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1、第二章8086系统结构Inter8086CPU是16位微处理器，它有16根数据线和20根地址线，直接寻址空间为220，即1MB。8088CPU内部结构与8086基本相同但对外数据总线只有8条，称为准16位微处理器。2.18086CPU结构微型计算机工作时，总是先从存储器中取指令，需要的话再取操作数，然后执行指令，送结果。通常8位机是串行执行的，而16位机可并行操作。8086CPU由总线接口部件BIU和指令执行部件EU组成BIU和EU的操作是并行的。总线接口部件BIU完成取指令，读操作数，送结果，所有与外部的操作由其完成。而指令执行部件EU从BIU的指令队列中取出指令，并且执行指令，不必访问存储
2、器或IO端口。若需要访问存储器或IO端口，也是由EU向BIU发出访问所需要的地址，在BIU中形成物理地址，然后访问存储器或IO端口，取得操作数送到EU，或送结果到指定的内存单元或IO端口。这种并行工作方式，大大提高了系统工作效率。图2-1给出了8086CPU的内部结构框图。一、8086CPU的内部结构1.总线接口部件BIU总线接口部件BIU是8086CPU与外部(存储器和IO端口)的接口，它提供了16位双向数据总线和20位地址总线，完成所有外部总线操作。BIU具有下列功能：地址形成、取指令、指令排队，读写操作数和总线控制。它由下列各部分组成：（1）16位段地址寄存器：CS代码段寄存器DS数据段
3、寄存器ES附加段寄存器SS堆栈段寄存器（2）16位指令指针寄存器IP：存放下一条要执行指令的偏移地址。（3）20位物理地址加法器：将16位逻辑地址变换成存储器读写所需要的20位物理地址，实际上完成地址加法操作。（4）6字节指令队列：预放6字节的指令代码。（5）总线控制逻辑：发出总线控制信号。2.指令执行部件EU指令执行部件EU完成指令译码和执行指令的工作。它由以下几个部分组成：(1)算术逻辑运算单元ALU：完成8位或16位的二进制运算，16位暂存器可暂存参加运算的操作数。(2)标志寄存器PSW：存放ALU运算结果特征。(3)寄存器组：4个通用16位寄存器AX、BX、CX、DX，其中AX又称累加
4、器。4个专用16位寄存器：源变址寄存器SI、目的变址寄存器DI、堆栈指针寄存器SP、基址指针寄存器BP。(4)EU控制器：取指令控制和时序控制部件。二、寄存器结构寄存器结构用来存放运算过程中所需要的操作数地址、操作数及中间结果。8086微处理器内部包含有4组16位寄存器，它们分别是通用寄存器组，指针和变址寄存器，段寄存器，指令指针及标志位寄存器。如图22所示。1.通用寄存器组80868088CPU在指令执行部件EU中有4个16位通用寄存器，它们是AX、BX、CX和DX用以存放16位数据或地址。也可分为8个8位寄存器来使用，低8位是AL、BL、CL和DL，高8位为AH、BH、CH和DH，只能存放
5、8位数据，不能存放地址。通用寄存器通用性强，对任何指令它们具有相同的功能。为了缩短指令代码的长度，在8086中，某些通用寄存器用作专门用途。例如，串指令中必须用CX寄存器作为计数寄存器，存放串的长度，这样在串操作指令中不必给定CX的寄存器号，缩短了串操作指令代码的长度，这种寻址方式也称为“隐含寻址”。同样，AX、BX、DX寄存器又可分别称为累加器、基址寄存器及数据寄存器。2.指针和变址寄存器80868088CPU中，有一组4个16位寄存器，它们是基址指针寄存器BP，堆栈指针寄存器SP，源变址寄存器SI，目的变址寄存器DI。这组寄存器存放的内容是某一段内地址偏移量，用来形成操作数地址，主要在堆栈
