西安交大微机原理04_1

1、第四章第四章 8 8X86X86微处理器和指令系统微处理器和指令系统主要内容主要内容 第第1 1节节 80 808686处理器处理器 第第2 2节节 80386/486 80386/486处理器处理器 第第3 3节节 寻址方式和指令系统寻址方式和指令系统第第1 1节节 80 808686处理器处理器1 180808686处理器结构特点处理器结构特点 流水处理流水处理存贮器分段存贮器分段80808686处理器结构框图处理器结构框图 总线接口部件总线接口部件BIUBIU nBIU的功能：的功能：形成访问存储器的物理地址（由地址加法器完成）；形成访问存储器的物理地址（由地址加法器完成）；访问存储器取

2、得指令访问存储器取得指令,暂存到指令队列中等待执行；暂存到指令队列中等待执行；访问存储器或访问存储器或I/O端口以读取操作数参与端口以读取操作数参与EU运算，或存放运算结果运算，或存放运算结果等等;产生外部总线的各种控制信号。产生外部总线的各种控制信号。nBIU内部有一个内部有一个6 6字节的指令队列。一旦指令队列中空出字节的指令队列。一旦指令队列中空出2 2个字节，个字节，BIU将自动进行读指令的操作以填满指令队列。将自动进行读指令的操作以填满指令队列。nBIU内部总线控制电路将内部总线控制电路将CPU的内部总线与的内部总线与CPU引脚所连接的外部总线引脚所连接的外部总线相连相连指令执行部件

3、指令执行部件EUEU nEU的功能是执行指令。一般情况下的功能是执行指令。一般情况下, 指令按照它存放的先后次序顺序指令按照它存放的先后次序顺序执行，执行，EU从指令队列中源源不断地取得指令代码，满负荷地连续执行从指令队列中源源不断地取得指令代码，满负荷地连续执行指令。指令。nEU中的算术逻辑运算单元中的算术逻辑运算单元ALU可完成可完成16位或位或8位的二进制运算，运算位的二进制运算，运算结果通过内部总线送到通用寄存器，或者送往结果通过内部总线送到通用寄存器，或者送往BIU的内部寄存器中，的内部寄存器中，等待写入存储器。等待写入存储器。nEU控制器负责从控制器负责从BIU的指令队列中取出指令

4、，并对指令译码，根据指的指令队列中取出指令，并对指令译码，根据指令要求向令要求向EU内部各部件发出控制命令以实现各条指令的功能。内部各部件发出控制命令以实现各条指令的功能。80888088与与8086 8086 CPUCPU的区别的区别（1 1）80888088与外部交换数据的数据总线宽度是与外部交换数据的数据总线宽度是8 8位，而位，而EUEU内部总线内部总线和寄存器仍是和寄存器仍是1616位，所以把位，所以把80888088称为称为准准1616位微处理器位微处理器。（2 2）8088 8088 BIUBIU中指令队列长度只有中指令队列长度只有4 4字节，只要队列中出现一个字节，只要队列中出

5、现一个空闲字节，空闲字节，BIUBIU就会自动地访问存储器，取指令来填满指令队列。就会自动地访问存储器，取指令来填满指令队列。二、二、8086/8088 8086/8088 CPUCPU的寄存器的寄存器通用数据寄存器：通用数据寄存器：存放运算原始存放运算原始/中间结果中间结果指针和变址寄存器：指针和变址寄存器：存放存储器地址存放存储器地址控制寄存器：控制寄存器：存放程序地址和其他控制信息存放程序地址和其他控制信息段寄存器：段寄存器：存放各段的信息存放各段的信息SP BP SI DI 15 15 0 累加器 基址寄存器 计数器 数据寄存器 堆栈指针 基址指针 源变址 目的变址 指令指针 标志寄存

