第2章_18086处理器结构(1)

1、第二章第二章 微处理器系统结构微处理器系统结构2.1 微处理器基本功能和结构微处理器基本功能和结构2.2 微处理器主要性能指标微处理器主要性能指标2.3 INTEL8086/8088微处理器微处理器2.4 8086/8088微处理器基本时序微处理器基本时序2.5 INTEL80X86微处理器微处理器2.6 80X86 32位编程结构位编程结构*2.1 微处理器基本功能和结构微处理器基本功能和结构 微处理器是微型计算机的核心部件，也称为中微处理器是微型计算机的核心部件，也称为中央处理单元，简称央处理单元，简称CPU（Central Processing Unit）。）。它负责微型计算机中各部件的

2、协调，完成指令的执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。其行和数据处理工作。其主要功能主要功能包括：包括：指令控制指令控制：指令执行顺序：指令执行顺序操作控制操作控制：各部件功能协调：各部件功能协调时时序序控制控制：各信号时序：各信号时序数据加工数据加工：算术：算术/逻辑运算逻辑运算微处理器基本结构微处理器基本结构 微处理器基本结构包括控制器、运算器、寄存器微处理器基本结构包括控制器、运算器、寄存器组等部件。组等部件。运算器运算器ALU（Arithmetic Logic Unit）：计算机的核心功能：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。部件，主要

3、负责算术、逻辑运算等数据加工功能。控制器控制器CU（Control Unit）：计算机的指挥控制中心，负责：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。应控制信号，控制各部件协同工作。寄存器组寄存器组RS（Register Set）：是：是CPU中暂存数据和指令的中暂存数据和指令的逻辑部件，用于临时存放数据或地址。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。除此以外，微处理器常常还包括一定的高速缓存部件。2.2 微处理器的主要性能指标微处理

4、器的主要性能指标微处理器的性能对微型计算机系统起着举足轻重的影响，微处理器的性能对微型计算机系统起着举足轻重的影响，微型计算机的很多性能指标都与微处理器性能直接相关。微型计算机的很多性能指标都与微处理器性能直接相关。 微处理器的主要性能指标包括：微处理器的主要性能指标包括：u工作频率工作频率u处理器字长处理器字长u前端总线速度前端总线速度u地址总线宽度地址总线宽度u数据总线宽度数据总线宽度u高速缓冲容量和级数高速缓冲容量和级数u生产工艺等生产工艺等工作频率工作频率：包括主频、外频、倍频。包括主频、外频、倍频。主频主频是微处理器的工作是微处理器的工作频率，反映微处理器工作节奏的快慢；频率，反映微

5、处理器工作节奏的快慢；外频外频是指系统总线的是指系统总线的工作频率，它反映外部设备的工作速度；工作频率，它反映外部设备的工作速度；倍频倍频是指微处理器是指微处理器工作频率对系统总线工作频率的倍数。三者之间的关系可以工作频率对系统总线工作频率的倍数。三者之间的关系可以用下式表示：用下式表示： 主频外频倍频主频外频倍频处理器字长处理器字长：反映微处理器单次数据处理能力，字长越长表反映微处理器单次数据处理能力，字长越长表示单次处理数据能力越强。示单次处理数据能力越强。前端总线速度前端总线速度（FSB）：前端总线指主板芯片组中的北桥芯前端总线指主板芯片组中的北桥芯片与片与CPU之间传输数据的通道，因此

6、也称为之间传输数据的通道，因此也称为CPU的外部总线。的外部总线。 它反映它反映CPU与内存和显示部件之间交换数据的能力，前端总与内存和显示部件之间交换数据的能力，前端总线速度越快，线速度越快，CPU与外界交换信息的能力越好，有利于提高与外界交换信息的能力越好，有利于提高整体处理速度。整体处理速度。地址总线宽度：地址总线宽度：描述微处理器可以访问物理存储空间的重要指标。微处描述微处理器可以访问物理存储空间的重要指标。微处理器通过地址总线表达其访问数据所在的地址，地址总线越多则表示该理器通过地址总线表达其访问数据所在的地址，地址总线越多则表示该微处理器可以给出的物理地址数越多，可以连接的物理内存

