第2章 微型计算机组成及微处理器功能结构

第2章微处理器结构及微型计算机工作原理第2章微型计算机组成及微处理器功能结构2.1微型计算机的组成及工作原理2.28086/8088微处理器难点和重点第2章微处理器结构及微型计算机工作原理图2.1微型计算机的组成CPU存储器I/O接口控制总线地址总线数据总线I/O设备2.1微型计算机的组成及工作原理第2章微处理器结构及微型计算机工作原理2.1.1衡量CPU的技术指标主要是字长和速度第2章微处理器结构及微型计算机工作原理2.1.2程序用一系列指令表示，程序和数据的形式均为二进制码，它们均以字节为单位存储在内存中，一个字节占用一个存储单元，并具有唯一的地址号。第2章微处理器结构及微型计算机工作原理2.1.3输入/输入设备:包括键盘、鼠标器、数字化仪、扫描仪、A/D转换器等。输出设备:包括显示器、打印机、绘图仪、D/A转换器等。软磁盘、硬磁盘及其驱动器对微型机来说，既是输入设备又是输出设备。第2章微处理器结构及微型计算机工作原理接口电路的主要职责是将微处理器和输入/输出设备之间的信息统一和联系起来。I/O接口电路的种类:8255可编程并行接口电路8253可编程定时/计数电路8251可编程串行接口电路8237直接存储器存取电路82380多功能I/O接口电路等。第2章微处理器结构及微型计算机工作原理2.1.4总线1.数据总线DB(DataBus)数据总线用来在CPU和其它部件间传送信息(数据和指令代码)，具有三态控制功能，且是双向的。2.地址总线AB(AddressBus)地址总线用于传送CPU要访问的存储单元或I/O接口的地址信号。属单向总线。地址总线的宽度视CPU所能直接访问的存储空间的容量而定。第2章微处理器结构及微型计算机工作原理3.控制总线CB(ControlBus)控制总线是CPU向其它部件传送控制信号，以及其它部件向CPU传送状态信号及请求信号(如中断请求信号)的一组通信线。第2章微处理器结构及微型计算机工作原理2.2.18086/8088CPU(1)高性能第三代CPU：①8086CPU：DB为16位，因而称之为16位CPU。②8088CPU：DB为8位，因而称之为准16位CPU。(2)40条引脚；电源+5V；主频为5MHz。(3)AB(A0～A10)：20条，可直接寻址220(1M)字节。(4)两种工作方式：最小(单CPU)；最大(多CPU(8087、8089))。2.28086/8088及80286微处理器的功能结构第2章微处理器结构及微型计算机工作原理8088/8086编程结构外部总线DSESSSCSIP数据暂存器执行部件控制电路指令译码器总线接口控制电路AXBXCXDXAHBHCHDHSIDIBPSPALBLCLDL寄存器组BIUABDBCB地址加法器指令队列PSW标志寄存器EU运算器EU控制电路总线接口控制电路AXBXCXDXAHBHCHDHSIDIBPSPALBLCLDL寄存器组BIUABDBCB标志寄存器EUALU地址加法器暂存寄存器通用寄存器地址寄存器指令对列DSESSSCSIP内部通信寄存器地址总线数据总线ALU数据总线区别:1.8086指令对列为6个字节,而8088指令对列有4个字节2.8086对外有16根数据线,而8088对外有8根数据线第2章微处理器结构及微型计算机工作原理第2章微处理器结构及微型计算机工作原理一．总线接口单元BIU总线接口单元BIU的功能是负责完成CPU与存储器或I/O设备之间的数据传送。具体任务是：①指令队列出现空字节(8088CPU1个空字节，8086CPU2个空字节)时，从内存取出后续指令。BIU取指令时，并不影响EU的执行，两者并行工作，大大提高了CPU的执行速度。②EU需要从内存或外设端口读取操作数时，根据EU给出的地址从内存或外设端口读取数据供EU使用③EU的运算结果、数据或控制命令等由BIU送往指定的内存单元或外设端口。第2章微处理器结构及微型计算机工作原理总线接口单元内有:第2章微处理器结构及微型计算机工作原理1.