微机原理与接口技术 第3章 8086微型计算机系统

第3章8086微型计算机系统第3章8086微型计算机系统本章主要内容8086微处理器的工作模式及引脚特性28086微型计算机系统的总线时序4半导体存储器的分类18086微处理器的结构18086微型计算机系统3第3章8086微型计算机系统8086是Intel系列的16位微处理器，采用HMOS工艺制造，有16根数据线和20根地址线，封装在40脚双列直插组件（DIP）中。8086工作时，使用单一的+5V电源，时钟频率为5MHz，引脚信号与TTL电平兼容。3.18086微型计算机系统的总线时序第3章8086微型计算机系统8086可寻址的内存地址空间达220，即1MB；8086可寻址的I/O地址空间达216，即64KB；Intel公司在推出8086的同时一年，还推出了一款准16位的CPU——8088。8088与8086相比：内部结构基本相同，两者的软件也完全兼容。8086的数据总线是16位的；8088的数据总线是8位的。3.18086微型计算机系统的总线时序第3章8086微型计算机系统3.1.18086微处理器的结构8086由执行部件EU（ExecutionUnit）和总线接口部件BIU（BusInterfaceUnit）两部分组成，这两个部件的操作是并行的。EU负责指令的执行；BIU负责CPU与存储器、I/O设备之间的数据传送。EUBIU指令队列第3章8086微型计算机系统ALUAHALBHBLCHCLDHDLAXBXCXDXSPBPSIDI通用寄存器标志寄存器执行部件（EU）EU控制电路16位地址加法器20位16位总线控制逻辑CSDSSSES内部暂存器IP8位23456总线接口部件（BIU）外部设备8086总线数据总线地址总线1队列总线指令队列缓冲器数据寄存器指针和变址寄存器ALU数据总线3.1.18086微处理器的结构第3章8086微型计算机系统1、执行部件EUEU组成：算术逻辑单元（ALU），可完成8位或16位操作数进行算术或逻辑运算；8个16位通用寄存器（AX、BX、CX、DX、SI、DI、SP和BP）；标志寄存器；控制电路。EU功能：负责指令的执行，即：从总线接口部件BIU的指令队列取得指令，执行之后向BIU送回运算结果，并把运算结果的状态特征保存到标志寄存器中。第3章8086微型计算机系统2、总线接口部件BIUBIU组成：4个16位段寄存器（DS、CS、ES、SS）；指令指针寄存器（IP）；20位的地址加法器；6字节指令队列缓冲器；内部暂存器和总线控制逻辑。BIU功能：负责CPU与存储器、I/O设备之间的数据传送。具体包括：取指令送指令队列，配合EU从指定的内存单元或者外设端口中取数据，将数据传送给EU，或者把EU的操作结果传送到指定的内存单元或外设端口中。第3章8086微型计算机系统2、总线接口部件BIU1）段寄存器8086采用存储器地址分段的方法来解决在16位字长的计算机里提供20位地址的问题。段寄存器就是专门存放段地址的寄存器，每个段寄存器的值可以确定一个段的起始地址，而各段有不同的用途。8086中有4个16位段寄存器，它们是：CS（代码段寄存器）、DS（数据段寄存器）、SS（堆栈段寄存器）和ES（附加段寄存器）。第3章8086微型计算机系统2、总线接口部件BIU2）指令指针寄存器IP指令指针寄存器IP提供下一条要取出的指令所在存储单元的16位偏移地址。第3章8086微型计算机系统2、总线接口部件BIU3）地址加法器8086CPU采用段地址、段内偏移地址两级存储器寻址方式，由一个20位地址加法器根据16位段地址和16位段内偏移地址计算出20位的物理地址PA（PhysicalAddress）。其计算方法是：将CPU中的16位段寄存器内容左移4位（×16）与16位的逻辑地址（又称偏移地址）在地址加法器内相加，得到所寻址单元的20位物理地址。根据寻址方式的不同，偏移地址可以来自指令指针寄存器（IP）或其它寄存器。