微型計算機(jī)課件：第2章 微處理器

2.18086微處理器的結(jié)構(gòu)2.1.18086的功能結(jié)構(gòu)8086微處理器的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)由兩個獨(dú)立的工作部件——執(zhí)行部件EU（ExecutionUnit）和總線接口部件BIU（BusInterfaceUnit）構(gòu)成EU由運(yùn)算器、寄存器組、控制器等組成，負(fù)責(zé)指令的執(zhí)行BIU由指令隊(duì)列、地址加法器、總線控制邏輯等組成，負(fù)責(zé)與系統(tǒng)總線打交道AHALBHBLCHCLDHDLSPBPSIDIAXBXCXDX數(shù)據(jù)寄存器指針和變址寄存器暫存寄存器ALU標(biāo)志寄存器FREU控制器ALU數(shù)據(jù)總線（16位）指令隊(duì)列緩沖器123456總線控制邏輯8086總線地址加法器CSDSSSESIP內(nèi)部暫存器AB(20位)執(zhí)行部件（EU）總線接口部件（BIU）DB(16位)（8位）圖2-18086CPU的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)框圖隊(duì)列總線1．執(zhí)行部件EU（1）EU的功能①從BIU的指令隊(duì)列緩沖器中取出指令，由EU控制器的指令譯碼器譯碼產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號給各部件②對操作數(shù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果的狀態(tài)特征保存到狀態(tài)寄存器FR中③EU不直接與CPU外部系統(tǒng)相連，當(dāng)需要與主存儲器或I/O設(shè)備交換數(shù)據(jù)時，EU向BIU發(fā)出命令，并提供給BIU16位有效地址及所需傳送的數(shù)據(jù)（2）EU的組成。EU由算術(shù)邏輯單元ALU，通用數(shù)據(jù)寄存器組，地址指針和變址寄存器，標(biāo)志寄存器，數(shù)據(jù)暫存寄存器和EU控制器組成（3）EU的特點(diǎn)①通用數(shù)據(jù)寄存器AX，BX，CX，DX，既可以作16位寄存器使用，也可以分成高、低8位分別作兩個8位寄存器使用②ALU的核心是16位二進(jìn)制加法器③16位狀態(tài)標(biāo)志寄存器（7位未用）存放操作后的狀態(tài)特征和設(shè)置的控制標(biāo)志。④EU控制器是執(zhí)行指令的控制電路，實(shí)現(xiàn)從隊(duì)列中取指令、譯碼、產(chǎn)生控制信號等。2．總線接口部件BIU（1）BIU的功能①BIU從主存取指令送到指令隊(duì)列緩沖器。②CPU執(zhí)行指令時，總線接口單元要配合EU從指定的主存單元或外設(shè)端口中取數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳送給EU或把EU的操作結(jié)果傳送到指定的主存單元或外設(shè)端口中③計算并形成訪問存儲器的20位物理地址（2）BIU的組成。BIU由4個16位段寄存器、16位指令指針寄存器、20位物理地址加法器、6字節(jié)指令隊(duì)列及總線控制邏輯組成。（3）BIU的特點(diǎn)：①指令隊(duì)列是由6個字節(jié)的寄存器組成（8088指令隊(duì)列由4個字節(jié)組成）。②地址加法器是用來產(chǎn)生20位存儲器物理地址的。③8086分配20條引腳線分時傳送20位地址，16位數(shù)據(jù)和4位狀態(tài)信息。2.1.28086的寄存器結(jié)構(gòu)8086CPU內(nèi)部設(shè)有三組信息寄存器和一個標(biāo)志寄存器三組寄存器是：通用數(shù)據(jù)寄存器組、地址指針和變址寄存器、段寄存器組。另有一個16位的指令指針寄存器IP（InstructionPointer）。1．通用數(shù)據(jù)寄存器EU中設(shè)置了四個16位通用寄存器，它們是AX、BX、CX和DX，而且都可以拆成兩個獨(dú)立的8位寄存器使用2．地址指針和變址寄存器EU中設(shè)有兩個地址指針寄存器SP、BP和兩個變址寄存器SI、DI寄存器一般用法隱含用法AX16位累加器（Accumulator)字乘時提供一個操作數(shù)并存放積的低字;字除時提供被除數(shù)的低字并存放商ALAX的低8位字節(jié)乘時提供一個操作數(shù)并存放積的低字節(jié)；字節(jié)除時提供被除數(shù)的低字節(jié)并存放商；BCD碼運(yùn)算指令和XLAT指令中作累加器；字節(jié)I/O操作中存放8位輸入/輸出數(shù)據(jù)AHAX的高8位字節(jié)乘時提供一個操作數(shù)并存放積的高字節(jié)；字節(jié)除時提供被除數(shù)的高字節(jié)并存放余數(shù)；LAHF指令中充當(dāng)目的操作數(shù)BX基址(Base)寄存器,支持多種尋址,常用作地址寄存器XLAT指令中提供被查表格中源操作數(shù)的間接地址CX16位計數(shù)器（Counter）串操作時用作串長計數(shù)器；循環(huán)操作中用作循環(huán)次數(shù)計數(shù)器CL8位計數(shù)器移位或循環(huán)移位時用作移位次數(shù)計數(shù)器DX16位數(shù)據(jù)（Data）寄存器在間接尋址的I/O指令中提供端口地址；字乘時存放積的高字，字除時提供被除數(shù)高字并存放余數(shù)表2-18086中通用寄存器的一般用法和隱含用法寄存器一般用法隱含用法SP堆棧指針（StackPointer），與SS配合指示堆棧棧頂?shù)奈恢脡簵！⒊鰲２僮髦兄甘緱ｍ擝P基址指針（BasePointer），它支持間接尋址、基址尋址、基址加變址等多種尋址手段。在子程序調(diào)用時，常用它來取壓棧的參數(shù)SI源變址（SourceIndex）寄存器。它支持間接尋址、變址尋址、基址加變址尋址等多種尋址串操作時用作源變址寄存器，指示數(shù)據(jù)段（段默認(rèn)）或其他段（段超越）中源操作數(shù)的偏移地址DI目的變址（DestinationIndex）寄存器。它支持間接尋址、變址尋址、基址加變址尋址等多種尋址串操作時用作目的變址寄存器，指示附加段（段默認(rèn)）中目的操作數(shù)的偏移地址表2-28086中地址寄存器的一般用法和隱含用法（1）8086的堆棧及堆棧操作有以下特點(diǎn)①雙字節(jié)操作②堆棧向低地址方向生成。（2）BP、BX都被稱為基址指針，但兩者用法不同（3）由于大多數(shù)算術(shù)和邏輯運(yùn)算中又可以使用BP、SP和變址寄存器，因而也將這4個寄存器歸入通用寄存器組3．段寄存器8086CPU中有4個段寄存器，用于存放當(dāng)前程序所用的各段的起始地址，也稱為段的基地址。它們分別為：（1）代碼段寄存器CS（CodeSegment）（2）數(shù)據(jù)段寄存器DS（DataSegment）。（3）堆棧段寄存器SS（StackSegment）。（4）附加段寄存器ES（ExtendedSegment）。4．指令指針寄存器和標(biāo)志寄存器（1）指令指針寄存器IP指令指針寄存器IP是一個16位的表示地址指針的寄存器（2）標(biāo)志寄存器FR（FlagRegister）標(biāo)志寄存器也稱為程序狀態(tài)字PSW（ProgramStatusWord）寄存器，它是一個16位的標(biāo)志寄存器，但僅使用其中的9位D15D14D13D12D11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0位號OFDFIFTFSFZFAFPFCF標(biāo)志寄存器

