8086cpu计算机开机时如何工作的,8086的时序-微计算机原理-电子发烧友网站

§第六节 8086的时序

计算机在软件的控制下，可以完成计算、图形/图像、声音、通讯、控制工厂生产设备、通讯等复杂工作，这些工作都是由CPU的几种基本操作构成的。CPU的基本操作有：

存储器读、I/O接口读、CPU内部运算、存储器写、I/O接口写、中断、空操作、复位。

本节只关心CPU从存储器、I/O接口获得运算数据，或把运算结果写入存储器、I/O端口的操作，以及中断、空操作、复位操作，特别是进行这些操作时CPU各信号之间的协调关系，即"时序"。

计算机的基本操作均是以时钟信号CLK为基准信号进行协调工作的。8086的时钟频率为5 ，故其时钟周期(或称一个T状态)为200ns，时钟信号输入时序如图2-22所示。

执行一条指令所需要的时间，称为一个指令周期。一条指令一般包含几个基本操作，存储器读、存储器写、I/O接口读写、中断、复位等操作均与总线有关(各部件均连接至总线上)，称为"总线操作"(或称"总线通讯")。一次总线操作所需的时间称为"总线周期"或"机器周期"。

8086的基本总线周期由4个T状态组成T1、T2、 T3、T4如图2-23所示。

T1：CPU发出地址信息，指出要访问的存储器/外设端口地址。

T2：CPU撤消地址信号，准备传输数据。

T3：CPU的总线借口部件(BIU)与存储器/外设端口传输数据。

T4：传输数据并结束总线周期。

TW：等待状态，在T3状态时，若存储器/外设端口未准备好(接收或输出)数据，CPU在T3后插入TW。

Ti：空闲周期，只有在CPU与存储器/外设端口传送数据时，CPU的BIU才执行总线周期，否则，BIU执行空闲周期Ti.

§2.6.1存储器读周期

一个基本的存储器读周期由4个T状态组成，如图所示：

存储器读涉及的信号有：

① 用 M/IO信号确定CPU是与存储器或外设通讯。M/IO=1，CPU与存储器通讯。该信号在T1状态开始有效。

② 指出存储器单元的地址。CPU在T1状态从分时复用信号线A19/S6~A16/S3、AD15~AD0上发出20位地址信号A19~A0.在T1状态，PU还要发出地址锁存信号ALE。在ALE下降沿，地址信号被锁存在地址锁存器8282中。这样，在其它T状态，分时复用信号线A19/S6~A16/S3、AD15~AD0就可以用来传送状态和数据信号了。

③ CPU在T2状态发出读命令RD(此时WR信号无效)。另外，从T2状态开始，A19/S6~A16/S3信号线上发出状态信号。在T2状态，AD15~AD0上的地址已消失、数据还未到达，因此，处于悬空状态。

④ 存储器收到地址信号、读命令后，经过一定时间，在T3状态，把指定存储单元的数据送到数据总线上，CPU在T3的后下降沿从AD15~AD0上获得该数据。

⑤ CPU获得数据后，在T4状态，CPU撤消本次操作的信号。本次操作完成。

⑥ CPU与数据总线一般通过数据收发器8286连接，因此，CPU还要发出控制8286的信号DT/R、DEN。控制8286的数据传送方向在存储器读周期中，DT/R=0，表示数据进入CPU(接收)。DT/R使8286允许传送数据。DT/R从T1状态开始在整个周期中一直有效。DT/R从T2状态开始有效。

具有等待状态的读周期时序：

若所使用的存储器或外设的工作速度较慢，CPU在T2结尾、T3开始处未检测到READY信号，则在T3后插入一个或几个TW状态，并在每个插入的TW前沿，均检测READY，当检测到READY=1时，不再插入TW，并在最后一个TW 的后下降沿从总线上读取 数据。然后，CPU进入TW状态，T4结束本操作周期。

