河科大微机原理第2章1A.ppt
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1、2 80862 8086微处理器微处理器p微处理器(微处理器(Micro Processing Unit),),即微型化的中央处理器。中央处理器即微型化的中央处理器。中央处理器CPU的英文全称是的英文全称是Central Processing Unit。早期微处理器以早期微处理器以MPU表示,以区表示,以区别于大型主机的多芯片别于大型主机的多芯片CPU。但现在但现在已已经不加区分,都用经不加区分,都用CPU表示。表示。1CPU性能指标u主频主频:即微处理器时钟频率。如Pentium4 2GHzn同系列的微处理器,主频越高,速度越快。n但主频相同的微处理器,速度不一定都相同,因结构有差异u外频:
2、外频:微处理器外部总线工作频率。如Pentium4 2GHz的外频为400MHzu地址线宽度:地址线宽度:决定访存空间。如36位地址线访问236=64GB存储单元u数据线宽度:数据线宽度:决定了字长,决定微处理器与外部存储器、输入/输出部件之间一次交换的二进制数据位数。如8、16、32、64位。2u高速度缓存(CACHE):L1/L2Write-through缓存,只对读有效write-back缓存,对读写都有效u内置协处理器:加快数值运算u超标量结构:一个时钟周期内执行一条以上的指令。低标量结构:一条指令至少需要一个以上的时钟周期u工作电压:微处理器正常工作所需要的电压,早期为5V,后来有3
3、.3V,2.8V,1.5V等。u制造工艺:晶体管之间的最小线距,0.35m,0.25m,0.18m,0.13m,45nm,32nm等38086/8088微处理器8086:Intel系列的系列的16位微处理器,位微处理器,16条数据线、条数据线、20条地址线,可寻址地址范围条地址线,可寻址地址范围220=1MB,8086工作时,工作时,只要一个只要一个 5V 电源和一个时钟,时钟频率为电源和一个时钟,时钟频率为5MHz。8088:内部与内部与8086兼容,也是一个兼容,也是一个16位微处理器,位微处理器,只是外部数据总线为只是外部数据总线为8位,所以称为准位,所以称为准16位微处理器。位微处理器
4、。它具有包括乘法和除法的它具有包括乘法和除法的16位运算指令,所以能处位运算指令,所以能处理理16位数据,还能处理位数据,还能处理8位数据。位数据。8088有有20根地址根地址线,所以可寻址的地址空间达线,所以可寻址的地址空间达220即即1M字节。字节。42.1 8086CPU的内部结构的内部结构1.8086CPU的组成的组成CPUEUBIU16位通用寄存器组位通用寄存器组(AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI、DI)算术逻辑单元算术逻辑单元ALUEU控制器控制器标志寄存器标志寄存器FLAG段寄存器组段寄存器组(CS、DS、SS、ES)指令指针指令指针IP地址加法器地址加法器指令队列指令队
5、列总线接口控制逻辑总线接口控制逻辑EUEU负责指令的执行,负责指令的执行,从从BIUBIU的指的指令队列中取指令和数据,不直接令队列中取指令和数据,不直接与外部总线相连与外部总线相连BIUBIU根据根据EUEU的请求,完成的请求,完成CPUCPU与存与存贮器或贮器或I/OI/O设备之间的数据传送设备之间的数据传送58086的内部结构1234内部暂存器内部暂存器IPESSSDSCS输入输入/输出输出控制电路控制电路外外部部总总线线执行部分执行部分控制电路控制电路ALU标志寄存器标志寄存器AHALBHBLCHCLDHDLSPBPSIDI通用通用寄存器寄存器地址地址加法加法器器指令队列指令队列执行部
6、件执行部件(EU)总线接口部件总线接口部件(BIU)16位位20位位8位位8位位返回返回6取指取指执指执指BIU动作动作EU动作动作7一一一一 、执行部件、执行部件、执行部件、执行部件EUEU(功能为负责指令的执行)(功能为负责指令的执行)(功能为负责指令的执行)(功能为负责指令的执行)作用:作用:1)从指令队列中取出指令。)从指令队列中取出指令。2)对指令进行译码,发出相应的控制信号。)对指令进行译码,发出相应的控制信号。3)接收由总线接口送来的数据或发送数据至接口。)接收由总线接口送来的数据或发送数据至接口。4)进行算术逻辑运算。)进行算术逻辑运算。8执行部件的组成执行部件的组成(1)四个
