微机原理与接口技术第2章 8088微处理器

微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 1页 第 2章 8086微处理器 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 2页 主要内容 微处理器发展 8086 8086/8088 8086 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 3页 微处理器发展 微处理器历史 1通用微处理器 1971年，美国 特尔）公司为日本制造商设计了一个微处理器芯片。该芯片成为世界上第一个微处理器4004。它字长 4位，集成了约 2300个晶体管，时钟频率为108兹）。以它为核心组成的 就是世界上第一台微型计算机。 4004随后被改进为 4040。 1972年 位的微处理器芯片 8008，其时钟频率为 500成度约 3500个晶体管。随后的几年当中，微处理器开始走向成熟，出现了以 6800、 80和 080/8085为代表的中、高档 8位微处理器。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 4页 1978年开始，各公司相继推出一批 16位字长的微处理器，如 086和 8088、 68000、8000等。例如 086的时钟频率为5成度达到 一时期的著名微机产品是 软）公司的操作系统开发的 16位个人计算机（ 1985年， 一步推出了 32位微处理器 80386，其集成度达到 钟频率达 16这时起，微处理器步入快速发展阶段。就 陆续研制生产了 80486、腾）、 能奔腾）、 能奔腾）、 、 和等微处理器。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 5页 2000年， 腾）。事实上，其他公司的 64位微处理器在 20世纪 90年代已经出现，但也是主要应用于服务器产品中，不能与通用 802003年 4月， 2位 804位微处理器，被称为 2004年 3月， 4位能力的 32位微处理器，它采用扩展 64位主存技术（ 4 64位微处理器主要将整数运算和主存寻址能力扩大到 64位。 2005年， 64位 渐获得用户青睐。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 6页 2专用微处理器 除了装在 记本电脑、工作站、服务器上的通用微处理器（常简称为 还有其他应用领域的专用微处理器：单片机（微控制器）和数字信号处理器。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 7页 单片机（ 指通常用于控制领域的微处理器芯片，其内部除 只读存储器（ 随机存储器（ 计时器、并行接口和串行接口，有的芯片还集成了A/D、 D/句话说，一个芯片几乎就是一个计算机，只要配上少量的外部电路和设备，就可以构成具体的应用系统。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 8页 单片机是国内习惯的名称，国际上多称为微控制器（ 嵌入式控制器（ 简称为 控制器的初期阶段（ 1976 1978年）以 1978年以后，微控制器进入普及阶段，以 8位为主，最著名的是 位 有 特梅尔）公司的 1982年以后高性能的 16位、 32位微控制器出现，例如 8系列、 于 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 9页 数字信号处理器（ 简称 际上也是一种微控制器（单片机），但更专注于数字信号的高速处理，内部集成有高速乘法器，能够进行快速乘法和加法运算。 920以后也经历了多代发展，其中美国德州仪器（ 司 如 1982年的 1985年的 1987年的1991年的 有 费类电子产品和计算机。我国推广和应用较多的是 利用微控制器、数字信号处理器或通用微处理器，结合具体应用就可以构成一个控制系统，例如当前的主要应用形式是嵌入式系统。嵌入式系统融合了计算机软硬件技术、通信技术和半导体微电子技术，把计算机直接嵌入到应用系统之中，构造信息技术（ 最终产品。 嵌入式系统有三个级别的体系结构。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 10页 识产权核）：也就是片上系统 式。它把不同的 据应用的要求集成在一个芯片上，各种嵌入式软件也能以 用于专用集成电路（ 者可编辑逻辑器件（ 逻辑块或数据块。最著名的 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 11页 芯片级结构：目前最常见的嵌入式系统形式。它根据各种 用相应的处理器芯片（ 及 I/应的系统软件和应用软件也固化在 模块级结构：以 80 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 12页 8086 微处理器主要的性能指标有： 主频：即微处理器的时钟频率。如 300频为 300般说来，主频越高，微处理器的速度越快。由于内部结构不同，并非所有时钟频率相同的微处理器性能都一样。 外频：指微处理器外部总线工作频率。如 133，主频为 133外频 (或称总线速度 )66 500，主频为 500频为10033 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 13页 8086 工作电压：指微处理器正常工作所需的电压。早期微处理器的工作电压一般为 5V，随着微处理器主频的提高，微处理器工作电压有逐步下降的趋势，如 解决温度过高的问题。 制造工艺：制造工艺主要由管子之间最小线距来衡量微处理器的集成密度，通常采用微米 (m)为单位，如 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 14页 350采用 0 3500采用 0 25 地址线宽度：决定了微处理器可以访问的物理地址空间，如 386/486/2位，最多可访问4 为36位，可以直接访问 64 数据线宽度：决定了微处理器与外围部件内存以及输入 /输出设备之间一次数据传输的信息量。如 386/486为 32位， 为 64位。 内置协处理器：含有内置协处理器的微处理器，可以加快特定类型的数值计算。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 15页 超标量结构：是指在一个时钟周期内微处理器可以执行一条以上的指令，即至少包括两条指令流水线。 