6、器 代码段 数据段 堆栈段 附加段 通 用 数 据寄存器 指针和变址 寄存器 控制寄存器 段寄存器 CS DS SS ES IP FLAGS DX DH DL AX AH AL BX BH BL CX CH CL 15 通用寄存器组通用寄存器组8个个16位通用寄存器可分成两组：位通用寄存器可分成两组：一组由一组由AX、BX、CX和和DX构成，称作通用数据寄存器，构成，称作通用数据寄存器，用来存放用来存放16位的数据或地址。也可当作位的数据或地址。也可当作8个个8位寄存器使位寄存器使用。用。8位寄存器只能存放数据。位寄存器只能存放数据。AX 称为累加器称为累加器 ( =AH+AL )BX 称为基

7、址寄存器称为基址寄存器( =BH+BL )CX 称为计数寄存器称为计数寄存器( =CH+CL )DX 称为数据寄存器称为数据寄存器( =DH+DL ) 数据指针寄存器数据指针寄存器主要用来存放操作数的偏移地址（即操作数的段内地址）主要用来存放操作数的偏移地址（即操作数的段内地址）SP 称为堆栈指针寄存器称为堆栈指针寄存器BP 称为基址指针寄存器称为基址指针寄存器SI 称为源变址寄存器称为源变址寄存器DI 称为目的变址寄存器称为目的变址寄存器（变址寄存器内存放的地址在数据传送完成后，具有（变址寄存器内存放的地址在数据传送完成后，具有自动修改的功能。自动修改的功能。例如例如，传送，传送1字节数据后

8、把地址加字节数据后把地址加1，为下次传送做好准备，变址寄存器因此得名。为下次传送做好准备，变址寄存器因此得名。)访问存储器类型访问存储器类型隐含的隐含的段地址段地址可更换的可更换的段地址段地址段内偏移地址段内偏移地址EA的来源的来源取指令码取指令码CS无无IP堆栈操作堆栈操作SS无无SP字符字符串操串操作作源地址源地址DSC S、E S、SSSI目 的 地目 的 地址址ES无无DIBP用作基址寄存用作基址寄存器器SSCS、DS、ES由指令寻址方式求由指令寻址方式求得得EA一般数据存取一般数据存取DSCS、ES、SS由指令寻址方式求由指令寻址方式求得得EA 段寄存器段寄存器 8086/8088

9、CPU总线接口部件总线接口部件BIU中设置有中设置有4 4个个16位段寄存器：位段寄存器：代码段寄存器代码段寄存器CS，数据段寄存器数据段寄存器DS，附加段寄存器附加段寄存器ES和堆栈段和堆栈段寄存器寄存器SS。代码段：存放程序指令。代码段：存放程序指令。CS中存放的是现在正在执行的程中存放的是现在正在执行的程序段的段基址。程序代码超过序段的段基址。程序代码超过64K时，需要分成几个段存放。时，需要分成几个段存放。数据段用于存放当前使用的数据。需要第二个数据段时可数据段用于存放当前使用的数据。需要第二个数据段时可以使用附加段。以使用附加段。堆栈段是内存中的一块存储区，用来存放专用数据。堆栈段是

10、内存中的一块存储区，用来存放专用数据。例如例如，调用子程序时的入口参数，返回地址等，这些数据都按照调用子程序时的入口参数，返回地址等，这些数据都按照“先进后出先进后出”的规则进行存取。的规则进行存取。SSSS存放堆栈段的段基址，存放堆栈段的段基址，SPSP存放当前堆栈栈顶的偏移地址。存放当前堆栈栈顶的偏移地址。数数 据据 段段附附 加加 段段堆堆 栈栈 段段代代 码码 段段D SXY-E SAB-SPC S指指 令令 1 1-SS指指 令令 2 2IP存储单元的物理地址和逻辑地址存储单元的物理地址和逻辑地址存储器地址表示方法：存储器地址表示方法：物理地址物理地址 用全部用全部2020位位地址线