圖2-28086CPU標(biāo)志寄存器2.1.38086的工作模式和引腳特性1．芯片引腳特性的描述（1）引腳的功能：即引腳信號的定義（2）信號的有效電平：指控制引腳使用有效時的邏輯電平（3）信號的流向：芯片與其他部件的聯(lián)系全靠在引腳上傳送信息，這些信息可能自芯片向外輸出，也可能從外部輸入到芯片，還可能是雙向的（4）引腳的復(fù)用：在芯片的設(shè)計中，有時為以少量引腳提供更多的功能，會采用引腳復(fù)用的做法（5）三態(tài)能力：“三態(tài)”能力是指有些引腳除了能正常輸出或輸入高、低電平外，還能輸出高阻狀態(tài)2．8086的工作模式8086設(shè)計了兩種工作模式——最小模式和最大模式最小模式，就是系統(tǒng)中的CPU只有8086單獨(dú)一個處理器最大模式是相對最小模式而言的，適用于中、大型規(guī)模的8086系統(tǒng)3．8086的引腳特性（1）最小模式1~40引腳的功能定義（2）最大模式24~31引腳的功能定義GNDAD14AD13AD12AD11AD10AD9AD8AD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0NMIINTRCLKGND12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221VCCAD15A16/S3A17/S4A18/S5A19/S6BHE/S7MN/MXRDHOLD(RQ/GT0)HLDA(RQ/GT1)WR(LOCK)M/IO(S2)DT/R(S1)DEN(S0)ALE(QS1)INTA(QS0)TESTREADYRESET圖2-38086的引腳2.28086的系統(tǒng)組成和總線時序2.2.18086的系統(tǒng)組成1．系統(tǒng)組成的特點(diǎn)（1）MN/MX端接VCC或GND，決定工作在最小模式或最大模式（2）8084A為時鐘發(fā)生器，外接15MHz振蕩源，經(jīng)8284A三分頻后，得5MHz主頻送到8086系統(tǒng)時鐘端CLK。除此之外，8284A還將外部的復(fù)位信號RESET和就緒信號READY實(shí)現(xiàn)同步后發(fā)給8086相應(yīng)引腳（3）用3片8282作地址鎖存器，在T1時鎖存地址/數(shù)據(jù)復(fù)用線上的地址A19~A0和BHE信號（4）當(dāng)系統(tǒng)所連的存儲器和外設(shè)較多時，需要增加數(shù)據(jù)總線的驅(qū)動能力（5）系統(tǒng)組成還必須有其他的一些，如半導(dǎo)體存儲器RAM和ROM，外部設(shè)備的I/O接口，中斷控制管理部件等組件2．最小模式系統(tǒng)組成（選件）

