处理器的编程结构.ppt

第2章 80X86系列结构微处理器与8086,2.1 80X86系列微处理器是8086的延伸 2.2 8086功能结构 2.3 8086微处理器的执行环境,学 习 目 的,通过对本章的学习，能够达到下列要求: 描述80X86结构特点 掌握8086的功能结构 掌握8086微处理器的执行环境,教学重点,1、8086/8微处理器的编程结构，处理器状态字PSW各个标志位 2、8086/8微机系统的存储器组织。,2.1.1 8086功能的扩展 1、从16位扩展32位 8086寻址1MB 80386(32位机)寻址4GB 2、从实模式至保护模式 实模式：单用户、多任务的磁盘操作系统。操作系统本身没有程序隔离，没有保护。 保护模式：可以实现操作系统核心程序与应用程序的严格的隔离。保护模式支持多任务机制，任务之间完全隔离。,2.1 80X86系列微处理器是8086的延伸,3、片内存储器管理单元（MMU） 引入了存储管理单元（MMU），操作系统方便地实现页（每页为4KB）虚拟存储器管理。 4、浮点支持 协处理器（浮点运算） 5、MMX技术 MMX技术是Intel公司为增强 CPU 在音像、图形和通信应用方面而采取的技术,并增加相应的指令。 6、 SIMD 单指令多数据（SIMD）,2.1.2 8086性能的提高,1、利用流水线技术提高操作的并行性 同时执行多条指令 2、引入片内缓存（cache) 在处理器芯片中实现缓存 CPU和内存之间的中介,2.2 8086的功能结构,8086：Intel系列的16位微处理器，16条数据线、20条地址线，可寻址地址范围220=1MB，8086工作时，只要一个 5V 电源和一个时钟，时钟频率为5MHz 。 8088：内部与8086兼容，也是一个16位微处理器，只是外部数据总线为8位，所以称为准16位微处理器。它具有包括乘法和除法的16位运算指令，所以能处理16位数据，还能处理8位数据。8088有20根地址线，所以可寻址的地址空间达220即1M字节。,2.2 8086的编程结构,8086的编程结构从功能分成两个单元 （1）总线接口单元BIU 管理8086与系统总线的接口 负责CPU对存储器和外设进行访问, 取指令和内存中的数据 （2）执行单元EU 负责指令的译码、执行和数据的运算 两个单元相互独立，分别完成各自操作 两个单元可以并行执行，实现指令取指和执行的流水线操作,(3) 8086/8088BIU的特点,8086的指令队列为6个字节，在执行指令的同时，可从内存中取出后续的指令代码，放在指令队列中。 地址加法器用来产生20位物理地址。8086可用20位地址寻址1M字节的内存空间，而CPU内部的寄存器都是16 位，需要由20位的地址加法器完成地址运算。 如：CS0FE00H，IP0400H，则表示要取指令代码的物理地址为0FE400H。,(4) BIU与EU的动作协调原则,每当8086的指令队列中有两个空字节，BIU就会自动把指令取到指令队列中。其取指的顺序是按指令在程序中出现的前后顺序。,(4) BIU与EU的动作协调原则,每当EU准备执行一条指令时，它会从BIU部件的指令队列前部取出指令的代码。 执行指令的过程中，如果必须访问存储器或者IO端口，那么EU就会请求BIU，进入总线周期，完成访问内存或者IO端口的操作 ； 如果BIU正处于空闲状态，立即响应EU的总线请求。 如BIU正取指令，则BIU完成取指总线周期，再响应EU的访问总线请求。,当指令队列已满，且EU又没有总线访问请求时，BIU便进入空闲状态。 在执行转移指令、调用指令和返回指令时，由于待执行指令的顺序发生了变化，则指令队列中已经装入的字节被自动消除，BIU会接着往指令队列装入转向的另一程序段中的指令代码。,(4) BIU与EU的动作协调原则,将8086CPU分成二个独立的功能部件使二者能够并行工作，把取指令工作和分析指令、执行指令工作重叠进行，从而提高CPU的工作效力，加快指令的执行速度。 指令队列可以被看成是一个特殊的RAM，它的工作原理是“先进先出”，写入的指令只能存放在队列尾，读出的指令是队列头存放的指令。 EU和BIU之间就是通过指令队列联系起来，多数情况下，BIU在不停地向队列写入指令，而EU每执行完一条指令后，就向队列读取下一条指令。二者的动作既独立，又协调。,(4) BIU与EU的动作协调原则,(4) BIU与EU的动作协调原则,2.3 8086微处理器的执行环境,2.3.1 基本执行环境 1、地址空间（内存） 线性地址（寻找程序或数据） 2、寄存器 8个通用寄存器、4个段寄存器、标志寄存器和指令寄存器。