微型计算机原理及接口技术第2章.ppt

第2章8086系统结构 一 8086CPU的基本性能指标 1 16位微处理器 数据总线 字长 16位 2 主频 5MHz 10MHz 3 20位地址总线 寻址能力 寻址范围 为 220 1MB 4 采用高速运算性能的HMOS工艺制造 5 使用单一的 5V电源 40条引脚DIP封装 指令执行部件 EU 总线接口部件 BIU 二 8086CPU的组成 功能 总线接口部件BIU是CPU与外部 存储器和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 完成所有的外部总线操作 具有地址形成 取指令 指令排队 读 写操作数 总线控制等功能 功能 完成指令译码和指令执行的工作 8086CPU由两部分组成 指令执行部件EU和总线接口部件BIU 总线接口部件BIU BusInterfaceUnit 功能 总线接口部件BIU是CPU与外部 存储器和I O口 的接口 它提供了16位双向数据总线和20位地址总线 完成所有的外部总线操作 具有地址形成 取指令 指令排队 读 写操作数 总线控制等功能 组成 4个16位段地址寄存器 CS DS ES SS 16位指令指针寄存器IP20位物理地址加法器6字节指令队列总线控制器 BIU的特点 地址加法器用来产生20位物理地址 8086可用20位地址寻址1MB的内存空间 而CPU内部的寄存器都是16位 因此需要由一个附加的机构来计算出20位的物理地址 这个机构就是20位的地址加法器 例如 CS 0FE00H IP 0400H 则表示要取指令代码的物理地址为CS 16 IP 0FE000H 0400H 0FE400H 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 可以提高CPU的工作效率 指令执行部件EU ExecutionUnit 功能 指令执行部件EU完成指令译码和指令执行的工作 组成 算术逻辑单元ALU标志寄存器PSW4个16位通用寄存器 AX BX CX DX 4个16位专用寄存器 BP SP SI DI EU控制器 BIU与EU的动作协调原则总线接口部件 BIU 和执行部件 EU 按以下流水线技术原则协调工作 共同完成所要求的信息处理任务 1 每当8086的指令队列中有2个或2个以上空字节时 BIU就会自动把指令从存储器取到指令队列中 其取指的顺序是按指令在程序中出现的前后顺序 2 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 然后用几个时钟周期去执行指令 在执行指令的过程中 如果必须访问存储器或者I O端口 那么EU就会请求BIU 进入总线周期 完成访问内存或者I O端口的操作 如果此时BIU正好处于空闲状态 会立即响应EU的总线请求 如BIU正将某个指令字节取到指令队列中 则BIU将首先完成这个取指令的总线周期 然后再去响应EU发出的访问总线的请求 3 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 4 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 BIU与EU两者的工作是不同步的 8086可以在执行指令的同时 进行取指令代码的操作 即BIU与EU是一种并行工作方式 改变了以往计算机取指令 译码 执行指令的串行工作方式 大大提高了工作效率 总结 BIU状态 1 将指令按序取入指令队列 指令队列中只要有两个以上空 就取指令 2 响应EU的总线周期 完成访问存储器 I O口 3 空闲状态 指令队列不空 也无EU的总线的请求 EU状态 1 从BIU指令队列前部取出指令 经指令译码后 执行指令 2 访问存储器 I O口 向BIU提出总线周期申请 3 BIU指令队列空时 EU处于等待状态 三 8086CPU的寄存器 8086CPU的寄存器可分为通用寄存器 指针和变址寄存器 专用寄存器 段寄存器 指令指针寄存器及标志寄存器 