第2章 典型微处理器.ppt
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1、 本章主要教学内容本章主要教学内容 8086微处理器内部组成、寄存器结构微处理器内部组成、寄存器结构 8086微处理器的外部引脚特性和作用微处理器的外部引脚特性和作用 8086微处理器的存储器和微处理器的存储器和I/O组织组织 8086的时序和总线概念以及最小的时序和总线概念以及最小/最大工作方式最大工作方式 80X86和和Pentium系列微处理器的组成结构及特点系列微处理器的组成结构及特点第第2章章典型微处理器典型微处理器 1 本章教学目的及要求本章教学目的及要求 通通过过学学习习,使使学学生生掌掌握握8086微微处处理理器器的的基基本本应应用用;熟熟悉悉8086微微处处理理器器的的组组成
2、成及及其其寄寄存存器器结结构构;掌掌握握8086微微处处理理器器的的存存储储器器和和I/O组织。组织。第第2章章典型微处理器典型微处理器 2 2.1 Intel 8086微处理器微处理器Intel8086微处理器是典型的16位微处理器,它采用高速运算性能的HMOS工艺制造,芯片上集成了2.9万只晶体管,使用单一的+5V电源,40条引脚双列直插式封装,有16根数据线和20根地址线,可寻址的地址空间为1MB(220B),时钟频率为5MHz10MHz,基本指令的执行时间为0.3ms0.6ms。第第2章章典型微处理器典型微处理器 3 8086 CPU的特点是:采用并行流水线工作方式,通过设置指令预取队
3、列实现;对内存空间实行分段管理,将内存分为4个段并设置地址段寄存器,以实现对1MB空间的寻址;支持多处理器系统;8086可工作于两种模式下,即最小模式和最大模式。8086还具有多重处理能力,使它能极方便地和浮点运算器8087、I/O处理器8089或其他处理器组成多处理器系统,从而极大地提高了系统的数据吞吐能力和数据处理能力。第第2章章典型微处理器典型微处理器 42.1.1 8086微处理器的内部结构微处理器的内部结构 Intel 8086微处理器内部安排了两个逻辑单元,即执行部件EU(Execution Unit)和总线接口部件BIU(Bus Interface Unit),其组成结构如图2-
4、1所示。第第2章章典型微处理器典型微处理器 561.执行部件执行部件EU执行部件EU负责指令的译码、执行和数据运算,它由算术逻辑单元(ALU)、8个通用寄存器,1个状态标志寄存器、1个数据暂存寄存器和EU控制电路等组成。执行部件EU的基本功能是:从总线接口部件BIU的指令队列中取出指令代码,经过指令译码器译码后执行该指令所规定的操作功能。EU中的各个部件都通过16位的ALU数据总线连接在一起,在内部可实现快速的数据传输。第第2章章典型微处理器典型微处理器 7 2.1.2 8086的寄存器的寄存器 8086CPU中可供编程使用的有14个16位寄存器,按其用途可分为8个通用寄存器、2个控制寄存器和
5、4个段寄存器,如图2-2所示。第第2章章典型微处理器典型微处理器 8累加器AHALBHBLCLDHDLCHSPSIDIIPFLAGSCSDSSSESBP基址寄存器计数寄存器数据寄存器堆栈指针寄存器基址指针寄存器源变址寄存器目的变址寄存器指令指针寄存器标志寄存器代码段寄存器段寄存器附加段寄存器堆栈段寄存器数据寄存器地址指针和变址寄存器控制寄存器通用寄存器数据段寄存器9 1.通用寄存器通用寄存器是一种面向寄存器的体系结构,操作数可以直接存放在这些寄存器中。(1)数据寄存器:有4个16位的寄存器,其典型功能归纳如下:AX:累加器,用于完成各类运算和传送、移位等操作;BX:基址寄存器,在间接寻址中用于
6、存放基地址;CX:计数寄存器,用于在循环或串操作指令中存放计数值;DX:数据寄存器,在间接寻址的I/O指令中存放。此外,还可将每个16位的寄存器分成独立的两个8位寄存器来使用,即AH、BH、CH、DH和AL、BL、CL、DL两组。16位数据寄存器主要用于存放常用数据,也可存放地址,而8位寄存器只能用于存放数据。第第2章章典型微处理器典型微处理器 10 (2)指针与变址寄存器:8086的指针寄存器和变址寄存器都是16位寄存器,一般用来存放偏移地址,4个寄存器的功能如下:SP:堆栈指针寄存器,保存位于当前堆栈段中的数据,其内容为栈顶的偏移地址。BP:基址指针寄存器,在访问内存时存放内存单元的偏移地
