第2章微处理器

本章主要教学内容微处理器的基本性能8086微处理器的内部组成、寄存器结构8086微处理器的外部引脚特性和工作方式8086微处理器的存储器和I/O组织80X86高档微处理器的组成结构和特点Pentium系列CPU的典型结构和各功能部件第2章

微处理器内外部特性

1本章教学目的及要求通过学习，应掌握典型微处理器的内部组成、寄存器结构、外部引脚特性和作用、存储器和I/O组织、时序和总线操作以及系统的工作方式和特点等知识。第2章微处理器内外部特性22-1微处理器性能简介

2.1.1CPU的主要性能指标主要有CPU字长、主频、外频、倍频、内存总线速度、扩展总线速度、工作电压、地址总线宽度、数据总线宽度、协处理器、超标量、高速缓存等。

第2章微处理器内外部特性3

2.1.2CPU的基本功能（1）指令控制：也称为程序的顺序控制，使程序严格按照规定的顺序执行。（2）操作控制：将指令所产生的一系列控制信号分别送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行工作。（3）时间控制：使某些控制信号严格按时间上规定的先后顺序进行操作。（4）数据加工：是指对数据进行算术运算和逻辑运算等操作处理。第2章微处理器内外部特性42.1CPU的基本结构2.1.1几种典型IntelCPU简介1、8086（16位CPU）16位内部体系结构16位外部数据总线，20位地址总线（寻址范围220B=1MB）2、80386

（32位CPU）32位内部体系结构32位外部数据总线，32位地址总线（实内存232B=4GB，虚拟空间=64TB）三种工作方式：实方式、保护方式、虚拟8086方式采用流水线技术和指令预取技术53、80486（32位CPU）32位内部体系结构32位外部数据总线，32位地址总线三种工作方式：实方式、保护方式、虚拟8086方式采用流水线技术和指令预取技术片内含8KB高速缓存（Cache）片内含浮点运算单元（FPU）4、Pentium

（32位CPU）32位内部体系结构64位外部数据总线，36位地址总线片内含8KB指令Cache和8KB数据Cache工作方式新增加了一种系统管理方式（SMM）采用超标量流水线技术片内含浮点运算单元（FPU）6

2.2Intel8086微处理器内部结构

8086有16根数据线和20根地址线，可寻址地址空间达1MB。还具有多重处理能力，能方便地和浮点运算器8087、I/O处理器8089或其他处理器组成多处理器系统，极大地提高了系统的数据吞吐能力和数据处理能力。8086CPU的特点是：采用并行流水线工作方式，通过设置指令预取队列实现；对内存空间实行分段管理，将内存分为4个段并设置段寄存器，以实现对1MB空间的寻址；支持多处理器系统；可工作于最小模式和最大模式两种工作模式。第2章微处理器内外部特性72.2.18086微处理器的内部结构Intel8086微处理器从功能上可以划分为两个逻辑单元，即执行部件EU（ExecutionUnit）和总线接口部件BIU（BusInterfaceUnit）。其内部组成结构如图2-1所示。第2章微处理器内外部特性8图2-18086微处理器内部结构框图第2章9

1.执行部件EU执行部件EU主要由算术逻辑运算单元ALU、标志寄存器、数据暂存寄存器、通用寄存器组和EU控制器等部件组成，其功能是负责指令的译码和执行。EU无直接对外的接口，要译码的指令将从BIU的指令队列中获取，除了最终形成20位物理地址的运算需要BIU完成相应功能外，所有的逻辑运算，包括形成16位有效地址的运算均由EU来完成。第2章微处理器内外部特性10

EU中各组成部件的功能分析如下：（1）算术逻辑单元ALU（ArithmeticLogicUnit）：可完成8/16位二进制数的算术逻辑运算，是计算机中加工与处理数据的功能部件。（2）寄存器组（RegisterSet）：各种寄存器用来存放临时的数据或地址，具有数据准备、调度和缓冲等作用。可以将寄存器分成通用寄存器、地址寄存器、标志寄存器等。（3）EU控制电路：负责从BIU的指令队列缓冲器中取指令、分析指令，然后根据译码结果向EU内部各部件发出控制命令以完成指令的功能。第2章微处理器内外部特性112.总线接口部件BIUBIU主要由地址加法器、专用寄存器组、指令队列缓冲器以及总线控制电路等部件组成。提供了16位双向数据总线和20位地址总线，主要功能是负责完成CPU与存储器或I/O设备之间的数据传送。BIU内部设有4个16位段地址寄存器，即代码段寄存器CS、数据段寄存器DS、堆栈段寄存器SS和附加段寄存器ES；1个16位指令指针寄存器IP；1个6字节指令队列缓冲器；20位地址加法器和总线控制电路。第2章微处理器内外部特性12第2章BIU中相关部件如下：（1）总线管理（2）指令队列缓冲器（3）地址加法器和段寄存器（4）指令指针寄存器IP（5）总线控制电路与内部通信寄存器8086中取指令和执行指令分别由总线接口部件BIU和执行部件EU来完成，BIU和EU可并行工作，减少了CPU为取指令而等待的时间，使整个程序运行期间，BIU总是忙碌的，充分利用了总线，极大的提高了CPU的工作效率，加快了整机的运行速度，也降低了CPU对存储器存取速度的要求。微处理器内外部特性13第2章2.2.28086的寄存器及其功能