7、就越大。微处理器可以给出的物理地址数越多，可以连接的物理内存就越大。 数据总线宽度：数据总线宽度：描述微处理器与外界交换数据能力的一个重要指标。微描述微处理器与外界交换数据能力的一个重要指标。微处理器每一根数据线表示一个比特数据，数据线越多则表示每一次与外处理器每一根数据线表示一个比特数据，数据线越多则表示每一次与外界交换的数据位数就越多，相对交换速度就越快。界交换的数据位数就越多，相对交换速度就越快。高速缓高速缓存存容量和级数：容量和级数：高速缓存（高速缓存（Cache）是设置在微处理器内部的一）是设置在微处理器内部的一种存储器。由于其存取速度要比内存高一个数量级，可以达到与微处理种存储器。

8、由于其存取速度要比内存高一个数量级，可以达到与微处理器部件同频的工作速度，因此利用高速缓存可以提高处理器的工作效率。器部件同频的工作速度，因此利用高速缓存可以提高处理器的工作效率。Cache根据速度和位置不同可分根据速度和位置不同可分一级（一级（L1）、）、两级两级（L2）或三级或三级（L3）。生产工艺：生产工艺：不同的生产工艺对不同的生产工艺对CPU的功耗和工作频率有较大影响，生产的功耗和工作频率有较大影响，生产工艺越先进工艺越先进CPU功耗越低，工作频率越高功耗越低，工作频率越高。其它性能指标：其它性能指标：包括特殊指令扩展、超线程、流水线、乱序执行、动态包括特殊指令扩展、超线程、流水线、

9、乱序执行、动态执行，以及新一代执行，以及新一代CPU的双核、多核技术等体系结构方面的技术。而且的双核、多核技术等体系结构方面的技术。而且体系结构对现代微处理器性能的影响已经超过制造工艺对计算机性能的体系结构对现代微处理器性能的影响已经超过制造工艺对计算机性能的影响，成为现代微处理器设计的重要技术指标。影响，成为现代微处理器设计的重要技术指标。2.3 INTEL8086/8088微处理器微处理器2.3.1 Intel 8086/8088 CPU的基本特点的基本特点基本性能：基本性能：工作频率：工作频率：510MHz字长：字长：16位位地址总线宽度：地址总线宽度：20位位数据总线宽度：数据总线宽度

10、：16位（位（8086），），8位（位（8088）生产工艺：生产工艺：3m，2.9万个晶体管万个晶体管工作电压：工作电压：5V封装：封装：40脚，双列直插式脚，双列直插式(DIP)l 将取指令部件与执行指令部件将取指令部件与执行指令部件分开分开，使它们可以并行工，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；作，从而实现并行流水线，提高系统运行速度；l 对内存空间对内存空间分段管理分段管理，利用，利用16位段基址和位段基址和16位段内偏移位段内偏移地址实现对地址实现对1MB空间的寻址；空间的寻址；l 设有设有两种两种工作模式，分别支持单处理器工作和多处理器工作模式，分别支持单处理器

11、工作和多处理器工作；工作；l 基本指令执行时间为基本指令执行时间为0.3s0.6s。主要特点：主要特点：2.3.2 8086/8088微处理器组成结构微处理器组成结构由两个功能部件构成：由两个功能部件构成：n执行部件执行部件EU（Execution Unit ），主要实现指），主要实现指令和数据处理功能令和数据处理功能n总线接口部件总线接口部件BIU（Bus Interface Unit ），主要），主要实现与外界交换数据的功能实现与外界交换数据的功能执行部件执行部件EU、总线接口部件、总线接口部件BIU。AH ALBH BLCH CLDH DLSPBPSIDICSDSSSESIP1 2465

