第二章微处理器内部结构及外部特性

1第二章微处理器内部结构及外部特性本章主要内容微处理器内部结构微处理器外部硬件特性典型微控制器介绍2§2.1微处理器的内部结构一、微处理器的基本结构微型计算机硬件系统：中央处理器（CPU、微处理器）——运算器、控制器、暂存单元。是微机的核心部件。存储器——微计算机的记忆部件基本输入输出接口——与外部世界进行信息交流基本外设、系统总线、电源微控制器:是将微型计算机的主要部分集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。复习3微控制器的一般基本硬件构架CPU（运算部件控制逻辑）AD/DA转换器存储器（程序、数据）串行接口定时/计数器中断系统并行接口其他专用接口4二、典型微处理器内部结构控制器程序计数器PC指令寄存器IR指令译码器ID控制逻辑部件堆栈指示器处理机状态字PSW工作寄存器地址寄存器数据寄存器IO控制逻辑ALU58086微处理器内部原理结构：▲8086CPU：Intel公司1978年推出的16位微处理器芯片。运算器控制器及预控制部件暂存单元68088CPU由两部分组成：执行单元（EU——ExecuteUnit）、总线接口单元（BIU——BusInterfaceUnit）。执行单元（EU）的功能:完成译码和执行指令的工作。①从总线接口部件的指令队列输出端取得指令码，并进行译码；②按照指令操作码的功能产生操作数地址，并传给BIU，要求BIU访问内存或IO接口；③按照指令操作码的功能对操作数进行运算、处理；④根据指令执行情况测试、修改程序状态字PSW中的有关位。总线接口单元（BIU）的功能：负责完成所有的外部总线的操作。①预取指令代码并填入指令队列；②根据当前的段地址和段内偏移地址使用地址加法器产生20位的物理地址（实际地址），并送入地址总线。③根据当前的总线操作，产生总线控制信号，如：存储器读/写、IO读/写等。④按照执行部件（EU）的命令访问存储器或IO接口。7三、微处理器工作过程：取指令→执行指令，周而复始。8086以前的CPU两个阶段交替进行：取指令1执行1取操作数2执行2CPUBUS忙碌忙碌忙碌忙碌存结果1取指令21）CPU执行指令时总线处于空闲状态2）CPU访问存储器(存取数据或指令)时要等待总线操作的完成缺点：CPU无法全速运行解决：总线空闲时预取指令，使CPU需要指令时能立刻得到88086CPU采用两个阶段并行工作方式取指令2取操作数BIU存结果取指令3取操作数取指令4执行1执行2执行3EUBUS忙碌忙碌忙碌忙碌忙碌忙碌指令预取队列的存在使EU和BIU两个部分可同时进行工作，从而提高了CPU的效率。9四、8086CPU内部的寄存器CPU内部寄存器从功能上数据寄存器、浮点寄存器、指令寄存器、地址寄存器、描述符寄存器等等从编程控制用户编程不可见、用户编程可见用户编程可见寄存器——程序设计模型程序设计模型：是指通过汇编语言程序所能观察、使用的CPU硬件寄存器组，是一种数据存放、处理的空间逻辑模型，即CPU内可编程序寄存器组。10㈠、8086——Pentium可编程通用寄存器组：AHALBHBLCHCLDHDLSPBPDISIIPPSW16位段寄存器AX累加器BX基变址CX计数器DX程序状态字栈基址目标变址源变址指令指针堆栈指针CSDSSSES16位8位FSGS32位EAXEBXECXEDXESPEBPEDIESIEIPEPSW11㈡、8086CPU内各可编程通用寄存器的功能1、数据寄存器——AX、BX、CX、DX共用性：⑴参与数据传送、运算，暂存运算的中间结果和最后结果。⑵每个数据寄存器既可作为一个16位寄存器用也可分成两个8位寄存器用专用性：AX——累加器（ac）*使用累加器（AX或AL）进行数据传送或运算指令执行时间短，占内存空间少。*执行许多专用操作12例如：乘、除法指令要求乘数之一或被除数必须放在累加器中,且存运算结果。