80868088CPU引脚信号和工作模式.docx

1、80868088CPU引脚信号和工作模式第二节8086/8088CPU引脚信号和工作模式本节介绍8086管脚信号的定义。8086是一个40管脚的器件，为了便于组成不同规模的系统， Intel公司为8086设计了两种工作模式。在不同的工作模式下，管脚的定义不同。学习管脚信号的定义，是为下一步总线操作时序和系统组成的学习打下基础。8086的工作方式1.两种工作方式为了便于组成不同规模的系统，在8086芯片中设计了两种工作模式，即最小模式和最大模式。2.如何设定工作方式8086CPU的MN/MX（Minimum/Maximum Mode Control）管脚，是最大最小模式控制信号（标号33），它决

2、定了8086工作在哪种工作模式。如果MN/MX接+5V， 则CPU工作在最小模式；MN/MX接地，CPU工作在最大模式。MN/MX管脚为信号输入管脚， 在设计系统时，根据选择的工作模式，将该信号直接连接+5V或地。8086CPU引脚的特点：多数引脚采用复用、分时，因为40条引脚不够分配，只能使一部分引脚分时复用：一条引脚当两条引脚使用。 8086管脚图见图4.2.1（图4.2.1同时给出了8088的管脚图）， 图中第2431号管脚具有两种定义。括弧中表示的是最大模式下的管脚定义。首先我们介绍8086在最小模式下的管脚定义。 有一部分引脚的功能和CPU的工作方式有关：在最小方式和最大方式下，这些

3、引脚可能有不同的功能。一、引脚信号与功能1.数据总线D0D15 16位（8088仅8位），双向传输， 可分别使用其低8位或高8位，该总线与地址总线A0A15共用CPU引脚形成复用总线AD0AD15， 地址、数据分时传送。2.地址总线A0A1920位，单向，地址由CPU产生，用于寻址访问存储器单元或IO端口。A0A15与D0D15复用，A16A19与状态信号S3S6复用(A16/S3 A19/S6)。其中AD15AD0地址数据复用信号（标号216、39），双向，三态。 在总线周期的T1状态（地址周期）AD15AD0上出现的 是低16位的地址信号A15A0；在T3状态（数据周期）AD15AD0上出

4、 现的是数据信号D15D0。作为分时复用管脚，因为既做地址信号，又做数据信号，因此是双向信号。 在总线周期的T1状态AD15AD0输出CPU所要访问的存储器或者I/O端口的地址； 而在总线周期的T3状态，AD15AD0上出现的是CPU和存储器或I/O端口交换的数据。T2状态对于读周期和写周期来说AD15AD0上的状态是不同的： 在是读周期， AD15AD0要从CPU驱动（地址周期）切换为存储器或I/O端口驱动（数据周期），AD15AD0管脚需要在一个状态周期内维持高阻状态，以便不同总线驱动源的切换。如果是写周期，地址和数据信号都是由CPU驱动，所以CPU从T2开始便输出数据。T2T3都是数据周

5、期。A19/S6A16/S3 (Address/Status)：地址状态复用信号（标号3538），输出。 在总线周期的T1状态（地址周期）A19/S6A16/S3上出现的是地址的高4位。在T2T4状态，A19/S6A16/S3上输出状态信息。3.状态信号S3S6S6：指示8086当前是否与总线相连。S60表示8086连在总线上。S5：表示中断允许标志状态。S51表示中断允许标志IF1（对可屏蔽中断请求起作用）。S50表示IF0，禁止可屏蔽中断。S4和S3用来指出当前使用的段寄存器。 S4、S3代码组合对应的含义如表4.2.1所示：表4.2.1S4S3当前正在使用的段寄存器00ES01SS10C

6、S或未使用任何段寄存器11DS地址和状态信号也都是由CPU驱动， 所以T1地址周期之后，紧接着的T2T4是状态周期。4.控制信号 与CPU工作模式无关的信号有：BHE#、NMI、INTR、RD#、CLK、RESET、READY#、TEST#、MN/MX#、GND最小模式下控制信号M/IO#(Memory/Input and Output)： 存储器或者I/O控制信号（标号28），输出，三态。M/IO#输出为高电平，指示CPU正在执行存储器访问指令， 进行和存储器之间数据交互； 如果为低电平，表示CPU正在执行I/O指令， 进行和I/O接口之间数据传输。为1时，CPU作存储器访问；为0时，CPU

