微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1、微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)二、8086/8088微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 8086是16位的微處理器，有16位數(shù)據(jù)線和20位地址線，可尋址220個字節(jié)，即 220 =1MB=1048576B 8088是準16位微處理器，內(nèi)部為16位，外部數(shù)據(jù)線為8位。 8086是本課的重點，它主要分為兩個獨立的功能模塊，總線接口模塊BIU和執(zhí)行部件EU，它們可以并行工作。如圖所示。微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2. 1 8086 CPU內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)BIUEU微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1、總線接口部件BIU 總線接口部件負責(zé)與存儲器、輸入/輸出端口傳送數(shù)據(jù)。 總線接口部件組成： (1) 專用寄存器組：段地址寄存器CS、DS、ES、SS和指令指

2、針寄存器IP，均為16位。 (2) 地址加法器：8086在尋址1M字節(jié)地址空間時需用20位地址，這個地址就是由地址加法器產(chǎn)生的。微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 具體的說，地址加法器將段寄存器(16位)的內(nèi)容左移4位，然后與指令指針寄存器IP的內(nèi)容相加得到20位的物理地址。 例如：從內(nèi)存取指令時， (CS)5760H，(IP)=1234H，則物理地址為： 57600H+ 1234H =57934H。 這里，先將段寄存器CS左移4位（16進制數(shù)只需后面加一個零）。微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) (3) 6字節(jié)的指令隊列：總線接口部件從內(nèi)存中取來的指令放在一個緩沖區(qū)中，這個緩沖區(qū)叫指令隊列。執(zhí)行部件在執(zhí)行指令過程中從指令隊

3、列取來指令執(zhí)行。 (4) 輸入/輸出控制電路：該控制電路將8086CPU的片內(nèi)總線與系統(tǒng)總線相連，是8086CPU與外部交換數(shù)據(jù)的必經(jīng)之路。微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2、執(zhí)行部件EU(Execution Unit) 執(zhí)行部件負責(zé)執(zhí)行指令。通常，從指令隊列中取得等待執(zhí)行的指令。組成如下：(1) 算術(shù)邏輯單元ALU：完成各種運算。(2) 標志寄存器FR：用來保存ALU運算結(jié)果的一些特征信息，如運算是否進位。(3) 通用寄存器組：數(shù)據(jù)寄存器AX,BX,CX,DX和寄存器BP,SP,SI及DI，均16位。(4) 執(zhí)行部件控制電路微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3、BIU和EU的管理 BIU和EU可以并行工作，提高CPU效率

4、。BIU監(jiān)視著指令隊列。當(dāng)指令隊列中有2個空字 節(jié)時，就自動把指令取到隊列中。(2) EU執(zhí)行指令時，從指令隊列頭部取指令，然后 執(zhí)行。如需訪問存儲器，則EU向BIU發(fā)出請求， 由BIU訪問存儲器。(3) 在執(zhí)行轉(zhuǎn)移、調(diào)用、返回指令時，需改變隊列 中的指令，要等新指令裝入隊列中后，EU才繼 續(xù)執(zhí)行指令。微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4、寄存器結(jié)構(gòu) (1) 通用寄存器組 8086CPU有8個16位的通用寄存器，分2組。 通用數(shù)據(jù)寄存器：AX,BX,CX,DX，用來存放數(shù)據(jù)或地址，一個16位寄存器也可以當(dāng)作兩個8位寄存器用，此時表示為AH,AL；BH,BL；CH,CL；DH,DL。 基地址寄存器BP，堆棧指針

5、寄存器SP，源變址寄存器SI和目的變址寄存器DI主要存放地址，也可以存放數(shù)據(jù)。微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) (2) 段寄存器 8086的尋址空間是1M字節(jié)，物理地址需要20位的地址碼。但CPU中的寄存器都是16位的。為解決該問題采用了存儲器分段技術(shù)。把1MB地址分段，每段64KB，其起始地址的高16位裝入一個段寄存器中，稱作段基地址，這四個段寄存器的名稱為： CS （代碼段寄存器） DS （數(shù)據(jù)段寄存器） ES （附加段寄存器） SS （堆棧段寄存器）微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 8086設(shè)置了這4個16位段寄存器，通過這四個段寄存器，CPU可以定位4個邏輯段，分別為：當(dāng)前代碼段、當(dāng)前數(shù)據(jù)段、當(dāng)前附加段和當(dāng)前堆棧

