第 5 章 处理器总线时序和系统总线

一. 8086 的引脚功能

1. 芯片引脚的外部特征

1.1. 引脚功能

定义引脚的作用，其名称通常用英文缩写表示。例如 $\displaystyle{ A D , R D , W R }$

电源：$\displaystyle{ V \mathbb{C} , G N D , V D D }$ 等固定引脚名称

1.2. 信号流向

信号的流向有三种情况：输出，输入，双向

• 单线：单一信号线。例如：$\displaystyle{ I N T R }$ 是输入，$\displaystyle{ R D }$ 是输出
• 总线：多线同时输入或输出。例如：$A_{19}\sim A_{0}$ 地址是输出，$D_{7}\sim D_{0}$ 是双向，$AD_{15}\sim AD_{0}$ 是分时复用

1.3. 有效电平

信号起作用的电平，或触发沿。低有效就是在信号的上端加“—”。

1.4. 三态能力

指信号是否具有三态。例如：当 CPU 空闲状态时，数据线处于高阻态（即第三态）

一般总线信号具有三态能力

2. 8086 的两种组态

• 最小组态
• 最大组态

常用的是最大组态。要求有较强的驱动能力。此时 8086 要通过一组总线控制器 8288 来形成各种总线周期，控制信号由 8288 供给。

8086 的两种组态条件下，脚24~脚31有不同的名称和意义，因此通过引脚 $MN/\overline{MX}$ 引脚来规定 8086 处于什么组态。

$MN/\overline{MX}$	工作组态
连接电源 $+5\,\mathrm{V}$	最小组态
接地 $\displaystyle{ 0 }$	最大组态

最大组态——总线控制器8288

• 具有产生 8 种总线周期下的控制信号；
• 可控制系统总线信号浮空，以允许直接存储器访问 DMA，或仲裁总线优先权；
• 对写信号提供先行控制输出，专为慢速存储器或 I/O 接口而设计的；
• 可以封装控制信号，作为多总线或多微处理器结构中实行存储器保护逻辑的一种方法；
• 产生线路驱动器所需的信号；
• 产生简单或复合中断逻辑所需的控制信号。

$\overline{S_2},\overline{S_1},\overline{S_0}$ 输出三态

• $\overline{S_2},\overline{S_1},\overline{S_0}$ 由 8288 总线控制器用以产生有关存储器访问或I/O访问的总线周期和所需要的控制信号；
• 时钟周期 $\displaystyle{ T _{ 4 } }$ 状态期间， $\overline{S_2},\overline{S_1},\overline{S_0}$ 的任何变化，指示一个总线周期的开始；
• 在 $\displaystyle{ T _{ 3 } }$ 或 $\displaystyle{ T _{ w } }$ 期间返回到无源状态，即 $\overline{S_2},\overline{S_1},\overline{S_0}$ 都处于高状态（111），表示一个总线周期结束；
• CPU 处于 DMA 响应状态时， $\overline{S_2},\overline{S_1},\overline{S_0}$ 浮空。

$\overline{S_2}$	$\overline{S_1}$	$\overline{S_0}$	性能	信号
0	0	0	中断响应	$\overline{INTA}$
0	0	1	读 I/O 信号	$\overline{IORC}$
0	1	0	写 I/O 端口	$\overline{IOWC}, \overline{AIOWC}$
0	1	1	暂停	$\displaystyle{ - }$
1	0	0	取指	$\overline{MRDC}$
1	0	1	读存储器	$\overline{MRDC}$
1	1	0	写存储器	$\overline{MWTC}$, $\overline{AMWTC}$
1	1	1	无源	$\displaystyle{ - }$

$\overline{RQ}/\overline{GT_0}, \overline{RQ}/\overline{GT_1}$ 输入输出

• 其它总线设备输送一个宽度为一个时钟周期的脉冲给 8086，表示总线请求，相当于 $\displaystyle{ H O L D }$ 信号；
• CPU 在当前总线周期的 $\displaystyle{ T _{ 4 } }$ 或下一个总线周期的 $\displaystyle{ T _{ 1 } }$ 状态，输出一个宽度为一个时钟周期的脉冲给请求总线的设备，作为总线响应信号，相当于 $\displaystyle{ H L D A }$ 信号，下一个时钟周期开始，CPU 释放总线；
• 当外设 DMA 传送结束时，总线请求主设备输出一个宽度为一个时钟周期的脉冲给 CPU，表示总线请求结束。下一个时钟周期 CPU 恢复总线控制。

