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1、JUST,计算机硬件技术基础,凌青华 江苏科技大学 计算机科学与工程学院 电子信箱：lingee_ 联系电话：15805283908,第2章 微处理器系统结构与技术,CISC与RISC技术 8086/8088微处理器 8086/8088系统的工作模式 8086/8088存储器及I/O组织 80 x86微处理器 Pentium微处理器 Pentium系列微处理器及相关技术的发展 嵌入式计算机系统的应用与发展,JUST,2.1 CISC与RISC技术,1、CISC复杂指令集计算机（complex instruction set computer） 较早的微处理器设计流派，用最少的机器语言指令完成所
2、需的计算任务，Intel 80 x86系列微处理器中的8086/8088、80286等 2、RISC精简指令集计算机（reduced instruction set computer） 从80286到80386的设计过程中被提出，主张只选取使用频率高的少数指令。此后推出的80486、Pentium与Pentium pro（P6）等微处理器，加重了RISC化的趋势 Pentium、Pentium以后，虽然仍属于CISC的结构范围，但它们的内核已采用了RISC结构。,JUST,第2章 微处理器系统结构与技术,CISC与RISC技术 8086/8088微处理器 8086/8088系统的工作模式 80
3、86/8088存储器及I/O组织 80 x86微处理器 Pentium微处理器 Pentium系列微处理器及相关技术的发展 嵌入式计算机系统的应用与发展,JUST,内部暂存器,IP,ES,SS,DS,CS,输入/输出控制电路,外部总线,执行部分控制电路,1 2 3 4 5 6,ALU,标志寄存器,AH AL,BH BL,CH CL,DH DL,SP,BP,SI,DI,通用 寄存 器,地址加法器,指令队列缓冲器,执行部件 （EU),总线接口部件 （BIU),16位,20位,16位,8位,8086的功能结构,AX BX CX DX,2.2 8086/8088微处理器,1总线接口单元BIU BIU的
4、基本功能是负责CPU与存储器或I/O端口之间的数据传送。在CPU取指令时，它从内存中取出指令送到指令队列缓冲器；而在执行指令时，它要与指定的内存单元或者I/O端口交换数据。 2 执行单元EU EU的功能是负责从指令队列中取出指令，然后分析和执行指令。,JUST,BIU-指令队列缓冲器,操作将遵循下列原则： （1）取指令时，每当指令队列中存满1条指令后，EU就立即开始执行。 （2）指令队列中只要空出2个（对8086）或1个（对8088）指令字节时，BIU便自动执行取指操作，直到填满为止。 （3）EU在执行指令的过程中，若CPU需要访问存储器或I/O端口，则EU自动请求BIU去完成访问操作。此时若
5、BIU空闲，则会立即完成EU的请求；否则BIU首先将指令取至指令队列，再响应EU的请求。 （4）当EU执行完转移、调用和返回指令时，则要清除指令队列缓冲器，并要求BIU从新的地址重新开始取指令，新取的第1条指令将直接经指令队列送到EU去执行，随后取来的指令将填入指令队列缓冲器。,JUST,BIU-地址加法器和段寄存器,8086有20根地址线，但内部寄存器只有16位，不能直接提供对20位地址的寻址信息。 为了实现对20位地址的寻址，采用 “段加偏移”的重要技术，即将可移位的16位段寄存器与16位偏移地址相加的办法，从而巧妙地解决了这一矛盾。,JUST,堆栈段和附加段重叠,存储器单元地址的表示,（
6、1）偏移地址以16位二进制数表示某段内存储器 单元的地址。,（3）逻辑地址以段地址与偏移地址同时表示某存储器单元的地址。,（4）物理地址表示某存储器单元的实际接线地址。,（2）段地址以16位二进制数表示某个段的地址。,逻辑地址= 段地址：偏移地址,BIU-地址加法器和段寄存器,8086有20根地址线，但内部寄存器只有16位，不能直接提供对20位地址的寻址信息。 为了实现对20位地址的寻址，采用 “段加偏移”的重要技术，即将可移位的16位段寄存器与16位偏移地址相加的办法，从而巧妙地解决了这一矛盾。,JUST,【例2.1】假设CS4000H，IP0618H，则指令的物理地址PA4000H1606
7、18H40618H,总线接口单元BIU,16位指令指针（Instruction Pointer，IP） IP的功能与8位CPU中的程序计数器PC类似。 正常运行时，IP中含有BIU要取的下1条指令（字节）的偏移地址。IP在程序运行中能自动加1修正，使之指向要执行的下1条指令（字节）,JUST,执行单元EU,EU的功能是负责从指令队列中取出指令，然后分析和执行指令。EU由下列部分组成。 （1）16位算术逻辑单元。 （2）16位标志寄存器。 （3）数据暂存寄存器。 （4）通用寄存器组。 （5）EU控制电路。 EU中所有的寄存器和数据通道都是16位的宽度，可实现数据的快速传送。,JUST,2.2.2
8、 80868088的编程结构,80868088的内部寄存器编程结构如图所示,JUST,1通用寄存器,通用寄存器分为两组：数据寄存器、指针寄存器和变址寄存器。 每个数据寄存器分为高字节H和低字节L，它们均可作为8位数据寄存器独立寻址，独立使用。 在多数情况下，这些数据寄存器是用在算术运算或逻辑运算指令中，用来进行算术逻辑运算。 通用数据寄存器在指令中的特定功能被系统隐含使用（P.48 表2-1）,JUST,1通用寄存器,通用寄存器分为两组：数据寄存器、指针寄存器和变址寄存器。 指针寄存器SP和BP都用来指示存取位于当前堆栈段中的数据所在的地址 变址寄存器SI和DI存放当前数据段的偏移地址。源操作
