典型处理器及体系结构.ppt

8086 8处理器的内部结构 8086微处理器的引脚 存储器结构与I O组织 总线时序 重点掌握8086处理器内部结构 掌握8086系统的构成和工作原理 理解存储器的结构 了解总线操作及堆栈的工作原理 2 18086微处理器的内部结构 一 8086微处理器的内部结构结构 8086从功能结构来讲 分为两大部分 即总线接口部件BIU BusInterfaceUnit 和执行部件EU ExecutionUnit 1 总体功能结构 8086CPU的结构框图 内部暂存器 IP ES SS DS CS 输入 输出控制电路 外部总线 执行部分控制电路 123456 ALU 标志寄存器 AHAL BHBL CHCL DHDL SP BP SI DI 通用寄存器 地址加法器 指令队列缓冲器 执行部件 EU 总线接口部件 BIU 16位 20位 16位 8位 AXBXCXDX 执行部件的组成 四个通用寄存器 四个专业寄存器 一个16位的标志寄存器 算术逻辑单元 EU控制器 A 4个16位通用寄存器AX 累加器乘除法作为隐含的乘数或除数 I O操作 AL BX 基址寄存器访问内存时存放地址CX 计数寄存器关于循环操作中用于计数DX 数据寄存器和AX进行综合操作 AX放低16位 DX放高16位表示I O端口号 B 4个16位专用寄存器BP 基址指针寄存器 存放堆栈中某一存储单元的偏移量SI 源变址寄存器 存放数据段中源操作数所在存储单元相对段首址的偏移量DI 目的变址寄存器 存放数据段中某目的操作数所在存储单元的偏移量SP 堆栈指针寄存器 存放堆栈段中栈顶单元的偏移量 C 1个16位的标志寄存器D0 CF进位标志D2 PF奇偶标志D4 AF辅助进位标志D6 ZF零标志D7 SF符号标志D8 TF跟踪标志D9 IF中断标志D10 DF方向标志D11 OF溢出标志 标志寄存器格式 a 6个状态标志位 即CF PF AF ZF SF和OF 进位标志CF CarryFlag FLAG 标志寄存器 为16bit 其中9位有定义 当结果的最高位 字节 D7 字 D15 产生进位 加法运算 或借位 减法运算 时 CF 1 否则 CF 0 移位和循环指令也影响CF 奇偶标志位PF ParityFlag 若结果中的低8位含有 1 的个数为偶数 则PF 1 否则 PF 0 辅助进位标志AF AuxitiaryCarryFlag 在低半字节向高半字节有进位或借位时AF 1 否则 AF 0 零标志ZF ZeroFlag 当运算结果为0时ZF 1 否则 ZF 0 符号标志SF SignFlag SF等于最高位 对于带符号数 最高位为符号位 SF 1运算结果为负 SF 0为正 溢出标志OF OverflowFlag 带符号数运算结果超出其表达范围时 字节数 128 127 字类型数 32768 32767 OF 1 否则 OF 0 b 3个控制标志位 追踪标志TF TraceFlag TF 1 处理器进入单步方式 以便调试 CPU每执行一条指令自动产生一个内部中断以利于检查指令的执行情况 TF 0为连续工作方式 中断允许标志IF Interrupt enableFlag IF 1 允许CPU响应外部的可屏蔽中断请求 IF 0则禁止响应 IF对外部非屏蔽中断及内部中断不起作用 方向标志DF DirectionFlag 在串操作指令中 DF 0时 变址指针自动增量 DF 1时 则自动减量 D 算术逻辑单元ALU用于完成数据的算术运算和逻辑运算等 E EU控制器主要是对指令操作码进行译码 产生各种微操作控制信号 组成 A 4个段地址寄存器一般分为 CS DS ES SS寄存器CS 代码段寄存器 用来存放指令代码 DS 数据段寄存器 数据段中存放程序的有关数据 ES 附加段寄存器 存放运算结果或辅助数据 SS 堆栈段寄存器 用于存放按后进先出顺序存取的信息 B 指令指针寄存器IP在程序运行时 由CS指定段地址 IP指定在段内的偏移量 C 20位的地址加法器用于形成20位访问的地址 D 总线控制逻辑对AB DB CB进行管理E 指令队列8086有6个字节 8088有4个字节 2 28086的引脚信号及工作模式 一 8086的两种工作模式 8086采用双列直插式封装 有40个引脚 如右图所示 但总线信号数量却大于40 故8086采用了分时复用技术 部分引脚传送两种总线信号 二 8086引脚图 1 最小模式下引脚信号及功能 1 地址 数据总线AD15 AD0 双向 三态 2 地址 状态信号线A19 S6 A16 S3 输出 三态 S6 低电平 表示8086当前与总线相连 S5 表示标志寄存器中 中断允许位 的状态 IF S4 S3的组合指出了分段情况 如下表所示 S4和S3的组合提供的分段信息表 当CPU处于 保持响应 状态时 A19 S6 A16 