11、表示地址线表示( (线性地址线性地址) )逻辑地址逻辑地址 “ “段基地址：偏移地址段基地址：偏移地址”( (分段地址分段地址) ) ( (3232位位) () (高高1616位位) () (低低1616位位) )2020位地址线位地址线存储空间可编址存储空间可编址2 22020字节字节1 1M M字节字节 将存储单元以将存储单元以8 8位的字节编址，位的字节编址，CPUCPU内的寄存器均为内的寄存器均为8 8和和1616位，因此位，因此在实际编程中使用的是逻辑地址。在实际编程中使用的是逻辑地址。1 1MBMB划分为若干个逻辑段，每段最长划分为若干个逻辑段，每段最长6464KB(=2KB(=2

12、1616B)B)，并规定每个段的起并规定每个段的起始的物理地址必须能被始的物理地址必须能被1616整除。即，整除。即，2020位起始的物理地址中最低位起始的物理地址中最低4 4位必位必须为须为0 0，起始地址的高，起始地址的高1616位为此段的段基地址。位为此段的段基地址。逻辑地址换算为物理地址的计算方法逻辑地址换算为物理地址的计算方法 物理地址段基地址物理地址段基地址1616偏移地址偏移地址同一个逻辑段内，偏移地址可取值同一个逻辑段内，偏移地址可取值0 0FFFFHFFFFH。16位段基址位段基址16位段基址位段基址C018H20位物理地址位物理地址0000 xx 段寄存器段寄存器段起始地址

13、段起始地址C0180H偏移地址偏移地址FE7FHCFFFFHD017FH段段末地址末地址FFFFH C0180H FE7FH CFFFFH偏移地址偏移地址代码段寄存器代码段寄存器6000H数据段寄存器数据段寄存器AE00H堆栈段寄存器堆栈段寄存器A000H附加段寄存器附加段寄存器8000H代码分段代码分段附加分段附加分段堆栈分段堆栈分段数据分段数据分段64KB64KB64KB64KB60000H6FFFFH80000H8FFFFHA0000HAE000HAFFFFHBDFFFH四个段寄存器的段基址可以有相互重叠区，也可以指向同一个四个段寄存器的段基址可以有相互重叠区，也可以指向同一个64KB空

14、间。空间。标志寄存器标志寄存器FLAGS FLAGS 8086/8088 CPU 8086/8088 CPU中设置了一个中设置了一个1616位标志寄存器位标志寄存器FLAGSFLAGS，用用来存放运算结果的特征和控制标志，其来存放运算结果的特征和控制标志，其格式格式如下：如下：状态标志，用来表示运算结果的特征，包括状态标志，用来表示运算结果的特征，包括CF、PF、AF、ZF、SF和和OF；控制标志，用来控制控制标志，用来控制CPU的操作，包括的操作，包括IF、DF和和TF。（1）ZF（Zero Flag） 零标志位。零标志位。（2）SF（Sign Flag） 符号标志位。符号标志位。（3）PF

15、（Parity Flag） 奇偶标志位。奇偶标志位。PF=1，表示本次运算结果的低八位中有表示本次运算结果的低八位中有偶数个偶数个“1”；PF=0，表示有表示有奇数奇数“1”。PF可以用来进行奇偶校验，或者用可以用来进行奇偶校验，或者用来生成奇偶校验位。来生成奇偶校验位。（4）AF（Auxiliary Carry Flag） 辅助进位标志位。这个标志位只在辅助进位标志位。这个标志位只在BCD数运数运算中起作用。算中起作用。（5）CF（Carry Flag） 进位标志位。进位标志位。进行进行二个无符号数二个无符号数加法或减法运算后，如果加法或减法运算后，如果CF=1，表示运算的结果超出了该表示运

