第2章16位微处理器.ppt

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1、第第2 2章章16位微处理器计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机的硬件组成n计算机的组成部分运算器进行运算的部件；存储器记忆原始数据、运算程序及运算结果的部件；控制器发出各种控制信息，以便使计算机各部件协调工作的部件；输入、输出设备将原始数据及运算程序输入计算机，并将结果及其它信息输出的部件。计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机的硬件组成CPU地址寄存器MR数据寄存器DR指令寄存器IR译码器通用寄存器1通用寄存器2通用寄存器n程序计数器PC堆栈指针SP时序产生器暂存器ALU累加器标志寄存器操作操作控制器控制器控

2、制总线地址总线数据总线ALU(Arithmetic and Logic Unit)：主要完成对二进制数据的算术运算、逻辑运算和各种移位操作。PC(Program Counter)：取指令的地址，存放下面要执行的指令的地址，取指令后自动加1。用来保存参加运算的操作数和运算的中间结果。根据二进制的机器指令产生完成指令功能的微操作。根据译码器产生的微操作，产生控制各个部件的信号，控制各个部件完成指令的功能。产生时基信号为各功能部件提供定时基准。计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础存储器分段管理机制存储器分段管理机制 8086/8088的内部寄存器只有16位，为达到

3、寻址1MB存储空间的目的，采用分段方法 分段方法：将1MB的物理存储空间分成若干个逻辑段，每个逻辑段的最大长度为64KB 采用存储器分段管理后，用户编程使用逻辑地址，由段地址和段内偏移地址两部分组成，两者都是16位，段基址由段寄存器指示。物理地址=段寄存器*16+偏移地址nCPU访问存储器时，地址总线AB上送出的是物理地址（20位地址码）。n逻辑地址转换成物理地址是由BIU中的地址加法器完成的。计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础2.12.1 8086/8088内部寄存器 8086寄存器组又称为8086的程序设计模型 它是程序设计中惟一可见的CPU部件 它是

4、系统程序设计员的操作对象 含14个16位寄存器，按功能可分为三类：通用寄存器，8个 段寄存器，4个 控制寄存器，2个计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础8086/8088 寄存器SPIPFLAGSAHALBHBLCHCLDHDLAXBXCXDXBPSIDICSDSESSS通用寄存器控制寄存器段寄存器16位16位计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础1、通用寄存器 数据寄存器（AX，BX，CX，DX）地址指针寄存器（SP，BP）变址寄存器（SI，DI）计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础地址

5、指针寄存器SP：堆栈指针寄存器其内容为堆栈栈顶的偏移地址；任何堆栈操作后，SP都会自动增/减量。BP：基址指针寄存器在间接寻址间接寻址中用于存放操作数的基地址；常用于访问存放在堆栈中的数据。计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础变址寄存器nSI：源变址寄存器，用于访问源操作数nDI：目标变址寄存器，用于访问目的操作数常用于操作数的间接寻址间接寻址或变址寻址变址寻址。在串操作指令中，SI存放源操作数的偏移地址，而DI存放目标操作数的偏移地址。计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础二、段寄存器用于存放逻辑段的段基地址（简称段地址）

6、CS：代码段寄存器。代码段存放指令代码DS：数据段寄存器 ES：附加段寄存器SS：堆栈段寄存器：指示堆栈区域的位置这两个段存放操作数这两个段存放操作数堆栈段SS数据段DS/ES代码段CS计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础三、控制寄存器nIP：指令指针寄存器其内容为下一条要执行的指令的偏移地址。nFLAGS：标志寄存器存放指令执行结果的特征：n有些指令（如算术指令）要改变FLAGS的内容(影响FLAGS)；n有些指令对FLAGS无影响。6个状态标志位（CF，SF，AF，PF，OF，ZF）3个控制标志位（IF，TF，DF）ODITSZAPC1502467891

7、011FLAGS计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础 2.2 8086CPU的功能结构n8086内部由两部分组成：执行单元（EU）总线接口单元（BIU）计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础n8086内部由两部分组成：执行单元（EU）+总线接口单元（BIU）计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础总线接口部件功能：n从内存中取指令到指令预取队列IPQ；n负责与内存或I/O接口之间的数据传送；n在执行转移指令时，BIU将清除IPQ，然后从转移的目的地址处开始取指令并重新填充IPQ。计算机硬件技术

