计算机硬件技术--第2章 微处理器系统结构与技术

《计算机硬件技术基础》JUST《计算机硬件技术基础》凌青华江苏科技大学计算机科学与工程学院电子信箱：[e-mail]联系电话：[phone]《计算机硬件技术基础》第2章微处理器系统结构与技术1.CISC与RISC技术2.8086/8088微处理器3.8086/8088系统的工作模式4.8086/8088存储器及I/O组织5.80x86微处理器6.Pentium微处理器7.Pentium系列微处理器及相关技术的发展8.嵌入式计算机系统的应用与发展JUST《计算机硬件技术基础》2.1CISC与RISC技术1、CISC复杂指令集计算机（complexinstructionsetcomputer）–较早的微处理器设计流派，用最少的机器语言指令完成所需的计算任务，Intel80x86系列微处理器中的8086/8088、80286等2、RISC精简指令集计算机（reducedinstructionsetcomputer）–从80286到80386的设计过程中被提出，主张只选取使用频率高的少数指令。此后推出的80486、Pentium与Pentiumpro（P6）等微处理器，加重了RISC化的趋势PentiumⅡ、PentiumⅢ以后，虽然仍属于CISC的结构范围，但它们的内核已采用了RISC结构。JUST《计算机硬件技术基础》第2章微处理器系统结构与技术1.CISC与RISC技术2.8086/8088微处理器3.8086/8088系统的工作模式4.8086/8088存储器及I/O组织5.80x86微处理器6.Pentium微处理器7.Pentium系列微处理器及相关技术的发展8.嵌入式计算机系统的应用与发展JUST内部暂存器IPESSSDSCS输入/输出控制电路外部总线执行部分控制电路123456∑ALU标志寄存器AHALBHBLCHCLDHDLSPBPSIDI通用寄存器地址加法器指令队列缓冲器执行部件（EU)总线接口部件（BIU)16位20位16位8位8086的功能结构AXBXCXDX《计算机硬件技术基础》2.28086/8088微处理器1．总线接口单元BIU–BIU的基本功能是负责CPU与存储器或I/O端口之间的数据传送。在CPU取指令时，它从内存中取出指令送到指令队列缓冲器；而在执行指令时，它要与指定的内存单元或者I/O端口交换数据。2．执行单元EU–EU的功能是负责从指令队列中取出指令，然后分析和执行指令。JUST《计算机硬件技术基础》BIU--地址加法器和段寄存器–8086有20根地址线，但内部寄存器只有16位，不能直接提供对20位地址的寻址信息。•为了实现对20位地址的寻址，采用“段加偏移”的重要技术，即将可移位的16位段寄存器与16位偏移地址相加的办法，从而巧妙地解决了这一矛盾。JUST《计算机硬件技术基础》堆栈段和附加段重叠《计算机硬件技术基础》存储器单元地址的表示（1）偏移地址——以16位二进制数表示某段内存储器单元的地址。（3）逻辑地址——以段地址与偏移地址同时表示某存储器单元的地址。（4）物理地址——表示某存储器单元的实际接线地址。物理地址=（段地址）10H+偏移地址（2）段地址——以16位二进制数表示某个段的地址。逻辑地址=段地址：偏移地址《计算机硬件技术基础》BIU--地址加法器和段寄存器8086有20根地址线，但内部寄存器只有16位，不能直接提供对20位地址的寻址信息。–为了实现对20位地址的寻址，采用“段加偏移”的重要技术，即将可移位的16位段寄存器与16位偏移地址相加的办法，从而巧妙地解决了这一矛盾。JUST【例2.1】假设CS＝4000H，IP＝0618H，则指令的物理地址PA＝4000H×16＋0618H＝40618H《计算机硬件技术基础》总线接口单元BIU16位指令指针（InstructionPointer，IP）IP的功能与8位CPU中的程序计数器PC类似。