1.3 8086_8088微处理器.pdf

1 3 8086 8088微处理器 23 05 33 1 3 8086 8088微处理器 教学目的 了解8086 8088微处理器的一般性能特点 教学重点 熟悉内部编程结构的两大组成部分及在信息处理中的相互协调关系 教学难点 掌握处理器状态字PSW及各个标志位 教学手段 现场教学与提问 学时分配 2 自学内容 课外作业 教学内容 一 8086 8088微处理器 1 引言 8086 8088微处理器是Intel公司推出的第三代CPU芯片 它们的内部结构基本相同 都采用16位结构进行 操作及存储器寻址 但外部性能有所差异 两种处理器都封装在相同的40脚双列直插组件 DIP 中 2 8086微处理器的一般性能特点 16位的内部结构 16位双向数据信号线 20位地址信号线 可寻址1M字节存储单元 较强的指令系统 利用第16位的地址总线来进行I O端口寻址 可寻址64K个I O端口 中断功能强 可处理内部软件中断和外部中断 中断源可达256个 单一的 5V电源 单相时钟5MHz 另外 Intel公司同期推出的Intel8088微处理器一种准16位微处理器 其 内部寄存器 内部操作等均按16位处理器设计 与Intel8088微处理器基本上相同 不同的是其对外的数据线 只有8位 目的是为了方便地与8位I O接口芯片相兼容 3 8086 8088CPU的编程结构 编程结构 是指从程序员和使用者的角度看到的结构 亦可称为功能结构 1 3 8086 8088微处理器 23 05 33 如图1 7 P11 所示是8086 8088CPU的内部功能结构 从功能上来看 8086 8088CPU可分为两部分 即总线接口部件BIU Bus Interface Unit 和执行部 件EU Execution Unit 1 执行部件 EU 功能 负责指令的执行 组成 包括 ALU 算术逻辑单元 通用寄存器组和 标志寄存器等 主要进行8位及16位的各种运算 图1 7 8086 8088CPU内部功能结构图 2 总线接口部件 BIU 功能 负责与存储器及I O接口之间的数据传送操作 具体来看 完成取指令送指令队列 配合执行部件 的动作 从内存单元或I O端口取操作数 或者将操作结果送内存单元或者I O端口 组成 它由 段寄存器 DS CS ES SS 16位指令指针寄存器IP 指向下一条要取出的指令代 码 20位地址加法器 用来产生20位地址 和 6字节 8088为4字节 指令队列缓冲器组成 3 8086 8088BIU的特点 8086 8088的指令队列分别为6 4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 1 3 8086 8088微处理器 23 05 33 地址加法器用来产生20位物理地址 8086 8088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 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0FE400H 4 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 每当8086的指令队列中有两个空字节 或8088的指令队列中有一个空字节时 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 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 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 从上述BIU与EU的动作管理原则中 不难看出 它们两者的工作是不同步的 正是这种既相互独立又相 互配合的关系 使得8086 8088可以在执行指令的同时 进行取指令代码的操作 也就是说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 这正 是8086 8088获得成功的原因之一 5 8086 8088CPU内部寄存器 8086 8088内部的寄存器可以分为通用寄存器和专用寄存器两大类 专用寄存器包括指针寄存器 变址寄存 器等 通用寄存器 8086 8088有4个16位的通用寄存器 AX BX CX DX 可以存放16位的操作数 也可分为8个8位的寄存 器 AL AH BL BH CL CH DL DH 来使用 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 这些寄存器在具体使用上有一定的差别 如表1 2所示 P12 1 3 8086 8088微处理器 23 05 33 指针寄存器 系统中有两个16位的指针寄存器SP和BP 其中SP是堆栈指针寄存器 由它和堆栈段寄存器SS一起来确定堆 栈在内存中的位置 BP是基数指针寄存器 通常用于存放基地址 变址寄存器 系统中有两个16位的变址寄存器SI和DI 其中SI是源变址寄存器 DI是目的变址寄存器 都用于指令的变 址寻址方式 表1 2 内部寄存器主要用途 寄存器用 途 AX字乘法 字除法 字I O AL字节乘 字节除 字节I O 十进制 算术运算 AH字节乘 字节除 BX转移 CX串操作 循环次数 CL变量移位 循环控制 DX字节乘 字节除 间接I O 控制寄存器 IP 标志寄存器是系统中的两个16位控制寄存器 其中IP是指令指针寄存器 用来控制CPU的指令执行顺 序 它和代码段寄存器CS一起可以确定当前所要取的指令的内存地址 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 当IP单独改变时 会发生段内的程序转移 当CS和IP同时改变 时 会产生段间的程序转移 1 3 8086 8088微处理器 23 05 33 标志寄存器的内容被称为处理器状态字PSW 用来存放8086 8088CPU在工作过程中的状态 段寄存器 系统中共有4个16位段寄存器 即代码段寄存器CS 