[计算机硬件及网络]第02章8086系列结构微处理器.ppt

第2章 80x86系列结构微处理器与8086,2.1 80x86系列微处理器8086 的延伸 2.2 8086的功能结构 2.3 8086微处理器的执行环境,2.1 80x86系列微处理器是8086的延伸,IA-32结构的发展历史。 8086 80386 Intel 386处理器是IA-32结构系列中的第一个32位处理器。 80486,奔腾（Pentium） P6系列处理器 奔腾II 奔腾III Intel Pentium4处理器 Intel Pentium 4处理器是最新的IA-32处理器，并是第一个基于Intel NetBurst微结构的处理器。,2.2 8086的功能结构,8086（8088）CPU从功能上来说分成两大部分：总线接口单元BIU（Bus Interface Unit）和执行单元EU（Execution Unit）。 BIU负责8086CPU与存储器之间的信息传送。 EU部分负责指令的执行。,非屏蔽中断,可屏蔽中断,最小最大模式控制 MN/MX=1,最小模式 MN/MX=0,最大模式,读信号,总线保持请求信号,总线保持相应信号,写信号,存储器/IO控制信号 M/IO=1,选中存储器 M/IO=0,选中IO接口,数据发送/接收信号 DT/R=1,发送 DT/R=0,接收,数据允许信号,地址允许信号,中断相应信号,测试信号:执行WAIT指令， CPU处于空转等待; TEST有效时,结束等待状态。,准备好信号:表示内存 或I/O设备准备好， 可以进行数据传输。,复位信号,8086引线,1、MN/MX：最小/最大模式控制（输入，33脚） 接+5V，最小模式；接地，最大模式。 2、VCC（40脚）：+5伏电源引出脚 GND（1、20脚）：接地引出脚。 3. AD15-AD0（第2-16，39脚），双向，三态。 地址/数据线：分时复用; T1状态：AD15AD0为地址信号； T2 、T3、TW、T4状态：数据信号. 4. A19/S6A16/S3（输出，三态，35-38） 地址/状态信号,T1状态： A19A16为地址的高四位， T2、T3、TW、T4状态：为状态信号。 S6=0，8086CPU连在总线上； S5：中断允许标志设置： S5=0，允许可屏蔽中断请求 S5=1，禁止可屏蔽中断请求,5、BHE/S7（输出，三态，34） T1状态：D15D8有效， T2、T3、TW、T4：为S7信号，在8086中无意义。 BHE和A0区分数据格式： BHE A0 操作 数据引脚 0 0 从偶地址写一个字 AD15AD0 1 0 从偶地址读/写一个字节 A D7AD0 0 1 从奇地址读/写一个字节 AD15AD8 0 1 1 0,从奇地址读/写一个字 AD15AD0,6、NMI：非屏蔽中断（输入，17脚 不受中断允许标志IF的影响，不能用软件进行屏蔽。 7、INTR可屏蔽中断请求（输入，18脚 若IF=1，CPU将响应中断请求。 8、RD读信号（输出，32脚） 将对内存或I/O端口进行操作。 9、CLK时钟（输入，19 要求频率为：8086-2：8MHZ,10、TEST：测试信号（输入，第23脚） 执行WAIT指令，CPU处于空转等待，当 TEST有效时，结束等待状态。 11、RESET：复位信号（输入，21脚） 标志寄存器、IP、CS、ES、SS、DS和指 令队列清零，CS置为FFFFH。 12、READY：准备好信号（输入，22脚） 表示内存或I/O设备准备好，可以进行数据传输。,8086的内部结构,1 、8086内部寄存器，为16位。 8086有16位数据据线，与地址线A0-A15兼用；20位地址线,寻 址空间达到1MB. 2、8088有8位数据线，与地址线A0-A7兼用； 引脚28、34信号，功能与8086稍有不同。,8086的内部结构,8086CPU内部结构分成两部分: 总线接口部件BIU: 总线接口单元BIU，负责控制存贮器读写。 执行部件EU: 执行单元EU从指令队列中取出指令并执行。 特点： 取指部分和执行指令部分分开进行，提高了速度。,外部总线,内部暂存器,IP,ES,SS,DS,CS,输入/输出控制电路,执行部分控制电路,1 2 3 4 5 6,ALU,标志寄存器,AH AL,BH BL,CH CL,DH DL,SP,BP,SI,DI,通用 寄存 器,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,执行部件,总线接口部件,执行部件EU （Excution Unit）,1、 四个16位数据寄存器： AX、BX、CX、DX，每个16位寄存器可作8位寄存器。