7、作端口访问。DT/R#(Data Transmit/Receive)：数据驱动器数据流向控制信号（标号27），输出，三态。在8086系统中，通常采用8286或8287作为数据总线的驱动器， 用DT/R#信号来控制数据驱动器的数据传送方向。当DT/R#1时，数据驱动器进行数据发送；DT/R#0时，数据驱动器进行数据接收。用于控制双向数据总线收发器的驱动方向。BHE#/S7(O)：为0时，总线高字节允许传送；为1时，总线高字节禁止传送。BHE#控制对存储器按双字节输出时，高字节总线允许打开传送。即只给一个字地址，输出两个字节。S7备用。RD#(Read)：读信号（标号32），输出，三态。RD#信号

8、有效，表示CPU执行一个对存储器或I/O端口的读操作，在一个读操作的总线周期中，RD#在T2T3状态中有效，为低电平。为0时，CPU作读操作。WR#(Write)：写信号（标号29），输出，三态。WR#信号有效，表示CPU执行一个对存储器或I/O端口写操作，在写操作总线周期中，WR#在T2T3状态中有效，为低电平。为0时，CPU作写操作；M/IO#，RD#， WR#组合成系统的存储器和端口的读写信号： MEMR#，MEMW#，IOR#，IOW#。高电平有效时，将地址存入外部地址锁存器。通常用RD#以及WR#信号控制存储器或I/O的读出和写入端。RD#和 WR#指出CPU当前进行的是读还是写操作

9、， 它和M/IO#信号一起，指出当前进行的是存储器读、I/O读、存储器写、I/O写四种操作中的哪一种。RD#和WR#信号除了在T2T3状态中有效外，还在TW（等待）状态有效。表4.2.2为对存储器或I/O的读写操作选择。表4.2.2RD#WR#M/IO#对应的操作010I/O写操作011存储器写操作100I/O读操作101存储器读操作DEN#(Data Enable)(O)：数据使能信号（标号26），输出，三态，低电平有效。 用于数据总线驱动器的控制信号。为0时，数据输出有效，与DT/R#配合，用于控制双向数据总线收发器的开与关。CPU的信号线上，特别是地址、数据、控制线上， 通常连接多个器件

10、，也就是说， CPU的每根信号线要带多个负载，为增强其负载能力，通常在CPU的地址、 数据、控制线上设计驱动器。因地址信号采用8282地址锁存器锁存，其本身具有较强的负载能力，所以不再另加驱动器。数据线驱动一般采用双向数据驱动器8286。DEN#用作对数据驱动器的使能。DEN#在存储器或I/O访问周期或中断响应周期都为低电平， 即为有效电平。如果是读周期或者中断响应周期，DEN#从T2状态中开始有效，一直到T4状态中结束；如果是写周期，则从T2状态的开始就是有效电平。在DMA方式时，DEN#被置为高阻状态。 ALE(Address Latch Enable)（O）：地址锁存使能信号（标号25）

11、，输出，高电平有效。是用来作为地址锁存器的锁存控制信号。8086的AD15AD0是地址数据复用信号，地址信息仅在T1状态有效，为了使地址信号在整个读写周期都有效， 通常要用ALE把地址信号锁存在地址锁存器当中为1时， 地址锁存允许，高电平有效时，控制将地址存入外部地址锁存器。NMI(Non-Maskable Interrupt)：非屏蔽中断请求（标号17），输入，上升沿有效。NMI不受中断允许标志的影响。 当CPU检测到NMI有一个正沿触发的信号以后， CPU执行完当前指令便响应中断类型号为2的非屏蔽中断请求。为1时，(上升沿)产生不可屏蔽中断请求。非屏蔽中断是不受中断允许标志IF的影响的，不

12、能用软件进行屏蔽。INTR(Interrupt Request)： 可屏蔽中断请求（标号18），输入，高电平有效。 如果INTR信号有效， 当CPU的中断允许标志IF1时，CPU结束当前指令后，响应INTR中断。为1时，产生可屏蔽中断请求。可屏蔽中断要根据中断允许标志的设置来判断 CPU是否能响应中断请求。当INTR信号有效，同时中断允许标志IF为1的时候，CPU才会响应中断去执行一个中断处理子程序。需要注意的是，不论是非屏蔽中断还是可屏蔽中断， CPU都是在每条指令的最后一拍去采样中断请求信号的。 如果有中断请求，又符合中断响应条件，CPU将在执行完当前指令之后进入中断响应周期。也就是说在指