6、段。 注意，每個邏輯段在實際存儲器中的位置是可以浮動的，其起始地址的高16位裝在段寄存器中，稱作段基地址。當(dāng)程序很大，超過64KB時，則可以定義多個代碼段、數(shù)據(jù)段和附加段。 不同的邏輯段可以相交，甚至可以完全重疊。參見書上圖2. 8。 (3)指令指針寄存器IP 該寄存器的內(nèi)容用來指明將要執(zhí)行的下一條指令在代碼段中的位置。總線接口部件BIU負責(zé)修改IP寄存器的值，使它始終指向?qū)⒁獔?zhí)行的下一條指令。微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) (4) 標志寄存器FR FR主要用來標志運算結(jié)果的狀態(tài)，以及控制CPU的操作。各標志位定義如圖2. 2所示（共有9個標志）：微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 下圖是80 x86微處理器的標志寄存器

7、，從圖中可知，他們是向下兼容的。微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 標志位共有9個，6個是狀態(tài)標志，用來表示運算結(jié)果的特征，包括CF、PF、AF、ZF、SF和OF；3個是控制標志，用來控制CPU的操作，包括IF、DF和TF。 狀態(tài)標志： CF：進位標志，表示本次運算中最高位（第7位或第15位）有進位或有借位。 PF：奇偶標志。 PF=1表示本次運算中低8位有偶數(shù)個“1”； PF=0表示有奇數(shù)個“1”。 AF：輔助進位標志。 AF=1表示本次運算第3位向第4位有進位或有借位。在十進制運算中作為是否進行十進制調(diào)整的依據(jù)。 ZF：零標志。ZF=1表示本次運算結(jié)果為零，否則ZF=0 SF：符號標志。 SF=0為正數(shù)；

8、 SF=1為負數(shù)。 OF：溢出標志。 OF=1表示本次運算結(jié)果產(chǎn)生溢出，否則OF=0。所謂溢出就是指運算結(jié)果超出了相應(yīng)類型數(shù)據(jù)所能微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)表示的范圍。 控制標志： DF：方向標志，用來控制串操作指令的執(zhí)行。 DF=0則串操作指令的地址自動增量；若DF=1，則自動減量。 IF：中斷標志，用來控制對可屏蔽中斷的響應(yīng)。若IF=1則允許CPU響應(yīng)可屏蔽中斷； IF=0，則CPU不能響應(yīng)可屏蔽中斷。 TF：單步標志。若TF=1，則CPU進入單步工作方式，即CPU每執(zhí)行一條指令就自動產(chǎn)生一次內(nèi)部中斷；TF=0則CPU正常執(zhí)行。 8086以上的CPU其寄存器陣列如下圖所示，陰影部分是80386以上

9、的32位微處理器的寄存器。微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5、8088與8086的區(qū)別 8088的指令隊列只有4個字節(jié)，若出現(xiàn)1個空字節(jié)，BIU就會自動取指令補充。 8088BIU與外部交換數(shù)據(jù)是8位的，I/O控制電路與專用寄存器之間的數(shù)據(jù)總線寬度也是8位的。 8088與8086有幾個引腳的意義有不同，參見下一節(jié)。微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第二節(jié) CPU的外部結(jié)構(gòu) 8086/8088CPU芯片都是40條引腳的雙列直插式封裝。部分引腳采用了分時復(fù)用方式，即同一條引腳在不同的時刻具有不同的用途。如圖所示。 8086/8088CPU可有兩種工作模式，即最大模式和最小模式。不同模式下個別引腳的功能是不同的

10、。微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)GND 1 40 VCC AD14 2 39 AD15AD13 3 38 A16/S3AD12 4 37 A17/S4AD11 5 36 A18/S5AD10 6 35 A19/S6 AD9 7 34 BHE/S7 AD8 8 33 MN/MXAD7 9 8086 32 RDAD6 10 CPU 31 HOLD(RQ/GT0)AD5 11 30 HLDA(RQ/GT1)AD4 12 29 WR（LOCK） AD3 13 28 M / IO（S2） AD2 14 27 DT / R（S1） AD1 15 26 DEN （S0） AD0 16 25 ALE（QS0）NMI 17

11、 24 INTA（QS1）INTR 18 23 TESTCLK 19 22 READYGND 20 21 RESETGND 1 40 VCC A14 2 39 A15A13 3 38 A16/S3A12 4 37 A17/S4A11 5 36 A18/S5A10 6 35 A19/S6 A9 7 34 SS0 (HIGH) A8 8 33 MN/MXAD7 9 8088 32 RDAD6 10 CPU 31 HOLD(RQ/GT0)AD5 11 30 HLDA (RQ/GT1)AD4 12 29 WR（LOCK） AD3 13 28 IO / M（S2） AD2 14 27 DT / R（S1