7、数据寄存器)四个数据寄存器AX、BX、CX、DX。四个数据寄存器都是四个数据寄存器都是16位或作两个位或作两个8位来使用。位来使用。AX:累加器。可分成两个八位寄存器累加器。可分成两个八位寄存器AH、AL使用。使用。BX:基基址址寄寄存存器器。可可分分成成两两个个八八位位寄寄存存器器BH、BL使用。使用。CX:为为计计数数器器。可可分分成成两两个个八八位位寄寄存存器器CH、CL使用。使用。DX:数据寄存器数据寄存器。可分成两个八位寄存。可分成两个八位寄存器器DH、DL使用。使用。9(2)地址指针寄存器和变址寄存器)地址指针寄存器和变址寄存器 SP、BP、SI、DI,都都是是16位位寄寄存存器器
8、,可可存存放放数数据据,常常用用来来存存放放逻逻辑辑地地址址的的偏偏移移量量,是形成是形成20位物理地址的其中一部分。位物理地址的其中一部分。SP:堆栈指针堆栈指针,是栈顶的偏移量。,是栈顶的偏移量。BP:基址指针基址指针,存放堆栈数据区基址的偏移地址。,存放堆栈数据区基址的偏移地址。SI:源变址寄存器源变址寄存器,存放源操作数地址的偏移量。,存放源操作数地址的偏移量。DI:目的变址寄存器目的变址寄存器,存放目的操作数地址的偏移量,存放目的操作数地址的偏移量10AXBXCXDX目的变址指针(Destination Index)DI源变址指针(Source Index)SI基址指针(Base P
9、ointer)BP堆栈指针(Stack Pointer)SP数据寄存器(Data)DLDHDX计数寄存器(Count)CLCHCX基址寄存器(Base)BLBHBX累加器(Accumulator)ALAHAX数据寄存器数据寄存器 可分为两个可分为两个8 8位,主要用位,主要用于数据操作于数据操作地址指针地址指针主要用于主要用于地址操作地址操作1616位位位位8 88 811一般,通用寄存器可以用于任何指令的任意操作,可以相互替换16位的数据寄存器可分解为2个8位使用,是同一个物理介质地址寄存器不能分解为8位使用有些操作规定只能使用某个寄存器,即寄存器的特殊用法12通用寄存器的特殊用法(默认用法
10、)寄存器特 殊 用 法AX,AL乘法乘法/除法指令,作累加器;除法指令,作累加器;I/O操作时,作数据寄存器操作时,作数据寄存器AH在在LAHF指令中用作目的寄存器指令中用作目的寄存器(AH)标志标志)AL在在BCD码及码及ASCII码运算指令中作为累加器;码运算指令中作为累加器;在在XLAT指令中作为累加器(指令中作为累加器(AL)(AL)(BX))BX在间接寻址中作为基址寄存器和变址寄存器在间接寻址中作为基址寄存器和变址寄存器CX在循环程序中,作循环次数计数器在循环程序中,作循环次数计数器CL在移位和循环移位指令中,作为移位位数和循环移位次数的在移位和循环移位指令中,作为移位位数和循环移位
11、次数的计数寄存器(指令执行后,(计数寄存器(指令执行后,(CL)不变)不变)DXI/O指令间接寻址时,作为地址寄存器;在乘法指令中作为指令间接寻址时,作为地址寄存器;在乘法指令中作为辅助累加器(当乘积或被除数为辅助累加器(当乘积或被除数为32位时,存放高位时,存放高16位数)位数)BP在间接寻址中,作为基址寄存器在间接寻址中,作为基址寄存器SP在堆栈操作中,作为堆栈指针在堆栈操作中,作为堆栈指针SI间接寻址时,作为地址寄存器或变址寄存器;在串操作指令间接寻址时,作为地址寄存器或变址寄存器;在串操作指令中作为源变址寄存器中作为源变址寄存器DI在间接寻址时,作为地址寄存器或变址寄存器;在串操作指在
12、间接寻址时,作为地址寄存器或变址寄存器;在串操作指令中作为目的变址寄存器令中作为目的变址寄存器13(3)算术逻辑单元)算术逻辑单元ALU 完成完成8位或者位或者16位二进制算术和逻辑运算,计算偏位二进制算术和逻辑运算,计算偏移量。移量。(4)数据暂存寄存器)数据暂存寄存器协助协助ALU完成运算,暂存参加运算的数据。完成运算,暂存参加运算的数据。(5)执行部件的控制电路)执行部件的控制电路从总线接口的指令队列取出指令操作码,通过译从总线接口的指令队列取出指令操作码,通过译码电路分析,发出相应的控制命令,控制码电路分析,发出相应的控制命令,控制ALU数数据流向。据流向。14(6)标志寄存器)标志寄
