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1、第2章 微处理器结构,2.1 8086微处理器 2.1.1 8086的编程结构 2.1.2 8086的存储器组织*2.2 高性能微处理器结构 2.2.1 80386微处理器 2.2.2 Pentium微处理器 2.2.3 多核处理器简介,2.1 8086微处理器,1978年，Intel公司推出首枚16位微处理器8086，同时生产出与之配套的数学协处理器8087，这两种芯片使用相同的指令集，以后Intel公司生产的处理器，均与其兼容。 为了方便与当时的8位外部设备连接，Intel公司在同一年推出准16位微处理器8088。 8086有16根数据线和20根地址线。由于可用20位地址，所以可寻址的地址
2、空间达220即1M字节单元。 8088的内部寄存器、内部运算部件以及内部操作都是按16位设计的，但对外的数据总线只有8根。,2.1.1 8086的编程结构,编程结构，就是指从程序员和使用者的角度看到的逻辑结构。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，8086 CPU由执行部件EU和总线接口部件BIU两部分组成。,8086CPU的内部结构,1总线接口部件（BIU） 总线接口部件负责CPU与存储器、输入/输出设备之间的数据传送，包括取指令、存储器读写和I/O读写等操作。 总线接口部件要从内存取指令送到指令队列；CPU执行指令时，总线接口部件要配合执行部件从指定的内存单元或外
3、设端口中取数据，将数据传送给执行部件，或者把执行部件的操作结果传送到指定的内存单元或外设端口中。 总线接口部件由段寄存器（CS、DS、SS、ES）、指令指针寄存器（IP）、地址加法器、内部暂存器、指令队列缓冲器及I/O控制逻辑等部分组成。, 段寄存器 8086 CPU采用段地址、段内偏移地址两级存储器寻址方式，段地址和段内偏移地址均为16位。8086内部设置了4个段寄存器，用于存放段的高16位地址，称为段的逻辑地址，4个段寄存器分别是： CS：16位代码段寄存器（Code Segment Register） DS：16位数据段寄存器（Data Segment Register） SS：16位堆
4、栈段寄存器（Stack Segment Register） ES：16位附加段寄存器（Extra Segment Register）, 20位地址加法器 8086可用20位地址寻址1M字节的内存空间，但8086内部所有的寄存器都为16位。8086 CPU采用段地址、段内偏移地址两级存储器寻址方式，由一个20位地址加法器根据16位段地址和16位段内偏移地址计算出20位的物理地址PA（Physical Address）。 其计算方法是：将CPU中的16位段寄存器内容左移4位（16）与16位的逻辑地址（又称偏移地址）在地址加法器内相加，得到所寻址单元的20位物理地址。 根据寻址方式的不同，偏移地址可
5、以来自指令指针寄存器（IP）或其它寄存器。 假设CS8311H，IP1234H，则该指令单元的20位物理地址为：PA = 8311H10H + 1234H = 83110H + 1234H = 84344H。, 16位指令指针寄存器IP（Instruction Pointer） IP总是保存着EU要执行的下一条指令的偏移地址。程序不能直接对指令指针寄存器进行存取，但能在程序运行中自动修正，使之指向要执行的下条指令，有些指令（如转移、调用、中断、返回）能使IP的值改变，或使IP的值存进堆栈，或由堆栈恢复原有的值。 指令队列缓冲器 8086有6字节指令队列缓冲器，在执行指令的同时，可以从内存中取出
6、下一条或下几条指令放到缓冲器中，一条指令执行完后，可立即执行下一条指令，从而解决了以往CPU取指令期间，运算器的等待问题。, 输入/输出控制电路（总线控制逻辑） 输入/输出控制电路控制CPU与外部电路的数据交换。8086有20条地址线，16条数据线，由输入/输出控制电路控制分时复用CPU芯片的16条引脚。 内部暂存器 用于内部数据的暂存，该部分对用户透明，在编程时可不予理会，用户无权访问。,8086的总线接口部件和执行部件并不是同步工作的，它们是按以下流水线技术原则管理： (1) 每当8086的指令队列中有两个空字节时，总线接口部件就会自动把指令取到指令队列中。 (2) 每当执行部件准备执行一
7、条指令时，它会从总线接口部件的指令队列前部取出指令的代码，然后再用几个时钟周期去执行指令。在指令执行过程中，如须访问存储器或输入/输出设备，执行部件会请求总线接口部件，进入总线周期，完成内存或输入/输出端口的读写操作；如果总线接口部件此时处于空闲状态，它会立即响应执行部件的总线请求。如果此时总线接口部件正在将某个指令字节取到指令队列中，它将首先完成这个取指令的总线周期，然后再去响应执行部件发出的访问总线请求。,(3) 当指令队列已满，而且执行部件又没有总线访问时，总线接口部件便进入空闲状态。 (4) 在执行转移指令、调用指令和返回指令时，下面将要执行的指令就不是在程序中紧接着的那条指令了，而总
8、线接口部件向指令队列装入指令时，总是按顺序进行的，这样，指令队列中已经装入的字节就没有用了。遇到这种情况，指令队列中的原有内容被自动消除，总线接口部件会接着向指令队列中装入另一个程序段中的指令。,2执行部件（EU） 执行部件的功能就是负责指令的执行。 从编程结构图可见到，8086CPU内部共有14个寄存器，其中执行部件含有9个寄存器，总线接口部件含有5个寄存器。这些寄存器在指令中的隐含使用见表2.1。,表2.1 寄存器在指令中的隐含使用表（EU）,表2.1 寄存器在指令中的隐含使用表(BIU), 4个通用寄存器AX、BX、CX、DX EU中有4个16位的寄存器AX、BX、CX和DX，一般用来存