8、基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础执行部件n功能：执行指令，具体操作如下 从IPQ中取指令代码 译码 完成指定的操作 结果保存到目的操作数 运算特征保存在标志寄存器FLAGS（仅对影响标志的指令）计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础80868086操作方式比较操作方式比较取指令取指令指令指令译码译码取操取操作数作数执行执行指令指令存放存放结果结果 CPU执行一条指令的过程类似于工厂生产流水线，被分 解为多个小的步骤，称为指令流水线。数据和程序指令控制器的调度分配ALU等 功能部件处理后的数据存储器输出计算机硬件技术基础计算机硬件技术基

9、础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础CPU的工作过程举例n作为一个例子，说明Intel x86 CPU指令 ADD AX,3000H 的执行过程。指令的机器指令(03060030H)存放在存储器的指定单元，执行该指令前，CPU的程序计数器PC存放着该存储器单元的地址。机器指令中0306为操作码及其寻址方式定义，0030为源操作数地址。(AX)+(3000H)(AX)CPU存储器存储器地址总线数据总线控制总线计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础CPU的工作过程举例n步骤1取指令地址寄存器MR数据寄存器DR指令寄存器IR译码器通用寄存器1通用寄存器2通用寄存器

10、n程序计数器PC堆栈指针SP时序产生器暂存器ALU累加器标志寄存器操作操作控制器控制器控制总线地址总线数据总线地址地址存储器存储器存储器存储器机器指令机器指令存储器读命令存储器读命令存储器存储器更新PC的值，指向下一条指令计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础CPU的工作过程举例n步骤2指令译码地址寄存器MR数据寄存器DR0306 0030译码器通用寄存器1通用寄存器2通用寄存器n程序计数器PC堆栈指针SP时序产生器暂存器ALU累加器标志寄存器操作操作控制器控制器控制总线地址总线数据总线(AX)累加器累加器计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础

11、计算机硬件技术基础CPU的工作过程举例n步骤3取数据地址寄存器MR数据寄存器DR0306 0030译码器通用寄存器1通用寄存器2通用寄存器n程序计数器PC堆栈指针SP时序产生器暂存器ALU累加器标志寄存器操作操作控制器控制器控制总线地址总线数据总线数据数据暂存器暂存器数据地址数据地址存储器存储器存储器读命令存储器读命令存储器存储器计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础CPU的工作过程举例n步骤4执行 ADD地址寄存器MR数据寄存器DR0306 0030译码器通用寄存器1通用寄存器2通用寄存器n程序计数器PC堆栈指针SP时序产生器暂存器+累加器标志寄存器操作操作

12、控制器控制器控制总线地址总线数据总线标志标志和和计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础CPU的工作过程举例n步骤5存数据地址寄存器MR数据寄存器DR0306 0030译码器通用寄存器1通用寄存器2通用寄存器n程序计数器PC堆栈指针SP时序产生器暂存器ALU累加器标志寄存器操作操作控制器控制器控制总线地址总线数据总线和和寄存器寄存器计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础2.3 80862.3 8086操作模式及引脚信号操作模式及引脚信号一.8086两种工作模式：最小模式和最大模式 最小模式不支持8087。存储器和I/O控制信号全

13、部由CPU产生。最大模式支持8087。CPU的部分信号线被用作8087的控制，因此需要由8288总线控制器来产生这些控制信号。计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础最小模式下的连接示意图8086CPU控制总线控制总线数据总线数据总线地址总线地址总线地址地址锁存器锁存器数据总线数据总线缓冲器缓冲器ALE时钟发时钟发生生 器器8284A地址地址/数据数据82868282Vcc MN/MXDENDT/R计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础最大模式下的连接示意图8088CPU数据总线数据总线地址总线地址总线地址地址锁存器锁存器数据总

14、线数据总线缓冲器缓冲器时钟发时钟发生生 器器总总 线线控制器控制器控制总线控制总线8284A8288ALECLK MN/MX82828286GND计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础二种工作模式下共用引脚（1）AD15AD0：分时复用的地址/数据引脚，具有双向、三态功能。在总线周期的第一个时钟周期T1用来输出要访问的存储单元或I/O端口的低16位地址A15A0。（2）A19/S6A16/S3：分时复用的地址/状态线，输出、三态。在总线周期的第一个时钟周期T1用来输出被访问存储器的20位物理地址的最高4位（A19A16）。在其它时钟周期，则用来输出状态信息。（

15、引脚图见下页）计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础二、8086CPU的引线及功能引脚定义方法大致分为：引脚定义方法大致分为：n每个引脚只传送一种信息（如RD）n电平的高低代表不同的含义（如M/IO）n在不同模式下有不同的名称和定义（如WR/LOCK）n分时复用引脚（如AD15AD0）n引脚的输入、输出分别传送不同的信息（如RQ/GT0）计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础最小模式下的主要引线nMN/MX 工作模式控制=0（接地）：工作于最大模式；=1（

