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1、微机原理与接口技术,教案,第 2 章 80 x86微处理器 及其系统结构,第 2 章 80 x86微处理器 及其系统结构,2.1 8086/8088微处理器2.2 8086/8088系统组成2.3 现代微处理器系统习题例,8086/8088微处理器,Intel公司相继推出的8086/8088，80286，32位的80386，80486，一直到全新的Pentium（80586）这一微处理器系列被称作Intel 80 x86系列，是当今微机主流机型。16位微处理器8086集成了2.9万只晶体管，+5V电源，主频5MHz/10MHz，内/外部数据总线16位，地址总线20位，可寻址空间达1MB（内存寻
2、址1MB，I/O端口寻址64KB）。准16位微处理器8088是PC/XT个人计算机的微处理器。8088和8086的内部结构基本相同，软件也完全兼容。它们主要区别：8086外部数据总线是16位，8088外部数据总线是8位。,8086/8088微处理器结构,8086/8088 两个独立的工作部件：执行部件EU（Execution Unit）总线接口部件BIU（Bus Interface Unit）EU=ALU+执行CU+R 阵列 负责指令的译码和执行 BIU=指令队列+地址+R 阵列+总线 CU 负责与存储器或者I/O接口传送信息 BIU 和 EU 采用“流水线式”的非同步工作模式，使得总线控制逻
3、辑和指令执行逻辑之间既互相独立又互相配合。,8086/8088结构示意图,8086/8088的寄存器,状态标志:ZF零标志1=结果为0，0=结果不为0SF 符号标志1=结果符号位为负，0=结果符号位为正OF 溢出标志1=表示有符号数运算超出（补码）范围CF 进位标志1=结果有进位，0=结果无进位AF 辅助进位标志（用于十进制数调整指令）PF 奇偶标志1=结果偶数个1，0=结果奇数个1控制标志：DF 方向标志（为串操作指令指明偏移址改变的方向）IF 中断标志1=允许外部中断TF 陷井标志1=处理机进入单步执行方式,标志状态寄存器,15 11 10 9 8 7 6 4 2 0,8086/8088存
4、储器组织,8086/8088存储器以字节为单位。字节单元的地址码20位，存储器容量为1M字节（1MB），即存储器地址为 00000H0FFFFFH。存储器组织是一个分段结构。每段最大可为64KB。存储器20位地址码为物理地址，直接使用的是逻辑地址。逻辑地址：段基址（16位2#）:偏移址（16位2#）物理地址=24+,例如：逻辑地址 1100H：02A0H 物理地址 1100H 24 02A0H=11000H02A0H=112A0H（DS）=2000H,（BX）=2000HDS:BX表示的物理地址是22000H,8086/8088的总线周期,8086/8088通过BIU完成的一次总线操作，称作一
5、个总线周期。一个总线周期由若干个时钟周期（T）组成。8086/8088的基本总线周期，由T1，T2，T3，T4表示的4个时钟周期组成。总线读/写操作基本总线周期的时序：在T1状态，输出读/写对象的地址；在T2T3状态，数据总线传送数据；在T4状态，表示读/写结束。,TW时钟和TI时钟,TW时钟状态用基本总线周期读/写操作时，系统的“Ready”电路会产生READY信号。当检测到READY无效信号，表示数据传送未完成，在T3之后插入1n个等待周期TW。读/写总线周期实际是（4+n）T。在基本总线周期中插入TW状态，是快速CPU对慢速存储器或I/O设备的一种等待。TI时钟状态当不需要执行总线操作时
6、，插入1n个空闲周期TI，进入总线空闲状态（空操作）。TI只是指总线操作的空闲，CPU内部仍可进行操作。在两个总线周期之间插入TI状态，是总线接口部件BIU对执行部件EU的一种等待。,8086/8088的引脚特性,8086/8088微处理器可以有两种工作组态（模式），即最小模式（单处理器）和最大模式（多处理器）。MN/MX（33引脚）：最小/最大模式选择信号。MN/MX=1（Vcc），设置为最小模式；MN/MX=0（GND），设置为最大模式。8086/8088为40引脚的双列直插式组件封装。其中，地址和数据引脚，功能复用；2431引脚，取决于最小/最大模式的不同，功能复用。8086/8088最