9、数的偏移地址放于SI中，SI称为源变址寄存器；目的操作数偏移地址存放于DI中，故DI称为目的变址寄存器,JUST,段寄存器,段寄存器可以被指令直接访问 CS用来存放程序当前使用的代码段的段地址，CPU执行的指令将从代码段取得 SS用来存放堆栈段的段地址，堆栈操作的数据就在堆栈段中 DS用来存放数据段的段地址，一般说，程序所用的数据就存放在数据段中 ES用来存放附加段的段地址，也用来存放数据，但典型用法是存放处理后的数据,JUST,3控制寄存器,80868088的16位标志寄存器F只用了其中的9位作标志位，即6个状态标志位，3个控制标志位。 状态标志位用来反映算术或逻辑运算后结果的状态，记录CP
10、U的状态特征。 CF（Carry Flag）；PF（Parity Flag）；AF（Auxiliary Carry Flag）；ZF（Zero Flag）；SF（Sign Flag）；OF（Overflow Flag） 控制标志位用来控制CPU的操作，由程序设置或清除： DF（Direction Flag）；IF（Interrupt Enable Flag）；TF（Trap Flag）,标志寄存器,状态标志位用来反映算术或逻辑运算后结果的状态，以记录CPU的状态特征。,例：两个带符号数 64 h , 64 h 相加。 0 1 1 0 0 1 0 0 + 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1
11、0 0 1 0 0 0,O=1（运算结果超过127）； S=1 ； （符号标志） Z=0 ；（是否为0） A=0 ；（辅助进位标志） P=0 ；（奇偶标志） C=0 。（进位、借位标志）,3个控制标志位的状态及其说明,控制标志位用来控制CPU的操作，由程序设置或清除。,2.2.3 8086/8088总线周期的概念,总线周期是微处理器与存储器或I/O设备接口之间进行数据传送时，所需要的一个基准时间段。 一个最基本的总线周期由4个时钟周期组成，习惯上将4个时钟周期分别称为4个状态，即T1、T2、T3与T4这4个状态。,JUST,2.2.4 80868088的引脚信号和功能,8086和8088的40
12、条引线按功能可分为5类 地址数据总线 地址状态总线 控制总线 电源线和地线 其他控制线,2.2.4 80868088的引脚信号和功能,注意： 地址总线的低16位和数据总线分时复用 地址总线的高4位与状态总线分时复用,JUST,第2章 微处理器系统结构与技术,CISC与RISC技术 8086/8088微处理器 8086/8088系统的工作模式 8086/8088存储器及I/O组织 80 x86微处理器 Pentium微处理器 Pentium系列微处理器及相关技术的发展 嵌入式计算机系统的应用与发展,JUST,2.3 8086/8088系统的最小最大工作方式,最小方式:当MNMX接电源电压时，系统
13、就工作于最小模式，它适合于较小规模的应用,2.3.2 最大方式,当MNMX 线接地，则系统就工作于最大模式。,最小模式下的全部控制信号由CPU本身提供，最大模式下的全部控制信号由8288总线控制器提供。,第2章 微处理器系统结构与技术,CISC与RISC技术 8086/8088微处理器 8086/8088系统的工作模式 8086/8088存储器及I/O组织 80 x86微处理器 Pentium微处理器 Pentium系列微处理器及相关技术的发展 嵌入式计算机系统的应用与发展,JUST,2.4 80868088的存储器与I/O组织,2.4.1 存储器组织 80868088有20条地址线，可寻址1
14、MB的存储空间。 存放的信息：1字节(8位)、1个字和双字。 注意：低字节存放在低地址，且低字节的地址为该字的地址,2.4.2 存储器的分段,存储器的分段是一个重要的概念， 深入理解存储器的分段设计是掌握存储器管理技术的一个关键 实际存储器中段的位置如图所示：,2.4.3 实际地址和逻辑地址,实际地址(又称物理地址)是指CPU对存储器进行访问时实际寻址所使用的地址 20位二进制数或5位十六进制数表示,2.4.3 实际地址和逻辑地址,逻辑地址是由程序和指令表示的一种地址，包括两部分：段地址和偏移地址。 对80868088来说，段地址和偏移地址都用无符号的16位二进制数或4位十六进制数来表示的。,
15、2.4.4 堆栈,80868088系统中的堆栈是用段定义语句在存储器中定义的一个堆栈段。 堆栈由SS和SP来寻址。SS给定堆栈段的段地址；SP给定当前栈顶，即指出从堆栈的段基址到栈顶的偏移量。,JUST,8086使用段寄存器SS和指针寄存器SP管理堆栈 SS决定了堆栈区的首地址，SP的初始值决定了堆栈区的末地址，堆栈区的最大长度随之而定 数据入栈时，SP做减量调整，SP指示的单元称为“栈顶”，即栈顶向下延伸；SP永远指向刚刚入栈的数据 数据出栈时，SP做增量调整，即栈顶向上延伸SP永远指向将要出栈的数据。,入栈的数据全部出完，SP恢复初始值。,2.4.6 I/O组织,8086/8088CPU用
16、地址线的低16位来寻址I/O端口地址，因此可访问的I/O端口有216=65536个 由于用16位地址线对I/O端口寻址，所以，无需对I/O端口的64KB寻址空间进行分段。,第2章 微处理器系统结构与技术,CISC与RISC技术 8086/8088微处理器 8086/8088系统的工作模式 8086/8088存储器及I/O组织 80 x86微处理器 Pentium微处理器 Pentium系列微处理器及相关技术的发展 嵌入式计算机系统的应用与发展,JUST,2.8嵌入式计算机系统的应用与发展,2.8.1 嵌入式计算机系统概述 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。 一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用 户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它
