x微處理器結(jié)構(gòu)

會(huì)計(jì)學(xué)1x微處理器結(jié)構(gòu)陳渝光教授主講微機(jī)與應(yīng)用

教學(xué)內(nèi)容（2學(xué)時(shí)）

Intelx86微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

8086/8088的編程結(jié)構(gòu)；BIU和EU的功能、組成及動(dòng)作協(xié)調(diào)；

PC機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)及組織方式教學(xué)目標(biāo)要求學(xué)生掌握8086/8088的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)；特別是可編程寄存器結(jié)構(gòu)了解指令隊(duì)列在BIU和EU的動(dòng)作協(xié)調(diào)中所起的作用掌握物理地址的計(jì)算方法教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn)

BIU和EU的功能、組成和動(dòng)作協(xié)調(diào)；段地址、段內(nèi)地址、物理地址的概念及其關(guān)系第1頁/共50頁陳渝光教授主講微機(jī)與應(yīng)用

學(xué)習(xí)引導(dǎo)§2.1-§2.3從下列3方面學(xué)習(xí)理解：1)8086/8088μp的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（§2.1）獨(dú)立部件BIU、EU

指令隊(duì)列緩沖器特色：流水線工作方式，提高μp的效率2)可編程結(jié)構(gòu)（§2.2）通用寄存器、段地址寄存器、其他寄存器（IP、FLAG）3)20位地址加法器的作用（§2.3）邏輯地址物理地址第2頁/共50頁陳渝光教授主講微機(jī)與應(yīng)用

內(nèi)部暫存器

IP

ES

SSDSCS輸入/輸出控制電路外部總線執(zhí)行部分控制電路123456∑ALU標(biāo)志寄存器AHALBHBLCHCLDHDLSPBPSIDI通用寄存器地址加法器指令隊(duì)列緩沖器執(zhí)行部件（EU)總線接口部件（BIU)16位20位16位8位2.18086/8088內(nèi)部結(jié)構(gòu)AXBXCXDX第3頁/共50頁陳渝光教授主講微機(jī)與應(yīng)用

8086從功能上來說分成兩大部分，總線接口單元BIU（BusInterfaceUnit)和執(zhí)行單元EU（ExecutionUnit).?

BIU:負(fù)責(zé)與存儲(chǔ)器接口，即8086與存儲(chǔ)器之間的信息傳送，都是由BIU負(fù)責(zé)進(jìn)行的，即：

(1)

BIU從內(nèi)存的指定部分取出指令，送至指令隊(duì)列排隊(duì)。

(2)從內(nèi)存的指定部分取出執(zhí)行指令時(shí)所需的操作數(shù)，送至EU部分。

總線接口部件由下列各部分組成：（1）4個(gè)段地址寄存器；CS——16位的代碼段寄存器；DS——16位的數(shù)據(jù)段寄存器；ES——16位的擴(kuò)展段寄存器；SS——16位的堆棧段寄存器；（2）16位的指令指針寄存器IP；（3）20位的地址加法器；（4）6字節(jié)的指令隊(duì)列緩沖器

第4頁/共50頁陳渝光教授主講微機(jī)與應(yīng)用

?

地址加法器

將左移4位的段寄存器的內(nèi)容與偏移地址相加，形成20位的物理地址，以便對(duì)1兆空間的存儲(chǔ)器尋址。?

指令隊(duì)列

指令隊(duì)列中包含若干個(gè)（8086—6個(gè)，8088—4個(gè)）8位寄存器，用于順序存放從存儲(chǔ)器中取出的指令，供執(zhí)行單元執(zhí)行。?

輸入/輸出控制電路

提供系統(tǒng)總線的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、地址和狀態(tài)信息的分時(shí)傳送。第5頁/共50頁陳渝光教授主講微機(jī)與應(yīng)用

具有“流水線”結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：將CPU分為兩個(gè)單元，可以使取指令和執(zhí)行指令同時(shí)進(jìn)行，減少了CPU為取指令而等待的時(shí)間，從而提高了CPU的利用率，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行速度。

總線接口部件BIU和執(zhí)行部件EU并不是同步工作的，兩者的動(dòng)作管理遵循如下原則：1）每當(dāng)8086的指令隊(duì)列中有2個(gè)空字節(jié)，BIU就會(huì)自動(dòng)把指令取到指令隊(duì)列中。而同時(shí)EU從指令隊(duì)列取出一條指令，并用幾個(gè)時(shí)鐘周期去分析、執(zhí)行指令。當(dāng)指令隊(duì)列已滿，而且EU對(duì)BIU又無總線訪問請(qǐng)求時(shí)，BIU便進(jìn)入空閑狀態(tài)。在執(zhí)行轉(zhuǎn)移、調(diào)用和返回指令時(shí)，指令隊(duì)列中的原有內(nèi)容被自動(dòng)清出2）發(fā)生訪問沖突時(shí)，EU優(yōu)先。第6頁/共50頁陳渝光教授主講微機(jī)與應(yīng)用

?

