第2章微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

第2章Intel80x86微處理器的結(jié)構(gòu)主要內(nèi)容

8086/8088微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

80386微處理器的結(jié)構(gòu)

Pentium微處理器的結(jié)構(gòu)1qingyang@2023/2/62.1Intel8086/8088微處理器的結(jié)構(gòu)一、8086/8088的功能結(jié)構(gòu)（執(zhí)行單元與總線(xiàn)接口單元）二、8086/8088的寄存器結(jié)構(gòu)三、8086/8088的存儲(chǔ)器組織2qingyang@2023/2/6一、執(zhí)行單元與總線(xiàn)接口單元（8086CPU)注：8086CPU數(shù)據(jù)總線(xiàn)16位，指令隊(duì)列為6個(gè)字節(jié)；8088CPU數(shù)據(jù)總線(xiàn)8位，指令隊(duì)列為4個(gè)字節(jié)。3qingyang@2023/2/6（一）總線(xiàn)接口單元BIU（BusInterfaceUnit）功能：負(fù)責(zé)與Memory、I/O端口傳送數(shù)據(jù)。取指令時(shí)，從存儲(chǔ)器指定地址取出指令送入指令隊(duì)列排隊(duì)。執(zhí)行指令時(shí)，根據(jù)EU命令對(duì)指定存儲(chǔ)器單元或I/O端口存取數(shù)據(jù)。

組成：4個(gè)段地址寄存器（CS、DS、ES、SS）16位指令指針寄存器IP20位的地址加法器

(16d段地址+偏移地址＝物理地址)6字節(jié)（8086）或4字節(jié)（8088）的指令隊(duì)列總線(xiàn)控制電路:處理器與外界總線(xiàn)聯(lián)系的轉(zhuǎn)接電路。包括三組總線(xiàn)：20位地址總線(xiàn)，8位（8086）/16位（8086）雙向數(shù)據(jù)總線(xiàn)，一組控制總線(xiàn)。4qingyang@2023/2/6（一）總線(xiàn)接口單元BIU（BusInterfaceUnit）（cont.）指令隊(duì)列

8086的指令隊(duì)列為6個(gè)字節(jié), 8088的指令隊(duì)列為4個(gè)字節(jié)。不論是8086還是8088都會(huì)在執(zhí)行指令的同時(shí)從內(nèi)存中取下一條或幾條指令，取來(lái)的指令放在指令隊(duì)列中，使BIU具有預(yù)取指令的功能，是一種先進(jìn)先出（FIFO）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。5qingyang@2023/2/6（二）執(zhí)行單元EU（

ExecutionUnit）

功能執(zhí)行指令，進(jìn)行全部算術(shù)邏輯運(yùn)算、完成偏移地址的計(jì)算向總線(xiàn)接口單元BIU提供指令執(zhí)行結(jié)果的數(shù)據(jù)和偏移地址，并對(duì)通用寄存器和標(biāo)志寄存器進(jìn)行管理。組成：4個(gè)通用寄存器：AX、BX、CX、DX4個(gè)專(zhuān)用寄存器：BP、SP、SI、DI標(biāo)志寄存器（PSW）：9個(gè)標(biāo)志位，其中6個(gè)條件標(biāo)志位用于存放結(jié)果狀態(tài)，算術(shù)邏輯單元：16位加法器，用于對(duì)寄存器和指令操作數(shù)進(jìn)行算術(shù)或邏輯運(yùn)算，EU控制系統(tǒng)：接受從總線(xiàn)接口單元的指令隊(duì)列中取來(lái)的指令代碼，對(duì)其譯碼和向EU內(nèi)各有關(guān)部分發(fā)出時(shí)序命令信號(hào)，協(xié)調(diào)執(zhí)行指令規(guī)定的操作。6qingyang@2023/2/6（三）流水線(xiàn)工作方式8086/8088取指部分與執(zhí)行部分是分開(kāi)的。在一條指令的執(zhí)行過(guò)程中可以取出下一條（或多條）指令，指令在指令隊(duì)列中排隊(duì)；在一條指令執(zhí)行完成后,就可以立即執(zhí)行下一條指令，減少CPU為取指令而等待的時(shí)間，提高CPU的利用率和整個(gè)運(yùn)行速度。8086/8088微處理器:BIU和EU分開(kāi)，取指和執(zhí)行可以重迭，大大減少了等待取指所需的時(shí)間，提高CPU的利用率。7qingyang@2023/2/6（三）、流水線(xiàn)工作方式(cont.)對(duì)于8080與8085及較早的8位微處理器:程序執(zhí)行由取指令和執(zhí)行指令的循環(huán)來(lái)完成的，每條指令執(zhí)行完后CPU必須等到下條指令取出來(lái)后才能執(zhí)行。8qingyang@2023/2/6二、8086/8088的寄存器結(jié)構(gòu)AHALBHBLCHCLDHDLSPBPSIDIIPFLAGSCSDSSSES通用寄存器組累加器基址寄存器計(jì)數(shù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器堆棧指針基址指針源變址寄存器目的變址寄存器指令指針標(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數(shù)據(jù)寄存器地址指針、變址寄存器控制寄存器段寄存器15870AXBXCXDX9qingyang@2023/2/6二、8086/8088的寄存器結(jié)構(gòu)（cont.）1、通用寄存器 ：