$\overline{LOCK}$ 输出 三态

• 低电平有效，有效时别的总线设备不能获得对系统总线的控制；
• $\displaystyle{ L O C K }$ 信号由前缀指令 LOCK 使其有效，且在下一个指令完成以前保持有效；
• CPU 处于 DMA 响应状态时，此线浮空。

$\displaystyle{ Q S _{ 0 } , Q S _{ 1 } }$ 输出

• $\displaystyle{ Q S _{ 1 } , Q S _{ 0 } }$ 提供一种状态（Queue Status）允许外部追踪 8086 内部的指令队列；
• 队列状态在 CLK 周期期间是有效的，在这以后，队列的操作已完成。

$\displaystyle{ Q S _{ 1 } }$	$\displaystyle{ Q S _{ 0 } }$	性能
0	0	无操作
0	1	从队列中取走操作码的第一个字节
1	0	队列空
1	1	除第一个字节外，还取走队列中的其他字节

$\overline{BHE}/S_7$ 输出

• 在总线周期的 $\displaystyle{ T _{ 1 } }$ 状态， $\displaystyle{ B H E }$ 低电平有效，把读/写的 8 位数据与$AD_{15}\sim AD_8$ 连通；
• 在总线周期的 $\displaystyle{ T _{ 2 } , T _{ 3 } , T _{ 4 } }$ 及 $\displaystyle{ T _{ w } }$ 状态，$\overline{BHE}/S_7$ 引脚输出状态信号 $\displaystyle{ S _{ 7 } }$ 。

3. 8086 的引线

$AD_{15}\sim AD_0$ （输入/输出，三态）

• 这些地址/数据引线是多路开关的输出；
• 在每个总线周期开始 $\displaystyle{ T _{ 1 } }$ 时，用作地址总线的 16 位 $A_{15}\sim A_0$，给出内存单元（或 I/O 端口）的地址；
• $\displaystyle{ T _{ 2 } , T _{ 3 } , T _{ w } }$ 状态进行数据的读写
• 在 DMA 方式时，这些线浮空。

地址线 20 位的低 16 位与数据线 16 位公用，在时间上加以区分

$\displaystyle{ \frac{ A _{ \left\lbrace 19 \right\rbrace } }{ S _{ 6 } } , \frac{ A _{ \left\lbrace 18 \right\rbrace } }{ S _{ 5 } } , \frac{ A _{ \left\lbrace 17 \right\rbrace } }{ S _{ 4 } } , \frac{ A _{ \left\lbrace 16 \right\rbrace } }{ S _{ 3 } } }$ （输出，三态）

• 这些地址/数据引线是多路开关的输出；
• 在存储器操作的总线周期开始 $\displaystyle{ T _{ 1 } }$ 时，作地址总线的高 4 位 $A_{19}\sim A_{16}$，在 I/O 操作时引线均为低电平；
• 在总线周期的其余时间，这 4 条信号线指示 CPU 的状态信息。$\displaystyle{ S _{ 6 } }$ 表示 CPU 与总线连接情况，$\displaystyle{ S _{ 5 } }$ 指示当前中断允许标志IF的状态。$\displaystyle{ S _{ 3 } }$ 与 $\displaystyle{ S _{ 4 } }$ 的代码组合用来知名当前正在使用的段寄存器；
• 在 DMA 方式时，这些线浮空。

$\displaystyle{ S _{ 4 } }$	$\displaystyle{ S _{ 3 } }$	含义
0	0	当前正在使用 ES
0	1	当前正在使用 SS
1	0	当前正在使用 CS，或者未使用任何段寄存器
1	1	当前正在使用 DS

$\overline{RD}$ （输出，三态）

• 读选通信号，低电平有效；
• 当前有效时，表示正在进行存储器读或者 I/O 读操作；
• 在 DMA 方式时此线浮空。

$\displaystyle{ H O L D }$ （输入）

• 保持请求信号；
• 当外部逻辑把 $\displaystyle{ H O L D }$ 引脚信号置为高电平时，8086 在完成当前总线周期以后进入 $\displaystyle{ H O L D }$（保持）状态，让出总线控制权。（DMA 方式请求总线控制权）

$\displaystyle{ H L D A }$ （输出）

• 保持响应信号；
• 当 $\displaystyle{ H L D A }$ 有效时，8086 的三条信号线全部处于高阻态，使外部逻辑可以控制总线。（DMA 方式 CPU 让出总线控制权）