指令流队列实际上是一个内部的存储器阵列，它类似一个先进先出的栈。1.只要队列出现2个/1个空字节，同时EU也未要求BIU进入存取操作数的总线周期，BIU便自动从内存单元顺序取指令字节，并填满指令流队列。2.当执行转移指令时，BIU使指令流队列复位，并从新的地址单元取出指令，立即送EU执行，然后，自动取出后继指令字节以填满指令流队列。第2章微处理器结构及微型计算机工作原理图2.2(a)串行处理；(b)流水处理取指令1译码1取数据1执行1存储结果1取指令2译码2执行2…取指令1取指令2取数据1取指令3存储结果1取指令4时间BIU执行2译码2执行1译码1执行部件(a)(b)第2章微处理器结构及微型计算机工作原理2.存储单元的地址和内容：存储器以字节（8bit）为编程单位每个字节单元都有唯一的地址编码地址用无符号整数来表示（编程用十六进制表示）一个字要占用相继的两个字节低位字节存入低地址，高位字节存入高地址字单元地址用它的低地址来表示机器以偶地址访问（读/写）存储器第2章微处理器结构及微型计算机工作原理8086数据总线的传输特性：(a)读写偶地址字(b)读写偶地址字节(c)读写奇地址字节(d)读写奇地址字第2章微处理器结构及微型计算机工作原理8086用两个存储体来组织实际存储空间对准字装配:偶地址作为字的地址非对准字装配:奇地址作为字的地址CPU8088由于只有8位数据线,地址顺序排列。奇地址偶地址00001H00003H00000H00002HFFFFEHFFFFFH….….BHEA0A0~A19BHED8~D15D0~D7地址交叉排列8086D0~D15高8位数据线使能信号第2章微处理器结构及微型计算机工作原理•如果字地址为奇地址，需要两次访问存储器表2-8BHEA0编码含义BHEA0操作总线使用情况000110从偶地址开始读/写一个字从奇地址开始读/写一个字节从偶地址开始读/写一个字节AD15---AD0AD15---AD8AD7---AD00110从奇地址开始读/写一个字AD15---AD8（低字节）AD7---AD0（高字节）第2章微处理器结构及微型计算机工作原理存储器的逻辑地址与物理地址100111110010011001001000逻辑地址段地址:偏移地址1000:0000H1000:0001H1000:0002H1000:0003H1000:0004H1000:0005H物理地址10000H10001H10002H10003H10004H10005H100000110101110010100010字节内容（10000H）＝9FH；（10001H）＝26H字内容（10000H）＝269FH；（10001H）＝4826H访问两次内存第2章微处理器结构及微型计算机工作原理存储器的分段：20根地址线：地址范围00000H~FFFFFH（1MB）机器字长16位：仅能表示地址范围0000H~FFFFH（64KB)小段：每16个字节为一小段，共有64K个小段小段的首地址00000H~0000FH00010H~0001FH00020H~0002FH…FFFF0H~FFFFFH段起始地址：小段首地址段的大小：64K范围内的任意字节第2章微处理器结构及微型计算机工作原理存储器的逻辑分段：存储器64KB代码01500H42000H1CD00H0150H4200H1CD0H段寄存器CSDSSSES64KB堆栈64KB数据64KB附加数据B0000HB000H第2章微处理器结构及微型计算机工作原理存储器8KB代码2KB数据256堆栈02000H04800H04000H0200H0400H0480HCSDSSS优点:允许程序在存储器内重定位；有利于程序和数据的分离。