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1、第2章 Intel8086系统结构,8086微处理器是Intel系列微处理器中具有代表性的16位微处理器。 8086微处理器采用HMOS工艺技术制造，外型封装为双列直插式，有40个引脚。 主时钟频率有5MHz，8MHz和10MHz几种。 内部采用16位数据通路和流水线结构，使取指令与执行指令实现了并行操作。 8086有20位地址线，可直接寻址的空间达1MB。 8086支持多处理器系统，可方便地与数值协处理器8087和I/O处理器8089相连，组成多处理器系统，大大提高了系统的数据处理能力。,2.1.1 8086微处理器的功能结构,8086微处理器采用不同于第二代微处理器(8080，Z80)的一
2、种全新结构形式，由两个独立的单元组成，一个称为总线端口单元BIU (Bus Interface Unit)，另一个称为执行单元EU (Execution Unit)，其功能框图如图2.1所示。,图2.1 8086 CPU的功能结构,1. 指令执行单元EU 指令执行单元EU的功能是负责执行指令，即负责全部指令的译码和执行，同时管理CPU内部的有关寄存器。执行单元EU由算术逻辑单元(ALU)、标志寄存器、8个寄存器，以及数据暂存器和EU控制器等组成。 1) 算术逻辑运算单元(ALU) 16位的运算器，可用于8位或16位二进制算术运算或逻辑运算。 2) 标志寄存器 用来存放ALU运算后的结果特征或机
3、器运行状态，标志寄存器长16位，实际使用了9位。,3) 通用寄存器组 包含8个16位的寄存器，按功能分为两组，一组包括AX，BX，CX，DX4个寄存器，称为通用数据寄存器，用来存放操作数或地址。另一组包括DI，SI，SP和BP4个寄存器，称为专用寄存器。 4) EU控制器 EU控制器的作用是从BIU的指令队列中取指令，并对指令进行译码，根据指令要求向EU内部各部件发出相应的控制命令以完成每条指令所规定的功能。因此相当于传统计算机CPU中的控制器。,指令执行单元EU的工作就是执行指令，并不直接与外部发生联系，而是从总线端口单元BIU的指令队列中源源不断地获取指令并执行，省去了访问存储器取指令的时
4、间，提高了CPU的利用率和整个系统的运行速度。,2. 总线端口单元BIU BIU是8086微处理器在存储器和I/O设备之间的端口部件，负责对全部引脚的操作，即8086对存储器和I/O设备的所有操作都是由BIU完成的。BIU提供了16位双向数据总线、20位地址总线和若干条控制总线，其具体任务是：负责从内存单元中预取指令，并将其送到指令队列缓冲器暂存。 总线端口单元BIU主要由4个段寄存器、1个指令指针寄存器、1个与EU通信的内部寄存器、先入先出的指令队列、总线控制逻辑和计算20位物理地址的地址加法器组成。,1) 地址加法器和段寄存器 8086 微处理器的20位物理地址是由专门的地址加法器将有关段
5、寄存器内容(段的起始地址)左移4位后，与16位的偏移地址相加。 2) 16位指令寄存器(Instruction Pointer，IP) 指令寄存器IP用来存放下一条要执行指令的偏移地址EA(也叫有效地址)，IP只有和CS相结合，才能形成指向指令存放单元的物理地址。,3) 指令队列缓冲器 指令队列的作用是预存BIU从存储器中取出的指令代码。容量为6B，按“先进先出”的方式工作，其操作遵循以下原则： (1) 当指令队列中存入一条指令后，EU就立即开始执行。 (2) 当BIU发现队列中空了2个字节时，就自动地进行预取指令操作，直至填满为止。 (3) 当EU执行一条转移、调用或返回指令后，BIU就会清
