微机原理3-1

第三章微处理器及其系统 微型计算机原理及应用 主编 李继灿 清华大学出版社 2 引言 微型计算机系统 硬件系统 微机 软件系统 微处理器 CPU 主存储器 算术逻辑部件 外设 控制器 应用软件 微型计算机系统的组成 系统软件 寄存器 I O接口 键盘 鼠标 显示器 硬盘 光盘 打印机等 3 内容提要 3 3存储器 3 2最小 最大工作方式 3 18086 8088微处理器 3 4指令系统 3 5微处理器 4 3 180X86微处理器 80X86是Intel公司生产的微处理器系列 微处理器 把运算器和控制器集成到一个芯片 微计算机系统 把微处理器芯片作为中央处理机 CPU 配上存储器 输入输出设备和系统软件构成微计算机系统 如 由80386微处理器芯片构成的微机称为386微机 由P4微处理器芯片构成的微机称为P4微机 5 3 1 0Intel微处理器发展概述 1968年 罗伯特 诺伊斯 RobertNoyce 戈登 摩尔 GordonMoore 和安迪 格鲁夫 AndyGrove 在硅谷共同创立了英特尔公司 OnlytheParanoidSurvive AndyGrove 了解 6 3 1 0Intel微处理器发展概述 1 第1代微处理器 Intel4004 4040 4位微处理器 1971 Intel8008 低档8位微处理器 1972 2 第2代微处理器 Intel8080 8085 8位微处理器 1974 指令比较完善 有了中断与DMA汇编 BASIC FORTRAN Intel4004 Intel8085 了解 7 3 第3代微处理器 Intel8086 16位微处理器 1978 数据总线16位 地址总线20位Intel8088 准16位微处理器 1979 外部数据总线8位 内部数据总线16位IBMPC 1981 IBMPC XTIntel80286 高档16位微处理器 1982 数据总线16位 地址总线24位IBMPC AT实地址模式 虚地址保护模式虚地址模式可寻址16MB物理地址和1GB的虚拟地址 3 1 0Intel微处理器发展概述 了解 8 3 1 0Intel微处理器发展概述 了解 9 Intel公司生产的80 x86 10 3 1 1内部结构 1 算术逻辑部件ALU 执行算术和逻辑运算 2 控制器 负责对全机的控制 3 寄存器 处理器中临时存储数据的基本逻辑部件 CPU的任务 执行存放在存储器中的指令序列 CPU的组成 运算器 控制器 高速缓存 386开始 CPU功能 取指令 分析指令 执行指令 11 中央处理机CPU的物理组成 8086 8088由两部分组成总线接口单元BIU功能 取指令 取操作数 保存结果执行单元EU功能 执行指令 总线接口单元 地址总线 数据总线 系统总线 主存储器 控制总线 I O接口 I O接口 I O设备 I O设备 执行单元 CPU 12 内部暂存器 IP ES SS DS CS 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 AHAL BHBL CHCL DHDL BP SI DI SP 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 Intel8086处理器的内部结构框图 16位内部数据总线 20位地址线 8位 DB AB 13 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 其具体任务是 BIU要从内存取指令送到指令队列缓冲器 CPU执行指令时 总线接口单元要配合执行单元从指定的内存单元或者外设端口中取数据 将数据传送给执行单元 或者把执行单元的操作结果传送到指定的内存单元或外设端口中 BIU内有4个16位段地址寄存器CS 代码段寄存器 DS 数据段寄存器 SS 堆栈段寄存器 和ES 附加段寄存器 16位指令指针IP 6字节指令队列缓冲器 20位地址加法器和总线控制电路 14 1 指令队列缓冲器 8086的指令队列为6个字节 而8088的指令队列为4个字节 在执行指令的同时 从内存中取下面1条或几条指令 取来的指令依次放在指令队列中 先进先出 的原则 1 取指时当指令队列缓冲器中存满1条指令后 EU执行 2 指令队列缓冲器中只要空出2个 对8086 或空出1个 对8088 指令字节时 BIU自动执行取指操作 直到填满 15 3 在EU执行指令的过程中 指令需要对存储器或I O设备存取数据时 BIU将在执行完现行取指的存储器周期后的下一个存储器周期 对指定的内存单元或I O设备进行存取操作 交换的数据经BIU由EU进行处理 4 当EU执行完转移 调用和返回指令时 则要清除指令队列缓冲器 并要求BIU从新的地址重新开始取指令 新取的第1条指令将直接经指令队列送到EU去执行 随后取来的指令将填入指令队列缓冲器 16 2 地址加法器和段寄存器 8086有20根地址线 内部寄存器有16位 采用了16位的段寄存器与16位的偏移地址即 段加偏移 的技术 利用各段寄存器分别来存放确定各段的起始地址的16位段地址信息 而由IP提供或由EU按寻址方式计算出寻址单元的16位偏移地址 又称为逻辑地址或简称为偏移量 然后 将它与左移4位后的段寄存器的内容同时送到地址加法器进行相加 最后形成一个20位的实际地址 又称为物理地址 以对存储单元寻址 17 3 16位指令指针IP InstructionPointer 其功能与8位CPU中的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 有些指令能使IP值改变或使IP值压进堆栈 或由堆栈弹出恢复原值 18 执行单元EU并不与系统的总线控制电路直接相连 这使得它能与总线接口单元之间保持既相互联系又相互独立的关系 功能只是负责执行指令 执行的指令从BIU的指令队列缓冲器中取得 