第二章 微处理器与系统结构-1

第二章微处理器与系统结构,本章主要内容,微处理器与系统结构第一节微处理器的基本结构第二节Intel8086微处理器第三节8086中的标志寄存器和堆栈第四节8086系统的组成第五节8086系统时钟和总线周期,第一节微处理器的基本结构,算术逻辑单元(ALU)寄存器阵列(RG)控制单元总线缓冲器高性能微处理器指令预取部件地址形成部件指令译码部件存储器管理部件,2.1.1算术逻辑单元ALU,进行二进制的算术运算和逻辑运算基本运算：加法，移位减法、乘法、除法：转换成加法和移位操作,2.1.2控制器,发布操作命令的机构，是微机的指挥中心P30图2.2,控制器,指令部件,时序部件,时钟系统脉冲源：时钟启停逻辑时钟周期T机器周期M指令周期IC,T1,T2,T3,T1,T2,T3,T4,T2,T3,T1,M1,M2,Mn,指令周期,2.5G主频的CPU，时钟周期是多少？,微操作控制部件,功能：根据指令产生计算机各部件所需要的控制信号,2.1.3总线,总线是计算机各部件间传递信息的公共通路。片内总线在微处理器内部各单元间传递信息的总线单总线/双总线/多总线,片外总线,片外总线：在CPU和各外部部件之间传送信息的总线，系统总线，三总线结构数据总线：DB(DataBus)地址总线：AB(AdressBus)控制总线：CB(ControlBus)单总线结构，分时使用发送：同一时刻只允许一个部件发送数据接收：不限,存储器,I/O接口,输入设备,I/O接口,输入设备,CPU,数据总线,地址总线,控制总线,数据总线的宽度决定数据传输的速度,地址总线的宽度决定寻址能力(范围大小),三态缓冲器,三态缓冲器,部件1,系统总线,三态缓冲器,部件2,三态缓冲器,部件3,总线缓冲/锁存器,CPU,存储器,输出/输出设备,运算器,运算器,加数,寄存器组,被加数,和,数据总线,地址总线,片内总线,数据总线缓冲/锁存器,地址总线缓冲/锁存器,控制器,2.1.4寄存器阵列,功能：临时存放数据和地址一、存放待处理数据的寄存器(程序员使用)累加器通用寄存器组二、存放地址码的寄存器(由CPU自动维护，不允许程序员修改)程序计数器堆栈指示器三、存放控制信息的寄存器指令寄存器(由CPU自动维护，不允许程序员修改)标志寄存器(由CPU自动维护，但程序员可以修改)四、起缓冲作用的寄存器(由CPU自动维护，不允许程序员修改)数据总线缓冲寄存器DBUF地址总线缓冲寄存器ABUF,第二节Intel8086微处理器,特点双列直插式16位：内部总线、寄存器、运算部件5MHz20条地址线：1M寻址空间,Intel8086,8086:对外有16根数据线，20根地址线可寻址的内存单元数220=1M内存地址范围00000FFFFFH8088:内部寄存器、运算部件及内部操作均按16位设计,除对外数据线为8根外，其余与8086基本相同。为与当时已有的8位外设接口芯片兼容。IBMPC、IBMPC/XT采用8088CPU,1.总线接口部件BIU（BusInterfaceUnit)运输部门2.执行部件EU(ExecuteUnit)加工部门3.工作方式串行:图2.6并行:图2.7,IP,数据暂存器,执行部件控制电路,指令译码器,总线接口控制电路,AXBXCXDX,寄存器组,BIU,AB,DB,CB,地址加法器,指令队列,PSW标志寄存器,EU,运算器,8086的功能结构,DS,ES,SS,CS,IP,数据暂存器,执行部件控制电路,指令译码器,总线接口控制电路,AXBXCXDX,AH,BH,DI,BP,SP,BL,CL,DL,寄存器组,BIU,AB,DB,CB,地址加法器,指令队列,PSW标志寄存器,EU,运算器,8086的功能结构:,负责取指令，读、写,负责指令的执行,CH,DH,AL,SI,总线接口部件BIU,主要功能负责与存储器、I/O设备之间传递信息(指令和数据)具体完成：(1)从内存取指令，送到指令队列，并管理指令队列;(2)读数据：配合执行部件从指定的内存单元或I/O端口取数据;(3)写数据：将执行部件的运算结果送到指定的内存单元或I/O端口。,BIU的构成,4个16位段寄存器：CS，DS，ES，SS16位IP指令指针寄存器20位地址加法器指令队列(8088为4字节/8086的指令队列为6字节)总线控制电路(包括三组总线)：处理器与外界总线联系的转接电路。