第2章18086處理器結構.ppt

第二章微處理器系統結構 2 1微處理器基本功能和結構2 2微處理器主要性能指標2 3INTEL8086 8088微處理器2 48086 8088微處理器基本時序2 5INTEL80X86微處理器2 680X8632位編程結構 1 從應用角度 不是從內部工作原理 展開典型8位微處理器的基本結構8088 8086的功能結構8088 8086的寄存器結構8088 8086的存儲器結構為學習指令系統打好基礎 例如 關心用戶 可編程 寄存器 不關心無法操縱的 透明 寄存器 2 1微處理器基本功能和結構 2 1 1微處理器的基本結構 1 算術邏輯單元 運算器 2 寄存器組3 指令處理單元 控制器 微處理器是微型計算機的核心部件 也稱為中央處理單元 簡稱CPU CentralProcessingUnit 它負責微型計算機中各部件的協調 完成指令的執(zhí)行和數據處理工作 其主要功能包括 指令控制 指令執(zhí)行順序操作控制 各部件功能協調時序控制 各信號時序數據加工 算術 邏輯運算 4 微處理器基本結構微處理器基本結構包括控制器 運算器 寄存器組等部件 運算器ALU ArithmeticLogicUnit 計算機的核心功能部件 主要負責算術 邏輯運算等數據加工功能 控制器CU ControlUnit 計算機的指揮控制中心 負責按照一定順序自動讀取程序中的指令 將指令譯碼后產生相應控制信號 控制各部件協同工作 寄存器組RS RegisterSet 是CPU中暫存數據和指令的邏輯部件 用于臨時存放數據或地址 除此以外 微處理器常常還包括一定的高速緩存部件 5 2 3INTEL8086 8088微處理器 2 3 1Intel8086 8088CPU的基本特點基本性能 工作頻率 5 10MHz字長 16位地址總線寬度 20位數據總線寬度 16位 8086 8位 8088 生產工藝 3 m 2 9萬個晶體管工作電壓 5V封裝 40腳 雙列直插式 DIP 6 將取指令部件與執(zhí)行指令部件分開 使它們可以并行工作 從而實現并行流水線 提高系統運行速度 對內存空間分段管理 利用16位段基址和16位段內偏移地址實現對1MB空間的尋址 設有兩種工作模式 分別支持單處理器工作和多處理器工作 基本指令執(zhí)行時間為0 3 s 0 6 s 主要特點 7 2 3 28086 8088微處理器組成結構 由兩個功能部件構成 執(zhí)行部件EU ExecutionUnit 主要實現指令和數據處理功能總線接口部件BIU BusInterfaceUnit 主要實現與外界交換數據的功能 8 執(zhí)行部件EU 總線接口部件BIU 9 算術邏輯單元 ALU 用于算術 邏輯運算功能 標志寄存器FLAG 用于存放一個CPU的狀態(tài)或控制標志 反映CPU最近一次運算結果的一些狀況 數據暫存寄存器 協助ALU完成運算 暫存參加運算的數據 如從內存讀入的數據 通用寄存器 用于存放參與運算的數據或數據在內存中的偏移地址 EU控制電路 負責接收從BIU指令隊列中取來的指令 經指令譯碼后形成定時控制信號 對EU各部件實現特定的控制操作 EU中各部件功能如下 10 指令隊列緩沖器 存放最多6字節(jié)的指令 按 先進先出 原則進行存取操作 地址加法器 完成20位物理地址計算 段地址寄存器 用于存放段的基地址值 指令指針寄存器IP 指令指針寄存器用于存放BIU要取出的下一條指令的偏移地址 總線控制電路與內部通信寄存器 總線控制電路用于產生外部總線操作時的相關控制信號 內部通信寄存器用于暫存總線接口單元BIU與執(zhí)行單元EU之間交換的信息 BIU中各部件的功能如下 11 EU與BIU并行執(zhí)行的優(yōu)勢假設計算機處理數據的過程簡化為取指和執(zhí)行兩個步驟組成 如果微處理器只有一個功能部件 則完成一系列指令的過程可描述如下 12 如果將微處理器的功能分為EU和BIU兩個部件 分別完成取指令和執(zhí)行指令的操作 雖然單個指令仍然需要取指令再執(zhí)行 但從而指令流角度看 取指令和執(zhí)行指令可以同時進行 很顯然 采用兩個功能部件獨立運行時 效率比單個部件提高了近一倍 13 2 3 38086 8088微處理器的寄存器結構 1 8個通用寄存器8086微處理器中有8個通用寄存器 每個寄存器長度為16位 用于存放數據或地址 8個通用寄存器分別是 累加器AX AH AL Accumulator基址寄存器BX BH BL Base計數寄存器CX CH CL Counter數據寄存器DX DH DL Data堆棧指針寄存器SPStackPointer基址指針寄存器BPBasePointer源變址寄存器SISourceIndex目的變址寄存器DIDestinationIndex 14 2 存儲器的分段管理 8088CPU有20條地址線最大可尋址空間為220 1MB物理地址范圍從00000H