MULsrc;操作：(AX)←(AL)*(src8)(DX,AX)←(AX)*(src16)DIVsrc;操作:(AL)←(AX)/(src8)的商(AH)←(AX)/(src8)的余数例如：参加输入输出数据传送。INac,port;(ac)←(port)OUTport,ac;(port)←(ac)13BX——基变址寄存器在CPU访问内存储器中的数据时，BX经常被用来存放数据块的基地址（首地址）。CX——计数器在循环操作、数据串操作、移位指令中作为计数器，计循环次数或数据串中的元素个数或移位的位数。如：SHL、ROL、LOOP等指令，及指令前缀REP。DX——参与乘、除法指令、输入输出指令操作。142、指针及变址寄存器——SP、BP、DI、SI共同点：⑴都是16位寄存器，不可分成8位用。可参与数据的传送、运算。⑵经常作为地址寄存器，存放内存单元地址，配合段寄存器对存储器进行访问。具体功能：SP：堆栈指针寄存器，存放当前栈顶地址，用于堆栈操作。BP：栈基地址寄存器，在访问堆栈中某个存储单元数据时提供存储单元地址。DI：目的变址寄存器SI：源变址寄存器实现变址寻址，以提供访问数据段数据的地址。153、段寄存器——CS、DS、SS、ES，均为16位寄存器。CS——代码段寄存器DS——数据段寄存器SS——堆栈段寄存器ES——附加数据段寄存器存储、提供当前用户程序可访问的内存段地址。4、控制寄存器——IP、PSWIP——指令指针寄存器存放和提供指令代码在内存中的地址。IP指向哪里，CPU就要到哪里读取指令代码。PSW——程序状态字（ProgramStatusWord）状态位：纪录运算结果的客观状态特征。控制位：实现对处理器工作的控制。16CF—进（借）位状态标志运算时：OFDFIFTFSFZFAFPFCF㈢、8086CPU的PSW（标志寄存器）D11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0控制位状态位+－11CF=117PF——奇偶状态位：当PF=1，表示运算结果最低八位中1的个数为偶数个。AF——半进（借）位状态标志：当AF=1表示字节运算中低半部分向高半部分有进（借）位，即D3→D4有有进（借）位。ZF——零状态位：运算结果为零时，ZF=1。18OF——溢出状态位：当带符号数的运算结果超出有限二进制位所能表示的范围时，OF=1。IF——中断允许位：IF=1使CPU开中断。DF——方向标志位：用于串操作，控制指针变化方向。SF——符号状态位：SF=运算结果的最高有效位。SF=1表示负。TF——跟踪标志位：TF=1使CPU单步执行指令。19状态标志位举例：0A38BH+95C6H=3951H1010’0011’1000’1011＋1001’0101’1100’01100011’1001’0101’000111111CF=1SF=0AF=1ZF=0PF=0OF=11112080x86标志寄存器的演变扩展：第12～14位是80286微处理器扩充的“输入输出特权级标志”和“任务嵌套标志”；第16～18位是80386/80486微处理器扩充的“恢复标志位”、“虚拟方式位”、“队列检查位”；第19～21位是Pentium微处理器扩充的“虚拟中断位”、“虚拟中断暂挂位”、“标识位”。扩展扩展扩展扩展21五、8086/8088CPU的存储器结构㈠、存储器结构物理结构—存储器的电路构成。逻辑结构—符合程序设计逻辑关系的数据存放结构。㈡、存储器的逻辑结构存储单元：能存放一个字节信息的存储空间。存储单元地址：每个存储单元唯一对应的编号。存储单元内容：存储单元里存放的信息。22存储器M00000H00001H4FFFEH4FFFFH50000H50001H0FFFFFH0CDH20H………34H12H56H29H………存储单元存储单元里的内容存储单元的地址23㈢、信息在存储单元中的存放1、每个存储单元存放8位二进制信息，通常用2位十六进制数码表示。如：30000H地址为30000H的字节存储单元中的内容是2AH。2、多字节信息在存储单元中的存放原则是：“低对低，高对高”。