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1、1,IBM-PC微机组成原理,IBM-PC微机基本结构,一、 微机的一般构成,运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。,一般计算机应包括五大部件：,由于微机的主要特点是其体积很小，因此在系统设计上就有一些特殊考虑，它将运算器和控制器两大部件集成在一个集成电路芯片上，称为微处理器 ，也叫中央处理器，简称CPU,2,微处理器 CPU,主存储器,I/O接口,I/O设备,I/O接口,I/O设备,地址总线,数据总线,控制总线,系统总线,微机硬件系统基本组成框图,3,1、中央处理器CPU,微型计算机中的中央处理器也叫微处理器。它包括运算器和控制器。,功能：,从主存储器中逐条取出构成程序的指令序列，分析
2、各指令的功能，控制计算机各部件完成指定功能的各项操作。,2、主存储器,主存储器是用于存放程序和数据的部件。它由若干个存储单元构成。存储单元的多少表示存储器的容量。每个存储单元使用一个唯一的编号来标识，称为存储单元的地址。对每个存储单元内容的存和取是按照地址进行访问的。,4,计算机存储信息的基本单位是一个二进制位，一位可存储一个二进制数0或1。每8位组成一个字节（BYTE)。,7 6 5 4 3 2 1 0,在大多数计算机中，存储器的组织都是以字节为基本单位。每一个基本单位称为一个存储单元。,一个存储器是由许多的存储单元构成的，如某存储器的容量为32KB, 1MB, 128MB等等。为了区分这些
3、不同的存储单元，一般使用单元地址来指示各个存储单元。如一个10位二进制数表示的地址，可以用来区分21010241K个单元。,存储器,地址,0000000000,0000000001,0000000010,1111111111,5,习惯上将CPU与主存储器合称为主机,在计算机中，除了主存储器之外，一般还配置有辅助存储器，简称辅存。由于它的位置是在主机之外，因此也叫做外存。,3、输入输出设备及接口,输入设备将外部信息（程序、数据和命令）送入计算机。包括键盘、鼠标等。,输出设备将计算机处理后的结果转换为人或其它系统能识别的信息形式向外输出。如显示器、打印机等。,有的设备既具有输入功能又具有输出功能。
4、如磁盘、磁带、触摸显示屏等。,6,由于I/O设备的工作速度、工作原理以及所处理的信息格式等与主机相差很大，因此I/O设备要通过I/O接口才能与系统总线连接。,I/O接口是主机与I/O设备之间设置的逻辑控制部件。通过它实现主机与I/O设备间的信息传送。,4、系统总线,系统总线将CPU、存储器和I/O设备连接起来，用于传送各大部件之间的信息。,系统总线包括地址总线、数据总线和控制总线三组。它们分别用于传送不同的信息。,7,二、 Intel8086/8088 CPU的功能结构,指令是构成汇编语言程序的最基本单位。就象高级语言中的一个语句。,程序是由一系列的指令指令序列构成。,CPU执行指令序列就是重
5、复执行以下两个步骤：,从存储器中取指令,执行指令所规定的功能,8,这两个步骤的执行又可以分为两种情况:,1. 串行方式,取指 执行 存数 取指 执行 取指 取数 执行,忙 闲 忙 忙 闲 忙 忙 闲,CPU,外部总线,特点：,（1）当CPU在执行指令时，不需要占用外部总线，但此时总线也不能作它用，因此外部总线的空闲时间比较多 。,（2）在从存储器取指令或数据时，总线处于忙状态，其所占用的时间也较长。但CPU却只需要使用很短的时间去处理。因此大部分时间都是处于闲置状态。,采用串行工作方式的计算机其运行速度较慢,时间,9,2.指令流水线结构,AH,AL,BH,BL,CH,CL,DI,SP,BP,S