,DS,ES,SS,CS,IP,数据暂存器,PSW标志寄存器,执行部件控制电路,指令译码器,AXBXCXDX,AH,BH,CH,DH,SI,DI,BP,SP,AL,BL,CL,DL,寄存器组,指令队列,总线接口控制电路,运算器,地址加法器,8086结构,BIU,EU,BIU-指令操作,指令队列：先进先出队列FIFO读指令：当BIU有2个或2个以上的字节空间，而且EU没有向BIU请求读或写数据时，预取后续指令，填入指令队列每次利用一个存储器的读周期,读取2个字节的指令(偶地址开始)既不取指令，也不读写数据时，BIU处于空闲状态指令队列管理队列输出端指针队列输入端指针,读取指令的过程,输出指针,输入指针,123456,填充2字节的指令,由于有指令队列的存在，在EU执行指令的同时，BIU可取指令，即BIU和EU可处于并行工作状态。,取指取指取指取指取数取指,等待执行执行执行等待执行,时间,8086的工作原理：,BIUEU,执行单元EU,主要功能指令的译码和指令的执行(包括算术、逻辑运算，控制命令等)。构成部分：8个16位寄存器：AX、BX、CX、DXSP、BP、DI、SI标志寄存器PSW算术逻辑运算部件ALU指令译码器控制部件,DS,ES,SS,CS,IP,数据暂存器,PSW标志寄存器,执行部件控制电路,指令译码器,AXBXCXDX,AH,BH,CH,DH,SI,DI,BP,SP,AL,BL,CL,DL,寄存器组,指令队列,总线接口控制电路,运算器,地址加法器,8086结构,BIU,EU,DestinationIndex,目的变址寄存器,SI,DI,BP,SP,AX,累加器,Accumulator,BX,基数寄存器,Base,CX,计数寄存器,Count,DX,数据寄存器,Data,AH,BH,CH,DH,AL,BL,CL,DL,IP,PSW,DS,ES,SS,CS,数据段寄存器,DataSegment,附加段寄存器,ExtraSegment,堆栈段寄存器,StackSegment,代码段寄存器,CodeSegment,ProcessorStatusWord,状态标志寄存器,InstructionPointer,指令指针寄存器,变,址,寄存器,段寄存器,控制寄存器,SourceIndex,源变址寄存器,BasePoint,基址指针寄存器,StackPoint,堆栈指针寄存器,指,针,寄存器,通用寄存器,8086的寄存器组,地址和节,内存大小：1M字节00000-FFFFF节：16个字节,第0节16个单元,第1节16个单元,第65535节16个单元,第2节16个单元,.,00000H,00001H,0000FH,00010H,00011H,0001FH,00020H,00021H,0002FH,FFFF0H,FFFF1H,FFFFFH,.,段,段：64K字节从节开始,.,00000H,00001H,0FFFFH,23450H,3344FH,33450H,4344FH,F0000H,FFFFFH,.,.,.,23460H,.,.,.,345673:456734:567345:673456:7,.,34567H,段地址和偏移量,段地址:只取段起始地址高16位值。偏移地址:指在段内某内存单元的物理地址，相对段起始地址的距离(差值)。,段起始地址：33450h,偏移量：1117h,物理地址：34567h,段起始地址：34560h,偏移量：7h,地址加法器,20位物理地址的形成,段寄存器,0000,偏移量,20位物理地址,物理地址段地址X16(10H)偏移量,1、段寄存器段寄存器:4个16位段寄存器CS、DS、SS、ES。用来识别当前可寻址的四个段，不可互换的使用。CSCodeSegmentRegister代码段寄存器用来识别当前代码段（程序一般放在代码段）。DSDataSegmentRegister数据段寄存器用来识别当前数据段寄存器。SSStackSegmentRegister堆栈段寄存器，用来识别当前堆栈段。ESExtraSegmentRegister附加段寄存器，用来识别当前附加段。,段寄存器的初始值,代码段：64K,数据段：64K,堆栈段：64K,CS,DS,SS,CS,DS,SS,64K,2、通用寄存器AX、BX、CX、DX作为通用寄存器。用来暂存计算过程中所用到的操作数，结果或其它信息。访问形式:可以用16位的访问;或者可以用字节（8位）形式访问,它们的高8位记作:AH、BH、CH、DH。它们的低8位记作:AL、BL、CL、DL。,AX（Accumulator）作为累加器。