微型计算机技术：第2章-1 8086处理器结构

1、第二章 微处理器系统结构2.1 微处理器基本功能和结构2.2 微处理器主要性能指标2.3 INTEL8086/8088微处理器2.4 8086/8088微处理器基本时序2.5 INTEL80X86微处理器2.6 80X86 32位编程结构*2.1 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，也称为中央处理单元，简称CPU（Central Processing Unit）。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。其主要功能包括：指令控制：指令执行顺序操作控制：各部件功能协调时序控制：各信号时序数据加工：算术/逻辑运算微处理器基本结构 微处理器基本结构包括控制器、

2、运算器、寄存器组等部件。运算器ALU（Arithmetic Logic Unit）：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。控制器CU（Control Unit）：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应控制信号，控制各部件协同工作。寄存器组RS（Register Set）：是CPU中暂存数据和指令的逻辑部件，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。2.2 微处理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

3、括：工作频率处理器字长前端总线速度地址总线宽度数据总线宽度高速缓冲容量和级数生产工艺等工作频率：包括主频、外频、倍频。主频是微处理器的工作频率，反映微处理器工作节奏的快慢；外频是指系统总线的工作频率，它反映外部设备的工作速度；倍频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用下式表示： 主频外频倍频处理器字长：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。前端总线速度（FSB）：前端总线指主板芯片组中的北桥芯片与CPU之间传输数据的通道，因此也称为CPU的外部总线。 它反映CPU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，CPU与外界交换信息的能

4、力越好，有利于提高整体处理速度。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就越大。 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。高速缓存容量和级数：高速缓存（Cache）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

5、置不同可分一级（L1）、两级（L2）或三级L3）。生产工艺：不同的生产工艺对CPU的功耗和工作频率有较大影响，生产工艺越先进CPU功耗越低，工作频率越高。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。2.3 INTEL8086/8088微处理器2.3.1 Intel 8086/8088 CPU的基本特点基本性能：工作频率：510MHz字长：16位地址总线宽度：20位数据总线宽度：16位（8086），8位（8088

6、）生产工艺：3m，2.9万个晶体管工作电压：5V封装：40脚，双列直插式(DIP) 将取指令部件与执行指令部件分开，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； 对内存空间分段管理，利用16位段基址和16位段内偏移地址实现对1MB空间的寻址； 设有两种工作模式，分别支持单处理器工作和多处理器工作； 基本指令执行时间为0.3s0.6s。主要特点：2.3.2 8086/8088微处理器组成结构由两个功能部件构成：执行部件EU（Execution Unit ），主要实现指令和数据处理功能总线接口部件BIU（Bus Interface Unit ），主要实现与外界交换数据的功能执行部件E

7、U、总线接口部件BIU。AHALBHBLCHCLDHDLSPBPSIDICSDSSSESIP124653标志寄存器总线控制逻辑指令队列EU控制ALU地址加法器BIU单元EU单元AXBXCXDX内存接口算术逻辑单元（ALU）：用于算术、逻辑运算功能。标志寄存器FLAG：用于存放一个CPU的状态或控制标志。反映CPU最近一次运算结果的一些状况。数据暂存寄存器：协助ALU完成运算，暂存参加运算的数据，如从内存读入的数据。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。EU控制电路：负责接收从BIU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EU各部件实现特定的控制操作。 EU中

8、各部件功能如下：指令队列缓冲器：存放最多6字节的指令，按“先进先出”原则进行存取操作。地址加法器：完成20位物理地址计算。段地址寄存器：用于存放段的基地址值。指令指针寄存器IP：指令指针寄存器用于存放BIU要取出的下一条指令的偏移地址。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存总线接口单元BIU与执行单元EU之间交换的信息。BIU中各部件的功能如下：EU与BIU并行执行的优势 假设计算机处理数据的过程简化为取指和执行两个步骤组成，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：CPU取指令1执行1取指令2执行2取指令3

9、执行3系统总线忙空闲忙空闲忙空闲 如果将微处理器的功能分为EU和BIU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行，但从指令流角度看，取指令和执行指令可以同时进行 ：BIU取指1取指2取指3取指4取指5取指6EU执行1执行2执行3执行4执行5系统总线忙忙忙忙忙忙 很显然，采用两个功能部件独立运行时，效率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1. 通用寄存器 8086微处理器中有8个通用寄存器，每个寄存器长度为16位，用于存放数据或地址，8个通用寄存器分别是： 累加器AX（AHAL）Accumulator 基址寄存器BX（BHBL

10、）Base 计数寄存器CX（CHCL）Counter 数据寄存器DX（DHDL）Data 堆栈指针寄存器SPStack Pointer 基址指针寄存器BPBase Pointer 源变址寄存器SISource Index 目的变址寄存器DIDestination Index2. 段寄存器 8086具有20位地址线，可以寻址1MB的存储空间，但在8086微处理器中所有寄存器都只有16位长，也就不可能从寄存器中直接得到20位的地址。因此8086采用了分段式的管理模式管理存储空间。 分段地址采用“16位段地址：16位偏移量”的模式表示一个20位的地址，存放段地址的寄存器称为段寄存器，8086中有4个

