第4章 16位微处理器

第4章16位微处理器8086 1概述 8位机器的特点局限性 8位CPU执行一条与存储器交换信息的指令时 如 ADDR9 运行步骤如下 1从存储器中读取一条指令进入CPU的指令寄存器IR中 并分析操作码 2如指令需要则从存储器中读取操作数 取R9这个存储单元的数据 3CPU执行指令 在ALU中执行加法运算 4指令执行结果写入存储器或CPU寄存器中 结果存放在累加器A中 从信息的交换过程可以看出只有从存储器中读取指令和取操作数 写结果时占用总线 而分析操作码和执行指令时不占用总线 以往的计算机采用的是VonNeumann结构 是存储程序的运行方式 即指令首先被顺序存放在存储器中的 然后被逐条取出并执行 这种重复取出 执行顺序指令的串行操作是以往计算机的主要局限 把一条指令解释过程分解为分析和执行两个子过程 并让这两个子过程分别用独立的分析部件和执行部件来实现 理想情况 速度提高一倍 8位CPU执行一条与存储器交换信息的指令特点 从信息的交换过程可以看出只有从存储器中读取指令和取操作数 写结果时占用总线 而分析操作码和执行指令时不占用总线 VonNeumann结构计算机的局限 以往的计算机采用的是VonNeumann结构 是存储程序的运行方式 即指令首先被顺序存放在存储器中的 然后被逐条取出并执行 这种重复取出 执行顺序指令的串行操作是以往计算机的主要局限 突破局限的思想 把一条指令解释过程分解为分析和执行两个子过程 并让这两个子过程分别用独立的分析部件和执行部件来实现 理想情况 速度提高一倍 流行的微处理器的基本参数 28086 8088的编程结构 2 1EU的组成 功能2 2BIU的组成 功能存储器的奇偶存储体结构存储器的分段存储器的物理地址和逻辑地址2 3流水线结构 28086的编程结构 结构上分成了两部分总线接口单元BIU BusInterfaceUnit 执行单元EU ExecutionUnit 这两个单元并行地工作 能使大部分取指令操作与执行指令操作重叠的进行 即所谓 流水线 结构 由于EU执行的是BIU已从存储器取出的指令 所以在大多数情况下取指令的时间 消失了 从而加快了程序的运行速度 2 1总线接口部件 BusInterfaceUnit 功能是负责与存储器 I O端口传送数据 总线接口部件要从内存取指令送到指令队列 CPU执行指令时 总线接口部件要配合执行部件从指定的内存单元或者外设端口中取数据 将数据传送给执行部件 或者把执行部件的操作结果传送到指定的内存单元或外设端口中 2 1总线接口部件 BIU 4个段寄存器 寄存器 CodeSegment 寄存器 DataSegment 寄存器 StackSegment 寄存器 ExtraDataSegment 2 1总线接口部件 BIU 4个16位的段地址寄存器 CS 代码段寄存器 CodeSegment DS 数据段寄存器 DataSegment SS 堆栈段寄存器 StackSegment ES 扩展段寄存器 ExtraDataSegment 16位的指令指针寄存器IP InstructionPointer 20位的地址加法器 AddressAdder 6字节的指令队列 InstructionQueue 指令队列 CUP会在执行指令的同时 从内存中取出下一条或下几条指令 取来的指令就放在指令队列中 一般情况下 CPU执行完一条指令就可以立即执行下一条指令 而不需要让CPU轮番取指 执行 从而提高了CPU的效率 地址加法器 8086可用20位地址寻址1M字节的内存空间 但8086CPU内部所以的寄存器都是16位的 所以需要一个附加的机构来根据16位寄存器提供的信息计算出20位的物理地址 这个机构就是加法器 存储器地址与数据存储 物理地址 AB 20条 空间为 220 1MB 范围 00000H FFFFFH数据存储 每个存储单元存储一个字节的数据 存取一个字节的数据需一个总线周期 两个相邻的字节定义为一个字 每一个字的低字节存放在低地址中 高字节存放在高地址中 并以低字节的地址作为字地址 若字地址为偶地址 则称为对准字存放 存取一个字也只需要一个总线周期 若字地址为奇地址 则称为非对准字存放 存取一个非对准字需要两个总线周期 1MB存储空间分成两个512KB存储器 即 偶地址存储器 其数据线与8086CPU系统的D7 D0相连 A0用于片选 奇地址存储器 其数据线与8086CPU系统的D15 D8相连 BHE用于片选 8086存储器的数据存放 每个存储单元存储一个字节的数据 两个相邻的字节定义为一个字 每一个字的低字节存放在低地址中 高字节存放在高地址中 并以低字节的地址作为字地址 存取一个字节的数据需一个总线周期 若字地址为偶地址 