第2章80x86微处理器剖析

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1、第2章 80x86微处理器 教学内容 2.1 微处理器的发展 2.2 8086微处理器 2.2.1 8086CPU内部功能结构 2.2.2 8086CPU内部流水线管理工作原理 2.2.2 8086CPU的存储器组织 2.2.2 8086CPU总线周期的概念 2.2.2 8086CPU引脚信号及工作模式 2.2.2 8086CPU的操作时序 教学目标 1 了解80X86微处理器的发展历史。 2 理解8086微处理器内部结构、总线周期、操作时序。 3 掌握8086存储器组织、引脚及工作模式。 4 理解8086操作时序。,重点内容 1 8086微处理器内部结构。 2 8086内部流水线工作原理。

2、3 8086存储器组织。 4 8086总线周期概念。 5 8086引脚及工作模式。 6 8086操作时序。 难点内容 1 8086引脚及工作模式。 2 8086操作时序。 学时数 6学时,2.1 微处理器的发展 1、8086：16位处理器。具有16位寄存器和16位外部数据总线、20位地址总线可寻址1MB地址空间。 2、80286：16位处理器。引进了保护方式，24位地址总线，最大物理存储器空间可达16MB。支持虚拟存储器管理和各种保护机制。 3、80386：32位处理器。具有32位寄存器（低16位兼容8086和80286）。32位地址总线，最大物理存储器空间可达1GB。 4、80486：1）5

3、个流水线段；2）芯片上增加了8KB的一级缓存（Cache）；3）处理器上集成了x87（浮点数处理单元）；4）增加了专用的中断脚触发的系统管理模式、允许复杂的系统管理特性、允许处理器在减慢的时钟率下执行。,5、奔腾（Pentium）：1）能实现每个时钟周期执行两条指令；2）芯片上的一级Cache达16KB，8KB用于代码，8KB用于数据；3）使虚拟8086方式更有效；4）内部数据总线128位和256位，外部数据总线64位；5）增加了高级的可编程中断控制器，支持多奔腾处理器系统。 6、Pentium Pro ：1）允许每个时钟周期执行3条指令；2）芯片上有两个8KB的一级缓存，256KB的二级缓存

4、；3）地址总线扩展为36位，可寻址64GB地址空间。 7、奔腾：第一级数据和指令Cache每个扩展至16KB，支持二级Cache的容量为126 KB 、512 KB和1MB。空闭时支持多种低电源状态。,8、奔腾：SSE扩展把Intel MMX引进的SIMD执行模式扩展为新的128位寄存器和能在包装的单精度浮点数上执行SIMD操作。Pentium Xeon处理器采用Intel的0.18m处理技术的全速高级传送缓存（Advanced Transfer Cache）扩展了IA32处理器的性能。 9、Intel Pentium ：1）快速的指令执行引擎、Hyper流水线技术、高级的动态执行和创新的新C

5、ache子程序；2）128位SIMD整数算术操作、128位SIMD双精度浮点操作、Cache和存储管理操作、进一步增强和加速了视频、语音、加密、影像和照片处理；3）提供3.2GB/S的吞吐率、四倍100MHz可伸缩总线时钟，以达到400MHz有效速度、深度流水线。,2.2 8086微处理器 2.2.1 8086CPU内部功能结构 编程结构：就是指从程序员和使用者的角度应该看到的结构。这种结构与CPU内部的物理结构和实际布局是有区别的。 从功能上分：总线接口部件BIU（Bus Interface Unit）、执行部件EU（Execution Unit）。,1、总线接口部件BIU 总线接口部件的功

6、能：与CPU外部（存储器、IO端口）传送指令代码或数据。CPU执行指令的工作分为两个阶段：取指令和执行指令过程。 (1) BIU的组成 4个16位的段地址寄存器(CS、DS、ES、SS)、16位的指令指针寄存器 IP、20位的地址加法器、6字节的指令队列缓冲器、16位的内部暂存器和总线逻辑控制器 (2) BIU各部件的作用 1）段地址寄存器 CS：16位代码段寄存器，寄存程序代码段首地址的高16位。 DS：16位数据段寄存器，寄存数据段首地址的高16位。 ES：16位扩展段寄存器，寄存另一个数据段首地址的高16位。 SS：16位堆栈段寄存器，寄存堆栈区数据段首地址的高16位。 2）16位的指令