16、算的结果超出了该字长能够表示的数据范围。字长能够表示的数据范围。例如例如，执行，执行8位数据运算后，位数据运算后，CF=1表示加法结果超表示加法结果超过了过了255，或者是减法得到的差小于零。，或者是减法得到的差小于零。进行进行有符号数有符号数运算时，运算时，CF对运算结果没有直接意义。对运算结果没有直接意义。（6）OF（Overflow Flag） 溢出标志位。溢出标志位。例如例如，进行，进行8位运算时，位运算时，OF=1表示运表示运算结果大于算结果大于+127 或小于或小于128。OF标志对无符号数的运算结果没有意义。标志对无符号数的运算结果没有意义。状态标志状态标志上述运算后：上述运算后

17、：CF = C7 （D7位上的进位）位上的进位）= 0 （无进位）；（无进位）；AF = C3 （D3位上的进位）位上的进位） = 1（有辅助进位）；（有辅助进位）；PF = 1（运算结果有运算结果有4个个1）；）；SF = D7 = 1（运算结果符号位为运算结果符号位为1）；）；OF = C7 C6 = 0 1 = 1 （有溢出）；有溢出）；ZF = 0 （运算结果不为运算结果不为0）。）。 ADD AL， AH上述运算后：上述运算后：CF = 1 （有借位）；有借位）；AF = 1 （有辅助进位）；有辅助进位）；PF = 1 （运算结果中有运算结果中有6个个1）；）；SF = 1 （符号位

18、为符号位为1）；）；OF = 0 （无溢出）；无溢出）；ZF = 0 （运算结果不为运算结果不为0）。）。SUB AL， AH状态标志的控制作用状态标志的控制作用（1）IF（Interrupt Flag） 中断允许标志位。中断允许标志位。IF=1，表示允许表示允许CPU响应可屏蔽中断。响应可屏蔽中断。IF标志可通过标志可通过STI指令置位（置指令置位（置1），通过），通过CLI指令复位（清零）。指令复位（清零）。（2）DF（Direction Flag） 方向标志位。在串操作指令中，若方向标志位。在串操作指令中，若DF=0，表示串操作指令执行后表示串操作指令执行后地址指针自动增量地址指针自动增

19、量，串操作由低地，串操作由低地址向高地址进行；址向高地址进行；DF=1，表示表示地址指针自动减量地址指针自动减量，串操作由高地，串操作由高地址向低地址进行。址向低地址进行。DF标志位可通过标志位可通过STD指令置位，通过指令置位，通过CLD指令复位。指令复位。（3）TF（Trap Flag） 单步标志位。单步标志位。TF=1，每条指令执行结束都每条指令执行结束都会发生会发生“单步单步”中断，用于程序调试中断，用于程序调试控制标志控制标志地址地址/数据线数据线高位地址线高位地址线非屏蔽中断非屏蔽中断可屏蔽中断可屏蔽中断最小最大模式控制最小最大模式控制MN/MX=1,最小模式最小模式MN/MX=0

20、,最大模式最大模式读信号读信号总线保持请求信号总线保持请求信号总线保持响应信号总线保持响应信号写信号写信号存储器存储器/IO控制信号控制信号M/IO=1,选中存储器选中存储器M/IO=0,选中选中IO接口接口数据发送数据发送/接收信号接收信号DT/R=1,发送发送DT/R=0,接收接收数据允许信号数据允许信号地址锁存信号地址锁存信号中断响应信号中断响应信号测试信号测试信号:执行执行WAIT指令，指令，CPU处于空转等待处于空转等待; TEST有效时有效时,结束等待状态。结束等待状态。准备好信号准备好信号:表示内存表示内存或或I/O设备准备好，设备准备好，可以进行数据传输。可以进行数据传输。复位

21、信号复位信号三三. 8086/8088 引脚引脚 8086/8088 CPU有有两种不同的工作模式两种不同的工作模式（最小模式和最大模（最小模式和最大模式）。式）。8条引脚（条引脚（2431）在两种工作模式中，具有不同的功能，）在两种工作模式中，具有不同的功能，最大模式下被重新定义的控制信号写在括号中。最大模式下被重新定义的控制信号写在括号中。引脚信号的传输有以下几种类型：引脚信号的传输有以下几种类型：输出：信号从输出：信号从CPU向外部传送；向外部传送；输入：信号从外部送入输入：信号从外部送入CPU；双向：信号有时从外部送入双向：信号有时从外部送入CPU，有时从有时从CPU向外部传送；向外部

