微机原理与接口技术2

《微机原理与接口技术》

第2章80x86微处理器主编：周国运机械工业出版社2011.9第2章80x86微处理器本章内容2.18086微处理器结构2.28086微处理器的引脚信号和工作模式2.38086微处理器的操作和时序2.48086存储器和I/O组织2.5高性能微处理器

本章以Intel8086CPU为样本，详细讲解了8086微处理器的结构及工作原理，系统介绍了80386的结构和工作原理，并且简单介绍了Pentium系列微处理器。

本章内容是学习后面各章的基础，为进一步掌握高档微处理器、微机原理及微机应用系统开发打下基础。2.18086微处理器结构

一、8086CPU的功能结构

8086微处理器从功能上可以划分为两个逻辑单元：（1）执行部件（EU）

（2）总线接口部件BIU）

二、

8086CPU的寄存器

三、8086CPU总线周期概念

2.18086微处理器结构

一、8086CPU的功能结构

8086的编程结构从功能上分成两个单元1.执行部件EU负责指令的译码、执行和数据的运算主要功能单元：算术逻辑单元（ALU）、暂存器、寄存器组、EU控制电路2.总线接口部件BIU负责CPU对存储器和外设进行数据读写主要功能单元：总线管理、指令队列缓冲器、地址加法器和段寄存器、指令指针寄存器、总线控制电路与内部通信寄存器串行工作方式：8088以前的CPU采用串行工作方式：1）CPU访问存储器(存取数据或指令)时要等待总线操作的完成2）CPU执行指令时总线处于空闲状态缺点：CPU无法全速运行解决：总线空闲时预取指令，使CPU需要指令时能立刻得到取指令1执行1取操作数2执行2CPUBUS忙碌忙碌忙碌忙碌存结果1取指令2并行工作方式：8088CPU采用并行工作方式取指令2取操作数BIU存结果取指令3取操作数取指令4执行1执行2执行3

EUBUS忙碌忙碌忙碌忙碌忙碌忙碌内部暂存器

IP

ES

SSDSCS输入/输出控制电路外部总线执行部分控制电路∑ALU标志寄存器AHALBHBLCHCLDHDLSPBPSIDI通用寄存器地址加法器指令队列执行部件（EU)总线接口部件（BIU)16位20位16位8位1234562.18086微处理器结构2.18086微处理器结构

二、8086CPU的寄存器8088/8086的寄存器组有8个通用寄存器4个段寄存器1个标志寄存器1个指令指针寄存器它们均为16位!

汇编语言程序员看到的处理器，就是寄存器所以，一定要熟悉这些寄存器的名称和作用2.18086微处理器结构

二、8086CPU的寄存器(1)4个通用的16位数据寄存器AXBXCXDX4个数据寄存器还可以分成高8位和低8位两个独立的寄存器，这样又形成8个通用的8位寄存器AX：AHAL

BX：BHBLCX：CHCL

DX：DHDL2.18086微处理器结构

二、8086CPU的寄存器AX称为累加器（Accumulator）使用频度最高。用于算术、逻辑运算以及与外设传送信息等BX称为基址寄存器（BaseaddressRegister）常用做存放存储器地址CX称为计数器（Counter）作为循环和串操作等指令中的隐含计数器DX称为数据寄存器（Dataregister）常用来存放双字长数据的高16位，或存放外设端口地址2.18086微处理器结构

二、8086CPU的寄存器(2)指针寄存器SP为堆栈指针寄存器（StackPointer）,指示堆栈段栈顶的位置（偏移地址）BP为基址指针寄存器（BasePointer），表示数据在堆栈段中的基地址SP和BP寄存器与SS段寄存器联合使用以确定堆栈段中的存储单元地址2.18086微处理器结构

二、8086CPU的寄存器(3)16位变址寄存器SI和DI常用于存储器变址寻址方式时提供地址SI是源地址寄存器（SourceIndex）DI是目的地址寄存器（DestinationIndex）注：在串操作类指令中，SI、DI还有较特殊的用法2.18086微处理器结构

