微机课件：第二章 中央处理器

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1、第二章 中央处理器本章介绍微型计算机的核心部件CPU，这一部分的重点内容 如下：1 8086/8088CPU的内部结构、外部引脚功能及与其它部件的连接（编程结构、功能结构、引脚功能与CPU子系统）2 8086/8088CPU的总线周期时序（最大/小模式下的总线读周期、总线写周期、中断响应周期、 总线请求和总操作授予时序等） 本章还介绍了如下的内容：1 80186Pentium4超线程处理器和双核处理器的发展和继继承。 2.1 8086/8088 CPU1978年,Inter 公司推出了8086CPU，这是一种当时最先进的高 性能的16位的微处理器，为了适应市场，1981年Inter在1981年

2、 推出准十六的微处理器8088CPU。2.1.1 8086/8088 CPU的主要特征1. 8086和8088的不同之处A. 8086 CPU内部的指令队列为6字节,而8088为4字节的指令队列.B. 8086CPU的数据总线为16位的二进制位,而8088CPU的数据总线为8位.2. 8086/8088CPU的主要特征8086/8088CPU是大规模集成电路芯片，其中包含有29000 多个晶体管。采用双列直插式封装，有40个外接引脚，使用 +5伏电压供电，CPU的时钟频率可采用5M、8M或者10M。这 是它在电子学方面的特征，从计算机科学方面来看，它有如 下的的功能特征：1）指令系统较完备，有

3、100多条基本指令。2）*寻址方式灵活多样，指令的基本寻址方式有顺序寻址、 相对寻址2种，数据的基本寻址方式立即数寻址、寄存器寻址 、存储器寻址三种，其中的存储器寻址方式又可发展成十七 种的子方式。3）使用20位地址线对存储器寻址，存储器的物理容量可达 1MB。4）使用16位的地址线对I/O端口寻址，I/O端口数可达64KB 。5）片内数据总线都是16位的，8086的系统数据总线也是16位 ，但8088的系统数据总线是8位的。6）具有软件中断和硬件中断（可屏蔽中断、非屏蔽中断）的 处理能力，中断源可以多达256个（即中断号可以有256个） 。7）*具有最大模式和最小模式这两种工作模式，在最大模

4、式 下，允许系统中存在其它的处理器（控制器或称总线主模块 ），在总线控制器8288的协助下，系统具有协调管理总线的 能力。8）具有出让总线，配合DMA控制器的请求，由DMA控制器 控制总线，进行DMA传送的功能。9）向下兼容8080/8085指令。2.1.2 8086/8088的编程结构这一部分内容我们已经学过了,这里略过。2.1.3 8086/8088CPU的功能结构*从8086/8088CPU的功能结构图可以看出,这个芯片的内 部按功能划分成执行单元（EU）和总线接口单元（BIU）两 个相对独立的部件。EU负责指令的执行，BIU负责片内总线 与系统总线之间信息（指令、状态、数据）的传送控制

5、。这 里需要指出的是，在IBM/PCXT微机出现之前，所有计算机 在执行指令时的取指令和执行指令这两个步骤一定是串行执 行的，而8086/8088CPU中使用了指令队列技术之后，才使EU 和BIU有可能并行工作。（所以说：独立是相对的，并行是 部分的。）1. *执行单元执行单元中的部件主要由冯诺伊曼体系结构中的运算器和 控制器的主要部分构1. 成。2. 运算器主要由算术逻辑运算单元ALU，暂存寄存器A、 B，标志寄存器F，8个3. 通用寄存器AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI、DI。4. （1） ALU 的核心是16位的全加器和16位逻辑与移位寄 存器所组成，其主要功 能是执行各种算术和

