微机原理与接口技术(楼顺天)-第2章1

1微处理器（CPU）;CPU的内部和外部结构;微处理器级总线的概念；CPU的功能结构;8086寄存器结构;存储器组织与分段、I/O端口地址空间;本章重点难点2本教案内容第2章8086CPU结构与功能1.微处理器的外部结构2.微处理器的内部结构3.微处理器的功能结构4.微处理器的寄存器组织5.微处理器的存储器和I/O组成3内部结构微处理器的总线结构。外部结构微处理器的一般结构}42.1微处理器的外部结构8086CPU片有40个管脚，微处理器通过这些引脚与外部的逻辑部件连接，完成信息的交换。CPU的这些引脚信号称为微处理器级的总线，它应该能够完成下列功能：1.与存储器之间交换信息(指令及数据)；2.与I/O设备之间交换信息；3.能输入和输出必要的信号。5微处理器的外部结构如图2.1所示CPU接口地址存储器中的字节00011011.........数据线控制线地址线高位决定模块I/O端口I/O端口高位决定端口，2或3个低位选择端口...I/O设备存储器模块6按功能分，这些总线可以分为三种：（1）传送信息（指令或数据）的数据总线（DataBus）（2）指示欲传信息的来源或目的地址的地址总线（AddressBus）（3）管理总线上活动的控制总线（ControlBus）2.1微处理器的外部结构7CPU通过地址总线输出地址码来选择某一存储单元或某一称为I/O端口的寄存器，是单向的。地址码的位数决定了地址空间的大小。n位地址总线可有个地址（0∽-1）。16位地址总线65536（64KB）20位地址总线1MB32位地址总线4GB.地址总线：n2n2MB1)1024()2(22210202.1微处理器的外部结构88086/8088地址总线20位存储器地址总线20位，地址空间1MBI/O地址总线16位（低16位）地址空间64KB2.1微处理器的外部结构9.数据总线：用于CPU和存储器或I/O接口之间传送数据，是双向的。微处理器数据总线的条数决定CPU和存储器或I/O设备一次能交换数据的位数，是区分微处理器是多少位的依据。8086CPU的数据总线是16条，我们就说8086CPU是16位微处理器。2.1微处理器的外部结构10.控制总线：管理总线上的活动，用来传送自CPU发出的控制信息或外设送到CPU的状态信息，大部分是单向的，有一些是双向的。2.1微处理器的外部结构112.2微处理器的内部结构微处理器是组成计算机系统的核心部件，它具有运算和控制的功能。具体地讲，CPU应具有下述基本功能:121.进行算术和逻辑运算；2.具有接收存储器和I/O接口来的数据和发送数据给存储器和I/O接口的能力；3.可以暂存少量数据；4.能对指令进行寄存、译码并执行指令所规定的操作；5.能提供整个系统所需的定时和控制信号；6.可响应I/O设备发出的中断请求。2.2微处理器的内部结构131.CPU内部结构及各部分功能简介典型的CPU内部结构如图3.1.1所示。2.2微处理器的内部结构14I/O控制逻辑ALU控制器工作寄存器CPU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（SP）状态寄存器（PSW）地址寄存器数据寄存器┆┆图2.2典型的CPU内部结构如图2.2所示15CPU包括算术/逻辑运算单元(ALU)控制器工作寄存器组I/O控制逻辑地址寄存器数据寄存器2.2微处理器的内部结构16①算术逻辑运算单元ALU(Arithmetic/LogicUnit)：它是运算器的核心，几乎所有的算术运算，逻辑运算和移位操作都是由ALU完成的。2.2微处理器的内部结构17②工作寄存器：暂存用于寻址和计算过程的信息。工作寄存器分为两组：数据寄存器组和地址寄存器。但有的寄存器兼有双重用途。数据寄存器用来暂存操作数和中间运算结果。地址寄存器用于操作数的寻址。2.2微处理器的内部结构18③控制器：它是CPU的“指挥中心”，完成指令的读入，寄存，译码和执行。