§第六節(jié) 8086的時序

　　計算機在軟件的控制下，可以完成計算、圖形/圖像、聲音、通訊、控制工廠生產(chǎn)設(shè)備、通訊等復(fù)雜工作，這些工作都是由CPU的幾種基本操作構(gòu)成的。CPU的基本操作有：

　　存儲器讀、I/O接口讀、CPU內(nèi)部運算、存儲器寫、I/O接口寫、中斷、空操作、復(fù)位。

　　本節(jié)只關(guān)心CPU從存儲器、I/O接口獲得運算數(shù)據(jù)，或把運算結(jié)果寫入存儲器、I/O端口的操作，以及中斷、空操作、復(fù)位操作，特別是進(jìn)行這些操作時CPU各信號之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，即"時序"。

　　計算機的基本操作均是以時鐘信號CLK為基準(zhǔn)信號進(jìn)行協(xié)調(diào)工作的。8086的時鐘頻率為5 ，故其時鐘周期(或稱一個T狀態(tài))為200ns，時鐘信號輸入時序如圖2-22所示。

　　執(zhí)行一條指令所需要的時間，稱為一個指令周期。一條指令一般包含幾個基本操作，存儲器讀、存儲器寫、I/O接口讀寫、中斷、復(fù)位等操作均與總線有關(guān)(各部件均連接至總線上)，稱為"總線操作"(或稱"總線通訊")。一次總線操作所需的時間稱為"總線周期"或"機器周期"。

　　8086的基本總線周期由4個T狀態(tài)組成T1、T2、 T3、T4如圖2-23所示。

　　T1：CPU發(fā)出地址信息，指出要訪問的存儲器/外設(shè)端口地址。

　　T2：CPU撤消地址信號，準(zhǔn)備傳輸數(shù)據(jù)。

　　T3：CPU的總線借口部件(BIU)與存儲器/外設(shè)端口傳輸數(shù)據(jù)。

　　T4：傳輸數(shù)據(jù)并結(jié)束總線周期。

　　TW：等待狀態(tài)，在T3狀態(tài)時，若存儲器/外設(shè)端口未準(zhǔn)備好(接收或輸出)數(shù)據(jù)，CPU在T3后插入TW。

　　Ti：空閑周期，只有在CPU與存儲器/外設(shè)端口傳送數(shù)據(jù)時，CPU的BIU才執(zhí)行總線周期，否則，BIU執(zhí)行空閑周期Ti.

　　§2.6.1存儲器讀周期

　　一個基本的存儲器讀周期由4個T狀態(tài)組成，如圖所示：

　　存儲器讀涉及的信號有：

　?、?用 M/IO信號確定CPU是與存儲器或外設(shè)通訊。M/IO=1，CPU與存儲器通訊。該信號在T1狀態(tài)開始有效。

　　② 指出存儲器單元的地址。CPU在T1狀態(tài)從分時復(fù)用信號線A19/S6~A16/S3、AD15~AD0上發(fā)出20位地址信號A19~A0.在T1狀態(tài)，PU還要發(fā)出地址鎖存信號ALE。在ALE下降沿，地址信號被鎖存在地址鎖存器8282中。這樣，在其它T狀態(tài)，分時復(fù)用信號線A19/S6~A16/S3、AD15~AD0就可以用來傳送狀態(tài)和數(shù)據(jù)信號了。

　?、?CPU在T2狀態(tài)發(fā)出讀命令RD(此時WR信號無效)。另外，從T2狀態(tài)開始，A19/S6~A16/S3信號線上發(fā)出狀態(tài)信號。在T2狀態(tài)，AD15~AD0上的地址已消失、數(shù)據(jù)還未到達(dá)，因此，處于懸空狀態(tài)。

　?、?存儲器收到地址信號、讀命令后，經(jīng)過一定時間，在T3狀態(tài)，把指定存儲單元的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線上，CPU在T3的后下降沿從AD15~AD0上獲得該數(shù)據(jù)。