11、段寄存器：代码段寄存器CSCode Segment数据段寄存器DSData Segment堆栈段寄存器SSStack Segment附加段寄存器ESExtra Segment8086存储器的分段管理存储器的物理地址 8086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20位，即可以访问1M个地址空间(220=1024K=1M),其地址编号从00000H到FFFFFH，称为物理地址。存储器的逻辑地址 为了便于使用和管理，8086微处理器的1M地址空间，被分为若干段，每一段是一个小于等于216=64K的连续存储空间。采用段地址：偏移地址的方式表示，称为逻辑地址。 如，逻辑地址2000H:

12、0100H 逻辑地址中段地址表示段的起始地址，是该段的最低地址。而偏移地址表示相对于起始地址的距离。20位地址排列的规律（用16进制数表示）每行16个地址，即16个存储单元。 一共有10000H行，即0000-FFFFH行，即65536行 每一行的首地址都是16的倍数，即能被16整除。每一行首地址的末尾为0。是能被16整除的特征。存储器的分段 8086/8088 CPU的指令指针IP和堆栈指针SP都是16位的寄存器，故只能直接寻址64K的地址空间。8086/8088有20根地址线，它允许寻址1MB的存储空间。在8086/8088系统中，1MB存储空间被划分为若干个逻辑段，每一段的大小，可能从1

13、个字节开始任意递增，如100个字节、1000个字节等，直至最多可包含64KB长的连续存储单元。每个段的20位起始地址（又叫段基址） ，是一个能被16整除的数（即最后4位为0），它可以通过用软件在段寄存器中装入16位段地址来设置。注意：段地址是20位段基址的前16位。 8086同时可有4个段被激活（称当前段）。它们是代码段、数据段、堆栈段、附加段。其段地址分别保存于CS，DS，SS，ES中。分段要求：1保持16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1实际上存储器地址加16。3段可连续、分散、重迭。代码段00000H00001HFFFFFHFFFFEH数据段堆栈段附加

14、段CSESSSDS可以表示为0100H：0023HPA= 0100H10H+0023H =01023H偏移23H偏移03H也可表示为0102H：0003HPA= 0102H10H+0003H =01023H00000H00001HFFFFFHFFFFEHXX01023H01000H01001H01002H01022H01021H01020H0100H：0000H0102H：0000H0102H：0001H0100H：0001H【例】对于物理地址01023H单元 逻辑地址（LA）与物理地址（PA）的转换需要作如下计算： 20位物理地址(PA)=（16位段地址）16（16位偏移地址） 注意：每个单

15、元的物理地址是唯一的，但它对应的逻辑地址是不唯一的。即一个物理地址可以对应多个逻辑地址。或者说多个逻辑地址对应于一个物理地址。3控制寄存器 8086微处理器中有2个用于控制目的的寄存器，一个是指令指针寄存器IP（Instruction Pointer），另一个是标志寄存器FLAG（PSW，Program Status Word）。 IP用于保存微处理器下一条待执行指令的地址（偏移量，或称偏移地址） 标志寄存器FLAG保存了两组状态信息，一组是微处理器当前的运行状态称为控制标志；另一组是微处理器执行上一条指令后的结果信息，称为状态标志。TFDFIFOFSFZFAFPFCF控制标志状态标志跟踪状态

16、标志：标示CPU运行结果的状态。结果为零、为负、产生进位或借位等。半进位奇偶进位零符号溢出中断方向控制标志：控制CPU的运行状态。标志位名称说明功能类别CF(Carry Flag)进位标志CF=1最高位产生进位或借位；CF=0最高位无进位或借位；表示数值运算结果是否产生进位或借位状态标志PF(Parity Flag)奇偶标志PF=1低8位有偶数个1；PF=0低8位有奇数个1；检查通信时传送的数据是否正确AF(Auxiliary Carry Flag)辅助进位标志AF=1低4位有进位或借位；AF=0低4位无进位或借位；辅助进行BCD码运算调整ZF(Zero Flag)零标志ZF=1运算结果为零；

17、ZF=0运算结果不为零；判断运算结果是否为零或相等SF(Sign Flag)符号标志SF=1运算结果符号为负；SF=0运算结果符号为正；利用运算结果进行数值判断等OF(Overflow Flag)溢出标志OF=1有符号数运算产生溢出；OF=0运算结果未溢出；有符号数运算是否出错TF(Trap Flag)跟踪标志TF=1 CPU单步运行；TF=0 CPU正常运行；跟踪程序进行调试控制标志IF(Interrupt Enable Flag)中断允许标志IF=1 CPU接受外部中断；IF=0 CPU不接受外部中断；控制可屏蔽中断DF(Direction Flag)方向标志DF=1操作地址递减；DF=0

