x微處理器結(jié)構(gòu)

會計學(xué)1x微處理器結(jié)構(gòu)陳渝光教授主講微機與應(yīng)用

教學(xué)內(nèi)容（2學(xué)時）

Intelx86微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

8086/8088的編程結(jié)構(gòu)；BIU和EU的功能、組成及動作協(xié)調(diào)；

PC機的存儲器結(jié)構(gòu)及組織方式教學(xué)目標(biāo)要求學(xué)生掌握8086/8088的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作特點；特別是可編程寄存器結(jié)構(gòu)了解指令隊列在BIU和EU的動作協(xié)調(diào)中所起的作用掌握物理地址的計算方法教學(xué)重點及難點

BIU和EU的功能、組成和動作協(xié)調(diào)；段地址、段內(nèi)地址、物理地址的概念及其關(guān)系第1頁/共50頁陳渝光教授主講微機與應(yīng)用

學(xué)習(xí)引導(dǎo)§2.1-§2.3從下列3方面學(xué)習(xí)理解：1)8086/8088μp的結(jié)構(gòu)特點（§2.1）獨立部件BIU、EU

指令隊列緩沖器特色：流水線工作方式，提高μp的效率2)可編程結(jié)構(gòu)（§2.2）通用寄存器、段地址寄存器、其他寄存器（IP、FLAG）3)20位地址加法器的作用（§2.3）邏輯地址物理地址第2頁/共50頁陳渝光教授主講微機與應(yīng)用

內(nèi)部暫存器

IP

ES

SSDSCS輸入/輸出控制電路外部總線執(zhí)行部分控制電路123456∑ALU標(biāo)志寄存器AHALBHBLCHCLDHDLSPBPSIDI通用寄存器地址加法器指令隊列緩沖器執(zhí)行部件（EU)總線接口部件（BIU)16位20位16位8位2.18086/8088內(nèi)部結(jié)構(gòu)AXBXCXDX第3頁/共50頁陳渝光教授主講微機與應(yīng)用

8086從功能上來說分成兩大部分，總線接口單元BIU（BusInterfaceUnit)和執(zhí)行單元EU（ExecutionUnit).?

BIU:負(fù)責(zé)與存儲器接口，即8086與存儲器之間的信息傳送，都是由BIU負(fù)責(zé)進行的，即：

(1)

BIU從內(nèi)存的指定部分取出指令，送至指令隊列排隊。

(2)從內(nèi)存的指定部分取出執(zhí)行指令時所需的操作數(shù)，送至EU部分。

總線接口部件由下列各部分組成：（1）4個段地址寄存器；CS——16位的代碼段寄存器；DS——16位的數(shù)據(jù)段寄存器；ES——16位的擴展段寄存器；SS——16位的堆棧段寄存器；（2）16位的指令指針寄存器IP；（3）20位的地址加法器；（4）6字節(jié)的指令隊列緩沖器

第4頁/共50頁陳渝光教授主講微機與應(yīng)用

?

地址加法器

將左移4位的段寄存器的內(nèi)容與偏移地址相加，形成20位的物理地址，以便對1兆空間的存儲器尋址。?

指令隊列

指令隊列中包含若干個（8086—6個，8088—4個）8位寄存器，用于順序存放從存儲器中取出的指令，供執(zhí)行單元執(zhí)行。?

輸入/輸出控制電路

提供系統(tǒng)總線的控制信號，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、地址和狀態(tài)信息的分時傳送。第5頁/共50頁陳渝光教授主講微機與應(yīng)用

具有“流水線”結(jié)構(gòu)特點：將CPU分為兩個單元，可以使取指令和執(zhí)行指令同時進行，減少了CPU為取指令而等待的時間，從而提高了CPU的利用率，提高了系統(tǒng)的運行速度。

總線接口部件BIU和執(zhí)行部件EU并不是同步工作的，兩者的動作管理遵循如下原則：1）每當(dāng)8086的指令隊列中有2個空字節(jié)，BIU就會自動把指令取到指令隊列中。而同時EU從指令隊列取出一條指令，并用幾個時鐘周期去分析、執(zhí)行指令。當(dāng)指令隊列已滿，而且EU對BIU又無總線訪問請求時，BIU便進入空閑狀態(tài)。在執(zhí)行轉(zhuǎn)移、調(diào)用和返回指令時，指令隊列中的原有內(nèi)容被自動清出2）發(fā)生訪問沖突時，EU優(yōu)先。第6頁/共50頁陳渝光教授主講微機與應(yīng)用

?