二、8086CPU的寄存器(4)8088有4个16位段寄存器CS指明代码段的起始地址SS指明堆栈段的起始地址DS指明数据段的起始地址ES指明附加段的起始地址每个段寄存器用来确定一个逻辑段的起始地址,#每种逻辑段均有各自的用途2.18086微处理器结构

二、8086CPU的寄存器代码段用来存放程序的指令序列代码段寄存器CS存放代码段的段地址指令指针寄存器IP指示下条指令的偏移地址处理器利用CS:IP取得下一条要执行的指令

1）代码段寄存器CS（CodeSegment）2.18086微处理器结构

二、8086CPU的寄存器

2）堆栈段寄存器SS（StackSegment）堆栈段确定堆栈所在的主存区域堆栈段寄存器SS存放堆栈段的段地址堆栈指针寄存器SP指示堆栈栈顶的偏移地址处理器利用SS:SP操作堆栈顶的数据2.18086微处理器结构

二、8086CPU的寄存器

3）数据段寄存器DS（DataSegment）数据段存放运行程序所用的数据数据段寄存器DS存放数据段的段地址各种主存寻址方式（有效地址EA）得到存储器中操作数的偏移地址处理器利用DS:EA存取数据段中的数据2.18086微处理器结构

二、8086CPU的寄存器

4）附加段寄存器ES（ExtraSegment）附加段是附加的数据段，也保存数据：附加段寄存器ES存放附加段的段地址各种主存寻址方式（有效地址EA）得到存储器中操作数的偏移地址处理器利用ES:EA存取附加段中的数据串操作指令将附加段作为其目的操作数的存放区域程序的指令序列必须安排在代码段程序使用的堆栈一定在堆栈段程序中的数据默认是安排在数据段，也经常安排在附加段，尤其是串操作的目的区必须是附加段数据的存放比较灵活，实际上可以存放在任何一种逻辑段中演示2.18086微处理器结构

二、8086CPU的寄存器5)如何分配各个逻辑段逻辑段的分配2.18086微处理器结构2.18086微处理器结构

二、8086CPU的寄存器（5）IP（InstructionPointer）指令指针寄存器——指示主存储器指令的位置（6）标志寄存器标志（Flag）1)状态标志——记录程序运行结果的状态信息，包括：CF，ZF，SF，PF，OF，AF2)控制标志——控制CPU执行指令的方式DF，IFTFOF111512DF10IF9TF8SF7ZF65AF43PF21CF02.18086微处理器结构

二、8086CPU的寄存器寄存器的总结8086有8个8位通用寄存器、8个16位通用寄存器指令指针寄存器8086有6个状态标志和3个控制标志（FR）8086将1MB存储空间分段管理，有4个段寄存器，对应4种逻辑段2.18086微处理器结构典型的总线周期序列三、8086CPU总线周期概念（1）T1状态，CPU往多路复用总线上发出地址信息，指出要寻址的存储单元或外设端口的地址空闲状态T1T2T3TWT4T1T2T3T4TITIT1T2T3TWTWT4TIT1空闲状态总线周期总线周期等待状态等待状态总线周期2.18086微处理器结构三、8086CPU总线周期概念（2）T2状态，CPU从总线上撤销地址，使总线的低16位成高阻状态，为传输数据作准备。总线的高4位（A19～A16）用来输出本总线周期的状态信息（3）T3状态，总线的高4位继续提供状态信息，低16位上出现由CPU写出的数据读入的数据。2.18086微处理器结构三、8086CPU总线周期概念（4）Tw状态，当M（或I/O）不能及时地配合CPU传输数据时，M（或I/O）会通过“READY”信号线在T3状态启动之前向CPU发出一个“未准备好”信号，于是CPU会在T3之后插入一个或多个时钟周期Tw，直到“READY”线上发出“准备好”信号才进入T4状态。（5）T4状态，总线周期结束。2.28086微处理器的引脚信号和工作模式

