第微机原理及接口技术 2章 微处理器与系统结构

第二章微处理器与系统结构2.1微处理器主要性能指标2.28086/8088微处理器2.38086系统的组成2.4存储器组织2.58086总线时序第二章学习要点重点掌握内容：1．微处理器的基本结构。2．Intel8086微处理器的基本结构，包括：功能结构、寄存器结构和总线结构。3．Intel8086微处理器系统的组成：控制核心单元＋存储器组织＋I/O端口组织4．Intel8086微处理器在最小模式下的典型总线操作和时序。5．几个重要概念：时钟周期，总线周期，指令周期。了解内容：1．Intel8088微处理器与Intel8086微处理器的不同之处。2．Intel8086微处理器在最大工作模式下的典型总线操作和时序。3．高档微处理器的体系结构与特点。2.1微处理器主要性能指标主频：即微处理器时钟频率。如Pentium42GHz同系列的微处理器，主频越高，速度越快。但主频相同的微处理器，速度不一定都相同，因结构有差异外频：微处理器外部总线工作频率。如Pentium42GHz的外频为400MHz地址线宽度：决定访存空间。如36位地址线访问236=64GB存储单元数据线宽度：决定微处理器与外部存储器、输入/输出部件之间一次交换的二进制数据位数。如8、16、32、64位。微处理器主要性能指标内置协处理器：加快数值运算超标量结构：一个时钟周期内执行一条以上的指令。低标量结构：一条指令至少需要一个以上的时钟周期工作电压：微处理器正常工作所需要的电压，早期为5V，后来有3.3V,2.8V,1.5V等。制造工艺：晶体管之间的最小线距，0.35m,0.25m,0.18m,0.13m等微处理器微处理器类型(Intel)4004：4位8085/8088：8位8086、80286：16位80386、80486、80586：32位Pentium、PentiumPRO、PentiumII、PentiumIII、Pentium4：32/64位2.28086/8088微处理器INTEL78年推出（79年推出8088）4万多个晶体管（8088为2.9万个晶体管）时钟频率4.77MHZ数据线16位（8088的数据线8位）地址线20位40脚DIP封装81年推出PersonalComputer（个人计算机、微机）组成：算术逻辑部件、控制器、寄存器阵列、总线及总线缓冲器。算术逻辑部件ALU：用硬件实现算术运算、移位、布尔运算等基本运算功能。控制器：逐一取出指令、分析指令、执行指令。指令部件：程序计数、指令寄存、指令译码；时序部件：产生操作序列的定时信号；微操作控制部件：根据指令产生控制信号。2.2.1有关微处理器的一些概念一、微处理器的基本结构总线及总线缓冲器按照总线所连接的对象，有4级总线：片内总线：连接CPU内的各个电路部分。片间总线：指主板上各芯片之间的总线，用于连接CPU与主板上的其他芯片。按总线中各信号线功能的不同，又分为地址总线、数据总线和控制总线，即所谓的三总线。（系统）内总线：指主板与I/O扩展板之间的总线，一般都遵循一定的标准，如目前多采用的ISA标准、EISA标准和PCI标准等。外总线：指微机与其他设备、系统之间的总线，一般也遵循一定的标准，习惯上又称为接口，如串行接口、并行接口、USB接口等。总线缓冲器：如地址锁存器、数据缓冲器、总线收/发器等。运算器寄存器控制器CPU存储芯片I/O芯片主板扩展接口板扩展接口板微机系统④①②③其他微机系统其他仪器系统微机系统的四级总线示意图寄存器阵列——用于存放临时数据和地址。数目多少不定，因处理器而异。累加器：数据运算的场所。其长度即微机的字长。通用数据寄存器：存放运算数据或结果；存放数据的地址指针。堆栈指针：专门指示堆栈的栈顶，辅助完成堆栈操作。程序计数器（指令指针）：指向将要执行的下一条指令，实现顺序执行。指令寄存器：即指令队列，暂存预取指令的代码，直至完成译码。