7、指针寄存器 IP：指出当前指令在程序代码段中的16位偏移量。,3）20位的地址加法器：用来产生20位物理地址。 段基址：段寄存器提供的16位信息,左移4位。 偏移地址：EU提供的16位信息或者IP提供的16位信息。 4）6字节的指令队列缓冲器：用来存放预取指令的指令队列。 5）16位的内部暂存器：暂存输入/输出信息的寄存器。 6）总线逻辑控制器：以逻辑控制方式实现总线上的信息传送，如信息分时传送等。 2、执行部件EU 执行部件的功能就是负责指令的执行。 (1) EU的组成： 执行部件由4个通用寄存器（AX、BX、CX、DX）、4个专用寄存器（BP、SP、SI、DI）、算术逻辑单元、EU控制器和

8、标志寄存器组成。,(2) EU各部件的作用 1）4个通用寄存器 AX：16位的累加器 BX：16位的基数寄存器 CX：16位的计数寄存器 DX：16位的数据寄存器 2）4个专用寄存器 BP：16位的基数指针寄存器 SP：16位的堆栈指针寄存器 堆栈：一组寄存器或一个存储区域，用来存放调用子程序或响应中断时的主程序断点地址，以及暂存其它寄存器的内容。 当信息存入堆栈或从堆栈中取出信息时，都必须严格按照“先进后出”的规则进行。 SI：16位的源变址寄存器 DI：16位的目的变址寄存,3）算术逻辑部件ALU： 功能有两个：一是进行算术逻辑运算，二是按指令的寻址方式计算出所寻址的16位偏移地址。 4）

9、EU控制器：是执行指令的控制电路，实现从队列中取指令、译码、产生控制信号等。 5）标志寄存器：16位状态标志寄存器（7位未用）存放操作后的状态特征和人为设置的控制标志。 所用的各位含义如下：,8086的标志分两类：状态标志，控制标志。 状态标志表示前面的操作执行后，算术逻辑部件处在怎样一种状态，这种状态会像某种先决条件一样影响后面的操作。 控制标志是人为设置的，指令系统中有专门的指令用于控制标志的设置和清除，每个控制标志都对某一种特定的功能起控制作用。 状态标志有6个，即SF、ZF、PF、CF、AF和OF。,符号标志SF（Sign Flag）： 如果上一次运算的结果为一负数（补码），则SF=1

10、，即SF与结果的最高位相同。 零标志ZF（Zero Flag）： 如果上一次运算的结果为全0，则ZF=1。 奇/偶标志PF（Parity Flag）： 如果上一次运算的结果低8位中1的个数为偶数，则PF=1，否则PF=0。 进位标志CF（Carry Flag）： 若上一次运算时最高位有进位（借位）产生，则CF=1，否则CF=0。 辅助进位标志AF（Auxiliary Carry Flag）： 若上一次运算时D3有进位（借位）产生，则CF=1，否则CF=0。 溢出标志OF（Overflow Flag）： 若上一次运算时有溢出，则OF=1，否则OF=0。即 。,例2.1 计算机在进行 2345H+

11、3219H 运算后，试求状态标志SF、ZF、PF、CF、AF、OF 的值。 0010 0011 0100 0101 十 0011 0010 0001 1001 0101 0101 0101 1110 SF=0，ZF=0，PF=0，CF=0，AF=0，OF=0。 例2.2 计算机在进行 5439H+456AH 运算后，试求状态标志SF、ZF、PF、CF、AF、OF 的值。 0101 0100 0011 1001 0100 0101 0110 1010 1001 1001 1010 0011 SF=1，ZF=0，PF=1，CF=0，AF=1，OF=1。,控制标志有3个，即DF、IF、TF。,方向标