12、3标志寄存器标志寄存器总线总线控制控制逻辑逻辑指令队列指令队列EU控控制制ALU地址加法器地址加法器BIU单元单元EU单元单元AXBXCXDX内存内存接口接口n算术逻辑单元（算术逻辑单元（ALU）：用于算术、逻辑运算功能。）：用于算术、逻辑运算功能。n标志寄存器标志寄存器FLAG：用于存放一个：用于存放一个CPU的状态或控制标志。的状态或控制标志。反映反映CPU最近一次运算结果的一些状况。最近一次运算结果的一些状况。n数据暂存寄存器：协助数据暂存寄存器：协助ALU完成运算，暂存参加运算的数据完成运算，暂存参加运算的数据，如从内存读入的数据。如从内存读入的数据。n通用寄存器：用于存放参与运算的数

13、据或数据在内存中的偏通用寄存器：用于存放参与运算的数据或数据在内存中的偏移地址。移地址。nEU控制电路：负责接收从控制电路：负责接收从BIU指令队列中取来的指令，经指令队列中取来的指令，经指令译码后形成定时控制信号，对指令译码后形成定时控制信号，对EU各部件实现特定的控各部件实现特定的控制操作。制操作。 EU中各部件功能如下：中各部件功能如下：n指令队列缓冲器：存放最多指令队列缓冲器：存放最多6字节的指令，按字节的指令，按“先进先出先进先出”原原则进行存取操作。则进行存取操作。n地址加法器：完成地址加法器：完成20位物理地址计算。位物理地址计算。n段地址寄存器：用于存放段的基地址值。段地址寄存

14、器：用于存放段的基地址值。n指令指针寄存器指令指针寄存器IP：指令指针寄存器用于存放：指令指针寄存器用于存放BIU要取出要取出的下一条指令的偏移地址。的下一条指令的偏移地址。n总线控制电路与内部通信寄存器：总线控制电路用于产生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存总线接口单元BIU与执行单元与执行单元EU之间交换的信息。之间交换的信息。BIU中各部件的功能如下：中各部件的功能如下：EU与与BIU并行执行的优势并行执行的优势 假设计算机处理数据的过程简化为假设计算机处理

15、数据的过程简化为取指取指和和执行执行两个步骤组成，如果微处理器只有一个功能部件，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：则完成一系列指令的过程可描述如下： 如果将微处理器的功能分为如果将微处理器的功能分为EU和和BIU两个部件，分别完成两个部件，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，效率很显然，采用两个功能部件独立运行时，效率比单个部件

16、提高了近一倍！比单个部件提高了近一倍！2.3.3 8086/8088微处理器的寄存器结构微处理器的寄存器结构1. 通用寄存器通用寄存器 8086微处理器中微处理器中有有8个通用寄存器个通用寄存器，每个寄存器长度为每个寄存器长度为16位，用于存放数据或地址位，用于存放数据或地址，8个通用寄存器分别是个通用寄存器分别是： 累加器累加器AX（AHAL）Accumulator 基址寄存器基址寄存器BX（BHBL）Base 计数寄存器计数寄存器CX（CHCL）Counter 数据寄存器数据寄存器DX（DHDL）Data 堆栈指针寄存器堆栈指针寄存器SPStack Pointer 基址指针寄存器基址指针寄

17、存器BPBase Pointer 源变址寄存器源变址寄存器SISource Index 目的变址寄存器目的变址寄存器DIDestination Index2. 段寄存器段寄存器 8086具有具有20位地址线，可以寻址位地址线，可以寻址1MB的存储空间，但在的存储空间，但在8086微处理器中所有寄存器都只有微处理器中所有寄存器都只有16位长，也就不可能从寄存位长，也就不可能从寄存器中直接得到器中直接得到20位的地址。因此位的地址。因此8086采用了分段式的管理模式采用了分段式的管理模式管理存储空间。管理存储空间。 分段地址采用分段地址采用“16位段地址位段地址：16位偏移位偏移量量”的模式表示一