6、操作和变址运算中使用。BP和SP寄存器称为指针寄存器，与SS联用，为访问现行堆栈段提供方便。通常BP寄存器在间接寻址中使用，操作数在堆栈段中，由SS段寄存器与BP组合形成操作数地址。即BP中存放现行堆栈段中一个数据区的“基址”的偏移量，所以称BP寄存器为基址指针。SP寄存器在堆栈操作中使用，PUSH和POP指令是从SP寄存器得到现行堆栈段的段内地址偏移量，所以称SP寄存器为堆栈指针，SP始终指向栈顶。寄存器SI和DI称为变址寄存器，通常与DS一起使用，为访问现行数据段提供段内地址偏移量。在串指令中，其中源操作数的偏移量存放在SI中，目的操作敷的偏移量存放在DI中，SI与DI的作用不能互换，否则
7、传送地址相反。在串指令中，SI、DI均为隐含寻址，此时，SI和DS联用，DI和ES联用。3.段寄存器80868088CPU可直接寻址1MB的存储器空间，直接寻址需要20位地址码，而所有内部寄存器都是16位的，只能直接寻址64KB，因此采用分段技术来解决。将1MB的存储空间分成若干逻辑段，每段最长64KB，这些逻辑段在整个存储空间中可浮动。80868088CPU内部设置了4个16位段寄存器，它们分别是代码段寄存器CS、数据段寄存器DS、堆栈段寄存器SS、附加段寄存器ES，由它们给出相应逻辑段的首地址，称为“段基址”。段基址与段内偏移地址组合形成20位物理地址，段内偏移地址可以存放在寄存器中，也可
8、以存放在存储器中。代码段内存放可执行的指令代码，数据段和附加段内存放操作的数据，通常操作数在现行数据段中，而在串指令中，目的操作数指明必须在现行附加段中。堆栈段开辟为程序执行中所要用的堆栈区，采用先进后出的方式访问它。各个段寄存器指明了一个规定的现行段，各段寄存器不可互换使用。程序较小时，代码段、数据段、堆栈段可放在一个段内，即包含在64KB之内，而当程序或数据量较大时，超过了64KB，那么可以定义多个代码段或数据段、堆栈段、附加段。现行段由段寄存器指明段地址，使用中可以修改段寄存器内容，指向其它段。有时为了明确起见，可在指令前加上段超越的前缀字节，以指定操作数所在段。4.指令指针寄存器808
9、68088CPU中设置了一个16位指令指针寄存器IP，用来存放将要执行的下一条指令在现行代码段中的偏移地址。程序运行中，它由BIU自动将其修改，使IP始终指向下一条将要执行的指令的地址，因此它是用来控制指令序列的执行流程的，是一个重要的寄存器。8086程序不能直接访问IP，但可以通过某些指令修改IP的内容。例如，当遇到中断指令或调用于程序指令时，8086自动调整IP的内容，将IP中下一条将要执行的指令地址偏移量人栈保护，待中断程序执行完毕或子程序返回时，可将保护的内容从堆栈中弹出到IP，使主程序继续运行。在跳转指令时，则将新的跳转目标地址送入IP，改变它的内容，实现了程序的转移。5.标志寄存器
10、PSW16位标志寄存器PSW用来存放运算结果的特征，常用作后续条件转移指令的转移控制条件。其中7位没有用，9个标志位分成两类：一类为状态标志，表示运算后结果的状态特征，它影响后面的操作。状态标志有6个：CF、PF，AF、ZF、CF和OF。另一类为控制标志，用来控制CPU操作，控制标志有3个：TF、IF和DF。PSW寄存器的具体格式如下图所示：2.28086CPU的引脚及其功能80868088CPU根据它的基本性能，应包括20条地址线16条数据线，加上控制信号，电源和地线，芯片的引脚比较多。但由于制造工艺的限制，80868088CPU芯片采用40条引脚的双列直插式封装，因此部分引脚采用了分时复用
11、的方式。另外80868088CPU可以工作在两种工作模式(最小模式和最大模式)，最小模式用于单机系统。系统中所需要的控制信号全部由8086直接提供。最大模式用于多处理机系统，系统中所需要的控制信号由总线控制器8288提供。这样，24脚31脚的8条引脚在两种工作模式中具有不同的功能，下面简要地介绍80868088CPU各引脚的功能。一、80868088CPU在最小模式中引脚定义二、80868088CPU在最大模式中引脚定义三、8088与8086CPU的不同之处8088CPU的内部结构及外部引脚功能与8086CPU大部分相同。主要不同之处如下：1.8088的指令队列长度是4个字节，指令队列中只要出
