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1、微机原理与接口技术术 主讲 易凡武汉汉大学物理学院电电子科学与技术术系第二章 微型计计算机的体系结结构2.1 微机执执行原理n指令是规规定计计算机执执行特定操作的命令n通常条指令包括两部分：操作码码。操作码码指明要完成操作的性质质，如加、减、 乘、除、数据传传送、移位等；地址码码。地址码码指明参加上述规规定操作的数据存放地 址或操作数。 n计计算机将指令（2进进制编码编码 ）按顺顺序存放存储储器 单单元中1.微机执执行过过程1.微机执执行过过程（续续）n微机顺顺序从存储储器取出一条指令执执行；n每执执行一条指令都是分成三个阶阶段进进行： 取指令（Fetch） 分析指令（Decode） 执执行指
2、令（Execute）u取指令阶段的任务是根据程序计数器PC中的值，从 存储器读出现行指令，送到指令寄存器IR，然后PC 自动加1指向下一条指令地址。1.微机执执行过过程（续续）u分析指令阶段的任务是将IR中的指令操作码译码 ，分析其指令性质。如指令要求操作数，则寻找 操作数地址。u执行指令阶段的任务是取出操作数，执行指令规 定的操作。根据指令不同还可能写入操作结果。n微型机程序的执执行过过程实际实际 上就是周而复始地完成这这三阶阶段操作的过过程，直至遇到停机指令时时才结结束整个机器的运行。2.指令执执行示例汇编语汇编语 言源程序对应对应 机器码码内存单单元地址指令说明ORG1000HMOVA，
3、 5CH B0H1000H操作码5CH1001H立即数ADDA， 2EH 04H1002H操作码2EH1003H立即数JO100AH CAH1004H操作码0AH1005H地址10H1006H地址MOV0200H， A A2H1007H操作码00H1008H地址02H1009H地址HLTF4H100AH操作码指令执执行过过程图图CBA BDBALU累加器ACC暂暂存器标标志寄存器FR寄存器组组操作控制器OC指令译码译码 器ID指令寄存器IR操作码码, 地址码码内部总线总线地址缓缓冲器数据缓缓冲器程序计计 数器PC地 址 译译 码码读读控制B0H 5CH 04H 2EH地址1001H 1002H
4、 1003H内容 1000H内存储储器MOV AL，5CH ADD AL，2EH1CPU外CPU内 2.2 8086CPU的内部逻辑结逻辑结 构n8086是Intel系列的16位微处处理器，常用HMOS工 艺艺制造，它有16位数据线线和20根地址线线，可寻寻址 的地址空间间达220即1MB。n8088微处处理器是准16位，其内部逻辑逻辑 按16位设计设计 ，但外部数据总线总线 只有8条。n8086由执执行部件（EU）和总线总线 接口部件（BIU） 构成，两者可以并行工作。1.8086的内部逻辑结逻辑结 构1.8086的内部逻辑结逻辑结 构（续续）n执执行部件 EU（Execution Unit
5、）EU的功能是执行指令；EU从指令队列中取出指令代码，将其译码，发出相应的 控制信息；控制数据在ALU中进行运算，运算结果的特征保留在 FLAGS中。uEU由以下各部分组成：算术逻辑单元ALU标志寄存器FLAGS（FR）通用寄存器组执行部件控制电路1.8086的内部逻辑结逻辑结 构（续续）n总线总线 接口部件BIU（Bus Interface Unit）BIU负责与存储器 I/O端口传送信息。BIU从内存中取出指令送到指令队列；当EU需要数据时，BIU与EU配合，从指定的内存或I/O 端口取出数据给EU；当运算结束时，BIU将运算结果送入指定的内存单元或 外设。uBIU的组成：专用寄存器组地址
6、加法器指令队列（6字节）总线控制逻辑2.BIU与EU的动动作管理p当指令队列中有2个空字节时，BIU自动把指令取到指令队列中。当指令队列已满，而EU无总线访问请求时， BIU进入空闲状态。pEU从指令队列的头部取出指令，并执行。在执行中，如需要访问内存或I/O设备，则EU请求BIU取操作数，并直等到需要的操作数到来后，EU才继续操作。p若BIU处于空闲态，它立即响应请求，若BIU正在取指令到指令对列，它先完成取指令操作，再响应EU的请求。pEU在执行转移、调用、返回等指令时，指令队列中的指令被清除，BIU重新从存储器中取出指令送入指令队列，EU才继续执行指令。p因为EU与BIU并行工作，在整个
7、运行期间， BIU总是忙碌的，充分利用了总线，CPU效率很高。演示演示2.BIU与EU的动动作管理（续续）2.3 8086的寄存器结结构n存储储器是计计算机存储储信息的地方。掌握数据存储储格式，以及存储储器的分段管理对对以后的汇编汇编 程序设计设计 非常重要n存储储器也就是平时时所说说的主存，也叫内存，可直接与CPU进进行数据交换换。主存各单单元利用地址区别别n寄存器是微处处理器（CPU）内部暂暂存数据的存储储单单元，以名称表示，例如：AX，BX.等n外存主要指用来长长久保存数据的外部存储储介质质，常见见的有硬盘盘、光盘盘、磁带带、U盘盘等。外存的数据只能通过过主存间间接地与CPU交换换数据n
8、程序及其数据可以长长久存放在外存，在运行需要时时才进进入主存你能区别别寄存器、存储储器(主存)、外存( 包括硬盘盘、光盘盘、磁带带等存储储介质质)吗吗？2.3 8086的寄存器结结构（续续）nAX ( Accumulator ) 累加器用于算术、逻辑运算以及与外设传送信息等nBX （Base address Register）基址寄存器。常用做存放存储器地址nCX ( Count ) 计计数寄存器。在循环和串操作时，常用作计数器。nDX ( Data ) 数据寄存器。常用来存放双字长数据的高16位，或存放外设端口地 址1. 通用寄存器组组AX： AH，ALBX： BH，BL CX： CH，CL
