微機(jī)原理第2章戴小文

第2章8086微處理器及其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)戴小文

郵箱：xwdai678@163.com1328086微處理器8086的時鐘和總線周期8086系統(tǒng)的存儲器管理內(nèi)容21）取指令：1、CPU解釋一條指令的步驟一、指令和程序的解釋步驟和方式2）執(zhí)行指令：圖2-1指令存放示意圖……..指令碼1指令碼2指令碼n內(nèi)存完成指令規(guī)定的操作。如取數(shù)據(jù)、執(zhí)行運算或控制、回送結(jié)果等。從內(nèi)存單元取出指令第一節(jié)8086微處理器3順序解釋方式：一條指令的兩個階段執(zhí)行完后，才開始執(zhí)行下一條指令。2、CPU解釋一條指令的方式重疊解釋方式：前一條指令的執(zhí)行和后一條指令的取指同步完成。相鄰兩條指令的解釋在時間上有部分重疊。第一節(jié)8086微處理器4取指1執(zhí)行1取指2執(zhí)行2取指3執(zhí)行3取指4執(zhí)行4順序解釋重疊解釋取指1執(zhí)行1取指2執(zhí)行2取指3執(zhí)行3取指4執(zhí)行4時間圖2-2指令和程序的解釋方式二、

8086微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理

1、內(nèi)部結(jié)構(gòu)：第一節(jié)8086微處理器5圖2－38086CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖執(zhí)行單元EU總線接口單元BIU通用寄存器AHALBHBLCHCLDHDLSPBPDISI∑總線控制邏輯8086總線指令隊列緩沖器EU控制系統(tǒng)ALUFLAGS暫存寄存器AB（20位）ALU數(shù)據(jù)總線（16位）AXBXCXDX地址形成器123456Q總線（8位）DB（16位）段寄存器CSDSSSES

IP

內(nèi)部通信寄存器第一節(jié)8086微處理器6從功能上，8086CPU可分為兩大部分：執(zhí)行部件EU和總線接口部件BIU。執(zhí)行部件EU：組成：EU控制系統(tǒng)、通用寄存器、算術(shù)邏輯單元ALU、標(biāo)志寄存器FR、功能：從指令隊列緩沖器中取出預(yù)先存入的指令代碼，將其譯碼并執(zhí)行，完成指令規(guī)定的操作。包括算術(shù)邏輯運算、有效地址的計算、寄存器和指令操作數(shù)的管理。第一節(jié)8086微處理器7功能：實現(xiàn)8086CPU與存儲器和外部設(shè)備之間的信息傳送?？偩€接口部件BIU：形成指定內(nèi)存單元或I/O端口的物理地址從指定內(nèi)存區(qū)域或I/O端口讀取指令所需要的操作數(shù)從內(nèi)存指定區(qū)域取出指令送到指令隊列緩沖器將指令執(zhí)行結(jié)果送入內(nèi)存或I/O端口指定位置組成：段寄存器、指令指針I(yè)P、地址形成器、總線控制邏輯、指令隊列緩沖器第一節(jié)8086微處理器8指令隊列緩沖器：FIFO存儲器，是實現(xiàn)重疊解釋的關(guān)鍵部件。①隊列緩沖器中只要有兩個字節(jié)為空，BIU便自動執(zhí)行取指操作，相鄰單元的指令字節(jié)取入緩沖器，直到緩沖器滿為止。②緩沖器中只要有一條指令，EU就開始執(zhí)行。

注意：一般情況下，程序順序執(zhí)行，當(dāng)EU執(zhí)行到跳轉(zhuǎn)指令時，BIU就使指令隊列清零，然后從新地址取出指令重新填入隊列緩沖器。2、工作原理

