第二章 80x86微处理器的结构

80x86微处理器的结构

【本章重点】16位微处理器8086的编程结构，8086的操作和时序，8086的存储器编址和I/O编址；32位微处理器80386的三种工作方式。

【本章难点】16位微处理器8086的工作模式；32位微处理器的虚拟存储机制。

微处理器即中央处理单元CPU（central processing unit）是微型计算机的核心，其性能指标最主要的是以下两项：
（一）字长。指CPU能同时处理的数据位数，也称数据宽度。字长越长，计算能力越高，速度越快。研究主要对象8086的字长是16位。
（二）主频。指CPU的时钟频率，和CPU的运算速度密切相关，主频越高运算速度越快。研究主要对象8086的主频是10MHz。

第一节 16位微处理器8086

一、8086的编程结构

（一）CPU的物理结构：
1.算术逻辑部件（ALU）；
2.寄存器组，包括：通用寄存器组；指令变址寄存器；段寄存器组；程序计数器IP；标志寄存器；
3.预存指令队列缓冲器；
4.地址形成部件；
5.控制部件，包括：指令寄存器、指令译码器及总线周期编码器、定时和控制部件。

（二）编程结构，是指从程序员和使用者的角度看到的结构，这种结构与内部物理结构和实际布局是有区别的。在编程结构图（图2-2）中可以看到，从功能上8086分为两部分，即总线接口部件（bus interface unit, BIU）和执行部件（execution unit, EU）。

        一） 总线接口部件
        总线接口部件的功能是负责与存储器、I/O端口传送数据，由下列各部分组成：
（1）4个地址寄存器，即：
1.CS 16位代码段寄存器（code segment）；
2.DS 16位的数据段寄存器（data segment）；
3.ES 16位的附加段寄存器（extra segment）；
4.SS 16位的堆栈段寄存器（instruction pointer）。
（2）16位的指令指针寄存器IP（instruction pointer）。
（3）20位的地址加法器。
（4）6字节的指令队列缓冲器（8088为四个字节）。
        对总线接口部件，有两点需要说明：
        （1）8086/8088在执行指令的同时，从内存中取下面1条指令或几条指令，取来的指令就放在指令队列缓冲器中 。通常，8086/8088执行完一条指令就可以立即执行下一条指令，从而提高了CPU的效率。
        （2）地址加法器用来产生20位地址，根据16位寄存器提供的信息计算出20位的物理地址。比如，一条指令的物理地址是根据代码段寄存器CS和指令指针寄存器IP的内容得到的，计算时，将段寄存器的内容左移4位，然后与IP的内容相加。假设CS=FE00H，IP=0200H，此时指令的物理地址为FE200H。
        二）执行部件
        执行部件的功能是负责指令的执行。从编程结构图可见到，执行部件由下列的几个部分组成：
（1）4个通用寄存器，即AX、BX、CX、DX；
（2）4个专用寄存器，即基数指针寄存器BP、堆栈指针寄存器SP、源变址寄存器SI、目的变址寄存器DI；
（3）标志寄存器：OF、DF、IF、TF、SF、ZF、AF、PF、CF，其中，状态标志6个：SF、ZF、PF、CF、AF和OF。控制标志3个：DF、IF、TF；
（4）算术逻辑部件ALU。
        对执行部件，有四点需要说明：
（1）4个通用寄存器既可以作为16位寄存器使用，也可以作为8位寄存器使用；
（2）AX寄存器也称为累加器，8086指令系统中许多指令利用累加器来执行；
（3）算术逻辑部件主要是加法器；
（4）标志寄存器共有16位，其中7位未使用，各位含义如下：

