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微型计算机原理及接口技术 教学课件 ppt 作者 林志贵 第2章 Intel 8x86微处理器

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    • 1、第2章 Intel 8x86微处理器,2.1 8086/8088 CPU的结构 2.2 8086/8088 CPU的引脚信号和工作模式 2.3 8086存储器系统 2.4 8086/8088 的主要操作功能 2.5 80286微处理器 2.6 80386/80486微处理器 2.7 Pentium微处理器,本章主要内容,8086和8088CPU的内部结构基本相同,但是外部性能有所区别,8086是16位数据总线,而8088是8位数据总线 8088用于处理外设数据及检测控制系统,2.1.1 执行部件,8086与8088差异,2.1 8086/8088 CPU的结构,2.1.1 执行部件,负责指令的执行,将指令译码并利用内部的寄存器和ALU对数据进行处理,2.1.1 执行部件,(1)通用寄存器组,功能:存放操作数和中间结果,处理“字”指令时,用16位寄存器,处理“字节”指令时,用8位寄存器,AX(AH,AL)累加器 存放参加运算的操作数和运算结果,有些指令约定AX(AL)寄存器为累加器,如乘法、除法、输入/出指令。所有寄存器均可作累加器,2.1.1 执行部件,BX(BH,BL)基址寄存器 计

      2、算地址时用作基地址寄存器,用于扩展寻址,起变址作用,CX(CH,CL)计数寄存器 在某些指令中作隐含的计数器。例如循环操作、串操作及移位操作等,DX(DH,DL)数据寄存器 存放操作数和列表数据, 在某些I/O操作期间,用来保存I/O端口地址,在乘除运算中有专用,2.1.1 执行部件,(2)专用寄存器组,SP 堆栈指针寄存器 访问堆栈段的栈顶单元。栈是一种先进后出的 数据结构,最后入栈的数据为栈顶数据,其单元 地址称为栈顶地址,入栈:“船高水涨”,出栈:“水落船低”,2.1.1 执行部件,BP 堆栈区基地址寄存器 对堆栈段寄存器相对寻址的基地址寄存器,可访问堆栈段的任意单元,寄存器间接寻址、 相对寻址、 基址变址寻址、 相对基址变址、 访问数据段的任意单元 在数据串中专用,2.1.1 执行部件,(3)算术逻辑单元,加法器,完成16位或8位算术逻辑运算,(4)标志寄存器 FR,2.1.1 执行部件,标志寄存器共有16位,其中7位未用, 状态标志,CF(carry flag):进/借位标志 当做16位或8位加减法运算时,最高位有进/借位,则CF=1,否则CF=0。循环指令影响进位标志,用于

      3、寄存器程序运行的状态信号,由硬件根据运算结果自动设定,用作后续指令判断依据,2.1.1 执行部件,PF(parity flag) 奇偶标志/奇偶校验位 运算结果中若低8位中的“1”的个数为偶数,PF=1,若为奇数PF=0(奇校验方式),AF(Auxiliary Carry Flag) 辅助进/借位标志 当作16位或8位加减法运算时,最低四位向高四位有进借位AF=1,否则AF=0,用于BCD码的调整。专用BCD加减法,ZF(Zero Flag) 零标志 当算术或逻辑与计算指令生成结果为零时,则ZF=1,否则ZF=0,SF(Sign Flag)符号标志 与运算结果的最高位相同,若运算结果为负数,则SF=1,若为正数SF=0,2.1.1 执行部件,OF(Over Flag)溢出标志 当运算结果超出了机器数所能表示的范围时,称为溢出 OF=1,否则OF=0 字节 -128+127 字 3276832767 通常CF用于无符号数运算结果的溢出判断,而OF 则用于有符号数的运算结果溢出判断,在8086系统中,有一条中断指令INTO(中断类型4)能够在发生溢出时,产生一个内部中断,CPU自动转入溢出