1 通用寄存器8086有4个16位的通用寄存器 AX BX CX DX 可以存放16位的数 也可分为8个8位的寄存器 AL AH BL BH CL CH DL DH 来使用 除了作为通用寄存器外 它们还有专门的用途 AX Accumulator 累加器 存放算术运算操作数 结果 BX Base 基址寄存器 CX Count 计数器寄存器 DX Data 数据寄存器 上面4个16位寄存器都具有通用性 从而提高了指令系统的灵活性 但在有些指令中 这些通用寄存器还各自有特定的用法 如下表所示 表寄存器主要用途 2 段寄存器段 内存中一段连续的空间 在程序中具有特定的用途 段基址 段在内存中的起始地址 段基值 168086CPU系统中共有4个16位段寄存器 分别用于存放程序所要使用的4个存储段 代码段 堆栈段 数据段 附加段的段基值 功能 段寄存器的内容与有效的地址偏移量一起 可确定内存的物理地址 通常CS划定并控制程序区 DS和ES控制数据区 SS控制堆栈区 3 指针和变址寄存器8086有4个16位的指针或变址寄存器 用于存放某一段内的地址偏移量 SI SourceIndex 源变址寄存器DI DestinationIndex 目的变址寄存器SP StackPoint 堆栈指针BP BasePoint 基址指针 指针寄存器BP称为基址指针寄存器 用于存放偏移量 通常和SS段寄存器配合使用 在间接寻址中用于定位堆栈段中的内存单元 SP称为堆栈指针 用于存放偏移量 只能和SS段寄存器配合使用 且始终指向堆栈的栈顶 在堆栈指令中隐含的使用它来定位栈顶数据 变址寄存器系统中有两个16位的变址寄存器SI和DI 都用于指令的变址寻址方式 用于存放偏移量或偏移量的一部分SI称为源变址寄存器 通常和DS ES这两个段寄存器配合使用 用于定位数据段或附加段中的内存单元 在串操作指令中 用于指明源串偏移量 DI称为目的变址寄存器 通常和DS ES这两个段寄存器配合使用 用于定位数据段或附加段中的内存单元 在串操作指令中 用于指明目的串偏移量 4 指令指针寄存器16位指令指针寄存器IP用来控制CPU的指令执行顺序 用于存放偏移量 只能和代码段寄存器CS配合使用 可以确定当前所要取的指令的内存地址 且始终指向代码段中下一条将要读取到CPU指令队列的那条指令 顺序执行程序时 CPU每取一个指令字节 IP自动加1 指向下一个要读取的字节 修改IP中内容的操作是CPU在每读取一条指令到指令队列后自动进行的 使它指向要读取的下一条指令 中断指令 调用子程序指令 跳转指令中可以隐含的修改IP寄存器中的内容 5 标志寄存器PSW标志寄存器PSW 处理器状态字 用来存放运算结果的特征 PSW为16位寄存器 其中共有9个标志位 可分成两类 一类为状态标志 一类为控制标志 状态标志 表示前一步操作 如加 减等 执行以后 ALU所处的状态特征 后续操作可以根据这些状态标志进行判断 实现转移 控制标志 可以通过指令人为设置 用以对某一种特定的功能起控制作用 如中断屏蔽等 反映了人们对微机系统工作方式的可控制性 PSW中各标志位的安排如下表所示 状态标志 6个CF 进位标志位 实现加法 或减法 时 当最高位出现进位 或借位 CF位自动置1 反之置0 PF 奇偶标志位 当运算结果的低8位中l的个数为偶数时 则PF位自动置1 反之为0 AF 半进位标志位 实现加法 或减法 时 当低四位向高四位有进位 或借位 AF位自动置1 通常用于对BCD算术运算结果的调整 例如 11011000 10101110 110000110其中AF 1 CF 1ZF 零标志位 运算结果为0时 ZF位自动置1 否则清0 SF 符号标志位 当运算结果的最高位为1 SF自动位置1 否则清0 即与运算结果的最高位相同 OF 溢出标志位 字节运算大于十127或小于 128时 字运算大于十32767或小于 32768时 该位置1 反之为0 控制标志 3个TF 单步标志位 当TF位置1时 进入单步工作方式 通常用于程序的调试 IF 中断允许标志位 