微处理器与系统结构ppt课件.ppt

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1、第二章微处理器和系统结构1本章内容提要本章主要介绍微处理器（CPU）的主要组成部分及各部分功能Intel8086微处理器组成结构、引脚信号及功能X86系统组成2第一节微处理器的基本结构3微处理器的主要组成部件微处理器（CPU）由下列主要部分组成：算术逻辑单元ALU控制器寄存器阵列总线和总线缓冲器高性能的CPU还有：指令预取部件，指令译码部件、地址形成部件、存储器管理部件等。4一、算术逻辑运算单元（ALU）ALU是对二进制数进行算术逻辑运算的基本部件。数据加工处理可归纳为两种基本运算：算术运算，逻辑运算。5一、算术逻辑运算单元（

2、ALU）（续）算术运算：可进行无符号数和带符号数的加、减、乘、除运算，符号数采用补码表示，减法通过求负数的补码而变成加法运算。还可进行BCD码运算。乘、除可以通过多次重复加、减和移位实现。6一、算术逻辑运算单元（ALU）（续）例如：1311=143=8FH1101采用部分积左移和加法1011可完成二进制乘法。————11011101←部分积左移0000+.1.1.0.1————————100011117一、算术逻辑运算单元（ALU）（续）逻辑运算：可完成逻辑“与”、“或”、“非”、“异或”、“移位”等基本的逻辑运算。浮

3、点运算：浮点数可以看作是由两个定点数组成，尾数与阶码。在对阶后可以对尾数进行运算。浮点数运算可以用软件实现。也可以专门生产浮点运算部件和浮点微处理器，并设有专门的浮点运算指令，可进行32位或64位浮点加、减、乘、除运算。Pentium处理器已把浮点处理器与主处理器集成到一个芯片上。早期的浮点处理器有：8087、80287、80387协处理器。8一、算术逻辑运算单元（ALU）（续）ALU原理框图如下：9二、控制器CTRL是发布操作命令的部件，操作的顺序需要精确的定时，其内部主要组成如下：1、指令部件包括程序计数器（PC)，指令寄

4、存器（IR），指令译码器（ID）。2、时序部件包括时钟系统，脉冲分配器。3、微操作控制部件可采用组合逻辑控制，微程序控制和可编程逻辑阵列（PLA）来实现。10二、控制器（续）控制器的组成框图（图2.2）11二、控制器（续）时钟周期（Tstate）：主时钟的两个脉冲前沿的时间间隔称为一个时钟周期，又称为T状态。它CPU操作的最小时间单位。机器周期：由2～5个T状态组成一个机器周期（MachineCycle），称为M周期，又叫做总线周期，用来完成一个基本操作，如MEM读/写，I/O读/写等。指令周期：一条指令（的取出和）执行所

5、需的时间称为指令周期（InstructionCycle），一条指令执行需1～5个M周期。12二、控制器（续）∬∬M2M5CLKT4T3T1T2M1机器周期指令周期（包括1~5个机器周期）指令周期、机器周期与时钟周期的关系如下图13二、控制器（续）微操作控制部件：根据指令产生计算机各部件所需要的控制信号，如传送、加减、逻辑运算等，由译码器输出、节拍发生器输出等进行组合而产生，完成指令所规定的全部操作。14二、控制器（续）该部件可采用：组合逻辑控制（控制信号采用组合逻辑电路设计实现）；微程序控制（若干微指令组成的微程序）；可编程逻辑

6、阵列（PLA、EPLD等）PLA（ProgrammableLogicArray）EPLD（ElectricallyProgrammableLogicDevice）等方法实现。15三、总线与总线（缓冲器）部件所谓总线是指计算机中传送信息的一组通信线，将多个部件连成一个整体。可以简单分为：片内总线：在CPU内部或部件内部各单元之间传送信息的总线（又可细分为单总线、双总线（输入/输出BUS）、多总线结构）；片外总线：CPU与外部部件之间传送信息的总线。片外总线又称为系统总线，通常系统总线分为地址总线、数据总线、控制总线，即所谓三总

7、线结构。16三、总线与总线（缓冲器）部件（续）因为多个部件均挂在总线上，但各部件工作情况并非完全一样（有的作为信源发，有的作为接收器收）。由于数据或信息代码是用电位高低来表示，若某一时刻有几个部件同时向BUS发送数据，则BUS上的情况就成为不确定的了，电路也可能被烧毁。所以同一时刻只允许一个部件向BUS发送信息。而接收数据就没有上述限制，同一时刻可允许多个部件接收数据。17三、总线与总线（缓冲器）部件（续）总线缓冲器：在工作过程中，常常要求挂在BUS上的某些部件在电气连接上与BUS“脱开”，使这些部件对BUS上其它部件的工作不产

8、生影响，为此，可在部件内部设置三态缓冲器。DATA→3态BUF→BUS；三态缓冲器（3态BUF）处于：低阻（高低电平）→挂BUS上；高阻→逻辑上脱开。18三、总线与总线（缓冲器）部件（续）“脱开”状态：处于高阻状态，开路状态，浮空状态；逻辑上“脱开”，物理上仍连