它是算术运算的主要寄存器，所有I/O指令都使用这一寄存器与外部设备交换数据。例：INAL,20HOUT30H,AXBXBase用作基址寄存器使用。在计算内存储器地址时，经常用来存放基址。例：MOVAX,BX+03H,CXCount可以作计数寄存器使用。在循环LOOP指令和串处理指令中用作隐含计数器。例：MOVCX,200HAGAIN:LOOPAGAIN；（CX)-1(CX),结果0转AGAINDXData可以作为数据寄存器使用。一般在双字长乘除法运算时，把DX和AX组合在一起存放一个双字长(32位)数，DX用来存放高16位;对某些I/O操作DX可用来存放I/O的端口地址（端口地址256）。例：MULBX;(AX)(BX)(DX)(AX)例:INAL,DX,2.地址指针与变址寄存器：SP、BP、SI、DI四个16位寄存器。以字为单位在运算过程中存放操作数，经常用以在段内寻址时提供偏移地址。,地址指针寄存器(SP、BP)SP（stackpointer）堆栈指针寄存器用来指示栈顶的偏移地址,必须与SS段寄存器联合使用确定实际地址。堆栈和指针如下页图所示。BP（basepointer）基址指针寄存器可以与SS寄存器联合使用来确定堆栈段中某一存储器单元地址。,8086系统存储器与总线连接,堆栈和指针,设:(SS)=3F00H,(SP)=0100H堆栈和指针如下图：堆栈是内存开辟的一个特殊数据区，一端固定，一端浮动，严格按照后进先出的工作原则。,数据总线,地址总线,D7D0,1MX8位存储体,A19A0,00000H,FFFFFH,A1910,.,.,a1,a0,栈底,3F100H,3F060H,3F000H,(SS)=3F00H,变址寄存器(SI、DI)SISourceIndexRegister源变址寄存器DIDestinationIndex目的变址寄存器使用场合：常用于变址寻址。一般与DS联用，用来确定数据段中某一存储单元的地址，SI,DI具有自动增量和自动减量功能.例：MOVAX,SI,在串处理指令中，SI、DI作为隐含的源变址和目的变址寄存器分别达到在数据段和附加段中寻址的目的。执行示意图如右图。例：MOVSI,2000HMOVDI,3000HMOVCX,100HCLD.MOVSB.,串处理指令执行示意图,4、控制寄存器控制寄存器：IP、PSWIPInstructionPointer指令指针寄存器用来存储代码段中的偏移地址;程序运行过程中IP始终指向下一次要取出的指令偏移地址。IP要与CS寄存器相配合才能形成真正的物理地址。PSW（ProcessorStatesWord）程序状态字寄存器，16位寄存器,只用了其中9位。由条件码标志FLAG、控制标志构成。(6位条件码标志,3位控制标志)。如下所示。,OF,DF,IF,TF,SF,ZF,AF,PF,CF,0,15,2,4,6,7,8,9,10,11,9个标志按其作用分状态标志和控制标志两类状态标志：OF、SF、ZF、AF、PF、CF共6个记录指令运行过程或运算结果的状态信息。常作为后续转移指令的控制条件，又称为条件码。控制标志:DF、IF、TF共3个作用是控制CPU的操作。,16位寄存器，用了其中的9位，其它7位在8086/8088中无意义。,状态标志寄存器PSW(ProgramStatusWord),如何记忆？,各状态标志的含义：,CF：进位标志(CarryFlag)反映运算过程中，最高位是否产生进位/借位。(最高位对字节操作指D7位,对字操作指D15位)加法，最高有效位有进位CF1，否则CF0减法，最高有效位有借位CF1，否则CF0AF：辅助进位标志(AuxiliaryCarryFlag)反映运算过程中，D3位是否产生进位或借位。有进位或借位时，AF1，否则AF0。,ZF：零标志(ZeroFlag)反应运算结果是否为0。运算结果为0时，ZF1，否则ZF0SF：符号标志(SignFlag)反应运算结果的符号位。对字节操作SFD7对字操作SFD15,OF：溢出标志(OverflowFlag)反应运算过程中是否产生溢出。产生溢出，OF1，否则为0。PF：奇偶标志(ParityFlag)反应运算结果低8位中“1”的个数情况。有偶数个“1”时，PF1,否则PF0。,10110101被加数8位+10001111加数8位进位111111101000100和8位,PSW标志寄存器,运算器,标志寄存器,运算器,被加数,加数,和,进位,