若IF位置1 则处理器可以响应可屏蔽中断 否则就不能响应可屏蔽中断 DF 方向标志位 若DF位置1 则串操作指令的地址修改为自动减量方向 反之 为自动增量方向 例如 0101010000111001 01000101011010101001100110100011CF 0 AF 1 PF 1 ZF 0 SF 1 OF 1 两正数相加结果为负 2 28086CPU的引脚及其功能 8086CPU芯片都是40引脚双列直插式 DIP 封装的集成电路芯片 其中32个引脚在两种工作模式下的名称和功能是相同的 还有8个引脚 24 31 在不同的工作模式下 具有不同的名称和功能 1 最小模式 在系统中只有一个微处理器 2 最大模式 两个或多个微处理器 主处理器 协处理器 AD15 AD0 双向三态 地址 数据分时复用信号 分时输出低16位地址信号及输入 输出数据信号 T1状态输出低16位地址信号 然后外部地址锁存 T3状态输入 输出数据信号 A19 s6 A15 s3 输出三态 高4位地址 状态复用信号 分时输出地址的高4位及状态信息 S4S3当前正在使用的段寄存器00ES01SS10CS 或者未用任何段寄存器 I O INT 11DS S6 保持 0 用以指示8086 8088CPU当前与总线连通 S5 为状态寄存器中断允许标志的状态 它在每个时钟周期开始时修改 若当前允许可屏蔽中断请求 则S5置1 若S5 0 则禁止一切可屏蔽中断 S4 S3 共有四个组态 用以指明当前使用的段寄存器 三态是指总线输出可以有三个状态 高电平 低电平和高阻状态 当处于高阻状态时 该总线在逻辑上与所有连接负载断开 总线分时复用就是同一总线在不同时间传输的是不同的信号 这些信号的作用是不同的 8086 8088采用总线分时复用方法在不影响CPU功能的情况下 减少了CPU的引脚数目 使系统得到简化 8086的总线周期 取指令进入指令队列和与存储器 I O端口传送数据时均需BIU执行一个总线周期 1 时钟周期 CPU时钟频率的倒数称为时钟周期 也称T状态 2 总线周期 BIU完成一次访问存储器或I O端口操作所需要的时间称为总线周期 对于8086 一个基本的总线周期是由4个 或4个以上 时钟周期组成的 3 指令周期 执行一条指令所需要的时间称为指令周期 不同指令的指令周期的长短是不同的 一个指令周期是由几个总线周期组成的 4 一个基本的总线周期的4个T状态 T1 CPU向多路复用总线发出地址信息 指出要寻址的存储单元或I O端口 T2 低16位地址信号从总线上撤销 呈高阻 高4位地址总线输出状态信息 指出可屏蔽中断是否允许 当前正在使用的段寄存器 T3 高4位总线仍然输出状态信息 低16位总线出现数据信号 读 存储器或I O端口的数据送到总线 写 CPU的数据送到总线上 Tw 当被写入 或读出 数据的存储器或I O端口不能及时配合CPU传送数据的情况下 存储器或I O端口向CPU发出数据未准备好信号 READY 则CPU会在T3之后插入一个或多个附加的时钟周期Tw 等待状态 直至存储器或I O端口准备好传送数据为止 T4 总线周期结束 5 空闲周期 BHE S7 输出 三态 高8位数据允许 状态复用信号 T1输出BHE有效信号 表示高8位数据线D15 D8上的数据有效 T2 T4输出S7状态信号 但S7未定义实际意义 MN MX 输入 最小 最大工作模式选择信号 当该引脚接 5V时 CPU工作于最小模式下 当该引脚接地时 CPU工作于最大模式下 RD 输出三态 读选通信号 低电平有效 指明要执行一个读操作 具体是读内存单元 还是读I O端口 取决于控制信号M IO WR 输出三态 写选通信号 低电平有效 注 RD WR信号不能同时有效 M IO 输出三态 存储器 IO端口控制信号 M IO 1 选择访问存储器 M IO 0 选择访问IO端口 ALE 输出高电平有效 地址锁存允许信号 在任何一个总线周期的T1状态 ALE有效 CPU通过该引脚向地址锁存器8282发出地址锁存允许信号 把当前地址 