微处理器内部结构

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1、在学习阶段，你不可以只生活 在一个人的世界中，而应当尽 量学会与各阶层的人交往和沟 通，主动表达自己对各种事物 的看法和意见，甚至在公众集 会时发表演讲，锻炼自己的表 达能力李开复8086/8088微处理器内部结构教学重点n微处理器基本结构n8088/8086的内部功能结构；n8088/8086中的寄存器1 8086CPU内部结构1.算术逻辑单元 （运算器）2.寄存器组3.指令处理单元（ 控制器）8088的内部结构1 2 3 4 内部暂存器IPESSSDSCS输入/输出 控制电路外部总线执行部分 控制电路ALU标志寄存器AH AL BH BL CH CLDH DLSPBPSIDI通用 寄存器地

2、址 加法 器指令队列执行部件 （EU)总线接口部件 （BIU)16位20位8位8位返回1 8086CPU内部结构n8086的内部结构从功能分成两个单元p总线接口单元BIU管理8086与系统总线的接口，负 责CPU对存储器和外设进行访问p执行单元EU负责指令的译码、执行和数据的运算两个单元相互独立，分别完成各自操作两个单元可以并行执行，实现指令取指和执行的 流水线操作1.1 BIU （Bus Interface Unit）n功能p完成所有外部总线的操作，提供总线控制信号 。p具体地说，完成：取指、指令排队、读写操作 数、地址转换（将两个16位地址相加 20位 物理地址），总线控制。pBIU使用指

3、令队列实现流水线操作：当指令队 列中有2个或2个(8088为1个）以上的字节空间 ，且EU未申请读写存储器，则BIU顺序预取后 续指令代码 Queue。1.1 BIU （Bus Interface Unit） n组成代码段Reg：CS 堆栈段Reg：SS 数据段Reg：DS 附加段Reg：ES 指令指针寄存器IP（下一条要取的指令在当前 代码段内的偏移量）4个段寄存器 指令队列Queue 20位地址加法器 总线控制逻辑 内部通信寄存器 1.2 EU(Execution Unit）n功能p负责全部指令的执行；p向BIU输出（地址及结果）数据；p对Reg及PSW进行管理。1.2 EU(Execut

4、ion Unit） 数据寄存器：AX，BX，CX，DX (16位)8个通用寄存器变址寄存器：SI，DI 算术逻辑运算部件ALU16 位加法器，用于对对寄存器和指令操作数进进行算术术或逻辑逻辑 运算. 标志寄存器PSW 9个标标志位，其中6个条件标标志位用于存放结结果状态态. 运算寄存器 EU控制系统组成 AH,AL,BH,BL,CH,CL,DH,DL（8位） 指针： SP，BP接收从BIU的指令队队列中取来的指令代码码， 译码译码 并向 EU 内各有关部分发发出时时序命令信号 ， 协调执协调执 行指令规规定的操作。1.2 EU(Execution Unit）nEU的工作过程p从BIU指令队列中

5、取指译码电路分析相应 控制命令 控制数据经过“ALU数据总线”的 流向：p(1)若是运算操作：操作数 暂存器 ALU；p 运算结果 经“ALU总线”相应Reg、并置 PSW 。p(2)若从外设取数：EU BIU访问MEM 或 I/O 内部通信寄存器 向“ALU数据总线 ”传送数据。“流水线”结构n总线接口部件BIU和执行部件EU并不是同步 工作的， 两者的动作管理遵循如下原则：p每当8086的指令队列中有2个空字节，BIU就会 自动把指令取到指令队列中。 p而同时EU从指令队列取出一条指令，并用几个 时钟周期去分析、执行指令。 p当指令队列已满，而且EU对BIU又无总线访问 请求时，BIU便进

6、入空闲状态。 p在执行转移、调用和返回指令时，指令队列中 的原有内容被自动清除。“流水线”结构n在8086/8088中，EU和BIU这种并行的工作 方式不仅有力地提高了工作效率，而且这 也是它们的一大特点。EU和BIU之间是通 过指令队列相互联系的。指令队列可以被 看成一个RAM区，EU对其执行读操作， BIU对其执行写操作。2 8086/8088 CPU 主要性能n字长：16位 / 准16位。n时钟频率：8086/8088标准主频为5MHz,8086/8088-2主频为8MHz。n数据、地址总线复用。n最大内存容量：1MB。n基本寻址方式：8种。n指令系统：99条基本汇编指令。n 可以对位、

7、字节、字、字节串、字串、压缩和非压缩BCDn 码等多种数据类型进行处理。n端口地址：16位I/O端口地址可寻址64K端口地址。n 每一个地址对应一个字节宽的I/O端口。n中断功能：可处理内部软件中断和外部硬件中断源达256个。n支持单片CPU或多片CPU系统工作。（ i ）存储器空间 20根地址线 220 = 1M Byte8086/8088率先打破微处理器只能访问64KB存储空间的限 制，可寻址1MB。00000HFFFFFHA19地址A010010111001011010101972D5H将存储器分成4种段，存放三类信息：代码、数据、中间结果和断点地址。972D5H12H段(972D5H)

8、=12H分段原因: 8086有20根地址线，但 其内部可以表示的地址 最多只能是16位。 为了能寻址1MB空间， 8086对存储器进行逻辑 分段，每个段最大为 64KB，最小为16B（ 此时最多64K个段）。3 存储器分段与段寄存器+物理地址=段址10H+偏址 段址 段寄存器 CS、DS、ES、SS 16 偏址 16指令地址 (CS)10H +(IP) 数据地址 (DS)10H + EA（偏移地址也称为有效地址EA，出现在指令中） 堆栈地址 (SS)10H +(SP) 附加段地址 (ES)10H + EA（ ii ）4个段寄存器CS、 DS 、SS 、ES分别指示存储区的段地址（段起始地址的高