　?、?CPU獲得數(shù)據(jù)后，在T4狀態(tài)，CPU撤消本次操作的信號。本次操作完成。

　?、?CPU與數(shù)據(jù)總線一般通過數(shù)據(jù)收發(fā)器8286連接，因此，CPU還要發(fā)出控制8286的信號DT/R、DEN?？刂?286的數(shù)據(jù)傳送方向在存儲器讀周期中，DT/R=0，表示數(shù)據(jù)進(jìn)入CPU(接收)。DT/R使8286允許傳送數(shù)據(jù)。DT/R從T1狀態(tài)開始在整個周期中一直有效。DT/R從T2狀態(tài)開始有效。

　　具有等待狀態(tài)的讀周期時序：

　　若所使用的存儲器或外設(shè)的工作速度較慢，CPU在T2結(jié)尾、T3開始處未檢測到READY信號，則在T3后插入一個或幾個TW狀態(tài)，并在每個插入的TW前沿，均檢測READY，當(dāng)檢測到READY=1時，不再插入TW，并在最后一個TW 的后下降沿從總線上讀取 數(shù)據(jù)。然后，CPU進(jìn)入TW狀態(tài)，T4結(jié)束本操作周期。

　　§2.6.2 存儲器寫周期

　　它也是由4個狀態(tài)組成，如圖所示。它與存儲器的讀周期類似，首先也要有M/IO信號來表示進(jìn)行存儲器操作。若M/IO=1則與存儲器通信。其次也要有寫入單元的地址以及ALE信號，但寫入存儲器的數(shù)據(jù)不同。在T2狀態(tài)，即當(dāng)16位地址線AD15~AD0已由ALE鎖存時后，CPU就把要寫入的16位數(shù)據(jù)放至AD15~AD0上了。要寫入，當(dāng)然要又WR信號代替RD信號，它也在T2狀態(tài)有效。DT/R信號應(yīng)為高電平。8086在T4狀態(tài)后就使控制信號變?yōu)樾?。實際上8086是認(rèn)為在T4狀態(tài)，對存儲器的寫入過程已經(jīng)完成。若有的存儲器和外設(shè)來不及在指定的時間內(nèi)完成操作，可以利用READY信號，使CPU插入TW狀態(tài)，以保證時間配合，具有TW的寫入時序與讀時序類似。

　　CPU寫存儲器涉及的信號有：

　?、?用M/IO 信號確定CPU是與存儲器或外設(shè)通訊。在整個寫周期中，M/IO =1，表示CPU與存儲器通訊。

　?、?指出存儲器單元的地址。由于8086CPU的地址信號和數(shù)據(jù)信號復(fù)用一組引腳，CPU只能分時傳送地址信號和數(shù)據(jù)信號。CPU在T1 狀態(tài)從分時復(fù)用信號線AD19/S6~AD16/S3 、 AD15~AD0 上發(fā)出20位地址信號A19~A0 。

　　③ 為了保持住地址信號，需要使用地址鎖存器8282。在T1狀態(tài)，CPU還要發(fā)出地址鎖存信號ALE，在ALE下降沿，地址信號被鎖存在地址鎖存器8282中。這樣，在其它T狀態(tài)，分時復(fù)用信號線 AD19/S6 ~AD16/S3 、 AD15~AD0 就可以用來傳送狀態(tài)和數(shù)據(jù)信號了。

　?、?CPU在T2狀態(tài)發(fā)出寫命令WR(此時RD信號無效)。另外，從T2狀態(tài)開始，AD19/S6 ~AD16/S3 信號線上發(fā)出狀態(tài)信號。在T2狀態(tài)，AD15~AD0上的地址已消失，在數(shù)據(jù)還未到達(dá)前處于懸空狀態(tài)。

　?、?存儲器收到地址信號、寫命令后，經(jīng)過一定時間，把指定存儲單元的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線上。如果存儲器的寫入速度較快，在T2狀態(tài)結(jié)束時(下降沿)，就可以寫入數(shù)據(jù)，使CPU在T3的后下降沿從AD15~AD0上獲得該數(shù)據(jù)。