7、址,或用来存放位于堆栈段中的一个数据区基址的偏移地址。SI:源变址寄存器,用来存放源操作数的偏移地址。DI:目的变址寄存器,用来存放目的操作数的偏移地址。第第2章章典型微处理器典型微处理器 11 2.控制寄存器(1)指令指针寄存器IP:由于指令代码是存放在存储器的代码段中,代码段寄存器CS指示代码段的开始,16位指令指针寄存器IP用来指示当前指令在代码段的偏移位置。CPU利用CS和IP取得要执行的指令,然后修改IP中的内容,使之指向BIU要取的下一条指令的偏移地址。指令序列执行时,每取一次指令IP就自动加1,这样保证按顺序取出指令并执行相应操作。需要注意的是,IP是指令代码存放单元的地址指针,
8、不能用指令取出IP或给IP设置给定值,但可以通过某些指令(如转移类指令)来修改IP的内容。第第2章章典型微处理器典型微处理器 12(2)标志寄存器FLAG:FLAG用于反映指令执行结果或控制指令执行的形式。它是一个16位的寄存器,共有9个可用的标志位,其余7个位空闲不用。各种标志按作用可分为两类:6个状态标志:CF-进位标志;PF-奇偶标志;AF-辅助进位标志;ZF-零标志;SF-符号标志;OF-溢出标志3个控制标志:TF-陷阱标志或单步操作标志:IF-中断允许标志;DF-方向标志第第2章章典型微处理器典型微处理器 133.段寄存器(1)代码段(Code Segment):用来存放程序和常数。
9、系统在取指时将寻址代码段,其段地址和偏移地址分别由段寄存器CS和指令指针IP给出。(2)数据段(Data Segment):用于数据的保存。用户在寻址该段内的数据时,可以缺省段的说明,其偏移地址可通过多种寻址方式形成。第第2章章典型微处理器典型微处理器 14(3)堆栈段(Stack Segment):“堆栈”是数据的一种存取方式,按照“先进后出”的方式操作。堆栈指针SP用来指示栈顶。堆栈为保护、调度数据提供了重要的手段。系统在执行栈操作指令时将寻址堆栈段,这时,段地址和偏移地址分别由段寄存器SS和堆栈指针SP提供。(4)附加数据段(ExtraSegment):该段用于数据的保存。用户在访问段内
10、的数据时,其偏移地址同样可以通过多种寻址方式来形成,但在偏移地址前要加上段的说明(即段跨越前缀ES)。第第2章章典型微处理器典型微处理器 152.1.3 8086CPU引脚功能引脚功能 8086CPU具有40个引脚,采用双列直插式的封装形式,如图2-4所示。数据总线为16条,地址总线为20条,其余为状态线、控制信号线、电源、地线等。地址/数据总线采用了分时复用方式,即一部分引脚具有双重功能,例如AD15AD0这16个引脚,有时传送数据信号,有时可输出地址信号。第第2章章典型微处理器典型微处理器 16图2-48086CPU引脚图172.1.4 存储器和存储器和I/O组织组织1.存储器组织存储器内
11、部是按字节进行组织的,两个相邻的字节被称为一个“字”。8086CPU在组织1M字节的存储器时,其存储空间被分成两个512K字节的存储体:固定与CPU的低位字节数据线D7D0相连的称为低字节存储体,该存储体中的每个地址均为偶数;固定与CPU的高位字节数据线D15D8相连的称为高字节存储体,该存储体中的每个地址均为奇数。两个存储体之间采用字节交叉编址方式,如图2-5所示。第第2章章典型微处理器典型微处理器 1800001H00000H00003H00002H00005H00004H512K8(位)512K8(位)高字节存储体低字节存储体(奇地址存储体)(偶地址存储体)(A0=1)(A0=0)FFF
