微机原理及应用第二章体系结构.docx

1、微机原理及应用第二章体系结构第二章8086微处理器及其体系结构 本章主要内容 8086CPU的内部结构 8086CPU的引脚特点 微机电路结构及工作时序 8086CPU对存储器的组织 2-1 CPU性能描述 一: 字长 CPU数据线条数1: 表数精度2: 相对运行速度3: 典型CPU字长 A: 8088 8bit B: 8086 16bit C: 80386 32bit 二: 指令数1: 基本指令133条 2: 扩展指令数千条(不同寻址方式和寄存器的组合) 三: 指令执行时间1: 提高主频2: 减少指令执行所需时钟周期数3: 增加数据线条数4: 取指令和执行指令时间重叠 四: 访问内存储器空间

2、 由CPU地址总线数确定1: Z80CPU AB = 16 访存空间 216 = 64K2: 8086CPU AB = 20 访存空间 220 = 1M3: 80286CPU AB = 24 访存空间 224 = 16M4: PCPU AB = 32 访存空间 232 = 4G 2-2 8086CPU内部结构由两部分组成 执行部件 EU 接口部件 BIU 一: 执行部件EU 8086CPU的核心1: 16位运算器ALU A: 算术及逻辑运算(同8位机) B: 16位偏移地址运算(8086特点)2: 8位控制单元 A: 从BIU的指令队列中取指令 B: 对指令进行译码 C: 产生不同的控制信号3

3、: 16位寄存器组 A: 16位通用数据寄存器AX, BX, CX, DX B: 16位通用地址寄存器BP, SP, SI, DI C: 16位标志寄存器F 二: 接口部件BIU 8086CPU的特点1: 指令队列缓冲器 A: Z80CPU取指, 执指图取指执指取指执指 1) 取指 总线忙2) 执指 总线闲B: 8086CPU取指, 执指图取指1执指1取指2执指2取指3执指31) 指令队列缓冲器先从指令存储区取数条指令2) EU从队列中取指, 而非直接从指令存储区取指3) EU执行指令的同时队列继续从指令存储区取指4) 取指和执指重叠5) 总线一直忙, 从而提高速度C: 特点1) 指令队列缓冲

4、器为移位寄存器, 满足先进先出原则2) 8086队列为6字节, 8088队列为4字节3) 执行转移指令时清队列2: 16位指令指针寄存器 IPA: 8位机(Z80CPU) 中的程序指针寄存器PC1) 地址总线AB = 16bit2) 程序指针寄存器PC= 16bit3) PC指向存储器单元的实际地址B: 16位机(8086CPU) 中的指令指针寄存器IP1) 地址总线AB = 20bit2) 指令指针寄存器IP= 16bit3) IP指向存储器单元的偏移地址(有效地址)C: IP的使用1) 程序设计中, 不能直接改变IP的值2) 程序运行中, IP值根据指令功能而自动改变3: 16位段寄存器C

5、S, DS, ES, SS8086CPU的AB = 20bit, REG = 16bit, 问题: 怎样用16位寄存器表示20位存储器实际地址A: 将存储器1M空间分为多段, 每段长为64KB: 将段首地址值的高16位值放入段寄存器, 称段地址C: 20位实际地址由段地址和段内偏移地址(有效地址)构成4: 地址产生器 A: 输入 1) 段寄存器中的段首地址(16位) 2) 从EU来的段内偏移地址(16位)B: 输出 实际地址(20位)C: 公式 实际地址 = 段首地址 * 16 + 段内偏移地址 实际地址 = 段首地址 4 + 段内偏移地址 注: 段首地址左移4位等于段首地址乘与16例某存储器