數(shù)據(jù)寄存器、地址指針寄存器、變址寄存器數(shù)據(jù)寄存器包括:AX、BX、CX、DX地址指針寄存器包括:SP、BP變址寄存器包括:SI、DI2、段寄存器：CS、SS、DS、ES3、控制寄存器：IP、PSW10qingyang@2023/2/6（一）通用寄存器（1）數(shù)據(jù)寄存器AX：（Accumulator）作為累加器。它是算術(shù)運(yùn)算的主要寄存器，所有I/O指令都使用這一寄存器與外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)。BX：Base用作基址寄存器使用。在計(jì)算內(nèi)存儲(chǔ)器地址時(shí)，經(jīng)常用來(lái)存放基址。CX：Count可以作計(jì)數(shù)寄存器使用。在循環(huán)LOOP指令和串處理指令中用作隱含計(jì)數(shù)器。DX：Data可以作為數(shù)據(jù)寄存器使用。一般在雙字長(zhǎng)乘除法運(yùn)算時(shí)，把DX和AX組合在一起存放一個(gè)雙字長(zhǎng)(32位)數(shù)，DX用來(lái)存放高16位;對(duì)某些I/O操作DX可用來(lái)存放I/O的端口地址（口地址256）。11qingyang@2023/2/6（一）通用寄存器（cont.）（2）地址指針與變址寄存器SP、BP、SI、DI