12、FDHFFFFCHFFFFFHFFFFEH图2-58086存储器的分体结构192.存储器分段 8086系统中采用20位地址线来寻址1M字节的存储空间。由于CPU内所有的寄存器都只有16位,只能寻址64KB(216字节)。因此,把整个存储空间分成若干逻辑段,每个逻辑段的容量最大为64KB。CPU允许各个逻辑段在整个存储空间中浮动,它们可以紧密相连,也可以相互重叠,还可以分开一段距离,如图2-7所示。第第2章章典型微处理器典型微处理器 20213逻辑地址(LA)和物理地址(PA)物理地址:就是存储器的实际地址,它是指CPU和存储器进行数据交换时所使用的地址(20位)。逻辑地址:是在程序中使用的地址
13、,它由段地址和偏移地址两部分组成(16位)。逻辑地址的表示形式为“段地址偏移地址”。物理地址物理地址=段地址段地址10H偏移地址偏移地址第第2章章典型微处理器典型微处理器 224.I/O端口组织8086的I/O端口有以下两种编址方式:(1)统一编址:该方式将I/O端口地址置于1MB的存储器空间中,把它们看作存储器单元对待,每个端口占用一个存储单元的地址。CPU访问存储器的指令和各种寻址方式都可用于寻址I/O端口。优点是不需要专门的I/O指令,对I/O端口操作的指令类型多,数据存取灵活,方便进行I/O程序的设计;缺点是I/O端口要占用部分存储器的地址空间,程序不易阅读,不容易区分哪些指令在访问存
14、储器,哪些指令在访问外部设备。第第2章章典型微处理器典型微处理器 23(2)独立编址:该方式的端口单独编址构成一个I/O空间,不占用存储器地址。CPU设置了专门的输入/输出指令(IN和OUT)和接口控制信号来访问I/O端口。8086CPU使用16条地址线A15A0来作为访问I/O端口的地址线,可访问最多64K容量的8位端口或32K容量的16位端口。独立编址的优点是I/O端口的地址空间独立,控制电路和地址译码电路比较简单,采用专用的I/O指令,使得端口操作的指令在形式上与存储器操作指令有明显区别,程序编制清晰,阅读容易;缺点是输入/输出指令类别少,一般只能进行传送操作。第第2章章典型微处理器典型
15、微处理器 242.1.5 总线操作及时序总线操作及时序 8086CPU的操作是在时钟CLK统一控制下进行的,以便使取指令和传送数据能够协调地工作。8086CPU经外部总线对存储器或I/O端口进行一次信息的输入或输出过程,称为总线操作,执行该操作所需要的时间,称为总线周期。一个总线周期通常包括T1、T2、T3、T4状态,即4个时钟周期。不同的总线操作需要不同的总线信号,对这些信号的变化进行时间顺序的描述称为“总线时序”第第2章章典型微处理器典型微处理器 2518284A时钟信号发生器时钟信号发生器8284A是Intel公司专为8086设计的时钟信号发生器,能产生8086所需的系统时钟信号,即系统
16、主频。8284A除提供恒定的时钟信号外,还对外界输入的准备就绪信号RDY和复位信号进行同步操作。8284A芯片的引脚特性如图2-9所示。第第2章章典型微处理器典型微处理器 26图2-98284A引脚特性27其工作原理简述如下:当外界的准备就绪信号RDY输入8284A,经时钟下降沿同步后,输出READY信号作为8086的准备就绪信号;外界的复位信号输入8284A,经整形并由时钟的下降沿同步后,输出RESET信号作为8086的复位信号,其宽度不得小于4个时钟周期。采用脉冲发生器作为振荡源时只需将脉冲发生器的输出端和8284A的EFI端相连,引脚F/接为高电平即可;采用石英晶体振荡器作为振荡源时只需
17、将晶体振荡器连在8284A的X1和X2两端,将引脚F/接地即可。不管采用哪种方法,8284A输出的时钟频率CLK应该是振荡源频率的1/3,振荡源频率经过驱动后,再由OSC端输出供系统使用。第第2章章典型微处理器典型微处理器 28 2 280868086总线周期总线周期通常,计算机执行一条指令所需要的时间称为一个指令周期。而一个指令周期是由若干个总线周期所组成的,一个总线周期是CPU通过总线与存储器或外部设备进行一次数据传输所需的时间。为了保证总线的读/写操作,8086的总线周期至少要由4个时钟周期组成,每个时钟周期称为T状态。时钟周期是CPU的基本时间计量单位,由主频决定。对于8086来讲,其
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