微机原理第二章课件-8086-8088微处理器的内部结构

第二章微型计算机系统结构第一节CPU的内部逻辑结构一、CPU的组成和功能1、CPU的组成CPU主要由运算器、控制器、寄存器组和片内总线等组成2、CPU的功能(1)指令控制(2)操作控制(3)时序控制(4)执行指令(5)数据加工（运算）二、8086/8088微处理器的内部结构8086是16位的微处理器，有16位数据线和20位地址线，可寻址220个字节，即220=1MB=1048576B8088是准16位微处理器，内部为16位，外部数据线为8位。8086是本课的重点，它主要分为两个独立的功能模块，总线接口模块BIU和执行部件EU，它们可以并行工作。如图2.1所示。图2.18086CPU内部逻辑结构BIUEU1、总线接口部件BIU总线接口部件负责与存储器、输入/输出端口传送数据。总线接口部件组成：(1)专用寄存器组：段地址寄存器CS、DS、ES、SS和指令指针寄存器IP，均为16位。(2)地址加法器：8086在寻址1M字节地址空间时需用20位地址，这个地址就是由地址加法器产生的。具体的说，地址加法器将段寄存器(16位)的内容左移4位，然后与指令指针寄存器IP的内容相加得到20位的物理地址。例如：从内存取指令时，(CS)＝5760H，(IP)=1234H，则物理地址为：57600H+1234H=57934H。这里，先将段寄存器CS左移4位（16进制数只需后面加一个零）。(3)6字节的指令队列：总线接口部件从内存中取来的指令放在一个缓冲区中，这个缓冲区叫指令队列。执行部件在执行指令过程中从指令队列取来指令执行。(4)输入/输出控制电路：该控制电路将8086CPU的片内总线与系统总线相连，是8086CPU与外部交换数据的必经之路。2、执行部件EU(ExecutionUnit)执行部件负责执行指令。通常，从指令队列中取得等待执行的指令。组成如下：(1)算术逻辑单元ALU：完成各种运算。(2)标志寄存器FR：用来保存ALU运算结果的一些特征信息，如运算是否进位。(3)通用寄存器组：数据寄存器AX,BX,CX,DX和寄存器BP,SP,SI及DI，均16位。(4)执行部件控制电路3、BIU和EU的管理BIU和EU可以并行工作，提高CPU效率。(1)BIU监视着指令队列。当指令队列中有2个空字节时，就自动把指令取到队列中。(2)EU执行指令时，从指令队列头部取指令，然后执行。如需访问存储器，则EU向BIU发出请求，由BIU访问存储器。(3)在执行转移、调用、返回指令时，需改变队列中的指令，要等新指令装入队列中后，EU才继续执行指令。4、寄存器结构(1)通用寄存器组8086CPU有8个16位的通用寄存器，分2组。①通用数据寄存器：AX,BX,CX,DX，用来存放数据或地址，一个16位寄存器也可以当作两个8位寄存器用，此时表示为AH,AL；BH,BL；CH,CL；DH,DL。②基地址寄存器BP，堆栈指针寄存器SP，源变址寄存器SI和目的变址寄存器DI主要存放地址，也可以存放数据。(2)段寄存器8086的寻址空间是1M字节，物理地址需要20位的地址码。但CPU中的寄存器都是16位的。为解决该问题采用了存储器分段技术。把1MB地址分段，每段64KB，其起始地址的高16位装入一个段寄存器中，称作段基地址，这四个段寄存器的名称为：CS（代码段寄存器）DS（数据段寄存器）ES（附加段寄存器）SS（堆栈段寄存器）8086设置了这4个16位段寄存器，通过这四个段寄存器，CPU可以定位4个逻辑段，分别为：当前代码段、当前数据段、当前附加段和当前堆栈段。注意，每个逻辑段在实际存储器中的位置是可以浮动的，其起始地址的高16位装在段寄存器中，称作段基地址。当程序很大，超过64KB时，则可以定义多个代码段、数据段和附加段。不同的逻辑段可以相交，甚至可以完全重叠。参见书上图2.8。(3)指令指针寄存器IP该寄存器的内容用来指明将要执行的下一条指令在代码段中的位置。