四個(gè)16位寄存器。以字為單位在運(yùn)算過(guò)程中存放操作數(shù)，經(jīng)常用以在段內(nèi)尋址時(shí)提供偏移地址。SP（stackpointer）——堆棧指針寄存器用來(lái)指示棧頂?shù)钠频刂?必須與SS段寄存器聯(lián)合使用確定實(shí)際地址。BP（basepointer）——基址指針寄存器可以與SS寄存器聯(lián)合使用來(lái)確定堆棧段中某一存儲(chǔ)器單元地址。變址寄存器(SI、DI)SI——SourceIndexRegister源變址寄存器。DI——DestinationIndex目的變址寄存器。使用場(chǎng)合：常用于變址尋址。一般與DS聯(lián)用，用來(lái)確定數(shù)據(jù)段中某一存儲(chǔ)單元的地址。串操作中，[DS:SI]尋址源操作數(shù)，[ES:DI]尋址目的操作數(shù),SI、DI具有自動(dòng)增量和自動(dòng)減量功能.12qingyang@2023/2/6（二）段寄存器段寄存器:4個(gè)16位段寄存器CS、DS、SS、ES。用來(lái)識(shí)別當(dāng)前可尋址的四個(gè)段，不可互換使用。CS——CodeSegmentRegister代碼段寄存器用來(lái)識(shí)別當(dāng)前代碼段（程序一般放在代碼段）。DS——DataSegmentRegister數(shù)據(jù)段寄存器用來(lái)識(shí)別當(dāng)前數(shù)據(jù)段。SS——StackSegmentRegister堆棧段寄存器，用來(lái)識(shí)別當(dāng)前堆棧段。ES——ExtraSegmentRegister附加段寄存器，用來(lái)識(shí)別當(dāng)前附加段。13qingyang@2023/2/6（三）控制寄存器控制寄存器：IP、PSWIP—InstructionPointer指令指針寄存器用來(lái)存儲(chǔ)代碼段中的偏移地址;程序運(yùn)行過(guò)程中IP始終指向下一次要取出的指令偏移地址。IP要與CS寄存器相配合才能形成真正的物理地址。PSW—（ProcessorStatesWordProgram）程序狀態(tài)字寄存器，16位寄存器。由狀態(tài)標(biāo)志、控制標(biāo)志構(gòu)成。 只用了其中9位,6位條狀態(tài)標(biāo)志,3位控制標(biāo)志。14qingyang@2023/2/6狀態(tài)標(biāo)志寄存器（PSW)15qingyang@2023/2/6標(biāo)志寄存器---狀態(tài)標(biāo)志位用來(lái)記錄程序中運(yùn)行結(jié)果的狀態(tài)信息，作為后續(xù)條件轉(zhuǎn)移指令的轉(zhuǎn)移控制條件。狀態(tài)標(biāo)志位（條件碼）包括6位：CF、PF、AF、ZF、SF、OF。① OF（OverflowFlag）溢出標(biāo)志（一般指帶符號(hào)數(shù)的補(bǔ)碼溢出）OF=1：在帶符號(hào)數(shù)運(yùn)算過(guò)程中，結(jié)果超過(guò)了機(jī)器表示的范圍，稱(chēng)為溢出。OF=0：在帶符號(hào)數(shù)運(yùn)算過(guò)程中，結(jié)果未超過(guò)機(jī)器表示范圍，稱(chēng)為無(wú)溢出。字節(jié)允許范圍-128—+127，字運(yùn)算范圍-32768—+32767。② SF（SignFlag）符號(hào)標(biāo)志SF=1：記錄運(yùn)算結(jié)果的符號(hào)為負(fù)。SF=0：記錄運(yùn)算結(jié)果的符號(hào)為正。③ ZF（ZeroFlag）零標(biāo)志ZF=1：運(yùn)算結(jié)果為0。ZF=0：運(yùn)算結(jié)果不為0。16qingyang@2023/2/6標(biāo)志寄存器--狀態(tài)標(biāo)志位④ CF（CarryFlag）進(jìn)位標(biāo)志CF=1：記錄運(yùn)算時(shí)從最高有效位產(chǎn)生進(jìn)位或借位。CF=0：記錄運(yùn)算時(shí)從最高有效位不產(chǎn)生進(jìn)位/借位。⑤AF（AuxiliaryCarryFlag）輔助進(jìn)位標(biāo)志AF=1：記錄運(yùn)算時(shí)D3位（半個(gè)字節(jié)）產(chǎn)生進(jìn)位或借位。AF=0：記錄運(yùn)算時(shí)D3位（半個(gè)字節(jié)）不產(chǎn)生進(jìn)位或借位。⑥PF(ParityFlag)奇偶標(biāo)志PF=1:結(jié)果操作數(shù)低8位中有偶數(shù)個(gè)1。PF=0:結(jié)果操作數(shù)低8位中有奇數(shù)個(gè)1。用來(lái)為機(jī)器中傳送信息時(shí)可能產(chǎn)生的誤碼提供檢驗(yàn)條件。17qingyang@2023/2/6控制標(biāo)志位對(duì)控制標(biāo)志位進(jìn)行設(shè)置后,對(duì)其后的操作起控制作用?？刂茦?biāo)志位包括3位:TF、IF、DF。跟蹤（陷阱）標(biāo)志TF、中斷標(biāo)志IF、方向標(biāo)志DF。TF(TrapFlag)跟蹤(陷阱)標(biāo)志位TF=1,每執(zhí)行一條指令后，自動(dòng)產(chǎn)生一次內(nèi)部中斷，使CPU處于單步執(zhí)行指令工作方式，便于進(jìn)行程序調(diào)試，用戶(hù)能檢查程序。TF=0,CPU正常工作，不產(chǎn)生陷阱。IF(InteruptFlag)中斷標(biāo)志位IF=1,允許外部可屏蔽中斷。CPU可以響應(yīng)可屏蔽中斷請(qǐng)求。IF=0,關(guān)閉中斷。CPU禁止響應(yīng)可屏蔽中斷請(qǐng)求。IF的狀態(tài)對(duì)不可屏蔽中斷和內(nèi)部軟中斷沒(méi)有影響。DF(DirectionFlag)方向標(biāo)志位DF=1,每次串處理操作后使變址寄存器SI和DI減量，使串處理從高地址向低地址方向處理。DF=0,每次串處理操作后使變址寄存器SI和DI增量,使串處理從低地址向高地址方向處理。DF方向標(biāo)志位是在串處理指令中控制處理信息的方向用的。18qingyang@2023/2/62023/2/6qingyang@19例:指出8086CPU執(zhí)行如下指令后，標(biāo)志寄存器中各狀態(tài)標(biāo)志位的值。(1)MOVAX,32C5H(2)MOVAX,0E453HADDAX,546AHADDAX,0C572H解

