状态输出高4位地址A19 A16在访问外设端口时不使用这4个引脚，T1状态全部输出低电平，表示无效。其他T状态 输出状态信号S6 S3 S6为0用来指示80868088当前与总线相连，所以，在T2T4状态，S6总等于0，以表示80868088当前连在总线上。S5表明中断允许标志位IF的当前设置。S4和S3用来指示当前正在使用哪个段寄存器，如书中表2-2所示。,三、控制引脚,1、(BHE/S7)高8位 数据总线允许/状态复用引脚，输出，三态。T1状态时 输出BHE，表示总线高8位上的数据 D15 D8 是否有效。BHE信号和A0联合来控制连接在总线上的存储器和接口以何种格式传输数据。见P53,图2-19。P46 表2-7其它T状态输出S7，但无实际意义，是备用信号。,2、RD,读控制信号，输出、三态、低电平有效有效时，表示CPU正在从存储器或I/O端口读入数据。对谁读，取决于M/IO引脚的状态。读操作时，该信号在T2、T3、TW状态有效均为低 电平。,3、READY,存储器或I/O口发来的“准备好”信号，输入、高电平有效总线操作周期中，CPU会测试该引脚如果测到高有效，CPU直接进入下一步如果测到无效，CPU将插入等待周期TW等待周期中仍然要监测READY信号，确定是否继续插入等待周期用于协调慢速外设和高速CPU 的配合。,4、TEST,测试，输入、低电平有效使用协处理器8087时，通过该引脚和WAIT指令，可使8088与8087的操作保持同步（常用于多CPU系统）,中断请求和响应引脚,5、INTR（Interrupt Request）可屏蔽中断请求，输入、高电平有效有效时，表示请求设备向CPU申请可屏蔽中断该中断请求是否响应受控于IF（中断允许标志）、可以被屏蔽掉6、NMI（Non-Maskable Interrupt）不可屏蔽中断请求，输入、上升沿有效有效表示外界向CPU申请不可屏蔽中断该中断请求不能被CPU屏蔽，所以优先级别高于INTR（可屏蔽中断）,主机与外设进行数据交换通常采用可屏蔽中断不可屏蔽中断通常用于处理掉电等系统故障,7、RESET,复位请求，输入、高电平有效该信号有效（至少维持4个时钟周期），将使CPU回到其初始状态；当它再度返回无效时，CPU将重新开始工作8086/8088CPU复位后CSFFFFH、IP0000H，所以程序入口在物理地址FFFF0H,8、CLK（Clock）系统时钟，输入系统通过该引脚给CPU提供内部定时信号 8086/8088的标准工作时钟为5MHzIBM PC/XT机的8088采用了4.77MHz的时钟，其时钟周期约为210ns9、Vcc电源输入，向CPU提供5V电源GND（2个）接地，向CPU提供参考地电平,(五)其他控制线(2431引脚),这些引脚具有两种功能，根据方式控制线MNMX所处的状态而确定。MN/MX（Minimum/Maximum）33pin组态选择，输入接高电平（电源电压）时，8086/8088引脚工作在最小组态。在此方式下，全部控制信号由CPU本身提供。接地时，8086/8088工作在最大组态。这时，系统的部分控制信号由8288总线控制器提供。,1.中断响应引脚,INTA（Interrupt Acknowledge）CPU对可屏蔽中断进行响应，输出、低电平有效CPU进入中断响应周期，发出的2个负脉冲，以通知外设接口来自INTR引脚的中断请求已被CPU响应，并作为中断向量号的读选通信号。,最小模式下2431引脚的信号定义如下：,读写控制引脚,2.地址锁存信号ALE（Address Latch Enable）地址锁存允许，输出、高电平有效CPU 在每个总线周期的T1都提供ALE信号。ALE引脚高有效时，表示复用引脚：AD15 AD0和A19/S6 A16/S3正在传送地址信息由于地址信息在这些复用引脚上出现的时间很短暂，所以系统利用ALE引脚将地址锁存起来，锁存到8282。