6、I,地址加法器,IP,CS,DS,SS,ES,总线 控制 逻辑,暂存器,标志寄存器,ALU,EU 控制器,1 2 3 4 5 6,控制信号,16位数据总线,段寄存器,通用寄存器组,外部总线,16位CPU内总线,AX,BX,CX,20位地址总线,指令队列,执行单元（EU）,总线接口单元（BIU）,10,（1）执行单元EU,EU的主要任务是分析与执行指令，它包括：,A、从指令队列中取出指令代码，由控制器译码后产生相应的控制信号，控制各部件完成指令规定的操作。,B、对操作数执行各种指定的算术或逻辑运算,C、向BIU发送访问主存或I/0的命令，并提供相应的地址和传送的数据,11,（2）总线接口单元BI
7、U,BIU负责CPU与存储器、I/0的信息传送。具体功能包括：,A、取指令根据CS寄存器和指令指针IP形成20位的物理地址，从该地址指定的存储器单元中取出指令，并暂存到指令队列中，等待EU取走并执行。,B、存取数据在EU执行指令的过程中，如果需要与存储器或I/O端口传送数据时，根据EU提供的数据和地址，并结合相应的段寄存器（DS、ES或SS）的内容，进入外部总线周期，与存储器或I/0进行数据的存取。,EU和BIU是既分工又合作的两个独立部分。它们的操作在一定程序上是并行工作的，分别完成不同的任务，因而大大加快了指令执行速度。,12,Intel 8086/8088 运行时执行过程大致如下图所示。
8、,执行,执行,执行,执行,忙,存数,取数,取指,取指,取指,取指,忙,忙,忙,忙,忙,EU,BIU,外部总线,时间,.,.,.,等待,13,2. 2 Intel 8086/8088CPU寄存器结构及其用途,一、通用寄存器,AH,AL,BH,BL,CH,CL,DH,DL,AX,BX,CX,DX,SP,BP,SI,DI,IP,FLAGS,DS,ES,SS,CS,累加器,基址寄存器,计数寄存器,数据寄存器,堆栈寄存器,基址寄存器,源变址寄存器,目的变址寄存器,指令指针,标志寄存器,堆栈段寄存器,代码段寄存器,数据段寄存器,附加段寄存器,通用寄存器8个,控制寄存器2个,段寄存器4个,14,Intel
9、8086/8088有8个16位通用寄存器，它们一般不只用作某个特定的功能，而是具有良好的通用性，可以由程序设计人员进行编程访问。,1. 数据寄存器,它包括AX、BX、CX和DX四个寄存器。它们中的每一个既可以是16位寄存器，也可以分成两个8位寄存器使用。即可以当作8个独立的8位寄存器使用。,数据寄存器既可以用来存放参加运算的操作数，也可以存放运算的结果。在多数情况下，使用这些寄存器时必须在指令中指明。,例：MOV AX , BX；将BX的内容送到AX中 ADD CH , DH；将DH和CH的内容相加，结果送到CH,15,在有些指令中，不需要明确指出使用的寄存器名，即隐念使用了某寄存器，称为隐含
10、使用。,例如，在循环指令 LOOP中，CX被隐含指定作循环次数计数用。,另外，个别指令对寄存器有特定的使用，并且又必须在指令中指明它的名字，这类寄存器的使用称为特定使用。,例如，在移位指令（SHL AX，CL）中，CL被固定用作移位次数。,2. 指针寄存器,指针寄存器有堆栈指针SP和基址指针BP,它们一般被用作16位地址指针，在形成20位的物理地址时常被作为偏移量使用。,16,SP指针在进行堆栈操作时，被隐含使用，指向堆栈顶部单元。,BP指针被用来指向堆栈段内某一存储单元。BP除用作地址指针外也可以象数据寄存器一 样，存放参加运算的操作数和运算的结果。,3. 变址寄存器,有两个16位的变址寄存
