微機原理第三章

微機原理第三章第1頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六

微處理器是組成微型計算機系統(tǒng)的核心部件，Intel8086微處理器的基本結(jié)構(gòu)和原理體現(xiàn)了一般微處理器的特點，故作為代表來進行講述。前言第2頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六算術(shù)邏輯運算單元ALU－運算器的核心，幾乎所有的算術(shù)、邏輯運算和移位操作都由它來完成工作寄存器－暫存用于尋址和計算過程的信息微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般結(jié)構(gòu)第3頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六控制器－它是CPU的指揮機構(gòu)，完成指令的讀入、寄存、譯碼和執(zhí)行I/O控制邏輯－包括CPU中與輸入/輸出操作有關(guān)的邏輯，其作用是處理輸入/輸出操作微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般結(jié)構(gòu)第4頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六算術(shù)邏輯運算單元ALU－運算器的核心，幾乎所有的算術(shù)、邏輯運算和移位操作都由它來完成工作寄存器－暫存用于尋址和計算過程的信息微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般結(jié)構(gòu)第5頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六典型CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖程序計數(shù)器(PC)指令寄存器(IR)指令譯碼器(ID)控制邏輯部件堆棧指示器(SP)處理機狀態(tài)字(PSW)I/O控制邏輯地址寄存器…數(shù)據(jù)寄存器…工作寄存器ALU第6頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六典型CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖程序計數(shù)器(PC)指令寄存器(IR)指令譯碼器(ID)控制邏輯部件堆棧指示器(SP)處理機狀態(tài)字(PSW)I/O控制邏輯地址寄存器…數(shù)據(jù)寄存器…工作寄存器ALU用于保存下一條要執(zhí)行的指令的地址第7頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六典型CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖程序計數(shù)器(PC)指令寄存器(IR)指令譯碼器(ID)控制邏輯部件堆棧指示器(SP)處理機狀態(tài)字(PSW)I/O控制邏輯地址寄存器…數(shù)據(jù)寄存器…工作寄存器ALU保存從存儲器中讀入的當(dāng)前要執(zhí)行的指令第8頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六典型CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖程序計數(shù)器(PC)指令寄存器(IR)指令譯碼器(ID)控制邏輯部件堆棧指示器(SP)處理機狀態(tài)字(PSW)I/O控制邏輯地址寄存器…數(shù)據(jù)寄存器…工作寄存器ALU對IR中保存的指令進行譯碼分析第9頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六典型CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖程序計數(shù)器(PC)指令寄存器(IR)指令譯碼器(ID)控制邏輯部件堆棧指示器(SP)處理機狀態(tài)字(PSW)I/O控制邏輯地址寄存器…數(shù)據(jù)寄存器…工作寄存器ALU用于存放棧頂指針第10頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六典型CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖程序計數(shù)器(PC)指令寄存器(IR)指令譯碼器(ID)控制邏輯部件堆棧指示器(SP)處理機狀態(tài)字(PSW)I/O控制邏輯地址寄存器…數(shù)據(jù)寄存器…工作寄存器ALU用于暫存處理器當(dāng)前的狀態(tài)第11頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六CPU的內(nèi)部采用單總線，即內(nèi)部所有單元電路都掛在內(nèi)部總線上，分時使用總線。該組總線作為信息在CPU內(nèi)部流通的唯一途徑。CPU總線結(jié)構(gòu)單總線結(jié)構(gòu)ALU工作寄存器組控制器I/O控制邏輯單總線結(jié)構(gòu)第12頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六

