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1、第2章 微处理器结构及基本原理,本章学习目标掌握微处理器的结构掌握微处理器的工作原理,2.1 Intel 8086 微处理器内部结构,8086微处理器的主要特点：16位微处理器；数据总线16位；地址总线20位，可寻址1MB存储空间；时钟频率为510MHz。8086 CPU的内部结构由执行单元EU（execution unit）和总线接口部件BIU（bus interface unit）两部分组成。,Intel 8086 微处理器的内部结构如图所示。,1总线接口部件BIU总线接口部件BIU负责8086 CPU与存储器和外设之间的信息传送。BIU负责从内存的指定区域取出指令，送至指令队列排队。在执
2、行指令时所需要的操作数，也由BIU从内存的指定区域取出，传送给执行部件EU去执行。BIU包含一个地址加法器、一组16位的段寄存器、一个16位的指令指针IP、一个6字节的指令队列缓冲器及总线控制电路。,（1）地址加法器和段寄存器8086采用了分段结构，将1MB的内存空间划分为若干个逻辑段，在每个逻辑段中使用16位段基址和16位偏移地址进行寻址，段寄存器用来存放各段的段基址。利用BIU的地址加法器计算并形成CPU所要访问的存储单元地址（20位）或I/O端口地址（16位）。,（2）指令队列缓冲器指令队列缓冲器是6个字节的“先进先出”的RAM存储器，用来按顺序存放CPU要执行的指令代码，并送入执行部件
3、EU中去执行。EU总是从指令队列的输出端取指令，每当指令队列中存满一条指令后，EU就立即开始执行。当指令队列中前两个指令字节被EU取走后，BIU就自动执行总线操作，读出指令并填入指令队列中。当程序发生跳转时，BIU则立即清除原来指令队列中的内容并重新开始读取指令代码。,（3）总线控制电路总线控制电路主要负责产生总线控制信号。,2执行部件EU从BIU的指令队列中取出指令、分析指令并执行指令，而执行指令过程中所需要的数据和执行的结果，也都由EU向BIU发出请求，再由BIU对存储器或外设进行存取操作来完成。EU部件主要由算术逻辑单元、标志寄存器、通用寄存器、指针寄存器、暂存寄存器、指令译码器和控制电
4、路组成。,（1）算术逻辑单元ALUALU是一个16位的算术逻辑运算部件，用来对操作数进行算术运算和逻辑运算，也可以按指令的寻址方式计算出CPU要访问的内存单元的16位偏移地址。（2）数据暂存寄存器数据暂存寄存器是一个16位的寄存器，它的主要功能是暂时保存数据，并向ALU提供参与运算的操作数。（3）EU控制电路EU控制电路接收从BIU指令队列中取出的指令代码，经过分析、译码后形成各种实时控制信号，对各个部件进行实时操作。,2.2 Intel 8086微处理器引脚信号及功能,8086 CPU是40引脚双列直插式芯片，微处理器通过这些引脚可以和存储器、I/O接口、外部控制管理部件，以及其他微处理器相
5、互交换信息。最小模式，就是在系统中只有一个8086微处理器，所有的总线控制信号都直接由8086 CPU产生，因此，系统中的总线控制电路被减到最少。最大模式系统中，总是包含两个或多个微处理器，其中一个主处理器就是8086，其他的处理器称为协处理器，它们是协助主处理器工作的。,当CPU处于不同工作模式时，其部分引脚的功能是不同的。,1两种工作方式功能相同的引脚（1）AD15 AD0（address data bus）：地址/数据总线，双向，三态。（2）A19/S6A16/S3（address/status）：地址/状态信号，输出，三态。S6表示CPU与总线连接的情况，S5指示当前中断允许标志IF的
6、状态。S4,S3的代码组合用来指明当前正在使用的段寄存器。,（3）/BHE/S7（bus high enable/status）：允许总线高8位数据传送/状态信号，输出，三态。/BHE为总线高8位数据允许信号，当/BHE低电平有效时，表明在高8位数据总线D15 D8上传送1个字节的数据。S7为设备的状态信号。（4）/RD（read）：读信号，输出，三态，低电平有效。/RD信号低电平有效时，表示CPU正在进行读存储器或读I/O端口的操作。,（5）READY（ready）：准备就绪信号，输入，高电平有效。READY信号用来实现CPU与存储器或I/O端口之间的时序匹配。当READY信号高电平有效时，