一、8086最小模式和最大模式的概念

二、

8086引脚信号与功能

三、8086的最小模式配置四、8086的最大模式配置8086最小和最大模式的概念：

通常，系统总线上所挂接的存储器、I/O接口等部件越多，计算机的功能就越强，规模就越大；为了适应各种各样的应用场合，Intel公司在设计8086CPU芯片时，规定了可以在两种模式下工作，即最小工作模式和最大工作模式。2.28086/8088CPU的引脚信号和工作模式一、8086最小模式和最大模式的概念2.28086/8088CPU的引脚信号和工作模式12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221GNDA14A13A12A11A10A9A8AD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0NMIINTRCLKGNDVCCAD15AD16/S3AD17/S4AD18/S5AD19/S6SS0*(HIGH)MN/MX*RD*HOLD(RQ)*/GT0*)HLDA(RQ1*/GT1*)WR*(LOCK*)M/IO(S2*

)DT/R*(S1*

)DEN(S0

)ALEINTATEST*READYRESET8086二、

8086引脚信号与功能AD15~AD0地址／数据复用引脚（16根）A19/S6~A16/S3地址／状态复用引脚（4根）/S7高８位数据总线允许／状态复用引脚（1根）读信号输出（1根）READY

“准备好”信号输入（1根）测试信号（1根）2.28086/8088CPU的引脚信号和工作模式二、

8086引脚信号与功能（1）最大模式和最小模式下共用的引脚（共32根）INTR可屏蔽中断请求信号输入（1根）NMI

非屏蔽中断输入引脚（1根）RESET（Reset）复位信号输入（1根）CLK

主时钟输入（1根）MN/最小／最大模式控制信号输入（1根）

GND、VCC接地和电源端（3根）2.28086/8088CPU的引脚信号和工作模式二、

8086引脚信号与功能（1）最大模式和最小模式下共用的引脚（共32根）M/

存储器／输入输出控制信号输出（Write）写信号输出

中断响应信号输出ALE

地址锁存允许信号DT/数据收发信号输出数据允许信号HOLD

总线保持请求信号输入HLDA

总线保持响应信号输出（2）最小模式下的专用引脚信号（共8根）2.28086/8088CPU的引脚信号和工作模式二、

8086引脚信号与功能（3）最大模式下的专用引脚信号（共8根）2.28086/8088CPU的引脚信号和工作模式二、

8086引脚信号与功能QS1、QS0指令队列状态信号输出总线周期状态信号输出总线封锁信号输出、总线请求信号输入／总线请求允许信号输出8086CPU在最小模式下的典型配置2.28086/8088CPU的引脚信号和工作模式三、8086的最小模式配置8086RESETREADYMN/MXALEBHE8284A地址锁存器8282（三片）数据收发器8286（二片）（可选）A19~A16AD15~AD0M/IOWRRDHOLDHLDAINTRINTADENDT/RSTBOETBHE地址总线数据总线控制总线RDYRESCLK+5V从上图可知，在最小模式下，硬件连接有如下特点：2.28086/8088CPU的引脚信号和工作模式三、8086的最小模式配置①MN/端接+5V，决定了8086工作在最小模式；②有一片8284，作为时钟发生器；③有3片8282或74LS373，用来作为地址锁存器；④当系统中所连接的存储器和外设较多时，要用2片8286/8287作为数据总线收发器来增强总线的驱动能力8086CPU在最大模式下的典型配置2.28086/8088CPU的引脚信号和工作模式四、8086的最大模式配置8086BHE8284A地址锁存器8282（三片）数据收发器8286（二片）（可选）A19~A16AD15~AD0STBOETBHE地址总线数据总线控制总线CLKRESETREADYRESRDYMN/MXCLKDT/RDENALES0S1S2AENIOBCEN8259A中断控制器MRDCMWTCIORCIOWCMCE/PDENINTA+5V中断请求地址数据S0S1S2INTRRQ/GT0RQ/GT18288总线控制器从上图可知，最大模式和最小模式的配置有一个主要的差别：2.28086/8088CPU的引脚信号和工作模式四、8086的最大模式配置在最大模式下，需要用外加电路来对CPU发出的控制信号进行变换和组合，以得到对存储器和I/O端口的读/写信号和对锁存器8282及对总线收发器8286的控制信号。8288总线控制器就是完成上面这些功能的专用芯片。本小节内容作为了解2.38086微处理器的操作和时序

