微机原理及接口技术 教学课件 ppt 作者 王惠中 王强 第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 2.2 8086/8088微处理器 2.3 8086系统的组成 2.4 存储器组织 2.5 8086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。,2Intel 8086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。,3Intel 8086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,4Intel 8086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： 1Intel 8088微处理器与Intel 8086微处理器 的不同之处。 2Intel 8086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Pentium4 2GHz 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Pentium4 2GHz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，0.35m, 0.25m, 0.18m, 0.13m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、Pentium PRO、Pentium II、 Pentium III、Pentium 4：32/64位,2.2 8086/8088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Personal Computer（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,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。,2.2.2 8086CPU功能结构图,EU 控 制 器,标志寄存器,8位队列总线,总 线 控 制 逻 辑,内部总线16位,20位地址总线,16位数据总线,执行部件EU,总线接口部件BIU,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(Arithmetic and Logic Unit) 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(Effect Address) 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）。,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、TF,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（Overflow Flag）：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（Carry Flag）：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（Auxiliary Carry Flag）：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（Sign Flag）：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（Zero Flag）：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（Parity Flag）：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,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=10=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；,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=00=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（Direction Flag）：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（Interupt Flag）：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（Trap Flag）：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。X86 CPU也提供了直接设置状态标志之值的指令,调试状态时，标志位之值的符号表示,AX,BX,CX,DX,8086的通用寄存器,目的变址指针(Destination Index),DI,源变址指针(Source Index),SI,基址指针(Base Pointer),BP,堆栈指针(Stack Pointer),SP,数据寄存器(Data),计数寄存器(Count),基址寄存器(Base),累加器(Accumulator),8086的16位通用寄存器是： AX BX CX DX SI DI BP SP 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： AH BH CH DH AL BL CL DL 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，通用寄存器可以用于任何指令的任意操作，可以相互替换 16位的数据寄存器都可分成2个8位寄存器使用，是同一个物理介质。如果已用作一个16位的数据寄存器，则不能再用作1个或2个8位数据寄存器；反之亦然 地址寄存器不能分解为8位使用 除了通用目的之外，有些操作规定只能使用某个寄存器，即寄存器的特殊用法,通用寄存器 通用寄存器分为数据寄存器与指针和变址寄存器两组。 数据寄存器包括4个