      4、中断服务程序中,并对溢出作相应处理,一般在指令运算后加上该指令,2.1.1 执行部件,看作无符号数运算: 202+120=322,显然超出了8位二进制数所能表示的最大 无符号数255,运算结果溢出CF=1,看作有符号数运算: -54+(+120)=+66,运算结果不溢出OF=0, 控制标志,IF(Interrupt Flag) 中断标志 可由指令设置。当IF=1时,CPU开中断;当IF=0时,CPU关中断,IF只能对可屏蔽中断产生影响,而对非屏蔽中断和内部中断无影响,2.1.1 执行部件,DF(Direction Flag) 方向标志 在串处理指令中,用于控制串处理的方向。当DF=0时, SI、DI自动增量;当DF=1时, SI、DI自动减量;该指令 由方向控制指令设置或清除,TF(Trap Flag)(跟踪) 陷阱标志 可由指令设置。当TF=1时,表示以单步方式执行程序,即CPU每执行完一条指令,就自动产生一次内部单步中断中断类型1(也称为陷阱),进入系统控制程序,利用此功能可跟踪指令的执行状况,用于程序调试,2.1.1 执行部件,(5)内部控制逻辑电路,从指令队列缓冲器中取出指令,

      5、进行译码,产生 各种控制信号,控制各种部件的工作,2. 总线接口部件(BIU),2.1.1 执行部件,2.1 8086/8088 CPU的结构,2.1.2 总线接口部件,负责与存储器、I/O端口传送数据,包括对存储器的读写数据操作,对I/O端口的读写操作以及取指令操作,即BIU管理在存储器中读写程序和数据的实际处理能力,2.1.2 总线接口部件,2.1.2 总线接口部件,8086/8088地址引脚有20根,所以其寻址空间为2201MB,其地址范围为:00000HFFFFFH 将1MB空间分成16段,每段最大为64KB,每段的首地址必须能被16整除(即凡是能被16整除的地址均可定义为段首地址) 目的:与8位机在软件保持兼容 各段之间可以是连续、分开、部分重叠或完全重叠的 当段首地址确定后,段内的16位地址称为偏移地址 由于8086存储系统数据存贮器和程序存储器是统一编址的,分段可以使他们隔离,互不相扰,(1)段寄存器,2.1.2 总线接口部件,逻辑地址:程序中出现的地址是逻辑地址,是用符号地址表示的。逻辑地址包括段基址和偏移地址,CPU执行程序时,需要将逻辑地址转换为物理地址,称为地址重

      6、定位,物理地址和逻辑地址,物理地址:是指信息在存储器中实际有效的地址单元号,CPU访问内存是按物理地址寻址的。每一个物理地址是由段基址和段内偏移量组成 物理地址段基址16偏移量,2.1.2 总线接口部件,1MB的存储空间可分为四种类型的段(代码段、数据段、堆栈段、附加段),段基址分别存放在对应的段寄存器中,CS 代码段寄存器 保存当前执行程序所在段的段基址,CS中的数乘16,再加上指令指针寄存器IP中的内容,即是下一条将要取出指令的代码的地址,2.1.2 总线接口部件,DS 数据段寄存器 保存有数据段的段基址。数据段是用来保存当前程序中的操作数和变量,SS 堆栈段寄存器 保存有堆栈段的段基址,SS中的数据乘16,加上堆栈 指针寄存器SP中的数形成栈顶地址,ES 附加段寄存器 进行字符串操作时,作为目的段地址使用,是一种附加 的数据区,若要使用附加段,必须对ES置初值。在附加段中, DI寄存器用于存放附加段的偏移量,2.1.2 总线接口部件,(2)指令指针寄存器IP16位寄存器,目的:产生20位的物理地址。物理地址的获得方法: 将段寄存器中的内容左移4位(或者乘以16)与偏移 地址(即对

