微机原理与应用课件第二章

1第二章8086系统结构2.38088/8086的存储器组织2.48086的系统配置及引脚功能2.58086CPU时序2.1概述2.28086CPU结构2第二章8086系统结构2.1.1CPU的主要性能指标CPU的主要性能指标有数据宽度(或称字长)、寻址能力、工作频率(或主时钟频率)、体系结构、指令系统等。一、数据宽度(字长)CPU的字长是指CPU一次所能处理的二进制数的位数，是表示运算器性能的主要技术指标，一般它等于CPU数据总线的宽度。CPU字长越长，运算精度越高，处理信息速度越快，性能也越高。一般按CPU的字长来划分CPU的档次，常见的CPU字长有8位、16位、32位和64位。2.1概述3二、寻址能力(或寻址范围)寻址能力往往是指CPU能直接存取数据的内存地址的范围，这是由CPU的地址总线引脚的数目来决定的。通常用K(千)或M(兆)来表示(1K=1024个地址；1M=1024K；1G=1024M等)。例如，8088CPU的地址总线为20根，则可直接寻址的物理地址可达1M，而80286CPU的地址线有24根，则其寻址能力为16M，而386/486/586CPU的地址线为32根，故可直接寻址的物理地址达4G。三、运算速度CPU的运算速度通常用每秒执行基本指令的条数来表示，常用的单位是MIPS(MillionInstructionPerSecond)，即每秒执行的百万条指令数，是CPU执行速度的一种表示方式。然而对于某一特定的CPU，其MIPS值并非定值，得出的数据会因CPU正在执行的软件的不同而不同。42.1.2CISC与RISC结构按计算机的指令系统来区分，可分为CISC结构的CPU和RISC结构的CPU。CISC(即ComplexInstructionSetComputer：复杂指令集计算机)和RISC(即ReducedInstructionSetComputer：精简指令集计算机)分别代表了两种不同理论的CPU设计学派。在过去的数十年间，两种理论各有不少支持者，也有许多按CISC和RISC理论设计的CPU问世。一、CISC结构CISC结构的CPU是指能够识别处理100种以上汇编指令的处理器。8088，80286等，都是按CISC理论设计的，由此可见CISC对当今微处理器的发展有相当大的影响。CISC的处理功能很强，但执行指令的时钟周期也较长，使CPU的速度减慢了。5二、RISC结构RISC将机器指令简化，提供有限数量的常用和必须的指令，从而简化了CPU芯片的复杂程度，节省了芯片空间。与CISC结构比较，RISC具有速度较快、生产成本相对较低、调试方便的特点。2.1.3CPU三总线微处理器是大规模集成电路的CPU，无论什么型号的CPU，其外部管脚信号线按功能可分为四类：地址总线、数据总线、控制信号总线、电源线。其中地址总线(AB)、数据总线(DB)、控制总线(CB)统称为CPU三总线。6地址总线是从CPU发送出去，用来传递地址信息。地址总线的位数决定了CPU可以直接寻址的内部存储器地址空间的大小，它是单向的。数据总线则是CPU与存储器、I/O设备之间进行相互数据传递的通道，因此是双向的。控制总线是用来传递控制信号的，一部分是CPU向外发送给存储器、I/O接口电路的控制信号，另一部分是外部接口电路给CPU传来的控制信号。上述三总线的逻辑关系一般是：CPU在工作过程中，先有地址信号，然后在控制信号的作用下，通过数据总线传递数据，三者是并行的。其中8086/8088CPU管脚的特点是，地址总线和数据总线是分时复用的，而且某些控制信号线也具有双重功能，在特定的工作方式下，完成一个特定的功能。电源线包括正电源线和地线。