典型的微型计算机系统教案.docx

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典型的微型计算机系统教案

第14章典型的微型计算机系统

IBMPC/XT是20世纪80年代末、90年代初应用最广泛的一种个人计算机，它是由美国IBM公司选用Intel公司的8088CPU和Microsoft公司的MS-DOS操作系统组建而成的16位微机系统。

问世以后，由于其精湛的体系结构和稳定的性能曾受到了计算机世界和广大用户的高度评价。

近20年来，个人计算机发生了巨大的变化，但PC/XT机的设计思想和技术被32位机继承和兼容，从基本结构原理上看，随后出现的一系列32位机仍然与PC/XT机的原理相同。

因此本章选用PC/XT作为一个典型机实例，给读者一个整体概念，在学习完8086CPU、存储器、I/O接口等芯片以后，再来深入讨论一下如何用它们构建成一个实际可用的微型计算机系统。

14.1IBMPC/XT的系统组成

14.1.1IBMPC/XT的硬件配置

PC/XT在系统结构上采用灵活的积木式结构，即基本部件加扩展部件的方式，其中扩展部件是一些可供选择的功能部件，可根据用户和应用领域的需要进行不同的配置。

①基本配置：

由系统主板、键盘、单色显示器以及显示器适配器组成PC机的最小系统。

若再加上软磁盘驱动器和软盘适配器、硬盘驱动器和硬盘适配器、存储器扩充部件以及打印机和其适配器便组成系统的基本配置。

②最大配置：

在基本配置的基础上，根据需要可加上如下选件来构成最大配置，如：

存储器扩展选件，同步或异步通信适配器以及网络接口板等。

PC/XT机箱内包括系统主板、电源盒、软盘驱动器、硬盘驱动器、扬声器以及I/O扩展槽等6部分。

其中软盘驱动器为360KB，5.25英吋的驱动器，硬盘驱动器为10MB、5.25英吋的驱动器；I/O扩展槽有8个，用来扩展系统的功能，可插入各种适配器卡，如磁盘控制卡（含软、硬盘适配器）、存储器的扩展卡、网卡、多功能卡等。

扬声器是PC/XT机的音响系统的发声部件，由系统主板上的扬声器接口电路驱动发声。

电源盒输入220V的交流电源，采用开关稳压器，提供计算机工作时所需要的±5V和±12V四种直流稳压电源，输出功率为130W。

14.1.2系统主板的结构及电气原理

PC/XT的主体是一块装在机箱底部的8.5英吋×12英吋的系统板即主机板，该板为四层印刷电路板，中间两层走电源线、地线，表面两面走信号线。

在主板上安装了组成PC/XT机的主要子系统，8个I/O扩展插槽和与各种外设相连接的接插件。

主板的原理框图如图14.1所示。

图14.1IBMPC/XT系统主板原理框图

由图14.1可见，系统主板上的电路由CPU子系统、ROM子系统、RAM子系统、各接口芯片构成的I/O接口部件子系统以及I/O扩展插槽（即PC总线）等5个主要功能块组成。

各I/O接口芯片、存储器芯片与CPU芯片之间采用三条系统总线（AB、DB、CB）连接构成基本微机系统。

为外部适配器和存储器扩充专门设计的一组I/O总线，实际上是系统总线的延伸，它以62芯I/O扩展槽的形式对外提供一组PC总线。

14.1.3IBMPC/XT的处理器子系统

CPU子系统的核心是作为主CPU的Intel8088，因工作在最大模式下，可配接协处理器8087，再加上8284时钟发生器、8288总线控制器、地址锁存器、数据收发器等芯片，构成了一个典型的最大工作模式的CPU子系统电路。

