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8088微处理器硬件系统设计

微型计算机控制系统硬件电路是由中央处理器CPU、存储器、I/O(输入/输出)设备及其接口电路组成,微处理器是微型计算机的运算及控制部件,它本身不够独立的工作系统,因而它也不能独立的执行程序。为了软件完全兼容,硬件差别不大,本设计环节的中央处理器采用8088. 而当CPU在正常运行时由于程序的预先安排或内外部事件引起CPU暂行正在运行的程序,我们设计了中断。锁存器采用的是8282 。 存储器是计算机的主要组成部分。它既可以用来储存数据,也可以用以存放计算机的运行程序。为了把给定的代码进行“翻译”,变成相应的状态,译码器的选用是必须的。在进行扩展片选存储器设计中,由于需要两片MSM8256芯片和一片62C040芯片进行扩展, 有一片74LS138译码器就够了。 在输入输出设备中,我们采用的是串行接口8251A、并行接口8255A,用它们来存放完成数据传送所必须的信息——数据信息、状态信息和控制信息。 通过采用8088为主CPU,同时另配一片TMS27C040存放监控程序和各种微机常用串联I/O接口芯片8251,定时/计数接口芯片8253、中断控制器8259、并行I/O接口芯片8255等硬件系统为设计微型计算机控制硬件电路结构奠定了良好的基础。
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引 言
21 世纪电子技术飞速发展,改变了世界,也改变了人类的生活,人们自然对未
来有许多美好的愿望和设想。随这世界上第一台可以由程序控制的计算称为电子数
字积分器,它是在 1946 年为了弹道设计的需要而由美国宾夕法尼亚大学研制出来的。
这台计算机的字长只有 12 位,运算速度为每秒 5000 次加法运算,但他却是庞然大
物,使用 18800 个电子管,1500 个继电器,占地面积为 150 平方米,重达 30 吨,每
小时耗电 150 千瓦,其造价为 100 多万美元。随这计算机的发展,人们对计算机的
速度、性能有了更高的要求。而微处理器是计算机的运算及控制部件。伴随这现代
的计算机的改进。微处理器也在不断跟新换代。
第一代微处理器,1971 年 Intel 公司推出的 4004。以后又推出了 4040 和 8008.它
们是采用 PMOR 工艺的 4 位及 8 位微处理器,只能进行串行的十进制用算,集成度
达到 2000 个晶体管。用在各类计算器中已完全能够满足。
第二代微处理器是 1979 年推出的 8080 及 Z-80 等。他们采用 NMOS 工艺的 8 位
微处理器,集成度达到 9000 个晶体管。在许多要求不高的工业生产和科研开发中已
可运用。但.8 位微处理器的寻址能力有局限性。典型的 8 位微处理器有一条 16 位地
址总线,因此最多可寻址 64K 个储存单元,对与大量数据的大型复杂程序都可能是
不够的。
第三代微处理器,在 20 世纪 70 年代后期,超大规模集成电路投入使用, Iintl
公司的 8086/8088,Motorola 公司的 M68000 和 Zinlg 公司的 Z8000 等 16 位微处理器
相继问世它们的运算速度比 8 位处理器快 2~5 倍采用 HMOS 高密度工艺,集成度达
29000 个晶体管,赶上了 20 世纪 70 年代小型机的水平。从此,传统的小型机都受到
严峻的挑战。
第四代是大规模集成电路发展起来之后的产物。所谓大规模集成电路是指在微
型硅片上可以集成 1000 至 20000 个晶体管的集成电路。由于 LSI 的体积小,耗能很
少,可靠性很高,因而促使微型处理器以很快的速度发展。从而也导致了微型计算
机飞速的发展。
在工业自动化系统中,微型计算机承担了智能化的任务。由于微型计算机在体
积上、功耗、价格和操作性能上等方面的优势,它已得到广泛的应用。微型机的典
型结构如图 0-1,它在一块芯片上集成了中央处理器 CPU、随机存储器 RAM、只读
存储器 ROM、定时器/计数器和多种功能输出 I/O,如并行 I/O、串行 I/O 等。
总之现代计算机是在微电子高速发展与计算数学日臻完善的基础上形成的,可
以说现代计算机是微电子与计算数学相结合的产物。电路的设计是在电路板的基础
上设计的,它包括 8088 最小模式系统的设计,存储器的扩展,并行和串行接口的设
计,定时器接口。归结起来主要内容包括:理论设计、硬件设计等。其中理论设计
又包括选择总体方案,硬件系统设计;硬件设计包括单元电路,选择元器件及计算
参数等。
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图 0-1 微型机 典型结构
第一章 微型计算机控制硬件电路结构
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微型计算机控制系统硬件电路是由中央处理器 CPU、存储器、I/O(输入/输