8086CPU中可供编程使用的有14个16位寄存器，按其用途可分为3类：8个通用寄存器2个控制寄存器4个段寄存器如图2-2所示。微处理器内外部特性14累加器AHALBHBLCLDHDLCHSPSIDIIPFLAGSCSDSSSESBP基址寄存器计数寄存器数据寄存器堆栈指针寄存器基址指针寄存器源变址寄存器目的变址寄存器指令指针寄存器标志寄存器代码段寄存器段寄存器附加段寄存器堆栈段寄存器数据寄存器地址指针和变址寄存器控制寄存器通用寄存器数据段寄存器图2-28086CPU内部寄存器15

1.通用寄存器（1）数据寄存器：存放操作数或中间结果。包括4个16位的寄存器AX、BX、CX和DX，还可将其分成独立的两个8位寄存器来使用，即AH、BH、CH、DH和AL、BL、CL、DL两组。（2）指针和变址寄存器：存放地址偏移量，包括16位的指针寄存器SP、BP和变址寄存器SI、DI。SP和BP用于堆栈段操作，SP给出栈顶偏移地址，称为堆栈指针寄存器；BP存放位于堆栈段中数据区基址的偏移地址，称作基址指针寄存器。SI和DI用来存放当前数据段的偏移地址。SI称为“源变址寄存器”；DI称为“目的变址寄存器”。第2章微处理器内外部特性16表2-1通用寄存器的特定用法寄存器名称寄存器含义常用的操作功能AX16位累加器字乘，字除，字I/O处理AL8位累加器字节乘，字节除，字节I/O处理，查表转换，十进制运算AH8位累加器字节乘，字节除BX16位基址寄存器查表转换CX16位计数寄存器数据串操作指令，循环指令CL8位计数寄存器变量移位，循环移位DX16位数据寄存器字乘，字除，间接I/O处理SP16位堆栈指针寄存器堆栈操作SI16位源变址指针寄存器数据串操作指令DI16位目的变址指针寄存器数据串操作指令第2章17

2.控制寄存器（1）指令指针寄存器IP：IP是一个16位的寄存器，存放EU要执行的下一条指令的偏移地址，用以控制程序中指令的执行顺序。（2）标志寄存器FLAG：标志寄存器FLAG是一个16位的寄存器，共9个标志，其中6个用作状态标志，3个用作控制标志。各种标志作用：6个状态标志：CF-进位标志；PF-奇偶标志；AF-辅助进位标志；ZF-零标志；SF-符号标志；OF-溢出标志3个控制标志：TF-陷阱标志或单步操作标志：IF-中断允许标志；DF-方向标志

第2章微处理器内外部特性18

3.段寄存器8086CPU把1MB的存储空间分成若干个逻辑段，每个逻辑段的长度不超过64KB。共有4个16位的段寄存器，用来存放每一个逻辑段的段起始地址。（1）代码段寄存器CS：给出当前的代码段起始地址，存放CPU可以执行的指令，CPU执行的指令将从代码段取得。（2）数据段寄存器DS：指向程序当前使用的数据段，用来存放数据，包括参加运算的操作数和中间结果。（3）堆栈段寄存器SS：给出程序当前所使用的堆栈段，即在存储器中开辟的堆栈区，堆栈操作的执行地址就在该段。（4）附加段寄存器ES：指出程序当前所使用的附加段，通常也用来存放数据，典型用法是存放处理以后的数据。第2章微处理器内外部特性192.38086CPU外部引脚功能8086CPU具有40个引脚，采用双列直插式的封装形式，如图2-4所示。数据总线为16条，地址总线为20条，其余为状态线、控制信号线、电源、地线等。地址/数据总线采用了分时复用方式，即一部分引脚具有双重功能，例如AD15~AD0这16个引脚，有时传送数据信号，有时可输出地址信号。