执行指令的结果或执行指令所需要的数据 都由EU向BIU发出请求 再由BIU经总线控制电路对存储器或外设存取 EU由下列部分组成 二 执行单元EU 19 1 16位算术逻辑单元 ALU 它可以用于进行算术 逻辑运算 也可以按指令的寻址方式计算出寻址单元的16位偏移量 2 16位标志寄存器F 它用来反映CPU运算的状态特征或存放控制标志 3 数据暂存寄存器 它协助ALU完成运算 暂存参加运算的数据 4 通用寄存器组 它包括4个16位数据寄存器AX BX CX DX和4个16位指针与变址寄存器SP BP与SI DI 20 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 EU中所有的寄存器和数据通道 除队列总线为8位外 都是16位的宽度 可实现数据的快速传送 8088CPU内部结构与8086的基本相似 只是8088BIU中指令队列长度为4个字节 8088BIU通过总线控制电路与外部交换数据的总线宽度是8位 总线控制电路与专用寄存器组之间的数据总线宽度也是8位 21 3 1 280X86的寄存器结构 重点 可见寄存器应用程序中由指令进行访问的寄存器 通用寄存器 8个段寄存器 4个专用寄存器 2个 22 8086 8088内部寄存器 AH AX AL 累加寄存器 BH BX BL 基址寄存器 CH CX CL 计数寄存器 DH DX DL 数据寄存器 SP 堆栈指针寄存器 BP 基址指针寄存器 SI 源变址寄存器 DI 目的变址寄存器 8个16位通用寄存器 4个16位段寄存器 CS 代码段寄存器 DS 数据段寄存器 SS 堆栈段寄存器 ES 附加段寄存器 2个16位控制寄存器 IP 指令指针寄存器 FR 标志寄存器 按照功能分类 将14个内部寄存器分为三组 数据寄存器 掌握 23 1 通用寄存器 AX accumulator 累加器 算术运算 乘除指令中指定存放操作数 I O指令使用AX与外设传送信息BX base 基址寄存器 除通用外 计算存储器地址时 用作基址寄存器CX count 计数器 除通用外 保存计数 移位 循环等指令中的计数器 DX data 数据寄存器 除通用外 在双字长运算中 DX和AX组合保存双字长数 DX存放高16位 或存放外设端口地址特点 可作16位寄存器使用 也可拆成2个独立的8位寄存器具有良好的通用性 在程序中即可存放操作数 也可存放操作结果 1 数据寄存器 掌握 24 数据寄存器举例 例如 在指令中指明使用ADDAX BXMOVBL AL例如 在指令中特定使用CLSHLAX CL 逻辑左移 CL 位例如 在指令中隐含使用ALMULBL 无符号乘法 AX AL BL 25 2 指针及变址寄存器 变址寄存器 存储器寻址时 与数据段寄存器联用 提供偏移地址 只能以字的形式访问 SI SourceIndex 源变址寄存器DI DestinationIndex 目的变址寄存器指针寄存器 SP StackPoint 堆栈指针寄存器 存放堆栈段中栈顶单元的偏移量BP BasePoint 基址指针寄存器 存放堆栈段中某个单元的全部 部分偏移量 也可存放16位操作数或结果 也可用于存放操作数 但只能作为16位R使用 掌握 26 3 1 2 2段寄存器 CS 代码段寄存器 对应的段存放指令代码DS 数据段寄存器 对应的段存放数据或变量SS 堆栈段寄存器 对应的段存放栈操作的数据ES 附加段寄存器 对应的段存放数据或变量 存储器是按段进行组织的 段寄存器就是用来存放段基值的 段起始地址的高16位 掌握 27 需执行的程序通常分为4个段 代码段 数据段 堆栈段 附加段 00000 代码段 FFFFFH CS DS SS ES 16位段寄存器 代码段寄存器 数据段寄存器 堆栈段寄存器 附加段寄存器 注意 段寄存器的功能不能互换 数据段 堆栈段 段基址 段基址 段基址 段基址 附加段 28 3 1 2 3专用寄存器 8086 8088 80286 16位寄存器指令指针寄存器IP标志寄存器F80386及其后继机型 了解 32位寄存器指令指针寄存器EIP标志寄存器EFLAGES 29 30 3 1 2 3专用寄存器 IP或EIP IP InstructionPointer 指令指针寄存器IP 指示代码段中指令的偏移地址它与代码段寄存器CS联用 确定下一条指令的物理地址物理地址 CS 16D IP 计算机通过CS IP寄存器来控制指令序列的执行流程不能对IP指针直接进行访问 CS IP 0000 CPU 00000H FFFFFH 代码段段基址 偏移量IP 01010010 00010010 正在执行的指令 下一条指令 掌握 31 3 1 2 3专用寄存器 标志寄存器F 标志 Flag 用于反映指令执行结果的情况或控制指令的执行方式又称程序状态字寄存器 programstatusword PSW 32 1 条件 状态 标志记录程序运行结果的状态信息 主要包含 符号标志SF 零标志ZF 辅助进位AF 奇偶标志PF 进位标志CF 溢出标志OF 2 控制标志方向标志DF 用于串处理指令 3 系统标志 中断允许标志IF IF 1 CPU允许中断 否则关闭中断 陷阱 或跟踪 标志TF TF 1 机器进入单步工作方式 TF 0 机器处于连续工作方式 3 1 2 3标志寄存器 OFDFIFTFSFZFAFPFCF 掌握 33 例某CPU内含8位运算器 则 参加运算的数及结果均以8位表示 最高位产生的进位或借位在8位运算器中不保存 而将其保存到标志寄存器中 掌握 34 进位标志CF CarryFlag 记录运算时从最高有效位 字节第7位 字第15位 产生的进 借位值 例如 执行指令 ADDAL BL3AH 7CH B6H 没有进位 CF 0AAH 7CH 1 26H 有进位 CF 1 掌握 35 溢出标志OF OverflowFlag 算术运算中 带符号数的运算结果超出了8位或16位带符