微處理器的外部就是數(shù)量有限的輸入輸出引腳，即微處理器級總線。微處理器通過微處理器級總線溝通與外部部件和設(shè)備之間的聯(lián)系。微處理器的外部結(jié)構(gòu)第13頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六和存儲器之間交換信息和I/O設(shè)備之間交換信息為了系統(tǒng)工作而接收和輸出必要的信號微處理器級總線的功能微處理器的外部結(jié)構(gòu)第14頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六數(shù)據(jù)總線(DataBus)－傳送信息(指令或數(shù)據(jù))地址總線(AddressBus)－指示欲傳信息的來源或目的地址控制總線(ControlBus)－管理總線上的活動微處理器級總線的分類微處理器的外部結(jié)構(gòu)第15頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六微處理器數(shù)據(jù)總線的條數(shù)決定CPU和存儲器或I/O設(shè)備一次能交換數(shù)據(jù)的位數(shù)，是區(qū)分微處理器是多少位的依據(jù)。如8086CPU是16位微處理器，Z80CPU是8位微處理器。數(shù)據(jù)總線微處理器的外部結(jié)構(gòu)第16頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六存儲器的基本存儲單元為字節(jié)，每個字節(jié)都有唯一的二進制地址碼相對應(yīng)。地址總線的條數(shù)即為二進制地址碼的位數(shù)，它可能表示的不同地址的集合稱為地址空間。地址碼的位數(shù)決定了地址空間的大小。比如8086CPU的地址碼共有20位，則地址空間的大小為220，即1MB個字節(jié)，地址空間為0~220-1。地址總線微處理器的外部結(jié)構(gòu)第17頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六I/O接口是保證數(shù)據(jù)、控制與狀態(tài)信息在CPU和I/O設(shè)備之間正常傳送的電路I/O接口和CPU之間的通信是利用稱為I/O端口的寄存器來完成的一個I/O接口可能包括若干個I/O端口每個I/O端口都有唯一的I/O地址相對應(yīng)I/O接口微處理器的外部結(jié)構(gòu)第18頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六存儲器和I/O端口的組織圖CPU地址存儲器中的字節(jié)0110…接口…I/O端口I/O設(shè)備高位決定模塊數(shù)據(jù)線控制線地址線第19頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六

Intel8086CPU屬于第三代微處理器，8086CPU有20條地址線，直接尋址能力達1MB。8086CPU具有16條數(shù)據(jù)總線，內(nèi)部總線和ALU均有16位，可進行8位和16位操作，是16位微處理器。8086CPU簡介微處理器的編程結(jié)構(gòu)第20頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六8086CPU采用全新結(jié)構(gòu)形式，由兩個獨立單元組成：總線接口單元BIU－BIU的任務(wù)是執(zhí)行總線周期，完成CPU與存儲器和I/O設(shè)備之間信息的傳送執(zhí)行單元EU－EU的任務(wù)是執(zhí)行指令，進行全部算術(shù)邏輯運算，完成偏移地址的計算，向BIU提供指令執(zhí)行結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)和偏移地址，并管理通用寄存器和標(biāo)志

寄存器。8086功能結(jié)構(gòu)微處理器的編程結(jié)構(gòu)第21頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六8086CPU程序執(zhí)行過程取指取指取指取指取數(shù)據(jù)取指等待執(zhí)行執(zhí)行執(zhí)行執(zhí)行BIUEUEU和BIU進行的操作是并行的，這樣大大提高了CPU的利用率，降低了CPU對存儲器速度的要求。第22頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六8086CPU內(nèi)部具有14個16位寄存器，用于提供運算、控制指令執(zhí)行和對指令及操作數(shù)尋址，包括三個部分：通用寄存器組段寄存器組控制寄存器組8086寄存器簡介8086CPU的寄存器結(jié)構(gòu)第23頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六8086CPU寄存器結(jié)構(gòu)AH累加器ALBHBLCHCLDLDHSPBPSIDICSDSSSESIPFLAGS基址寄存器計數(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)寄存器地址指針和變址寄存器通用寄存器控制寄存器段寄存器組15870第24頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六指令指針I(yè)P－相當(dāng)于程序計數(shù)器PC，保存下一條要執(zhí)行的指令地址標(biāo)志寄存器FLAG－即處理器狀態(tài)字PSW寄存器，一共含有9個標(biāo)志，包括狀態(tài)標(biāo)志和控制標(biāo)志控制寄存器組8086CPU的寄存器結(jié)構(gòu)第25頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六進位標(biāo)志位CF奇偶標(biāo)志位PF輔助標(biāo)志位AF零標(biāo)志位ZF符號標(biāo)志位SF溢出標(biāo)志位OF狀態(tài)標(biāo)志位8086CPU的寄存器結(jié)構(gòu)第26頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六方向標(biāo)志位DF中斷允許標(biāo)志位IF陷阱標(biāo)志位TF控制標(biāo)志位8086CPU的寄存器結(jié)構(gòu)第27頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六標(biāo)志寄存器1514131211109876543210OFDFIFTFSFZFAFPFCF0101010000111001+01000111011010101001101110100011110110第28頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六8086的存儲器是以字節(jié)為單位組織的。它們具有20條地址線，可尋址的存儲器地址空間為220B。每個字節(jié)對應(yīng)一個唯一的地址，地址范圍為0~220－1。存儲器地址空間8086的存儲器組織第29頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六