一、复位操作 二、读写操作 三、中断操作四、总线控制操作如下图所示，复位操作的特点：2.38086微处理器的操作和时序一、复位操作 复位信号从高电平到低电平的跳变触发CPU内部的一个复位逻辑电路，经过7个时钟周期，CPU就被启动而恢复正常工作，即从FFFF0H开始执行程序浮空CLKRESET输入内部RESET三态门输出信号不作用状态最小模式下的读操作2.38086微处理器的操作和时序二、读写操作CLK高为读内存低为读I/OT1T2T4T3/M/IOA19/S6~A16/S3BHE/S7/AD15~AD0ALERDDT/RDEN地址输出状态输出地址输出数据输入T1状态——输出20位存储器地址A19~A0IO*/M输出高（低）电平，表示M（IO）操作，ALE输出正脉冲，表示复用总线输出地址；T2状态——输出控制信号RD*；T3和Tw状态——检测数据传送是否能够完成；T4状态——完成数据传送，结束总线周期Tw(1~n)最小模式下的写操作2.38086微处理器的操作和时序二、读写操作CLK高为读内存低为读I/OT1T2Tw(1~n)T4T3/M/IOA19/S6~A16/S3BHE/S7/AD15~AD0ALEWRDT/RDEN地址输出状态输出地址输出数据输出T1状态——输出16位I/O地址A15~A0，IO*/M输出（高）低电平，表示对M（I/O）操作，ALE输出正脉冲，表示复用总线输出地址；T2状态——输出控制信号WR*和数据D7（D15）~D0；T3和Tw状态——检测数据传送是否能够完成；T4状态——完成数据传送2.38086微处理器的操作和时序三、中断操作（1）中断请求：执行当前指令的最后一个时钟采样INTR，若为高电平且FR中的IF=1，则CPU在执行完当前指令后将响应中断请求，进入中断响应周期CLKT1T2T4T3T2T4T3T1中断类型码ALEINTAAD7～AD02.38086微处理器的操作和时序三、中断操作（2）中断响应:由2个连续产生的总线周期组成第一个信号有效期间：用来通知请求中断的外设，表示CPU已响应其发出的中断请求，可准备发送中断类型码第二个信号有效期间：被接受中断请求的外设接口将一个8位的字节数据置于AD7～AD0上，在第二个总线周期的T2～T4期间，通过CPU读取中断类型码，并用它去调用相应的中断服务程序2.38086微处理器的操作和时序四、总线控制操作（1）最小模式下总线保持请求/总线保持响应时序CLKHOLDHLDAT4或TI浮空RD、WR、INTA、M/IODEN、DT/RAD15~AD0、A19/S6~A16/S32.38086微处理器的操作和时序四、总线控制操作（2）最大模式下的总线请求/允许/释放时序S2、S1、S0、RD、LOCK、BHE/S7AD15~AD0、A19/S6~A16/S3CLK浮空

RQ/GT请求RQ允许GT释放2.4

8086存储器和I/O组织

一、

8086的存储器组织

二、

8086的I/O组织2.4

8086存储器和I/O组织一、

8086的存储器组织（1）存储器的存放规则存放的信息以字节为单位，在存储器中按顺序排列存放若存放的数据为一个字，则将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，并以低地址作为该字的地址2.4

8086存储器和I/O组织一、

8086的存储器组织（2）存储空间分配1）8086存储器1MB的存储空间被分成两个512KB的存储体，分别叫高位库和低位库00001H00003H00005H………FFFFDHFFFFFH00000H00002H00004H………FFFFCHFFFFEH512K*8(位)偶地址存储体（A0=0）512K*8(位)奇地址存储体（A0=1）2.4

8086存储器和I/O组织一、

8086的存储器组织（2）存储空间分配 2）低（高）位库固定与CPU低（高）位字节数据线D7～D0（D15～D8）相连，称为低（高）字节存储体 3）任一个存储体只需19位地址码A19～A1就够了，最低位A0用以区分当前访问哪一个存储体。当A0=0时表示访问偶地址存储体；当A0=1时表示访问奇地址存储体2.4

8086存储器和I/O组织一、

8086的存储器组织（3）和A0的代码组合和对应的操作A0操

作使用的数据线00从偶地址开始读/写一个字D15～D010从偶地址单元或端口读/写一个字节D7～D001从奇地址单元或端口读/写一个字节D15～D80110从奇地址开始读/写一个字在第1个总线周期，将低8位数字送到AD15～AD8，在第2个总线周期，将高8位数字送到AD7～AD0）D15～D8D7～D02.4