6、除指令队列，并从新地址开始预取指令，实现程序段的转移。,BIU和EU是各自独立工作的，在EU执行指令的同时，BIU可预取下一条或几条指令。从而减少了CPU为取指令而等待的时间，提高了CPU的利用率，加快了整机的运行速度。另外也降低了对存储器存取速度的要求。 4) 总线控制逻辑电路 总线控制逻辑电路将8086微处理器的内部总线和外部总线相连，是8086微处理器与内存单元或I/O端口进行数据交换的必经之路。它包括16条数据总线、20条地址总线和若干条控制总线。,2.1.2 8086的存储器分段组织,1. 存储器地址空间和数据存储格式,8086的存储器是以字节(8位) 为单位组织的。具有20条地址总
7、线，所以可寻址的地址空间容量为1MB。每个字节对应一个唯一的地址，地址范围为00000FFFFFH，如图2.2所示。,图2.2 存储器的地址,存储器内两个连续的字节，定义为一个字。一个字中的每个字节，都有一个字节地址，每个字的低字节(低8位)存放在低地址中，高字节(高8位)存放在高地址中，字的地址指低字节的地址。,图2.3 数据存储格式,2. 存储器的分段 8086微处理器地址总线20条，存储器地址空间为1MB。但是，8086 所有的寄存器都是16位的，最多只能寻址64KB空间。为此引入了存储空间分段概念，即将整个1MB的存储空间分成若干个存储段，每个段是存储器中可独立寻址的逻辑单位，称为逻辑
8、段，每个段的长度为64KB，段内地址是连续的，允许各个逻辑段在整个1MB存储空间内浮动，但每个逻辑段的起始地址(简称段基址/段首址) 的低4位二进制码必须是0。一个段的起始地址的高16位被称为该段的段地址。,显然，在1MB的存储器地址空间中，可以有216个段地址。任意相邻的两个段地址相距16个存储单元。段内一个存储单元的地址，可用相对于段起始地址的偏移量来表示，这个偏移量称为段内偏移地址，也称为有效地址EA。偏移地址也是16位的，所以，一个段最大可以包括一个64KB的存储器空间。各个逻辑段之间可以首尾相连，也可以完全分离或者重叠(部分重叠或完全重叠)，如图2.5所示。,图2.5 存储器分段和段
9、的重叠,3. 物理地址的形成 任何一个存储单元，可以包含在一个逻辑段中，也可以包含在两个或多个重叠的逻辑段中，只要能得到它所在段的段基址和段内偏移地址就可以对它进行访问。 在8086系统中，每个存储单元在存储器中的位置可以用逻辑地址和物理地址来表示。所谓逻辑地址，由段基址和段内偏移地址两部分组成，段基址和段内偏移地址都是无符号的16位二进制数。物理地址也叫实际地址或绝对地址，是CPU访问存储器时实际使用的地址，地址总线上传送的就是这个地址。,物理地址应由逻辑地址变换得到，两者的变换关系如图2.6所示。即将16位段基址左移4位，然后与16位段内偏移地址相加而获得20位物理地址，这相当于完成以下地
10、址计算：,物理地址段基址16段内偏移地址,图2.6 物理地址的形成过程,地址计算过程是由CPU内BIU中的地址加法器完成的。例如，某条指令在代码段中的逻辑地址为：CS1000H，IP4052H，则其物理地址为14052H。,图2.7 逻辑地址与物理地址,显然，当CS1200H，IP2052H时，物理地址也是14052H。这就是说，同一个物理地址可以对应多个逻辑地址。 段地址总是由段寄存器提供的。8086微处理器的BIU单元设有4个段寄存器(CS、DS、SS、ES)，所以CPU可以通过这4个段寄存器来访问4个不同的段。用程序对段寄存器的内容进行修改，可实现对所有段的访问。,4. 信息的分段存储与
11、段寄存器的关系,为了操作方便，存储器可相应地划分为：程序区，该区存储程序的指令代码；数据区，存储原始数据、中间结果和最终结果；堆栈区，存储需要压入堆栈的数据或状态信息。 段寄存器的分工是：代码段寄存器CS划定并控制着程序区；数据段寄存器DS和附加段寄存器ES控制着数据区；而堆栈段寄存器SS对应堆栈存储区。,表2-1 各种类型存储器访问所使用的段寄存器和段内偏移地址,(1) 段地址要么由默认段寄存器提供，要么由“指定”段寄存器提供。 (2) 段寄存器DS、ES和SS的内容是在程序中通过指令设置的，任何传送类指令不能直接向CS中传送数据，但转移、调用、返回类指令可以设置和影响CS的内容。 (3)