EU和BIU并行工作，實現(xiàn)指令的重疊解釋8086指令重疊解釋方式的實現(xiàn)過程：第一節(jié)8086微處理器9三、8086的內(nèi)部寄存器AX累加器BX基址CX計數(shù)DX數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)寄存器堆棧指針基址指針源變址目的變址指針寄存器變址寄存器狀態(tài)標(biāo)志指令指針控制寄存器代碼段數(shù)據(jù)段堆棧段附加數(shù)據(jù)段段寄存器通用寄存器AHALBHBLCHCLDHDLSPBPSIDIFLAGSIPCSDSSSES15870圖2－4 8086/8088內(nèi)部寄存器大多數(shù)算術(shù)和邏輯運算指令都可以使用注意：用戶程序不能直接訪問IP位于EU中位于BIU中108086的內(nèi)部寄存器AX累加器BX基址CX計數(shù)DX數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)寄存器堆棧指針基址指針源變址目的變址指針寄存器變址寄存器狀態(tài)標(biāo)志指令指針控制寄存器代碼段數(shù)據(jù)段堆棧段附加數(shù)據(jù)段段寄存器通用寄存器AHALBHBLCHCLDHDLSPBPSIDIFLAGSIPCSDSSSES15870圖2－4 8086/8088內(nèi)部寄存器大多數(shù)算術(shù)和邏輯運算指令都可以使用注意：用戶程序不能直接訪問IP位于EU中位于BIU中11標(biāo)志寄存器FlAGS：控制標(biāo)志狀態(tài)標(biāo)志D15D7D0OFDFIFTFSFZFAFPFCFCF：進(jìn)位標(biāo)志位進(jìn)行加法或減法時，若最高位發(fā)生進(jìn)位或借位則CF＝1，否則CF＝0PF：奇偶標(biāo)志位邏輯運算結(jié)果中“1”的個數(shù)為偶數(shù)時PF＝1，否則PF＝08086的內(nèi)部寄存器12TF：跟蹤標(biāo)志位TF＝1使CPU處于單步執(zhí)行指令的工作方式。DF：方向標(biāo)志用于控制串操作指令執(zhí)行時的步進(jìn)方向，該位為“1”，則串操作指令按地址遞減的順序?qū)ΥM(jìn)行操作，否則按地址遞增的順序進(jìn)行操作。IF：中斷允許標(biāo)志位

IF＝1使CPU可以響應(yīng)可屏蔽中斷請求。IF＝0使CPU禁止響應(yīng)可屏蔽中斷請求。對不可屏蔽中斷及內(nèi)部中斷沒有影響。8086的內(nèi)部寄存器13OF：溢出標(biāo)志位當(dāng)帶符號數(shù)的算術(shù)運算結(jié)果發(fā)生溢出時OF＝1，否則OF＝0AF：輔助進(jìn)位位

在字節(jié)操作由低半字節(jié)向高半字節(jié)有進(jìn)位或借位；或在字操作時，由低字節(jié)向高字節(jié)有進(jìn)位或借位時AF＝1，否則AF＝0ZF：零標(biāo)志位

當(dāng)運算結(jié)果為零時ZF＝1，否則ZF＝0ＳF：符號標(biāo)志位

當(dāng)運算結(jié)果的最高位為1時SF＝1，否則SF＝08086的內(nèi)部寄存器148086復(fù)位后各寄存器的狀態(tài)：

寄存器

值

寄存器

值

FLAGS

0000H

DS

0000H

IP

0000H

ES

0000H

指令隊列

空

SS

0000H

CS

FFFFH

其余寄存器

0000H

8086復(fù)位后執(zhí)行的第一條指令的邏輯地址為FFFF:0000H8086的內(nèi)部寄存器15地址數(shù)據(jù)總線四、8086的引腳信號GNDAD14AD13AD12AD11AD10AD9AD8AD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0NMIINTRCLKGND14023933843753663573483393210311130122913281427152616251724182319222021VccAD15A16/S3A17/S4

A18/S5A19/S6BHE/S7MN/MXRDHOLD(RQ/GT0)HLDA(RQ/GT1)WR(LOCK)M/IO(S2)DT/R(S1)DEN(S0)ALE(QS0)INTA(QS1)TESTREADYRESET8086CPU圖2－48086引腳

A19～A16/S6～S3：地址／狀態(tài)分時復(fù)用總線。高4位地址和CPU的狀態(tài)信息分時復(fù)用AD15---AD0:地址/數(shù)據(jù)分時復(fù)用總線，16位雙向三態(tài)總線。BHE/S7：數(shù)據(jù)高允許／狀態(tài)分時復(fù)用信號，輸出，與地址總線的最低位AD0配合16ALE:

為地址鎖存允許信號（輸出）INTR:

可屏蔽中斷請求信號(輸入)MN/MX:

最?。畲蠓绞娇刂凭€(輸入)M/IO:

為存儲器／I/O控制信號(輸出,三態(tài))INTA:

為中斷響應(yīng)信號（輸出，三態(tài)）RESET：復(fù)位請求，輸入有效時，使CPU回到初始態(tài)?？刂瓶偩€RD:

讀控制信號(輸出)WR:寫控制信號(輸出)

四、8086的引腳信號17最大方式：

MN/MX接地。8086和專用的總線控制器共同提供系統(tǒng)所需的總線控制信號。注：最小方式常用于構(gòu)成小規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。如單處理機(jī)系統(tǒng)。最大方式常用于構(gòu)成較大規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)，如帶數(shù)值運算協(xié)處理器8087或帶I/O協(xié)處理器8089的多處理機(jī)系統(tǒng)。五、8086的工作方式最小方式：