16、接Vcc）：工作于最小模式。计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础最小模式下的主要引线地址总线、数据总线：nAD15AD0：三态地址/数据复用引脚。ALE=1时作为地址线A16A0，ALE=0时作为数据线D16D0。传送地址时为输出，传送数据时为双向。nA19-A16/S6-S3：输出，三态地址/状态复用引脚。ALE=1时作为地址线A19A16，ALE=0时作为控制信号。计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础最小模式下的主要引线控制信号：nWR：输出，三态写选通信号，表示CPU正在写数据到MEM或I/O设备。nRD：输出，三态

17、读信号，表示CPU正在从总线上读来自于MEM或I/O设备的数据。nM/IO：输出，三态区分是读写存储器还是读写I/O端口（即地址总线上的地址是存储器地址还是I/O端口地址）。计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础最小模式下的主要引线nDEN：输出，三态数据总线允许信号。用来打开外部数据总线缓冲器。nDT/R：输出，三态表明CPU正在传送还是接收数据，用作外部数据总线缓冲器的方向控制；nALE：输出地址锁存允许信号，表示地址/数据总线上传输的是地址信号。计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础最小模式下的主要引线nRESET：输入

18、 复位信号，保持4个以上时钟周期的高电平时将引起CPU进入复位过程（IF清0，并从存储单元FFFF0H开始执行指令）；nBHE/S7：输出高8位数据总线允许。在读/写操作期间允许高高8 8位数据总线位数据总线D16D16D8D8有效（即读/写数据的高8位）。nREADY：输入准备就绪。用于与存储器或I/O接口的同步。=0时CPU进入等待状态（插入1个或多个等待周期）。计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础中断请求和响应信号nINTR：输入可屏蔽中断请求输入端，CPU要检查IF状态nNMI：输入非屏蔽中断请求输入端，CPU不检查IF状态nINTA：输出中断响应信

19、号，表示CPU已进入中断响应周期。此信号常用来选通中断向量号。计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础2.4 8086/80882.4 8086/8088存储器组织n8086可访问1MB的存储空间（为什么？）哪个寄存器能够放得下20位的地址？用分段分段的方法解决。n段是存储器中的一块区域段起始于存储器内16字节整倍数的边界处。n段首地址的最低4位一定为0n用段和偏移的组合访问存储单元每个段最大为64KB，最小为16B（为什么？）所有存储单元的地址都由段地址加偏移地址组成段地址被装入段寄存器中以供寻址使用偏移地址用于在64KB存储器段内选择任一单元计算机硬件技术基

20、础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础段和偏移n设段起始地址=60000Hn段地址n偏移地址0FFFFH6A000H12H60000H6 0 0 0段寄存器偏移地址A000H 0 0 0 0段地址段地址(16位位)段起始地址段起始地址 计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础物理地址和逻辑地址n物理地址:存储单元的硬件地址物理地址=段地址16(或段地址左移4位)+偏移地址n逻辑地址:段和偏移形式的地址逻辑地址用于汇编语言程序设计以下地址都是逻辑地址的例子：n2500H:0100Hn段地址A000Hn偏移地址0001H计算机硬件技术基础计算机硬件

21、技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础例1n已知CS=1055H，DS=250AH ES=2EF0H，SS=8FF0H 数据段中某操作数偏移地址=0204H各段首地址=?画出各段在内存中的分布该操作数的物理地址=?n这个例子说明：段与段可以不连续段之间可以重叠10550H250A0H2EF00H8FF00HDS段段ES段段SS段段 CS段段计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础默认段和偏移寄存器n8086规定了访问存储器段的规则：此规则定义了段地址寄存器和偏移地址寄存器的组合方式，其默认规则如下表：段地址默认偏移地址用于访问CSIP指令SSSP、BP堆栈中的数据DSBX、DI、SI、8位或16位数数据段中的数据ES串指令的DI目标串操作数计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础25 80868088的不足的不足 微机技术与时俱进，现在已经进入了64位双核的微处理器时代。8086之所以被历史淘汰，是因为其性能与现在微处理器相比相形见绌，主要表现在以下几个方面。1存储器容量小2时钟频率低3计算精度低4技术含量低5存取速度低 本教材下面几章将要描述的是32位微处理器上配备的技术，其主要目的为读者领略微机领域内的先进技术，跟上世界微机领域内的先进水平。