（中间结果，状态标志，指令寄存器） 3、堆栈 为支持过程子程序调用并在过程或子程序之间传递参数（什么叫堆栈）。 堆栈是按照“先进后出”原则组织的存储区域 4、I/O端口。 8086结构支持数据在处理器和输入输出（I/O）端口之间的传送,8086基本执行环境,AH AL BH BL CH CL DH DL,AX BX CX DX,SP BP SI DI,IP FLAG,CS DS SS ES,(A) 累加器 基地址寄存器 计数器 数据寄存器,(SP) 堆栈指针寄存器 基地址寄存器 源变址寄存器 目的变址寄存器,(PC) 指令指针寄存器 (PSW) 状态标志寄存器,代码段寄存器 数据段寄存器 堆栈段寄存器 附加段寄存器,CS DS SS ES,此图映射后形成 20位线性地址能寻找1MB空间,段左移4位加偏移量形成20位,8086内部寄存器有： 4个数据寄存器 4个指针寄存器 4个段寄存器 1个指令指针寄存器 1个标志寄存器,8086/8088CPU内部寄存器, 8086的通用寄存器,8086的16位通用寄存器是： AX BX CX DX 其中AX称为累加器，BX称为基址寄存器， CX称为计数寄存器，DX称为数据寄存器 8086的8位通用寄存器是： AH BH CH DH AL BL CL DL AX的高字节为AH，低字节为AL， BX，CX,DX类似 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SP和BP SP是堆栈指针寄存器，它和堆栈段寄存器SS一起来确定堆栈在内存中的位置； BP是基数指针寄存器，用于存放基地址。 变址寄存器SI和DI SI是源变址寄存器 DI是目的变址寄存器，用于指令的变址寻址方式。,8086的专用寄存器, 段寄存器,DS 数据段寄存器 (Data Segment) CS 代码段寄存器 (Code Segment) ES 附加段寄存器 (Extra Segment) SS 堆栈段寄存器 (Stack Segment) 这些段寄存器的内容与有效的地址一起，用于确定内存的物理地址。通常用CS、DS、ES以及SS用于确定代码段、数据段、附加段以及堆栈段的基地址。, 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,标志的分类,6个状态标志： 用来记录程序运行结果的状态信息，许多指令的执行都将相应地设置它的状态。 CF ZF SF PF OF AF 3个控制标志： 可由程序根据需要用指令设置，用于控制处理器执行指令的方式 DF IF TF,进位标志CF（Carry Flag）,当运算结果的最高有效位有进位（加法）或借位（减法）时，进位标志置1，即CF = 1；否则CF = 0。,49H + 6DHB6H， 没有进位：CF = 0 BBH + 6AH（1）25H，有进位：CF = 1,零标志ZF（Zero Flag）,若运算结果为0，则ZF = 1； 否则ZF = 0,49H + 6DHB6H，结果不是零：ZF = 0 75H + 8BH（1）00H，结果是零：ZF = 1,注意： ZF为1表示的结果是0,符号标志SF（Sign Flag）,运算结果最高位为1，则SF = 1；否则SF = 0,有符号数据用最高有效位表示数据的符号 所以，最高有效位就是符号标志的状态,奇偶标志PF（Parity Flag）,当运算结果最低字节中“1”的个数为零或偶数时，PF = 1；否则PF = 0,3AH + 7CHB6H10110110B 结果中有5个1，是奇数：PF = 0,PF标志仅反映最低8位中“1”的个数是 偶或奇，即使是进行16位字操作,溢出标志OF（Overflow Flag）,若算术运算的结果有溢出， 则OF1；否则 OF0,49H + 6DH B6H，产生溢出：OF = 1 75H + 8BH （1）26H，没有溢出：OF = 0,什么是溢出？,处理器内部以补码表示有符号数 8位补码表达的整数范围是：127128 16位补码表达的范围是：3276732768 如果运算结果超出这个范围，就产生了溢出 有溢出，说明有符号数的运算结果不正确,49H6DHB6H，就是73109182， 已经超出128127范围，产生溢出，故OF1； 另一方面，补码B6H表达真值是-74，显然运算结果也不正确。,溢出和进位,溢出标志OF和进位标志CF是两个意义不同的标志。 进位标志CF表示无符号数运算结果是否超出范围，运算结果仍然正确。 