　　⑥ CPU獲得數(shù)據(jù)后，在T4狀態(tài)，CPU撤消本次操作的信號。本次操作完成。

　?、?CPU與數(shù)據(jù)總線一般通過數(shù)據(jù)收發(fā)器8286連接，因此，CPU還要發(fā)出控制8286的信號DT/R、 DEN 。DT/R控制8286的數(shù)據(jù)傳送方向，在存儲器寫周期中，DT/R=1，表示數(shù)據(jù)離開CPU(寫入)。DEN使8286允許傳送數(shù)據(jù)。DT/R從T1狀態(tài)開始在整個周期中一直有效。DEN從T2狀態(tài)開始有效。

　　§2.6.3 輸入輸出周期時序

　　輸入周期，CPU從I/O接口電路讀取外設(shè)的數(shù)據(jù)和外設(shè)狀態(tài);輸出周期，CPU把數(shù)據(jù)或命令送到外設(shè)的I/O接口電路中。它們的操作時序與存儲器操作時序幾乎相同，只是M/IO=0。

　　§2.6.4 空轉(zhuǎn)周期(Idle Cycle，空閑周期)

　　CPU總線接口部件BIU從存儲器取指令時，執(zhí)行存儲器讀周期。CPU需要存儲器中的數(shù)據(jù)時，也執(zhí)行存儲器讀周期。(取指令時S2S1S0=100，讀數(shù)據(jù)時S2S1S0=101)。CPU把數(shù)據(jù)寫入存儲器時執(zhí)行存儲器寫周期。CPU與外設(shè)通訊時執(zhí)行輸入或輸出周期。CPU響應(yīng)外設(shè)的中斷請求時，執(zhí)行中斷響應(yīng)周期。

　　如果CPU不執(zhí)行上述任何周期，則總線接口執(zhí)行空轉(zhuǎn)周期?？辙D(zhuǎn)周期由一系列Ti狀態(tài)(Idle)構(gòu)成。在Ti狀態(tài)，A19/S6~A16/S3線 上為上一個總線周期的狀態(tài)信息。若上一個總線周期是寫周期，在Ti狀態(tài)，AD15~AD0線上仍為原數(shù)據(jù)信號。若上一個機器周期是寫周期，則在空轉(zhuǎn)狀態(tài)，CPU在AD15~AD0上仍然輸出上一個機器周期要寫的數(shù)據(jù)，直至下一個機器周期的開始。

　　§2.6.5 中斷響應(yīng)周期

　　"中斷(Interrupt)"是一種操作，它使CPU中止正在執(zhí)行的程序，而轉(zhuǎn)入稱為"中斷處理程序(Interrupt Handler)"(或稱中斷服務(wù)程序Interrupt Service，或稱中斷例程Interrupt Routine)的程序。當(dāng)中斷處理程序執(zhí)行完后，CPU接著執(zhí)行被中斷的程序(相對于中斷處理程序來說，被中斷的程序稱為主程序)如2-28所示。

　　多個外部設(shè)備一般通過"中斷控制器"8259向CPU提出中斷請求，8259也向CPU提供"中斷類型碼"，以標(biāo)識是那一個外部設(shè)備在向CPU請求中斷。CPU用中斷響應(yīng)信號 通知8259。在中斷響應(yīng)信號INTA的第二個周期，8259向CPU提供中斷類型碼。

　　8086CPU有兩個引腳可以接收外部的中斷請求：INTR和NMI，如圖2-29所示。

　　當(dāng)NMI(非屏蔽中斷請求)引腳上出現(xiàn)上升沿信號時，CPU立即無條件(不執(zhí)行中斷響應(yīng)周期，不受標(biāo)志寄存器IF位的影響)地轉(zhuǎn)入"2號中斷處理程序"。