18、个的模式表示一个20位的地址位的地址，存放段地址的寄存器称为段寄存器，存放段地址的寄存器称为段寄存器，8086中有中有4个段寄存器个段寄存器：代码段寄存器代码段寄存器CSCode Segment数据段寄存器数据段寄存器DSData Segment堆栈段寄存器堆栈段寄存器SSStack Segment附加段寄存器附加段寄存器ESExtra Segment8086存储器的分段管理存储器的分段管理存存储储器的器的物理地址物理地址 8086 8086微处理器以字节为最小基本存储单元进行顺序编址。微处理器以字节为最小基本存储单元进行顺序编址。地址共有地址共有2020位位，即可以访问，即可以访问1M1M个

19、地址空间个地址空间(2(22020=1024K=1M),=1024K=1M),其地址编号从其地址编号从00000H00000H到到FFFFFHFFFFFH，称为，称为物理地址物理地址。存存储储器的器的逻辑地址逻辑地址 为了便于使用和管理，为了便于使用和管理，80868086微处理器的微处理器的1M1M地址空间，被地址空间，被分为若干段，每一段是一个小于等于分为若干段，每一段是一个小于等于2 21616=64K=64K的连续存储空间。的连续存储空间。采用采用段地址：偏移地址段地址：偏移地址的方式表示，称为的方式表示，称为逻辑地址逻辑地址。 如，逻辑地址如，逻辑地址2000H:2000H:0 01

20、00H100H 逻辑地址中逻辑地址中段地址段地址表示段的起始地址，是该段的最低地址。表示段的起始地址，是该段的最低地址。而而偏移地址偏移地址表示相对于起始地址的表示相对于起始地址的距离距离。 8086同时可有同时可有4个段被激活（称当前段）。个段被激活（称当前段）。它们是它们是代码段代码段、数据段数据段、堆栈段堆栈段、附加段附加段。其。其段地址分别保存于段地址分别保存于CS，DS，SS，ES中。中。分段要求：分段要求：1保持保持16个字节或其整数倍为段地址间距。个字节或其整数倍为段地址间距。216位段寄存器表示段基址。段寄存器加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实际上存储器地

21、址加16。3段可连续、分散、重迭。段可连续、分散、重迭。代码段代码段00000H00001HFFFFFHFFFFEH数据段数据段堆栈段堆栈段附加段附加段CSESSSDS可以表可以表示示为为0100H：0023HPA= 0100H10H+0023H =01023H偏移偏移23H偏移偏移03H也可表也可表示示为为0102H：0003HPA= 0102H10H+0003H =01023H00000H00001HFFFFFHFFFFEHXX01023H01000H01001H01002H01022H01021H01020H0100H：0000H0102H：0000H0102H：0001H0100H：0

22、001H【例例】对于物理地址对于物理地址01023H单元单元 逻辑地址（逻辑地址（LA）与物理地址（）与物理地址（PA）的转换需要作如下计算：）的转换需要作如下计算： 20位物理地址位物理地址(PA)=（16位段地址位段地址）16（16位位偏移地址偏移地址）3控制寄存器控制寄存器 8086微处理器中有微处理器中有2个用于控制目的的寄存器，一个是个用于控制目的的寄存器，一个是指令指针寄存器指令指针寄存器IP（Instruction Pointer），另一个是标志寄，另一个是标志寄存器存器FLAG（PSW，Program Status Word）。u IP用于保存微处理器下一条待执行指令用于保存微