$\overline{WR}$ （输出）

• 写信号，低电平有效；
• 当前有效时，对存储器读或者 I/O 写操作；
• 具体操作取决于 $M/\overline{IO}$ 引脚信号。

$M/\overline{IO}$ （输出）

• 存储器/IO 控制信号；
• 用于区分 CPU 是访问存储器（高电平）还是访问 I/O 端口（低电平）。

$DT/\overline{R}$ （输出）

• 数据发送/接收信号；
• 用于指示 CPU 是进行写操作（高电平）还是进行读操作（低电平）。

$\overline{DEN}$ （输出）

• 数据允许信号；
• $\overline{DEN}$ 在 CPU 访问存储器或 I/O 端口的总线周期的后一段时间内，该信号有效，用作系统中总线收发器的允许控制信号。

$\displaystyle{ A L E }$ （输出）

• 地址锁存信号；
• 8086 CPU 在总线周期的第一个时钟周期内发出的正脉冲信号，其下降沿用来把地址/数据总线（$AD_{15}\sim AD_0$）以及地址/状态总线（$A_{19}/S_6\sim A_{16}/S_3$）中的地址信息锁住存入地址锁存器中。

$\displaystyle{ I N T R }$ （输入）

• 可屏蔽中断请求信号；
• 电平触发输入信号，高电平有效，只要检测到高电平就一直触发中断。
• CPU在每一个指令周期的最后一个 $\displaystyle{ T }$ 状态采样 $\displaystyle{ I N T R }$ 以决定是否进入中断响应周期。

$\overline{INTA}$ （输出）

• 中断响应信号；
• 当 8086 响应来自 $\displaystyle{ I N T R }$ 引脚的可屏蔽中断请求时，在中断响应周期内，$\displaystyle{ I N T A }$ 变为低电平。

$\displaystyle{ R E A D Y }$ （输入）

• 准备就绪信号，高电平有效，有效时完成数据传送；
• 是从所寻址的存储器或 I/O 设备来的响应信号；
• 当被访问的部件无法在8086CPU规定的时间内完成数据传送时，应由该部件向 8086 CPU 发出 $\displaystyle{ R E A D Y = L }$，使8086 CPU 处于等待状态，插入一个或几个等待周期 $\displaystyle{ T _{ W } }$，当被访问的部件可以完成数据传输时，被访问的部件将使 $\displaystyle{ R E A D Y = H }$（高电平），8086 CPU 继续运行。

$\overline{TEST}$ （输入）

• 等待测试控制信号，由 Wait 指令来检查；
• 低电平有效，引线出现低电平则执行继续；否则处理器就等待进入空转状态；
• 信号在每个时钟周期的上升沿由内部同步。

$\displaystyle{ N MI }$ （输入）

• 非屏蔽中断输入信号；
• 边沿触发信号，当引线电平出现由低到高变化时，将在当前指令结束以后引起中断；
• $\displaystyle{ N MI }$ 引线的中断请求信号不能用软件加以屏蔽。

$\displaystyle{ R E S E T }$ （输入）

• 复位信号，引起处理器立即结束当前操作
• 这个信号必须保持有效至少 4 个时钟周期以完成内部的复位过程，当其返回为低电平时，它重新启动执行。

$\displaystyle{ C L K }$ （输入）

• 时钟输入信号，为 8086 CPU 提供基本的定时脉冲

$\displaystyle{ V _{ \left\lbrace \mathbb{C} \right\rbrace } }$ （输入）

• 电源输入
• $5\,\mathrm{V}\pm10\%$

$\displaystyle{ G N D }$

• 接地线

二. 8086 处理器时序

1. 时序的基本概念

在时钟的统一控制下,一个一个节拍实现；取指令 → 译码 → 执行

• 执行一条指令所需要的时间称为指令周期；
• 8086 通过总线接口单元完成一次总线操作，称为一个总线周期，每个总线周期通常包含 4 个 T 状态，每个 T 状态是 8086 中处理动作的最小单位，即时钟周期（Clock Cycle）；
• 指令周期由以下的总线周期组成：
  • 存储器读或写
  • 输入输出端口的读或写
  • 中断响应

• $\displaystyle{ A L E }$ 下降沿将地址存入地址锁存器
• $\overline{RD}$ 低电平指定读取数据
• $\overline{DEN}$ 低电平，总线收发器允许控制信号
• 如果存储器无法在 $\displaystyle{ T _{ 4 } }$ 周期前沿完成数据的读出，则需要加入 $\displaystyle{ T _{ w } }$ 周期（等待周期），在每个 $\displaystyle{ T _{ w } }$ 周期的前沿采样 $\displaystyle{ R E A D Y }$ 线信号，如果没有完成数据的读出则继续进入等待周期。