12、） AD1 15 26 DEN （S0） AD0 16 25 ALE（QS0）NMI 17 24 INTA (QS1）INTR 18 23 TESTCLK 19 22 READYGND 20 21 RESET圖2.3 8086/8088CPU的外型與引腳微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一、8086CPU引腳15-AD0：分時復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線19/S6-A16/S3：分時復(fù)用的地址/狀態(tài)線S4S3段寄存器00ES01SS10CS（I/O，INT）11DSS5用來表示中斷標志狀態(tài)線，當(dāng)IF為1時，S5=1。 S6保持恒為0。微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3. ：總線高位有效信號4. ：讀信號5. ：寫信號6. ：存儲器

13、或I/O端口訪問信號BHEAD0總線使用情況0016位數(shù)據(jù)總線上進行字傳送01高8位數(shù)據(jù)總線上進行字節(jié)傳送10低8位數(shù)據(jù)總線上進行字節(jié)傳送11無效微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：準備就緒信號：中斷請求信號9. ：中斷響應(yīng)信號：非屏蔽中斷請求信號11. ：測試信號：復(fù)位信號：地址鎖存允許信號14. ：數(shù)據(jù)發(fā)送/接收控制信號15. ：數(shù)據(jù)允許信號：總線請求信號微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：總線請求響應(yīng)信號18. ：工作模式選擇信號：主時鐘信號cc：CPU+5V電源：電源地最大模式系統(tǒng)時2431引腳重定義如下：22. ：總線周期狀態(tài)信號23. ：封鎖信號24. ：請求/同意信號1，QS0：指令隊列狀態(tài)信號微型計算機系統(tǒng)結(jié)

14、構(gòu)二、8088CPU引腳功能 8088上有8條數(shù)據(jù)總線，所以只有AD7-AD0為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用，A15-A8只是地址線。 第28腳8086中 ，在8088中為 電平意義相反 第34腳8086中為 ，在8088中為微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第三節(jié) 存儲器結(jié)構(gòu) 8086CPU有20根地址線，它的直接尋址空間為220 = 1M字節(jié)，這1M字節(jié)空間按照00000H - FFFFFH來編址。微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一、8086系統(tǒng)中的存儲器結(jié)構(gòu)1、存儲器的組織 (1) 8086系統(tǒng)中，1M字節(jié)分為2個512K的存儲體，一個存儲體中的地址都是偶數(shù)地址，叫偶體，另一個都是奇數(shù)地址，叫做奇體。如圖所示。圖2.4 存儲體與總

15、線的連接微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) (2)訪問一個存儲體，只需19位地址，剩下一位用來區(qū)分訪問那個存儲體。A0= 0為偶存儲體，A0=1 為奇存儲體。 (3) 信號：由該信號和A0控制讀寫那個存儲體。 A0 操作（讀或?qū)懀?0 0同時訪問兩個存儲體，讀寫一個字 0 1只訪問奇地址存儲體，讀寫高字節(jié) 1 0只訪問偶地址存儲體，讀寫低字節(jié) 1 1 無操作微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) (3)讀字節(jié)和字 ，如圖2. 5所示圖2.5 讀存儲器中的字節(jié)和字操作示意圖微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2、存儲器分段微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖為邏輯段在物理存儲器中的位置。每個段的容量最大為64KB；段之間可以重疊。每個邏輯段的

16、首地址的低4位為0，即是16的整數(shù)倍，將段首地址的高16位放在段寄存器中，稱為“段基址”。而段內(nèi)的相對地址也是16位，稱為“偏移地址”。 將1MB物理存儲器空間也可用另一種分法。將20位物理地址分為兩部分，如上圖下面所示。用4位段號寄存器表示段號；16位寄存器表示段內(nèi)地址。這樣的缺點是要有一個4位寄存器，二是段的大小固定為64KB。微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3、邏輯地址和物理地址 物理地址20位是唯一可識別的字節(jié)單元地址,即存儲器的實際地址。 邏輯地址是程序設(shè)計時，根據(jù)需要產(chǎn)生的一種地址，它不是真正的單元地址。邏輯地址由段基址和偏移地址兩部分組成，它們都是16位無符號數(shù)。圖2.7 段基址和偏移地址微型

17、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 物理地址可以由邏輯地址經(jīng)過運算得到 例如：段基址 1123H 1124H 偏移地址 0013H 0003H 物理地址 11243H 11243H 可以看出，不同的段基址和偏移地址可以得到相同的物理地址。 物理地址段基址10H偏移地址 如圖所示。 微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 物理地址的形成如圖所示。 邏輯地址的來源如表2-5中所示的約定。微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4、存儲單元的地址和內(nèi)容 存儲器通常以字節(jié)編址，一個字節(jié)單元有一個唯一的存儲器地址，稱為物理地址。地址通常以16進制數(shù)表示。如36位地址總線，其地址范圍為00000000FFFFFFFFH。 一個存儲單元中存放的信息稱為該單元的內(nèi)容，圖