如：1357H—一个字信息。占两个内存单元。低字节存在较低地址单元。高字节存在较高地址单元。以低字节所在单元的地址做整个字信息在内存中的地址：26000H单元中的内容是1357H。2AH57H13H26000H26001HM24㈣、CPU对存储器的操作（访问）读操作：写操作：存储单元的内容CPU内CPU内存储单元（信息源）（信息源）（信息目的）（信息目的）25㈤、堆栈——一个特殊的存储空间堆栈也是存储器，但具有特殊的存储结构和访问原则。堆栈的结构：栈底、栈顶、栈指针。××××……××堆栈把这一存储空间开辟为堆栈×××××H×××××H×××××H……………×××××H×××××H最高地址单元为栈底，是固定的。栈顶，随信息的进出栈浮动。SP存放栈顶地址。堆栈的存取原则：先入后出，后入先出。26㈥、IBMPC机对存储器的分段管理8086CPU内部外部16位地址寄存器20位地址总线AB最多表示64KB个地址最大寻址范围1MB如何用16位地址寄存器寻址1MB内存空间？271、根据需要把1MB空间分为若干个段，每个段的最大空间是64KB。段与段之间的关系可以：分离、相连、重叠（部分、全部）。2、存储单元的地址：*物理地址——由CPU地址信号线上给出的地址码。每个存储单元所拥有的物理地址是唯一的；CPU访问存储器最终使用的是物理地址。*逻辑地址——汇编语言程序设计中使用的存储单元地址。28逻辑地址由段地址和段内偏移地址组成。段地址：段内偏移地址用每个段首地址的高16位作段地址(××××)，存放在段寄存器中。段内某存储单元相对于段首地址的距离。用4位十六进制数表示。295、物理地址与逻辑地址的关系16位段地址16位段内偏移地址20位物理地址＋左移四位16位段地址0000306、IBMPC机对当前用户程序的寻址IBMPC机系统给当前用户程序提供了四个可寻址的段。代码段：存储当前正在运行的程序指令代码。数据段：存储当前程序所需的数据堆栈段：定义了当前运行程序所需的堆栈空间。附加数据段：对数据段的补充。31对代码段的寻址：IP＋CS0h当前代码段物理地址M代码段CS与IP是固定搭配，不允许段超越。32对数据段的寻址：数据有效地址EA＋DS0h当前数据段物理地址M数据段数据有效地址EA由多种寻址方式提供，允许段超越。33对堆栈段的寻址：SP或BP＋SS0h当前堆栈段物理地址M堆栈段对堆栈的栈操作寻址SS:SP是固定搭配，对栈内某数据的访问由SS:BP实现。34对附加数据段的寻址：数据有效地址EA＋ES0h当前附加数据段物理地址M附加数据段数据有效地址EA由多种寻址方式提供，允许段超越。35存储器分段分页管理机制80286～Pentium微处理器可以工作于实模式或者保护模式。在实模式下,微处理器仅能寻址内存的第一个1M字节存储空间，对存储器的分段管理、寻址机制与前面介绍的8086CPU系统对存储器的组织管理完全相同。在保护模式下,可访问内存第一个1M字节以上的存储空间，寻址空间大大的扩展了，管理机制也有所不同。36在保护模式下段寄存器的作用是一个选择器。用段寄存器中的13位二进制码作索引指向常驻内存的描述符表，以取得段地址及其他相关信息。37*每个段使用32位段基地址；*20位段界限。段界限是该段最大的偏移地址；*字节6中：G=0表示段的界限长度为1到1M字节，G=1表示界限长度为4K字节的倍数；D=0为16位指令方式，D=1为32位指令方式。*字节5访问权限控制对内存段的具体访问操作，如：是否可写，是否可读，是否被访问过，指定内存段在使用时的增长方向。每个描述符表包含8192个描述符，每个描述符用8个字节的信息描述一个存储段。38保护模式下对存储器的分段寻址：段寄存器段描述符表若不分页，则为物理地址（线性地址）为了实现虚拟存储器多任务操作，更进一步的存储器管理方法是存储器分页管理。以4K字节存储空间为一页。当80386～Pentium微处理器控制机制允许分页的情况下，分段管理最终形成的32位线性地址，进入存储器分页机构，然后再形成访问存储器单元的物理地