（1）0011001011000101（2）1110010001010011+0101010001101010+110001010111001010000111001011111010100111000101所以，OF=1SF=1ZF=0OF=0SF=1ZF=0AF=0PF=0CF=0AF=0PF=1CF=1例1：執(zhí)行兩個(gè)數(shù)的加法，分析對(duì)標(biāo)志位的影響。標(biāo)志:

運(yùn)算結(jié)果最高位為0 ∴SF=0； 運(yùn)算結(jié)果≠0

∴ZF=0

低8位中1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)個(gè) ∴PF=0； 最高位沒(méi)有進(jìn)位 ∴CF=0 D3位向D4位無(wú)進(jìn)位 ∴AF=0；

次高位向最高位沒(méi)有進(jìn)位，最高位向前沒(méi)有進(jìn)位, ∴OF=0。20qingyang@2023/2/6例2：執(zhí)行兩個(gè)數(shù)的加法，分析對(duì)標(biāo)志位的影響。標(biāo)志:

運(yùn)算結(jié)果最高位為1，SF=1； 運(yùn)算結(jié)果本身不為0，ZF=0； 最高位向前無(wú)進(jìn)位，CF=0

次高位向最高位產(chǎn)生進(jìn)位,而最高位向前沒(méi)有進(jìn)位，OF=1； 結(jié)果低8位含偶數(shù)個(gè)1，PF=1；

D3位向D4位有進(jìn)位,AF=1。

在絕大多數(shù)情況下，一次運(yùn)算后并不影響所有標(biāo)志， 程序也并不需要對(duì)所有的標(biāo)志作全面的關(guān)注。 一般只是在某些操作后,對(duì)其中某個(gè)標(biāo)志進(jìn)行檢測(cè)。21qingyang@2023/2/6三、8086/8088的存儲(chǔ)器組織（一）存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)（二）存儲(chǔ)器的分段結(jié)構(gòu)和物理地址的形成22qingyang@2023/2/6存儲(chǔ)單元的的內(nèi)容：一個(gè)存儲(chǔ)單元有效的信息。一個(gè)字存入存儲(chǔ)器占有相繼的二個(gè)單元：

低位字節(jié)存入低地址，高位字節(jié)存入高地址。

字單元的地址采用它的低地址來(lái)表示，可以是偶地址也可以是奇地址。同一個(gè)地址既可以看作字節(jié)單元地址，又可看作字單元地址，需要根據(jù)使用情況確定。