2. 8086 的典型时序

8086 工作在最大组态下的基本总线周期由 4 个 T 状态组成

$\displaystyle{ T _{ 1 } }$ 状态

• 8086 发出 20 位地址信号，同时送出状态信号 $\overline{S_0}, \overline{S_1}, \overline{S_2}$ 给8288总线控制器；
• 8288对 $\overline{S_0}, \overline{S_1}, \overline{S_2}$ 进行译码，产生相应的命令的控制信号输出
  • 8288在 $\displaystyle{ T _{ 1 } }$ 期间送出地址锁存允许信号 $\displaystyle{ A L E }$，将 CPU 输出的地址信息锁存至地址锁存器中，再输出到系统地址总线上。

$\displaystyle{ T _{ 2 } }$ 状态

• 8086 开始执行数据传送操作，8086 内部的多路开关进行切换，将地址/数据线 $AD_0\sim AD_{15}$ 上的地址撤消，切换为数据总线，为读写数据作准备；
• 8288发出数据总线允许信号和数据发送/接收控制信号 $DT/\overline{R}$ 允许数据收发器工作，使数据总线与 8086 的数据线接通，并控制数据传送的方向；
• 把地址/状态线 $A_{16}/S_3\sim A_{19}/S_6$ 切换成与总线周期有关的状态信息，指示若干与周期有关的情况。

$\displaystyle{ T _{ 3 } }$ 状态

• 周期开始的时钟下降沿上，8086 采样 $\displaystyle{ R E A D Y }$ 线；
• 如果 $\displaystyle{ R E A D Y }$ 信号有效（高电平），则在 $\displaystyle{ T _{ 3 } }$ 状态结束后进入 $\displaystyle{ T _{ 4 } }$ 状态，在 $\displaystyle{ T _{ 4 } }$ 状态开始的时钟下降沿，把数据总线上的数据读入 CPU 或写到地址选中的单元，在 $\displaystyle{ T _{ 4 } }$ 状态中结束总线周期；
• 如果 $\displaystyle{ R E A D Y }$ 信号无效，插入等待周期 $\displaystyle{ T _{ w } }$，在 $\displaystyle{ T _{ w } }$ 状态 CPU 继续采样 $\displaystyle{ R E A D Y }$ 信号直至其变为有效后再进入 $\displaystyle{ T _{ 4 } }$ 状态，完成数据传送，结束总线周期。

$\displaystyle{ T _{ 4 } }$ 状态

• 8086 完成数据传送，状态信号 $\overline{S_0}, \overline{S_1}, \overline{S_2}$ 变为无操作的过渡状态；
• 8086 结束总线周期，恢复各信号线的初态，准备执行下一个总线周期。

3. 8086 工作在最大组态下的典型时序

最大组态下存储器读周期时序

$\displaystyle{ T _{ 1 } }$ 周期

• $\overline{S_2}\,\overline{S_1}\,\overline{S_0}=101$ 读存储器控制信号
• $A_{19}\sim A_{0}$ 共 20 位地址信号线
• 发出 $\displaystyle{ A L E }$ 信号将地址锁存
• $DT/\overline{R}$ 低电平读操作

$\displaystyle{ T _{ 2 } }$ 周期

• $AD_{15}\sim AD_{0}$ 切换为数据总线准备传送数据
• $\overline{MRDC}$ 低电平有效，8288 发出都存储器命令，使地址选中的存储单元把数据送上数据总线
• $\displaystyle{ D E N }$ 高电平有效，接通数据收发器，允许数据输入至 8086

$\displaystyle{ T _{ 3 } }$ 周期

• 采样 $\displaystyle{ R E A D Y }$ 信号
• 数据输入
• $\overline{S_2}\,\overline{S_1}\,\overline{S_0}$ 发出 111 状态信号，使信号在 $\displaystyle{ T _{ 4 } }$ 周期恢复初态

$\displaystyle{ T _{ 4 } }$ 周期

• $\displaystyle{ R E A D Y }$ 有效，进入 $\displaystyle{ T _{ 4 } }$
• 各信号回复出台，准备执行下一个总线周期