　　當(dāng)INTR(可屏蔽中斷請求)引腳上出現(xiàn)高電平信號時，若IF=0，CPU不響應(yīng)中斷請求。若IF=1，CPU響應(yīng)中斷請求。CPU響應(yīng)中斷時，首先執(zhí)行"中斷響應(yīng)周期"，以便從中斷控制器8259獲得中斷類型碼，然后根據(jù)中斷類型碼轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷處理程序，當(dāng)中斷處理程序執(zhí)行完后，CPU返回被中斷的程序。中斷類型碼指定了中斷處理程序的地址。

　　中斷響應(yīng)周期由兩個總線周期構(gòu)成，在每個中斷響應(yīng)的總線周期， 均有效(為低電平)。在第二個總線周期，中斷控制器送出中類型碼，CPU讀的類型碼后，從"中斷矢量表"中查得中斷處理程序的地址，如圖2-30所示。

　　§2.6.6 系統(tǒng)復(fù)位(RESET)

　　8086CPU的RESET引腳上出現(xiàn)高電平時，終止所有操作，直到RESET信號變?yōu)榈?。在這期間，CPU內(nèi)各寄存器被初始化為復(fù)位狀態(tài)，見表2-9所示。

　　表2-9 8086復(fù)位期間的內(nèi)部狀態(tài)

　　對于復(fù)位信號的要求是：它必須與系統(tǒng)時鐘CLK同步(由時鐘電路8284來實現(xiàn))，至少維持4個時鐘周期。若是直接接通電源引起的復(fù)位，復(fù)位信號必須至少大于50微秒。

　　在復(fù)位期間，所有三態(tài)引腳，先被置為無效狀態(tài)(如RD=1為無效)，然后被置為浮空狀態(tài)。其他(非三態(tài))引腳被置為無效狀態(tài)(如ALE=0為無效狀態(tài))如圖2-31所示。

　　AD15~AD0,A19/S6~A16/S3,BHE/S7,S2(M/IO),S1(DT/R),S0(DEN),CLOCK(WR),RD,INTA先置成無效狀態(tài)，再進(jìn)入三態(tài)(浮空)。不作用狀態(tài)占進(jìn)入三態(tài)的半個時鐘周期。

　　ALE:低

　　HOLD：低

　　RQ/GT0,RQ/GT1:高

　　QS0,QS1:低

　　在復(fù)位期間，由于CS=FFFFH，IP=0000H，因此，當(dāng)CPU脫離復(fù)位狀態(tài)后，從CS：IP = FFFFH：0000H = FFFF0H處開始執(zhí)行第一條指令。物理地址FFFF0H對應(yīng)的實際存儲器單元在微機主板的BIOS芯片內(nèi)。

　　BIOS芯片內(nèi)存放以下信息：

　?、?系統(tǒng)初始化程序。

　　它檢測微機系統(tǒng)的基本部件是否完好，并對基本部件進(jìn)行第一步初始化，使其做好基本的工作準(zhǔn)備。(操作系統(tǒng)，如DOS、Windows可能對這些部件進(jìn)行第二步初始化，以便優(yōu)化這些部件的性能)。

　?、?系統(tǒng)設(shè)置程序。

　　它允許用戶配置計算機的參數(shù)和性能，如磁盤參數(shù)、存儲器參數(shù)、鍵盤參數(shù)、啟動順序等。

　?、?系統(tǒng)信息，如配置信息、日期、時間信息等。

　　BIOS中的系統(tǒng)信息存放在由電池供電的CMOS電路中(配置系統(tǒng)信息又稱為"CMOS設(shè)置")，即使關(guān)閉計算機電源，這些信息也不會丟失。

　　(在某些BIOS芯片內(nèi)部，已經(jīng)包含了電池，因此，主板上看不見電池)。

　　系統(tǒng)初始化程序和系統(tǒng)設(shè)置程序放在BIOS的EPROM存儲器區(qū)，具有"非易失性"，即使關(guān)閉計算機電源，這些程序也不會丟失。現(xiàn)代BIOS一般由Flash EPROM構(gòu)成，這種存儲器除有非易失性外，在特定的程序控制下，還可改寫其中的信息。這為BIOS的升級提供了有利條件。同時，也向"病毒"敞開了大門，首例攻擊BIOS的病毒是"CIH"(1998年)。