6、单元的段地址为2F86H, 偏移地址为2A36H, 问: 该存储器单元的实际地址为多少PA = 段地址 4 + 偏移地址 = 2F86H 4 + 2A36H = 2F860H + 2A36H = 32296HD: 存储器单元地址表示法1) 20位地址表示法 32296H2) 32位地址表示法 2F86H : 2A36H5: 总线控制器 A: 8086CPU的数据线/地址线复用技术(40页)B: 数据线, 地址线的分离过程(44页)2-3 8086CPU的寄存器结构 一: 使用特点1: 指令助记符中, 寄存器用名定义2: 程序设计中, 寄存器用名访问 二: 分类特点1: 通用数据寄存器 A: 1

7、6位通用数据寄存器(4个) AX BX CX DX B: 8位通用数据寄存器(8个) AH AL BH BL CH CL DH DLC: 常用功能 AX 累加器 BX 基数寄存器 CX 计数器 DX 数据寄存器2: 通用地址寄存器 SP, BP, SI, DI A: 仅有16位使用 B: 用于存放偏移地址 C: 常用功能 SP, BP 用于堆栈段操作 SI, DI 用于数据段, 附加段操作3: 段寄存器 CS, DS, ES, SS A: 仅有16位使用 B: 用于存放段地址 CS 存放代码段段首地址 SS 存放堆栈段段首地址 DS 存放数据段段首地址 ES 存放附加段段首地址 C: 段寄存器

8、与通用寄存器之间的使用特点 1): CS IP CS:IP 构成代码段20位指令存放地址 2): SS SP SS:SP 构成堆栈段栈顶地址 3): DS SI DS:SI 构成源数据串地址 4): ES DI ES:DI 构成目的数据串地址 5): DS BX DS:BX 构成数据段基数地址 6): SS SP SS:SP 构成堆栈段基数地址注: 有关应用在寻址方式及串操作指令中祥细讲解4: 指令指针寄存器 IPA: 仅有16位使用B: 用于存放代码段内的偏移地址(有效地址)C: 与CS寄存器构成指令存放的实际地址5: 标志寄存器 F A: 16位标志寄存器中仅用9位作标志位用 B: 状态标

9、志位名称 CF OF AF ZF SF PF C: 控制标志位名称 IF DF TF注: 关于标志位的作用及使用方法非常重要, 在后面章节中讲解2-4 8086CPU的引脚特性 一: 数据/地址复用线 1: 减少了8086CPU的引脚线 2: 需解决数据/地址的分离 二: 控制线功能各异 不同控制线具有不同的作用, 方向确定 仅为单向, 输入, 输出确定电平触发 不同控制线具有不同的电平触发方式 1: /BHE 存储器R/W传数方式选择 与地址线A0构成8位, 16位数据传送选择 注: 2-9节祥讲 2: /RD 存储器读数据有效控制线, 输出, 低有效/WR 存储器写数据有效控制线, 输出,

10、 低有效注: 用于存储器, I/O操作, 后面章节常用3: READY CPU, MEM 间R/W等待控制线, 输入, 高有效4: RESET 8086CPU复位有效控制线, 输入, 高有效5: ALE 地址/数据复用线分离控制线, 输出A: ALE = H 地址线锁存B: ALE = L 地址线保持6: /DEN 数据传送有效控制线, 输出, 低有效7: DT/R 数据传送方向控制线, 输出A: DT/R = H CPU向存储器写数据有效B: DT/R = L CPU从存储器读数据有效8: M/IO 存储器, I/O端口操作选择, 输出A: M/IO = H CPU与存储器间读写操作B: M

11、/IO = L CPU与I/O端口间输入, 输出操作9: MN/MX 8086CPU工作方式选择, 输入A: MN/MX = H 8086CPU工作于最小工作方式B: MN/MX = L 8086CPU工作于最大工作方式10: NMI, INTR, /INTA 与中断有关的控制线11: HDLD, HLDA 与DMA有关的控制线 三: 8086CPU复位后寄存器的初始值(41页) 1: CS = FFFFH IP = 0000H2: 其余寄存器 = 0000H3: 指令队列清空2-5 8086CPU与8088CPU的比较 一: 数据线比较 1: 8088CPU数据线为8条, 故称8088CPU

