微型计算机原理及应用(第三版)第4章.ppt

4. 16位微处理器,4.1 16位微处理器概述 4.2 8086/8088 CPU的结构 4.3 8086/8088 CPU的引脚信号和工作模式 4.4 8086/8088的主要操作功能,微型计算机系统组成,微型计算机系统的三个层次 微处理器( Microprocessor ) 微型计算机( Microcomputer ) 微型计算机系统( Microcomputer System ),微型计算机系统组成,微处理器（Micro Processing Unit）,微处理器（Micro Processing Unit），即微型化的中央处理器。中央处理器CPU的英文全称是 Central Processing Unit。早期微处理器以 MPU 表示，以区别于大型主机的多芯片CPU。但现在已经不加区分，都用CPU表示。,与CPU有关的术语,主频 CPU内部的时钟频率，是CPU进行运算时的工作频率。一般来说，主频越高，一个时钟周期里完成的指令数也越多，CPU的运算速度也就越快。但由于内部结构不同，并非所有时钟频率相同的CPU性能一样。 外频 即系统总线、CPU与周边设备传输数据的频率，具体是指CPU到芯片组之间的总线速度。 倍频 原先并没有倍频概念，CPU的主频和系统总线的速度是一样的，但CPU的速度越来越快，倍频技术也就应允而生。它可使系统总线工作在相对较低的频率上，而CPU速度可以通过倍频来提升。CPU主频的计算方式为：主频 = 外频 x 倍频。也就是倍频是指CPU和系统总线之间相差的倍数，当外频不变时，提高倍频，CPU主频也就越高。,与CPU有关的术语,缓存（Cache） CPU进行处理的数据信息多是从内存中调取的，但CPU的运算速度要比内存快得多，为此在此传输过程中放置一存储器，存储CPU经常使用的数据和指令。这样可以提高数据传输速度。可分一级缓存和二级缓存。 一级缓存（L1 Cache） 集成在CPU内部中，用于CPU在处理数据过程中数据的暂时保存。L1级高速缓存的容量越大，存储信息越多，可减少CPU与内存之间的数据交换次数，提高CPU的运算效率。但因高速缓冲存储器均由静态RAM组成，结构较复杂，在有限的CPU芯片面积上，L1级高速缓存的容量不可能做得太大。 二级缓存（L2 Cache） 由于L1级高速缓存容量的限制，为了再次提高CPU的运算速度，在CPU外部放置一高速存储器，即二级缓存。工作主频比较灵活，可与CPU同频，也可不同。CPU在读取数据时，先在L1中寻找，再从L2寻找，然后是内存，最后是外存储器。,与CPU有关的术语,生产工艺 在生产CPU过程中，要进行加工各种电路和电子元件，制造导线连接各个元器件。其生产的精度以微米（um）来表示，精度越高，生产工艺越先进。在同样的材料中可以制造更多的电子元件，连接线也越细，提高CPU的集成度，CPU的功耗也越小。这样CPU的主频也可提高，在0.25微米的生产工艺最高可以达到600MHz的频率。而0.18微米的生产工艺CPU可达到G赫兹的水平上。 工作电压 是指CPU正常工作所需的电压，提高工作电压，可以加强CPU内部信号，增加CPU的稳定性能。但会导致CPU的发热问题，CPU发热将改变CPU的化学介质，降低CPU的寿命。早期CPU工作电压为5V，随着制造工艺与主频的提高，CPU的工作电压有着很大的变化，Core 2 Duo CPU的电压为1.7V，解决了CPU发热过高的问题。,与CPU有关的术语,MMX（MultiMedia Extensions，多媒体扩展指令集） 英特尔开发的最早期SIMD指令集，可以增强浮点和多媒体运算的速度。 SSE(Streaming SIMD Extensions，单一指令多数据流扩展) 英特尔开发的第二代SIMD指令集，有70条指令，可以增强浮点和多媒体运算的速度。 3DNow!(3D no waiting) AMD公司开发的SIMD指令集，可以增强浮点和多媒体运算的速度，它的指令数为21条。,CPU内核 内核电压 1.248V 制作工艺 0.065 微米 CPU频率 主频 1860MHz 倍频（倍） 7 外频 266MHz CPU缓存 L1缓存 32KB L2缓存 2MB CPU指令集 指令集 MMX,SSE,SSE2,SSE3,SSE4,EM64T,4.1 16位微处理器概述,8086/8088内部结构相同，但外部性能有区别： 8086是16位数据总线，8088是8位数据总线。处理一个16位数据字时，8088需要两步操作，8086只要一步。 8086/8088的CPU的内部都采用16位字进行操作及存储器寻址，软件完全兼容、程序执行也一样。但是8088有相对较多的外部存取操作，所以程序执行速度相对较慢。,封装模式：都封装在40脚双列直插组件（DIP）中。