1.CPU与协处理器

Intel8088与8086同属一个系列，二者指令完全兼容，具有十分相似的结构。

其主要区别是二者的数据总线的宽度不同，8086为16位，是真正的16位CPU，而8088的外部数据总线为8位，是准16位的CPU，可以看作是8086的简化版本。

IBM公司当时选用它作为PC/XT的CPU，主要是从价格上的考虑。

8087是一个浮点运算处理器，它的运算速度快（浮点运算速度可提高100倍）、精度高、处理的数值范围大、能提供整数、实数、压缩型十进制数等七种数据格式，实现加、减、乘、除以及超越函数（指数、对数、正切函数等）等多种运算操作，从而大大扩充了8088的运算能力。

因此，在需要提高系统计算速度时，可以插上协处理器8087。

系统板上有一个空着的40脚插座，就是为8087预留的。

2.地址锁存器：

PC/XT使用74LS373（八位锁存器）和74LS244（八位三态单向缓冲器）进行地址锁存和地址总线的驱动器。

3.数据收发器：

PC/XT采用74LS245（八位双向三态缓冲器）作为系统数据总线D0~D7的收发器，以提高数据总线的驱动能力。

4.时钟发生器8284：

用来提供CPU的时钟脉冲。

8284采用的晶体的振荡频率为14.31818MHZ，经内部三分频以后得到4.77MHZ的脉冲信号，送入8088的CLK引脚，作为8088的时钟信号。

每个时钟周期为210ns，而8088基本总线周期由4个时钟周期组成，因此在4.77MHZ时钟控制下，PC/XT的基本总线周期为840ns，这样每秒平均可执行大约65万条指令。

5.总线控制器8288：

因PC/XT中8088CPU工作在最大模式下，所以系统中必须有一个总线控制器对多处理器共享存储器和I/O设备进行总线仲裁。

8288的功能是根据CPU执行指令时提供的状态信号建立时序，据此输出各种控制信号。

14.1.4IBMPC/XT接口部件子系统

如图14.1所示，PC/XT主板上安装的接口芯片有中断控制器8259A一片、DMA控制器8237A一片、计数器/定时器8253一片、并行I/O接口8255A一片，构成PC/XT的接口部件子系统。

1.I/O接口芯片片选信号的产生和地址分配

8088CPU在访问I/O端口时，使用低16位地址总线A15~A0，故可寻址64K个I/O端口，但在PC/XT中只用了A9~A0参与端口寻址，因此PC/XT的I/O端口空间大小为1K（000H~3FFH）其中前512个I/O端口（000H~1FFH对应A9=0），用于主板上的I/O芯片，后512个端口（200H~3FFH，对应A9=1）用于寻扯I/O扩展槽上的I/O芯片。

图14.2为PC/XT主机板上的I/O接口片选信号产生的电路，其中

是地址允许信号。

在CPU控制系统总线时，

=1，如果此时A9=A8=0，即访问主板上的I/O端口，则74LS138处于允许状态，它将根据A7、A6、A5进行端口译码，在

中输出一个对应的低电平片选信号，去选中某一个I/O芯片。

.A4~A0用于I/O芯片内部寄存器寻址一般情况下，I/O芯片的内部寄存器寻址用不到5位地址，此时，可将较高位地址悬空不用，仅使用较低位地址。

显然PC/XT机的I/O端口地址的分配中也存在着重叠区。

表14.1为PC/XT主板上的I/O端口地址分配表。

图14.2I/O接口芯片的片选信号产生的电路

表14.1PC/XT主板上I/O芯片的端口地址

I/O接口芯片

占用的端口地址范围

实际使用的地址

DMA控制器8237A

中断控制器8259A

计数器/定时器8253

并口接口电路8255A

DMA页面寄存器

NMI屏蔽寄存器

保留

000H~01FH

020H~03FH

040H~05FH

060H~07FH

080H~09FH

0A0H~0BFH

0C0H~1FFH

000H~00FH

020H~021H

040H~043H

060H~063H

080H~083H

0A0H

1.计数器/定时器8253在PC/XT机中的连接和应用

8253在PC/XT系统中承担定时控制的任务，8253的片内三个16位的计数器的使用情况分别为：

计数器0用于产生系统的基准时钟；计数器1用来产生动态RAM芯片刷新所需要的定时信号；计数器2用作扬声器的音频振荡信号，以控制扬声器发出不同的声音。

8253在PC/XT中的连接电路如图14.3所示。

图中PCLK是来自时钟芯片8284输出的外设时钟，频率为2.38636MHZ，经U1两分频以后，8253的三个计数器得到相同的时钟脉冲，频率为PCLK频率的1/2，即2.38636/2=1.19318MHZ.。