12、现一个空闲字节时，BIU就会自动访问存储器，取指令来补充指令队列。(8086要在指令队列中至少出现2个空闲字节时，才预取后续指令)。2.8088CPU中，BIU的总线控制电路与外部交换数据的总线宽度是8位，总线控制电路与专用寄存器组之间的数据总线宽度也是8位，而EU的内部总线是16位，这样，对16位数的存储器读写操作要两个读写周期才可以完成。3.8088外部数据总线只有8条，所以分时复用的地址数据总线为AD7AD0；而AD15AD8成为仅传递地址信息的A15A8。4.8088中，用信号代替信号，低电平时选通存储器，高电平时选通IO接口。5.8088中，只能进行8位数据传输，信号不需要了，改为，
13、与一起决定最小模式中的总线周期操作。下表指出了具体的组合关系。2.38086存储器组织一、存储器地址的分段1.存储器地址的分段在存储器中是以字节为单位存储信息的，每个存储单元有唯一的地址来确定。80868088系统有20根地址线可寻址1MB字节的存储空间，即对存储器寻址要20位物理地址，而8086为16位机，CPU内部寄存器只有16位，可寻址64KB。因此8086系统把整个存储空间分成许多逻辑段，每段容量不超过64KB。8086系统对存储器的分段采用灵活的方法，允许各个逻辑段在整个存储空间中浮动，这样在程序设计时可使程序保持相对的完整性。段和段之间可以是连续的(整个存储空间分成16个逻辑段)，
14、也可以是分开的或重叠的。如图27所示：任何一个存储单元的实际地址，都是由段地址及段内偏移地址两部分组成，从图27可以看出，任何一个存储单元，可以在一个段中定义，也可定义在两个重叠的逻辑段中，关键看段的首地址如何指定。IBMPC机对段的首地址有限制规定必须从每小段的首地址开始，每16字节为一小段，所以段起始地址必须能被16整除才行。2.物理地址形成8086系统将段地址放在段寄存器中，称为“段基址”。有4个段寄存器，分别为代码段寄存器CS，数据段寄存器DS，附加段寄存器ES和堆栈段寄存器SS。段内“偏移地址”指出了从段地址开始的相对偏移位置。它可以放在指令指针寄存器IP中，或16位通用寄存器中。逻
15、辑地址：存储器的任一个逻辑地址由段基址和偏移地址组成，都是无符号的16位二进制数，程序设计时采用逻辑地址。物理地址：存储器的绝对地址，从00000FFFFFH，是CPU访问存储器的实际寻址地址，它由逻辑地址变换而来。物理地址计算如下所示：物理地址段基址16偏移地址因为段基址指每段的起始地址，它必须是每小段的首地址，其低4位一定为0，所以在实际工作时，是从段寄存器中取出段基址，将其左移4位，再与16位偏移地址相加，就得到了物理地址，此地址在CPU的总线接口部件BIU的地址加法器中形成。3.逻辑地址来源逻辑地址来源如下表所示：二、8086存储器的分体结构8086系统统中，1MB的存储储空间间分成两
16、个存储储体：偶地址存储储体和奇地址存储储体，各为为512KB示意图图如图图2-10所示：存储器中存放的信息称为存储单元的内容，例如存储单元00100H中的内容为34H，表示为(00100H)34H。一个字在存储器中按相邻两个字节存放，存入时以低位字节在低地址，高位字节在高地址的次序存放，字单元的地址以低位地址表示。例：(00100H)1234H，(00103H)0152H在内存中放的位置如右图示。从中可以看出，一个字可以从偶地址开始存放，也可以从奇地址开始存放，但8086CPU访问存储器时，都是以字为单位进行的，并从偶地址开始。若读写一个字节，只启动某个存储体，只有相应的8位数据在数据总线上有效，即启动偶地址存储体，低8位数据线有效，或启动奇地址存储体高8位数据线有效，另外8位数据被忽略了。当CPU读写一个字时，若字单元地址从偶地址开始，只需访问一次存储器，低位字节在偶地址单元，高位字节在奇地址单元。若字单元地址从奇地址开始，CPU要两次访问存储器，第一次取奇地址上数据(偶地址8位数据被忽略)，第二次取偶地址上数据(奇地址8位数据被忽略)。因此为了