        状态标志有6个，即SF、ZF、PF、CF、AF和OF。
（1）符号标志SF（sign flag）：符号标志SF和运算结果的最高位相同，数据用补码表示时，负数的最高位是1，符号标志据此指出前面的运算结果的正负；
（2）零标志ZF（zero flag）：当前的运算结果是0，则零标志ZF是1；当前运算结果是/0，则零标志ZF是0；
（3）奇偶标志PF（parity flag）：如果运算结果的低8位所含的1的个数是偶数，则奇偶标志PF是1，否则是0；
（4）进位标志CF（carry flag）：当执行一个加法运算使最高位产生进位时，或者执行一个减法运算引起最高位产生借位时，则CF为1.除此之外，移位指令也会影响这一标志位；
（5）辅助进位标志AF（auxiliary carry flag）：当做加法运算时，如果第3位往第4位有进位时，或者做减法运算时，如果第3位往第4位有借位，则AF是1。辅助进位标志AF一般在BCD（binary coded decimal）码运算中作为是否进行十进制调整的判断依据；
（6）溢出标志OF（overflow flag）：运算过程中产生溢出时，OF为1。
        控制标志有3个，即DF、IF、TF。
（1）方向标志DF（direction flag）：控制串操作指令用的标志。方向标志DF为0时，则串操作过程中地址会不断增值；如果方向标志DF为0，则串操作过程中地址会不断减值；
（2）中断允许标志（interrupt enable flag）：控制可屏蔽中断的标志。如果中断允许标志IF为1，则CPU不能对可屏蔽中断请求做出响应；如果IF为1，则CPU可以接受可屏蔽中断请求；
（3）跟踪标志TF（trap flag）：又称单步标志，TF为1，则CPU按跟踪方式执行指令。
        三）8086总线周期的概念
        CPU的总线接口部件执行一个总线周期，这是多处动作的一个协调办法。在8086/8088中，一个基本的总线周期由4个时钟周期组成，时钟周期是CPU的基本时间计算单位，等于计算机的主频的倒数。在一个最基本的总线周期中，习惯上将4个时钟周期分别分别称为4个状态，即T1状态、T2状态、T3状态、T4状态.
（1）在状态，CPU往多路复用总线上发出地址信息，指出要寻址的存储单元或外设端口的的地址；
（2）在状态，CPU从总线上撤销地址，使总线低16位浮置成高阻状态，为传输数据做准备；。总线的最高4位（~）用来输出本        总线周期的状态信息；
（3）在状态，多路总线的高4位继续提供状态信息，多路总线的低16位（8088是低8位）上出现由CPU写出的数据或者CPU从存储器或端口读入的数据；
（4）在状态，存储器或外设速度慢，不能及时配合CPU传输数据，通过“READY”信号线在状态启动之前向CPU发送一个“数据未准备好”信号，这时，CPU会在周期之后插入一个或多个附加的时钟周期（wait），直到“READY”信号线上发出“准备好”信号，CPU接收后自动脱离状态，进入状态；
（5）在状态，总线周期结束。
需要指出，只有在CPU和内存或外设接口之间传输数据，以及填充指令队列时，CPU才执行总线周期。

二、8086的引脚信号和工作模式

（一）最大模式和最小模式的概念
最小模式：系统中只有8086或者8088一个微处理器。在这种系统中，所有的总线控制信号都直接由8086或8088产生。因此，系统中的总线控制电路可减到最小；
最大模式：在中等规模或者大型8086/8088系统中，在最大模式系统中总是包括有两个或多个微处理器，其中一个主处理器就是8086或者8088，其他的处理器称为协处理器，协助主处理器工作。和8086/8088配合的协处理器有两个：数值运算协处理器8087和输入输出协处理器8089。8086/8089是工作在最大模式还是最小模式，完全由硬件决定。
（二）8086/8088的引脚信号功能

注：1、8086/8088的数据线和地址线是复用的；
       2、8086/8088的引脚差别：（1）8086有16个地址/数据复用引脚，8088有8个地址/数据复用引脚；（2）28脚和34脚定义不同。
各引脚信号：
（1）GND，VCC；
（2）AD15~AD0：地址/数据复用引脚，双向工作。在总线周期的TI状态用来输出要访问的存储器或I/O端口的地址，在T2、T3状态，若为读周期，则处于浮空状态，若为写周期，则用来传输数据。在8086系统中，常将AD0信号作为低8位数据的选通信号；
（3）A19/S6~A16/S3：地址/状态复用引脚。总线周期T1状态用来输出地址的最高4位，在总线周期的T2、T3、Tw和T4状态时，用来输出状态信息；
（4）/BHE /S7：高8位数据总线允许/状态复用引脚；
（5）NMI；
（6）INTR；
（7）/RD；
（8）CLK；
（9）Reset：在复位的时候，代码段寄存器CS和指令指针寄存器IP分别初始化为FFFFH和0000H。所以，8086/8088在复位之后再重新启动时，便从内存的FFFF0H处开始执行指令。因此，一般在FFFF0H处存放一条无条件转移指令，转移到系统程序的入口处。这样，系统一旦被启动，就自动进入系统程序；
（10）Ready；
（11）/TEST；
（12）MN/MX；
上述信号是8086/8088工作在最小模式和最大模式时都要用的。此外，8086/8088第24～31脚还有8个控制信号，它们在最小模式下有不同的名称和定义。

 

 

 

 

 

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