8253三个计数器的具体功能如下。

（1）计数器0为系统中的电子钟提供时间基准。

计数器0作为定时器使用，对输入的标准时钟计数，选用工作方式3，即方波输出模式，计数器初值为0，于是OUT0输出脉冲频率为1.19318M/216=18.2HZ的方波。

将此信号连接到8259A的IRQ0端，每隔55ms产生一次时钟中断，即每秒产生18.2次时钟中断请求。

8088CPU用此时间基准信号进行计数，由此依次产生秒、分、时、日、月等日期与时钟信号。

（2）计数器1用来产生动态RAM的刷新定时信号，工作于方式2，计数器初值为18，这样OUT1端输出脉冲的频率为1.19318M/18=66.2878KHZ，相当于周期15.12us。

OUT1作为D型触发器U2的触发脉冲，上升沿使U2的Q端置1，并送到DMA控制器8237的DRQ0端，即请求通道0进行DMA操作。

在PC/XT系统中，DMA控制器8237的通道0是用作动态RAM的刷新的，由此可知，动态刷新的周期是15.12us。

（3）计数器2用作扬声器的发声源，OUT2端输出信号的频率决定了扬声器音调，而信号的延续时间决定了发声的长短，显然控制好这两个参数，便可使扬声器发出不同的声音（如唱歌等）。

系统初始化时，计数器2被选置为工作方式3，计数器初值为533H（即1331），因此输出方波的频率为1.19318M/1331=896HZ.

3.并行I/O接口芯片8255A在PC/XT中的连接和应用

8255APA、PB、PC三个端口在PC/XT系统中均工作于方式0，即基本I/O方式。

图14.4为8255A在PC/XT中的连接示意图。

图14.48255在PC/XT中的连接

由图可见，8255的PA口工作在输入方式，用作接受PC/XT键盘接口电路送来的8位键盘扫描码，并转送给CPU，以供其识别按键用。

PB口工作在输出方式，用于输出一些控制信号，在软件的安排下可以用来：

启动/关闭扬声器的发声、允许/禁止RAM的奇/偶校验电路工作、允许/禁止I/O通道上扩展的RAM的奇/偶校验以及控制键盘的工作等。

PC口工作在输入方式，其中PC3～PC0用于输入系统配置开关DIP的状态信息；PC7输入系统板上RAM的奇/偶校验结果PCK信号，若PCK为高电平，则产生一个NMI中断；PC6与PC7的作用类似，但是用于I/O扩展板上的RAM的奇/偶校验结果I/OCHCK信号的输入；PC5输入8253的OUT2端的输出T/C2OUT，供CPU检测时用；PC4用于读取扬声器的状态SPK信号，以供检测用。