S3置为高阻状态 若执行I O指令 则由于8086只访问64K个端口 在T1周期这4个引脚为低电平 下面介绍引脚中的控制信号 低电平 8086处于最大模式 高电平 8086处于最小模式 低电平有效 表示将对内存或I O端口读操作 区分CPU进行的是存储器还是I O访问 见下表 8 ALE地址锁存允许信号 输出 高电平有效 此信号在T1状态有效 为地址码锁存的选通信号 送地址锁存器 9 READY准备就绪信号 输入 高电平有效 是从所寻址的存储器或I O电路来的响应信号 用于解决CPU与慢速存储器或I O电路的同步问题 CPU在T3周期开始采样READY线 若为低电平 则T3之后插入TW等待周期直到READY为高电平 进入T4完成数据传送 10 INTR可屏蔽中断请求信号 输入 12 NMI非屏蔽中断请求信号 输入 13 RESET系统复位信号 输入 16 HOLD保持请求信号 输入 17 HLDA保持响应信号 输出 高电平有效 当CPU响应保持请求HOLD时 便发出HLDA高电平的应答信号 从而将总线控制权让给发出保持请求的设备 直到该设备又将HOLD信号变为低电平 CPU才收回总线控制权 将HLDA信号置为低电平 19 CLK系统时钟输入信号 工作在最小模式下8086的典型配置如右图所示 2 3 存储器结构 8086存储器的分体结构 二 存储器分段 段内偏移量EA EffectiveAddress 是指某存储单元离开该段段首址的字节数 逻辑地址 LogicalAddress 是一对地址 包含段寄存器的内容和段内偏移量 如某条指令的逻辑地址可表达为 CS IP 物理地址PA PhysicalAddress 是指某个存储单元实际的20bit的地址 又称绝对地址 由上面的定义可知 物理地址PA 对应段寄存器 10H十段内偏移量EA 物理地址的形成如下图所示 物理地址的形成 例如 若CS FFFFH IP 0000H 则指令所在存储单元的物理地址为 PA CS 10H IP FFFF0H 当取指令时 自动选择的段寄存器是CS 再加上IP所决定的16位偏移量 得到要取出指令具体的物理地址 当涉及到取一个堆栈操作数时 自动选择的段寄存器是SS 再加上SP所决定的16位偏移量 得到堆栈操作所需要的20位物理地址 当涉及到取一个操作数时 自动选择DS数据段寄存器或ES附加段寄存器 再加上16位偏移量 得到操作数的20位物理地址 16位偏移量取决于指令的寻址方式 如下图所示 三 8086系统中的堆栈 用作数据暂时存储的一组寄存器或存储单元称为堆栈 堆栈操作有两种 压入 PUSH 和弹出 POP 而SP始终指向堆栈栈顶的新位置 1 堆栈的定义 堆栈中数据按 后进先出 的结构方式进行处理 即新入栈的依次堆放在原来数据之上 存放信息的最后一个单元叫做栈顶 用堆栈指针SP StackPointer 指示 四 I O组织 1 统一编址 又称 存储器映射方式 在这种编址方式下 I O端口地址置于1MB的存储器空间中 在整个存储空间中划出一部分空间给外设端口 端口和存储单元统一编址 优点 无需专门的I O指令 对端口操作的指令类型多 从而简化了指令系统的设计 缺点 端口占用存储器的地址空间 使存储器容量更加紧张 同时端口指令的长度增加 执行时间较长 端口地址译码器较复杂 2 独立编址又称 I O映射方式 这种方式的端口单独编址构成一个I O空间 不占用存储器地址空间 优点 端口所需的地址线较少 地址译码器较简单 采用专用的I O指令 端口操作指令执行时间少 指令长度短 缺点 输入输出指令类别少 一般只能进行传送操作 2 48088微处理器 一 8088的功能结构 8088的内部结构与8086基本相同 都是16位CPU 只是外部数据总线的宽度不同 8086的外部数据总线宽度为16位 而8088的外部数据总线宽度为8位 故称8088为准16位CPU 内部结构不同点 8086的BIU中有一个6字节的指令队列 而8088的BIU中只有一个4字节的指令队列 当8088指令队列有1个字节空余 8086为2个字节空余 时 BIU将自动取指到指令队列 8088采用双列直插式封装 有40个引脚 如右图所示 电源为单一 5V 主时钟频率为4 77MHz 但总线信号数量却大于40 AD0 AD7采用了分时复用技术 部分引脚传送两种总线信号 二 8088引脚图 中断响应读I O端口写I O端口暂停取指读存储器写存储器无作用 01010101 11110000 00110011 IO M IO M DT R和SSO的状态编码 DT R SSO 性能 2 5总线操作及时序CPU经外部总线对存储器或I O端口进行一次信息输入或输出的过程称为总线操作 执行该操作所需的时间称为总线周期 8086由外部时钟信号发生器8284A提供主频为5MHz的时钟信号 在时钟节拍作用下顺序执行指令 需要访问存储