不能被浮空,3.数据允许信号 DEN（Data Enable）,数据收发允许信号，输出、三态、低电平有效有效时，表示允许数据通过数据总线收发器8286。即数据总线双向驱动器的选通信号4.数据收发输出DT/R（Data Transmit/Receive）数据发送/接收，输出、三态该信号表明了当前数据总线上的数据流向。用来控制数据收发器的数据传送方向。高电平时数据自CPU输出（通过8286发送数据）低电平时数据输入CPU（通过8286接收数据）,注意引脚间的配合,5.存储器/IO端口 访问控制信号,M/IO（Input and Output/Memory）I/O或存储器访问，输出、三态该引脚输出高电平时，表示CPU将访问I/O端口，这时地址总线A15 A0提供16位I/O口地址该引脚输出低电平时，表示CPU将访问存储器，这时地址总线A19 A0提供20位存储器地址在DMA方式时，被浮置为高阻状态。,6.写信号,WR（Write）写控制，输出、三态、低电平有效有效时，表示CPU正在写出数据给存储器或I/O端口。在DMA方式时，被浮置为高阻状态。RD（Read）读控制，输出、三态、低电平有效有效时，表示CPU正在从存储器或I/O端口读入数据,考虑谁接受这些信号,读写控制引脚,M/IO、WR和RD是最基本的控制信号组合后，控制4种基本的总线周期,7.总线保持请求信号HOLD,输入、高电平有效有效时，表示其他处理主模块向CPU申请占用总线该信号从有效回到无效时，表示总线请求设备对总线的使用已经结束，通知CPU收回对总线的控制权,8.总线保持响应信号HLDA输出、高电平有效有效时表示CPU已响应总线请求，并已将总线释放。此时CPU的地址引脚、数据引脚及具有三态输出能力的控制引脚将全面呈现高阻，从而让出了总线待到总线请求信号HOLD无效，总线响应信号HLDA也转为无效，CPU重新获得总线控制权。,最小模式时8086“引脚”小结,CPU引脚是系统总线的基本信号可以分成三类信号16位数据线：AD0 AD1520位地址线：AD0 AD15，A16/S3 A19/S6，BHE/S7控制线：ALE、DEN、DT/R、M/IO、WR、RD TEST、READYINTR、INTA、NMIHOLD、HLDARESET、CLK、Vcc、GND、MNMX,最大组态下2431引脚定义：S0 S1 S2：输出、三态。总线周期状态信号。发给总线控制器8288，使其产生相应的总线控制信号代替CPU输出。译码状态见P33，表2.4。RQ/GT0，RQ/GT2：总线请求/允许信号；双向。可供CPU 以外的两个协处理 器来申请占用总线。LOCK：输出、三态。总线封锁信号。有效时，别的 总线主设备不能获得对总线的控制。执行LOCK指令、中断过程中为低有效。QS0、QS1:输出。表示指令队列的状态，以便外部（8087）对其动作进行跟踪，保持同步。P34，表2.5,2.2.3 8088与8086的不同之处指令队列数据总线8位AD7AD0，一次只能传8位IO/M（为了与8085兼容）BHE不需要了，改为SS0，与DT/R和IO/M组合决定最小模式中的总线周期操作。,“引脚”提问,提问1：CPU引脚是如何与外部连接的呢？解答：总线形成提问2：CPU引脚是如何相互配合，实现总线操作、控制系统工作的呢？解答：总线时序,2.4 8086系统配置,一、最小模式 当MNMX接高电平+5伏，系统工作于最小模式，即单处理器系统方式，它适合于较小规模的应用。