标志寄存器：记录当前执行结果的各种状态。2.2.28086CPU功能结构图EU控制器ALU暂存器标志寄存器8位队列总线总线控制逻辑内部总线16位地址加法器20位地址总线16位数据总线执行部件EU总线接口部件BIU123456指令队列通用寄存器AXAHALBXBHBLCXCHCLDXDHDLSPBPDISICSDSSSES80888086IP暂存器8086总线1．执行部件EU执行部件中包含一个16位的算术逻辑单元（ALU），8个16位的通用寄存器，一个16位的状态标志寄存器，一个数据暂存寄存器和执行部件的控制电路。功能：从BIU的指令队列中取出指令代码，经指令译码器译码后执行指令所规定的全部功能。执行指令所得结果或执行指令所需的数据，都由EU向BIU发出命令，对存储器或I/O接口进行读/写操作。2．总线接口部件BIU总线接口部件BIU内部设有四个16位段地址寄存器：代码段寄存器CS、数据段寄存器DS、堆栈段寄存器SS和附加段寄存器ES，一个16位指令指针寄存器IP，一个6字节指令队列缓冲器，20位地址加法器和总线控制电路。主要功能：根据执行部件EU的请求，负责完成CPU与存储器或I/O设备之间的数据传送。一、8086执行部件EU组成：算术逻辑部件、控制器、寄存器阵列、总线及总线缓冲器。算术逻辑单元ALU(ArithmeticandLogicUnit)进行所有的算术和逻辑运算计算寻址单元的十六位偏移地址EA(EffectAddress)EU控制器接收指令队列中的指令，进行指令译码、分析，形成各种控制信号，实现EU各个部件完成规定动作的控制。标志寄存器F通用寄存器标志寄存器标志（Flag）用于反映指令执行结果或控制指令执行形式。8086处理器的各种标志形成了一个16位的标志寄存器FLAGS（程序状态字PSW寄存器）。OF111512DF10IF9TF8SF7ZF65AF43PF21CF0程序设计需要利用标志的状态标志寄存器Flags唯一能按位操作的寄存器只定义了其中9位，另外7位未定义（保留）6位状态标志：OF、SF、ZF、PF、CF、AF3位控制标志：DF、IF、TFOFDFIFTFSFZFAFPFCFD15D14D13D12D11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0状态标志反映指令对数据作用之后，结果的状态（不是结果本身）。这些状态将控制后续指令的执行OF（OverflowFlag）：溢出标志(指补码)，F.11OF=1：在运算过程中，如操作数超过了机器表示的范围称为溢出。OF=0：在运算过程中，如操作数未超过了机器能表示的范围称为不溢出。求解方法：最高位进位次高位进位字节允许范围：－128—+127字允许范围：－32768—+32767状态标志CF（CarryFlag）：进位/借位标志，F.0CF=1：最高位需要向前产生进位/借位。CF=0：最高位不会向前产生进位/借位。AF（AuxiliaryCarryFlag）：辅助进位标志，F.4AF=1：数据的第3位（半个字节）需要向前产生进位/借位。AF=0：数据的第3位（半个字节）不会向前产生进位/借位。状态标志SF（SignFlag）：符号标志，F.7SF=1：运算结果的最高位为1，如果为带符号数，则为负数。SF=0：运算结果的最高位为0，如果为带符号数，则为正数。带符号数的最高位为符号位；而无符号数的最高位为数值位。ZF（ZeroFlag）：全零标志，F.6ZF=1：运算结果为全0。不包括进位的情况ZF=0：运算结果不为0。状态标志PF（ParityFlag）：奇偶标志PF=1:结果的低8位中有偶数个1。PF=0:结果的低8位中有奇数个1。