,16位 8位 8位 AX AH AL BX BH BL CX CH CL DX DH DL,2、 四个专用寄存器 二个指针寄存器 SP：堆栈指针，其内容与堆栈段寄存器SS的内容相加，提供 堆栈操作地址。 BP：基址指针：构成段内偏移地址的一部分. 二个变址寄存器: SI:（Source Index）：SI含有源地址意思,产生有效地址或实际地址的偏移量。 DI:（Destination Index）：DI含有目的意思,产生有效地址或实际地址的偏移量。,3、算术逻辑单元ALU： 主要是加法器。大部分指令的执行由加法器完成。 4、 标志寄存器：16位字利用了9位。 标志分两类： 状态标志（6位）：反映刚刚完成的操作结果情况。 控制标志（3位）：在某些指令操作中起 控制作用。,进位标志CF: 运算结果有进位,CF=1,否则CF=0; 奇偶校验标志PF: 辅助进位标志AF: 零标志ZF: 结果为零,ZF=1;否则CF=0; 符号标志SF: 与运算结果的最高位相同; 溢出标志OF: 跟踪标志TF: CPU按跟踪方式执行指令; 中断允许标志IF: IF=1,允许可屏蔽中断; 方向标志DF:,标志位,控制位,例1、将两数相加，即0100 1100加 0110 0101， CF、PF、AF、ZF、SF、OF各为何值？ 0100 1100 + 0110 0101 1011 0001 CF=0，PF=1，AF=1，ZF=0， SF=1， OF=1,总线接口单元BIU （Bus Interface Unit）,总线接口单元：控制存储器IO与CPU的信息传送。 1. 四个段寄存器：(CS.DS.SS.SS) 由于8086访问内存要20位地址(MB），而执行单元EU中所有寄存器 和数据通道均为16位，只能提供16位地址。,由四个段寄存器的某个段地址或地址偏移，通过地址加法器，形成20位物理地址。 执行单元中各寄存器均为16位，只能寻址 =64K字节，利用段寄存器，可以扩大寻址空间为 =1MB。 段寄存器为信息按特征分段存贮带来方便. 存储器可以划分为：程序区、数据区、堆栈区 CS：16位的代码段寄存器，管理程序段 DS：16位的数据段寄存器，管理数据段。 ES：16位的扩展段（附加段）寄存器， 管理扩展段。 SS：16位的堆栈段寄存器，管理堆栈段。,2、16位的指令指针寄存器IP：,IP中的内容是下一条指令对现行代码段基地址的偏移量，与段寄存器CS的内容相加，形成取指令的物理地址。 3、20位地址加法器 例：CS=A000H，代码段可寻址的空间？ CS左移四位： A000 0 H IP的内容：0000H FFFF H 物理地址：A0000 H AFFFF H,4、6字节的指令队列,指令队列共六字节，总线接口部件BIU从内存取指令，取来的总是放在指令队列中 执行部件EU从指令队列取指令，并执行 8086执行转移指令时，指令队列怎样变化？,2.2.4、总线接口单元和执行单元的 动作管理 1、当8086的指令队列有两个空字节，BIU自动取指令到指令队列中； 2、执行部件EU准备执行一条指令时，它从 BIU的指令队列取指令，然后执行； 特别的：当指令要求访问存贮器或 I/O 口时，执行单元EU向总线接口单元BIU发出请求，由BIU通过总线获取存储数据。,3、指令队列已满，BIU与EU又无总线请求时,总线接口部件进入空闲状态。 4、执行转移指令、调用指令、返回指令时， BIU自动清除指令队 列，然后从新地址取指令，并立即送给EU，然后再从新单元开始，从新填满队列机构。,2.3 8086的存储器组织与 I/O组织,2.4 8086存储器组织与I/O组织,8086：20条地址线，直接访问1MB的存储空间。 物理地址为：00000HFFFFFH。20M. 一、8086的存储器组织 1、 00000 0段 00010 1段,2、 段的分配： 存储器,0150H,1CDOH,4200H,B000H,64K代码,64K堆栈,64K数据,64K附加,CS SS DS ES,3逻辑地址（LA）和物理地址（PA） 物理地址：就是存储器的实际地址，它是指CPU和存储器 进行数据交换时所使用的地址（20位）。 逻辑地址：是在程序中使用的地址，它由段地址和偏移地 址两部分组成（16位）。 逻辑地址的表示形式为“段地址偏移地址”。 物理地址=段地址10H偏移地址 4专用和保留的存储器单元,二、物理地址的产生：,16d段地址+偏移地址=物理地址 例：DS=1000H， 1 0 0 0 0 + 5 0 1 A 1 5 0 1 A 1501AH单元的内容为20H,20H,12H,1501AH,逻辑地址和物理地址区别,逻辑地址：段基址和段内偏移量。,物理地址 = 段基址 16 + 偏移地址,物理地址：20位绝对地址。,【例题】已知CS=1055H，DS=250AH，ES=2EF0H，SS=8FF0H， DS段有一操作数，其偏移地址=0204H， 1)画出各段在内存中的分布 2)指出各段首地址 3)该操作数的物理地址=？