4.DMA控制器8237A在PC/XT中的应用

8237A是一个多模式的可编程DMA控制器芯片，它除了能使I/O设备能与存储器直接传送信息外，也能提供存储器与存储器之间的直接传送能力。

一片8237A可以管理4个DMA通道，这4个通道相互独立，各自的DMA请求可以分别被允许和禁止，每个通道DMA传送一次的最大长度为64K字节。

PC/XT机中，对4个通道的安排如下：

通道０——用于实现对动态RAM的刷新；

通道1——留给用户使用的通道；

通道2——用作软盘数据传输；

通道3——用作硬盘数据传输。

以上4个通道中，只有通道0用在系统主板上，其余3个通道都使用在I/O扩展板上。

5.中断控制器8259A在PC/XT中的连接和应用

在PC/XT机中，有两类中断：

①内部中断即软件中断，包括除数为0中断、单步中断以及INT、INTO指令引起的中断等；②外部中断即硬件中断，包括非屏蔽中断NMI和可屏蔽中断INTR。

其中NMI可以由三种中断源引起：

系统板上的动态RAM奇/偶校验出错、I/O通道的RAM扩展板上的奇/偶校验出错和8087协处理器的请求。

图14.5给出了PC/XT中以8259A为核心的中断控制逻辑电路。

图14.5中，三个产生NMI请求的信号均有各自的控制门管理，只有在当CPU开放有关的门时，相应的请求信号才可能向8088CPU申请非屏蔽中断。

此处未提供其详细的电路图，有兴趣的读者，可以去查阅参考文献【26】P.475。

图14.5PC/XT的中断控制逻辑电路

PC/XT的可屏蔽中断由8259A管理，共有8个中断请求输入即IRQ0~IRQ7，其中IRQ0接计数/定时器OUT0输出（见图14.3），作为PC/XT的系统计时时钟的请求输入端；IRQ1接受来自键盘接口电路送来的请求信号；IRQ2~IRQ7连接到I/O扩展槽，用来接收扩展板上电路发出的中断请求，对这6个IRQ信号的用途，PC/XT也作了明确的规定，如表14.2所示，表中的这些中断分配方案也为后来的高档微机系统所兼容。

表14.2PC/XT中8259A的8级中断分配

8259A的中断请求端

占用的8088中断类型号

中断源

8259A的中断请求端

占用的8088中断类型号

中断源

IRQ0

IRQ1

IRQ2

IRQ3

08H

09H

0AH

0BH

计时中断

键盘中断

为用户保留

异步通信（COM2）

IRQ4

IRQ5

IRQ6

IRQ7

0CH

0DH

0EH

0FH

异步通信（COM1）

硬盘中断

软盘中断

并行打印机中断

在工作过程中，8259A按照软件设置的方式对IRQ0~IRQ7八个中断请求进行排队，并产生INT信号向CPU提出中断申请，得到CPU响应以后，8259A将选取当前优先级最高的中断请求对应的中断类型号送给CPU，从而实现向量中断。

14.1.5IBMPC/XT的存储器子系统

1.PC/XT的存储空间的分配

8088CPU可寻址1MB的存储单元，因此PC/XT最大可以配置1MB的存储容量，地址范围为00000H~FFFFFH。

这1MB的内存空间在PC/XT机中被分为三个区域，即RAM区、ROM区和保留区。

图14.6是PC/XT的存储空间分配图。

图14.6PC/XT存储空间的分配

2.RAM子系统：

（1）基本RAM区（00000H~9FFFFH）

共640KB，由DOS操作系统进行管理。

其中系统板上最多可安装256KB，其余的则只能安装在存储器扩展卡上，经I/O扩展槽进入系统。

系统板上的256KBRAM被分为4组，每组容量为64KB，各采用9片64K×1位的动态RAM芯片2164DRAM构成，其中8片组成一个完整的存储字节，第9片用作奇/偶校验。

采用奇/偶校验位的目的是为了保证所存储的信息正确，读写操作可靠。

当CPU欲写入一个字节数据时，由奇/偶校验电路控制产生一个相应的奇/偶校验码（1或0），并同时写入对应的奇/偶校验位中；读出时，由奇/偶校验电路对读出的9位数据进行奇/偶校验，如果出现错误，则给出一个RAM读奇/偶校验错误标志，并通知CPU。

（2）保留RAM区（A0000H~BFFFFH）

这个区是系统保留作为I/O缓冲存储器的空间，共占128KB，其中B0000H~B0FFFH的4KB是单色显示适配器使用的显示缓冲存储区，由单色显示适配器卡上的RAM芯片使用；B8000H~BBFFFH的16KB是CGA彩色显示适配器的显示缓冲存储区，由CGA彩显卡上的RAM芯片使用。