地址/數(shù)據(jù)等待狀態(tài)發(fā)生8284ARESRDYCLKREADYRESETALEBHEDT/RDENMN/MXVCCSTB8282鎖存器OE8286收發(fā)器TOED15~D0其他控制總線8086A19~A16AD15~AD0A19~A0BHEVCC圖2-48086最小模式典型的總線部件配置3．最大模式系統(tǒng)組成BHECLKREADYRESET等待狀態(tài)發(fā)生A19~A16AD15~AD0其他控制總線地址/數(shù)據(jù)8286收發(fā)器TOEA19~A08282鎖存器STBD15~D08284ARES8288總線控制器CLKMN/MX80861S0S1S2S0S1S2MRDCMWTCAMWCIORCIOWCAIOWCINTARDYOEDENDT/RALE圖2-5

8086最大模式典型的總線部件配置

S0S1S28086CPUCLK8259A&STB8282鎖存器（3片）地址總線BHE8286總線收發(fā)器（2片）OETDENALECLKS0S1S2AENIOBCENINTA控制總線MRDMWT8288總線控制器IORCIOWCMCE/PDEN8259A中斷控制器INTAWRDT/RSP/ENRD圖2-68288與系統(tǒng)的連接4．存儲器組織與分段斷開排列A段B段C段D段E段40000H50000H60000H70000H連續(xù)排列部分重疊完全重疊圖2-7存儲器的邏輯分段