FFFFFH8088CPU將1MB空間分成許多邏輯段 Segment 每個段最大限制為64KB段地址的低4位為0000B這樣 一個存儲單元除具有一個唯一的物理地址外 還具有多個邏輯地址 物理地址和邏輯地址 8088CPU存儲系統中 對應每個物理存儲單元都有一個唯一的20位編號 就是物理地址 從00000H FFFFFH分段后在用戶編程時 采用邏輯地址 形式為段基地址 段內偏移地址 分隔符 物理地址14700H邏輯地址1460H 100H 邏輯地址 段地址說明邏輯段在主存中的起始位置8088規(guī)定段地址必須是模16地址 xxxx0H省略低4位0000B 段地址就可以用16位數據表示 就能用16位段寄存器表達段地址偏移地址說明主存單元距離段起始位置的偏移量每段不超過64KB 偏移地址也可用16位數據表示 8086同時可有4個段被激活 稱當前段 它們是代碼段 數據段 堆棧段 附加段 其段地址分別保存于CS DS SS ES中 分段要求 1 保持16個字節(jié)或其整數倍為段地址間距 2 16位段寄存器表示段基址 段寄存器加1實際上存儲器地址加16 3 段可連續(xù) 分散 重迭 18 可以表示為0100H 0023HPA 0100H 10H 0023H 01023H 也可表示為0102H 0003HPA 0102H 10H 0003H 01023H 例 對于物理地址01023H單元 邏輯地址 LA 與物理地址 PA 的轉換需要作如下計算 20位物理地址 PA 16位段地址 16 16位偏移地址 19 物理地址和邏輯地址的轉換 將邏輯地址中的段地址左移4位 加上偏移地址就得到20位物理地址一個物理地址可以有多個邏輯地址 邏輯地址1460 100 1380 F00物理地址14700H14700H 3 段寄存器 8088有4個16位段寄存器CS指明代碼段的起始地址SS指明堆棧段的起始地址DS指明數據段的起始地址ES指明附加段的起始地址每個段寄存器用來確定一個邏輯段的起始地址 每種邏輯段均有各自的用途 代碼段寄存器CS CodeSegment 代碼段用來存放程序的指令序列代碼段寄存器CS存放代碼段的段地址指令指針寄存器IP指示下條指令的偏移地址處理器利用CS IP取得下一條要執(zhí)行的指令 堆棧段寄存器SS StackSegment 堆棧段確定堆棧所在的主存區(qū)域堆棧段寄存器SS存放堆棧段的段地址堆棧指針寄存器SP指示堆棧棧頂的偏移地址處理器利用SS SP操作堆棧頂的數據 數據段寄存器DS DataSegment 數據段存放運行程序所用的數據數據段寄存器DS存放數據段的段地址各種主存尋址方式 有效地址EA 得到存儲器中操作數的偏移地址處理器利用DS EA存取數據段中的數據 附加段寄存器ES ExtraSegment 附加段是附加的數據段 也保存數據 附加段寄存器ES存放附加段的段地址各種主存尋址方式 有效地址EA 得到存儲器中操作數的偏移地址處理器利用ES EA存取附加段中的數據串操作指令將附加段作為其目的操作數的存放區(qū)域 如何分配各個邏輯段 程序的指令序列必須安排在代碼段程序使用的堆棧一定在堆棧段程序中的數據默認是安排在數據段 也經常安排在附加段 尤其是串操作的目的區(qū)必須是附加段數據的存放比較靈活 實際上可以存放在任何一種邏輯段中 段超越前綴指令 沒有指明時 一般的數據訪問在DS段 使用BP訪問主存 則在SS段默認的情況允許改變 需要使用段超越前綴指令 8088指令系統中有4個 CS 代碼段超越 使用代碼段的數據SS 堆棧段超越 使用堆棧段的數據DS 數據段超越 使用數據段的數據ES 附加段超越 使用附加段的數據 示例 段超越的示例 沒有段超越的指令實例 MOVAX 2000H AX DS 2000H 從默認的DS數據段取出數據采用段超越前綴的指令實例 MOVAX ES 2000H AX ES 2000H 從指定的ES附加段取出數據 總結 段寄存器的使用規(guī)定 寄存器的總結 8088有8個8位通用寄存器 8個16位通用寄存器8088有6個狀態(tài)標志和3個控制標志8088將1MB存儲空間分段管理 有4個段寄存器 對應4種邏輯段8088有4個段超越前綴指令 用于明確指定數據所在的邏輯段 熟悉上述內容后 就可以進入下節(jié) 3 控制寄存器8086微處理器中有2個用于控制目的的寄存器 一個是指令指針寄存器IP InstructionPointer 另一個是標志寄存器FLAG PSW ProgramStatusWord IP用于保存微處理器下一條待執(zhí)行指令的地址 偏移量 標志寄存器FLAG保存了兩組狀態(tài)信息 一組是微處理器當前的運行狀態(tài)稱為控制標志 另一組是微處理器執(zhí)行上一條指令后的結果信息 稱為狀態(tài)標志 31 TF DF IF OF SF ZF AF PF CF 控制標志 狀態(tài)標志 跟蹤 狀態(tài)標志 標示CPU運行結果的