8086本身提供所有的控制总线信号,控制总线CB,数据总线DB,地址总线AB,系统总线形成,CPU,I/O设备,I/O接口,存储器,系统总线BUS,总线形成,AD15 AD0,A19/S6 A16/S3,+5V,8086CPU,ALE,地址锁存器8282,STB,系统总线信号,A19 A0,D15 D0,收发器8286,TOE,MN/MX*M/IO*RD*WR*,DT/RDEN,OE,8086最小模式下系统配置（总线形成）,OE=1 时，不导通，第三态，与系统总线断开,BHE,BHE,第2章：最小组态总线形成（Intel 产品手册推荐电路）,RESET TEST HOLD HLDA NMI INTR INTA M/IO WR RD,READY CLK,READY,MN/MX,+5V,控制总线,地址总线A19 A0,数据总线D15 D0,ALE BHE A19 A16 AD15 AD 0,DT/R DEN,8086CPU,STB 8282,OE,TOE,8286,8284A,系统总线,BHE,时钟发生器（8284）见图2-12地址锁存 分时复用的引脚上的地址信号需分离锁存。地址信号 AD15AD0，A19/S6A16/S3，BHE/S7。使用Intel 8282 锁存，它是8位三态缓冲锁存器，需3 片。或74LS373锁存器。数据线的驱动 CPU引脚负载超过10个时，需采用缓冲器增加总线的驱动能力。数据总线的双向驱动利用数据收发器8286进行双向驱动 Intel 8286是8位三态双向缓冲器，需2片。或74LS244、74LS245双向总线缓冲器,1、20位地址总线的形成,A0A19,BHE采用3个8282进行锁存和驱动,2、16位数据总线的形成,D0D15采用数据收发器8286进行双向驱动 Intel 8286是8位三态双向缓冲器，类似功能的器件还有Intel 8287、通用数字集成电路245等1.用于数据总线和CPU之间的数据传输；2.用以增加数据总线的带负载能力,3.系统控制信号的形成,由8086引脚直接提供基本的控制信号8086引脚中都含有 例如：M/IO*、WR*、RD*等,二、最大模式（多处理器模式）系统,较大规模的应用系统。在一个系统中存在两个或两个以上的处理器，例如可以接入数值协处理器8087等。增加总线控制器8288，形成总线控制信号增加总线仲裁逻辑-总线裁决器8089，用于裁决哪个处理器拥有对总线的使用权。,作为一个多CPU系统，应该要处理好以下几方面问题：1多处理器并行处理时，各处理器之间同步；2各处理器任务协调，并保证协调操作；3多处理器系统共用设备的共享和分配；4系统总线使用权的占用问题。,（一）、最大组态下2431引脚定义：S0 S1 S2：输出、三态。发给总线控制器8288，以使其产生有关存储器和I/O访问的总线周期所需的控制信号。RQ/GT0，RQ/GT2：总线请求/允许信号；双向。可供CPU 以外的两个协处理 器来申请占用总线。LOCK：输出、三态。总线封锁信号。有效时，别的 总线主设备不能获得对总线的控制。执行LOCK指令、中断过程中为低电平。QS0、QS1:输出。表示指令队列的状态，以便外部（8087）对其动作进行跟踪，保持同步。,AD15 AD0,A19/S6 A16/S3,8086,系统总线信号,A19 A0,D15 D0,8282,STB,8286,TOE,OE,MN/MX*,S0S2,8288,DENDT/RALEAEN,CLK,MRDCMWTC IORCIOWC INTA,S0S2,CLK,最大模式时总线形成,控制总线,BHE,BHE,总线控制器8288：根据CPU要执行的操作提供的状态信号S0、S1、S2建立控制时序，输出控制信号（根据要执行的总线周期按时序输出读写控制信号）。,MRDCMWTCAMWCIORCIOWCAIOWCINTADT/RDENMCE/PDENALE,S0S1S2,CLKAENCENIOB,8288,S2、S1、S0的编码意义,8086最大组态系统配置图,在最小方式系统中，控制信号MIO、WR、INTA、ALE、DTR 和DEN是直接从CPU的第2429脚送出的。而在最大方式系统中,则由状态信号S2、S1、S0隐含了上面这些信息,使用8288后，系统就可以从S2、S1、S0状态信息的组合中得到与这些控制信号功能相同的信息。