第2章18086处理器结构.ppt

第二章微处理器系统结构 2 1微处理器基本功能和结构2 2微处理器主要性能指标2 3INTEL8086 8088微处理器2 48086 8088微处理器基本时序2 5INTEL80X86微处理器2 680X8632位编程结构 1 从应用角度 不是从内部工作原理 展开典型8位微处理器的基本结构8088 8086的功能结构8088 8086的寄存器结构8088 8086的存储器结构为学习指令系统打好基础 例如 关心用户 可编程 寄存器 不关心无法操纵的 透明 寄存器 2 1微处理器基本功能和结构 2 1 1微处理器的基本结构 1 算术逻辑单元 运算器 2 寄存器组3 指令处理单元 控制器 微处理器是微型计算机的核心部件 也称为中央处理单元 简称CPU CentralProcessingUnit 它负责微型计算机中各部件的协调 完成指令的执行和数据处理工作 其主要功能包括 指令控制 指令执行顺序操作控制 各部件功能协调时序控制 各信号时序数据加工 算术 逻辑运算 4 微处理器基本结构微处理器基本结构包括控制器 运算器 寄存器组等部件 运算器ALU ArithmeticLogicUnit 计算机的核心功能部件 主要负责算术 逻辑运算等数据加工功能 控制器CU ControlUnit 计算机的指挥控制中心 负责按照一定顺序自动读取程序中的指令 将指令译码后产生相应控制信号 控制各部件协同工作 寄存器组RS RegisterSet 是CPU中暂存数据和指令的逻辑部件 用于临时存放数据或地址 除此以外 微处理器常常还包括一定的高速缓存部件 5 2 3INTEL8086 8088微处理器 2 3 1Intel8086 8088CPU的基本特点基本性能 工作频率 5 10MHz字长 16位地址总线宽度 20位数据总线宽度 16位 8086 8位 8088 生产工艺 3 m 2 9万个晶体管工作电压 5V封装 40脚 双列直插式 DIP 6 将取指令部件与执行指令部件分开 使它们可以并行工作 从而实现并行流水线 提高系统运行速度 对内存空间分段管理 利用16位段基址和16位段内偏移地址实现对1MB空间的寻址 设有两种工作模式 分别支持单处理器工作和多处理器工作 基本指令执行时间为0 3 s 0 6 s 主要特点 7 2 3 28086 8088微处理器组成结构 由两个功能部件构成 执行部件EU ExecutionUnit 主要实现指令和数据处理功能总线接口部件BIU BusInterfaceUnit 主要实现与外界交换数据的功能 8 执行部件EU 总线接口部件BIU 9 算术逻辑单元 ALU 用于算术 逻辑运算功能 标志寄存器FLAG 用于存放一个CPU的状态或控制标志 反映CPU最近一次运算结果的一些状况 数据暂存寄存器 协助ALU完成运算 暂存参加运算的数据 如从内存读入的数据 通用寄存器 用于存放参与运算的数据或数据在内存中的偏移地址 EU控制电路 负责接收从BIU指令队列中取来的指令 经指令译码后形成定时控制信号 对EU各部件实现特定的控制操作 EU中各部件功能如下 10 指令队列缓冲器 存放最多6字节的指令 按 先进先出 原则进行存取操作 地址加法器 完成20位物理地址计算 段地址寄存器 用于存放段的基地址值 指令指针寄存器IP 指令指针寄存器用于存放BIU要取出的下一条指令的偏移地址 总线控制电路与内部通信寄存器 总线控制电路用于产生外部总线操作时的相关控制信号 内部通信寄存器用于暂存总线接口单元BIU与执行单元EU之间交换的信息 BIU中各部件的功能如下 11 EU与BIU并行执行的优势假设计算机处理数据的过程简化为取指和执行两个步骤组成 如果微处理器只有一个功能部件 则完成一系列指令的过程可描述如下 12 如果将微处理器的功能分为EU和BIU两个部件 分别完成取指令和执行指令的操作 虽然单个指令仍然需要取指令再执行 但从而指令流角度看 取指令和执行指令可以同时进行 很显然 采用两个功能部件独立运行时 效率比单个部件提高了近一倍 13 2 3 38086 8088微处理器的寄存器结构 1 8个通用寄存器8086微处理器中有8个通用寄存器 每个寄存器长度为16位 用于存放数据或地址 8个通用寄存器分别是 累加器AX AH AL Accumulator基址寄存器BX BH BL Base计数寄存器CX CH CL Counter数据寄存器DX DH DL Data堆栈指针寄存器SPStackPointer基址指针寄存器BPBasePointer源变址寄存器SISourceIndex目的变址寄存器DIDestinationIndex 14 2 存储器的分段管理 8088CPU有20条地址线最大可寻址空间为220 1MB物理地址范围从00000H