存儲器內(nèi)兩個連續(xù)的字節(jié)，定義為一個字。字的低字節(jié)存放在低地址中，高字節(jié)存放在高地址中。字的地址為低字節(jié)的地址。各位的編號從0開始。數(shù)據(jù)存儲格式8086的存儲器組織15141312111098765432107654321076543210地址=N+1地址=N(高字節(jié))(低字節(jié))字地址第30頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六8086允許字從任何地址開始字的地址為偶地址時，稱字的存儲是對準的；為奇地址時，則字的存儲是未對準的訪問對準的字，需要一個總線周期；訪問未對準的字，則需要兩個總線周期數(shù)據(jù)存儲格式8086的存儲器組織第31頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六8086把1MB的存儲器空間劃分為若干個邏輯段，每段最大為64KB各邏輯段的起始地址的最低4位必須為0段起始地址的高16位稱為該段的段地址段內(nèi)任一個存儲單元的地址，可用相對于段起始地址的偏移量來表示，該偏移量稱為段內(nèi)偏移地址，也稱為有效地址EA。存儲器分段8086的存儲器組織第32頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六分段與地址X段起始地址Si有效地址Ai段i……Address(X)=Si+Ai第33頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六物理地址－是存儲單元的實際地址編碼，由20位二進制地址碼組成，是訪問存儲單元的唯一依據(jù)邏輯地址－邏輯地址的格式為段地址：偏移地址物理地址公式－物理地址=段地址×10H＋偏移地址地址相關(guān)概念8086的存儲器組織第34頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六物理地址的形成16位物理地址例如：存儲單元的段地址為0100H，偏移地址為085AH，則物理地址=0100H×10H＋085AH=0185AH16位20位+4位段地址偏移地址第35頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六取指令碼，段地址默認來自CS段寄存器堆棧操作，段地址默認來自SS一般數(shù)據(jù)存取，段地址默認來自DS；BP用作基址寄存器時，段地址默認來自SS字符串操作源地址的段地址默認來自DS，目的地址的段地址默認來自ES信息存取與段寄存器8086的存儲器組織第36頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六機器語言指令包含操作碼和操作數(shù)兩部分。規(guī)定操作數(shù)的方法，即指令中用于說明操作數(shù)所在地址的方法稱為尋址方式。