7•2.28086CPU结构标志寄存器ALUDIDHSPSIBPDLALAHBLBHCLCHESSSDSCS内部暂存器输入/输出控制电路1432EU控制系统20位16位8086总线指令队列总线接口单元执行单元6516位一、8086CPU的内部结构属第三代微处理器运算能力：数据总线：DB－16bit（8086）/8bit（8088）地址总线：AB－20bit内存寻址能力220＝1MB8ESSSDSCS内部寄存器输入/输出控制电路143220位16位8086总线指令队列总线接口单元6516位IP1.总线接口部件BIU（BusInterfaceUnit)组成：16位段寄存器，指令指针，20位地址加法器，总线控制逻辑，6字节指令队列。作用：负责从内存指定单元中取出指令，送入指令流队列中排队；取出指令所需的操作数送EU单元去执行。工作过程：由段寄存器与IP形成20位物理地址送地址总线，由总线控制电路发出存储器“读”信号，按给定的地址从存储器中取出指令，送到指令队列中等待执行。*当指令队列有2个或2个以上的字节空余时，BIU自动将指令取到指令队列中。若遇到转移指令等，则将指令队列清空，BIU重新取新地址中的指令代码，送入指令队列。*指令指针IP由BIU自动修改，IP总是指向下一条将要执行指令的地址。92.指令执行部件EU（ExecutionUnit)组成：通用寄存器，标志寄存器，ALU，EU控制系统等。标志寄存器ALUDIDHSPSIBPDLALAHBLBHCLCHEU控制系统作用：负责指令的执行，完成指令的操作。工作过程：从队列中取得指令，进行译码，根据指令要求向EU内部各部件发出控制命令，完成执行指令的功能。若执行指令需要访问存储器或I/O端口，则EU将操作数的偏移地址送给BIU，由BIU取得操作数送给EU。103.8086CPU结构的特点：减少了CPU为取指令而等待的时间，提高了CPU的运行速度。取指1执行1取指1取指4取指3取指2忙执行3执行4执行2忙忙忙执行1执行2执行3执行4取指2取指3取指4取指6取指5执行6执行5忙忙忙忙忙忙CPUBUSEUBIUBUStt11AHDHCLCHBLBHALDLAXBXCXDX累加器基数计数数?据SP(堆栈指针)BP(基数指针)DI(目的变址)SI(源变址)F(状态标志)IP(指令指针)DS(数据段)?CS(码段)ES(附加段)SS(堆栈段)?二、8088/8086的寄存器结构1.通用寄存器组3.2个控制寄存器4.4个段寄存器8088/8086有14个16位寄存器2.指针/变址寄存器12*4个16位的数据寄存器（AX，BX，CX，DX）寄存器既可存放数据，也可存放地址。1.通用寄存器组寄存器操作AX字乘/除指令中作为累加器，字I/O指令中作为数据寄存器AL字节乘/除指令，字节I/O，转移，十进制运算AH字节乘/除指令（高八位/余数），XLAT指令中作为目的寄存器BX作为地址/基址寄存器CX串操作时，循环计数器CL变量位移或循环操作时用作计数器DX字乘/除指令（高十六位/余数），I/O间接寻址*既可作为16位寄存器也可作为8位寄存器使用。（例：AH，AL）8bit寄存器只能存放数据。*各寄存器隐含用法*通用性强，对任何指令都具有相同的功能132.指针及变址寄存器（SP，BP，SI，DI）SP堆栈指针BP在间址寻址中作基址指针SI地址和变址寄存器，串操作时的源变址寄存器（隐含）DI地址和变址寄存器，串操作时的目的变址寄存器（隐含）*BP，SP寄存器称为指针寄存器，与SS联用。*DI，SI寄存器称为变址寄存器，与DS联用，在串指令中，SI，DI均为隐含寻址，此时，SI与DS联用，DI与ES联用。143.指令指针和状态寄存器（1）指令指针IP是一个16位的专用寄存器。当BIU从内存中取出一条指令，自动修改IP，始终指向下一条将要执行的指令在现行代码段中的偏移量。8086/8088中的某些指令执行后会改变IP的内容，但用户不能编写指令直接改变IP的内容。*IP是指令地址在代码段内的偏移量（又称偏移地址），IP要与CS配合构成共同物理地址。（2）状态（标志）寄存器PSWPSW是一个16位的专用寄存器（6位状态位，3位控制位）存放运算结果的特征。