EU:負(fù)責(zé)指令的執(zhí)行。執(zhí)行部件的功能就是負(fù)責(zé)從指令隊(duì)列取指令并執(zhí)行。從編程結(jié)構(gòu)圖可見，執(zhí)行部件由下列幾個(gè)部分組成：（1）4個(gè)通用寄存器，即AX、BX、CX、DX；（2）4個(gè)專用寄存器：（3）標(biāo)志寄存器FR；（4）算術(shù)邏輯單元ALU。?

算術(shù)邏輯單元

負(fù)責(zé)各種算術(shù)和邏輯運(yùn)算?

執(zhí)行單元控制電路

是控制、定時(shí)與狀態(tài)邏輯電路。用于控制執(zhí)行單元中各部件按制定的要求協(xié)調(diào)工作。第7頁/共50頁陳渝光教授主講微機(jī)與應(yīng)用

2.28086/8088的編程結(jié)構(gòu)第8頁/共50頁陳渝光教授主講微機(jī)與應(yīng)用

8086/8088的內(nèi)部寄存器AHALBHBLCHCLDHDL

AXBXCXDX

SPBPSIDIIPFLAGCSDSSSES(A)累加器基地址寄存器計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)寄存器(SP)堆棧指針寄存器基地址寄存器源變址寄存器目的變址寄存器(PC)指令指針寄存器(PSW)狀態(tài)標(biāo)志寄存器

代碼段寄存器數(shù)據(jù)段寄存器堆棧段寄存器附加段寄存器通用寄存器控制寄存器

段寄存器8位寄存器16位寄存器第9頁/共50頁陳渝光教授主講微機(jī)與應(yīng)用

狀態(tài)標(biāo)志寄存器

O

DIT

SZAPC

進(jìn)位標(biāo)志C（CarryFlag）——當(dāng)結(jié)果的最高位產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)位或借位，則CF=1，否則CF=0。溢出標(biāo)志O（OverflowFlag）——在算術(shù)運(yùn)算中，帶符號(hào)數(shù)的運(yùn)算結(jié)果超出了8位或16位帶符號(hào)數(shù)能表達(dá)的范圍，則OF=1，否則OF=0。

8位（字節(jié)）運(yùn)算--128——+12716位（字）運(yùn)算--32768——+32767

符號(hào)標(biāo)志S（SignFlag）——結(jié)果的最高位（D15或D7）為1，則SF=1，否則SF=0。零標(biāo)志Z（ZeroFlag）——若運(yùn)算的結(jié)果為0，則ZF=1，否則ZF=1。奇偶標(biāo)志P（ParityFlag）——若結(jié)果中‘1’的個(gè)數(shù)為偶數(shù)，則PF=1，否則，PF=0。輔助進(jìn)位標(biāo)志A(AuxiliaryFlag)——在字節(jié)操作時(shí)，由低半字節(jié)(第3位)向高半字節(jié)，字操作時(shí)低字節(jié)向高字節(jié)進(jìn)位或借位，則AF=1，否則AF=0。方向標(biāo)志（DirectionFlag）——DF=1，串操作時(shí)地址自動(dòng)減量，D=0，串操作時(shí)地址自動(dòng)增量。中斷允許標(biāo)志（Interrupt—enableFlag）——IF=1，則允許CPU接收外部的中斷請(qǐng)求，

IF=0，則屏蔽外部中斷請(qǐng)求。追蹤標(biāo)志（TraceFlag）——TF=1，使處理進(jìn)入單步方式，以便于調(diào)試。狀態(tài)標(biāo)志第10頁/共50頁陳渝光教授主講微機(jī)與應(yīng)用

例：兩個(gè)帶符號(hào)數(shù)64h,64h相加。

01100100+0110010011001000

OF=1（運(yùn)算結(jié)果超過127）；

CF=0；

ZF=0；

SF=1；

PF=0；

AF=0。

第11頁/共50頁陳渝光教授主講微機(jī)與應(yīng)用

通用寄存器的用法第12頁/共50頁陳渝光教授主講微機(jī)與應(yīng)用

2.38086/8088的地址形成（§3.1）

8086有20條地址線，它的直接尋址能力為220=1M.在8086內(nèi)部，ALU能進(jìn)行16位的運(yùn)算，有關(guān)地址寄存器是16位的，因而對(duì)地址的運(yùn)算也只能是16位。其尋址的范圍最多是216=64K。在8088中怎樣形成這20位的地址呢？——分段！將內(nèi)存的1M字節(jié)以64K為范圍。