9、DX： DH，DL例如n上述4个寄存器皆为为16位寄存器，但又可将高、 低8位分别别作为为两个独立的8位寄存器使用。 1. 通用寄存器组组（续续）nSP ( Stack Pointer ) 堆栈栈指针针寄存器 nBP ( Base Pointer ) 基址寄存器nSI ( Source Index ) 源变变址寄存器nDI ( Destination Index ) 目的变变址寄存器以上4个寄存器只能作为为16位的寄存 器用。1. 通用寄存器组组（续续）2. 段寄存器nCS ( Code Segment ) 代码码段寄存器nSS ( Stack Segment )堆栈栈段寄存器nDS ( Da
10、ta Segment )数据段寄存器nES ( Extra Segment )附加段寄存器段寄存器都是16位的寄存器，用于存 放段基值值（ 16位的无符号数）3. 控制寄存器nIP ( Instruction Pointer ) 指令指针针寄存器存放预取指令的偏移地址，指示预取指令在主存储器中 的位置。随着指令的执行，IP将自动加1，以指示下一条指令所 在的存储器位置；IP寄存器与CS段寄存器联合使用以确定下一条指令的存 储单元地址3. 控制寄存器（续续）nFLAGS (Flags Register ) 标标志寄存器FLAGS 是16位寄存器，但只用其中的9位；这9位包括6个状态标态标 志位和
11、3个控制标标志位14151213OFDF1011IF TF89SF ZF67AF45PF23CF01nFLAGS的6个条件标标志位:uCF（Carry Flag）：进进位标标志CF=1表示本次运算中，最高位（D7位或D15位）发生进位（加法运算）或借位（减法运算）；CF0 表示没发生进位（或借位）uPF（Parity Flag）：奇偶标标志PF=1运算结果的低8位中有偶数个“1”PF=0运算结果的低8位中有奇数个“1”3. 控制寄存器（续续）uAF(Auxiliary Carry Flag)：辅辅助进进位标标志（又称 半进进位标标志）AF=1 表示本次运算D3位向D4位有进位(加法运算)或借位
12、 (减法运算)。AF=0 表示无半进位3. 控制寄存器（续续）uZF（Zero Flag）：零标标志。ZF=1 表示本次运算结果为0；否则 ZF=0。uSF（Sign Flag）：符号标标志。SF=1 表示本次运算结果的最高位（D7或D15位）为 “1”，否则，SF=0。uOF（Overflow Flag）：溢出标标志OF=1 表示本次运算结果超出了带符号数范围，即溢出，否则OF=03. 控制寄存器（续续）8位补码补码 的整数范围围是： -128 +12716位补码补码 的整数范围围是： -32768 +32767n关于进进位与溢出2个n位的无符号二进进制数相加，结果大于2n 1，称为进进位，
13、应用CF标志位作判断。2个n位的带带符号二进进制数相加，结果大于2n-11或小于-2n-1，称为溢出，应用OF标志位作判断。上述的n为字长，8086的n为8或16。3. 控制寄存器（续续）n进进位与溢出举举例二进进制数无符号数带带符号数加数10000010044加数2000010111111和000011111515CFOFZFSFPFAF 000010二进进制数无符号数带带符号数加数10000011177加数2111110112515和0000001022CFOFZFSFPFAF100001n进进位与溢出举举例二进进制数无符号数带带符号数加数10000100199加数201111100124
14、124和10000101133123CFOFZFSFPFAF010101n进进位与溢出举举例二进进制数无符号数带带符号数加数110000111135121加数21111010124511和01111100124124CFOFZFSFPFAF110000n进进位与溢出举举例nFLAGS的三个控制标标志位为为：uDF（Direction Flag）：方向标标志DF=1，使串操作按减地址方式进行；DF=0，使串操作按增地址方式进行。uIF（Interrupt Flag）：中断标标志IF=1，允许CPU响应可屏蔽中断；IF=0，禁止CPU响应可屏蔽中断。uTF（Trap Flag）：单单步标标志。TF
15、=1，CPU进入单步工作方式；TF=0，CPU正常执行。2.4 8086CPU的外部引脚及功能n8086CPU芯片是40条引脚的双列直插式封装；n 8086CPU有两种工作模式：最大模式和最小模式n引脚采用了分时时复用方式，有8条引脚在两种工作模式中具有不同的功能。GND AD14 AD13 AD12 AD11 AD10 AD9 AD8 AD7 AD6 AD5 AD4 AD3 AD2 AD1 AD0 MNI INTR CLK GNDVcc(+5V) AD15 A16/S3 A17/S4 A18/S5 A19/S6 BHE#/S7 MN/MX# RD# HOLD#(RQ#/GT0#) HLDA#
16、(RQ#/GT1#) WR#(LOCK#) M/IO#(S2#) DT/R#(S1#) DEN#(S0#) ALE(QS0) INTA#(QS1) TEST# READY RESET1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2040 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 218086CPU图图2.4 8086 CPU 的 封 装 外 型 与 引 脚 信 号1. 8086CPU在小模式中的各引脚功能uAD15AD0（ Address Data Bus）分时时复用地 址/数据线线传送地址时三态输出；传送数据时可双向三态输入/输出uA19/S6A16/S3（ Address/Status）分时时复用地 址/状