15CF（进位标志）：当运算结果的最高位（D7/D15）出现进位（借位）时，CF=1；PF（奇偶校验标志）：当运算结果中“1”的个数为偶数时，PF=1；AF（辅助进位标志）：当结果的D3向D4（低位字节）出现进位（借位）时，AF=1；ZF（零标志）：当运算结果为零时，ZF=1；SF（符号标志）：当运算结果的最高位D7/D15为1时，SF=1；OF（溢出标志）：当运算结果超过机器所能表示的范围时，OF=1；DF（方向标志）：在字符串操作时，决定操作数地址调整的方向，DF=1，为递减；IF（中断允许标志）：IF=1，允许CPU响应外部的可屏蔽中断；TF（陷阱标志）：当TF=1，CPU每执行一条指令便自动产生一个内部中断，在中断服务程序中可检查指令执行情况。OFDFIFTFSFZFAFPFCFD0D2D4D6D15D11D8164.段寄存器*CS（代码段寄存器）指向当前的代码段，指令由此段取出；*SS（堆栈段寄存器）指向当前的堆栈段，栈操作的对象是该段存储单元的内容；*DS（数据段寄存器）指向当前的数据段，该段中存放程序的操作数；*ES（附加段寄存器）指向当前的附加段，主要用于字符串数据的存放，也可以用于一般数据的存放。8086/8088按信息存储的不同性质分为四类，分别由四个段寄存器存放该段的首地址，或称为段地址。172.38088/8086的存储器组织一、存储器地址的分段矛盾：存储器地址空间1MB，20bit地址线；内部各寄存器和数据总线均为16bit。段1段2段16段300000H0FFFFH10000H1FFFFH20000H2FFFFHF0000HFFFFFH1.存储器地址的分段解决方法：将整个存储器分为若干个逻辑段，每段内地址16bit，即最多地址空间64KB。允许各逻辑段在整个存储空间浮动，段与段之间可以是连续的，也可以是分开的或重叠的。1800000H逻辑段2=64KB逻辑段1起点逻辑段2起点逻辑段3起点逻辑段4起点FFFFFH逻辑段1=64KB逻辑段4=64KB逻辑段3=64KB每个段的首地址称为“段基值”，“段基值”必须能被16整除（XXXX0H）。程序执行前，分别对相应的段寄存器CS，DS，SS，ES置“段基值”，若程序长度大于64KB，则可通过对CS送新的“段基值”将程序转移到新段中。19逻辑地址：允许在程序中编排的地址；2.20位物理地址的形成物理地址：信息在存储器中实际存放的地址；对给定的任一存储单元，有两部分逻辑地址：段基址（段地址）——由CS，DS，SS，ES决定段内偏移量（段内有效地址）——（该单元相对于段基址的距离）段地址0000段内有效地址+0000物理地址(20bit)16bit16bit20bit203.逻辑地址的来源；操作类型隐含段地址替换段地址偏移地址取指令CS无IP堆栈操作SS无SPBP间址SSCS、DS、ESEA存/取操作数DSCS、SS、ESEA源字符串DSCS、SS、ESSI目的字符串ES无DIEA---有效地址，211.问题的提出：二、8086存储器的分体结构8位机（MCS-51、8088）的存储器地址空间和数据存储格式以字节(8bit)为单位组织存储器地址空间，访问一次存储器，获得一个字节的数据。而8086CPU的数据总线为16位，CPU除了可以对一个字节寻址外，还必须能进行一个字的读写。即：如何组织数据存储格式使CPU访问一次存储器，获得一个字的数据。22硬件条件：（1）将1M的存储空间分成两个存储体：偶地址和奇地址存储体00000000010000200004FFFFEFFFFF0000300005512K*8bitA0=0512K*8bitA0=1D0D7D8D15（2）将数据总线的低8位与偶地址存储体数据线相连，数据总线的高8位与奇地址存储体数据线相连。（3）用地址线A0和BHE信号选择存储体238086地址锁存器奇存储体偶存储体A1—A19A0BHEA0—A19BHED0—D7D8—D15BHEA0操作总线使用情况00从偶地址开始读/写一个字AD15--AD001从奇地