,解： 各段分布及段首址见右图所示。 操作数的物理地址为： 250AH10H+0204H = 252A4H,三、8086CPU的存储器接口： 1MB空间分为两个512KB的存储体： 偶地址存储体：连接D7D0，A0=0 时选通； 奇地址存储体：连接D15D8，BHE=0时选通。 8086可以传送一个字节，也可以传送二个字节。,四、8086的I/O组织,8086允许64K（65535个）个I/O端口； 两个相邻8位端口可组合成一个16位端口； CPU执行访问I/O端口的指令时，产生有效的RD信号或WR信号，同时，M/IO=0， 通过外部电路组合成对I/O端口的读写信号。,80386由6个能并行操作的功能部件组成，即总线接口部件、代码预取部件、指令译码部件、存储器管理部件、指令执行与控制部件。这些部件按流水线结构设计，指令的预取、译码、执行等步骤由各自的处理部件并行处理。这样，可同时处理多条指令，提高微处理器的处理速度。 80486是功能上的另一次飞跃，它把386微处理器、X87FPU和片上的Cache集成在一起，从功能上形成了IA-32微处理器结构,2.3 8086微处理器的执行环境,IA-32结构微处理器的指令主要由两部分组成：即8086的微处理器指令和X87 FPU的协处理器指令。 IA-32结构微处理器指令系统在以下几个方面有重大发展。 1奔腾MMX引入的指令 2SSE指令 3SSE2指令,2.3.3 存储器组织 处理器在它的总线上寻址的存储器称为物理存储器。物理存储器按字节序列组织。每个字节赋予一个唯一的地址，称为物理地址。 1实地址方式存储器组织 IA-32结构微处理器中的实地址方式是为了与8086（8088）兼容而设置的，所以IA-32结构微处理器的实地址方式从存储器组织来看与8086（8088）的存储器组织是一样的。 8086有20条地址引线，它的直接寻址能力为2201M字节。,8086内部的ALU能进行16位运算，有关地址的寄存器如SP、IP，以及BP、SI、DI等也都是16位的，因而8086对地址的运算也只能是16位。对于8086来说，各种寻址方式，寻找操作数的范围最多只能是64K字节。所以，整个1M字节存储器以64K为范围分为若干段。在寻址一个具体物理单元时，必须要由一个基地址再加上由SP或IP或BP或SI或DI等可由CPU处理的16位偏移量来形成实际的20位物理地址。这个基地址就是由8088中的段寄存器，即代码段寄存器CS、堆栈段寄存器SS、数据段寄存器DS以及附加段寄存器ES中的一个来形成的。在形成20位物理地址时，段寄存器中的16位数会自动左移4位，然后与16位偏移量相加，如图2-16所示。,2分段模式存储器结构 IA-32结构微处理器的基本存储模式是分段式存储模式。与8086类似，程序中给出的地址由两部分组成，即段基地址（一个段的起始地址）和段内偏移量。段基地址由段寄存器的值确定，而段内偏移是由指令的寻址方式确定。 3平面存储模式 平面存储模式实质上是分段存储模式的一种特例。当所有段寄存器的值相等且全指向线性地址0（所有段的段基地址都为0），即所有段都重合于同一个线性地址空间。,存储器分段,高地址,低地址,段基址,段基址,段基址,段基址,最大64KB,段i-1,段i,段i+1,2. 段与段之间可以连续排列，部分重叠，断续排列。,1. 1M存储空间分成若干个逻辑段，每一段64K,2.5.4 基本的程序执行寄存器 处理器为了通用系统和应用程序编程提供了16个基本程序执行寄存器，如图2-20所示。,1通用寄存器 EAX操作数和结果数据的累加器。 EBX在DS段中数据的指针。 ECX串和循环操作的计数器。 EDXI/O指针。 ESI指向DS寄存器段中的数据指针、串操作的源指针。 EDI指向ES寄存器段中的数据（目标）的指针、串操 作的目标指针。 ESP堆栈指针（在SS段中）。 EBP堆栈上数据指针（在SS段中）。,如在图2-21中所示，通用寄存器的低16位直接映射至8086处理器中能找到的寄存器组并用寄存器名AX、BX、CX、DX、BP、SP、SI和DI引用。这些16位寄存器中的前四个即AX、BX、CX和DX又可以分别作为AH、BH、CH和DH（高字节）以及AL、BL、CL和DL（低字节）8位寄存器引用。,SP是堆栈指针，它与段寄存器SS一起确定在堆栈操作时，堆栈在内存中的位置。用BP（Base Pointer Register）寻址堆栈操作数时，也是寻址堆栈段。SI（Source Index Register）和DI（Destination Index Register）常用于串操作。 2段寄存器 段寄存器（CS、DS、SS、ES、FS和GS在8086处理器中没有FS和GS这两个段