数据段寄存器DS 堆栈段寄存器SS和附加段寄存 器ES 这些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 6 处理器状态字PSW 8086 8088内部标志寄存器的内容 又称为处理器状态字PSW 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 其中状态标志表 示前一步操作 如加 减等 执行以后 ALU所处的状态 后续操作可以根据 这些状态标志进行判断 实现转移 控制标志则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 图1 8 标志寄存器 PSW中各标志位的安排如图1 8所示 P12 这些标志位的含义如下 状态标志 6个 CF 进位标志位 做加法时最高位出现进位或做减法时最高位出现借位 该位置1 反之为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 则该位置1 反之为0 AF 半进位标志位 做字节加法时 当低四位有向高四位的进位 或在做减法时 低四位有向高四位的借 1 3 8086 8088微处理器 23 05 33 位时 该标志位就置1 通常用于对BCD算术运算结果的调整 例 1101 1000 1010 1110 1 1000 0110其中AF 1 CF 1 ZF 零标志位 运算结果为0时 该标志位置1 否则清0 SF 符号标志位 当运算结果的最高位为1 该标志位置1 否则清0 即与运算结果的最高位相同 OF 溢出标志位 OF溢出的判断方法如下 加法运算 若两个加数的最高位为0 而和的最高位为1 则产生上溢出 若两个加数的最高位为1 而和的最高位为0 则产生下溢出 两个加数的最高位不相同时 不可能产生溢出 减法运算 若被减数的最高位为0 减数的最高位为1 而差的最高位为1 则产生上溢出 若被减数的最高位为1 减数的最高位为0 而差的最高位为0 则产生下溢出 被减数及减数的最高位相同时 不可能产生溢出 如果所进行的运算是带符号数的运算 则溢出标志恰好能够反映运算结果是否超出了8位或16位带符号数 所能表达的范围 即字节运算大于十127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 举例 0101010000111001 0100010101101010 1001100110100011 CF 0 AF 1 PF 1 ZF 0 SF 1 OF 1 两正数相加结果为负 一般来讲 不是每次运算后所有的标志都改变 只是在某些操作之后 才对其中某个标志进行检查 控制标志 3个 1 3 8086 8088微处理器 23 05 33 TF 陷阱标志位 单步标志位 跟踪标志 当该位置1时 将使8086 8088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 若该位置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 若该位置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 二 存储器组织 P13 1 存储容量 8088 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 1Mbyte 2 物理地址 8088 8086可直接寻址1Mbyte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 3 存储器的分段及段地址 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个互不重叠的逻辑段 如图1 9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 如图1 10所示 P14 图1 9 存储空间段结构 图1 10 分段逻辑结构 4 偏移地址 偏移地址是某存储单元相对其所在段起始位置的偏移字节数 或简称偏移量 它是一个16位的地址 根据 指令的不同 它可以来自于CPU中不同的16 1 3 8086 8088微处理器 23 05 33 位寄存器 IP SP BP SI DI BX等 5 物理地址的形成 物理地址是由段地址与偏移地址共同决定的 段地址来自于段寄存器 CS DS ES SS 是十六位地址 由段地址及偏移地址计算物理地址的表达式如下 物理地址 段地址 16 偏移地址 例如 系统启动后 指令的物理地址由CS的内容与IP的内容共同决定 由于系统启动的CS 0FFFFH IP 0000H 所以初始指令的物理地址为0FFFF0H 我们可以在0FFFF0H单元开始的几个单元中 固化一条无条件转移指令的代 码 即转移到系统初始化程序部分 6 存储器分段组织带来存储器管理的新特点 首先 在程序代码量 数据量不是太大的情况下 可使它们处于同一段内 即使它们在64Kbyte的范围内 这样可以减少指令的长度 提高指令运行的速 度 其次 内存分段为程序的浮动分配创造了条件 第三 物理地址与形式地址并不是一一对应的 举例 6832H 1280H 物理地址为695A0H 第四 各个分段之间可以重叠 7 特殊的内存区域 8088 8086系统中 有些内存区域的作用是固定的 用户不能随便使用 如 中断矢量区 00000H 003FFH共1K字节 用以存放256种中断类型的 中断矢量 每个中断矢量占用4个字节 共256 4 1024 1K 显示缓冲区 B0000H B0F9FH约4000 25 80 2 字节 是单色显示器 的显示缓冲区 存放文本方式下 所显示字符的ASCII码及属性码 B8000H BBF3FH约16K字节 是彩色显示器的显示缓冲区 存放图形方式下 屏 1 3 8086 8088微处理器 23 05 33 幕显示象素的代码 启动区 FFFF0H FFFFFH共16个单元 用以存放一条无条件转移指令 的代码 转移到系统的初