13、令执行中是不可以中断的。 NMI和INTR是8086/8088的两条硬件中断请求输入线。INTA#(Interrupt Request Ask)中断的响应信号， 输出，为0时，CPU对INTR中断的响应。 本信号与INTR构成一对联络信号，INTR请求，INTA#是CPU对INTR请求的回答，为0时表示接受申请。TEST#(Test)：测试信号（标号23），输入低电平有效。TEST#信号和WAIT指令结合起来使用，在CPU执行WAIT指令时，CPU便一直处于空转状态，进行等待。 只有当8086检测到TEST#信号有效时，才结束等待状态， 继续执行WAIT之后的指令。 为0时，结束CPU的等待状

14、态。RESET复位信号（标号21），输入，高电平有效。 复位信号有效时，CPU结束当前操作并对标志寄存器FLAG 、IP、DS、SS、ES及指令队列清零，并将CS设置为FFFFH。 当复位信号撤除时，（即电平由高变低时）CPU从FFFF0H开始执行程序。 这也是8086系统程序的起始地址，即开机后程序的起始位置。一般的8086系统，将系统程序固化在ROM中，ROM的地址应包含FFFF0H。READY(Ready)：准备好信号（标号22），输入，高电平有效。为了CPU能和不同速度的存储器或I/O接口进行连接， 设计了READY信号。CPU在每个总线周期的T3状态对READY进行采样。 当READ

15、Y信号有效时表示存储器或I/O准备好发送或接收数据。CPU执行典型的总线周期，在4个T状态内完成总线操作。 如果存储器或I/O的速度较慢，不能与CPU的速度相匹配，可令READY为低。CPU在T3采样到READY为低电平以后，便在T3之后插入Tw， 延长读写周期，使CPU能和较慢速度的存储器或I/O接口相匹配。 为1时，被访问部件准备就绪；为0时，被访问部件未准备就绪。MN/MX#(Minimum/Maximum Mode Control)：最大最小模式控制信号（标号33），输入。决定8086工作在哪种工作模式。如果MN/MX#1（+5V），CPU工作在最小模式。MN/MX#0（接地）， CP

16、U则工作在最大模式。HOLD(Hold Request)：总线保持请求（标号31），输入，高电平有效。当系统当中除CPU之外的另一个总线主模块（如DMA）要求使用总线时，该总线主模块通过HOLD信号向CPU发出总线请求。如果CPU允许让出总线，就在完成当前总线周期后，在T4状态通过HLDA管脚发出应答信号，响应总线的请求。为1时，总线使用请求；为0时，总线回收请求。HLDA(Hold Request Ask)总线保持响应信号，输出，高电平有效。HLDA有效时表示CPU响应了其他总线主的总线请求， 一旦HLDA有效，CPU的数据地址控制信号变为高阻状态， 而请求总线的总线主（DMA）获得了总线权

17、。 为1时，总线使用请求的响应；为0时，总线回收请求的响应。 DMA即“直接存储器访问”。在DMA方式下，外部设备利用专用的控制电路直接和存储器进行高速的数据传送， 而不经过CPU。这样，传输时就不必进行CPU执行程序过程中完成的地址增量、计数器减量，以及在中断方式下CPU保护现场、 恢复现场之类的操作，大大提高了数据传送的速度。在利用DMA方式进行数据传输时， DMA控制系统总线，因此在DMA开始工作之前，首先要向CPU发出申请总线的请求，令CPU让出总线。这个请求是由DMA设置HOLD信号有效产生的。HOLD和HLDA是一对联络信号，时序关系如图4.2.2所示。二、最小工作模式当8086的

18、MN/MX#接到+5V时， 8086就工作在最小工作模式。最小工作模式一般用于组成基于8086 CPU的最小系统。在这种系统中，所有的总线控制信号都直接由8086产生，系统中的总线控制电路被减到最少。这种系统的典型组成如图4.2.3所示：系统中，有1片时钟发生器8284A，1片单向数据驱动器74LS244； 3片地址锁存器8282；2片数据总线收发器8286。时钟发生器8284产生满足8086 CLK要求的占空比1/3的时钟信号，还对复位信号RESET和准备好信号READY进行同步。 8282对8086的地址信号进行锁存。8086有地址信号20位，AD19AD0， 一位高位数据线使能信号BHE

19、#，它们都是与数据或状态分时复用的信号，共21位。 采用3片8282对地址信号进行锁存。数据收发器8286作为双向数据驱动。图4.2.3中的逻辑图表示了8086最小模式下的基本配置， 从图中可以看出，系统的控制信号全部由CPU发出，与CPU连接的芯片分别为时钟控制器8284、信号驱动器74LS244、 地址锁存器8282及数据驱动器8286。除了地址信号外，数据高位使能BHE#信号（总线高字节有效）也是需要被锁存的。注意，数据高位使能不是数据信号，而是数据高位选择信号， 8086有16位数据信号线，CPU执行指令时，由BHE#信号指出高位数据线上当前数据是否有效，相当于地址选择信号。又因为地址