存儲(chǔ)段劃分原則：

1)段內(nèi)地址是連續(xù)的，段與段之間是相互獨(dú)立的；

2)每個(gè)段的起始地址稱段的基址，段基址必須是能被16整除的那些地址，即20位的段基址的低四位應(yīng)當(dāng)是0000；

3)由于段起始地址的低四位為0，所以可用20位地址的高16位表示段的基址，存放在段基址寄存器中。段基址寄存器共四個(gè)：CS、DS、ES、SS。第13頁/共50頁陳渝光教授主講微機(jī)與應(yīng)用

20220=FFFFFh+1FFFFFhFFFFEhFFFFDhFFFFCh00001h00000h0FFFFh16216=FFFFh+1FFFFhFFFEhFFFDh0001h0000h邏輯地址空間物理地址空間

邏輯地址形式段地址：有效地址（偏移地址）如：2000H：2500H地址轉(zhuǎn)換公式

PA=段地址*16+偏移地址

第14頁/共50頁陳渝光教授主講微機(jī)與應(yīng)用

8086存儲(chǔ)器的分段結(jié)構(gòu)8086CPU中有四個(gè)段寄存器：CS，DS，SS和ES四個(gè)段寄存器存放了CPU當(dāng)前可以尋址的四個(gè)段的基值，也即可以從這四個(gè)段寄存器規(guī)定的邏輯段中存取指令代碼和數(shù)據(jù)。一旦這四個(gè)段寄存器的內(nèi)容被設(shè)定，就規(guī)定了CPU當(dāng)前可尋址的段，如右圖所示。例：內(nèi)存映像如圖所示。1)求各當(dāng)前段的地址范圍2)已知LA=2800H:3208H,求PA3)已知PA=AD000H,求對(duì)應(yīng)的LA（有幾個(gè)？）第15頁/共50頁陳渝光教授主講微機(jī)與應(yīng)用

第16頁/共50頁陳渝光教授主講微機(jī)與應(yīng)用

例、8086/8088的運(yùn)行過程操作：將兩個(gè)數(shù)相加.指令：moval,[2000]addal,02hlt機(jī)器指令：10100000A0hmoval,[2000]0000000000h0010000020h0000010004haddal,020000101002h11110100F4hhlt8086/8088微處理器工作原理示意第17頁/共50頁陳渝光教授主講微機(jī)與應(yīng)用

第18頁/共50頁陳渝光教授主講微機(jī)與應(yīng)用

教學(xué)內(nèi)容（2學(xué)時(shí)）

Intelx86CPU引腳及其功能

Intelx86CPU的工作模式與典型系統(tǒng)構(gòu)成教學(xué)目標(biāo)要求學(xué)生掌握Intelx86CPU各引腳的名稱及其功能，特別是基本操作下的控制信號(hào)的情況能正確畫出在不同工作模式下的系統(tǒng)配置圖，并了解有關(guān)控制信號(hào)的相應(yīng)硬件連接方法教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn)各引腳的名稱及其功能；地址/數(shù)據(jù)復(fù)用引腳，地址/狀態(tài)復(fù)用引腳，在不同工作模式下引腳功能第19頁/共50頁陳渝光教授主講微機(jī)與應(yīng)用

2.48086微處理器的引腳功能8086微處理器采用DIP40封裝，40個(gè)引腳引腳按功能可分4部分：地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線、電源及時(shí)鐘引腳的類型有：雙向、三態(tài)、輸入、輸出等雙功能引腳

分時(shí)復(fù)用引腳工作方式不同功能不同引腳

第20頁/共50頁陳渝光教授主講微機(jī)與應(yīng)用

12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221

GNDAD14AD13AD12AD11AD10AD9AD8AD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0NMIINTRCLKGNDVCCAD15A16/S3A17/S4A18/S5A19/S6BHE/S7MN/MXRDHOLD(RQ/GT)HLDA(RQ/GT)WR(LOCK)M/IO(S2)DT/R(S1)

DEN(S0)ALE(QS0)INTA(QS1)TESTREADYRESET8086

8086/8088引腳信號(hào)第21頁/共50頁陳渝光教授主講微機(jī)與應(yīng)用

引腳說明地址總線和數(shù)據(jù)總線

AD15～AD0：地址數(shù)據(jù)線，雙向、三態(tài)分時(shí)復(fù)用每個(gè)總線周期T1時(shí)刻為地址，其他時(shí)刻為數(shù)據(jù)