则称为对准字存放 存取一个字也只需要一个总线周期 若字地址为奇地址 则称为非对准字存放 存取一个非对准字需要两个总线周期 38086的存储体结构 每个存储单元存储一个字节的数据 存取一个字节的数据需一个总线周期 两个相邻的字节定义为一个字 每一个字的低字节存放在低地址中 高字节存放在高地址中 并以低字节的地址作为字地址 若字地址为偶地址 则称为对准字存放 存取一个字也只需要一个总线周期 若字地址为奇地址 则称为非对准字存放 存取一个非对准字需要两个总线周期 在组成存储系统时 总是使偶地址单元的数据通过AD0 AD7传送 而奇地址单元的数据通过AD8 AD15传送 显然 并不是所有总线周期都存取总线高字节 只有存取规则字 或奇地址的字节 或不规则字的低八位 才进行总线高字节传送 2 2执行部件 ExecutionUnit 功能就是负责指令的执行 将指令译码并利用内部寄存器和ALU对数据进行所需的处理4个16位的通用寄存器AX累加器 Accumulator 用于所有的输入 输出操作 某些字串操作以及算术运算 如乘法 除法 某些翻译指令也使用AX寄存器 BX基址寄存器 BaseAddress 用于扩展寻址 起变址作用 计数寄存器 Counter 在循环操作和移位操作中用作计数器 数据寄存器 Data 用于字乘法和除法 还用来提供输入输出操作中的端口地址 2 2执行部件 EU 4个专用寄存器BP基数指针寄存器 BasePointer SP堆栈指针寄存器 StackPointer SI源变址寄存器 SourceIndex DI目的变址寄存器 DestinationIndex 标志寄存器FR FlagRegister 算术逻辑部件ALU 标志位寄存器的含义 状态标志SignFlagZeroFlagParityFlagCarryFlagAuxiliaryFlagOverFlag 控制标志DirectionFlagInterruptionFlagTrapFlag 2 3 流水线 结构 总线接口部件BIU和执行部件EU并不是同步工作的 两者的动作管理遵循如下原则 每当8086的指令队列中有2个空字节 BIU就会自动取指令到指令队列中 而同时EU从指令队列取出一条指令 并用几个时钟周期去分析 执行指令 当指令队列已满 而且EU对BIU又无总线访问请求时 BIU便进入空闲状态 在执行转移 调用和返回指令时 指令队列中的原有内容被自动清除 在8086 8088中 EU和BIU这种并行的工作方式不仅有力地提高了工作效率 而且这也是它们的一大特点 EU和BIU之间是通过指令队列相互联系的 指令队列可以被看成一个RAM区 EU对其执行读操作 BIU对其执行写操作 38086的引脚信号 8088CPU 80386 3 1与工作模式无关的引脚 AD7 AD0 address data 双向三态A15 A8 输出三态 A19 S6 A16 S3 address status 输出三态RD read 输出三态READY 输入 TEST 输入 INTR interruptrequest 输入NMI non maskableinterrupt 输入RESET 输入 CLK 输入 电源和地MN MX 输入 8086最小工作模式 48086的工作模式 为了尽可能适应各种各样的使用场合 在设计8086CPU芯片时 使它们可以在两种模式下工作 即最小模式和最大模式 所谓最小模式 就是在系统中只有8086一个CPU 而所有的总线控制信号都由8086直接产生 因此系统中的总线控制电路被减到最少 而最大模式是相对最小模式而言的 此时系统中有两个或多个微处理器 其中有一个是主处理器8086 其它的处理器称为协处理器 它们协助主处理器工作 8086的最小工作模式 8086的最大工作模式 58086典型时序分析 什么是时序时序是计算机操作运行的时间顺序 为什么要研究时序可以进一步了解在微机系统的工作过程中 CPU各引脚上信号之间的相对时间关系 可以深入了解指令的执行过程 可以使我们在程序设计时 选择合适的指令或指令序列 以尽量缩短程序代码的长度及程序的运行时间 对于学习各功能部件与系统总线的连接及硬件系统的调试 都十分有意义 因为CPU与存储器 I O端口协调工作时 存在一个时序上的配合问题 指令周期 总线周期及时钟周期微机系统的工作 必须严格按照一定的时间关系来进行 CPU定时所用的周期有三种 即指令周期 总线周期和时钟周期 8086 8088微机系统 能够完成的操作有下列几种主要类型 系统的复位与启动操作 暂停操作 总线操作 I O读 I O写 存贮器读 存贮器写 中断操作 最小模式下的总线保持 最大模式下的总线请求 允许 总线读操作时序 最小模式下的总线写操作