总线接口部件BIU负责修改IP寄存器的值，使它始终指向将要执行的下一条指令。(4)标志寄存器FRFR主要用来标志运算结果的状态，以及控制CPU的操作。各标志位定义如图2.2所示（共有9个标志）：下图是80x86微处理器的标志寄存器，从图中可知，他们是向下兼容的。标志位共有9个，6个是状态标志，用来表示运算结果的特征，包括CF、PF、AF、ZF、SF和OF；3个是控制标志，用来控制CPU的操作，包括IF、DF和TF。①状态标志：CF：进位标志，表示本次运算中最高位（第7位或第15位）有进位或有借位。PF：奇偶标志。PF=1表示本次运算中低8位有偶数个“1”；PF=0表示有奇数个“1”。AF：辅助进位标志。AF=1表示本次运算第3位向第4位有进位或有借位。在十进制运算中作为是否进行十进制调整的依据。ZF：零标志。ZF=1表示本次运算结果为零，否则ZF=0SF：符号标志。SF=0为正数；SF=1为负数。OF：溢出标志。OF=1表示本次运算结果产生溢出，否则OF=0。所谓溢出就是指运算结果超出了相应类型数据所能表示的范围。②控制标志：DF：方向标志，用来控制串操作指令的执行。DF=0则串操作指令的地址自动增量；若DF=1，则自动减量。IF：中断标志，用来控制对可屏蔽中断的响应。若IF=1则允许CPU响应可屏蔽中断；IF=0，则CPU不能响应可屏蔽中断。TF：单步标志。若TF=1，则CPU进入单步工作方式，即CPU每执行一条指令就自动产生一次内部中断；TF=0则CPU正常执行。8086以上的CPU其寄存器阵列如下图所示，阴影部分是80386以上的32位微处理器的寄存器。5、8088与8086的区别8088的指令队列只有4个字节，若出现1个空字节，BIU就会自动取指令补充。8088BIU与外部交换数据是8位的，I/O控制电路与专用寄存器之间的数据总线宽度也是8位的。8088与8086有几个引脚的意义有不同，参见下一节。第二节CPU的外部结构8086/8088CPU芯片都是40条引脚的双列直插式封装。部分引脚采用了分时复用方式，即同一条引脚在不同的时刻具有不同的用途。如图2.3所示。8086/8088CPU可有两种工作模式，即最大模式和最小模式。不同模式下个别引脚的功能是不同的。GND140VCCAD14239AD15AD13338A16/S3AD12437A17/S4AD11536A18/S5AD10635A19/S6AD9734BHE/S7AD8833MN/MXAD79808632RDAD610CPU31HOLD(RQ/GT0)AD51130HLDA(RQ/GT1)AD41229WR（LOCK）AD31328M/IO（S2）AD21427DT/R（S1）AD11526DEN（S0）AD01625ALE（QS0）NMI1724INTA（QS1）INTR1823TESTCLK1922READYGND2021RESETGND140VCCA14239A15A13338A16/S3A12437A17/S4A11536A18/S5A10635A19/S6A9734SS0(HIGH)A8833MN/MXAD79808832RDAD610CPU31HOLD(RQ/GT0)AD51130HLDA(RQ/GT1)AD41229WR（LOCK）AD31328IO/M（S2）AD21427DT/R（S1）AD11526DEN（S0）AD01625ALE（QS0）NMI1724INTA(QS1）INTR1823TESTCLK1922READYGND2021RESET图2.38086/8088CPU的外型与引脚一、8086CPU引脚1.AD15-AD0：分时复用的地址/数据总线2.A19/S6-A16/S3：分时复用的地址/状态线S4S3段寄存器00ES01SS10CS（I/O，INT）11DSS5用来表示中断标志状态线，当IF为1时，S5=1。S6保持恒为0。3.：总线高位有效信号4.：读信号5.：写信号6.