例：

字單元:（0004H）=

1234H,

字節(jié)單元:（0004H）=

34H

（一）存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)23qingyang@2023/2/6（一）、存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)（cont.）Intel8088管理的存儲(chǔ)空間：1.存儲(chǔ)單元按字節(jié)編址，存儲(chǔ)單元地址20位。2.存儲(chǔ)器的地址空間為1M字節(jié)單元，其地址范圍為00000H～FFFFFH。24qingyang@2023/2/62023/2/6qingyang@25..FFFFFHFFFF0H通用區(qū)專(zhuān)用區(qū)FFFEFH00400H003FFH00000H專(zhuān)用區(qū)

實(shí)模式下存儲(chǔ)器地址空間存儲(chǔ)器地址空間被分為通用和專(zhuān)用兩種存儲(chǔ)區(qū)。從地址00000H～003FFH為中斷向量表區(qū)，用來(lái)存放256個(gè)中斷服務(wù)程序的入口地址(也稱(chēng)中斷向量)，每個(gè)入口地址占4個(gè)字節(jié)單元。從地址FFFF0H～FFFFFH這16個(gè)字節(jié)單元保留給系統(tǒng)的初始化代碼。當(dāng)處理器加電或復(fù)位(Reset)時(shí)，CPU執(zhí)行的第一條指令就是起始于地址FFFF0H的。通用區(qū)域用來(lái)存儲(chǔ)一般的程序指令和數(shù)據(jù)，它的地址范圍為00400H～FFFEFH。（一）、存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)（cont.）（二）存儲(chǔ)器的分段結(jié)構(gòu)和物理地址的形成

8086/8088有20條地址總線(xiàn)，直接尋址能力為220=1M字節(jié)。用16進(jìn)制數(shù)表示1M字節(jié)的地址范圍應(yīng)為0000H~FFFFFH。（1）8086/

8088內(nèi)部20位物理地址形成（2）邏輯地址與物理地址26qingyang@2023/2/6（1）存儲(chǔ)器地址分段8086/8088地址總線(xiàn)是20位的，CPU中的寄存器是16位的，20位地址無(wú)法用16位寄存器表示。Intel8088對(duì)存儲(chǔ)器采用分段管理方法。段內(nèi)地址16位,每個(gè)段的大小最大可達(dá)64KB（實(shí)際可以根據(jù)需要來(lái)確定段大小，可以是1，100，1000等在64K范圍內(nèi)的任意字節(jié)數(shù)。）對(duì)段的起始地址有限制即段不能從任意地址開(kāi)始，必須從任一小段的首地址開(kāi)始。（從0地址開(kāi)始每16字節(jié)為一小段）27qingyang@2023/2/62023/2/6qingyang@28具體做法是，將1M字節(jié)的存儲(chǔ)空間分成許多邏輯段，每段最長(zhǎng)64K字節(jié)單元，可以用16位地址碼進(jìn)行尋址。每個(gè)邏輯段在實(shí)際存儲(chǔ)空間中的位置是可以浮動(dòng)的,其起始地址的低4位必須是0。段寄存器中存放的是段起始地址的高16位，稱(chēng)之為“段地址”?！捌屏俊?offset)也稱(chēng)偏移地址，它是所訪問(wèn)的存儲(chǔ)單元距段的起始地址之間的字節(jié)距離。

段地址和偏移地址均是16位的。邏輯地址：由段基址和段內(nèi)偏移地址組成的地址，在程序設(shè)計(jì)時(shí)使用。段地址:段起始地址高16位值。偏移地址:指在段內(nèi)某內(nèi)存單元物理地址相對(duì)段起始地址的偏移值。物理地址：存儲(chǔ)器的絕對(duì)地址（20位的實(shí)際地址）， 范圍從00000H～FFFFFH,是由CPU訪問(wèn)存儲(chǔ)器時(shí)由地址總線(xiàn)發(fā)出的地址。29qingyang@2023/2/6段寄存器段地址16位偏移地址16位150150段地址16位1500000地址加法器物理地址（２０位）190邏輯地址物理地址計(jì)算方法：即把段地址左移4位再加上偏移地址值形成物理地址，寫(xiě)成：