A19～A16/S6～S3：地址狀態(tài)線，輸出、三態(tài)分時(shí)復(fù)用每個(gè)總線周期T1時(shí)刻為地址，其他時(shí)刻為狀態(tài)

S6恒為低，S5反映標(biāo)志寄存器IF位的狀態(tài)

第22頁/共50頁陳渝光教授主講微機(jī)與應(yīng)用

S4、S3表示CPU正在使用哪個(gè)段寄存器S4S3特性LLHHLHLHESSSCS（或不是存儲(chǔ)器操作）DSBHE/S7：數(shù)據(jù)總線高允許/狀態(tài)S7信號(hào)輸出、三態(tài)。分時(shí)復(fù)用做BHE時(shí)低電平有效，S7為備用狀態(tài)線，在DMA時(shí)為高阻第23頁/共50頁陳渝光教授主講微機(jī)與應(yīng)用

控制總線控制總線是傳送控制信號(hào)的一組信號(hào)線，有些是輸出，用來傳輸CPU到其它部件的控制命令，如：讀、寫、中斷響應(yīng)等；有些是輸入，由外部向CPU輸入控制命令如：復(fù)位、中斷請(qǐng)求8086/8088有兩種工作方式：最大工作方式，最小工作方式。有些控制信號(hào)在最大最小工作方式時(shí)功能不同第24頁/共50頁陳渝光教授主講微機(jī)與應(yīng)用

MN/MX引腳（33號(hào)）：最小/最大工作方式引腳

1)當(dāng)MN/MX引腳接高電平時(shí)，8086處于最小工作方式，接地時(shí)，8086處于最大工作方式；

2)兩種工作方式的區(qū)別：

a)單處理器/多處理器工作方式；

b)系統(tǒng)配置的區(qū)別以及控制信號(hào)由8086自己產(chǎn)生/由8288提供部分（8086向8288提供狀態(tài)信號(hào)（S0，S1，S2），8288根據(jù)狀態(tài)信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)）；

c)芯片引腳功能的區(qū)別第25頁/共50頁陳渝光教授主講微機(jī)與應(yīng)用

受MN/MX引腳影響的控制信號(hào)1)S2，S1，S0：總線周期狀態(tài)信號(hào)（三態(tài)，輸出）S2S1S0操作類型（CPU周期）LLLLHHHHLLHHLLHHLHLHLHLH中斷響應(yīng)讀I/O端口寫I/O端口暫停取指令讀存儲(chǔ)器寫存儲(chǔ)器無效（無總線周期）第26頁/共50頁陳渝光教授主講微機(jī)與應(yīng)用

受MN/MX引腳影響的控制信號(hào)在最小工作方式下S2，S1，S0分別是M/IO、DT/R、DENM/IO：存儲(chǔ)器/IO控制信號(hào)，輸出、三態(tài)。用來區(qū)分CPU訪問存儲(chǔ)器還是I/O

M/IO=1，訪問存儲(chǔ)器

M/IO=0，訪問I/O端口DT/R：數(shù)據(jù)發(fā)送/接收信號(hào)，輸出、三態(tài)。

DT/R=1，CPU進(jìn)行寫操作

DT/R=0，CPU進(jìn)行讀操作DEN：數(shù)據(jù)允許信號(hào)，輸出、三態(tài)、低有效第27頁/共50頁陳渝光教授主講微機(jī)與應(yīng)用

受MN/MX引腳影響的控制信號(hào)2)RQ/GT0，RQ/GT1：請(qǐng)求/允許總線訪問信號(hào),雙向在最小工作方式時(shí)RQ/GT0，RQ/GT1分別是HOLD和HLDA信號(hào)HOLD：保持請(qǐng)求信號(hào)（輸入）當(dāng)外部邏輯把HOLD信號(hào)置高時(shí)，CPU完成當(dāng)前總線周期后進(jìn)入保持狀態(tài)，讓出總線控制權(quán)。HLDA：保持響應(yīng)信號(hào)（輸出）是CPU對(duì)HOLD信號(hào)的響應(yīng)信號(hào)，HLDA為高時(shí)CPU的三態(tài)信號(hào)全部為高阻狀態(tài)。第28頁/共50頁陳渝光教授主講微機(jī)與應(yīng)用