486以下的微处理器属于低标量结构，即在这类微处理器内执行一条指令至少需要一个或一个以上的时钟周期。 2高速缓存：即一级二级高速缓存。内置高速缓存可以提高微处理器的运行效率。采用回写 (构的高速缓存：它对读和写操作均有效，速度较快。而采用通写 (构的高速缓存，仅对读操作有效。 本章以 086为例。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 16页 8086/8088的内部结构 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 17页 1. 总线接口单元 1. 总线接口单元 (1) 总线接口单元 总线接口单元 存储器和I/的信息传递的重要通道。具体地讲，总线接口单元 取指令 总线接口单元 这时执行单元 。只要指令队列中不满 (6个字节指令队列的 8086空 2个字节以上， 4个字节指令队列的 8088空 1个字节以上都称为不满 )，总线接口单元执行单元 令队列立即清除，总线接口单元 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 18页 1. 总线接口单元 传送数据 执行单元 ，总线接口单元 内存或 I/取数据 (读或输入 )或把执行单元 写或输出 )。当执行单元 行单元 果此时总线接口单元 即无取指操作 )，则总线接口单元行数据传送；如果此时总线接口单元 总线接口单元 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 19页 1. 总线接口单元 形成物理地址 总线接口单元 是传送数据，都必须指示内存单元 (取指或传送数据 )或 I/送数据 )，这就需要指明具体的实际地址，这个任务由总线接口单元 线接口单元6位段地址左移 4位形成 20位 (相当于乘以16)后，再与执行单元 6位偏移地址通过地址加法器相加得到 20位物理地址 (实际地址 )，如图 2后通过总线控制逻辑与外部相连。如果段地址为 1200H，而偏移地址为 2450H，则合成后的 20位物理地址为12000H+2450H=14450H。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 20页 1. 总线接口单元 (2) 总线接口单元 总线接口单元 令指针、指令队列和地址加法器组成。这些组成部分的含义及用途说明如下： 4个 16位的段地址寄存器。 放程序代码段起始地址的高 16位。 放数据段起始地址的高 16位。 放堆栈段起始地址的高 16位。 放扩展数据段起始地址的高 16位。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 21页 1个 16位的指令指针 它用于存放下一条要执行指令的偏移地址，不能作为一般寄存器使用。 20位的地址加法器 它负责由段地址与偏移地址向 20位物理地址的合成。 指令队列 指令队列 (放预取的指令，采用预取指令的方法将减少微处理器的等待时间，提高运行效率。由图 2于总线接口单元 称为流水线工作，因此与 8位微处理器的串行操作 (取完指令后再执行 )相比大大提高了运行速度，减少了微处理器等待时间。 8086的指令队列为 6个字节， 8088为 4个字节。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 22页 2. 执行单元 2. 执行单元 (1) 执行单元 执行单元是执行指令并对各个硬件部分进行控制的部件，它的主要功能简单地说就是执行全部指令。具体地讲，执行单元 指令译码 由于总线接口单元 此，为了执行指令，事先要由执行单元 微指令码 )。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 23页 2. 执行单元 执行指令 译码后的指令，通过执行单元 成指令的执行。执行指令包括具体的运算，由 向总线接口单元 在执行指令的过程中，如果要与外部打交道，则会向总线接口单元 执行单元便总线接口单元 管理通用寄存器和标志寄存器 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 24页 2. 执行单元 在执行指令时，需要通用寄存器的参与，运算时产生的状态标志将记录在标志寄存器中，这些寄存器都由执行单元 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 25页 执行单元 功能：执行指令，具体操作如下 从 译码 完成指定的操作 结果保存到目的操作数 运算特征保存在标志寄存器 对影响标志的指令） 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 26页 2. 执行单元 (2) 执行单元 执行单元 志寄存器和算术逻辑单元 面将简单说明这些组成部分的具体含义及主要用途。 通用寄存器 执行单元 个 16位的通用寄存器 X，和 P， 中 X，和 6位寄存器用，也可以单独拆成两个 8位的寄存器用，其含义及用途如下： 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 27页 2. 执行单元 作为 16位寄存器使用时，还可进行按字乘、除操作、字的输入输出及其他字传送操作；当作为 8位寄存器用时，可以进行按字节乘、除操作、字节输入输出操作以及十进制运算， 6位或 8位的数据寄存器外，还可以放偏移地址。 又称计数寄存器， 常在字串操作中用于存放字串的初值。 可以在乘除运算中，用于存放一个乘数的高字或除法中被除数的高字，以及乘法中积的高字或除法中的余数部分。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 28页 2. 执行单元 四个 16位的寄存器还专门用来存放特定段的偏移地址，有时也称它们为地址寄存器。 存放堆栈操作地址的偏移量，对应段的段地址存放在 在有些间接寻址中，用于存放段内偏移地址的一部分或全部，对应段的段地址由 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 29页 2. 执行单元 在间接寻址中，用于存放段内偏移地址的一部分或全部，在字符串操作中，指定其存放源操作数的段内偏移地址，也可存放一般的数据。 在间接寻址中，用于存放段内偏移地址的一部分或全部，在字符串操作中，指定其存放目标操作数的段内偏移地址，也可存放一般的数据。