18、是存儲數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)類型。可見一個字要占兩個地址，其低位字節(jié) 存入低地址，高位字節(jié)存入高地址。 同理，雙字是4個字節(jié)，要占四個存儲器地址，也是低位字節(jié) 存入低地址，高位字節(jié)存入高地址。微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5、動態(tài)浮動碼 8086的段存儲器結(jié)構(gòu)，使編寫與具體位置無關(guān)的或稱動態(tài)浮動的程序成為可能。動態(tài)浮動使多道程序設(shè)計和多任務(wù)系統(tǒng)能特別有效地使用存儲器。微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)6、存儲器堆棧 存儲器堆棧由堆棧段寄存器SS和堆棧指針寄存器SP來定位，其中SS存放現(xiàn)行堆棧的基地址，SP指向堆棧頂。堆棧段是向下生長的，即棧底在堆棧的最高地址處，當(dāng)堆棧空時，SP指向棧底。 堆棧操作都是16位操作

19、，它有兩種操作，即壓棧和出棧。壓棧時，先將SP的值減2，然后將16位數(shù)據(jù)壓入新棧頂；出棧時，先從當(dāng)前棧頂取出16位數(shù)據(jù)，然后SP加2，指向新的棧頂。如圖所示。 圖中，執(zhí)行了三條指令： PUSH AX ；（AX）=1234H PUSH BX ；（BX）= 8765H POP AX ；（AX）= 8765H微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 由圖可知，堆棧棧底的一個字節(jié)單元總是不用的。微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)7、存儲器的專用和保留區(qū)Intel公司預(yù)先占用了存儲器的最高和最低地址區(qū)域。物理地址0H到7FH的128個字節(jié)用來保存中斷 號為0H到1FH的中斷向量表（32個中斷向量） 每個中斷向量占4個字節(jié)。FFFF0H到FF

20、FFFH的16個字節(jié)保留給系統(tǒng)的初始化代碼。在上電或復(fù)位時，執(zhí)行的第一條指令就在FFFF0H處。通常FFFF0H處存放一條無條件轉(zhuǎn)移指令，轉(zhuǎn)到系統(tǒng)程序的入口處。微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)二、8088系統(tǒng)中的存儲器結(jié)構(gòu) 8088與8086的存儲器結(jié)構(gòu)基本相同，區(qū)別如下： (1)8088是準16位微處理器，外部數(shù)據(jù)總線是8位的，所以1MB是單一存儲體，不分奇偶體。 (2)8088在16位操作時都要兩次訪問存儲器。微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四節(jié) 系統(tǒng)配置一、概述 8086/8088CPU有兩種工作模式，它們是由硬件決定的： 時，構(gòu)成最小模式 時，構(gòu)成最大模式 最小模式是單微處理器系統(tǒng)。 最大模式是多處理器系統(tǒng)，一

21、個為主，其他為協(xié)處理器，如8087數(shù)學(xué)協(xié)處理器，8089 I/O協(xié)處理器。微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 8086的一些引腳在不同模式時，其含義是不一樣的，如表2-6所示。微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)二、最小模式系統(tǒng) 最小模式是一個以8086為主體的單處理器系統(tǒng)，所有控制信號均由CPU直接提供。 最小系統(tǒng)的硬件包括一片8284A作為時鐘發(fā)生器；三片8282（或74LS373）作為地址鎖存器；兩片8286/8287作為數(shù)據(jù)收發(fā)器。參見圖所示。微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 2.10 8086最小模式系統(tǒng)的典型配置微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 其中數(shù)據(jù)雙向收發(fā)器8286如圖2. 15所示，地址鎖存器8282如圖所示。微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)微型

22、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 最小模式系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸方式如表2-7所示。 時鐘發(fā)生器8284A與CPU的連接如圖所示。它產(chǎn)生恒定的時鐘信號，對準備好（Ready）信號和復(fù)位信號（Reset）進行同步。 外界控制信號RDY和RES可以在任何時候到來，8284A把它們同步在時鐘下降沿時輸出READY和RESET信號到CPU。微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖中，振蕩晶體通常采用石英晶體振蕩器，內(nèi)部3分頻，得到輸出到CPU。所以晶體是。 微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三、最大模式系統(tǒng) 與最小模式區(qū)別是系統(tǒng)中增設(shè)了總線控制器8288和總線仲裁器8289。這樣可以構(gòu)成以8086CPU為中心的多處理器系統(tǒng)。 最大模式的典型配置如圖所示。 有關(guān)8288和8289可以參考書上的內(nèi)容，我們不作要求。微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 2. 18 8086最大模式系統(tǒng)的典型配置微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第五節(jié) CPU的操作和時序一、基本概念1、時鐘周期：是CPU的基本時間計量單位，它由計算機主頻決定。8086主頻是5MHz，一個時鐘周期就是200ns。2、總線周期：BIU完成一次訪問