11、器SI和DI，一般被用来作地址指针。,SI源变址寄存器,DI目的变址寄存器,同BP寄存器一样，SI和DI也可以用作通用数据寄存器存放操作数和运算结果。,17,二、段寄存器,8086/8088CPU在使用存储器时，将它划分成若干个段。每个段用来存放不同目的内容，如程序代码、数据等等。每个存储段用一个段寄存器来指明该段的起始位置（也叫段基址）。,代码段,数据段,堆栈段,附加段,ES,CS,DS,SS,段寄存器,段基址,段基址,段基址,段基址,18,CPU在访问存储器时必须指明两个内容：,（1）所访问的存储单元属于哪个段，即指明使用的段寄存器。,（2）该存储单元与段起始地址（段基址）的偏移大小，即偏
12、移量。,在程序设计中，一个程序将存储器划分成多少个存储段是任意的。但在程序运行的任何时刻最多只能有用CS、DS、ES和SS分别指定的4个当前段。,19,三、指令指针IP,CPU在运行程序时，以IP的内容作为将要执行指令在内存中的存放地址的偏移量，以段寄存器CS作为代码段的基址指针，即以CS和IP的内容共同构成了一条指令的存放地址。,CPU根据CS和IP寄存器的内容到内存中去取指令，当取出一条指令后，IP内容自动修改为指向下一条指令。,.,.,.,CS,IP,偏移量,代码段基址,CPU,下一条指令,正在执行的指令,20,子程序调用指令CALL，将IP原有内容自动压入堆栈，而将子程序的入口地址偏移
13、量自动送入IP，而返回指令RET，又自动从堆栈中弹回原有IP的内容。,转移指令将指令中的目的地址的偏移量送入IP,例如，下面两种指令就可以自动改变IP寄存器的内容。,注意：IP的内容不能被直接进行访问，即不能用指令去读IP的值 ，也不能用指令给它赋值。但是可以通过某些指令的执行而自动修改IP的内容。,21,四、标志寄存器,标志寄存器是用来反映CPU在程序运行时的某些状态，如是否有进位、奇偶性、结果的符号、结果是否为零等等。,8086/8088CPU中标志寄存器的长度为16位，但其中只有9位才有意义。,15,14,13,12,11,10,9,8,7,6,5,4,3,2,1,0,OF,DF,IF,
14、TF,SF,ZF,AF,PF,CF,进位位,奇偶位,零值位,辅助进位位,单步标志位,符号位,中断允许位,方向位,溢出位,22,1. 进位位CF,在进行算术运算时，若最高位（对字操作是第15位，字节操作是第7位）产生进位或借位时CF被自动置“1”，否则置“0”。,在移位类指令中，CF也被用来存放从最高位（左移时）或最低位（右移时）移出的数值（0或1）。,2. 奇偶位PF,当指令操作结果的低8位中含有1的个数为偶数时，则PF被置1，否则PF被置0。,注意：PF只反映操作结果的低8位的奇偶性，与指令操作数的长度无关。,23,3. 辅助进位位AF,在进行算术运算时，若低字节的低四位向高4位产生进位或借
15、位，即第3位产生进位或借位时，AF位被置1，否则置0。AF标志位用于十进制运算的调整。,注意：AF只反映运算结果低八位，与操作数长度无关。,4. 零值位ZF,若运算结果各位全为0，则ZF被置1，否则置0。,5. 符号位SF,将运算结果视为带符号数，当运算结果为负数时SF被置1，为正数时，则置0。,24,由于第7位是字节操作数的符号位，而第15位是字操作数的符号位，因此，SF位与运算结果的最高位（第7位或第15位）相一致。,6.溢出位OF,当运算结果超过机器用补码所能表示数的范围时，则OF置1，否则置0.,字节数据，机器用补码所能表示的数范围为-128+127。 字数据的表示范围为：-32768+32767,注意：溢出与进位是两个完全不同的概念，不能相互混淆。,25,例如：计算 -85D+（-1D）=-86D,10101011 B,+）11111111 B,10101010 B,1,-86D,计算 100 D+100 D =200 D,01100100 B,+）01100100 B,11001000 B -56 D,CF=0，OF=1, 结果发生溢出，即结果出错。,进位被丢弃,CF