12、为8位机 2: 8086CPU数据线为16条, 故称8088CPU为16位机注: 又称8088CPU为准(伪)16位机, 因为8088CPU片内数据线为16条, 片外数据线为8条 二: 地址线比较8088CPU和8086CPU的地址线均为20条 三: 控制线比较 1: MEM, I/O 选择A: 8088CPU /M/IOB: 8086CPU M/IO 2: 8位, 16位数据传送A: 8088CPU仅有8条数据线, 不能传送16位数据B: 8086CPU有16条数据线, 一次可传8位或16位, 由控制线/BHE控制2-6 8086CPU的时钟及总线周期 一: 专用时钟信号发生器芯片8284A

13、介绍 1: 输入A: 晶振B: 外部复位信号 /RES = LC: 外部等待信号RDY = H 2: 输出(送8086CPU)A: 时钟周期输出 CLK = XB: 复位信号输出 RESET = HC: 等待信号输出 READY = H 二: 总线周期 (44页图2-9)CPU与MEM间R/W所需时钟周期数称总线周期 1: 基本总线周期 由四个时钟周期构成, 分别称为 T1 T2 T3 T4 2: 扩展总线周期A: 等待周期Tw 由控制线READY = H控制, 插入T3, T4之间, 数量不限B: 空闲周期Tt 由控制线 /TEST = L控制, 插入T4之后, 数量不限 3: 读周期A:

14、T1 8086CPU数据/地址复用线发地址信息经地址总线AB给存储器B: T2 缓冲C: T3, T4 数据/地址复用线为数据线有效, 8086CPU 经数据总线DB从存储器单元中读数据4: 写周期A: T1 8086CPU数据/地址复用线发地址信息经地址总线AB给存储器B: T2, T3, T4 数据/地址复用线为数据线有效, 8086CPU 经数据总线DB向存储器单元中写数据 注: 从理论上讲R/W周期仅需要两个时钟周期, 从可靠性考虑, 8086CPU用了四个时钟周期, 读周期中T2缓冲是由于地址线信息输出而数据线信息输入, 而写周期不需缓冲是由于地址线信息, 数据线信息均为输出2-7

15、8086CPU的最小/最大工作方式条件 控制线MN/MX = L, 8086CPU工作于最小工作方式(45页) 控制线MN/MX = H, 8086CPU工作于最大工作方式(48页)特点 最小工作方式, 控制线由8086CPU直接给出(45页) 最大工作方式, 控制线由专用芯片8288给出(48页)应用 最小工作方式, 硬件系统简单，多用于专用机, 要求掌握最大工作方式, 硬件系统复杂, 多用于系统机, 要求了解 一: 最小工作方式下的硬件电路 1: 数据/地址复用线的地址线分离A: 分离时间 T1B: 分离控制线 ALE = HC: 分离器件 锁存器 2: 数据/地址复用线的数据线分离A:

16、分离时间 T2, T3, T4 B: 分离控制线 /DEN = LC: 分离器件 缓冲器 3: 锁存器 A: 作用 在T1时刻, 将CPU发出的地址信号进行锁存 B: 原理 应用D触发器1): 电路 IN OUT ALE 注: IN 地址/数据复用线(CPU) OUT 地址总线AB(存储器, I/O) ALE 地址锁存允许控制线(D触发器)2): 真值表ALEINOUT H H H H L L L H Qn L H Qn若: ALE = H, 则 OUT = IN若:ALE = L, 则 OUT保持不变3): 工作过程 T1时, ALE = H, CPU发地址 锁存器 存储器 T2,T3,T4

17、时, ALE = L, 锁存器锁存 存储器 C: 锁存器芯片1): 专用, 8282, 82832): 通用, 74LS373, 74HC573 4: 缓冲器(收发器)A: 作用 在T2 T4间,从地址/数据复用线中获得数据信息B: 原理 应用三态门 1): 电路 IN OUT /DEN 注: IN 地址/数据复用线(CPU) OUT 数据总线DB(存储器, I/O) /DEN 数据有效控制线(三态门)2): 真值表/DENINOUT L L L L H H H L Z H H Z若:/DEN = L,则 OUT = IN若:/DEN = H,则 OUT为高阻 3): 工作过程 T1时, /D