8086尋址方式可分類兩類：數(shù)據(jù)尋址方式和轉(zhuǎn)移地址尋址方式。其中數(shù)據(jù)尋址方式最為常見和豐富。8086的尋址方式第37頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六當(dāng)數(shù)據(jù)直接放在指令本身中，這樣的數(shù)據(jù)稱為立即數(shù)，形成的尋址方式為立即尋址。立即尋址數(shù)據(jù)尋址方式數(shù)據(jù)指令例如：MOVAH,5指令中的5為立即數(shù)，它的尋址方式為立即尋址。第38頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六當(dāng)數(shù)據(jù)存放在寄存器中，形成的尋址方式為寄存器尋址。寄存器尋址數(shù)據(jù)尋址方式寄存器指令例如：MOVAH,AL指令中的AL為寄存器的名稱，它當(dāng)中存放的數(shù)據(jù)的尋址方式為寄存器尋址。數(shù)據(jù)寄存器第39頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六數(shù)據(jù)存放在存儲單元中，段內(nèi)EA存放在指令中，形成的尋址方式為直接尋址。直接尋址數(shù)據(jù)尋址方式EA指令例如：MOVAH,[1070H]指令中的1070H為存儲單元的有效地址，根據(jù)該地址可以找到數(shù)據(jù)，則AH的內(nèi)容為A5H，而非1070H。數(shù)據(jù)存儲器1070HA5H……第40頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六數(shù)據(jù)存放在存儲單元中，有效地址存放在寄存器中，形成的尋址方式為寄存器間接尋址。寄存器間接尋址數(shù)據(jù)尋址方式寄存器指令可存放存儲地址的寄存器稱為間址寄存器，它可以是BX、SI或DI。EA寄存器數(shù)據(jù)存儲器第41頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六例如：MOVAH,[BX]其中BX的內(nèi)容為1070H(存儲單元地址)，指令執(zhí)行后，AH的內(nèi)容為A5H，而非1070H。寄存器間接尋址數(shù)據(jù)尋址方式1070HA5H……第42頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六數(shù)據(jù)存放在存儲單元中，有效地址是8位或16位的位移量與一個寄存器的內(nèi)容之和，形成的尋址方式為寄存器間接尋址。寄存器相對尋址數(shù)據(jù)尋址方式寄存器指令指令中的寄存器可以是BX、BP、SI或DI。地址寄存器數(shù)據(jù)位移量存儲器EA+第43頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六例如：MOVAH,5[BX]其中BX的內(nèi)容為1070H(存儲單元地址)，經(jīng)過計算后，存儲單元的EA為1075H。指令執(zhí)行后，AH的內(nèi)容為37H，而非1075H。寄存器相對尋址數(shù)據(jù)尋址方式1075H37H……第44頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六數(shù)據(jù)存放在存儲單元中，有效地址是基址寄存器和變址寄存器內(nèi)容之和，形成的尋址方式為基址變址尋址?；纷冎穼ぶ窋?shù)據(jù)尋址方式基址寄存器指令指令中的基址寄存器可以是BX或BP，變址寄存器可以是SI或DI?；刂芳拇嫫鲾?shù)據(jù)變址寄存器存儲器EA+變址值寄存器第45頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六例如：MOVAH,[BX][SI]其中BX的內(nèi)容為1070H(存儲單元地址)，SI的內(nèi)容為05H，經(jīng)過計算后，存儲單元的EA為1075H。指令執(zhí)行后，AH的內(nèi)容為37H，而非1075H?；纷冎穼ぶ窋?shù)據(jù)尋址方式1075H37H……第46頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六數(shù)據(jù)存放在存儲單元中，有效地址是基址寄存器和變址寄存器內(nèi)容之和再加上一個8位或16位的位移量，形成的尋址方式為基址變址相對尋址?；纷冎非蚁鄬ぶ窋?shù)據(jù)尋址方式基址寄存器指令變址值寄存器數(shù)據(jù)變址寄存器存儲器EA+位移量基地址寄存器第47頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六例如：MOVAH,5[BX][SI]其中BX的內(nèi)容為1070H(存儲單元地址)，SI的內(nèi)容為05H，經(jīng)過計算后，存儲單元的EA為107AH。指令執(zhí)行后，AH的內(nèi)容為2BH，而非107AH。基址變址且相對尋址數(shù)據(jù)尋址方式107AH2BH……第48頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六有些指令碼中不包含指明操作數(shù)地址的部分，而其操作碼本身隱含地指明了操作數(shù)地址，這種尋址方式稱為隱含尋址。例如：MULBL在這條乘法指令中，只說明了一個操作數(shù)BL，而另一個操作數(shù)被默認為AL，這是乘法指令自身規(guī)定的功能。則AL中存放的數(shù)據(jù)的尋址方式就為隱含尋址。隱含尋址數(shù)據(jù)尋址方式第49頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六已知：DS的內(nèi)容是0300H，SS的內(nèi)容是0020H，BP的內(nèi)容是08H，有一個8位的位移量為A0H，現(xiàn)在BP作為基址寄存器，當(dāng)尋址方式為寄存器相對尋址時，被尋址數(shù)據(jù)的物理地址是多少？段地址=0020H，偏移地址=08H+A0H=A8H

物理地址=0020H×10H+A8H=002A8H練習(xí)1：數(shù)據(jù)尋址方式第50頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六段內(nèi)直接尋址－(IP)←指令碼中包含的偏移地址段內(nèi)間接尋址－(IP)←寄存器或存儲單元中包含的偏移地址地址的尋址方式第51頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六段間直接尋址－(IP)←指令碼中包含的偏移地址－(CS)←指令碼中包含的段地址段間間接尋址－(IP)←存儲單元前兩個字節(jié)中包含的偏移地址－(CS)←存儲單元前后個字節(jié)中包含的段地址地址的尋址方式第52頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六隨著微機應(yīng)用領(lǐng)域的擴大和技術(shù)的發(fā)展，8086微處理器已經(jīng)無法滿足用戶的要求。Intel公司從上個世紀80年代初開始相繼推出了80186、80286、80386、8486和Pentium系列高檔微處理器，不斷將PC推向新的高度。高檔微處理器簡介第53頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六該芯片比8006和8088都有了飛躍的發(fā)展，雖然它仍舊是16位結(jié)構(gòu)，但是在CPU的內(nèi)部含有13.4萬個晶體管，時鐘頻率由最初的6MHz逐步提高到20MHz。其內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)總線皆為16位，地址總線24位，可尋址16MB內(nèi)存。80286的推出是實模式和保護模式CPU的分水嶺。80286微處理器80X86系列高檔微處理器簡介第54頁，共61頁，2023年，2月20日，星期六80286和8086在目標(biāo)代碼一級完全保持了向上兼容性8086的EU在80286中分成了地址部件AU、指令部件IU和總線部件BU片內(nèi)具有存儲器管理部件MMU和保護機構(gòu)MMU首次實現(xiàn)虛擬存儲器管理功能80286的特點80X86系列高檔微處理器簡介