12、取指令访问内存时，段内偏移地址只能由指令指针IP提供；当堆栈进行压入和弹出操作时，段内偏移地址只能由SP提供等。除此之外的内存访问，段内偏移地址则由指令码规定的寻址方式确定。,每个段的最大容量为64KB，一般情况下，不需要这么大的空间，因而段有部分重叠。如下图所示。,(a) 段不重叠,(b) 段部分重叠,图2.8 典型分段方法,2.1.3 8086的寄存器结构 8086 微处理器内部寄存器结构如图2.9所示。14个寄存器按功能不同可分为3组，分别为通用寄存器组、段寄存器组和控制寄存器组。,1. 通用寄存器组 8个16位通用寄存器分为两组：数据寄存器及地址指针和变址寄存器。,图2.9 8086的
13、寄存器结构,1) 数据寄存器 数据寄存器包括AX，BX，CX，DX这4个寄存器。 通用数据寄存器主要用来存放算术/逻辑运算操作数，中间结果和地址。 不仅为编程提供方便，更主要的是可以加快CPU的运行速度。 数据寄存器既可作为一个16位的寄存器使用，也可以分别作为两个8位寄存器使用。,2) 地址指针和变址寄存器 包括SP，BP，SI，DI 四个16位寄存器。 一般是用来存放操作数的偏移地址。 SP称为堆栈指示器 BP为基址寄存器 SI和DI称为变址寄存器 通用寄存器除具有通用特性外，还具有各自的特定用法,表2-2 通用寄存器的特定用法和隐含性质,2. 段寄存器组 代码段寄存器 (CS)。存放当前
14、代码段的段基址值。代码段用来存放程序代码。CS的内容左移4位再加上指令指针IP的内容就是下一条要执行的指令。例如，某指令在代码段内的偏移地址为0100H，即IP0100H，当前代码段寄存器CS2000H，则该指令在主存储器中的物理地址为 PA(CS)左移4位(IP)20000H0100H20100H,数据段寄存器 (Data Segment，DS)。它存放当前数据段的段基址。通常数据段用来存放数据和变量。当访问数据段中某一变量时，该变量的物理地址PA为 PA(DS)左移4位该变量的偏移地址 堆栈段寄存器 (Stack Segment，SS)。它存放当前堆栈段的段基址。栈顶的物理地址应为,PA(
15、SS)左移4位(SP),附加段寄存器 (Extra Segment，ES)。,一般来说，当程序较少，数据量又不大时，代码段、数据段、堆栈段和附加段可设置在同一段内。当程序和数据量较大，超过64KB时，可定义多个代码段、数据段、附加段和堆栈段。这时在CS，DS，SS和ES中存放的是当前正在使用的逻辑段段基址，使用中可以通过修改这些段的寄存器的内容，以访问其他段扩大程序规模。必要时，可通过在指令中增加段超越前缀符来指向其他段。,3. 控制寄存器组 1) 指令指针 (Instruction Pointer，IP) 用来存放下一条要执行的指令在当前代码段中的偏移地址。在程序运行中，IP的内容自动修改，
16、总是指向下一条要执行的指令。其内容程序不能直接访问，但当执行转移指令、调用指令时，其内容可被修改，置入的是目标地址或子程序首地址，IP的原内容被压入堆栈，返回时再被恢复。,2) 标志寄存器(FLAG) 标志寄存器也称程序状态字(PSW)寄存器。,图2.10 8086标志寄存器格式,一类叫状态标志，用来表示运算结果的特征，共6个: CF，PF，AF，ZF，SF和OF。 一类叫控制标志，用来控制CPU的操作或工作状态，共3个：DF，IF和TF。,(1) 状态标志位功能说明 进位标志(Carry Flag，CF) 奇偶标志(Parity Flag，PF) 辅助进位标志(Auxiliary Carry Flag，AF) 零标志(Zero Flag，ZF) 符号标志(Sign F1ag SF) 溢出标志(Overflow Flag，OF),(2) 控制标志位功能 中断允许标志(Interrupt Enable F1ag，IF) (Direction Flag，DF)方向标志 (Trap Flag，TF)单步标志,2.2.1