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 30页 标志寄存器 8086/8088内部标志寄存器的内容，又称为处理器状态字 其中共有 9个有效的标志位，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， 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。 4所示，这些标志位的含义如下： 1 5 1 1 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 X O I F T F S F Z X C 指 示 器标 志 寄 存 器进 位 标 志 位奇 偶 标 志 位半 进 位 标 志零 标 志符 号 标 志溢 出 标 志方 向 标 志中 断 标 志单 步 标 志图 2 4 标志寄存器 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 31页 下面是 6个状态标志 ( 当进行加法运算时结果使最高位产生进位，或在减法运算时结果使最高位产生借位，则 ，否则 。此外，循环指令也使 。 当加法运算时，如果低 4位向高位有进位 (即第 3位向第 4位进位 )或减法运算时，如果低 4位向高位借位 (即第 3位向第 4位借位 )，则 ，否则 。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 32页 运算结果若低 8位所含 1的个数为偶数，则 ，否则。 当运算结果使有效位数的各位全为零时 ，否则 。例如两个 16位数相加 1234H+果和放 际结果应为 10000H，但由于是 16位数操作， ，所以 ，但此时 CF=l。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 33页 当运算结果为负时 ，否则 。 符号位 )。 当运算结果超出了机器所能表示的范围时，则 ，表示溢出，否则 ，表示不溢出。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 34页 下面是 3个控制标志 (F)： 串操作的控制方向标志，串操作中如果 ，则地址递增，若，则地址递减。可用 如果，则允许微处理器响应可屏蔽中断， ，则禁止可屏蔽中断。可用 F=1和。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 35页 陷阱标志位 (单步标志位、跟踪标志，如果 ；则微处理器按单步方式执行指令，执行一条指令就产生一次类型为 1的内部中断 (单步中断 )，通常用于程序的调试。该标志没有对应的指令操作，只能通过堆栈操作改变 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 36页 微处理器所有寄存器集成到一起，如图 2 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 37页 串行 工作 方式 8086以前的 取指令 1 执行 1 取指令 2 执行 2 碌 忙 碌 取指令 3 执行 3 忙 碌 空闲 空闲 空闲 t1 t0 t2 t3 t4 6个周期执行了 3条指令 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 38页 并行工作方式 8086取指令 1 取指令 2 取指令 3 取指令 4 执行 1 执行 2 执行 3 碌 执行 4 t1 t0 t2 t3 t4 指令 5 执行 5 忙碌 忙碌 忙碌 忙碌 忙碌 6个周期执行了 5条指令 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 39页 存储器组织 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=1 2. 物理地址 8088/8086可直接寻址 1地址区域为 00000H 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。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 40页 3. 存储器的分段及段地址 由于 6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 64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 2 存储器的每个段的容量为 64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 2 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 41页 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 6位寄存器（ P、 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（ 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 于系统启动的 000H，所以初始指令的物理地址为 0们可以在0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。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 42页 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 64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 695 第四，各个分段之间可以重叠。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 43页 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 003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： 000（ 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 6彩色显示器的显示缓冲区，存放图形方式下，屏幕显示象素的代码。 启动区： 6个单元，用以存放一条无条件转移指令的代码，转移到系统的初始化部分。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 44页 8086/8088 8086/8088的工作模式 8086/8088可以在两种工作模式下工作，即最小模式和最大模式。 