§2.6.2 存储器写周期

它也是由4个状态组成，如图所示。它与存储器的读周期类似，首先也要有M/IO信号来表示进行存储器操作。若M/IO=1则与存储器通信。其次也要有写入单元的地址以及ALE信号，但写入存储器的数据不同。在T2状态，即当16位地址线AD15~AD0已由ALE锁存时后，CPU就把要写入的16位数据放至AD15~AD0上了。要写入，当然要又WR信号代替RD信号，它也在T2状态有效。DT/R信号应为高电平。8086在T4状态后就使控制信号变为效。实际上8086是认为在T4状态，对存储器的写入过程已经完成。若有的存储器和外设来不及在指定的时间内完成操作，可以利用READY信号，使CPU插入TW状态，以保证时间配合，具有TW的写入时序与读时序类似。

CPU写存储器涉及的信号有：

① 用M/IO 信号确定CPU是与存储器或外设通讯。在整个写周期中，M/IO =1，表示CPU与存储器通讯。

② 指出存储器单元的地址。由于8086CPU的地址信号和数据信号复用一组引脚，CPU只能分时传送地址信号和数据信号。CPU在T1 状态从分时复用信号线AD19/S6~AD16/S3 、 AD15~AD0 上发出20位地址信号A19~A0 。

③ 为了保持住地址信号，需要使用地址锁存器8282。在T1状态，CPU还要发出地址锁存信号ALE，在ALE下降沿，地址信号被锁存在地址锁存器8282中。这样，在其它T状态，分时复用信号线 AD19/S6 ~AD16/S3 、 AD15~AD0 就可以用来传送状态和数据信号了。

④ CPU在T2状态发出写命令WR(此时RD信号无效)。另外，从T2状态开始，AD19/S6 ~AD16/S3 信号线上发出状态信号。在T2状态，AD15~AD0上的地址已消失，在数据还未到达前处于悬空状态。

⑤ 存储器收到地址信号、写命令后，经过一定时间，把指定存储单元的数据送到数据总线上。如果存储器的写入速度较快，在T2状态结束时(下降沿)，就可以写入数据，使CPU在T3的后下降沿从AD15~AD0上获得该数据。

⑥ CPU获得数据后，在T4状态，CPU撤消本次操作的信号。本次操作完成。

⑦ CPU与数据总线一般通过数据收发器8286连接，因此，CPU还要发出控制8286的信号DT/R、 DEN 。DT/R控制8286的数据传送方向，在存储器写周期中，DT/R=1，表示数据离开CPU(写入)。DEN使8286允许传送数据。DT/R从T1状态开始在整个周期中一直有效。DEN从T2状态开始有效。

§2.6.3 输入输出周期时序

输入周期，CPU从I/O接口电路读取外设的数据和外设状态;输出周期，CPU把数据或命令送到外设的I/O接口电路中。它们的操作时序与存储器操作时序几乎相同，只是M/IO=0。

§2.6.4 空转周期(Idle Cycle，空闲周期)

CPU总线接口部件BIU从存储器取指令时，执行存储器读周期。CPU需要存储器中的数据时，也执行存储器读周期。(取指令时S2S1S0=100，读数据时S2S1S0=101)。CPU把数据写入存储器时执行存储器写周期。CPU与外设通讯时执行输入或输出周期。CPU响应外设的中断请求时，执行中断响应周期。

如果CPU不执行上述任何周期，则总线接口执行空转周期。空转周期由一系列Ti状态(Idle)构成。在Ti状态，A19/S6~A16/S3线 上为上一个总线周期的状态信息。若上一个总线周期是写周期，在Ti状态，AD15~AD0线上仍为原数据信号。若上一个机器周期是写周期，则在空转状态，CPU在AD15~AD0上仍然输出上一个机器周期要写的数据，直至下一个机器周期的开始。

§2.6.5 中断响应周期

"中断(Interrupt)"是一种操作，它使CPU中止正在执行的程序，而转入称为"中断处理程序(Interrupt Handler)"(或称中断服务程序Interrupt Service，或称中断例程Interrupt Routine)的程序。当中断处理程序执行完后，CPU接着执行被中断的程序(相对于中断处理程序来说，被中断的程序称为主程序)如2-28所示。

