微机原理与接口技术－电子教案－李云强 第2章 微处理器

1、微机原理与接口技术,中国水利水电出版社,主编 李云强,第2章 微处理器,2.1 8086/8088 CPU结构 2.2 8086/8088 CPU引脚功能 2.3 8086/8088 中断系统 2.4 8086 系统配置 2.5 8086 CPU的典型时序及操作 2.6 32位微处理器编程结构简介,2.1 8086/8088 CPU结构,2.1.1 8086/8088 CPU内部结构 16位微处理器基本结构具有如下特点： 引脚功能复用 总线分时复用 可控三态电路 单总线、累加器结构 Intel 8086 CPU是16位微处理器。外型为双列直插式，有40个引脚。8086CPU有16根数据线和20根地址线，直接寻址空间为220byte(1MB)。时钟频率有3种：8086型微处理器为5MHz，8086-2型为8MHz，8086-l型为10MHz。,如图2-1所示，8086/8088 CPU的内部结构包含两大部分：指令执行单元(EU)和总线口单元(BIU) EU从BIU的指令队列中取出指令，执行指令 BIU完成取指令，读操作数，送结果，所有与外部的操作由其完成 BIU和EU的操作是并行的。 若

2、需要访问内存或I/O端口，则由EU向BIU发出访问所需要的地址，在BIU中形成物理地址，然后访问内存或I/O端口，得到操作数后送到EU，或将结果到送指定的内存单元或I/O端口。这种并行工作方式，大大提高了系统工作效率。,总线接口部件BIU BIU具有地址形成、取指令、指令排队、读/写操作数和总线控制的功能，它是CPU与外部(内存和I/O端口)的接口，它提供了16位双向数据总线和20位地址总线，完成所有外部总线操作。 它由4个16位段寄存器、16位指令指针IP和内部暂存器、6字节(8088为4字节)指令队列缓存器、20位地址加法器以及总线控制逻辑部件等组成。 段寄存器。 指令指针。 地址加法器。 指令队列缓存器。 总线控制逻辑。,指令执行部件EU EU完成指令译码和执行指令的工作。EU从BIU的指令队列中取得指令，并在ALU上执行指令；然后，将处理的结果送回BIU，由BIU进行存储处理。它由ALU、标志寄存器、通用寄存器、暂存器、控制部件等组成。 算术逻辑运算单元ALU。 标志寄存器flags。 通用寄存器组。 EU控制器。,2.1.2 8086/8088 寄存器结构,寄存器可以用来存放

3、运算过程中所需要的操作数地址、操作数及中间结果。 8086微处理器内部包含有4组16位寄存器，它们分别是通用寄存器组、段寄存器、指针和变址寄存器、指令指针和标志位寄存器 ，如图2-2所示。,通用寄存器组 4个16位通用寄存器，它们是AX、BX、CX和DX，用以存放16位数据或地址。也可分为8个8位寄存器来使用，低8位是AL、BL、CL和DL，高8位为AH、BH、CH和DH，只能存放8位数据，不能存放地址。 AX:常作为累加器使用，是算术运算的主要寄存器。在乘法、除法等指令中指定用来存放操作数。除此之外，所有的输入、输出指令都使用这一寄存器与外部设备传送信息。 BX:常作为通用寄存器使用，此外，还经常作为基址寄存器。 CX:除作为通用寄存器外，还常在循环、移位指令中用来保存计数值。 DX:除作为通用寄存器外，一般在进行双字运算时把DX和AX组合在一起存放一个双字，DX用来存放高位字。此外，在进行输入、输出操作时，该寄存器用来存放端口地址。,段寄存器 8086/8088CPU内部设置了4个16位段寄存器，它们分别是CS、DS、SS、ES，由它们给出相应逻辑段的首地址，称为“段基址”。 段基