物理地址=16d段地址+偏移地址

物理地址＝段地址×10H+偏移地址需注意的是，每個(gè)存儲(chǔ)單元有惟一的物理地址，但該存儲(chǔ)單元的“段地址”和“偏移地址”是相對(duì)的。換句話(huà)說(shuō)，同一個(gè)物理地址與多個(gè)邏輯地址相對(duì)應(yīng)。例如，段地址為0020H，偏移地址為0013H，對(duì)應(yīng)的物理地址為00213H；若段地址為0021H，偏移地址為0003H，其對(duì)應(yīng)的物理地址仍然是00213H。30qingyang@2023/2/62023/2/6qingyang@31例2.1

設(shè)代碼段寄存器CS的內(nèi)容為4232H，指令指針寄存器IP的內(nèi)容為0066H，即CS＝4232H，IP＝0066H，則被訪問(wèn)的代碼段存儲(chǔ)單元的物理地址是：

4232H×10H+0066H=42386H42320066423200660段基值偏移量左移4位物理地址邏輯地址

42386+）2023/2/6qingyang@32例2.2

設(shè)數(shù)據(jù)段寄存器DS的內(nèi)容為1234H，基址寄存器BX的內(nèi)容為0022H，即(DS)＝1234H，(BX)＝0022H，則被訪問(wèn)數(shù)據(jù)段存儲(chǔ)單元的物理地址是：

1234H×10H+0022H=42386H12340022123400220段基值偏移量左移4位物理地址邏輯地址

12362+）2023/2/6qingyang@33例2.3

若段寄存器內(nèi)容是002AH，產(chǎn)生的物理地址是002C3H，則偏移量是多少?

物理地址－段地址×10H

＝002C3H-002A0H

＝0023H。

2023/2/6qingyang@34四種類(lèi)型的段：代碼段，數(shù)據(jù)段，附加數(shù)據(jù)段，堆棧段。

CS–代碼段寄存器，保存代碼段段地址

DS–數(shù)據(jù)段寄存器，保存數(shù)據(jù)段段地址

ES–附加數(shù)據(jù)段寄存器，保存附加數(shù)據(jù)段段地址

SS–堆棧段寄存器，保存堆棧段段地址偏移地址由BX、BP、SP、SI、DI、IP或以這些寄存器的組合形式來(lái)提供

IP–代碼段偏移地址SP–堆棧段偏移地址

BX、BP、SI、DI–數(shù)據(jù)段或附加數(shù)據(jù)段偏移地址（二）存儲(chǔ)器的分段結(jié)構(gòu)和物理地址的形成（cont.）存儲(chǔ)器典型的分段結(jié)構(gòu)（二）存儲(chǔ)器的分段結(jié)構(gòu)和物理地址的形成（cont.）35qingyang@2023/2/6各段在存儲(chǔ)器中分配：（1）由操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)分配一般情況，各段在存儲(chǔ)器中的分配是由操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)。每個(gè)段可以獨(dú)立地占用64K存儲(chǔ)區(qū)。（2）各段也可以允許重迭每個(gè)段的大小允許根據(jù)實(shí)際需要分配，不一定要占64KB。每個(gè)存儲(chǔ)單元的內(nèi)容不允許發(fā)生沖突（段可重迭，但使用時(shí)需防止沖突）。（3）在程序的首部設(shè)定各段寄存器的值如果程序中的四個(gè)段都是64K的范圍之內(nèi)，程序運(yùn)行時(shí)所需要的信息都在本程序所定義的段區(qū)之內(nèi)，程序員只要在程序的首部設(shè)定各段寄存器的值就可以了。（4）動(dòng)態(tài)地修改段寄存器的內(nèi)容如果程序的某一段（如數(shù)據(jù)段）在程序運(yùn)行過(guò)程中會(huì)超過(guò)64K空間，或者程序中可能訪問(wèn)除本身四個(gè)段以外的其他段區(qū)的信息，那么在程序中必須動(dòng)態(tài)地修改段寄存器的內(nèi)容。36qingyang@2023/2/62023/2/6qingyang@37堆棧堆棧定義：堆棧是存儲(chǔ)器中的一個(gè)特定的存儲(chǔ)區(qū)，它的一端(棧底)是固定的，另一端(棧頂)是浮動(dòng)的，信息的