FFFFFH8088CPU将1MB空间分成许多逻辑段 Segment 每个段最大限制为64KB段地址的低4位为0000B这样 一个存储单元除具有一个唯一的物理地址外 还具有多个逻辑地址 物理地址和逻辑地址 8088CPU存储系统中 对应每个物理存储单元都有一个唯一的20位编号 就是物理地址 从00000H FFFFFH分段后在用户编程时 采用逻辑地址 形式为段基地址 段内偏移地址 分隔符 物理地址14700H逻辑地址1460H 100H 逻辑地址 段地址说明逻辑段在主存中的起始位置8088规定段地址必须是模16地址 xxxx0H省略低4位0000B 段地址就可以用16位数据表示 就能用16位段寄存器表达段地址偏移地址说明主存单元距离段起始位置的偏移量每段不超过64KB 偏移地址也可用16位数据表示 8086同时可有4个段被激活 称当前段 它们是代码段 数据段 堆栈段 附加段 其段地址分别保存于CS DS SS ES中 分段要求 1 保持16个字节或其整数倍为段地址间距 2 16位段寄存器表示段基址 段寄存器加1实际上存储器地址加16 3 段可连续 分散 重迭 18 可以表示为0100H 0023HPA 0100H 10H 0023H 01023H 也可表示为0102H 0003HPA 0102H 10H 0003H 01023H 例 对于物理地址01023H单元 逻辑地址 LA 与物理地址 PA 的转换需要作如下计算 20位物理地址 PA 16位段地址 16 16位偏移地址 19 物理地址和逻辑地址的转换 将逻辑地址中的段地址左移4位 加上偏移地址就得到20位物理地址一个物理地址可以有多个逻辑地址 逻辑地址1460 100 1380 F00物理地址14700H14700H 3 段寄存器 8088有4个16位段寄存器CS指明代码段的起始地址SS指明堆栈段的起始地址DS指明数据段的起始地址ES指明附加段的起始地址每个段寄存器用来确定一个逻辑段的起始地址 每种逻辑段均有各自的用途 代码段寄存器CS CodeSegment 代码段用来存放程序的指令序列代码段寄存器CS存放代码段的段地址指令指针寄存器IP指示下条指令的偏移地址处理器利用CS IP取得下一条要执行的指令 堆栈段寄存器SS StackSegment 堆栈段确定堆栈所在的主存区域堆栈段寄存器SS存放堆栈段的段地址堆栈指针寄存器SP指示堆栈栈顶的偏移地址处理器利用SS SP操作堆栈顶的数据 数据段寄存器DS DataSegment 数据段存放运行程序所用的数据数据段寄存器DS存放数据段的段地址各种主存寻址方式 有效地址EA 得到存储器中操作数的偏移地址处理器利用DS EA存取数据段中的数据 附加段寄存器ES ExtraSegment 附加段是附加的数据段 也保存数据 附加段寄存器ES存放附加段的段地址各种主存寻址方式 有效地址EA 得到存储器中操作数的偏移地址处理器利用ES EA存取附加段中的数据串操作指令将附加段作为其目的操作数的存放区域 如何分配各个逻辑段 程序的指令序列必须安排在代码段程序使用的堆栈一定在堆栈段程序中的数据默认是安排在数据段 也经常安排在附加段 尤其是串操作的目的区必须是附加段数据的存放比较灵活 实际上可以存放在任何一种逻辑段中 段超越前缀指令 没有指明时 一般的数据访问在DS段 使用BP访问主存 则在SS段默认的情况允许改变 需要使用段超越前缀指令 8088指令系统中有4个 CS 代码段超越 使用代码段的数据SS 堆栈段超越 使用堆栈段的数据DS 数据段超越 使用数据段的数据ES 附加段超越 使用附加段的数据 示例 段超越的示例 没有段超越的指令实例 MOVAX 2000H AX DS 2000H 从默认的DS数据段取出数据采用段超越前缀的指令实例 MOVAX ES 2000H AX ES 2000H 从指定的ES附加段取出数据 总结 段寄存器的使用规定 寄存器的总结 8088有8个8位通用寄存器 8个16位通用寄存器8088有6个状态标志和3个控制标志8088将1MB存储空间分段管理 有4个段寄存器 对应4种逻辑段8088有4个段超越前缀指令 用于明确指定数据所在的逻辑段 熟悉上述内容后 就可以进入下节 3 控制寄存器8086微处理器中有2个用于控制目的的寄存器 一个是指令指针寄存器IP InstructionPointer 另一个是标志寄存器FLAG PSW ProgramStatusWord IP用于保存微处理器下一条待执行指令的地址 偏移量 标志寄存器FLAG保存了两组状态信息 一组是微处理器当前的运行状态称为控制标志 另一组是微处理器执行上一条指令后的结果信息 称为状态标志 31 TF DF IF OF SF ZF AF PF CF 控制标志 状态标志 跟踪 状态标志 标示CPU运行结果的