最小模式 即系统中只有 8086（或 8088）一个微处理器。最小模式是单处理器系统。系统中所需要的控制信号全部由 8086（或 8088） 最大模式 系统中有两个或两个以上的微处理器，即除了主处理器 8086（或 8088）以外，还有 8087算术协处理器或 8089 输入 /输出协处理器来协助主处理器工作。最大模式可构成多处理器系统，系统中所需要的控制信号由总线控制器 8288提供。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 45页 8087是一种专用于数值运算的协处理器，它能实现多种类型的数值运算，如高精度的整型和浮点型数值运算，超越函数（三角函数、对数函数）的计算等，这些运算若用软件的方法来实现，将耗费大量的机器时间。换句话说，引入了 8087协处理器，就是把软件功能硬件化，可以大大提高主处理器的运行速度。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 46页 8089协处理器，在原理上有点象带有两个 有一套专门用于输入 /输出操作的指令系统，但是 8089又和 可以直接为输入 /输出设备服务，使主处理器不再承担这类工作。所以，在系统中增加 8089协处理器之后，会明显提高主处理器的效率，尤其是在输入 /输出操作比较频繁的系统中。 8086/8088的第33号引脚接地，则工作于最大模式，第 33号引脚接高电平，则工作于最小模式。 8086/8088条引腿（第24号 31号）在两种不同工作模式中具有不同的功能。 8086/8088的引脚信号 8086与 8088内部结构基本相同，外部采用 40引脚双列直插式封装。 8086与 8088微处理器引脚功能上的不同点： 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 47页 图 2086和 8088的引脚信号图 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 48页 下面介绍一下与工作模式无关的相关引脚。 1. 地址 /数据分时复用引脚，双向，三态。传送地址时三态输出，传送数据时可双向三态输入输出。这种分时复用的方法才能使 8086 8088用 40条引脚实现 20位地址、 16位数据及众多的控制信号和状态信号的传输。不过在8088中，由于只能传输 8位数据，所以，只有 条地址数据线， 在总线周期的第一个时钟周期 在总线周期的其他时钟周期 (对于写周期来说是传送数据，对于读周期来说则是处于悬浮状态 (读周期的 。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 49页 2. 63( 地址 /状态分时复用引脚，输出，三态。在总线周期的第一个时钟周期 位 (与 0位的物理地址。当， 0”，而在其他时钟周期则用来输出状态信息。其中， ，用来指示 8086当前正与总线相连； 表示 ，表明 表示，表明 表 2 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 50页 3. 非屏蔽中断输入信号，输入，上升沿触发。这类中断请求不受 不能用软件屏蔽，只要此信号出现，就在现行指令结束后引起中断。 4. 可屏蔽中断请求信号，输入，电平触发，高电平有效。 8086要检测 明有 I/ ，止停止执行当前的指令序列，并转去执行中断服务程序，为申请中断的 I/ 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 51页 5. 7(高 8位数据总线允许 /状态复用信号，三态，输出，低电平有效。 1状态时输出， 2时表示数据总线高 8位 8086使用了 16根数据线；若 =1，表示数据总线高 8位 8086使用了 8根数据线 (读 /写存储器或 I/作选片信号，与最低位地址线 示当前总线的使用情况，和 8088中，该引脚不是，而是被赋予另外的信号。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 52页 6. ( 最小 /最大模式控制信号 ，输入 。 当为高电平时 ， 8086/8088为低电平时 ， 8086/8088 7. 读信号 ， 三态 ， 输出 ， 低电平有效 。 当其有效时表示 。 具体是读存储器还是 I/ 若为高电平 ， 表示读存储器；若为低电平 ， 表示读 I/ 试信号 ， 输入 ， 低电平有效 。 当 每隔 5个时钟周期对进行一次测试 ， 若测试到无效 ， 则 重复执行 直到变为有效的低电平 ， 使 等待期间允许外部中断 。 引脚用于多处理器系统中 ， 实现 8086与协处理器间的同步 。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 53页 9. 准备就绪信号 ， 输入 ， 高电平有效 。 “ 准备就绪 ”信号是由被访问的存储器或 I/ 高电平有效 。 当 表示被访问的内存或 I/0设备已准备好 ， 若内存或 I/ 3状态检测到 若发现其无效 ， 则自动插入一个或多个等待状态直到 完成数据传送过程 。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 54页 10. 系统复位信号 ， 输入 ， 高电平有效 。 8086 8088要求 个时钟周期 ， 接通电源时不能小于 50s。 停止当前操作 ， 并将标志寄存器 、段寄存器 、 指令指针 从 通常 转移到系统程序的实际入口处 ， 这样只要系统 被 复 位 启 动 ， 就 自 动 进 入 系 统 程 序 。8086/8088复位时内部寄存器的状态见表 2 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 55页 11. 时钟信号，输入。 284集成电路的时钟发生器的时钟输出相连，该电路为微处理器提供基本的定时脉冲信号，占空比为 33 (即 1/3周期为高电平， 2/3周期为低电平 )。 8086的时钟频率为 5 12. 电源线 086电源线 50，有两条地线 脚和 20脚 )，均应接地。 统状态输出信号，输出。在最小模式下，该信号与其它两个信号一起反应 8088总线操作类型。在最大模式下，该引脚输出恒为高电平。 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 56页 8086 最小模式下总线时序 微机原理与接口技术 清华大学出版社 第 57页 8086 最小模式下总线时序