7、表示CPU要访问的存储器或I/O端口已经作好了输入/输出数据的准备工作，CPU可以进行读/写操作。当READY信号为低电平时，则表示存储器或I/O端口还未准备就绪，CPU需要插入若干个“TW状态”进行等待。,（6）INTR（interrupt request）：可屏蔽中断请求信号，输入，高电平有效。8086 CPU在每条指令执行到最后一个时钟周期时，都要检测INTR引脚信号。INTR为高电平时，表明有I/O设备向CPU申请中断，若IF1，CPU则会响应中断，停止当前的操作，为申请中断的I/O设备服务。（7）/TEST（test）：等待测试控制信号，输入，低电平有效。/TEST信号用来支持构成多
8、处理器系统，实现8086 CPU与协处理器之间同步协调的功能，只有当CPU执行WAIT指令时才使用。,（8）NMI（non-maskable interrupt）：非屏蔽中断请求信号，输入，高电平有效。当NMI引脚上有一个上升沿有效的触发信号时，表明CPU内部或I/O设备提出了非屏蔽的中断请求，CPU会在结束当前所执行的指令后，立即响应中断请求。（9）RESET（reset）：复位信号，输入，高电平有效。RESET信号有效时，CPU立即结束现行操作，处于复位状态，初始化所有的内部寄存器。复位后各内部寄存器的状态，见表2.2。当RESET信号由高电平变为低电平时，CPU从FFFF0H地址开始重新
9、启动执行程序。,（10）CLK（clock）：时钟信号，输入。CLK为CPU提供基本的定时脉冲信号。（11）VCC电源输入引脚。（12）GND：接地引脚。（13）MN/MX（minimum/maximum）：最小/最大模式输入控制信号。MN/MX引脚用来设置8086 CPU的工作模式。当为高电平时，CPU工作在最小模式；当 为低电平时，CPU工作在最大模式。,2CPU工作于最小模式时使用的引脚信号（1）M/IO（memory I/O select）：存储器、I/O端口选择控制信号。（2）/WR（write）：写信号，输出，低电平有效。（3）/INTA（interrupt acknowledge
10、）：可屏蔽中断响应信号，输出，低电平有效。（4）ALE（address lock enable）：地址锁存允许信号，输出，高电平有效。CPU利用ALE信号可以把AD15AD0地址/数据、A19/S6A16/S3地址/状态线上的地址信息锁存在地址锁存器中。,（5）DT/R（data transmit or receive）：数据发送/接收信号，输出，三态。（6）/DEN（data enable）：数据允许控制信号，输出，三态，低电平有效。（7）HOLD（bus hold request）：总线保持请求信号，输入，高电平有效。（8）HLDA（hold acknowledge）：总线保持响应信号，输
11、出，高电平有效。,3CPU工作于最大模式时使用的引脚信号（1）/S2,/S1,/S0（status signals）：总线周期状态信号，输出，低电平有效。它们表明当前总线周期所进行的操作类型。,（2）/RQ/GT1,/RQ/GT0（request/grant）：总线请求允许信号输入/总线请求允许输出信号，双向，低电平有效。（3）/LOCK：（lock）总线封锁信号，输出，低电平有效（4）QS1,QS0（queue status）：指令队列状态信号，输出。QS1和QS0信号的组合可以指示总线接口部件BIU中指令队列的状态，以便其他处理器监视、跟踪指令队列的状态。QS1,QS0的代码组合与队列状态
12、见表2.4。,2.3 Intel 8086微处理器寄存器结构,8086微处理器中包含四个通用数据寄存器、四个指针和变址寄存器、四个段寄存器和一个标志寄存器。,1通用数据寄存器（general purpose registers）通用数据寄存器组包括四个16位的寄存器AX,BX,CX,DX。它们既可以作为16位寄存器使用，也可以分为两个8位寄存器使用，即高8位寄存器AH,BH,CH,DH和低8位寄存器AL,BL,CL,DL。这些寄存器既可以作为算术、逻辑运算的源操作数，向ALU提供参与运算的原始数据，也可以作为目标操作数，保存运算的中间结果或最后结果。在有些指令中，这些寄存器具有特定的用途，例如