9、放16位数据，故称为数据寄存器。每个数据寄存器又可分为两个8位的寄存器，即AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH、DL，用以存放8位数据，它们均可独立使用。数据寄存器主要用来存放操作数或中间结果，以减少访问存储器的次数。 多数情况下，这些数据寄存器用于算术运算或逻辑运算指令，进行算术逻辑运算。在有些指令中，它们则有特定的用途：AX作累加器用；BX作基址（Base）寄存器，如在查表指令XLAT中存放表的起始地址；CX作计数（Count）寄存器，如在数据串操作指令的REP中用CX存放数据单元的个数作为循环操作的次数；DX作数据（Data）寄存器，如在字的除法运算指令DIV中，存放余数。, 4个专
10、用寄存器SP、BP、SI、DI 指针寄存器SP和BP用来存取位于当前堆栈段中的数据，但SP和BP在使用上有区别。入栈（PUSH）和出栈（POP）指令是由SP给出栈顶的偏移地址，故称为堆栈指针寄存器。BP则用来存放位于堆栈段中某个数据区基址的偏移地址，故称作基址指针寄存器。 变址寄存器SI和DI用来存放当前数据段的偏移地址。在字符串操作中，源操作数地址的偏置放于SI中，所以SI称为源变址寄存器；目的操作数地址的偏置放于DI中，所以DI称为目的变址寄存器。, 状态标志寄存器F 8086 CPU的状态标志寄存器是一个十六位的寄存器，其中9个位用作标志位：6个状态标志位，3个控制标志位。状态标志寄存器
11、如图所示。 状态标志中用6位来反映EU执行算术或逻辑运算以后的结果特征。这6位都是逻辑值，判断结果为逻辑真（true）时，其值为1；判断结果为逻辑假（false）时，其值为0。,状态标志： 控制标志：,OF 溢出标志 DF 方向标志 SF 符号标志 IF 中断标志ZF 零标志 TF 跟踪标志CF 进位标志AF 辅助进位标志PF 奇偶标志,CF(Carry Flag)：进位标志位,F(Carry Flag)：进位标志位 CFl，表示本次运算中最高位MSB有进位(加法运算时)或有借位(减法运算时)。CF标志可通过STC指令置位，通过CLC指令复位(清除进位标志)，还可通过CMC指令将当前CF标志取
12、反。,PF（Parity）奇偶标志:运算结果的低8位中所含1的个数为偶数时PF=1举例：2345H+3219H=555EH(0101 0101 0101 1110),AF(Auxiliary Carry Flag)：辅助进位标志位 AFl，表示运算结果的8位数据中，低4位向高4位有进位(加法运算时)或有借位(减法运算时)，这个标志位只在十进制运算中有用。ZF(Zero Flag)：零标志位 ZF1，表示本次运算结果为零，否则即运算结果非零时，ZF0。,SF(Sign Flag)：符号标志 SF1，表示本次运算结果的最高位(第7位或第15位)为“l”，否则SF0。标志,OF（Over flow
13、Flag）溢出标志：当运算过程中产生溢出时，会使OF为1。所谓溢出，就是当字节运算的结果超出了范围128127，或者当字运算的结果超出了范围3276832767时称为溢出。计算机在进行加法运算时，每当判断出低位向最高有效位产生进位，而最高有效位往前没有进位时，便得知产生了溢出，即OF置1；或者反过来，每当判断出低位向最高位无进位，而最高位往前却有进位时，便得知产生了溢出，即OF置1。在减法运算时，每当判断出最高位需要借位，而低位并不向最高位产生借位时，OF置1；或者反过来，每当判断出低位从最高位有借位，而最高位并不需要从更高位借位时，OF置1。,例如，执行两个数的加法： 0010 0011 0
14、100 0101+ 0011 0010 0001 1001 0101 0101 0101 1110 由于运算结果的最高 位为0，所以，SF=；而运算结果本身不为0，所以，ZF=0；低8位所含的1的个数为5个，即有奇数个1，所以，PF=0；由于最高位没有产生进位，所以，CF=0；又由于第3位没有往第4位产生进位，所以，AF=0；由于低位没有往最高位产生进位，最高位往前也没有进位，所以，OF=0。又比如，执行下面两个数的加法： 0101 0100 0011 1001+ 0100 0101 0110 1010 1001 1001 1010 0011 显然，由于运算结果的最高位为1，所以，SF=1；由
15、于运算结果本身不为0，所以ZF=0；由于低8位所含的1的个数为4个，即含有偶数个1，所以，PF=1；由于最高位没有往前产生进位，所以，CF=0；运算过程中，第3位往第4位产生了进位，所以，AF=1；由于低位往最高位产生了进位，而最高位没有往前产生进位，所以OF=1。,控制标志DF（方向）：控制串操作指令用的控制标志，DF=0，增值；DF=1，减值可通过STD指令置位，也可通过CLD指令复位。IF（中断允许）：控制可屏蔽中断的标志。IF =1，CPU可响应可屏蔽中断；通过STI指令置位，CLI指令复位TF（跟踪，又称为单步）：TF=1，则CPU按跟踪方式执行指令。,控制标志位有3个，即DF、IF、TF。 DF（Direction Flag）方向标志：控制串操作指令用的标志。如果DF为0，则串操作过程中地址会不断增值；反之，如果DF为1，则串操作过程中地址会不断减值。 IF（Interrupt Enable Flag）中断允许标志：控制可屏蔽中断的标志。如果IF为0，则关闭可屏蔽中断，此时CPU不响应可屏蔽中断请求；如果IF为1，则打开可屏蔽中断，此时CPU可以响应可屏蔽中断请求。 TF（Trap Flag）跟踪标志：如果TF为1，则CPU按跟踪方式执行指令。 这些控制标志一旦设置之后，将控制后面的操作。,