MN/MX接高電平。8086處理器提供系統(tǒng)所需的全部總線控制信號。18六、8086系統(tǒng)的基本配置系統(tǒng)所需的控制信號都直接由8086產(chǎn)生。所謂系統(tǒng)的基本配置，指的是如何利用8086的引腳信號形成系統(tǒng)三總線。1.最小方式下的基本配置8086CPU、存儲器、I/O接口電路時鐘發(fā)生器、地址鎖存器、數(shù)據(jù)收發(fā)器。19圖2－58086最小方式下的基本配置時鐘發(fā)生器CLKREADYRESETMN/MXRDWRM/IOALEBHEA19～A16AD15～AD0地址鎖存器總線收發(fā)器DENDT/R存儲器I/O接口VCC8086CPU數(shù)據(jù)總線地址總線控制總線BHEINTAINTR六、8086系統(tǒng)的基本配置20ALE:

為地址鎖存允許信號（輸出）INTR:

可屏蔽中斷請求信號(輸入)MN/MX:

最小／最大方式控制線(輸入)M/IO:

為存儲器／I/O控制信號(輸出,三態(tài))INTA:

為中斷響應(yīng)信號（輸出，三態(tài)）RESET：復(fù)位請求，輸入有效時，使CPU回到初始態(tài)?？刂瓶偩€RD:讀控制信號(輸出)WR:寫控制信號(輸出)

21總線收發(fā)器的作用：用來對AD15～AD0上的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖和驅(qū)動，形成16位系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線，并控制數(shù)據(jù)傳送的方向。地址鎖存器的作用：用于鎖存地址／數(shù)據(jù)總線（AD15～AD0）和地址/狀態(tài)總線（A19～A16/S6～S3）中的地址信息以及信息，形成20位系統(tǒng)地址總線

。BHE

2.最大方式下的基本配置

許多總線控制信號都通過總線控制器8288產(chǎn)生。比最小方式的基本配置多加了一片8288總線控制器。22時鐘發(fā)生器CLKREADYRESETMN/MXS0S1S2BHEA19～A16AD15～AD0地址鎖存器總線收發(fā)器存儲器I/O接口GND8086CPU數(shù)據(jù)總線地址總線

8288

總線控制器S0S2S1INTAMRDCMWTCIORCIOWCDENDT/RALEBHE控制總線圖2－68086最大方式下的基本配置

23一、存儲器的分段管理第二節(jié)8086系統(tǒng)的存儲器管理8086微處理器內(nèi)部數(shù)據(jù)通路和寄存器都是16位的，內(nèi)部的ALU也只能進(jìn)行16位數(shù)據(jù)的計算，尋址的訪問為：2的16次方=64K字節(jié)。為了能尋址1M字節(jié)地址，必須對內(nèi)存實行分段管理。242、分段管理的必要性8086內(nèi)部地址寄存器為16位；尋址范圍：216=64KB無法訪問1MB（20位地址）的內(nèi)存，因此8086對1MB的內(nèi)存采用分段管理。3、分段方法根據(jù)功能，將1M字節(jié)的存儲空間分為代碼段、堆棧段、數(shù)據(jù)段和附加段。2）每個段最多216=64KB個單元；1）每個段由地址連續(xù)的若干單元構(gòu)成；每條指令能夠給出最多16位的直接地址；3）每個段相對獨立，可獨立訪問其中的任意單元；

254）各段可相鄰或重疊注意：每個段的第一個字節(jié)的位置稱為“段起始地址”，段起始地址是個能被16整除的數(shù)，即：低4位一般為0。段起始地址中的高16位稱為段基值。CPU要訪問的段內(nèi)某內(nèi)存單元的位置相對于段起始地址的距離稱為段內(nèi)偏移量（16位）。

都是16位二進(jìn)制無符號數(shù)CS：存放代碼段的段基值DS：存放數(shù)據(jù)段的段基值SS：存放堆棧段的段基值ES：存放附加段的段基值段寄存器段內(nèi)偏移量也常稱作偏移地址或有效地址(EA).26例：8086為某程序在內(nèi)存中分配出如圖所示的四個邏輯段:則各段寄存器的內(nèi)容為：DS=3000HSS=32FFHES=4ABBHCS=1234H代碼段數(shù)據(jù)段堆棧段附加段12340H30000H32FF0H4ABB0H32FF1H12344H12344H單元的段內(nèi)偏移量為0004H。27物理地址4、物理地址和邏輯地址

物理地址又稱實際地址PA(PhysicalAddress)，是CPU和存儲器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換（讀寫操作）時所采用的地址。