EU:負(fù)責(zé)指令的執(zhí)行。執(zhí)行部件的功能就是負(fù)責(zé)從指令隊列取指令并執(zhí)行。從編程結(jié)構(gòu)圖可見，執(zhí)行部件由下列幾個部分組成：（1）4個通用寄存器，即AX、BX、CX、DX；（2）4個專用寄存器：（3）標(biāo)志寄存器FR；（4）算術(shù)邏輯單元ALU。?

算術(shù)邏輯單元

負(fù)責(zé)各種算術(shù)和邏輯運算?

執(zhí)行單元控制電路

是控制、定時與狀態(tài)邏輯電路。用于控制執(zhí)行單元中各部件按制定的要求協(xié)調(diào)工作。第7頁/共50頁陳渝光教授主講微機與應(yīng)用

2.28086/8088的編程結(jié)構(gòu)第8頁/共50頁陳渝光教授主講微機與應(yīng)用

8086/8088的內(nèi)部寄存器AHALBHBLCHCLDHDL

AXBXCXDX

SPBPSIDIIPFLAGCSDSSSES(A)累加器基地址寄存器計數(shù)器數(shù)據(jù)寄存器(SP)堆棧指針寄存器基地址寄存器源變址寄存器目的變址寄存器(PC)指令指針寄存器(PSW)狀態(tài)標(biāo)志寄存器

代碼段寄存器數(shù)據(jù)段寄存器堆棧段寄存器附加段寄存器通用寄存器控制寄存器

段寄存器8位寄存器16位寄存器第9頁/共50頁陳渝光教授主講微機與應(yīng)用

狀態(tài)標(biāo)志寄存器

O

DIT

SZAPC

進位標(biāo)志C（CarryFlag）——當(dāng)結(jié)果的最高位產(chǎn)生一個進位或借位，則CF=1，否則CF=0。溢出標(biāo)志O（OverflowFlag）——在算術(shù)運算中，帶符號數(shù)的運算結(jié)果超出了8位或16位帶符號數(shù)能表達的范圍，則OF=1，否則OF=0。

8位（字節(jié)）運算--128——+12716位（字）運算--32768——+32767

符號標(biāo)志S（SignFlag）——結(jié)果的最高位（D15或D7）為1，則SF=1，否則SF=0。零標(biāo)志Z（ZeroFlag）——若運算的結(jié)果為0，則ZF=1，否則ZF=1。奇偶標(biāo)志P（ParityFlag）——若結(jié)果中‘1’的個數(shù)為偶數(shù)，則PF=1，否則，PF=0。輔助進位標(biāo)志A(AuxiliaryFlag)——在字節(jié)操作時，由低半字節(jié)(第3位)向高半字節(jié)，字操作時低字節(jié)向高字節(jié)進位或借位，則AF=1，否則AF=0。方向標(biāo)志（DirectionFlag）——DF=1，串操作時地址自動減量，D=0，串操作時地址自動增量。中斷允許標(biāo)志（Interrupt—enableFlag）——IF=1，則允許CPU接收外部的中斷請求，

IF=0，則屏蔽外部中斷請求。追蹤標(biāo)志（TraceFlag）——TF=1，使處理進入單步方式，以便于調(diào)試。狀態(tài)標(biāo)志第10頁/共50頁陳渝光教授主講微機與應(yīng)用

例：兩個帶符號數(shù)64h,64h相加。

01100100+0110010011001000

OF=1（運算結(jié)果超過127）；

CF=0；

ZF=0；

SF=1；

PF=0；

AF=0。

第11頁/共50頁陳渝光教授主講微機與應(yīng)用

通用寄存器的用法第12頁/共50頁陳渝光教授主講微機與應(yīng)用

2.38086/8088的地址形成（§3.1）

8086有20條地址線，它的直接尋址能力為220=1M.在8086內(nèi)部，ALU能進行16位的運算，有關(guān)地址寄存器是16位的，因而對地址的運算也只能是16位。其尋址的范圍最多是216=64K。在8088中怎樣形成這20位的地址呢？——分段！將內(nèi)存的1M字節(jié)以64K為范圍。