最大组态下存储器写周期时序

最大组态下 I/O 读写时序

中断响应时序

系统复位时序

CPU 中的部分	内容
标志位	清除
IP	0000H
CS	FFFFH
DS	0000H
SS	0000H
ES	0000H
指令队列	空

CPU 进入和退出保存状态的时序

• 当系统中有别的总线主设备请求总线时。向 CPU 输送请求信号 $\displaystyle{ H O L D }$，$\displaystyle{ H O L D }$ 信号可以与时钟异步，则在下一个时钟的上升沿同步 $\displaystyle{ H O L D }$ 信号。
• CPU 接收同步的 $\displaystyle{ H O L D }$ 信号后，在当前总线周期的 $\displaystyle{ T _{ 4 } }$，或下一个总线周期的 $\displaystyle{ T _{ 1 } }$ 的后沿输出保持响应信号 $\displaystyle{ H L D A }$，紧接着从下一个时钟开始 CPU 就让出总线。
• 当外设的 DMA 传送结束，它将使 $\displaystyle{ H O L D }$ 信号变低，$\displaystyle{ H O L D }$ 信号是与 $\displaystyle{ C L K }$ 异步的，则在下一个时钟的上升沿同步，在紧接着的下降沿使 $\displaystyle{ H L D A }$ 信号变为无效。

三. 系统总线

1. 概述

采用一组公共的信号线作为微型计算机各部件之间的通信线

1.1. 分类

1.1.1. 按位置分

• 片内总线：位于微处理器芯片内部，ALU 与各种寄存器或其他功能单元之间的互连
• 片总线：是一台单板计算机或一个插件板的板内总线，用于各芯片之间的连接
• 内总线：又称为微型计算机总线或系统总线，用于微型计算机系统各插件板之间的连接
• 外总线：又称通信总线用于系统之间的连接，如微机系统之间，微机系统与仪器等等

1.1.2. 规定

• 物理特性：总线的物理连接方式
• 功能特性：一组总线中每一根线的功能
• 电气特性：定义每一根线上信号的传送方向、有效电平范围
• 时间特性：每根线在什么时间有效

1.1.3. 类型

• 地址总线
  • 地址线的数目决定了直接寻址范围
  • 单向、三态总线
• 数据总线
  • 双向信号线、三态总线
• 控制总线
  • 实现命令、状态传送、中断、直接存储器传送的请求与控制信号传送，以及提供系统使用的时钟和复位信号等
  • 根据不同的使用条件，控制总线有的为单向、有的为双向，有的为三态，有的为非三态
• 电源和地线
• 备用线

1.2. 总线的操作过程

1.2.1. 申请阶段

• 当系统总线上有多个主控模块时，需要使用总线的主控模块提出申请，由总线仲裁部分确定将下一阶段的总线使用权授给哪个模块。
• 如果系统总线上只有一个主控模块，则无需申请阶段。

1.2.2. 寻址阶段

• 取得总线使用权的主控模块，通过总线发出本次打算访问的从属模块的地址及有关命令，以启动参与本次传输的从属模块。

1.2.3. 传输阶段

• 主控模块和从属模块之间进行数据传输，数据由源模块发出经数据总线流入目的模块。

1.2.4. 结束阶段

• 主控模块的有关信息均从系统总线上撤除，让出总线。

1.3. 总线的数据传输方式

1.3.1. 同步式传输

• 用系统时钟作为控制数据传送时间标准
• 主模块与从属模块统一，快的迁就慢的

1.3.2. 异步式传输

• 应答式传输
• 根据模块的速率自动调整相应时间
• 应答关系完全互锁，ACK 和 REQ 之间右确定的制约关系

1.3.3. 半同步式传输

• 使用系统时钟
• 对于慢速的从模块，其传输周期可延长时钟脉冲周期的整数倍。增加信号线（WAIT或READY）。READY信号线无效说明从设备尚未准备好数据传输。允许不同速度的模块协调工作。
• 能按时完成：同步
• 不能按时完成：强制主模块延迟等待若干周期

2. PC 总线

3. ISA 总线

4. PCI 总线

外部设备互连总线，能与其他总线互连

5. USB 总线

因为使用了总线的设计，所以可以在一个 USB 接口上接多个设备，理论上一个 USB 接口可以共同支持连接 127 个设备。

USB 接口可以为设备提供 +5V 的电源供应，所以只要所接外设不是高耗电的设备，如电机等（+12V），那么就可以由 USB 口直接供给电源，而无需另接电源了。

速度快，USB 接口可以连接一些高数据量的存储设备，比如外置存储器等

USB 是一种独立的串口总线，所以它在驱动设备的时候不需要占用中断和 DMA 通道，这样对于不太懂电脑的人来说，不需再设定这些参数。