13、，AX作为累加器；BX作为基址寄存器；CX作为计数寄存器；DX作为数据寄存器。,2指针及变址寄存器（pointer and index registers）（1）指针寄存器SP用来指示堆栈栈顶的偏移地址，称为堆栈指针；BP则用来存放位于堆栈段中的一个数据区的“基址”的偏移量，称为基址指针。（2）变址寄存器 SI，DI称为变址寄存器，它们用来存放当前数据所在存储单元的偏移地址。在串操作指令中，SI用来存放源操作数地址的偏移量，称为源变址寄存器；DI用来存放目标操作数地址的偏移量，称为目标变址寄存器。,3段寄存器（segment registers）指明了一个特定的现行段，用来存放各段的段基址。当
14、用户用指令设定了它们的初值后，实际上已经确定了一个64KB的存储区段。代码段寄存器CS用来存放当前使用的代码段的段基址，用户编制的程序必须存放在代码段中，CPU将会依次从代码段取出指令代码并执行。数据段寄存器DS用来存放当前使用的数据段的段基址，程序运行所需的原始数据以及运算的结果应存放在数据段中。,附加段寄存器ES用来存放当前使用的附加段的段基址，它通常也用来存放数据，但在数据串操作时，用来存放目标数据串（此时DS用来存放源数据串）。堆栈段寄存器SS用来存放当前使用的堆栈段的段基址，所有堆栈操作的数据均保存在这个段中。,4指令指针 IP（instruction pointer）为16位指令指
15、针，IP的内容总是指向BIU将要取的下一条指令代码的16位偏移地址。当取出1个字节指令代码后，IP自动加1并指向下一条指令代码的偏移地址。5标志寄存器 8086 CPU中有一个16位的状态标志寄存器FR，但只使用了9位。其中6位为状态标志位，用来反映算术运算或逻辑运算结果的状态；3位为控制位，用来控制CPU的操作。,（1）状态标志位 CF（carry flag）：进位标志。表示本次加法或减法运算中最高位（D7或D15）产生进位或借位的情况。CF1表示有进位，CF0表示无进位（减法时，表示借位情况）。PF（parity flag）：奇偶校验标志。表示本次运算结果中包含“1”的个数。PF1表示有偶
16、数个“1”，PF0表示有奇数个“1”。AF（auxiliary carry flag）：辅助进位标志。表示加法或减法运算结果中D3位向D4位产生进位或借位的情况。AF1表示有进位，AF0表示无进位（减法时，表示借位情况）。,ZF（zero flag）：零标志。表示当前的运算结果是否为零。ZF1表示运算结果为零，ZF0表示运算结果不为零。SF（sign flag）：符号标志。表示运算结果的正、负情况。SF1表示运算结果为负，SF0表示运算结果为正。OF（overflow flag）：溢出标志。表示运算过程中产生溢出的情况。OF1表示当前正在进行的补码运算有溢出，OF0表示无溢出。,（2）控制标志
17、位 DF（direction flag）：方向标志。用来设定和控制字符串操作指令的步进方向。DF1时，串操作过程中的地址会自动递减1，DF0时，地址自动递增1。IF（interrupt enable flag）：中断允许标志。用来控制可屏蔽中断的标志位。IF1时，开中断，CPU可以接收可屏蔽中断请求，IF0时，关中断，CPU不能接收可屏蔽中断请求。TF（trap flag）：单步标志。用来控制CPU进入单步工作方式。TF1时，8086 CPU处于单步工作方式，每执行完一条指令就自动产生一次内部中断，TF0时，CPU不能以单步方式工作。CPU的单步工作方式为程序调试提供了一种重要的方法。,2.4
18、 存储器的分段和物理地址的形成,8086 CPU将1MB的存储器划分为若干个区段以后，每个段包含216个字节，并且每个段的首地址是一个可以被16整除的数（即段的起始地址的最低四位为0）。存储空间的分段方式可以有多种多样，段与段之间可以部分重叠、完全重叠或完全分离。,若已知当前有效的代码段、数据段、附加段和堆栈段的段基址分别为1000H,3501H,7F3BH,EAB0H，那么它们在存储器中的分布情况如图所示。,（2）存储器中的逻辑地址和物理地址逻辑地址由段基址（存放在段寄存器中）和偏移地址（由寻址方式提供）两部分构成，它们都是无符号的16位二进制数。物理地址是CPU访问内存时使用的地址。当用户通过编制程序将16位逻辑地址送入CPU的总线接口部件BIU时，地址加法器通过地址运算变换为20位的物理地址。产生20位物理地址的公式为：物理地址段基址16偏移地址,