存儲段劃分原則：

1)段內(nèi)地址是連續(xù)的，段與段之間是相互獨立的；

2)每個段的起始地址稱段的基址，段基址必須是能被16整除的那些地址，即20位的段基址的低四位應(yīng)當(dāng)是0000；

3)由于段起始地址的低四位為0，所以可用20位地址的高16位表示段的基址，存放在段基址寄存器中。段基址寄存器共四個：CS、DS、ES、SS。第13頁/共50頁陳渝光教授主講微機與應(yīng)用

20220=FFFFFh+1FFFFFhFFFFEhFFFFDhFFFFCh00001h00000h0FFFFh16216=FFFFh+1FFFFhFFFEhFFFDh0001h0000h邏輯地址空間物理地址空間

邏輯地址形式段地址：有效地址（偏移地址）如：2000H：2500H地址轉(zhuǎn)換公式

PA=段地址*16+偏移地址

第14頁/共50頁陳渝光教授主講微機與應(yīng)用

8086存儲器的分段結(jié)構(gòu)8086CPU中有四個段寄存器：CS，DS，SS和ES四個段寄存器存放了CPU當(dāng)前可以尋址的四個段的基值，也即可以從這四個段寄存器規(guī)定的邏輯段中存取指令代碼和數(shù)據(jù)。一旦這四個段寄存器的內(nèi)容被設(shè)定，就規(guī)定了CPU當(dāng)前可尋址的段，如右圖所示。例：內(nèi)存映像如圖所示。1)求各當(dāng)前段的地址范圍2)已知LA=2800H:3208H,求PA3)已知PA=AD000H,求對應(yīng)的LA（有幾個？）第15頁/共50頁陳渝光教授主講微機與應(yīng)用

第16頁/共50頁陳渝光教授主講微機與應(yīng)用

例、8086/8088的運行過程操作：將兩個數(shù)相加.指令：moval,[2000]addal,02hlt機器指令：10100000A0hmoval,[2000]0000000000h0010000020h0000010004haddal,020000101002h11110100F4hhlt8086/8088微處理器工作原理示意第17頁/共50頁陳渝光教授主講微機與應(yīng)用

第18頁/共50頁陳渝光教授主講微機與應(yīng)用

教學(xué)內(nèi)容（2學(xué)時）

Intelx86CPU引腳及其功能

Intelx86CPU的工作模式與典型系統(tǒng)構(gòu)成教學(xué)目標(biāo)要求學(xué)生掌握Intelx86CPU各引腳的名稱及其功能，特別是基本操作下的控制信號的情況能正確畫出在不同工作模式下的系統(tǒng)配置圖，并了解有關(guān)控制信號的相應(yīng)硬件連接方法教學(xué)重點及難點各引腳的名稱及其功能；地址/數(shù)據(jù)復(fù)用引腳，地址/狀態(tài)復(fù)用引腳，在不同工作模式下引腳功能第19頁/共50頁陳渝光教授主講微機與應(yīng)用

2.48086微處理器的引腳功能8086微處理器采用DIP40封裝，40個引腳引腳按功能可分4部分：地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線、電源及時鐘引腳的類型有：雙向、三態(tài)、輸入、輸出等雙功能引腳

分時復(fù)用引腳工作方式不同功能不同引腳

第20頁/共50頁陳渝光教授主講微機與應(yīng)用

12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221

GNDAD14AD13AD12AD11AD10AD9AD8AD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0NMIINTRCLKGNDVCCAD15A16/S3A17/S4A18/S5A19/S6BHE/S7MN/MXRDHOLD(RQ/GT)HLDA(RQ/GT)WR(LOCK)M/IO(S2)DT/R(S1)