6、逻辑运算并将 结果送到指定的某一通用寄存器中，同时它还要将运算中 的一些状态反馈到标志寄存器中。当然，它还要负责16位 的有效地址的运算。（2） 通用寄存器组（略） （3）状态标志寄存器F（略） （4）EU控制器EU控制器继承了传统计算机控制器的大部分功能： 指令译码、时序微操作控制信号的产生与发布等，直接 控制EU本身和CPU的其它部件完成指令所规定的功能。 （传统CPU的控制器控制CPU和计算机的其它部件）2. 总线接口单元BIU*微机在工作时，总是有许多信息需要在CPU和存储器及 I/O设备之间进行传输，如CPU需要到存储器取指令、数据 ，CPU需要将运算结果存储到存储器或传送到某外部设

7、备等 。8086以前的微机对这些传输的控制信号全部来之于CPU内 的控制器。8086以后的微机对此作为改进，对CPU内部各部 件的控制信号直接来之于EU控制器，而对CPU外的存储器， I/O接口的控制信号则来之于总线控制器。*总线接口单元的功能是在“CPU与存储器、I/O接口电 路进行信息传输”时起控制作用。当然通过后面章节的学习，我们还会知道，CPU在必要 的时候，还会将这个总线控制权出让给系统中的其它主控设 备。前面已经说过，总线接口单元BIU的工作是控制指挥 CPU和存储器及I/O接口之间的信息交换工作。这些工作的各 个细节是由BIU中的几个电路实现的。（1）地址加法器 它将16位的段基

8、值左移4位后与从16位的内部数总线送来的偏移地址值相加 后形成20位的物理地址送到地址总线，用于对存储器的寻址。如果是计算的是指 令地址，则16位的偏移地址一般来之于IP寄存器。BIU内部的4个段寄存器、一个IP指令指针寄存器的功能作用这里就不再讲 了。（2）指令队列缓冲器（6或4字节）这里一个先进先出的指令队列，用于保存从存储器中取出的的若干条指令 。*（这个部件不负责指令分析，这里存放的是未译码的指令。）由于总线部件中安排了这个指令队列缓冲器，EU要执行指令时，是从这个 队列中取指令，而不必到存储器取指令，所以EU在执行指令时，BIU 仍然可以利 用总线到存储器取指令，这样就实现了EU和B

9、IU的并行工作，使计算机的工作效 率得到成倍的提升。但我们决不能因为这一点就说8086/8088是流水CPU。2.1.4 流水线处理技术图2-3（B） 8086/8088CPU并行处理示意图8086/8088CPU是CISCCPU，它对不同指令的执行步骤和执行时间是不相同的， 甚至指令长度都不相同，所以无法构成真正的流水计算机。取指 1取指 2取指 3取指 4取指 5取指 6取指 7取指 8取指 9取指 10取指 11取指 12译 码1译 码2译 码3译 码4译 码5译 码6译 码7译 码8译 码9译 码 10译 码 11 取数 1取数 2取数 3取数 4取数 5取数 6取数 7取数 8取数

10、9取数 10执行 1执行 2执行 3执行 4执行 5执行 6执行 7执行 8执行 9存数 1存数 2存数 3存数 4存数 5存数 6存数 7存数 8取指部件译码部件取数部件执行部件存储结果部件取指 1译 码1取数 1执行 1存数 1取指 2译 码2取数 2执行 2存数 2取指 3译 码3非流水执行情况图2-3C 五级流水计算机流水示意图要求，指令码长相等，每条指令有相同的执行步骤，每个步骤执行时间相等。精简指令集（RISC）计算机符合上述要求。（但流水机并不一定是RISC机。）2.1.5 8086/8088CPU的最大模式和最小模式1. 8086CPU的最小模式子系统图2.1.5-1 8086

11、CPU的最小模式子系统*注意: MN/MX的接法, 这里接高电平, 若是最大模式系统,应接低电平,否则系统 不能正确工作。使用8086CPU构成一个最小模式子系统，需要有以 下的最基本的配套芯片：1）8086CPU芯片 一片2）8082(或74LS373)地址锁存器三片3）8286(或74LS245)数据总线收发器 二片4）8284时钟发生器 一片5）数据存储器芯片 若干片6）必要的输入输出设备接口电路2、处于最大模式下的8086CPU子系统所谓最大模式：即系统中除了8086这一个主CPU外 ，还存在其它可以控制总线的从CPU，如：8087（浮点运 算器），8089IOP（通道处理器）等，由于