3.ROM子系统

（1）扩展ROM区（C0000H～EFFFFH）

这个区占192KB，全由安装在I/O扩展卡上的ROM芯片提供支持。

其中高分辨率显示适配器的控制程序（ROM芯片）占用C0000H~C7FFFH，硬磁盘驱动器的控制程序占用C8000H~CBFFFH。

其余的空间可由用户固化的ROM程序使用。

（2）基本ROM区（F0000H～FFFFFH）

这个区共64KB，全由系统占用，对应为系统主板上的两个ROM芯片。

其中DOS提供的ROM-BIOS（BasicInputOutputSystem）占用8KB（FE000H~FFFFFH），BIOS中固化的程序主要用来驱动输入/输出设备，此外还承担系统上电自检，DOS操作系统的引导（Boot）等初始化工作。

系统提供的BASIC语言解释程序ROM-BASIC占用32KB（F6000H~FDFFFH），用于支持用户使用BASIC语言开发源程序。

14.1.6IBMPC/XT的I/O扩展槽和扩展卡

I/O扩展槽，即I/O通道，亦即总线插槽，顾名思义，它是用于扩充和增强系统功能的插槽，在构造系统时，用户利用它可插入不同的电路板以扩充系统的功能。

这种结构是PC/XT的一个大的创举，也是PC/XT的一个特色，并被其后续系列机器沿用下来。

1.IBMPC总线

IBMPC总线即是PC/XT机系统主板上配置的8个相同的I/O扩展槽，每个插槽均为有62个插脚的插座，每个插座的信号线定义相同。

因此，除了第8槽外，原则上每个槽可任意插入任何类型的I/O适配器板或RAM扩展板。

第8槽主要是用于插入扩展插件板，从而连接一个扩展箱，再进一步扩充I/O通道，因此其中增加了一个插件板选中的应答信号。

IBMPC总线是一种8位总线，共62条引线，分为A、B两侧，按IBMPC总线标准规范排列，每条引线上的信号的电气性能均需要满足PC总线的规范。

在62条信号线中，数据线8条、地址线20条安排在A侧（元件面）；内存与外设的读写控制线、中断请求线８条、DMA通道联络线6条及电源线等在B侧（布线面）。

也就是说，PC总线不仅具有8088/8086CPU的三总线（地址、数据、控制总线）信号，而且是一种外加驱动的，具有多路处理、中断和DMA操作能力的增强性通道。

表14.3给出了PC/XTI/O通道信号的功能。

表14.3中的62条信号线按功能可分为以下5类。

（1）数据线（8条）

D7～D0双向，为CPU、I/O卡之间提供数据传输通道。

表14.3PC/XTI/O通道信号的功能

引脚

信号名称

I/O

有效

电平

说明

引脚

信号名称

I/O

有效

电平

说明

B1

B2

B3

B4

B5

B6

B7

B8

B9

B10

B11

B12

B13

B14

B15

B16

B17

B18

B19

B20

B21

B22

B23

B24

B25

B26

B27

B28

B29

B30

B31

GND

RESETDRV

＋5V

IRQ2

－5V

DRQ2

－12V

＋12V

GND

DRQ3

DRQ1

CLOCK

IRQ7

IRQ6

IRQ5

IRQ4

IRQ3

T/C

ALE

+5V

OSC

GND

O

I

I

I

O

O

O

O

O

I

O

I

O

O

I

I

I

I

I

O

O

O

O

H

H

H

L

L

L

L

L

L

H

L

H

L

H

H

H

H

H

L

H

H

地

复位信号

电源

中断请求2

电源

DMA请求2

电源

插件板选中（第8槽用）

电源

地

存储器写命令

存储器读命令

I/O写命令

I/O读命令

DMA应答3

DMA请求3

DMA应答1

DMA请求1

DMA应答0

4.77MHZ时钟脉冲

中断请求7

中断请求6