      7、段首的偏移量)在地址加法器内相加,产 生20位的物理地址,用来存放将要取出指令的偏移地址,每执行一条指令,IP其增量大小与已执行指令的字节长度有关。程序以代码的形式存在于存储器中,每一条指令都有一个存放地址,IP总要指向下一条将要执行的指令地址,(3)地址加法器,物理地址段基址16偏移量,2.1.2 总线接口部件,(4)指令队列缓冲器 8086有6字节缓冲器,8088有4字节缓冲器。在执行部件 执行指令的同时,可以从内存中取出下一条或下几条指令 放到缓冲器,一条指令执行完后,可立即译码执行下一条 指令,从而解决了以往CPU取指令期间,运算器的等待问题。 由于取指令和执行指令并行进行,从而提高了CPU的效率,(5)输入/出控制电路 输入/出控制电路控制CPU与外部电路的数据交换。8086 有20条地址线,16条数据线,由输入/出控制电路控制分时 复用的CPU芯片的16个引脚,(6)内部暂存器 用于内部数据的暂存,该部分对用户透明,用户无权访问,2.1.2 总线接口部件,计算机是在时钟控制下进行工作的,若干个时钟完成一个基本操作,一个基本操作就是一个总线周期,CPU有若干种典型操作,构成相

      8、应的总线周期。如存储器的读写总线周期,I/O读写总线周期等,执行一条指令的时间称为指令周期,指令周期是由若干总线周期构成,8086/8088的基本总线周期是由4个时钟周期组成,在执行WAIT指令或READY引脚输入的状态为低电平时,都需要在T3和T4之间插入1个或若干个等待时钟周期Tw,2.1 8086/8088 CPU的结构,2.1.3 8086总线的工作周期,2.1.3 8086总线的工作周期,T2状态 CPU从总线上撤销有效地址,使地址总线低16位呈高阻状态,为数据传输做准备。总线的高4位(A19A16)输出总线周期的状态信息,用于表示中断允许状态及正在使用的段寄存器名,T1状态 CPU向多路复用总线上发送地址信息,指出要寻址的内存单元地址或I/O端口地址。这期间CPU还要送出ALE(正向脉冲),在ALE下降沿将内存单元地址或I/O端口地址打入地址锁存器,2.1.3 8086总线的工作周期,T3状态 A19A16上的状态信息不变,地址总线低16位上出现CPU要写出的或准备读入的数据。若外设与内存来不及与总线交换数据,则应通过CPU的READY信号,在T3前沿(下降沿)之前向CPU

      9、申请插入等待状态TW,在T3及TW前沿查询READY信号,查到高电平则结束等待状态,进入下一状态。否则继续插入等待,T4状态:总线周期结束 在一个总线周期之后,若不立即进入下一个总线周期, 即CPU不与内存或外设交换数据或者指令队列已满,系统 总线处于空闲状态,CPU执行总线空闲周期,总线空闲周 期一般由一个或多个时钟周期组成,2.1.3 8086总线的工作周期,2.2.1 8086/8088CPU的引脚信号和功能,8086为40引脚双列直插式封装,某些引脚具有双 重功能,称为引脚复用,分时复用 在同一个总线周期中不同的时钟周期内功能不同,模式复用 根据工作模式的不同引脚定义不同,2.2 8086/8088 CPU的引脚信号和工作模式,2.2.1 8086/8088 CPU的引脚信号和功能,AD15AD0 地址/数据复用总线引脚,双向,分时复用 构造总线必须加锁存器,8088的高8位不做 复用,地址引脚是单向的,A16/S3A19/S6 地址/状态复用引脚,单向,分时复用访问 存储器时,在总线周期的T1时刻,做高4位 地址,T2、T3、TW、T4状态时,用于输出 状态信息。访问I/O端口时,输出均为低电 平,8086最多可访问64K个I/O端口,S4 S3 0 0 ES 0 1 SS 1 0 CS 1 1 DS,S6=0,8086/8088当前与总线相连,2.2.1 8086/8088 CPU的引脚信号和功能,2.2.1 8086/8088 CPU的引脚信号和功能,NMI 非屏蔽中断,输入,上升沿有效 当该引脚出现有效信号时,CPU执行完指令后,立即响应中断,不受IF影响,软件也屏蔽不掉,中断类型号是2,INTR 可屏蔽中断,输入,高电平有效 CPU在执行每一条指令的最后一个时钟周期采样该引脚,若为高电平(若IF=1),则响应中断,CLK 时钟,输入 CPU和总线控制的基准定时脉冲,一个时钟周期内具有1/3有效高电平(即占空比33),其频率为4MHz、5MHz、8 MHz、10 MHz等 ,CPU的所有操作都是在时钟同步下进行的,2.2.1 8086/8088 CPU的引脚信号和功能

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