DEN(S0)ALE(QS0)INTA(QS1)TESTREADYRESET8086

8086/8088引腳信號第21頁/共50頁陳渝光教授主講微機與應(yīng)用

引腳說明地址總線和數(shù)據(jù)總線

AD15～AD0：地址數(shù)據(jù)線，雙向、三態(tài)分時復(fù)用每個總線周期T1時刻為地址，其他時刻為數(shù)據(jù)

A19～A16/S6～S3：地址狀態(tài)線，輸出、三態(tài)分時復(fù)用每個總線周期T1時刻為地址，其他時刻為狀態(tài)

S6恒為低，S5反映標(biāo)志寄存器IF位的狀態(tài)

第22頁/共50頁陳渝光教授主講微機與應(yīng)用

S4、S3表示CPU正在使用哪個段寄存器S4S3特性LLHHLHLHESSSCS（或不是存儲器操作）DSBHE/S7：數(shù)據(jù)總線高允許/狀態(tài)S7信號輸出、三態(tài)。分時復(fù)用做BHE時低電平有效，S7為備用狀態(tài)線，在DMA時為高阻第23頁/共50頁陳渝光教授主講微機與應(yīng)用

控制總線控制總線是傳送控制信號的一組信號線，有些是輸出，用來傳輸CPU到其它部件的控制命令，如：讀、寫、中斷響應(yīng)等；有些是輸入，由外部向CPU輸入控制命令如：復(fù)位、中斷請求8086/8088有兩種工作方式：最大工作方式，最小工作方式。有些控制信號在最大最小工作方式時功能不同第24頁/共50頁陳渝光教授主講微機與應(yīng)用

MN/MX引腳（33號）：最小/最大工作方式引腳

1)當(dāng)MN/MX引腳接高電平時，8086處于最小工作方式，接地時，8086處于最大工作方式；

2)兩種工作方式的區(qū)別：

a)單處理器/多處理器工作方式；

b)系統(tǒng)配置的區(qū)別以及控制信號由8086自己產(chǎn)生/由8288提供部分（8086向8288提供狀態(tài)信號（S0，S1，S2），8288根據(jù)狀態(tài)信號產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號）；

c)芯片引腳功能的區(qū)別第25頁/共50頁陳渝光教授主講微機與應(yīng)用

受MN/MX引腳影響的控制信號1)S2，S1，S0：總線周期狀態(tài)信號（三態(tài)，輸出）S2S1S0操作類型（CPU周期）LLLLHHHHLLHHLLHHLHLHLHLH中斷響應(yīng)讀I/O端口寫I/O端口暫停取指令讀存儲器寫存儲器無效（無總線周期）第26頁/共50頁陳渝光教授主講微機與應(yīng)用

受MN/MX引腳影響的控制信號在最小工作方式下S2，S1，S0分別是M/IO、DT/R、DENM/IO：存儲器/IO控制信號，輸出、三態(tài)。用來區(qū)分CPU訪問存儲器還是I/O

M/IO=1，訪問存儲器

M/IO=0，訪問I/O端口DT/R：數(shù)據(jù)發(fā)送/接收信號，輸出、三態(tài)。

DT/R=1，CPU進行寫操作

DT/R=0，CPU進行讀操作DEN：數(shù)據(jù)允許信號，輸出、三態(tài)、低有效第27頁/共50頁陳渝光教授主講微機與應(yīng)用

受MN/MX引腳影響的控制信號2)RQ/GT0，RQ/GT1：請求/允許總線訪問信號,雙向在最小工作方式時RQ/GT0，RQ/GT1分別是HOLD和HLDA信號HOLD：保持請求信號（輸入）當(dāng)外部邏輯把HOLD信號置高時，CPU完成當(dāng)前總線周期后進入保持狀態(tài)，讓出總線控制權(quán)。HLDA：保持響應(yīng)信號（輸出）是CPU對HOLD信號的響應(yīng)信號，HLDA為高時CPU的三態(tài)信號全部為高阻狀態(tài)。第28頁/共50頁陳渝光教授主講微機與應(yīng)用