从图（3.1.1）中可以看出，一般微处理器中的控制器由6部分组成：程序计数器(PC:ProgramCounter)指令寄存器(IR:InstructionRegister)指令译码器(ID：InstructionDecoder)控制逻辑部件处理机状态字PSW（ProcessorStateWord)堆栈指示器(SP)StackPointer2.2微处理器的内部结构19用于保存下一条要执行的指令的地址，即由它提供一个存储器地址，按此地址从对应存储器单元取出的内容，就是要执行的指令。一般指令是顺序存放在存储器内的，所以程序计数器也叫指令地址计数器。由此可见，在程序执行过程中要实现程序的转移，就要改变程序计数器PC的内容。程序计数器（PC）2.2微处理器的内部结构20保存从存储器中读入的当前要执行的指令。指令寄存器（IR）指令译码器（ID）对指令寄存器中保存的指令进行译码分析。控制逻辑部件根据ID对指令的译码分析，发出相应的一系列的节拍脉冲和电位（控制信号），去完成指令的所有操作。2.2微处理器的内部结构21处理器状态字（PSW）暂存处理器当前的状态。PSW中的各位用来指示诸如算术运算结果的正/负，是否为零，是否有进位或借位，是否溢出等标志。条件转移指令将根据PSW中的某一位的状态决定程序是否转移。堆栈指示器（SP）是在对按后进先出原则组织的称为堆栈的专用存储区进行操作时提供地址的。堆栈用于子程序调用时保存返回地址和工作寄存器的内容。2.2微处理器的内部结构22包括CPU中与输入/输出操作有关的逻辑。其作用是处理输入/输出操作。④I/O控制逻辑2.2微处理器的内部结构238086/8088是Intel公司生产的第三代微处理器芯片。其特点如下：具有20条地址线，直接寻址能力达1MB。8086有16条数据线，为16位微处理器。8088有8条数据线，为准16位微处理器。片内总线和ALU均为16位，可进行8位和16位操作。2.3微处理器的功能结构248086/8088均采用全新结构，片内均由两个独立的逻辑单元组成：8086/8088CPU内部结构如图2.3所示执行单元(EU)总线接口单元(BIU)2.3微处理器的功能结构25总线控制电路EU控制器标志暂存器通用寄存器ALU数据总线地址总线数据总线执行单元（EU）总线接口单元（BIU）（16位）（20位）（8位）（16位）16位ALUSSDSESIPCS内部寄存器BHBLAHALDHDLSPBPCLCHDISI8086总线物理地址形成逻辑213645AXBXDXCX26段寄存器（CS，DS，ES，SS）一.总线接口单元（BIU）总线控制电路地址形成逻辑8088CPU：4字节8086CPU：6字节指令队列寄存器：指令指针寄存器（IP）（先进先出）2.3微处理器的功能结构27BIU主要负责从存贮器指定区域取出指令并将取出的指令送指令队列寄存器中排队，当EU执行的指令需要和外部存贮器或者I/O端口之间进行数据传送时，BIU就停止取指令，为EU服务，完成这次总线操作；或者当指令队列满时，BIU也停止取指令的操作。2.3微处理器的功能结构28二.执行单元（EU）通用寄存器（8个）EU控制器算术/逻辑运算单元（ALU）标志寄存器（FLAG）(即PSW)由组成。EU主要负责从指令队列寄存器中获取指令，并对指令加以执行，完成指令所规定的操作。同时也负责算术/逻辑运算以及进行内存有效地址的计算等。2.3微处理器的功能结构29CPU程序执行过程：2.3微处理器的功能结构……t忙忙忙忙忙取指令1取指令2取指令3取指令4取指令5执行1执行2执行3执行4执行5……tt图2.48086/8088CPU执行程序的过程EUBIU状态30下一节：寄存器组织2.3微处理器的功能结构EU和BIU单元执行过程中，应该满足规则：1.当指令队列寄存器中无指令时，EU处于等待状态；2.当指令队列中存满指令，而EU又没有访问存储器和I/O端口的需要，则BIU进入空闲状态；3.当指令队列中有两个空闲字节，则BIU自动执行取指令的总线周期；4.在EU执行指令时，需要访问存储器或I/O端口，如果这时BIU正在取指令，则应等待BIU完成取指令周期，然后BIU进入存储器和I/O端口访问周期；5.在EU执行转移、子程序调用或返回等指令时，自动清除指令队列的内容。