12、电路中有了多 个的需要控制总线的设备，这就要有一个总线控制器， INTER公司提供的8288总线控制器，就是专为8086配套使 用的芯片。所以，当8086处于最大模式下，除了必须要有最小 模式下的那些基本配置外，电路中还必须要有一片8288总 线控制器，总线控制器有的时候是要代替主CPU进行发号 施令的。图2.1.5-2 最大模式下的8086CPU子系统比最小模式多出了一片的8288总线控制器, CPU不再直接发出对系统总线对存 储器I/O接口的控制信号,而仅发出S0、S1、S2三位总线状态信号给8288，然后由 8288对总线及存储器，I/O端口进行控制。2.1.6 8086/8088CPU

13、芯片引脚功能介绍8088的第28号引 脚为IO/M极性 与8086的相反8088 的数据总线 只有8位。* 8086/8088共有40个引脚，我们把这些引脚分成二个部分 ：1. 保证CPU能够正常工作的+5V电源线引脚1个、接地线引脚2 个，复位信号RESET引脚1个，CPU时钟信号输入引脚（CLK ）1个，工作模式选引脚（MN/MX）1个，一共6个。这6个引脚 的信号全部由外部输入，且不可悬空。2. 与计算机系统总线相连的地址线/数据线，地址线/状态线复 用引脚、用于控制用的命令信号线和外部请求信号线、外部 状态信号线等。这34个引脚有的用于向CPU输入信息，有的 用于CPU向外部发送命令及

14、工作状态，有的用于地址及数据 的传送等。有的是单向信息引脚，有的是双向信息引脚，有 的甚至是三态引脚。下面,我们先全面的介绍8086CPU处于最小模式下的引脚功 能，然后再介绍最大模式下引脚功能的一些变化情况。当然 ，也要指出8088与8086的不同之处。三态引脚功能介绍：1) V cc：电源信号。这是供给8086/8088芯片电源的，电源引脚 Vc。接入电压为5V。 2) 接地线（1号引脚和20号引脚） 3) CLK：时钟信号，输人信号, CLK来源于8284时钟发生器， 8088的CLK时钟频率f=5 MHz,即时钟周期T为200ns,时钟信号 CLK用于在8086/8088 CPU和82

15、88总线控制器中产生时序信号 ，控制8086/8088内部和总线设备按时序操作。8086的时钟频率=5MHz 8088的时钟频率=5MHz8086-1的时钟频率=8MHz 8086-2的时钟频率=10MHz1. 保证CPU能正常工作的6个引脚4）RESET：复位信号，输入。RESET来源于8284时钟发生器，当它 为高电平时完成CPU复位，RESET信号必须保持有效（高电 平）至少4个时钟周期，才可以完成CPU内部的复位过程。 复位的工作包含将CS置为0FFFFH和将IP置为0000H，复位后 ，即当RESET信号由高变低时，8086/8088重新启动执行，此 时，CPU将从CS：IP形成的存

16、储器物理地址去取第一条指令 ，从而开始执行程序的工作。 5）MN/MX单向输入引脚，当其为高电平时，CPU工作于最小模式 ，当其为低电平时，CPU工作于最大模式。2. 与系统三总线相连的34个引脚 1）AD15AD0，十六的地址/数据分时复用线，三态功能，作 为地址线时为单向输出，作为数据线时为双向（输入/输出） 。 2. 如为8088CPU，则数据线仅使用低8位。其高8位A15A8 为地址线专用。 3. 2）AD19/S6AD16/S3 高4位地址/状态复用线，三态功能， 单向输出。S4，S3的含义如表4-2所示，S5=1，表示当前IF=1 ，CPU处于允许可屏蔽中断状态，S5=0，表示当前IF=0， CPU处于禁止可屏蔽中断状态。S6=0，表示当前CPU正与系 统总线相连，S6=1，表示当前CPU与系统总线的关系处于悬 空状态。3）BHE/S7：高8位数据总线