20、数据状态总线是分时复用的，而BHE#和S7也是复用的，为了保证CPU对存储器和I/O端口的正常读写操作，需要锁存器对BHE#信号进行锁存。20位地址信号也是和数据、状态信号分时复用，BHE#信号加上20位地址AD19AD0， 共21位。8282是八位与8086兼容的地址锁存器，因此， 系统采用3片8282芯片分别对21位地址信号进行锁存。在总线周期的T1状态，这21根线上是CPU发出的地址信息（包括BHE#），到T2或T3周期地址信号撤消切换为数据或状态信息。因此必须将地址信号锁存， 使它们的有效时间能覆盖数据有效的时间。CPU在发地址的同时，地址锁存使能信号ALE有效，表示地址已经准备好。利

21、用ALE信号的下降沿将地址锁存在地址锁存器8282中。1.系统地址与数据总线的形成 地址锁存器。如：8282，74LS573等8位锁存器均可作地址锁存器。图4.2.4是地址锁存器8282芯片的管脚功能和真值表。8282有8位信号输入管脚DI7DI0和8位三态信号输出管脚DO7DO0； OE#为输出允许信号，低电平有效；STB是锁存信号。下降沿有效。系统地址总线的形成系统需要独立的地址总线，并在整个总线周期维持地址有效。需外加地址锁存器来存储地址， 20位地址要三片锁存器。锁存器由ALE信号来控制， 即ALE作为锁存器的输入控制信号，控制地址的写入。除地址外，BHE#信号也要存入外接的地址锁存器

22、。注意ALE是高电平有效，必须和锁存器的控制信号的电平相一致。 地址总线形成。图4.2.5是8282与8086的连接图。将8086的20位地址和BHE#信号分为3组，和3片8282的DI7DI0连接，CPU的地址锁存使能ALE与8282的STB端相连。在ALE的下降沿时，对地址信号进行锁存。也可以采用74系列器件373替代8282。地址锁存器8282相当于8个D触发器。 从真值表可以看出，当OE#为高，DO7DO0为高阻状态。当OE#为低STB为高时，8282的输出等于输入， 8282的输出信号DO7DO0与输入信号DI7DI0相等。当STB由 高变低，信号被锁存。OE#为高电平时，8282的

23、输出为高阻态，OE#为低，DO7DO0有效。具体细节可以参见图4.2.5的真值表。以其中的第一个8282为例，不难看出，只要将8282的DI7DI0与8086CPU的AD7AD0相连，锁存号STB与CPU的ALE端相连。就可实现地址锁存的功能。而输出允许信号OE#为什么直接接地？因为OE#直接接地表示输出允许地址信号一直有效（无高阻态）， 在不带DMA的单处理器系统中，完全可以这样处理。与此类似，第二、第三个锁存器的连接基本相同。 地址A与数据D的复用（片）总线信号作为锁存器的输入， 由ALE控制输入，输出为直通方式，锁存器输出为地址信号。ALE信号仅在新地址输出期间有效，使新地址输入锁存器，

24、 从而从复用总线上分离出地址信号；由于锁存器输出为直通方式，使地址信号期延长到整个总线周期。 总线收发器。当数据线负载大于CPU数据线扇出能力时，需要在CPU数据线上连接数据驱动器。在Intel系列芯片中，数据收发器为 8位的8286，8286的逻辑结构及其与8086的连接见图4.2.7和图4.2.8。8286具有两组对称的数据引线A7A0和B7B0， 为双向的输入输出线，三态。OE#是输出允许信号，输入，低电平有效。当OE#为高电平时，A7A0和B7B0输出高阻。T端则控制数据传送方向，T=1， 表示数据从A流向B，T=0，表示数据从B流向A。 因此，只需将8086的数据线连接8286的A组

25、端口， 8086的数据使能连接8286的OE#， 8086的数据发送接收控制DT/R#连接8286的数据传送方向控制端T，便实现了8086和数据驱动器的连接。同样，也可以采用通用器件，双向数据驱动器74LS245替代8286。一般将具有数据发送器和接收器驱动器简称为数据收发器，典型的数据收发器为8286。8286具有两组对称的双向数据引线A7A0和B7B0，它们既可做输入又可做输出，作为输出时具有三态功能。也就是说，可以安排数据从A7A0输入， 从B7B0输出；也可以安排数据从B7B0输入，从A7A0输出。传送方向控制端T控制数据流向，T=1，数据从A7A0流向B7B0； T=0，数据从B7B