第2章微处理器内外部特性20图2-48086CPU引脚图第2章212.4存储器结构与I/O组织

2.4.1存储器组织

1.存储器的内部结构存储器内部按字节进行组织，两个相邻的字节为一个字。从偶地址开始存放的字称为规则字，从奇地址开始存放的字，称为非规则字。规则字的存取可在一个总线周期内完成，非规则字的存取需两个总线周期。8086存储器1MB的存储空间分成两个512KB的存储体，低位固定与CPU数据线D7~D0相连，称为低字节存储体，该存储体中的每个地址均为偶地址；高位与CPU数据线D15~D8相连，称为高字节存储体，该存储体中的每个地址均为奇地址。两个存储体之间采用字节交叉编址方式，如图2-5所示。第2章微处理器内外部特性22图2-58086存储器结构00001H00000H00003H00002H︰512K×8（位）512K×8（位）︰︰奇地址存储体偶地址存储体︰︰（A0=1）（A0=0）︰FFFFFHFFFFEH第2章232.存储器分段如图2-7所示，8086系统把整个存储空间分成许多逻辑段，这些逻辑段容量最多为64KB，CPU允许它们在整个存储空间中浮动，各个逻辑段之间可以紧密相连，也可以相互重叠或分开一段距离。把16字节的存储空间称为一节，要求各逻辑段从节的整数边界开始，使段起始地址的低4位地址码为“0”。通常将段起始地址的高16位地址码称作“段基址”，是一个能被16整除的数，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”。第2章微处理器内外部特性24第2章253.存储器地址（1）段地址：描述要寻址的逻辑段在内存中的起始位置。段地址保存在16位的CS、SS、DS和ES段寄存器中。（2）偏移地址：描述要寻址的内存单元距本段段首的偏移量。在编程中常被称作“有效地址”。（3）逻辑地址：是在程序中使用的地址，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”。（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，是惟一能代表存储空间每个字节单元的地址。第2章微处理器内外部特性26

逻辑地址到物理地址的转换是由BIU中20位的地址加法器自动完成的。实际应用中，物理地址是段地址左移4位加偏移地址形成的。其计算公式为：物理地址=段地址×10H＋偏移地址第2章微处理器内外部特性272.4.2I/O端口组织

8086CPU和外部设备之间通过I/O接口电路进行联系，以实现相互间传输信息的目的。每个I/O接口都有一个端口或几个端口，所谓端口是指I/O接口电路中供CPU直接存取访问的某些寄存器或某些特定电路。一个I/O接口应该包括数据、命令、状态、方式等端口，微机系统要为每个端口分配一个地址号，称为端口地址。各个端口地址和存储单元地址一样，应具有惟一性。第2章微处理器内外部特性288086的I/O端口有以下两种编址方式：（1）统一编址：该方式下将端口和存储单元进行统一编址，即将I/O端口地址置于1MB的存储器空间中，在整个存储空间中划出一部分区域给外设端口，把它们看作存储器单元对待。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上完全一样。（2）独立编址：该方式的端口单独编址构成一个I/O空间，不占用存储器地址。CPU设置了专门的输入/输出指令（IN/OUT）来访问端口。第2章微处理器内外部特性292.5总线操作及时序

8086CPU由外部的一片8284A时钟信号发生器提供主频为5MHz的时钟信号，在时钟节拍作用下，CPU一步步顺序地执行指令，因此，时钟周期是CPU指令执行时间的刻度。执行指令的过程中，凡需执行访问存储器和访问I/O端口的操作都统一交给BIU的外部总线完成。数据输出时为“写总线周期”，数据输入时为“读总线周期”。第2章微处理器内外部特性302.5.18086总线周期8086的总线周期至少由4个时钟周期组成。每个时钟周期称为T状态，用T1、T2、T3、和T4表示。时钟周期是CPU的基本时间计量单位，由主频决定，8086的主频为5MHz，1个时钟周期就是100ns。第2章微处理器内外部特性31第2章2.5.28086CPU的工作模式