12、志DF（Direction Flag）：这是控制串操作指令用的标志。 中断标志IF（Interrupt Enable Flag）：这是控制可屏蔽中断的标志。 跟踪标志TF（Trap Flag）：也称单步陷阱,2.2.2 8086CPU 内部流水线管理工作原理,1）开始执行程序，EU等待BIU提取指令，当BIU使队列不空时， EU和BIU就开始独立进行工作。 2）当BIU的指令队列中出现2个空字节时，BIU又会自动把后面 的指令从存储器取到指令队列中，直到指令队列满为止。 3）当EU在执行指令过程中必须访问存储器或IO,端口时，EU 会请求BIU去完成访问外部的操作。 4）当指令队列已满，而且

13、EU又无访问请求时，BIU便进入空闲状态。 5）当EU执行转移指令、调用指令和返回指令时，指令队列中的内容自动清除。 6）当遇到程序的执行需要转移，或者某条指令的执行过程中需要访问内存的次数过于频繁，使BIU没有空闲进行指令的提取时，EU处于等待状态，直到BIU取出指令为止。,2.2.3 8086CPU 的存储器组织 地址空间：1MB (20位) 逻辑段：最大64kB,CS,DS,ES,SS。浮动、连续、分开、重叠。 1、存储器分段和段寄存器,段首址：各逻辑段的第一个单元的地址。 段基址：段首址的高16位。段基址根据段的性质存放在相应的段寄存器DS、ES、SS或CS中。 偏移地址：段内存储单元

14、距离段首地址的偏移量。 段基址和偏移地址都是无符号的16位二进制数，这两部分构成了存储单元的逻辑地址。2000H:8000H=28000H。 采用分段结构的存储器中，任何一个20位物理地址都是由它的逻辑地址变换得到的： 物理地址 = 段基址16偏移地址,2、存储器组织 8086的1MB存储器，分成了两个 512KB存储区，分别叫奇地址区（奇区）和偶地址区（偶区）。 偶区存储器的数据总线连接到CPU的D0 D7，奇区存储器的数据总线连接到CPU的D8 D15。一个偶地址和它相邻的高一奇地址可以同时被选中。 字节分为奇字节和偶字节。字分为奇字、偶字。 对于奇字节、偶字节、奇字、偶字的读写操作，奇字

15、节、偶字节和偶字操作均可用一个总线周期完成，而奇字操作需二个总线周期，分别用奇字节和偶字节操作来完成。,2.2.4 8086CPU总线周期的概念 BIU通过系统总线完成对外界（存储器或I/O端口）的一次访问所需的时间称作一个总线周期。 在计算机中时间的最小单位是时钟周期（一个时钟脉冲的时间长度）。 在8086CPU中，一个最基本的总线周期由4个时钟周期组成。 4个时钟周期分别称为4个状态，即T1状态、T2状态、T3状态和T4状态。除了上述四个状态外，还有等待状态Tw和空闲状态TI。,总线周期各状态的作用：,2.2.5 8086CPU的引脚信号及工作模式 最小模式：在系统中只有一个8086处理器

16、。 最大模式：在系统中有两个或两个以上的处理器 1、8086CPU的引脚信号,（1）最小模式140脚的功能定义 1） 双向引脚信号 AD15AD0地址数据复用线（双向，三态）。第216引脚分别为AD14AD0，第39引脚为AD15。作为功能复用引脚。 2） 输入引脚信号 MN/ 。最小最大模式设定（输入，高、低电平均有效）。 MN 1，8086系统工作方式设置为最小模式。MN/ =0，8086设置为最大模式工作方式。 地线和电源线。8086的GND有两条（1，20脚），Vcc接入的电压为5V10。 CLK。系统时钟。通常与8284A（时钟发生器）的时钟输出端CLK相连接。占空比为1/3。为CPU和总线控制逻辑电路提供时序基准。, RESET。复位信号，高电平有效，宽度不小于4个时钟周期。复位使CPU结束当前操作，将微处理器内部寄存器阵列和指令队列清0，将CS置为FFFFH，当复位信号无效后，CPU从FFFF0H执行指令。 READY。“准备好”信号，高电平