13、存器D15OFDFIFTFSFZFAFPFCF进进借借位位标标志志奇奇偶偶标标志志半半进进借借位位标标志志零零标标志志符符号号标标志志单单步步中中断断中中断断允允许许方方向向标标志志溢溢出出标标志志1-有进、借位有进、借位0-无进、借位无进、借位1-低低8位有偶数个位有偶数个10-低低8位有奇数个位有奇数个11-低低4位向高位向高4位有进、借位位有进、借位0-低低4位向高位向高4位无进、借位位无进、借位1-结果为结果为00-结果不为结果不为016位寄存位寄存器,其中有器,其中有7位未用。位未用。唯一能唯一能按位操作按位操作的寄存器的寄存器D0uu状态标志状态标志状态标志状态标志uu控制标志控制
14、标志控制标志控制标志15二、总线接口部件(BIU)pBIU负责与 M、I/O 端口传送数据、地址。n访问存储器时,需要生成20位位的物理地址;n要不断从内存中取指令并送到指令队列;nCPU执行指令时,要配合执行部件从指定的内存单元或者外设端口中取数据,并将数据传送给执行部件;或把执行部件的操作结果传送给指定的M或I/O口16总线接口部件的组成:总线接口部件的组成:(1)四个段地址寄存器)四个段地址寄存器 CS,16位位代码段寄存器代码段寄存器;DS,16位位数据段寄存器数据段寄存器;ES,16位位附加段寄存器附加段寄存器;SS,16位位堆栈段寄存器堆栈段寄存器。17p4个16位段寄存器CS、D
15、S、SS、ES用来识别当前可寻址的四个段,每个段的功能各不相同nCS:Code Segment Register代码段寄存器代码段寄存器,指示当前执指示当前执行程序所在存储器的区域行程序所在存储器的区域nDS:Data Segment Register数据段寄存器数据段寄存器,指示当前程指示当前程序所用数据的存储器区域序所用数据的存储器区域。nSS:Stack Segment Register堆栈段寄存器堆栈段寄存器,指示当前程指示当前程序所用之堆栈位于的存储器区域序所用之堆栈位于的存储器区域nES:Extra Segment Register附加段寄存器附加段寄存器,指示当前程指示当前程序所
16、用数据的另外存储器区域,在字符串操作中常用到序所用数据的另外存储器区域,在字符串操作中常用到18注意:注意:DSDS、SSSS和和ESES寄存器的内容可由程序寄存器的内容可由程序设置,而设置,而CSCS寄存器的内容不能用程序设置寄存器的内容不能用程序设置19(2)指令指针寄存器IP IPInstruction Pointer指令指针寄存器指令指针寄存器用来存储代码段中指令的用来存储代码段中指令的偏移地址偏移地址;程序运行过程中程序运行过程中IP始终指向始终指向下一次下一次要取出要取出的指令偏移地址的指令偏移地址通常不能被直接访问,也不能直接赋值,通常不能被直接访问,也不能直接赋值,指令中不会出
17、现指令中不会出现IP。20(3)指令队列缓冲器8088为为4字节,字节,8086为为6字节。为字节。为FIFO(先进先先进先出出)结构结构指令队列至少保持有一条指令,且只要有一条指令指令队列至少保持有一条指令,且只要有一条指令,EU就开始执行;就开始执行;指令队列只要有空指令队列只要有空,BIU自动执行取指操作,直到自动执行取指操作,直到填满为止;填满为止;若若EU要进行要进行M/IO存取数据存取数据,BIU在执行完现行取在执行完现行取指操作周期后进行。指操作周期后进行。当执行转移指令时,当执行转移指令时,EU要求要求BIU从新的地址中重从新的地址中重新取指。队列中原有指令被清除。新取得的第一
18、条新取指。队列中原有指令被清除。新取得的第一条指令直接送指令直接送EU执行,随后取得的指令填入队列执行,随后取得的指令填入队列21(4)20位地址加法器CS左移4位20位+地址加法器CS16位物理地址20位IPIP或偏移地址22EU与BIU的协同工作在一条指令的执行过程中可以取出下一条(或多条)在一条指令的执行过程中可以取出下一条(或多条)指令,指令在指令队列中排队;指令,指令在指令队列中排队;在一条指令执行完成后,就可以立即执行下一条指在一条指令执行完成后,就可以立即执行下一条指令,减少令,减少CPUCPU为取指令而等待的时间,提高为取指令而等待的时间,提高CPUCPU的利的利用率和整个运行
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- 河科大 微机 原理
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