9、16位，段起始地址又 称为段基地址），用来识别当前可寻址的四个段，不可互换使用。（ iii ）存储单元的逻辑地址和物理地址逻辑地址 段地址 0000HFFFFH（由段寄存器提供 ）偏移地址 段内某个单元到段基地址的距离（0000HFFFFH，由指令提供 ） CPU访问存储器时，送出00000HFFFFFH间的一个20位的物理地址。物理地址的形成.20000H25F60H25F61H25F62H25F63H2000H段基址逻 辑 地 址段内偏移地址 5F62H逻辑地址与物理地址物理地址与逻辑地址的关系如下图：段缺省和段替换规则(CPU对对段访问时应访问时应 遵循这这个原则则） ：段缺省：段寄存器

10、名不出现在指令和机器码中时，CPU对存 储器的操作性质隐含指定；搭配规则：段寄存器和寄存器（指针、变址）有较固定的配用 关系；替换（超越）规则：在指令之前可加上“CS”，”DS”，”SS”等 前缀，以指定的段寄存器替代隐含的段寄存器。段寄存器和其他寄存器组组合指向存储单储单 元示意图图（iv）存储器分段的一般规律：a. 可独立分开（最大不重叠16个段）b. 连续c. 重叠（部分重叠或完全重叠）如：数据段和附加段完全重叠，堆栈段和附加段 部分重叠。因此对一个具体的存储单元，可以属 于一个逻辑段，也可以同时属于几个逻辑段。控制寄存器8位寄存器IPFLAGCSDSSSES代码段寄存器数据段寄存器堆栈

11、段寄存器附加段寄存器AH ALBH BLCH CLDH DLAXBXCXDXSPBPSIDI 累加器基地址寄存器计数器数据寄存器 堆栈指针寄存器基地址寄存器源变址寄存器目的变址寄存器 (PC) 指令指针寄存器(PSW) 状态标志寄存器段寄存器16位寄存器通用寄存器寄存器组（Register Set）4. 寄存器的配置（1）用途：存放8位或16位操作数或中间结果， 以提高CPU的 运算速度（减少存取MEM的时间）其中，AX是CPU使用最多的一个寄存器，功能最强。AX的作用：i ）ALU之前保存一个操作数，ALU之后保存结果 。ii）CPU与 I/O、MEM交换数据所用到的最多的寄存器。 （前者对

12、算术运算，后者对 I/O 操作）1. 数据Reg.（AX，BX，CX，DX）（2）特殊用法：i ）BX 计算地址用作基址Reg. ii）CX 计数器，循环或移位时用。）DX 在某些 I/O 操作时，用来保存I/O端口地址 ， 或字的乘除法运算。4.1 通用Reg2. 指示器和变址Reg.（SP，BP，SI，DI，仅能用于字 ）用途： a. 缩短指令代码的长度；b.建立可变的地址；c.寄存偏移量，与段寄存器的内容相加以获得物理地址。例：SP中通常存放的偏移量被认为是在堆栈段中（堆栈访问时）。DI、SI中的偏移量，通常被认为是在数据段中。BP通常用于存放当前堆栈段的一个偏移量。（通过堆栈传送数据或

13、地址时，BP为偏移地址，SS中为段地址。）BP也可用于通用Reg.。SP 堆栈指针BP 基地址指针SI 源变址寄存器DI 目的变址寄存器指针寄存器变址寄存器通用寄存器的特殊用法(默认用法)寄存器特 殊 用 法 AX，AL乘法/除法指令，作累加器；I/O操作时时，作数据寄存器AH在LAHF指令中用作目的寄存器(AH)标标志)AL在BCD码码及ASCII码码运算指令中作为为累加器； 在XLAT指令中作为为累加器（AL）(AL)（BX）)BX在间间接寻寻址中作为为基址寄存器和变变址寄存器CX在循环环程序中，作循环环次数计计数器CL在移位和循环环移位指令中，作为为移位位数和循环环移位次数的计计数寄存器

14、DXI/O指令间间接寻寻址时时，作为为地址寄存器；在乘法指令中作为辅为辅 助累加器（当 乘积积或被除数为为32位时时，存放高16位数）BP在间间接寻寻址中，作为为基址寄存器SP在堆栈栈操作中，作为为堆栈栈指针针SI间间接寻寻址时时，作为为地址寄存器或变变址寄存器；在串操作指令中作为为源变变址 寄存器DI在间间接寻寻址时时，作为为地址寄存器或变变址寄存器；在串操作指令中作为为目的 变变址寄存器CS内容+IP内容，为下一条指令的地址。 DS内容+指令中的偏移量，为数据段内的 某单元地址。 SS内容+SP 为堆栈段内的某单元地址。 ES 附加段的段地址。4.2 段Reg.（CS，DS，SS，ES ）4.3 指令指针IP其中总是包含下一条要取的指令在当前代码 段中的偏移量，即程序运行过过程中，IP始终终指向 下一次要取出的指令偏移地址。或称IP和CS一起 指向下一条指令的物理地址。 IP的内容由8086/8088的总线接口部件BIU修 改（编程序时不能直接访问IP，但指令可引起它 的改变、或将它的内容压入堆栈、或从堆栈恢复 ）。 物理地址=CS 16IP作用：存放ALU的操作结果的特征标志，这种标志可作为条 件，用于判断是否控制程序转移; 或对某一特定的功能起控制 作用。 进位标