23、处理器下一条待执行指令的的地址地址（偏移偏移量）量）u 标志寄存器标志寄存器FLAG保存了两组状态信息，一组是微处理保存了两组状态信息，一组是微处理器当前的器当前的运行运行状态称为状态称为控制标志控制标志；另一组是微处理器执行；另一组是微处理器执行上一条指令后的结果信息，称为上一条指令后的结果信息，称为状态标志状态标志。TF DF IF OF SF ZF AF PF CF控制标志控制标志状态标志状态标志跟跟踪踪状态标志：状态标志：标示标示CPUCPU运运行结果的状态。结果为行结果的状态。结果为零、为负、产生进位或零、为负、产生进位或借位等。借位等。半进位半进位奇偶奇偶进位进位零零符号符号溢出溢

24、出中断中断方向方向控制标志：控制标志：控制控制CPUCPU的运行状态。的运行状态。Vcc40AD1539A16/S338A17/S4373635BHE/S73433323130292827DEN(S0)26ALE(QS0)252423READY22RESET21A18/S5A19/S61234567891011121314151617181920MN/MXRDHLDA(RQ/GT1)HOLD(RQ/GT0)WR(LOCK)M/IO(S2)TESTINTA(QS1)DT/R(S1)AD14AD13AD12AD11AD10AD9AD8AD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0GNDNMIIN

25、TRCLKGND8086CPU2.3.4 8086微处理器的引脚及功能微处理器的引脚及功能 1、地址、地址总总线和数据总线线和数据总线 （1） AD0 AD15地址数据线地址数据线 T1：为地址线，：为地址线，A0A15单向输出三态单向输出三态 T2T4：为数据线双向三态，：为数据线双向三态，D0 D15（2）A19/S6A16/S3地址地址/状态线，状态线，单向三态单向三态 BHE/S7（3）2、控制总线、控制总线Vcc40AD1539A16/S338A17/S4373635BHE/S73433323130292827DEN(S0)26ALE(QS0)252423READY22RESET21

26、A18/S5A19/S61234567891011121314151617181920MN/MXRDHLDA(RQ/GT1)HOLD(RQ/GT0)WR(LOCK)M/IO(S2)TESTINTA(QS1)DT/R(S1)AD14AD13AD12AD11AD10AD9AD8AD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0GNDNMIINTRCLKGND8086CPUMN/MX=0，最大工作模式最大工作模式 =1，最小工作模式最小工作模式 （1）MN/MX工作工作模式信号模式信号（2）NMI ，不可屏蔽中断不可屏蔽中断, 单向、单向、输输入入CPU不可以进行屏蔽。执行完本条指令不可以进行屏蔽。执

27、行完本条指令后控制转移到中断服务程序。（如掉电后控制转移到中断服务程序。（如掉电等特殊情况）等特殊情况）（3）INTR，可屏蔽中断可屏蔽中断, 单向单向、输入、输入。只有当只有当IF=1时外设的中断请求才可能时外设的中断请求才可能被响应。当被响应。当IF=0时所有的中断申请均时所有的中断申请均不能响应。不能响应。M/IOM/IO=0，选择选择I/O端口端口=1，选择选择存存储储器器存储器、存储器、I/O端口选择信号，端口选择信号，单向单向，输出输出（4）读操作有效信号，读操作有效信号，单向、输出单向、输出M/IO配合配合完成完成MEM和和I/O读操作读操作RD（5）=0，读读I/O端口端口=0

28、，读存读存储储器器RDRDM/IO=0=1与与（6）CLK 主时钟引入线主时钟引入线4.77M10M为为8088和和8086的主时钟。的主时钟。（7）RESET复位信号，单向、输入复位信号，单向、输入（8）READY准备好信号，单向、输入准备好信号，单向、输入Vcc40AD1539A16/S338A17/S4373635BHE/S73433323130292827DEN(S0)26ALE(QS0)252423READY22RESET21A18/S5A19/S61234567891011121314151617181920MN/MXRDHLDA(RQ/GT1)HOLD(RQ/GT0)WR(LOC