受MN/MX引腳影響的控制信號3)QS1，QS0：指令隊列狀態(tài)信號（輸出）指示8086的BIU的指令隊列的狀態(tài)，以便外部協(xié)處理器進行跟蹤。在最小工作方式下QS1，QS0分別是ALE和INTA信號。ALE：地址鎖存允許信號（輸出）在總線周期的第一個時鐘周期內(nèi)有效，其下降沿用來把地址/數(shù)據(jù)總線以及地址狀態(tài)總線中的地址信息存入地址鎖存器中。INTA：中斷響應(yīng)信號（輸出，三態(tài)）低有效QS1QS0指令隊列狀態(tài)LL空操作LH從指令隊列中取出的是指令的第一個字節(jié)HL隊列空HH取出的是指令的后續(xù)字節(jié)第29頁/共50頁陳渝光教授主講微機與應(yīng)用

受MN/MX引腳影響的控制信號4)LOCK：總線優(yōu)先權(quán)鎖定信號（輸出，三態(tài)）低有效。當(dāng)LOCK有效時，外部協(xié)處理器不能控制總線。在最小工作方式下，LOCK信號為WR信號WR信號：寫控制信號，（輸出，三態(tài)）CPU對存儲器或I/O執(zhí)行寫操作時WR信號有效。第30頁/共50頁陳渝光教授主講微機與應(yīng)用

不受MN/MX信號影響的控制信號RD：讀控制信號（輸出、三態(tài)）READY：等待狀態(tài)信號

READY=0，CPU處于等待狀態(tài)，在總線周期中插入等待周期TW

READY=1，8086CPU繼續(xù)執(zhí)行INTR：可屏蔽中斷請求信號（輸入）高有效NMI：不可屏蔽中斷請求信號（輸入）高有效TEST：等待測試控制信號（輸入）。在WAIT指令執(zhí)行期間若TEST=1則CPU循環(huán)于等待狀態(tài)，當(dāng)TEST=0，CPU脫離等待狀態(tài)繼續(xù)執(zhí)行WAIT下面的指令。RESET：復(fù)位信號（輸入）高有效，當(dāng)RESET為高時，系統(tǒng)處于復(fù)位狀態(tài)，8086CPU停止正在運行的操作，把標(biāo)志寄存器、段寄存器、指令指針復(fù)位為初始狀態(tài)。（代碼段寄存器初始狀態(tài)為FFFFH）第31頁/共50頁陳渝光教授主講微機與應(yīng)用

控制引腳組合功能與總線分離有關(guān)的

ALE、DEN、DT/R與讀寫操作有關(guān)的

M/IO、RD、WR、BHE（8086）、READY與外中斷有關(guān)的

INTR、INTA、NMI與總線控制有關(guān)的

HOLD、HLDA第32頁/共50頁陳渝光教授主講微機與應(yīng)用

其它信號CLK：時鐘信號（輸入），通常由8284產(chǎn)生。為CPU提供基本定時脈沖。VCC：電源（輸入）接+5V直流電壓。GND：電源地。第33頁/共50頁陳渝光教授主講微機與應(yīng)用

中央處理器8088地址鎖存器總線控制器8288時鐘信號發(fā)生器8284數(shù)據(jù)收發(fā)器數(shù)據(jù)總線地址總線控制總線以8088為核心的微機結(jié)構(gòu)常用的總線鎖存器芯片：74LS373、74LS273、Intel8282、8283常用的總線收發(fā)器芯片：74LS245、Intel8286、82872.58086/8088的最大最小工作方式第34頁/共50頁陳渝光教授主講微機與應(yīng)用

RESETTESTHOLDHLDANMIINTRINTAM/IOWRRDREADYCLKREADYMN/MX+5V系統(tǒng)總線控制總線地址總線A19～

A0數(shù)據(jù)總線D15～D0

ALEBHEA19～A16AD15～AD

0

DT/RDEN8086CPUG74LS373OEDIRG74LS2458284A最小組態(tài)第35頁/共50頁陳渝光教授主講微機與應(yīng)用

RQ/GT0RQ/GT1TESTNMIINTA

S0

S1

S2

READYREADYRESETMN/MX控制總線地址總線A19～

A0數(shù)據(jù)總線D15