∑偏移地址段基址地址加法器物理地址段寄存器15150190圖2-8存儲器物理地址的形成5．I/O組織微機(jī)I/O端口有兩種編址方式：（1）統(tǒng)一編址（2）獨(dú)立編址2.2.28086的總線時序1．最小模式下的讀/寫總線周期（1）最小模式下的總線讀操作①高為讀內(nèi)存低為讀I/O地址輸出狀態(tài)輸出地址輸出數(shù)據(jù)輸入④BHE③②⑤⑥⑦⑨⑩11輸出DT/RDENALERDAD15～AD0A19/S6～A16/S3BHE/S7M/IOCLKT1T2T3Tw(1+n)T4⑧圖2-98086工作模式下讀周期時序圖（2）最小模式下的總線寫周期操作圖2-108086最小模式下寫周期時序圖T1T2T3Tw

T4CLKM/IOA19/S6～A16/S3AD15～AD0BHE/S7ALEWRDT/RDEN高為寫內(nèi)存低為寫I/O地址輸出狀態(tài)輸出地址輸出數(shù)據(jù)輸出④BHE⑩⑤⑨③⑧②②①⑥⑦輸出（3）總線空閑狀態(tài)2．最大模式下的讀/寫總線周期T1T2T3T4S2～S0CLKAD15～AD0BHE/S7A19/S6～A16/S3S2～S0*ALE*MRDC或*IORC*DT/R*DEN一個總線周期無源狀態(tài)A19～A16BHES7～S3浮空A15～A0D15～D0地址輸入數(shù)據(jù)圖2-118086最大模式下的讀操作時序T1T2T3T4一個總線周期CLKS2～S0BHE/S7A19/S6～A16/S3AD15～AD0*DT/R*ALE*MRDC或*IORC*MWTC或*IOWC*DEN高電平無源狀態(tài)A19～A16BHES7～S3A15～A0S2～S0輸出數(shù)據(jù)地址圖2-128086最大模式下的寫操作時序2.3高檔微處理器2.3.180386微處理器1．80386的主要特點(diǎn)（1）采用全32位結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部寄存器、ALU和操作是32位，數(shù)據(jù)線和地址線均為32位（2）提供32位外部總線接口，最大數(shù)據(jù)傳輸率為32MB/s，具有自動切換數(shù)據(jù)總線寬度的功能（3）具有片內(nèi)集成的存儲器管理部件MMU，可支持虛擬存儲和特權(quán)保護(hù)，虛擬存儲器空間可達(dá)64太字節(jié)TB（246字節(jié)）（4）具有實(shí)地址方式、保護(hù)方式和虛擬8086方式3種工作方式（5）采用了比8086更先進(jìn)的流水線結(jié)構(gòu)，使其能高效、并行地完成取指、譯碼、執(zhí)行和存儲管理功能2．80386的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有效地址總線有效地址總線移位地址加法器乘/除寄存器棧狀態(tài)標(biāo)志ALU控制保護(hù)檢測部件控制控制ROM譯碼和定序位移總線指令和譯碼兩個譯碼指令隊(duì)列指令預(yù)譯碼內(nèi)部控制總線分段部件輸入加法器描述符寄存器界限和屬性PLA分頁部件加法器頁面超高速緩存器控制和特性PLA預(yù)取器界限檢測器指令預(yù)取16字節(jié)指令隊(duì)列指令流線性地址總線請求特權(quán)地址驅(qū)動器流水線I/O總線寬度控制多路收發(fā)器取代碼取頁數(shù)物理地址總線控制總線控制HOLD,INTR,NMI,ERRORBUSY,HLDA,RESETBE0～BE3A2～A3M/IO,D/C,W/R,LOCK,ADS,NA,BSIG,READYD0～D33232323234ALU總線3232圖2-1380386的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖分段部件SU和分頁部件PU統(tǒng)稱為存儲器管理部件MMU（M