4、址与段内偏移地址(也称为有效地址，EA)组合形成20位物理地址，段内偏移地址可以存放在寄存器中，也可以存放在内存中。 CS:内存放可执行的指令代码段基址。 DS、ES:内存放操作的数据段基址，通常操作数在现行DS中，而在串指令中，目的操作数指明必须在现行ES中。 SS:开辟为程序执行中所要用的堆栈区，采用先进后出(FILO)的方式访问它 。 堆栈:存储器中开辟的一个区域，用来存放需要暂时保存的数据 。,各个段寄存器指明了一个规定的现行段，各段寄存器不可互换使用。程序较小时，CS、DS、SS可放在一个段内，即包含在64KB之内，而当程序或数据量较大，超过了64KB时，可以定义多个CS或DS、SS、ES。现行段由段寄存器指明段地址，使用中可以修改段寄存器内容，指向其它段。有时为了明确起见可在指令前加上段超越的前缀字节，以指定操作数所在段。 堆栈的一端地址是固定的，叫做栈底；另一端的地址是动态变化的，叫做栈顶。 有两种情况需要使用堆栈。 一是CPU自动使用堆栈，当调用子程序或响应中断，处理中断服务程序时，CPU自动将返回地址存放到堆栈中；当调用子程序时，CPU可能通过堆栈传递参数。 二是程序

5、员使用堆栈，用堆栈暂时存放数据。8086中规定堆栈设置在堆栈段(SS)内，堆栈指针SP始终指向堆栈的顶部，即始终指向最后推入堆栈的信息所在的单元。SP的初值，可由MOV SP，im指令来设定，SP的初值规定了所用堆栈的大小。,指针和变址寄存器 EU中，有一组4个16位寄存器，这组寄存器存放的内容是某一段地址偏移量，用来形成操作数地址，主要用在堆栈操作和变址运算中。 基址指针寄存器BP。 堆栈指针寄存器SP。 源变址寄存器SI。 目的变址寄存器DI。,指令指针寄存器 8086/8088CPU中设置了一个16位指令指针寄存器IP，用来存放将要执行的下一条指令在现行代码段CS中的偏移地址。 程序运行中，它由BIU自动将其修改，使IP始终指向下一条将要执行的指令的地址，因此，它是用来控制指令序列的执行流程的，是一个重要的寄存器 。 8086程序不能直接访问IP，但是可以通过某些指令修改IP的内容。,标志寄存器flags 16位标志寄存器flags寄存器用来存放运算结果的特征，具体格式如图2-3。 这些运算后的特征(标志位)常用作后续的条件转移指令的转移控制条件，其中7位没有定义，其余9位分成两

6、类： 状态标志，表示运算后结果的状态特征它影响后面的操作，有6位：CF、PF、AF、ZF、SF和OF 控制标志，用来控制CPU操作，有3个：TF、IF和DF,(1) 6个状态标志位 OF(Overflow Flag)：溢出标志位 。 SF(Sign Flag)：符号标志位。 ZF(Zero Flag)：全零标志位 。 AF(Auxiliary Carry Flag)：辅助进位标志位 。 PF(Parity Flag)：奇偶校验标志位 。 CF(Carry Flag)：进位标志位 。 例2-1 将5394H与777FH两数相加，并说明其标志位状态： 解：二进制运算竖式如下图所示。 运算结果为23EBH，并置标志位为OF=0，SF=1，ZF=0，AF=0， PF=0，CF=0。,(2) 3个控制标志位 DF(Ditection Flag)：方向标志位。 IF(Interrupt Flag)：中断标志位。 TF(Trap Flag)：单步标志位 。,2.1.3 8086/8088 存储器与I/O组织,1. I/O内存地址分段与合成 8086/8088系统有20位地址线可寻址1MB字节的存储空

7、间，而8086为16位机，CPU内部寄存器只有16位，可寻址216B=64KB 。 为了解决这一矛盾，8086/8088 CPU采用了将存储器地址空间分段的方法，即将1 MB空间划分成若干个逻辑段，每个逻辑段的最大长度为64KB 。 把段起始地址的高16位称为段基地址，相对于段起始地址的一个偏移量称为偏移地址(也叫有效地址)，把“段基地址：偏移地址”的表示形式称为存储单元的逻辑地址，逻辑地址也是编程时采用的地址形式 。,存储器采用分段编码的好处，使得程序中的指令只涉及16位地址，缩短了指令长度，提高了程序执行的速度。尽管8086的存储器空间多达1MB，但在程序执行过程中，不需要在1MB空间中去寻址，多数情况下只须在一个较小的存储器段中运行。大多数指令运行时，并不涉及段寄存器的值，只涉及16位的偏移量。 物理地址：内存的绝对地址，从00000FFFFFH，是CPU访问内存的实际寻址地址。 物理地址由逻辑地址变换而来。物理地址=段基址16+偏移地址，物理地址在BIU的地址加法器中形成 物理地址的计算如图2-5所示 ：,例2-2 CS存放当前代码段基地址，IP存放了下一条要执行指令的段内偏移