数据复用总线上输出的地址信息锁存到地址锁存器8282中去 注意 ALE信号不能被浮空 DEN 输出三态 数据允许信号 低电平有效 作为外部数据收发器的选通信号 表示CPU当前准备发送或接收一个数据 DT R 输出三态 数据收 发控制信号 用以控制数据总线收发器数据传送的方向 DT R 1 表示发送数据 写 DT R 0 表示接收数据 读 READY 输入高电平有效 准备好 状态信号 引脚接收来自于内存或I O端口发来的响应信号 表明内存单元或I O端口已经准备好进行读 写操作 该信号是协调CPU与内存单元或I O端口之间进行信息传送的联络信号 CPU在T3状态采样Ready信号 当Ready 0 则在T3状态结束后插入TW状态 等待周期 当Ready 1 进入T4状态 完成数据传送 RESET 输入 高电平有效 复位信号 8086CPU要求复位信号至少维持4个时钟周期才能起复位的效果 复位信号输入之后 CPU结束当前操作 进行复位操作 并对微处理器的标志寄存器PSW IP DS SS ES寄存器及指令队列进行清零操作 而将CS设置为FFFFH 8086CPU在复位后从FFFF0H处开始执行指令 INTA 输出 低电平有效 中断响应信号 是CPU对中断请求的响应信号 该信号为两个连续的负脉冲 在总线周期的T2 T3 TW 状态有效 第一个负脉冲 通知外部I O接口 它的中断请求已得到允许 第二个负脉冲 通知外部I O接口往数据总线上送自己的中断类型码 从而CPU得到了有关此中断源的详细信息 INTR 输入 电平或边沿触发 可屏蔽中断请求信号 CPU在指令周期的最后一个时钟周期采样INTR 在当前指令结束后 并且IF 1 STI 则响应该中断 可用软件 CLI 使IF 0来屏蔽INTR信号的中断请求 NMI 输入 上升沿触发 不可屏蔽中断请求信号 CPU必须在当前指令结束后响应该中断 不受可屏蔽中断允许标志IF的限制 不能用软件屏蔽 TEST 输入 低电平有效 测试信号 TEST信号与WAIT指令结合起来使用 CPU执行WAIT指令后 处于等待状态 只有当TEST引脚输入低电平时 系统才脱离等待状态 继续执行被暂停执行的指令 否则CPU继续等待 HOLD 输入 总线保持请求信号 当系统中的其它总线部件要求占用总线时 向CPU发出总线请求信号 使HOLD 1 有效 HLDA 输出 总线保持响应信号 当CPU监测到HOLD有效时 就在当前总线周期T4状态从HLDA向外设发出应答信号HLDA 1 同时使CPU与AB DB CB总线浮空 总线请求部件收到HLDA信号后 获得总线控制权 CLK 输入 系统时钟信号 8086的时钟频率 又称为主频 为4 77MHz 即从该引脚输入的时钟信号的频率为4 77MHz 8086 1时钟频率为10MHz 8086 2时钟频率为8MHz VCC GND 电源 地 8086CPU采用单一的 5V电源 有两个接地引脚 最小模式下8086CPU的引脚分类 1 数据 地址复用线 地址 状态复用线 AD0 AD7 AD8 AD15 A16 A19 S3 S6 2 电源 地 VCC GND 2个 3 与地址总线有关的信号 ALE 4 与数据总线有关的信号 DEN DT R BHE S7 5 与存储器 I O操作有关的信号 M IO RD WR 6 与中断有关的信号 NMI INTR INTA 7 与CPU有关的控制信号 RESET CLK TEST READY HOLD HLDA 8 最小 最大模式选择信号 MN MX 2 38086存储器组织 一 存储器地址的分段二 存储器结构的分体 一 存储器地址的分段原因 8086CPU有20根地址线 寻址1M的存储空间 而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 8086系统中采用了存储器分段的方法 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个互不重叠的逻辑段 如图所示 