29、K)M/IO(S2)TESTINTA(QS1)DT/R(S1)AD14AD13AD12AD11AD10AD9AD8AD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0GNDNMIINTRCLKGND8086CPU（10）GND、VCC VCC=+5V，GND=0V 电源的正负极。电源的正负极。最小工作模式下的控制信号最小工作模式下的控制信号： TEST测试信号，单向、输入。测试信号，单向、输入。 （9）=0，写写I/O端口端口=0，写，写存存储储器器WRWRM/IO=0=1写操作有效信号，写操作有效信号，单向、输出单向、输出M/IO配合配合完成完成MEM和和I/O写写操作操作WR（11）与与INT

30、A（12）可屏蔽中断应答信号可屏蔽中断应答信号，单向单向、输输出出（13）ALE 地址锁存信号地址锁存信号 ，单向，输出。单向，输出。 T1 ： 锁存锁存AD0AD15上的地址信号，经上的地址信号，经锁存器得到锁存器得到A0A19地址总线。地址总线。 Vcc40AD1539A16/S338A17/S4373635BHE/S73433323130292827DEN(S0)26ALE(QS0)252423READY22RESET21A18/S5A19/S61234567891011121314151617181920MN/MXRDHLDA(RQ/GT1)HOLD(RQ/GT0)WR(LOCK)M/

31、IO(S2)TESTINTA(QS1)DT/R(S1)AD14AD13AD12AD11AD10AD9AD8AD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0GNDNMIINTRCLKGND8086CPUDEN（14）数据允许数据允许 ，单向，输出。，单向，输出。 数据接收数据接收，外部至外部至CPU数据发送数据发送，CPU至外部至外部 DT/R=0=1数据收发信号数据收发信号 ，单向，输出。，单向，输出。（15）DT/R（16）HOLD总线请求，单向、总线请求，单向、输入输入。 总线请求部件发出总线请求部件发出HOLD=1，产生，产生一个总线请求。一个总线请求。（17）HLDA总线应答，单向、总

32、线应答，单向、输出输出。Vcc40AD1539A16/S338A17/S4373635BHE/S73433323130292827DEN(S0)26ALE(QS0)252423READY22RESET21A18/S5A19/S61234567891011121314151617181920MN/MXRDHLDA(RQ/GT1)HOLD(RQ/GT0)WR(LOCK)M/IO(S2)TESTINTA(QS1)DT/R(S1)AD14AD13AD12AD11AD10AD9AD8AD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0GNDNMIINTRCLKGND8086CPU最大工作模式下的控制信号最大

33、工作模式下的控制信号： （1）QS0、QS1，指令队列状，指令队列状态，单向、输出。态，单向、输出。QS1 QS0 0 0 无操作无操作 0 1 第一字节第一字节 1 0 队列空队列空 1 1 后续字节后续字节Vcc40AD1539A16/S338A17/S4373635BHE/S73433323130292827DEN(S0)26ALE(QS0)252423READY22RESET21A18/S5A19/S61234567891011121314151617181920MN/MXRDHLDA(RQ/GT1)HOLD(RQ/GT0)WR(LOCK)M/IO(S2)TESTINTA(QS1)DT

34、/R(S1)AD14AD13AD12AD11AD10AD9AD8AD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0GNDNMIINTRCLKGND8086CPU（2）机器周期状态，输出机器周期状态，输出，三态三态S2、S1、S0 提供当前总线机器状态信号作为提供当前总线机器状态信号作为8288的输入信号编码，由的输入信号编码，由8288输出控制信号输出控制信号 0 0 0 中断响应中断响应 0 0 1 读读I/O 0 1 0 写写I/O 0 1 1 暂停暂停 1 0 0 取指取指 1 0 1 读存储器读存储器 1 1 0 写存储器写存储器 1 1 1 无效无效S2 S1 S0Vcc40AD1539A16/S338A17/S4373635BHE/S73433323130292827DEN(S0)26ALE(QS0)252423READY22RESET21A18/S5A19/S6123456