8086存储器和I/O组织一、

8086的存储器组织（4）存储器分段管理存储空间分成逻辑段，段≤64KB各段间可相连、相互重叠或分离一般逻辑段从节边界开始，使段起始地址的低4位为“0”；通常将段起始地址的高16位地址码称作“段基址”，存放在相应的段寄存器中；而段内的偏移地址可以用16位通用寄存器来存放，通常称作“偏移量”逻辑段1逻辑段2逻辑段3逻辑段4≤64KB逻辑段1起点逻辑段2起点逻辑段3起点逻辑段4起点00000HFFFFFH……≤64KB≤64KB≤64KB2.4

8086存储器和I/O组织一、

8086的存储器组织（5）存储器的地址1）段地址：为无符号数的16位二进制数，描述要寻址的逻辑段在内存中的起始位置。段地址保存在CS、DS、SS和ES段寄存器中；2）偏移地址：16位无符号二进制数，描述要寻址的内存单元距离本段段首的偏移量。又叫“有效地址”；3）逻辑地址：程序中使用的地址，由段地址和偏移地址两部分组成。表示形式为：“段地址：偏移地址”2.4

8086存储器和I/O组织一、

8086的存储器组织（5）存储器的地址4）物理地址：是存储器的实际地址，由CPU提供的20位地址码来表示，是唯一能代表存储空间每个字节单元的地址。

2.4

8086存储器和I/O组织二、

8086的I/O组织8086I/O组织简介： 1）8086CPU用地址总线的低16位作为对8位I/O端口的寻址线，所以CPU可访问的8位I/O端口有65536（2^16）个；两个编号相邻的8位端口可以组成一个16位的端口；一个8位的I/O设备既可以连接在数据总线的高8位上，也可以连接在数据总线的低8位上。 2）I/O的寻址方式有两种：统一编址和独立编址2.4

8086存储器和I/O组织二、

8086的I/O组织（1）统一编址将I/O端口地址置于1MB的存储器空间中，在其中划出一部分区域给外设端口，把它们看作存储器单元CPU访问存储器的各种寻址方式都可用于寻址端口，访问端口和访问存储器的指令形式完全一样。（2）独立编址CPU设置专门的输入/输出指令来访问端口。8086使用16条地址线A15～A0作端口地址线，可访问I/O端口最多可达64KB个8位端口或32KB个16位端口2.5高性能微处理器

一、80386微处理器结构 二、80386的工作模式 三、80386的寄存器四、80386的存储器管理五、Pentium系列微处理器简介

一、80386微处理器结构 2.5高性能微处理器（1）80386的主要特性1）提供32位指令，支持8位、16位和32位的数据类型；2）提供32位外部总线接口，最大数据传输速率为32Mbps，能动态地切换32位/16位数据总线；3）具有片内集成存储器管理部件MMU，支持虚拟存储和特权保护，可选择片内分页单元，能快速完成任务的切换；

一、80386微处理器结构 2.5高性能微处理器（1）80386的主要特性4）具有实地址模式、保护模式和虚拟8086三种工作模式；5）可直接寻址4GB，虚拟存储空间达64TB，采用分段结构，一个段最大可为4GB。6）通过配用80287、80387数值协处理器可支持高速数值处理；7）时钟频率为12.5MHz、16MHz、20MHz、25MHz和33MHz等

一、80386微处理器结构 2.5高性能微处理器（2）80386的主要部件功能指令预取部件IPU16B指令预取队列指令译码部件IDU指令译码器译码指令队列执行部件EUALU64位移位器加法器8个32位通用寄存器控制和保护测试总线接口部件BIU总线请求判优数据和地址驱动控制信号驱动协处理器控制分页部件PU线性地址物理地址分段部件SU逻辑地址线性地址存储器接口协处理器操作数和结果线性地址物理地址译码后指令指令逻辑地址指令字节