在8086系統(tǒng)中，每個內(nèi)存單元的物理地址是20位的二進(jìn)制數(shù)，28是程序員在程序中讀寫內(nèi)存單元時使用的地址。由兩部分組成，即段基值（16位二進(jìn)制無符號數(shù)）和段內(nèi)偏移量（16位二進(jìn)制無符號數(shù)）。內(nèi)存單元的邏輯地址的一般表示：段基值：段內(nèi)偏移量注：段基值和段內(nèi)偏移量合稱為32位地址指針。

邏輯地址的組成：邏輯地址2912345H12344H12343HA12342H12341H12340H偏移量段首單元例2.2：設(shè)某數(shù)據(jù)段如圖所示，其段首單元的物理地址為12340H，則單元A的邏輯地址為多少？1234H:0003H故單元A的邏輯地址為段內(nèi)偏移量為12343H－12340H

＝0003H段基值為1234H解：

5、物理地址到邏輯地址的轉(zhuǎn)換段基址30注意：編程時，程序員在程序中均采用邏輯地址來給出需要訪問的存儲器單元的地址。而CPU訪問內(nèi)存時，需將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址（20位），再行訪問。6、邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換由BIU中20位的地址形成器自動完成轉(zhuǎn)換。具體方法：將邏輯地址中的段基值左移4位(或乘以16）和偏移量相加，如下圖所示：31

16位段基值000016位段內(nèi)偏移量＋）20位物理地址

即：16位段基值16位段內(nèi)偏移量16位段基值0000∑20位物理地址地址形成器32例2.3：若某內(nèi)存單元的邏輯地址為8915H:0100H，求該單元的物理地址(PA)。物理地址(PA)=解：89150

H+)0100H89250H=89250H89150H＋0100H例2.4：若某內(nèi)存單元的邏輯地址為1362H:3843H，求該單元的物理地址(PA)。物理地址(PA)=解：

13620

H+)3843H

16

E6

3H=16

E6

3

H13620H＋3843H337、邏輯地址的來源

操作類型隱含的段基值可替換的段基值偏移地址取指令CS無IP堆棧操作SS無SPBP用作基址寄存器SSCS、DS、ESEA通用數(shù)據(jù)讀寫DSCS、SS、ESEA字符串操作（源地址）DSCS、SS、ESSI字符串操作（目的地址）ESCS、SS、DSDI隱含尋址代碼段隱含尋址附加段隱含尋址堆棧段隱含尋址數(shù)據(jù)段341、數(shù)據(jù)類型字節(jié)數(shù)據(jù)——8位，Byte；字?jǐn)?shù)據(jù)——16位，Word；雙字?jǐn)?shù)據(jù)——32位，Doubleword。存儲單元都為8位，每個單元只能存放8位（一個字節(jié)）的數(shù)據(jù)。2、數(shù)據(jù)存放格式從低位到高位，從小地址到大地址。二、存儲器中數(shù)據(jù)的類型和存放格式3532位邏輯地址的存放格式：

低八位放在地址較小的單元，

高八位后放在地址較大的單元放于4個連續(xù)的內(nèi)存單元內(nèi)。偏移地址放在較小地址單元，段基值放在較大地址單元；偏移地址和段基值再分別按16位字?jǐn)?shù)據(jù)格式存放。字?jǐn)?shù)據(jù)的存放格式：

雙字?jǐn)?shù)據(jù)的存放格式：

從低到高分成四個字節(jié)，從低字節(jié)到高字節(jié)由小地址到大地址依次存放。二、存儲器中數(shù)據(jù)的類型和存放格式363、字節(jié)地址和字地址存儲器每個單元的地址或每個字節(jié)數(shù)據(jù)的地址；字?jǐn)?shù)據(jù)在內(nèi)存單元中的地址。一般取為低字節(jié)所在單元的地址。字節(jié)地址：字地址：二、存儲器中數(shù)據(jù)的類型和存放格式3712H20000H××20001H××20002H××20003H34H20000H12H20001H××20002H××20003H78H20000H56H20001H34H20002H12H20003H字節(jié)數(shù)據(jù)12H字?jǐn)?shù)據(jù)1234H邏輯地址1234H:5678H字地址字節(jié)地址例2.5：分別畫出字節(jié)數(shù)據(jù)12H、字?jǐn)?shù)據(jù)1234H、邏輯地址1234H:5678H的存放示意圖（設(shè)各數(shù)據(jù)的起始地址均為20000H）。384、規(guī)則字和非規(guī)則字規(guī)則字：字地址為偶數(shù)的字?jǐn)?shù)據(jù)。(從偶地址單元開始存放的字?jǐn)?shù)據(jù)。

）（從奇地址單元開始存放的字?jǐn)?shù)據(jù)。）非規(guī)則字：字地址為奇數(shù)的字?jǐn)?shù)據(jù)。20003H××20002H××200