假设（CS）=FE00H，（IP）=0400H，那么下一条要取出的指令所在内存单元的20位物理地址PA=FE00H×10H+0400H=FE400H。第3章8086微型计算机系统2、总线接口部件BIU4）内部暂存器用于内部数据的暂存，该部分对用户透明，在编程时可不予理会，用户无权访问。第3章8086微型计算机系统2、总线接口部件BIU5）指令队列缓冲器8086有6字节指令队列缓冲器；8088有4字节指令队列缓冲器；缓冲器采用“先进先出”策略，暂时存放BIU从存储器中预取的指令。在执行指令的同时，可以从内存中取出下一条或下几条指令放到缓冲器中，一条指令执行完后，可立即执行下一条指令，从而解决了以往CPU取指令期间，运算器的等待问题。第3章8086微型计算机系统2、总线接口部件BIU6）总线控制逻辑总线控制逻辑发出总线控制信号，实现存储器的读/写控制和I/O的读写控制。它将CPU内部总线与外部总线相连，是CPU与外部电路进行数据交换的路径。总线控制逻辑控制8086通过20条引脚线分时传送20位地址线、16位数据和4位状态信息。第3章8086微型计算机系统3、BIU和EU的工作过程8086的总线BIU和EU在很多时候可以并行工作，使得取指令、指令译码和执行指令这些操作构成操作流水线。1.当指令队列中有两个空字节，且EU没有访问存储器和I/O接口的要求时，BIU会自动把指令取到指令队列中。第3章8086微型计算机系统3、BIU和EU的工作过程2.当EU准备执行一条指令时，它会从指令队列前部取出指令执行。在执行指令的过程中，如果需要访问存储器或者I/O设备，那么EU会向BIU发出访问总线的请求，以完成访问存储器或者I/O接口的操作。如果此时BIU正好处于空闲状态，那么，会立即响应EU的总线请求；但如果BIU正在将某个指令字节取到指令队列中，那么，BIU将首先完成这个取指令操作，然后再去响应EU发出的访问总线的请求。第3章8086微型计算机系统3、BIU和EU的工作过程3.当指令队列已满，而且EU又没有总线访问时，BIU便进入空闲状态。4.在执行转移指令、调用指令和返回指令时，下面要执行的指令就不是在程序中紧接着的那条指令了，而BIU往指令队列装入指令时，总是按顺序进行的。在这种情况下，指令队列中已经装入的指令就没有用了，会被自动消除。随后，BIU会往指令队列中装入另一个程序段中的指令。第3章8086微型计算机系统3.1.28086的寄存器结构寄存器是CPU内部用来存放地址、数据和状态标志的部件。8086有14个16位寄存器和8个8位寄存器。按用途可以分为以下几类：数据寄存器；指针和变址寄存器；段寄存器；指令指针寄存器；标志寄存器。第3章8086微型计算机系统1、数据寄存器AX、BX、CX、DX数据寄存器主要用来存放操作数或中间结果，以减少访问存储器的次数。有：4个16位的寄存器：AX、BX、CX、DX；8个8位的寄存器：AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH、DL；这些寄存器均可独立使用。多数情况下，这些数据寄存器是用在算术运算或逻辑运算指令中，以进行算术逻辑运算。在有些指令中，它们则有特定的用途。这些寄存器的用法见下表所示。第3章8086微型计算机系统1、数据寄存器AX、BX、CX、DX寄存器一般用法隐含用法AX16位累加器①字节乘法中保存积；字乘法中隐含提供一个乘数，并保存积的低16位；②字节除法中隐含提供被除数；字除法中隐含提供被除数的低16位，并保存商；③CBW指令中隐含作为目标操作数；④CWD指令中隐含作为源操作数和目标操作数的低16位；⑤I/O指令中，保存16位输入/输出数据。ALAX的低8位①字节乘法中隐含提供一个乘数，并保存积的低8位；字节除法中隐含提供被除数的低8位并保存商；②CBW指令中隐含作为源操作数；③XLAT指令中隐含提供表格首地址偏移量；④I/O指令中，保存8位输入/输出数据。