,4.2 8086/8088 CPU的结构,8086 CPU 从功能上可以分为两部分： 总线接口部件（bus interface unit, BIU) 执行部件（execution unit， EU）,AH AL,BH BL,CH CL,DH DL,SP,BP,DI,SI,通用寄存器,运算寄存器,ALU,标志,执行部分控制电路,1 2 3 4 5 6,CS,DS,SS,ES,IP,内部寄存器,I/O控制电路,地址加法器,20位,16位,8位,指令队列缓冲器,外部总线,执行部件 （EU）,总线接口部件 （BIU）,8086CPU结构图,AX BX CX DX,16位,专用寄存器,4.2.1 执行部件,功能：负责指令的执行。 （1）从指令队列中取出指令。 （2）对指令进行译码，发出相应的控制信号。 （3）接收由总线接口送来的数据或发送数据至接口。 （4）利用内部寄存器和ALU进行数据处理。,4.2.1 执行部件,执行部件的组成： （1）4个通用寄存器：AX、BX、CX、DX。 （2）4个专用寄存器: BP- 基数指针寄存器( base pointer ) SP- 堆栈指针寄存器 ( stack pointer ) SI- 源变址寄存器( source index ) DI-目的变址寄存器 ( destination index ) （3）FR-标志寄存器( flag register ) （4）ALU-算术逻辑部件（arithmetic-logic unit）,4.2.1 执行部件,8086/8088的EU具有如下 4 个特点： （1）4个通用寄存器既可以作为16位寄存器来使用，也可以作 为8位寄存器使用。例如：BX作为8位寄存器时，分为BH 高8位和BL低8位。 （2）AX寄存器常常称为累加器，8086指令系统中有许多指令 是通过累加器的动作来执行的。例如，累加器作为16位来 使用的时候，可以按照“字”进行乘、除等操作；当累加器 作为8位来使用的时候，可以按照“字节”进行乘、除等操 作。 （3）加法器是算术逻辑单元（ALU）的主要部件，绝大部分指 令的执行都由加法器来完成。,4.2.1 执行部件,（4）标志寄存器FR共有16位，其中有7位未用。,D15,D0,OF DF IF TF SF ZF AF PF CF,进位标志,奇偶标志,辅助进位标志,零标志,符号标志,跟踪标志,中断标志,方向标志,溢出标志,1-有进、借位 0-无进、借位,加减法中第3位向第4位有进、借位，BCD码运算中是否调整,1-当前运算结果为0 0-结果不为0,状态标志：操作执行后，决定ALU在何种状态，这种状态影响以后的操作。 控制标志：人为设定的，对特定的功能起控制作用。,标志寄存器功能举例,0101 0100 0011 1001 5439H + 0100 0101 0110 1010 456AH 1001 1001 1010 0011 低8位中“1”的个数为偶数，PF=1 运算结果不为0，ZF=0 低4位向前有进位，AF=1 最高位向前没有进位，CF=0,15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0,O D I T S Z A P C,4.2.2 总线接口部件,功能： 负责CPU与存储器、I/O端口之间的数据传送。 （1）取指令送到指令队列。 （2）CPU执行指令时，到指定的位置取数据，并将其送至指令 要求的位置单元中。,总线接口部件由下列各部分组成： （1）4个段地址寄存器； CS16位代码段寄存器； DS16位数据段寄存器； ES16位附加段寄存器； SS16位堆栈段寄存器；,4.2.2 总线接口部件,（2）16位指令指针寄存器IP； （3）20位的地址加法器； （4）6字节的指令队列缓冲器。,8086/8088的BIU具有如下特点： （1）指令队列缓冲器：在执行指令的同时，从内存中 取下一 条或者下几条指令，并放入指令队列缓冲器中。CPU执行 完一条指令后，可以立即执行下一条指令（流水线技术）， 而无需轮番取指令和执行指令，从而提高CPU效率。 （2）地址加法器：产生20位地址。CPU内无论是段地址寄存器 还是偏移量都是16位的，通过地址加法器产生20位地址。,4.2.2 总线接口部件,指令的一般执行过程： 取指令 指令译码 读取操作数 执行指令 存放结果,8088之前的CPU采用串行工作方式： CPU访问存储器(存取数据或指令)时要等待总线操作的完成 CPU执行指令时总线处于空闲状态 缺点：CPU无法全速运行 解决：总线空闲时预取指令，使CPU需要指令时能立刻得到,取指令 1,执行 1,取操 作数2,执行 2,CPU,BUS,忙碌,忙碌,忙碌,忙碌,存结果 1,取指令 2,4.2.2 总线接口部件,8086/8088CPU采用并行工作方式,取指令2,取操作数,BIU,存结果,取指令3,取操作数,取指令4,执行1,执行2,执行3,EU,BUS,忙碌,忙碌,忙碌,忙碌,忙碌,忙碌,指令预取队列的存在使EU和BIU两个部分可同时进行工作， 提高了CPU的效率 降低了对存储器存取速度的要求,4.2.2 总线接口部件,总线接口部件和执行部件不是同步工作的，它们按照以下的流水线技术原则管理： （1）每当8086的指令队列中有2个空字节，8088指令队列中有1 个空字节时，总线接口部件就会自动取指令至队列中。 （2）执行部件从总线接口的指令队列前部取出指令代码，执行 该指令。 （3）当队列已满，执行部件又不使用总线时，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，先清空队列内 容，再将要执行的指令放入队列中。,数据与指令的存储与访问,地址是数据存放的门牌号码,是标明数据所在位置的唯一代号,每个地址空间可以存放8位二进制数,内存示意图,所有CPU可以访问的数据与指令都以二进制数的形式存放在内存中,4.2.3 存储器结构,4.2.3 存储器结构,由于8086/8088有20条地址线，可以寻址220（1M）字节，CPU送到地址总线（AB）上的20位的地址称为物理地址。,物理地址,. . 60000H 60001H 60002H 60003H 60004H . . .,12H,F0H,1BH,08H,存储器的操作完全基于物理地址。 问题： 8086/8088的内部总线和内部寄存器均为16位，如何寻找20位地址？,FFH,解决方法： 存储器分段并赋以地址偏移量,4.2.3 存储器结构,8086/8088CPU把1M字节的存储器空间划分为任意的一些存储段，一个存储段是存储器中可独立寻址的一个逻辑单位，也称逻辑段，每个段的容量小于等于64K字节。每段起始地址规定最低4位为0。图42,高地址,段基址,段基址,段基址,段基址,最大64KB，最小16B,i-1段,i段,i+1段,各段之间可以相互独立，相互重叠，甚至相互重合 （P76 图43）,1、8086最少和最多可以分为多少个段？ 2、下列地址哪些可能是一个段的开始地址： 134546H，67828H，1FF30H,4.2.3 存储器结构,64KB代码,64KB数据,64KB附加,64KB堆栈,各段独立的分配方式举例,CS DS SS ES,段寄存器,存储器,01500H114FFH 1CD00H2CCFFH 42000H51FFFH B0000HBFFFFH,4.2.3 存储器结构,8086存储器中的每个存储单元都可以用两个形式的地址来表示： 物理地址: 用唯一的20位二进制数所表示的地址，规定了1M字节存储空间中某个字节的地址 。 逻辑地址: 在程序中使用，即: 段基址：偏移地址 。,4.2.3 存储器结构,8086CPU中有四个段地址寄存器：CS，DS，SS和ES，这四个段地址寄存器存放了CPU当前可以寻址的四个段的基址，即可以从这四个段寄存器规定的逻辑段中存取指令代码和数据。一旦这四个段寄存器的内容被设定，就规定了CPU当前可寻址的段。,段基址：段寄存器的16位地址，它们决定了各段在内存中的位置。 偏移地址：每个段最多有64K个存储单元，要区分这64K个单元就要使用16位段内偏移地址。64K2 16,4.2.3 存储器结构,物理地址由两部分组成：段基址和偏移地址。,8086/8088CPU中有一个地址加法器，它将段寄存器提供的段基址乘以16，即左移4位，然后与16位的偏移地址相加，并锁存在物理地址锁存器中。如图所示。 物理地址 = 段基址 * 16 + 偏移地址,段寄存器值,偏移量,+,物理地址,16位,4位,16位,20位,存储器物理地址的计算方法,段基址：CS、DS、ES、 SS。 偏移地址：IP、DI、SI、 BP、SP等。,4.2.3 存储器结构,存储器寻址方式,偏移地址,15 0,+,段基址,存储器,所选存储单元,物理地址,15 0,19 0,地址加法器,偏移地址,4.2.3 存储器结构,60002H,00H,12H,60000H,偏移地址=0002H,逻辑地址: 段基址和段内偏移地址组成。 格式为：段基址:偏移地址,6000H : 0002H,4.2.3 存储器结构,习题：已知CS=1055H，DS=250AH，ES=2EF0H，SS=8FF0H，各段的容量均为64K，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)在图中指出各段首地址； 3)求操作数的物理地址。,解：各段分布及段首址见右图所示。,操作数的物理地址为： 250AH16 + 0204H = 252A4H,00000H,FFFFFH,CS 0000,IP,代码段,DS或ES 0000,SI、DI,SS 0000,SP,数据段 附加段,堆栈段,段寄存器和偏移地址寄存器组合关系,4.2.3 存储器结构,4.2.4 8086总线的工作周期,8086总线的操作时序 在微机系统中，CPU是在时钟信号CLK控制下，按节拍有序地执行指令序列。,时钟信号是一个按一定电压幅度，一定时间间隔发出的脉冲信号 。,4.2.4 8086总线的工作周期,相邻两个脉冲之间的时间间隔，称为一个时钟周期，又称 T 状态（T周期）。,每个T状态包括：下降沿、低电平、上升沿、高电平,8086CPU 频