–正常运行时，IP中含有BIU要取的下1条指令（字节）的偏移地址。IP在程序运行中能自动加1修正，使之指向要执行的下1条指令（字节）JUST《计算机硬件技术基础》执行单元EUEU的功能是负责从指令队列中取出指令，然后分析和执行指令。EU由下列部分组成。（1）16位算术逻辑单元。（2）16位标志寄存器。（3）数据暂存寄存器。（4）通用寄存器组。（5）EU控制电路。EU中所有的寄存器和数据通道都是16位的宽度，可实现数据的快速传送。JUST《计算机硬件技术基础》2.2.28086／8088的编程结构8086／8088的内部寄存器编程结构如图所示JUST《计算机硬件技术基础》1．通用寄存器通用寄存器分为两组：数据寄存器、指针寄存器和变址寄存器。–每个数据寄存器分为高字节H和低字节L，它们均可作为8位数据寄存器独立寻址，独立使用。在多数情况下，这些数据寄存器是用在算术运算或逻辑运算指令中，用来进行算术逻辑运算。–通用数据寄存器在指令中的特定功能被系统隐含使用（P.48表2-1）JUST《计算机硬件技术基础》1．通用寄存器通用寄存器分为两组：数据寄存器、指针寄存器和变址寄存器。–指针寄存器SP和BP都用来指示存取位于当前堆栈段中的数据所在的地址–变址寄存器SI和DI存放当前数据段的偏移地址。源操作数的偏移地址放于SI中，SI称为源变址寄存器；目的操作数偏移地址存放于DI中，故DI称为目的变址寄存器JUST《计算机硬件技术基础》段寄存器段寄存器可以被指令直接访问–CS用来存放程序当前使用的代码段的段地址，CPU执行的指令将从代码段取得–SS用来存放堆栈段的段地址，堆栈操作的数据就在堆栈段中–DS用来存放数据段的段地址，一般说，程序所用的数据就存放在数据段中–ES用来存放附加段的段地址，也用来存放数据，但典型用法是存放处理后的数据JUST《计算机硬件技术基础》3．控制寄存器8086／8088的16位标志寄存器F只用了其中的9位作标志位，即6个状态标志位，3个控制标志位。状态标志位用来反映算术或逻辑运算后结果的状态，记录CPU的状态特征。–CF（CarryFlag）；PF（ParityFlag）；AF（AuxiliaryCarryFlag）；ZF（ZeroFlag）；SF（SignFlag）；OF（OverflowFlag）控制标志位用来控制CPU的操作，由程序设置或清除：DF（DirectionFlag）；IF（InterruptEnableFlag）；TF（TrapFlag）《计算机硬件技术基础》标志寄存器状态标志位用来反映算术或逻辑运算后结果的状态，以记录CPU的状态特征。《计算机硬件技术基础》例：两个带符号数64h,64h相加。01100100+0110010011001000O=1（运算结果超过127）；S=1；（符号标志）Z=0；（是否为0）A=0；（辅助进位标志）P=0；（奇偶标志）C=0。（进位、借位标志）ODITSZAPC《计算机硬件技术基础》3个控制标志位的状态及其说明控制标志位用来控制CPU的操作，由程序设置或清除。《计算机硬件技术基础》2.2.38086/8088总线周期的概念总线周期是微处理器与存储器或I/O设备接口之间进行数据传送时，所需要的一个基准时间段。一个最基本的总线周期由4个时钟周期组成，习惯上将4个时钟周期分别称为4个状态，即T1、T2、T3与T4这4个状态。JUST《计算机硬件技术基础》2.2.48086／8088的引脚信号和功能8086和8088的40条引线按功能可分为5类地址／数据总线地址／状态总线控制总线电源线和地线其他控制线《计算机硬件技术基础》2.2.48086／8088的引脚信号和功能注意：地址总线的低16位和数据总线分时复用地址总线的高4位与状态总线分时复用JUST《计算机硬件技术基础》第2章微处理器系统结构与技术1.CISC与RISC技术2.8086/8088微处理器3.8086/8088系统的工作模式4.8086/8088存储器及I/O组织5.80x86微处理器6.Pentium微处理器7.Pentium系列微处理器及相关技术的发展8.