受MN/MX引腳影響的控制信號(hào)3)QS1，QS0：指令隊(duì)列狀態(tài)信號(hào)（輸出）指示8086的BIU的指令隊(duì)列的狀態(tài)，以便外部協(xié)處理器進(jìn)行跟蹤。在最小工作方式下QS1，QS0分別是ALE和INTA信號(hào)。ALE：地址鎖存允許信號(hào)（輸出）在總線周期的第一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)有效，其下降沿用來把地址/數(shù)據(jù)總線以及地址狀態(tài)總線中的地址信息存入地址鎖存器中。INTA：中斷響應(yīng)信號(hào)（輸出，三態(tài)）低有效QS1QS0指令隊(duì)列狀態(tài)LL空操作LH從指令隊(duì)列中取出的是指令的第一個(gè)字節(jié)HL隊(duì)列空HH取出的是指令的后續(xù)字節(jié)第29頁/共50頁陳渝光教授主講微機(jī)與應(yīng)用

受MN/MX引腳影響的控制信號(hào)4)LOCK：總線優(yōu)先權(quán)鎖定信號(hào)（輸出，三態(tài)）低有效。當(dāng)LOCK有效時(shí)，外部協(xié)處理器不能控制總線。在最小工作方式下，LOCK信號(hào)為WR信號(hào)WR信號(hào)：寫控制信號(hào)，（輸出，三態(tài)）CPU對(duì)存儲(chǔ)器或I/O執(zhí)行寫操作時(shí)WR信號(hào)有效。第30頁/共50頁陳渝光教授主講微機(jī)與應(yīng)用

不受MN/MX信號(hào)影響的控制信號(hào)RD：讀控制信號(hào)（輸出、三態(tài)）READY：等待狀態(tài)信號(hào)

READY=0，CPU處于等待狀態(tài)，在總線周期中插入等待周期TW

READY=1，8086CPU繼續(xù)執(zhí)行INTR：可屏蔽中斷請(qǐng)求信號(hào)（輸入）高有效NMI：不可屏蔽中斷請(qǐng)求信號(hào)（輸入）高有效TEST：等待測試控制信號(hào)（輸入）。在WAIT指令執(zhí)行期間若TEST=1則CPU循環(huán)于等待狀態(tài)，當(dāng)TEST=0，CPU脫離等待狀態(tài)繼續(xù)執(zhí)行WAIT下面的指令。RESET：復(fù)位信號(hào)（輸入）高有效，當(dāng)RESET為高時(shí)，系統(tǒng)處于復(fù)位狀態(tài)，8086CPU停止正在運(yùn)行的操作，把標(biāo)志寄存器、段寄存器、指令指針復(fù)位為初始狀態(tài)。（代碼段寄存器初始狀態(tài)為FFFFH）第31頁/共50頁陳渝光教授主講微機(jī)與應(yīng)用

控制引腳組合功能與總線分離有關(guān)的

ALE、DEN、DT/R與讀寫操作有關(guān)的

M/IO、RD、WR、BHE（8086）、READY與外中斷有關(guān)的

INTR、INTA、NMI與總線控制有關(guān)的

HOLD、HLDA第32頁/共50頁陳渝光教授主講微機(jī)與應(yīng)用

其它信號(hào)CLK：時(shí)鐘信號(hào)（輸入），通常由8284產(chǎn)生。為CPU提供基本定時(shí)脈沖。VCC：電源（輸入）接+5V直流電壓。GND：電源地。第33頁/共50頁陳渝光教授主講微機(jī)與應(yīng)用

中央處理器8088地址鎖存器總線控制器8288時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器8284數(shù)據(jù)收發(fā)器數(shù)據(jù)總線地址總線控制總線以8088為核心的微機(jī)結(jié)構(gòu)常用的總線鎖存器芯片：74LS373、74LS273、Intel8282、8283常用的總線收發(fā)器芯片：74LS245、Intel8286、82872.58086/8088的最大最小工作方式第34頁/共50頁陳渝光教授主講微機(jī)與應(yīng)用

RESETTESTHOLDHLDANMIINTRINTAM/IOWRRDREADYCLKREADYMN/MX+5V系統(tǒng)總線控制總線地址總線A19～

A0數(shù)據(jù)總線D15～D0

ALEBHEA19～A16AD15～AD

0

DT/RDEN8086CPUG74LS373OEDIRG74LS2458284A最小組態(tài)第35頁/共50頁陳渝光教授主講微機(jī)與應(yīng)用

RQ/GT0RQ/GT1TESTNMIINTA

S0

S1

S2

READYREADYRESETMN/MX控制總線地址總線A19～

A0數(shù)據(jù)總線D15