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 如右下图所示 1 物理地址 PA 的形成物理地址 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 8086可直接寻址1MB的存储空间 其地址区域为00000H FFFFFH 与存储单元一一对应的20位地址 我们称之为存储单元的物理地址 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 16 偏移地址 2 逻辑地址的来源 取指令 物理地址 CS 16 IP堆栈操作 物理地址 SS 16 SP读 写 访问变量 物理地址 DS ES 16 偏移地址 指令的寻址方式决定 二 8086存储器的分体结构 原因 存储器是按字节进行组织 两个相邻的字节被称为一个 字 存放的信息若是以字节 8位 为单位的 将在存储器中按顺序排列存放 若存放的数据为一个字 16位 时 则将每一个字的低字节 低8位 存放在低地址中 高字节 高8位 存放在高地址中 并以低地址作为该字的地址 存储器8位数据总线 8086CPU16位数据总线 方法 在组成与8086CPU连接的存储器时 1M字节的存储空间实际上被分成两个512KB的存储体 分为奇地址存储体和偶地址存储体 偶地址存储体与8086CPU的低位字节数据线D7 D0相连 该存储体中的每个物理地址均为偶地址 奇地址存储体与8086CPU的高位字节数据线D15 D8相连 该存储体中的每个物理地址均为奇地址 1MB的存储器单元的地址分为奇地址和偶地址 由BHE和A0控制读写顺序 BHE 0 有效 从奇地址传送高8位数据 A0 0 从偶地址传送低8位数据 BHE与A0的组合及对应的操作如下表所示 见教材P37表2 8 如果一个16位数据 高8位数据存储在存储器的奇地址单元中 低8位数据存储在存储器的偶地址单元中 则读写该数据需要一个总线周期 如果一个16位数据 高8位数据存储在存储器的偶地址单元中 低8位数据存储在存储器的奇地址单元中 则读写该数据需要两个总线周期 第一个总线周期用于在奇地址中完成低8位数据的传送 然后IP自动加1 第一个总线周期用于在偶地址中完成高8位数据的传送 这些是8086自动完成的 所以 这种情况下 除增加一个总线周期外 其余与从偶地址开始的16位数据的操作是一样的 三 堆栈的概念 堆栈 在存储器中开辟一段区域 用于存储一些暂时需要保护而以后还要用到数据 如中断现场的保护与恢复 子程序现场的保护与恢复等 这个区域称为堆栈 堆栈的特点 堆栈存储数据的原则为先进后出 堆栈在存储器中的位置由SS SP确定 SP指令可由MOV指令设置 堆栈指针SP在8086系统中始终指向栈的顶部 即 始终指向最后压入栈中的数据的地址 8086系统中栈的操作是以字为单位的 执行一次入栈操作 SP 2 直至SP 0 SS 栈满为止 执行一次出栈操作 SP 2 见教材P39图2 13功能 用于保护中间数据 保护子程序 中断程序的现场等 堆栈的起始地址称为栈顶 堆栈的数据入口称为栈底 堆栈有两种操作 进栈和出栈 都是对栈顶进行操作 堆栈存储数据的原则为先进后出 堆栈操作分为 向上增长型和向下增长型 2 48086系统配置 8086系统可以有两种系统配置方式 最小模式 MN MX接低电平最大模式 MN MX接高电平 一 8086 8088最小系统中的外围芯片简介1 锁存器Intel8282 8283 或74LS373 引脚信号 8位输入 DI0 DI7 8位输出 DO0 DO7 选通信号 STB 输出数据允许信号 OE 与8086的连接 8086的ALESTB地址线A BHEDI0 DI7地OE 8086最小模式系统配置 2 总线收发器Intel8286 8287引脚信号 8位输入 输出 A0 A7 B0 B7 输出数据允许信号 OE 控制数据传送方向信号 T T 1时 A0 A7为输入 T 0时 B0 B7为输入 与8086的连接 数据线DA0 A7DENOEDT RT 8086最小模式系统配置 