第2章微处理器结构及微型计算机工作原理物理地址=16段地址+偏移地址16位段地址16位偏移地址0000+20位物理地址例：(DS)=2100H,(BX)=0500H(PA)=21000H+0500H=21500H第2章微处理器结构及微型计算机工作原理图2.420位物理地址的构成举例(a)20位物理地址的形成；(b)字节地址构成举例16位段地址16位偏移地址20位字节或字的物理地址+）0000段寄存器C018偏移地址FE7FC0180H段首址CFFFFH被访的单元D017FH段末址存储器64K分段(a)(b)第2章微处理器结构及微型计算机工作原理3.:段寄存器即段地址寄存器CS用来存放当前代码段的基地址，要执行的指令代码均存放在当前代码段中。DS用来存放当前数据段的基地址，指令中所需操作数常放于当前数据段中。SS用来存放当前堆栈段的基地址，堆栈操作所处理的数据均存放在当前堆栈段中。ES用来存放当前附加段的基地址，附加段通常也用来存放存储器操作数。第2章微处理器结构及微型计算机工作原理8086/8088段寄存器与提供段内偏移地址的寄存器之间的默认组合段寄存器提供段内偏移地址的寄存器CSIPDSBX、SI、DI或一个16位数SSSP或BPESDI(用于字符串操作指令)第2章微处理器结构及微型计算机工作原理4．指令指针寄存器1.指令指针寄存器IP用来存放下一条要读取的指令在代码段中的偏移地址。2.IP在程序运行中能自动加1修正，从而使其始终存放的是下一条要读取的指令在代码段的偏移地址。3.由于CS和IP的内容决定了程序的执行顺序。有些指令能使IP和CS的值改变（如跳转指令）或使其值压入堆栈或从堆栈中弹出恢复原值（如子程序调用指令和返回指令）。第2章微处理器结构及微型计算机工作原理5．20位地址加法器CPU提供的用来对存储单元进行访问的20位地址是由BIU中的地址加法器产生的。第2章微处理器结构及微型计算机工作原理二．执行单元EU执行单元EU不与系统外部直接相连，它的功能只是负责执行指令。EU由下列部件组成：第2章微处理器结构及微型计算机工作原理5.EU控制电路：它是控制、定时与状态逻辑电路，接收从BIU中指令队列取来的指令，经过指令译码形成各种定时控制信号，对EU的各个部件实现特定的定时操作。第2章微处理器结构及微型计算机工作原理1.通用寄存器16位通用寄存器AX、BX、CX、DX这4个16位通用寄存器的高8位被分别命名为AH、BH、CH、DH；低8位分别被命名为AL、BL、CL、DL。第2章微处理器结构及微型计算机工作原理AX或AL通常用作累加器,存放参加运算的一个操作数及其运算结果。同时，大多数I/O指令和一些串操作需要AX或AL寄存器来存放操作数。BX通常用作基址寄存器,存放操作数在内存中数据段内的偏移地址。CX通常用来计数,在循环指令及重复串操作指令中它用来对循环次数计数。DX通常用来存放数据，并可用来存放I/O指令中的端口地址。第2章微处理器结构及微型计算机工作原理2.SP称为堆栈指针寄存器。在使用堆栈操作指令(PUSH或POP)对堆栈进行操作时，每执行一次进栈或出栈操作，系统会自动将SP的内容减2或加2，以使其始终指向栈顶。BP称为基址寄存器。作为通用寄存器，它可以用来存放数据，但更经常更重要的用途是存放操作数在堆栈段内的偏移地址。第2章微处理器结构及微型计算机工作原理堆栈:是在存储器中开辟的一个特定区域。堆栈在存储器中所处的段称为堆栈段，用来存放调用子程序或响应中断时的主程序断点地址，以及其它寄存器的内容。开辟堆栈的目的:(1)存放指令操作数(变量)。段地址自然由堆栈段寄存器SS来提供，偏移地址由基址寄存器BP来提供。第2章微处理器结构及微型计算机工作原理(2)保护断点和现场。图2.8子程序的嵌套调用子程序Ⅰ调用子程序Ⅰ主程序调用子程序Ⅱ返回返回子程序Ⅰ子程序Ⅱ把(cs)、(ip)、(flags)压入堆栈第2章微处理器结构及微型计算机工作原理建栈MOVAX，1050HMOVSS，AXMOVSP，000EH进栈PUSHAX（设AX=1234HPUSHBX（设BX=5CF8H）1050FH10500H初始栈顶（栈底）SP=0EHSS=1050H堆栈起地址栈的范围SP=0EH12H