Intel公司在设计8086CPU芯片时，规定了两种工作模式，即最小工作模式和最大工作模式。通过CPU的第33条引脚MN/来控制。（1）最小工作模式（MN/

=1）：8086CPU的33引脚接+5V时，系统处于最小工作模式，适用于单微处理器组成的小系统，系统中通常只有一个微处理器，所有的总线控制信号都直接由8086CPU产生，系统中的总线控制逻辑电路被减到最少。（2）最大工作模式（MN/=0）：8086的33引脚接地时，系统处于最大工作模式。此时，系统中存在两个或两个以上的微处理器，其中有一个主处理器8086，其他处理器称为协处理器。

微处理器内外部特性32第2章2.6Intel80X86微处理器的功能结构2.6.1Intel80386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，具有8个通用32位寄存器，ALU和内部总线的数据通路均为32位，具有片内地址转换的高速缓冲存储器Cache。（2）提供32位外部总线接口，最大数据传输速率为32Mbps。由于采用了流水线方式，可同高速DRAM芯片接口，支持动态总线宽度控制，能动态地切换32位/16位数据总线。微处理器内外部特性33第2章（3）具有片内集成存储器管理部件MMU，可支持虚拟存储和特权保护，保护机构采用4级特权层。片内具有多任务机构，能快速完成任务的切换。（4）具有实地址方式、保护方式和虚拟8086三种工作方式。（5）可直接寻址4GB的物理存储空间，虚拟存储空间达64TB。存储器采用分段结构，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。微处理器内外部特性34第2章

2.80386的内部结构

80386CPU的内部结构如图2-14所示，由总线接口部件、指令预取部件、指令译码部件、控制部件、数据部件、保护测试部件、分段部件和分页部件等8个功能部件组成。控制部件、数据部件和保护测试部件共同组成执行部件，分段部件和分页部件合在一起称为存储器管理部件。微处理器内外部特性35图2-1480386CPU的内部结构框图

第2章36第2章2.6.2Intel80486微处理器

80486是Intel公司1989年4月推出的，芯片内集成了120万个晶体管，时钟频率为25~50MHz，寄存器仍为32位，数据总线和地址总线也皆为32位。80486在80386原有6个部件的基础上，又新增了高性能浮点运算部件FPU和高速缓冲存储器Cache，它把浮点运算部件和高速缓冲存储器Cache集成在芯片内，使运算速度和数据存取速度得到大大提高。微处理器内外部特性37第2章1.80486的主要特性（1）采用了精简指令集计算机RISC技术，有效地减少了指令的时钟周期个数。（2）芯片上集成部件多。（3）高性能的设计。（4）完全的32位体系结构。（5）增加了多处理器指令和多重处理系统。（6）具有机内自测试功能。微处理器内外部特性38第2章2.80486的基本结构80486CPU的内部结构如图2-15所示，包括总线接口、片内高速缓冲存储器Cache、指令预取、指令译码、控制/保护、整数、浮点运算、分段和分页等9个功能部件。微处理器内外部特性39第2章40第2章2.7Pentium系列微处理器简介

2.7.1Pentium系列微型计算机的主要特点（1）高集成度；（2）时钟频率高；（3）采用超标量流水线结构；（4）数据总线带宽增加；（5）片内采用分立的指令Cache和数据Cache结构；（6）采用新型的分页模式；（7）固化常用指令，使指令的运行得到进一步加快；（8）具有分支指令预测功能；（9）重新设计的高性能浮点运算部件；（10）数据完整性、容错性等方面采用新的设计方法；（11）采用RISC技术；（12）软件向上兼容80386/80486微处理器内外部特性41第2章2.7.2Pentium微处理器的内部结构如图2-17所示，Pentium微处理器的主要部件包括总线接口部件、指令高速缓存器、数据高速缓存器、指令预取部件与转移目标缓冲器、寄存器组、指令译码部件、具有两条流水线的整数处理部件、拥有加乘除运算且具有多用途电路的流水浮点处理部件等。微处理器内外部特性42图2-17Pentium微处理器内部结构第2章43第2章2.7.3Pentium4微处理器Pentium系列微型计算机从Pentium、PentiumPro到PentiumII、PentiumIII等，Intel公司只是通过改变CPU的工作频率、二级缓存的大小、产品制造工艺来不断提高微处理器的性能，其内部结构并未改变。而目前市场上流行的是Intel公司新一代高性能32位Pentium4微处理器，它采用了NetBurst的新式处理器结构，可以更好地处理互联网用户的需求，在数据加密、视频压缩和对等网络等方面的性能都有较大幅度的提高。微处理器内外部特性44第2章Pentium4微处理器有以下的主要特征和处理能力：（1）拥有4200万个晶体管，比PentiumIII多了50%；（2）采用超级流水