多个外部设备一般通过"中断控制器"8259向CPU提出中断请求，8259也向CPU提供"中断类型码"，以标识是那一个外部设备在向CPU请求中断。CPU用中断响应信号 通知8259。在中断响应信号INTA的第二个周期，8259向CPU提供中断类型码。

8086CPU有两个引脚可以接收外部的中断请求：INTR和NMI，如图2-29所示。

当NMI(非屏蔽中断请求)引脚上出现上升沿信号时，CPU立即无条件(不执行中断响应周期，不受标志寄存器IF位的影响)地转入"2号中断处理程序"。

当INTR(可屏蔽中断请求)引脚上出现高电平信号时，若IF=0，CPU不响应中断请求。若IF=1，CPU响应中断请求。CPU响应中断时，首先执行"中断响应周期"，以便从中断控制器8259获得中断类型码，然后根据中断类型码转入相应的中断处理程序，当中断处理程序执行完后，CPU返回被中断的程序。中断类型码指定了中断处理程序的地址。

中断响应周期由两个总线周期构成，在每个中断响应的总线周期， 均有效(为低电平)。在第二个总线周期，中断控制器送出中类型码，CPU读的类型码后，从"中断矢量表"中查得中断处理程序的地址，如图2-30所示。

§2.6.6 系统复位(RESET)

8086CPU的RESET引脚上出现高电平时，终止所有操作，直到RESET信号变为低。在这期间，CPU内各寄存器被初始化为复位状态，见表2-9所示。

表2-9 8086复位期间的内部状态

对于复位信号的要求是：它必须与系统时钟CLK同步(由时钟电路8284来实现)，至少维持4个时钟周期。若是直接接通电源引起的复位，复位信号必须至少大于50微秒。

在复位期间，所有三态引脚，先被置为无效状态(如RD=1为无效)，然后被置为浮空状态。其他(非三态)引脚被置为无效状态(如ALE=0为无效状态)如图2-31所示。

AD15~AD0,A19/S6~A16/S3,BHE/S7,S2(M/IO),S1(DT/R),S0(DEN),CLOCK(WR),RD,INTA先置成无效状态，再进入三态(浮空)。不作用状态占进入三态的半个时钟周期。

ALE:低

HOLD：低

RQ/GT0,RQ/GT1:高

QS0,QS1:低

在复位期间，由于CS=FFFFH，IP=0000H，因此，当CPU脱离复位状态后，从CS：IP = FFFFH：0000H = FFFF0H处开始执行第一条指令。物理地址FFFF0H对应的实际存储器单元在微机主板的BIOS芯片内。

BIOS芯片内存放以下信息：

① 系统初始化程序。

它检测微机系统的基本部件是否完好，并对基本部件进行第一步初始化，使其做好基本的工作准备。(操作系统，如DOS、Windows可能对这些部件进行第二步初始化，以便优化这些部件的性能)。

② 系统设置程序。

它允许用户配置计算机的参数和性能，如磁盘参数、存储器参数、键盘参数、启动顺序等。

③ 系统信息，如配置信息、日期、时间信息等。

BIOS中的系统信息存放在由电池供电的CMOS电路中(配置系统信息又称为"CMOS设置")，即使关闭计算机电源，这些信息也不会丢失。

(在某些BIOS芯片内部，已经包含了电池，因此，主板上看不见电池)。

系统初始化程序和系统设置程序放在BIOS的EPROM存储器区，具有"非易失性"，即使关闭计算机电源，这些程序也不会丢失。现代BIOS一般由Flash EPROM构成，这种存储器除有非易失性外，在特定的程序控制下，还可改写其中的信息。这为BIOS的升级提供了有利条件。同时，也向"病毒"敞开了大门，首例攻击BIOS的病毒是"CIH"(1998年)。