有些运算操作将影响全部状态标志，如加法、减法运算有些操作影响部分状态标志，如移位操作有些指令的操作不影响任何状态标志，如数据传送指令10001101001101100011001000011001+0110011010101001运算结果最高位为1∴SF=1；例：2个数相加后，分析各标志位的值第三位向第四位有进位∴AF=1；次高位向最高位有进位，最高位向前没有进位，∴OF=10=1最高位没有进位∴CF=0；低8位中1的个数为偶数个∴PF=1；运算结果本身≠0∴ZF=0；10001101001101100011001000011001-0010110010001100运算结果最高位为0∴SF=0；例：2个数相减后，分析各标志位的值第三位向第四位没有借位∴AF=0；次高位向最高位没有借位，最高位向前没有借位，∴OF=00=0最高位没有借位∴CF=0；低8位中1的个数为奇数个∴PF=0；运算结果本身≠0∴ZF=0；控制标志控制标志位的值不由数据运算的结果决定，而由指令直接赋值控制标志决定后续指令的执行情况DF（DirectionFlag）：方向控制标志位用于串处理指令，控制从前往后、还是从后往前对字符串进行操作处理DF=1，每次串处理操作后使变址寄存器SI和DI的值递减，使串处理从高地址向低地址方向处理。DF=0，每次串处理操作后使变址寄存器SI和DI的值递增，使串处理从低地址向高地址方向处理。控制标志IF（InteruptFlag）：中断允许/禁止标志位IF=1,允许外部可屏蔽中断。CPU可以响应可屏蔽中断请求。IF=0,关闭中断。CPU禁止响应可屏蔽中断请求。IF的状态对不可屏蔽中断和内部软中断没有影响。TF（TrapFlag）：跟踪（陷阱）标志位TF=1，每执行一条指令后，自动产生一次内部中断，使CPU处于单步执行指令工作方式，便于进行程序调试，用户能检查程序。TF=0,CPU正常工作，不产生陷阱。控制标志与状态标志的区别控制标志的值：由系统程序或用户程序根据需要用指令设置。状态信息：由中央处理器执行运算指令，并根据运算结果而自动设置。X86CPU也提供了直接设置状态标志之值的指令标志名标志为1标志为0OF溢出(是/否）OVNVDF方向（减量/加量)DNUPIF中断(允许/关闭)EIDISF符号(负/正)NGPLZF零(是/否）ZRNZAF辅助进位(是/否）ACNAPF奇偶标志(偶/奇)PEPOCF进位标志(是/否）CYNC调试状态时，标志位之值的符号表示AXBXCXDX8086的通用寄存器目的变址指针(DestinationIndex)DI源变址指针(SourceIndex)SI基址指针(BasePointer)BP堆栈指针(StackPointer)SP数据寄存器(Data)DLDHDX计数寄存器(Count)CLCHCX基址寄存器(Base)BLBHBX累加器(Accumulator)ALAHAX数据寄存器可分为两个8位，主要用于数据操作地址指针主要用于地址操作16位888086的16位通用寄存器是：AXBXCXDXSIDIBPSP其中前4个数据寄存器都还可以分成高8位和低8位两个独立的寄存器8086的8位通用寄存器是：AHBHCHDHALBLCLDL对其中某8位的操作，并不影响另外对应8位的数据数据寄存器数据寄存器用来存放计算的结果和操作数，也可以存放地址每个寄存器又有它们各自的专用目的AX－－累加器，使用频度最高，用于算术、逻辑运算以及与外设传送信息等；BX－－基址寄存器，常用做存放存储器地址；CX－－计数器，作为循环和串操作等指令中的隐含计数器；DX－－数据寄存器，常用来存放双字长数据的高16位，或存放外设端口地址。指针寄存器指针寄存器用于寻址内存堆栈内的数据SP为堆栈指针寄存器，指示栈顶的偏移地址SP不能再用于其他目的，具有专用目的BP为基址指针寄存器，表示数据在堆栈段中的基地址SP和BP寄存器与SS段寄存器联合使用以确定堆栈段中的存储单元地址变址寄存器变址寄存器常用于存储器寻址时提供地址SI是源变址寄存器DI是目的变址寄存器串操作类指令中，SI和DI具有特别的功能通用寄存器一般，通用寄