：存储器或I/O端口访问信号7/SBHERDWRIOM/BHEAD0总线使用情况0016位数据总线上进行字传送01高8位数据总线上进行字节传送10低8位数据总线上进行字节传送11无效7.Ready：准备就绪信号8.INTR：中断请求信号9.：中断响应信号10.NMI：非屏蔽中断请求信号11.：测试信号12.RESET：复位信号13.ALE：地址锁存允许信号14.：数据发送/接收控制信号15.：数据允许信号16.HOLD：总线请求信号TESTRDT/DENINTA17.HLDA：总线请求响应信号18.：工作模式选择信号19.CLK：主时钟信号20.Vcc：CPU+5V电源21.GND：电源地最大模式系统时24－31引脚重定义如下：22.：总线周期状态信号23.：封锁信号24.：请求/同意信号25.QS1，QS0：指令队列状态信号012,,SSSLock10/,/GTRQGTRQMXMN/二、8088CPU引脚功能8088上有8条数据总线，所以只有AD7-AD0为地址/数据复用，A15-A8只是地址线。第28脚8086中，在8088中为电平意义相反第34脚8086中为，在8088中为IOM/BHE0SSIOM/第三节存储器结构8086CPU有20根地址线，它的直接寻址空间为220=1M字节，这1M字节空间按照00000H-FFFFFH来编址。一、8086系统中的存储器结构1、存储器的组织(1)8086系统中，1M字节分为2个512K的存储体，一个存储体中的地址都是偶数地址，叫偶体，另一个都是奇数地址，叫做奇体。如图2.4所示。图2.4存储体与总线的连接(2)访问一个存储体，只需19位地址，剩下一位用来区分访问那个存储体。A0=0为偶存储体，A0=1为奇存储体。(3)信号：由该信号和A0控制读写那个存储体。BHEBHEA0操作（读或写）00同时访问两个存储体，读写一个字01只访问奇地址存储体，读写高字节10只访问偶地址存储体，读写低字节11无操作(3)读字节和字，如图2.5所示图2.5读存储器中的字节和字操作示意图2、存储器分段图2.6为逻辑段在物理存储器中的位置。每个段的容量最大为64KB；段之间可以重叠。每个逻辑段的首地址的低4位为0，即是16的整数倍，将段首地址的高16位放在段寄存器中，称为“段基址”。而段内的相对地址也是16位，称为“偏移地址”。将1MB物理存储器空间也可用另一种分法。将20位物理地址分为两部分，如上图下面所示。用4位段号寄存器表示段号；16位寄存器表示段内地址。这样的缺点是要有一个4位寄存器，二是段的大小固定为64KB。3、逻辑地址和物理地址物理地址20位是唯一可识别的字节单元地址,即存储器的实际地址。逻辑地址是程序设计时，根据需要产生的一种地址，它不是真正的单元地址。逻辑地址由段基址和偏移地址两部分组成，它们都是16位无符号数。图2.7段基址和偏移地址物理地址可以由逻辑地址经过运算得到例如：段基址1123H1124H偏移地址0013H0003H物理地址11243H11243H可以看出，不同的段基址和偏移地址可以得到相同的物理地址。物理地址＝段基址×10H＋偏移地址如图2.9所示。物理地址的形成如图2.9所示。逻辑地址的来源如表2-5中所示的约定。4、存储单元的地址和内容存储器通常以字节编址，一个字节单元有一个唯一的存储器地址，称为物理地址。地址通常以16进制数表示。如36位地址总线，其地址范围为00000000～FFFFFFFFH。一个存储单元中存放的信息称为该单元的内容，图2.33是存储数据信息的数据类型。可见一个字要占两个地址，其低位字节存入低地址，高位字节存入高地址。同理，双字是4个字节，要占四个存储器地址，也是低位字节存入低地址，高位字节存入高地址。5、动态浮动码8086的段存储器结构，使编写与具体位置无关的或称动态浮动的程序成为可能。动态浮动使多道程序设计和多任务系统能特别有效地使用存储器。6、存储器堆栈存储器堆栈由堆栈段寄存器SS和堆栈指针寄存器SP来定位，其中SS存放现行堆栈的基地址，SP指向堆栈