嵌入式计算机系统的应用与发展JUST《计算机硬件技术基础》2.38086/8088系统的最小／最大工作方式最小方式:当MN／MX′接电源电压时，系统就工作于最小模式，它适合于较小规模的应用《计算机硬件技术基础》2.3.2最大方式当MN／MX′线接地，则系统就工作于最大模式。最小模式下的全部控制信号由CPU本身提供，最大模式下的全部控制信号由8288总线控制器提供。《计算机硬件技术基础》第2章微处理器系统结构与技术1.CISC与RISC技术2.8086/8088微处理器3.8086/8088系统的工作模式4.8086/8088存储器及I/O组织5.80x86微处理器6.Pentium微处理器7.Pentium系列微处理器及相关技术的发展8.嵌入式计算机系统的应用与发展JUST《计算机硬件技术基础》2.48086／8088的存储器与I/O组织2.4.1存储器组织8086／8088有20条地址线，可寻址1MB的存储空间。存放的信息：1字节(8位)、1个字和双字。注意：低字节存放在低地址，且低字节的地址为该字的地址《计算机硬件技术基础》2.4.2存储器的分段存储器的分段是一个重要的概念，深入理解存储器的分段设计是掌握存储器管理技术的一个关键实际存储器中段的位置如图所示：《计算机硬件技术基础》2.4.3实际地址和逻辑地址实际地址(又称物理地址)是指CPU对存储器进行访问时实际寻址所使用的地址–20位二进制数或5位十六进制数表示《计算机硬件技术基础》2.4.3实际地址和逻辑地址逻辑地址是由程序和指令表示的一种地址，包括两部分：段地址和偏移地址。对8086／8088来说，段地址和偏移地址都用无符号的16位二进制数或4位十六进制数来表示的。《计算机硬件技术基础》2.4.4堆栈8086／8088系统中的堆栈是用段定义语句在存储器中定义的一个堆栈段。堆栈由SS和SP来寻址。SS给定堆栈段的段地址；SP给定当前栈顶，即指出从堆栈的段基址到栈顶的偏移量。《计算机硬件技术基础》JUST8086使用段寄存器SS和指针寄存器SP管理堆栈SS决定了堆栈区的首地址，SP的初始值决定了堆栈区的末地址，堆栈区的最大长度随之而定数据入栈时，SP做减量调整，SP指示的单元称为“栈顶”，即栈顶向下延伸；SP永远指向刚刚入栈的数据数据出栈时，SP做增量调整，即栈顶向上延伸SP永远指向将要出栈的数据。SS:0000HSS:SP堆栈区数据入栈数据出栈入栈的数据全部出完，SP恢复初始值。《计算机硬件技术基础》2.4.6I/O组织8086/8088CPU用地址线的低16位来寻址I/O端口地址，因此可访问的I/O端口有216=65536个–由于用16位地址线对I/O端口寻址，所以，无需对I/O端口的64KB寻址空间进行分段。《计算机硬件技术基础》第2章微处理器系统结构与技术1.CISC与RISC技术2.8086/8088微处理器3.8086/8088系统的工作模式4.8086/8088存储器及I/O组织5.80x86微处理器6.Pentium微处理器7.Pentium系列微处理器及相关技术的发展8.嵌入式计算机系统的应用与发展JUST《计算机硬件技术基础》2.8嵌入式计算机系统的应用与发展2.8.1嵌入式计算机系统概述嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。《计算机硬件技术基础》2.8.1嵌入式计算机系统概述（1）嵌入式处理器嵌入式处理器和通用处理器有着相同的基本组成与工