AHAX的高8位①字节乘法中隐含提供一个乘数；②字节除法中隐含保存余数；③DOS和BIOS功能调用中存放功能号。第3章8086微型计算机系统1、数据寄存器AX、BX、CX、DX寄存器一般用法隐含用法BX基址寄存器，常用作地址寄存器XLAT指令中提供被查表格中源操作数的间接地址。CX16位计数器①循环指令中的循环次数计数器；②串操作指令中串长计数器。CLCX的低8位移位或循环移位指令中提供移位的次数。DX16位数据寄存器①字乘法中隐含保存积的高16位；②字除法中隐含提供被除数的高16位，并保存积的高16位；③CWD指令中隐含作为目标操作数的高16位；④在间接寻址的I/O指令中，提供端口地址。第3章8086微型计算机系统EU中有2个地址指针寄存器SP、BP和2个变址寄存器SI、DI。用法如下表所示：寄存器一般用法隐含用法SP（堆栈指针寄存器）保存堆栈栈顶偏移地址，与SS配合来确定堆栈在内存中的位置。压栈、出栈操作中隐含指示栈顶BP（基址指针寄存器）①保存16位数据②保存堆栈段内存储单元的偏移地址。SI（源变址寄存器）①保存16位数据②保存数据段内存储单元的偏移地址。串操作指令中，隐含与DS配合，确定源串在内存中的位置。DI（目的变址寄存器）①保存16位数据②保存数据段内存储单元的偏移地址。串操作指令中，隐含与ES配合，确定目标串在内存中的位置。2、指针和变址寄存器SP、BP、SI、DI第3章8086微型计算机系统3、段寄存器8086内部设置了4个16位的段寄存器，用于存放当前程序所用的各段的起始地址的高16位：CS（CodeSegment），称为代码段寄存器，存放当前执行的程序所在段的起始地址。其值乘以16再加上IP的值，就形成了下一条要取出指令所在的内存单元的物理地址。DS（DataSegment），称为数据段寄存器，存放当前数据段的起始地址。其值乘以16再加上指令中存储器寻址方式指定的偏移地址，就形成了要进行读/写的数据段中指定内存单元的物理地址。第3章8086微型计算机系统3、段寄存器SS（StackSegment），称为堆栈段寄存器，存放当前堆栈段的起始地址。堆栈是按照“后进先出”原则组织的一个特殊内存区域。堆栈操作数的地址由SS的值乘以16再加上SP的值形成。ES（ExtraSegment），称为附加段寄存器，存放当前附加段的起始地址。附加段是附加的数据段，也用于数据的保存，另外，串操作指令将附加段作为其目标操作数的存放区域。第3章8086微型计算机系统4、16位指令指针寄存器IP指令指针寄存器IP（InstructionPointer）存放当前代码段中的偏移地址，它与CS联用，可以形成下一条要取出指令的物理地址。程序不能直接对IP进行存取，但能在程序运行中被自动修改。例如，控制器取到要执行的指令后，会立刻修改IP值，使之指向下一条指令的首地址；转移、调用、返回等指令执行，就是通过修改IP的值来控制指令序列的执行流程的。第3章8086微型计算机系统5、标志寄存器FRFR是一个16位的寄存器。9个位用作标志位：状态标志位有6个，记录程序中运行结果的状态信息，是根据指令的运行结果由CPU自动设置的。这些状态信息通常作为后续转移指令的转移控制条件，所以也称为条件码。控制标志位有3个，可以编程设置，用于控制处理器执行指令的方式。控制标志设置之后，可对后面的操作产生控制作用。未标明的位在8086中不用。OF111512DF10IF9TF8SF7ZF65AF43PF21CF0第3章8086微型计算机系统OF111512DF10IF9TF8SF7ZF65AF43PF21CF0进位标志：指令执行后，如果运算结果在最高位上产生了一个进位或借位，则CF＝1；否则，CF＝0。CF5、标志寄存器FR—条件标志第3章8086微型计算机系统OF111512DF10IF9TF8SF7ZF65AF43PF21CF05、标志寄存器FR—条件标志奇偶标志：如果运算结果低八位1的个数为偶数，则PF