26、0流向A7A0。 如果将8086的数据驱动器有时也称作总线驱动器。至于CPU数据线和存储器、I/O芯片的扇入扇出能力， 可查阅有关数据手册。 由于8286是8位的，而8086的总线是16位，因此要用2片8286。 数据总线形成。 从8286的逻辑图可以看出，8286数据驱动器（除外控制电路）、数据引线Ai/Bi是对称的， 由于在收发器中数据是双向传输的，因此数据线Ai和Bi仅仅表示了数据的流向，在数据传送方向控制端T的作用下，T=1， 表示数据从A流向B，T=0，表示数据从B流向A。OE#是输出允许信号，或称三态控制信号， 低电平有效。了解了8286的结构以后，我们就容易理解8286如何与80

27、86连接了。图4.2.7中，A到B表示数据从CPU传送到系统其他设备，是数据写的数据流向，B到A是数据从系统的其他设备传送到CPU， 是数据读的数据流向。而CPU的数据发送接收控制DT/R#=1时，正好是数据发送（写）状态，DT/R#=0时，是数据接收（读）状态，所以可以将DT/R#直接和8286的T相连。 8286的输出使能OE#端则必须由CPU的DEN#控制。在前面我们已经提到了，在CPU的存储器访问周期、I/O访问周期以及中断响应周期DEN#输出低电平， 即输出有效信号。 使能8286允许数据通过，完成数据的传输。8286不能象8282那样，将OE#直接接地。如图4.2.9所示：当G=0

28、时，由DIR决定数据驱动的方向；当G=1时总线高阻。由DEN信号打开收发器，由DT/R#信号选择收发器的驱动方向 系统控制信号的形成。注意在最小方式下， 由M/IO#、RD#、WR#的组合来决定进行什么操作（如表4.2.3）；系统的其它信号直接来自CPU：表4.2.3M/IO#RD#WR#操作101读存储器110写存储器001读外设010写外设2.16位存储器组织我们讨论了从逻辑地址到物理地址的计算过程，那么8086存储器的物理组织又是怎样实现的呢？图4.2.12表示了8086地址空间的物理实现。8086具有16位数据线， 包含2个字节，系统将1M字节存储器分为2个存储体，每个存储体包含512

29、个字节，分别对应数据总线的高位字节和低位字节。连接低8位数据线的是偶地址存储体，连接高8位数据线的是奇地址存储体。它们分别由A0（为0）和BHE#来选择。因此，A0通常不参加存储器片内地址译码，而是和BHE#一起直接用做存储体的选择信号。 8位存储器组织。如图4.2.13所示，存储器单元的位数与数据总线位数一致，由地址A19A0选取存储单元，数据通过同宽度的数据总线进出。 16位存储器组织。 在存储器中，操作数可以是一个字节，也可以是一个字。 如果是字操作数， 那么低位字节放在较低的地址单元，高位字节存放在较高的地址单元。但是，他们的起始地址既可以是偶地址也可以是奇地址，对奇、偶地址的字访问时

30、A0和BHE#的不同状态。8086系统将1M字节的内存空间分为2部分， 每个部分包含512K个字节， 分别对应16位数据总线的高8位字节和低8位字节。连接低8位数据线的为偶地址存储体， 连接高8位数据线的为奇地址存储体。它们分别由A0（为0）和BHE#来选择。因此， A0通常不参加存储器片内地址译码，而是和BHE#一起直接用做存储体的选择信号。这种组织存储器的思想同样体现在具有32位数据总线的80386、80486系统和具有64位数据总线的Pentium 系统当中。80386系统将内存储器分为4个存储体，分别由BH0#、BH1#、BH2#、BH3#来选择， Pentium处理机将内存储器分为8个存储体，分别由BH0#BH7#来选择。字节与字地址。存储器分为奇、偶存储体，地址：去除最低位地址A0，偶数地址与其后的奇地址相同。0000000 0 00H 0000000 1 01H 0000001 0 02H 0000001 1 03H 0000010 0 04H 0000010 1 05H 0000011 0 06H0000011 1 07H字节地址：所有的地址位参与选址，可选取任一字节单元。字地址：所有的地址位（除最低位A0地址）参与选址，可选取任一字单元。字节与字单元的选择信号，如表4.2.4所示。表4.2.4BHEA0操作启用的总线位数10访问偶址字节单元D0D7