7、小模式的所有具有三态的引脚，在处理器让出总线控制权时呈现高阻态（浮空态）。,8086/8088引脚图,8088的引脚 8086的引脚,8088最小模式的引脚,CLK：系统时钟（T）信号，输入。RESET：系统复位信号，输入。AD7AD0：地址/数据复用线，双向，三态。（8086是AD15AD0）A19A8：地址线，输出，三态。（8086是A19A16）ALE：地址锁存信号，输出，高电平有效。（T1有效）RD、WR：读、写选通信号，输出，低电平有效。（互斥）IO/M：存储器或I/O选通信号，输出。（8086是M/IO）DEN、DT/R：数据允许、数据收/发信号，输出。（T2 T4有效）READY
8、，TEST：系统控制信号，输入。NMI，INTR，INTA：中断请求和中断响应信号，输入/出。HOLD，HLDA：总线请求、总线允许信号，输入/出。（DMA方式）,8086/8088读/写操作例,MOV AL，2000H；从存储器读一个字节数EU译码，通知BIU 执行一个“存储器读”总线周期；BIU的地址加法器得到20位内存地址码，在T1时刻输出到地址锁存器，进而在AB总线上保持A19A0地址信号；同时BIU产生相关控制有效信号：M/IO=1，RD=0，WR=1，从存储器取得的字节数，经DB总线的D7D0读入BIU，再传送给AL。OUT 80H，AL；往接口写（输出）一个字节数EU译码，通知B
9、IU 执行一个“I/O写”总线周期；BIU把16位I/O地址码在T1时刻输出到地址锁存器，进而在AB总线上保持A15A0地址信号；同时BIU产生相关控制有效信号：M/IO=0，RD=1，WR=0，AL的数据，经DB总线的D7D0写到相应I/O地址的接口。,8086/8088系统结构,8086/8088微机系统组成由最小模式、最大模式的不同，而有所差异。最小/最大模式具有共性的特点：MN/MX端接Vcc或GND，决定是最小模式或最大模式。8284A时钟发生器，外接15MHz振荡源，经8284A三分频后，得到5MHz主频送系统时钟端CLK。地址锁存器8282（3片），在T1时锁存地址/数据复用线上
10、的A19A0地址信号。数据驱动/收发器8286（1/2片），当系统所连的存储器和外设较多，需要增加数据总线驱动能力时可选用。系统组成还必须有半导体存储器RAM和ROM，外部设备的I/O接口，中断控制管理部件等组件。,最小模式系统组成示意图,最大模式系统（多处理器系统）有两个或两个以上能进行译码和执行指令的处理器组成。系统处理器可以是通用处理器，也可以是专用处理器协处理器。最常用的协处理器是数值数据处理器（如，8087 NDP）和输入/输出处理器（如，8089 IOP）。最大模式系统有多种组成结构，其共同的特征是：所有的处理器共享系统总线，共享系统存储器和I/O设备。因此，增加了总线控制器828
11、8 和总线裁决器8289，以解决处理器之间的协调、通信，多个部件对总线的共享，以及对总线请求部件进行判优裁决等问题。8086/8088最大模式系统许多控制信号不再由8086/8088直接发出，而是由总线控制器8288对控制信号进行变换和组合，得到系统各种总线控制信号。,8086/8088最大模式组成,最大模式系统组成示意图,PC/XT微机系统组成例,80 x86微处理器技术指标,80386微处理器的特点,80386是典型的第一代CISC（Complex Instruction Set Computer复合指令集计算机）体系结构的32位微处理器。80386采用全32位结构。提供32位外部数据、地