,比较两种模式,2.4.3 8086处理器时序,时序（Timing）当CPU执行指令时，送出一系列的信号，这些信号随时间的变化及相互间的因果关系称为CPU时序。总线时序描述CPU引脚如何实现总线操作CPU时序决定系统各部件间的同步和定时,一、时序的基本概念,基本的总线操作,总线操作是指CPU通过总线对外进行的各种操作8086的总线操作主要有：存储器及I/O的读操作存储器及I/O的写操作中断响应操作总线请求及响应操作总线空闲,一个总线操作对应一种总线周期用总线时序图来描述一个总线周期,总线周期,存储器读总线周期：任何指令的取指阶段都需要。任何一条以存储单元为源操作数的指令存储器写总线周期：任何一条以存储单元为目的操作数的指令I/O读总线周期：只有执行IN指令才产生。I/O写总线周期：执行OUT指令才出现。中断响应总线周期:CPU响应可屏蔽中断时生成,何时有总线周期？,8086最基本的总线周期是CPU对MEM或I/O进行的读写周期。,一个基本总线周期由4个时钟周期（T1，T2，T3，T4）构成。T1：CPU从地址/数据线上送出地址。T2：地址撤消。若是CPU读：地址/数据线是高阻；若是CPU写：地址/数据线是数据。T3：数据稳定在总线上，在T3与T4交界处采样数据,进入T4状态。T4：结束状态。,基本的读写操作过程可用简化的读写时序来表示。,下面展开微处理器最基本的 4 种总线周期存储器读总线周期存储器写总线周期I/O读总线周期I/O写总线周期,8086最小组态的总线时序,(1)、存储器读总线周期时序（8086最小组态时）,T4,T3,T2,T1,ALE,CLK,A19/S6 A16/S3,AD15 AD0,A15 A0,输入数据,A19 A16,S6 S3,READY,M/IO,DEN,DT/R,BHE,T1状态M/IO输出高电平，表示存储器操作；输出20位存储器地址A19 A0；输出BHE ALE输出正脉冲，并在下降沿将地址锁存；DT/R输出低电平，表示为数据输入。T2状态输出控制信号RD；DEN为低有效，选通数据收发器8286；数据地址状态过渡。T3状态检测READY信号，判定数据传送是否能够完成，若可以来自MEM或I/O的数据在T3被稳定的送到数据总线。T4状态完成数据传送。CPU在T3状态结束T4状态开始时的下降沿处，CPU对数据总线进行采样，从而读得数据。,CPU与存储器接口的时序配合8086CPU对存储器的读写时序 CPU总线周期内，各部件都以系统时钟信号为基准，希望在4个T状态内操作完成（采用同步时序）。存储器对读写周期的时序要求 指存储器本身在读写时能达到的最小时间要求。反映了它的响应速度，和保证进行有效读写的时间要求。当双方相互不能配合时，快速部件（CPU）插入等待状态等待慢速部件（I/O和存储器）。即半同步。,CPU与外设接口常采用异步时序，它们通过应答联络信号实现同步操作,当被访问对象数据传输速度与CPU存取数据的速度匹配时，READY线处高电平。而当被访问对象速度慢于CPU时，READY信号要在T2结束的下降沿之前，变为低电平。直到准备好才又为高电平。同步时序通过插入等待状态，来使速度差别较大的两部分保持同步.在读写总线周期中，判断是否插入Tw1.在T3的上升沿检测READY引脚是否有效。2.如果READY无效，在T3和它T4之间插入一个等效于T3的Tw，在TW继续检测READY。3.如果READY有效，执行完该T状态，进入T4状态。