中断请求5

中断请求4

中断请求3

DMA应答2

DMA传送结束

地址锁存允许

电源

14.8MHZ方波信号

地

A1

A2

A3

A4

A5

A6

A7

A8

A9

A10

A11

A12

A13

A14

A15

A16

A17

A18

A19

A20

A21

A22

A23

A24

A25

A26

A27

A28

A29

A30

A31

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

I/OCHRDY

AEN

A19

A18

A17

A16

A15

A14

A13

A12

A11

A10

A9

A8

A7

A6

A5

A4

A3

A2

A1

A0

I

I/O

I/O

I/O

I/O

I/O

I/O

I/O

I/O

I

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

L

H

H

I/O通道校验出错

数据总线

I/O通道准备好

DMA允许信号

地址总线

（2）地址线（20条）

A19～A0输出，为I/O卡提供CPU的寻址信息。

（3）辅助线与电源线（11条）

OSC晶体振荡信号，频率为14.31818MHZ，输出供I/O卡使用。

CLOCK系统时钟信号，频率为4.77MHZ，是OSC的三分频信号，输出，供I/O卡使用。

插件板选中信号，仅由第8槽中输入，它通知系统板，该插件板已被选中，CPU可读取该插槽上的适配器卡。

此外，I/O通道还引出±5V，±12V等四组直流电源，供I/O卡使用。

（4）控制线（21条）

I/O读命令，输出，用于将I/O设备接口中的数据读到数据总线。

I/O写命令，输出，用于将数据总线上的数据写到I/O设备接口中。

存储器读命令，输出，用于将存储单元的数据读到数据总线上。

存储器写命令，输出，用于将数据总线上的数据写入存储单元中。

IRQ2～IRQ7中断请求输入信号，这些信号都是由I/O设备产生的中断请求，经由I/O扩展通道送到主板上的8259A，6个信号依次对应于8259A的IR2～IR7，且已经将它们具体分配到不同的中断源。

（见表14.2）

ALE地址锁存允许输出，用于将CPU输出的地址信号进行锁存。

DRQ1～DRQ38237A的通道1～通道3的DMA请求输入信号，由外设接口发出，其中DRQ1优先权最高，DRQ3的优先权最低。

DACK0～DACK3DMA通道0～通道3的响应输出信号，由主板上的8237A产生，其中DACK1～DACK3用于响应外设的DMA请求，DACK0用于刷新系统的动态RAM存储器。

AEN地址允许输出信号，这也是主板上的8237A产生的，用来切断CPU的控制，从而允许DMA传送。

该信号送到I/O扩展通道上，有效时表示系统当前正处于DMA控制周期。

T/C计数结束输出信号，当8237A的任一通道计数到0时，从T/C端输出一个高电平脉冲通知外设，DMA传送结束。

RESETDRV系统清零信号，输出，使系统部件复位。

（5）状态线（2条）

I/O通道奇/偶校验信号，输入，此信号用于向CPU提供来自I/O扩展板上的外设或存储器的奇/偶校验信息。

当

有效时（低电平），表示奇/偶校验出错。

I/OCHRDYI/O通道准备好，输入，I/O卡上的低速外设接口或存储器芯片可以用此信号（低电平时）来使CPU插入等待周期，从而延长I/O周期或存储周期。

2.I/O扩展卡

插在I/O扩展槽里的电路板被称为扩展卡（card），所有的卡可分为两类：

①系统扩展卡——用来扩充存储器或更多的I/O通道；②I/O适配器（Adaptor）卡——用来连接具体的I/O设备，其中有些卡可以支持多种设备，称为多功能卡。

PC/XT可供选择的I/O适配器卡和存储器卡有如下几种。

（1）RAM存储器扩展卡

由图1