18、EN = H, 缓冲器输出为高阻态 T2,T3,T4时,/DEN = L, 缓冲器为直通态 C: 缓冲器芯片1): 专用, 8286, 82872): 通用, 74LS244, 74LS2455: 双向缓冲器在控制线/DEN, DT/R作用下, 完成数据读写(收发)A: 电路 注: AB/DB 地址/数据复用线(CPU) DB 数据总线(MEM, I/O)B: 分析 1): 若G1 = H, G2 = L 完成 MEM DB CPU读(收) 2): 若G1 = L, G2 = H 完成 MEM DB CPU写(发) 3): 若G1 = L, G2 = L 缓冲器为高阻态 4): 若G1 = H

19、, G2 = H 此种情况绝不能发生B: 真值表/DENDT/RG1G2 L L H L L H L H H L L L H H L L读写高阻高阻二: 最小工作方式下的工作时序 1: 复位时序(52页)A: 当RESET = H持续4个时钟周期, 8086CPU复位B: 复位后, CS : IP = FFFH : 0000HC: 8086CPU从实际地址FFFF0H处开始执行JMP指令 2: 读时序(53页)A: 分离地址线T1时, ALE =H, 锁存器片选有效, 地址锁存 T2, T3, T4时, ALE = L, 锁存器片选无效, 地址保持B: T2时, 缓冲C: 分离数据线 T1时,

20、 /DEN = H, 缓冲器片选无效T2,T3,T4时, /DEN = L, 缓冲器片选有效D: 读数据 T3, T4时, /DEN = L, DT/R = L, /RD = L, /WR = H 若M/IO = H, CPU经数据总线DB从存储器单元中读数据 若M/IO = L, CPU经数据总线DB从I/O端口中读数据 3: 写时序(55页)A: 分离地址线T1时, ALE =H, 锁存器片选有效, 地址锁存T2, T3, T4时, ALE = L, 锁存器片选无效, 地址保持B: 分离数据线 T1时, /DEN = H, 缓冲器片选无效T2,T3,T4时, /DEN = L, 缓冲器片选

21、有效C: 写数据 T3, T4时, /DEN = L, DT/R =H, /RD =H, /WR = L 若M/IO = H, CPU经数据总线DB向存储器单元中写数据 若M/IO = L, CPU经数据总线DB向I/O端口中写数据2-9 8086CPU对存储器的组织 一: 存储器的组织 1: 存储器的组织方式 按字节组织, 每一个存储单元仅存放8位二进制数, 若需一次R/W 16位数据, 则应从相邻两存储单元中分别取8位数据构成16位数据 2: 存储器的存数原则A: 按字节存放时, 从低地址单元到高地址单元顺序存放B: 按字存放时, 相邻地址单元中, 低地址单元存放低字节, 高地址单元存放高

22、字节 3: 存储器的地图表示数据35H4AH地址2000H2001H 4: 存储器的规则存放与非规则存放用于字(16bit), 双字(32bit) 存放时, 对字节(8bit) 存放无效A: 规则存放, 从偶数地址单元开始存放字或者双字, 即要求A0 = 0B: 非规则存放, 从奇数地址单元开始存放字或者双字, 即要求A0 = 1 5: 控制线 /BHE, 地址线A0对数据传送的作用A: 关于存储器的奇偶库 为解决存储器单元按8位数据组织, 面8086CPU可一次读写16位数据的矛盾, 采用了存储器的奇偶库方式B: 存储器奇偶库的控制1): 偶库存储器的片选控制 地址线A0 = L奇库存储器的