溢出标志OF表示有符号数运算结果是否超出范围，运算结果已经不正确。,溢出和进位的对比,例1：49H + 6DHB6H 无符号数运算： 73109182 范围内，无进位 有符号数运算： 73109182 范围外，有溢出,例2：BBH + 6AH（1）25H 无符号数运算： 187106293 范围外，有进位 有符号数运算： 6910637 范围内，无溢出,溢出的判断,判断运算结果是否溢出有一个简单的规则： 只有当两个相同符号数相加（包括不同符号数相减），而运算结果的符号与原数据符号相反时，产生溢出，因为，此时的运算结果显然不正确。 其他情况下，则不会产生溢出,辅助进位标志AF（Auxiliary Carry Flag）,49H + 6DHB6H，D3有进位：AF = 1,运算时D3位（低半字节）有进位或借位时，AF = 1；否则AF = 0。,这个标志主要由处理器内部使用，用于十进制算术运算调整指令中，用户一般不必关心。,例：两个带符号数 64 h , 64 h 相加。 0 1 1 0 0 1 0 0 + 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0,OF=1（运算结果超过127）； SF=1 ； ZF=0 ； AF=0 ； PF=0 ； CF=0 。,方向标志DF（Direction Flag）,用于串操作指令中，控制地址的变化方向： 设置DF0，存储器地址自动增加； 设置DF1，存储器地址自动减少。,CLD指令复位方向标志：DF0 STD指令置位方向标志：DF1,中断允许标志IF（Interrupt-enable Flag）,用于控制外部可屏蔽中断是否可以被处理器响应： 设置IF1，则允许中断； 设置IF0，则禁止中断。,CLI指令复位中断标志：IF0 STI指令置位中断标志：IF1,陷阱标志TF（Trap Flag）,用于控制处理器进入单步操作方式： 设置TF0，处理器正常工作； 设置TF1，处理器单步执行指令。,指令指针IP,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。 计算机通过CS : IP寄存器来控制指令序列的执行流程。 IP寄存器是一个专用寄存器。,执行部件,总线接口部件,2.3.3 存储器组织,8086有20根地址总线，因此，它可以直接寻址的存储器单元数为：220=1MB 8086内部寄存器和数据总线均为16位！ 如何实现16位的存储单元存放20位的地址空间？,由于CPU内部的寄存器都是16位的，为了能够提供20位的物理地址，系统中采用了存储器分段的方法。 规定存储器的一个段为64KB，由段寄存器来确定存储单元的段地址，由指令提供该单元相对于相应段起始地址的16位偏移量。 这样，系统的整个存储空间可分为16个逻辑段。 存储器的每个段的容量为64KB，并允许在整个存储空间内浮动，即段与段之间可以部分重叠、完全重叠、连续排列，非常灵活。,1.存储器的分段及段地址,在8086中怎样形成这20位的地址呢？分段！ 将内存的1M字节以64K为范围，分成若干段；在8086中设置4个段寄存器CS、DS、SS、ES， 在寻址一个具体的内存单元（物理地址）时，由一个段寄存器中保存的16位基地址，加上由IP（或SP，或BP，或BX，或SI，或DI）中保存的、可由CPU处理的16位偏移量，来形成20位的物理地址。 在形成物理地址时，地址加法器将段寄存器中的16位数左移4位，然后与16位偏移地址相加，形成20位的物理地址。,2.与存储单元地址相关的几个概念,物理地址： 一个存储单元的实际地址(20位)。物理地址与存储单元是一一对应关系。(20202H) 逻辑地址： 是指段地址和偏移地址，是指令中引用的形式地址。一个逻辑地址只能对应一个物理地址，而一个物理地址可以对应多个逻辑地址。 2000：0200 20200 2010：0100 20200,段地址： 是指一个段的起始地址，最低4位为零，一般将其有效数字16位存放在段寄存器中 偏移地址： 段内存储单元相对段地址的距离(16位)。同一个段内，各个存储单元的段地址是相同的，偏移地址是不同的。,2.与存储单元地址相关的几个概念,3.物理地址的计算方法,物理地址=段地址+偏移地址 =段寄存器内容16+偏移地址 取指令物理地址=(CS)16+(IP) 堆栈操作物理地址=(SS)16+(SP)/(BP的表达式) 存储器操作数物理地址=(DS)/(ES)16+偏移地址,CS=2000H IP=1000H 物理地址=2