一、80386微处理器结构 2.5高性能微处理器（2）80386的主要部件功能 1）总线接口部件：提供CPU和系统之间的高速接口，负责外部总线与内部部件之间的信息交换； 2）指令预取部件：负责从存储器中取出指令并将其存放在16字节的指令队列中 3）指令译码部件：负责对指令进行译码，可以完成从指令到微指令的转换； 4）执行部件：负责执行指令； 5）存储器管理部件：由分段部件和分页部件组成，实现有效地址的计算和物理地址空间的管理

二、80386的工作模式 2.5高性能微处理器80386有3种工作模式：实地址模式保护虚拟地址模式虚拟8086模式

二、80386的工作模式 2.5高性能微处理器（1）实地址模式实地址模式是为80386进行初始化用的，其特点：1）寻址机构、存储器管理、中断处理机构均与8086一样。2）操作数默认长度为16位，但允许访问80386的32位寄存器组，但使用32位寄存器组时，指令中要加上前缀以表示越权存取。3）不用虚拟地址的概念，存储器容量最大为1MB；采用分段方式，每段大小固定为64KB，与8086机制基本相同。4）M中保留两个固定区域，一个为初始化程序区（FFFF0H～FFFFFH），另一个为中断向量区（00000H～003FFH）

二、80386的工作模式 2.5高性能微处理器（2）保护虚拟地址模式1）存储器用虚拟地址空间、线性地址空间和物理地址空间3种方式来描述，需要通过描述符表的数据结构来实现对内存单元的访问；2）在保护模式中，借助于MMU的功能将磁盘等存储设备有效地映射到内存，使逻辑地址空间大大超过实际的物理地址空间3）既能进行16位运算，也能进行32位运算。提供多任务环境中的各种复杂功能，以及对复杂存储器组织的管理机制，其特点：

二、80386的工作模式 2.5高性能微处理器（3）虚拟8086模式虚拟8086模式有如下特点：1）可以执行8086的应用程序；2）段寄存器的用法和实地址模式一样，即段寄存器内容左移4位加上偏移量为线性地址；3）存储器寻址空间为1MB，将1MB分为256个页面，每页4KB

三、80386的寄存器 2.5高性能微处理器80386内部共有30多个寄存器，按功能可分为4类：

（1）基本寄存器1）通用寄存器80386有8个32位的通用寄存器EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、EBP和ESP用于存放数据或地址值（8086的所有寄存器同样适用）；2）指令指针寄存器（EIP）80386的指令指针寄存器EIP是一个32位的寄存器，用于存放下一条待预取指令相对于代码段基址的偏移量；

三、80386的寄存器 2.5高性能微处理器

（1）基本寄存器31……181716151413121110保留VMRF-NTIOPL-OFDF3）标志寄存器（EFLAGS）寄存器EFLAGS中的标志分为三种类型：状态标志、控制标志和系统方式标志。状态标志CF、PF、AF、ZF、SF、OF和NT；控制标志包括DF、IF、TF和IOPL；VM和RF为系统方式标志9876543210IFTFSFZF-AF-PF-CF

三、80386的寄存器 2.5高性能微处理器

（1）基本寄存器4）段寄存器80386中存储单元的地址也是由段基地址和段内偏移量构成的。为此，80386内部设置了6个段寄存器CS、SS、DS、ES、FS和GS，用以决定程序使用的存储器区域块。其中，CS指明当前的代码段；SS指明当前的堆栈段；DS、ES、FS和GS指明当前的4个数据段

三、80386的寄存器 2.5高性能微处理器

（2)系统控制寄存器80386内部有4个32位的控制寄存器，即CR0～CR331301615543210PG机器状态字ETTSEMMPPECR0：PG：允许分页控制位。ET：处理器扩展类型控制位。EM：模拟协处理器控制位。TS、MP：任务切换位和协处理器监控位。PE：保护模式允许位。

三、80386的寄存器 2.5高性能微处理器

（2)系统控制寄存器80386内部有4个32位的控制寄存器，即CR0～CR3注：CR1是未定义的控制寄存器，CR2和CR3实际上是2个专用于存储管理的地址寄存器。

三、80386的寄存器 2.5高性能微处理器

(3)系统地址寄存器80386用4个寄存器把在保护模式下常用的数据、地址、界限和其他属性保存起来，以确保其快速性1）全局描述符