8、地址， 若CS=2000H，IP=003AH。 则物理地址=CS16+IP=2000H10H+003AH=2003AH,2. 逻辑地址来源 由于访问内存的操作类型不同，BIU所使用的逻辑地址来源也不同，如表2-1所示。,取指令时，自动选择CS值作段基址，偏移地址由IP来指定，计算出取指令的物理地址。 当堆栈操作时，段基址自动选择SS值，偏移地址由SP来指定。 当进行读/写内存操作数或访问变量时，则自动选择DS或ES值作为段基址(必要时修改为CS或SS)，此时，偏移地址要由指令所给定的寻址方式来决定，可以是指令中包含的直接地址，可以是地址寄存器中的值，也可以是地址寄存器的值加上指令中的偏移量。 当用BP作为基地址寻址时，段基址由堆栈寄存器SS提供，偏移地址从BP中取得。 在字符串寻址时，源操作数放在现行数据段中，段基址由DS提供，偏移地址由源变址寄存器SI取得，而目标操作数通常放在当前ES中，段基址由ES寄存器提供，偏移地址从目标变址寄存器DI取得。,图2-6是段寄存器与其它寄存器组合寻址存储单元的示意图,3. 8086内存的分体结构及访问方法 8086系统中，1MB的存储空间分成两个存

9、储体：偶地址存储体和奇地址存储体，各为512KB，示意图如图2-7所示。对于任何一个存储体，只需要用19位地址码A19A1就够了，最低地址码A0用于区分当前访问哪一个存储体。 当A0=0时，表示访问偶地址存储体，偶地址存储体与数据总线低8位相连，从低8位数据总线读/写一个字节。当A0=1表示访问奇地址存储体。8086系统设置一个高位有效控制信号 。 与A0相互配合使得CPU可以访问两个存储体中的一个字节。A0和 功能组合见表2-2。,两个存储体与CPU总线之间的连接如图2-8所示。奇地址存储体的片选端受控于信号 ，偶地址存储体的片选端受控于地址线A0。 内存中存放的信息称为存储单元的内容，例如，存储单元00100H中的内容为34H，表示为(00100H)=34H。 一个字在内存中按相邻两个字节存放，存入时以低位字节在低地址，高位字节在高地址的次序存放，字单元的地址以低位地址表示。 一个字可以从偶地址开始存放，也可以从奇地址开始存放，8086CPU访问内存时，都是以字为单位进行的，并从偶地址开始。这种存放方式也称作“对准存放”。 当CPU读/写一个字时，如果字单元地址从偶地址开始，那么只需要访问一次内存；如果字单元地址从奇地址开始，那么CPU需要两次访问内存，第一次取奇地址上数据(偶地址8位数据被忽略)，第二次取偶地址上数据(奇地址8位数据被忽略)。 因此，为了加快程序运行速度，编程时要采用 “对准存放”的方式。,4. 专用和保留的存储器单元 Intel公司为了保证与未来产品的兼容，规定在存储区的最低地址区和最高地址区保留一些单元供CPU的某些特殊功能专用 00000H003FFH:存放中断向量表，每个中断向量占4个字节，前2个字节存放中断处理服务程序入口的偏移地址，后2个字节存放中断处理服务程序入口的段地址 B0000HB0FFFH：单色显示器的视频缓冲区，存放单色显示器当前屏幕显示字符所对应的ASCII码及其属性 B8000HBBFFFH：彩色显示器的视频缓冲区，存放彩色显示器当前屏幕像素点所对应的代码 FFFF0HFFFFFH：存放一条无条件转移指令，使系统在上电或复位时，自动跳转到系统的初始化程序。这个区域被包含在系统的ROM范围内，在ROM

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