18、操作地址递增。控制指令操作方向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)AD14AD13AD12AD11AD10AD9AD8AD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0GNDNMIINTRCLKGND8086CPU2.3.4 8086微

19、处理器的引脚及功能 1、地址总线和数据总线 （1） AD0 AD15地址数据线 T1：为地址线，A0A15单向输出三态 T2T4：为数据线双向三态，D0 D15（2）A19/S6A16/S3地址/状态线，单向三态 BHE/S7（3）2、控制总线Vcc40AD1539A16/S338A17/S4373635BHE/S73433323130292827DEN(S0)26ALE(QS0)252423READY22RESET21A18/S5A19/S61234567891011121314151617181920MN/MXRDHLDA(RQ/GT1)HOLD(RQ/GT0)WR(LOCK)M/IO(S

20、2)TESTINTA(QS1)DT/R(S1)AD14AD13AD12AD11AD10AD9AD8AD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0GNDNMIINTRCLKGND8086CPUMN/MX=0，最大工作模式 =1，最小工作模式 （1）MN/MX工作模式信号（2）NMI ，不可屏蔽中断, 单向、输入CPU不可以进行屏蔽。执行完本条指令后控制转移到中断服务程序。（如掉电等特殊情况）（3）INTR，可屏蔽中断, 单向、输入。只有当IF=1时外设的中断请求才可能被响应。当IF=0时所有的中断申请均不能响应。M/IOM/IO=0，选择I/O端口=1，选择存储器存储器、I/O端口选择信号，单

21、向，输出（4）读操作有效信号，单向、输出M/IO配合完成MEM和I/O读操作RD（5）=0，读I/O端口=0，读存储器RDRDM/IO=0=1与（6）CLK 主时钟引入线4.77M10M为8088和8086的主时钟。（7）RESET复位信号，单向、输入（8）READY准备好信号，单向、输入Vcc40AD1539A16/S338A17/S4373635BHE/S73433323130292827DEN(S0)26ALE(QS0)252423READY22RESET21A18/S5A19/S61234567891011121314151617181920MN/MXRDHLDA(RQ/GT1)HOL

22、D(RQ/GT0)WR(LOCK)M/IO(S2)TESTINTA(QS1)DT/R(S1)AD14AD13AD12AD11AD10AD9AD8AD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0GNDNMIINTRCLKGND8086CPU（10）GND、VCC VCC=+5V，GND=0V 电源的正负极。最小工作模式下的控制信号： TEST测试信号，单向、输入。 （9）=0，写I/O端口=0，写存储器WRWRM/IO=0=1写操作有效信号，单向、输出M/IO配合完成MEM和I/O写操作WR（11）与INTA（12）可屏蔽中断应答信号，单向、输出（13）ALE 地址锁存信号 ，单向，输出。 T1

23、 ： 锁存AD0AD15上的地址信号，经锁存器得到A0A19地址总线。 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)AD14AD13AD12AD11AD10AD9AD8AD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0GNDNMIINTRCLK

24、GND8086CPUDEN（14）数据允许 ，单向，输出。 数据接收，外部至CPU数据发送，CPU至外部 DT/R=0=1数据收发信号 ，单向，输出。（15）DT/R（16）HOLD总线请求，单向、输入。 总线请求部件发出HOLD=1，产生一个总线请求。（17）HLDA总线应答，单向、输出。Vcc40AD1539A16/S338A17/S4373635BHE/S73433323130292827DEN(S0)26ALE(QS0)252423READY22RESET21A18/S5A19/S61234567891011121314151617181920MN/MXRDHLDA(RQ/GT1)HO

25、LD(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： （1）QS0、QS1，指令队列状态，单向、输出。QS1 QS0 0 0 无操作 0 1 第一字节 1 0 队列空 1 1 后续字节Vcc40AD1539A16/S338A17/S4373635BHE/S73433323130292827DEN(S0)26ALE(QS0)252423READY22RESET21A18/S5A19/S

26、61234567891011121314151617181920MN/MXRDHLDA(RQ/GT1)HOLD(RQ/GT0)WR(LOCK)M/IO(S2)TESTINTA(QS1)DT/R(S1)AD14AD13AD12AD11AD10AD9AD8AD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0GNDNMIINTRCLKGND8086CPU（2）机器周期状态，输出，三态S2、S1、S0 提供当前总线机器状态信号作为8288的输入信号编码，由8288输出控制信号 0 0 0 中断响应 0 0 1 读I/O 0 1 0 写I/O 0 1 1 暂停 1 0 0 取指 1 0 1 读存储器 1 1

27、 0 写存储器 1 1 1 无效S2 S1 S0Vcc40AD1539A16/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总线请求信号， 输出、输入。 （3）RQ/GT0RQ/GT1LOCK总线封锁信号， 输出。