3 时钟发生器8284 1 时钟信号发生器 X1 X2 晶体振荡器连接端 EFI 外加频率输入端 CLK 时钟信号输出 频率为晶振频率或EFI输入频率的1 3 F C 频率 晶体选择端 PCLK 供外设用的时钟 频率为CLK频率的1 2 OSC 振荡器输出 1 复位生成电路RES 复位输入信号 用来产生复位信号RESET 两种方式 上电复位和手动复位 RESET 复位输出信号 用作8086系列CPU的复位信号 3 就绪控制电路AEN1 AEN2 地址允许信号输入RDY1 RDY2 总线准备好信号CSYNC 时钟同步信号 二 8086最小模式下的典型配置1 MN MX端接 5V 决定了CPU的工作模式 2 需要一片8284A 作为时钟信号发生器 3 需要三片8282或74LS273 用来作为地址信号的锁存器 4 当系统中所连的存储器和外设端口较多时 需要增加数据总线的驱动能力 这时 需用2片8286 8287作为总线收发器 8286输入与输出同相 8287输入与输出反相 其余功能相同 8086最小模式系统配置 2 48086CPU时序 时序 时序就是对信号随时间变化的规律以及信号间相互的关系的描述 描述手段主要是时序图 时钟周期 CPU时钟频率的倒数称为时钟周期 也称T状态 总线周期 BIU完成一次访问存储器或I O端口操作所需要的时间称为总线周期 对于8086 一个基本的总线周期是由4个 或4个以上 时钟周期组成的 指令周期 执行一条指令所需要的时间称为指令周期 不同指令的指令周期的长短是不同的 一个指令周期是由几个总线周期组成的 4 一个基本的总线周期的4个T状态 T1 CPU向多路复用总线发出地址信息 指出要寻址的存储单元或I O端口 T2 低16位地址信号从总线上撤销 呈高阻 高4位地址总线输出状态信息 指出可屏蔽中断是否允许 当前正在使用的段寄存器 T3 高4位总线仍然输出状态信息 低16位总线上出现的是数据信号 读 存储器或I O端口的数据送到总线上 写 CPU的数据送到总线上 Tw 当被写入 或读出 数据的存储器或I O端口不能及时配合CPU传送数据的情况下 存储器或I O端口向CPU发出数据未准备好信号 READY 则CPU会在T3之后插入一个或多个附加的时钟周期Tw 等待状态 直至存储器或I O端口准备好传送数据为止 T4 总线周期结束 5 空闲周期 8086微机系统的主要操作 1 系统的复位与启动操作 2 暂停操作 3 总线操作 I O读 写 存储器读 写 4 中断操作 5 最小模式下的总线保持 6 最大模式下的总线请求 允许 一 系统的复位和启动操作表2 138086的复位和启动操作 是通过RESET引脚上的触发信号来执行的 当RESET引脚上维持有4个时钟高电平时 CPU就结束当前操作 进入初始化 复位 过程 重新启动后 系统从FFFF0H开始执行指令 由于在复位操作时 标志寄存器PSW被清0 因此其中的中断标志位IF被清0 这样所有的可屏蔽中断请求都不能响应 即复位以后 若需要 需用开中断指令来重新设置IF标志 复位操作的时序图 三 总线操作总线操作 执行总线周期即为总线操作 按数据传输的方向 总线操作可分为总线读和总线写操作 按读 写的对象 总线操作分为存储器读 写与I O读 写操作 一个最基本的总线周期包含有4个状态 即T1 T2 T3 T4 必要时可插入1个或几个TW状态 1 T1状态 1 为了要从存储器或I O端口读出数据 必须设置M IO信号有效 此信号一直保持到整个总线周期结 T1 T4 2 地址线信号 存储器或I O端口 有效 高4位通过地址 状态线A19 S6 A16 S3送出 低16位通过地址 数据线AD15 AD0送出 用来指出操作对象 存储器或I O端口 的地址 20位地址 A19 S6 A16 S3 AD15 AD0 T1 T2的一半 3 地址锁存ALE有效 在最小模式的系统配置中我们讲过 地址信号通过地址锁存器8282锁存 ALE即为8282的锁存信号 下降沿有效 T1 4 BHE 对8088无用 有效 用来表