出)设备及其接口电路组成,如图 1-1 所示:
图 1-1 微机系
统结构 示意图
中央
处理 器简
称 CPU,是用来实现运算和控制功能的部件。由运算器、控制器和寄存器三部分组
成。CPU 通过数据总线、地址总线和控制总线与其他部件之间进行联系。在 PC 系
列微机中所使用的 CPU 主要有 Intel 系列、AMD 系列、CY 系列。在微型计算机控
制系统硬件电路中将用到 8088 微处理器。
存储器是指微型计算机的外存储器,根据使用不同可分为随机存储器 RAM 和
只读存储器 ROM。ROM 是用来存放固定程序的存储器。一但程序放进去之后,就
不能改变。也就是说不能再写入新的字节,其容量一般为几 KB 到几 MB。而 RAM
则既可以读出信息,又可以写入信息。通常作为微机系统的主存储器,其容量从早
期的几十 KB 到现在的高达几 GB。如 MSM8256 存储器和 TMS27C020 存储器。
总线是指连接计算机内部多个部件之间的信息传输线,是各部件共享的传输介
质。多个部件和总线相连,为了避免信息在公共总线中乱窜,必须规定在某一时刻,
只允许有一个部件向总线发送信号,而多个部件可以同时从总线上接收相同的信息。
总线是由许多传输线或通路组成,每条线可传输一位二进制代码,一串二进制代码
可在一段时间内逐一传输完成。若干条传输线可以同时传输若干位二进制代码,如
16 条传输线组成的总线,可同时传输 16 位二进制代码。总线又包括:数据总线、地
址总线和控制总线。
(1)数据总线 DBData Bus 数据总线用于 CPU 与其他部件之间传送信息,具有
三态控制功能,且是双向的。
(2)地址总线 ABAddress Bus 地址总线用于传送 CPU 要访问的存储单元或 I/O
接口的地址信号。
(3)控制总线 CBControl Bus 控制总线是连接 CPU 的控制部件和内存、I/O 设
备等,用来控制内存和 I/O 设备的全部工作。
I/O 设备的种类很多,有电子式、电磁式、机械式等,最基本的 I/O 接口电路有
8255 可编程并行接口电路、8251 可编程串行接口电路、8253 可编程定时/计数器等。
8259 可编程中断控制接口电路。
通过图 1-1 我们简单的了解微型机的内部结构。在设计接口技术教学实验板硬
件电路时,可以通过中央处理器 CPU、存储器、I/O 输入/输出设备及其接口电路的
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顺序进行设计,并把微型机的结构进行扩充,来满足接口技术教学实验板硬件电路
设计的要求。
第二章 8088 最小模式的结构和功能
2.1 8088 微处理器的基本结构
微处理器是微型计算机的运算及控制部件,它本身是不够独立的工作系统,因
而它也不能独立的执行程序。20 世纪 70 年代 Intel 公司同时推出了 8086 和 8088 系
列,8086 的内部和外部数据总线都是 16 位的,而 8088 的内部运算部件以及内部操
作都是按 16 位设计的,外部的数据线只有 8 位。由于内部都采用 16 位字进行操作
及存储器寻址,二者的软件完全兼容,硬件差别不大。
8088 CPU 内部共有 14 个 16 位的寄存器(其中 4 个数据寄存器、2 个指针寄存
器、2 个变址寄存器、2 个控制寄存器、4 个段寄存器)。寄存器结构图如 2-1。这
些寄存器是在编辑程序可见的寄存器,我们常常称之为 CPU 的编程结构。这里
AX 、 BX 、 CX 、 DX 、 SP 、 BP 、 SI 、 DI 等 8 个 寄 存 器 是 通 用 寄 存 器 。 而 且
AX、BX、CX、DX 四个 16 位寄存器,还可以当 8 个 8 位寄存器用。另外 5 个寄存
器 IP、CS(代码段)、DS(数据段)、ES(附加数据段)、SS(堆栈段)是专用
寄存器,它们有专门的用途,不可随便使用。
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图 2-1 8088 基本内部结构图
了解了 8088 微处理器内部结构和基本功能后,来认识 8088 微处理器芯片。
8088 微处理器芯片为 40 条引脚的双列式大规模集成电路。如图 2-2 所示。由于引脚
数目的限制,部分引脚具有双重含义。8088 可在两种方法下工作,由第 33 引脚
所接的电平来选择。它的不同连接方式规定了系统的不同组态,若
接+5V,8088 微处理器处于最小组态工作方式;若 脚接地,则
8088 微处理器处于最大组态工作方式。下面来介绍 8088 微处理器处于最小工作模式
时,各引脚的工作方式。
图 2-2 8088 微处 理器芯片
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