,插入等待状态Tw,等待状态,T1 T2 T3 Tw Tw Tw T4,CLK,READY,TW,T3,T2,T1,ALE,CLK,A19/S6 A16/S3,AD15 AD0,A15 A0,输入数据,A19 A16,S6 S3,READY,（高电平）,IO/M,RD,DEN,DT/R,T4,BHE,(2)、存储器写总线周期时序,T4,T3,T2,T1,ALE,CLK,A19/S6 A16/S3,AD15 AD0,A15 A0,输出数据,A19 A16,S6 S3,READY,（高电平）,M/IO,WR,DT/R,DEN,BHE,111,101,A19A16,S6S3,ALE,S2S0,CLK,A19/S6A16/S3,DEN,由8288产生,输入数据,A7A0,AD15AD0,DT/R,MRDC,存储器读周期,8086最大组态的总线时序,存储器写总线时序,111,110,A19A16,S6S3,由8288产生,ALE,-S2-S0,CLK,A19/S6A16/S3,DEN,写命令,AD15AD0,A7A0,输出数据,DT/R,-AMWTC,-MWTC,2、I/O读/写周期3、空闲周期-一系列的T1 状态指CPU正进行内部操作、不进行对外操作的总线空闲状态Ti4、中断响应周期5、系统复位6、CPU进入和退出保持状态 CPU在什么时候把总线让出来？,中断响应周期,当 INTR 脚为高电平，向CPU提出中断请求。IF=1 则CPU在执行完当前指令后响应中断,进入中断响应时序,其中包含两个中断响应周期：,本章总结,掌握三级周期的概念了解8086的两种组态形式；掌握最小组态下8086cpu的典型引脚定义;总线形成最大组态下总线形成，与最小组态的区别。3.理解总线时序，会读典型总线周期的时序图8086与慢速设备的匹配方法-插入等待周期。,讨论：什么是分时复用？,分时复用就是一个引脚在不同的时刻具有两个甚至多个作用最常见的总线复用是数据和地址引脚复用 总线复用的目的是为了减少对外引脚个数8088/8086CPU的数据地址线采用了总线复用方法,第2章：补充：三态门和D触发器,三态门和以D触发器形成的锁存器是微机接口电路中最常使用的两类逻辑电路三态门的作用：功率放大、导通开关器件共用总线时，一般使用三态电路：需要使用总线的时候打开三态门；不使用的时候关闭三态门，使之处于高阻D触发器的作用：信号保持，导通开关,双向三态缓冲器,A,B,T,OE,OE*0，导通 T1 AB T0 ABOE*1，均不导通,双向三态门具有双向导通和三态的特性,Intel 8286,OE*0，导通 T1 AB T0 ABOE*1，不导通,每一位都是一个双向三态门，8位具有共同的控制端,8位双向缓冲器控制端连接在一起，低电平有效可以双向导通输出与输入同相,数据收/发器,返回,2、D触发器,电平锁存：高电平通过，低电平锁存上升沿锁存：通常用负脉冲触发锁存,三态缓冲锁存器（三态锁存器）,T,A,D Q C,B,STB,Intel 8282是8位三态透明锁存器，类似有Intel 8283和通用数字集成电路芯片373。透明：高电平时锁存器的输出能够跟随输入变化锁存：由高到低跳变时锁存三态输出：输出控制信号有效时，允许数据输出；无效时，不允许数据输出，呈高阻状态,Intel 8282：具有三态输出的TTL电平锁存器,Intel 8282：具有三态输出的TTL电平锁存器,OE*输出允许引脚STB 电平锁存引脚,每一位都是一个三态锁存器，8个三态锁存器的控制端连在一起,地址锁存器,通,锁存,返回,本章结束,计算机与佛学诗,下面是一首诗，很有禅意的样子：To see a world in a grain of sandAnd a heaven in a wild flower,Hold infinity in the palm of your handAnd eternity in an hour.一颗沙里看出一个世界一朵野花里一座天堂把无限放在你的手掌上永恒在一刹那里收藏这首诗也可以这样理解:计算机芯片的主要材料由沙的主要成分就是Si2O（二氧化硅）构成一个显示器可以看到大千世界通过你手上的键盘可以搜索无限的问题在一小时之内你就可以像如来一样，了解一切,