22、传送；三态：除了高电平、低电平两种状态之外，三态：除了高电平、低电平两种状态之外，CPU内部还可内部还可以通过一个大的电阻阻断内外信号的传送，以通过一个大的电阻阻断内外信号的传送，CPU内部的状态内部的状态与外部相互隔离，称为与外部相互隔离，称为“悬浮态悬浮态”。 AD15AD0（Address/Data）分时复用，双向、三态）分时复用，双向、三态 A19/S6A16/S3（Address/Status）分时复用，输出、三态）分时复用，输出、三态/BHE（Bus High Enable）输出、三态、低电平有效）输出、三态、低电平有效 ALE（Address Latch Enable）输出、三态

23、、高电平有效）输出、三态、高电平有效 M/ IO（Input and Output/Memory）输出、三态）输出、三态 /WR ，/RD （Write /Read）输出、三态、低电平有效）输出、三态、低电平有效 READY （Ready）输入、高电平有效）输入、高电平有效 /DEN（Data Enable）输出、三态、低电平有效）输出、三态、低电平有效 /DT/R（Data Transmit/Receive）输出、三态）输出、三态 INTR（Interrupt Request）/ INTA（Interrupt Acknowledge） NMI（Non-Maskable Interrupt）

24、HOLD/HLDA (总线请求总线请求/总线请求响应）总线请求响应） CLK，RESET (时钟时钟 ）（复位）（复位）四四. 8086最小模式典型配置最小模式典型配置BHE A0 操作操作数据引脚数据引脚0 0 从偶地址写一个字从偶地址写一个字AD15AD01 0 从偶地址读从偶地址读 /写一个字节写一个字节A D7AD00 1 从奇地址读从奇地址读 /写一个字节写一个字节AD15AD80 1从奇地址读从奇地址读 /写一个字写一个字AD15AD81 0AD7 AD0地址锁存地址锁存 数据缓冲数据缓冲 D QCKADXALEAX/DT/R+/DENDT/R+/DEN五五. 8086/8088

25、系统时序系统时序A19/S6A16/S3T4T3T2T1ALECLKAD15AD0A7A0输出数据输出数据A19A16S6S3READY高电平高电平M /IOWR*/BHE/BHET1状态状态 输出输出20位存储器地址位存储器地址A19A0 M/ IO 输出高电平，表示存储器操作；输出高电平，表示存储器操作； ALE输出正脉冲，表示复用总线输出地址输出正脉冲，表示复用总线输出地址T2状态状态 输出控制信号输出控制信号 /WRT3和和Tw状态状态检测数据传送是否能够完成检测数据传送是否能够完成T4状态状态 读写数据，完成数据传送读写数据，完成数据传送总线请求与响应时序总线请求与响应时序系统复位与

26、启动系统复位与启动RESET 得到复位信号标志寄存器标志寄存器: 清零清零指令指针（指令指针（IP）: 0000HCS : FFFFHDS、ES、SS : 0000H指令队列指令队列: 空空其它寄存器其它寄存器 : 0000 H 故程序起始地址为故程序起始地址为 FFFF：0000第第2节节 80386/486处理器处理器微处理器微处理器首批首批生产生产时时 间间性能性能( MIP S)首批首批CPU频率频率MHz集成度集成度(百万百万 )寄存寄存器宽器宽度度外部外部数据数据总线总线宽度宽度最大寻最大寻址空间址空间内含高速内含高速缓存大小缓存大小808619780.880.12916161MB无无8028619822.712.50.134161616MB无无80386DX19856.0200.27532324GB无无80486DX198920251.2323