23、片选控制 控制线 /BHE = L2): 偶库存储器与8086CPU的数据线 D0 D7 奇库存储器与8086CPU的数据线 D8 D15C: /BHE, A0 的作用(62页)/ / /BHEA0读写数据的位数 01 0奇库, 偶库片选有效, 16位数据传送01 1奇库有效, 偶库无效, D8 D15数据传送 1 0奇库无效, 偶库有效, D0 D7数据传送 1 1奇库, 偶库片选无效, 无数据传送二: 存储器的分段解决20位实际地址与16位寄存器之间的矛盾 1: 分段方式 连续分, 分离分, 重叠分 2: 段内容量 64KB 3: 段基地址 段首地址 4: 偏移地址 段内偏移地址 三: 实

24、际地址与逻辑地址 1: 实际地址 20位物理地址 2: 逻辑地址 16位段基地址及16位偏移地址 四: 堆栈 1: 堆栈的作用A: 将需要放入堆栈的数据入栈, 将需要调出堆栈的数据出栈B: 在调用过程及中断服务程序时保护现场相应数据入栈 在返回过程及中断服务程序时恢复现场相应数据出栈 2: 堆栈使用原则先进后出原则 注: 指令队列是先进先出原则 3: 堆栈段, 堆栈底, 堆栈顶A: 栈段 堆栈段段首地址在段寄存器SS中B: 栈底 定义堆栈长度时确定C: 栈顶 由寄存器SP中的值确定, 栈顶的物理地址为SS:SP 注: 当定义堆栈后还未使用相关堆栈操作指令时, 栈顶等于栈底, 汇编程序设计中,

25、若不定义堆栈, 系统将自动生成一定长度的堆栈存储区 4: 栈顶指针寄存器SP中值的自动变化特点A: 对8位机 1) 入栈 (SP) 1 (SP) 2) 出栈 (SP) + 1 (SP)B: 对16位机(8086CPU) 1) 入栈 (SP) 2 (SP) 2) 出栈 (SP) + 2 (SP)例(65页图2-32)1 定义堆栈栈段 (SS) = 1050H, 栈长 = 14H, 栈底 = 0012H或者为1050H : 0012H定义时栈顶等于栈底, (SP) = 0012H2 当前栈顶经一些操作后, 图示当前栈顶 (SP) = 0008H3 执行入栈指令 PUSH AXA: (SP) 2 (

26、SP) = 0006HB: (AX) = 1234H 0006H4 执行出栈指令 POP BXA: 0006H (BX) = 1234HB: (SP) + 2 (SP) = 0008H5 执行出栈指令 POP AXA: 0008H (AX) = BBAAHB: (SP) + 2 (SP) = 000AH注: 入栈时工作步骤, 先(SP)2 (SP), 后将数据入栈 出栈时工作步骤, 先将数据出栈, 后(SP) + 2 (SP)五: 8086CPU对存储器的分配1: 中断向量表存储区 00000H 003FFH 1KB2: 系统复位后指令存储区 FFFF0H FFFFFH 16字节3: 显示缓存

27、存储区 A: 单显 B0000H B0FFFH 4KB 字符显示 B: CGA B8000H BBFFFH 16KB 图形显示 C: VGA A0000H 图象显示4: 其余为工作存储区2-10 I/O端口组织 一: 统一编址方式 MOTOROLA方式MEM, I/O 共用寻址空间1: 优点 不需要存储器, I/O端口选择控制线, 专用指令2: 缺点 存储器, I/O端口占用共同的寻址空间 二: 分别编址方式 INTEL方式MEM, I/O分别有寻址空间 1: 优点 存储器, I/O端口分别寻址, 扩展了寻址空间2: 缺点 需要专用控制线及专用指令 例 8086CPU控制线M/IO = H存储器寻址, M/IO = L I/O端口寻址 存储器操作指令为MOV, I/O端口操作指令为IN及OUT 作业: 2.3, 2.6, 2.11, 2.12, 2.13, 2.15, 2.18