12、址总线。可寻址4GB物理存储空间，64TB虚存空间。80386按功能划分由6个部件组成：总线接口部件、指令预取部件、指令译码部件、指令执行部件、分段部件和分页部件。80386可配置数值协处理器80287、80387，以实现高速数值处理。80386具有三种工作方式：实方式、保护方式和虚拟8086方式。,80486在Intel微处理器的历史上首次采用了RISC（Reduced Instruction Set Computer精简指令集计算机）技术。80486由8个基本部件组成：总线接口部件、指令预取部件、指令译码部件、执行部件、控制部件、存储管理部件、高速缓存部件和高性能浮点处理部件。80486内
13、部总线有32、64、128位三种。采用了突发总线技术，可以同 RAM 进行高速数据交换。80486配置了指令和数据共用的8KB高速缓冲存储器。80486芯片内设置了一个数值协处理器，直接具有浮点数据处理能力。80486采用了有助于构成多处理器系统的硬件结构。,80486微处理器的特点,Pentium微处理器的特点,Pentium是CRISP（CISC+RISC）体系结构“雏形”的32位处理器。Pentium实现了0.8m集成技术。有3种指令处理部件：RISC型CPU、80386处理部件和浮点处理部件。Pentium采用了超标量流水线设计。增设了动态转移预测机构，可以预测分支程序的指令流向。Pe
14、ntium的内部和外部工作频率一致。内部总线32位，外部总线64位，在一个总线周期内可将数据传输量增加一倍。Pentium采用双Cache结构，两级Cache达16KB24KB，数据宽度为32位。Pentium的浮点运算部件在执行过程分为8级流水。Pentium还改进了指令系统的微程序算法。,32位微处理器的寄存器,数据寄存器32位数据寄存器：EAX，EBX，ECX，EDX16位数据寄存器：AX，BX，CX，DX8位数据寄存器：AH，AL，BH，BL，CH，CL，DH，DL地址寄存器32位内存地址寄存器：ESI，EDI，EBP，ESP，EIP16位内存地址的寄存器：SI，DI，BP，SP，IP
15、16位段基址寄存器：CS，DS，ES，SS，FS，GS控制寄存器32位标志寄存器EFLAGS32位控制寄存器CR0CR4调试寄存器DR0DR7 测试寄存器TR6TR7。,32位微处理器工作方式,实地址方式32位微处理器的实地址方式，主要是用于开机后为进入保护方式做准备。保护方式32位微处理器的基本工作方式是保护方式。保护方式下微处理器支持多任务运行，进行虚拟存储管理等。虚拟8086方式虚拟8086方式是保护方式下某个任务的工作方式，即虚拟8086方式允许在保护方式下运行多个8086程序。,习题2.5，习题2.6,2.5 系统RESET信号有效时（复位），各寄存器内容和总线状态是什么？系统复位，
16、首先执行的是一条什么指令？系统RESET信号有效时，即系统复位，仅CS寄存器为全1，其他寄存器均清0，总线状态初始化。系统复位，由于CS=0FFFFH，IP=0，硬件生成“JMP 0FFFF0H”指令，开始执行ROM中的监控程序，进而做整个系统的引导。2.6 说明8086/8088微机在进行存储器读、存储器写、I/O读、I/O写操作时，M/IO,RD,WR引脚信号分别是什么逻辑电平组合？,习题2.7,2.7 如果用DEBUG命令显示出8086/8088以下各寄存器的内容：AX=0000BX=0000CX=006DDX=0000DS=2000ES=2000SS=4100SP=0120CS=110
17、0IP=00B8请画出此时存储器分段的示意图，并指出此时的指令地址和堆栈地址。数据（DS）段和附加数据（ES）段的首地址均为20000H。代码（CS）段的首地址均为11000H，此时的指令地址（CS:IP）为110B8H。堆栈（SS）段的首地址均为41000H，此时的堆栈栈顶地址（SS:SP）为41120H。,习题2.9,2.9 给出8086/8088，80386，80486，Pentium微处理器的字长、地址线、数据线的数目，并分别推算出各自的内存寻址空间。8086/8088微处理器字长16位，地址线20根，数据线16根，内存寻址空间1MB；80386微处理器字长32位，地址线32根，数据线32根，内存寻址空间4GB；80486微处理器字长32位，地址线32根，数据线32根，内存寻址空间4GB；Pentium微处理器字长32位，地址线36根，数据线64根，内存寻址空间64GB。,
