【正文】 2022/3/13 微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用 _宋廷強(qiáng) 1 第 4章 16位微處理器 2022/3/13 微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用 _宋廷強(qiáng) 2 本章教學(xué)目的 ? 本章以 16位微處理器 8086/8088為中心，講解微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、地址形成、內(nèi)部寄存器、工作模式、總線時(shí)序、總線操作等主要內(nèi)容 ? 使學(xué)生在掌握 8086CPU的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步理解微處理器的工作原理以及與外部打交道的過程，為后面學(xué)習(xí)接口技術(shù)做準(zhǔn)備。 2022/3/13 微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用 _宋廷強(qiáng) 3 本章 學(xué)習(xí)要求 ? 掌握 CPU的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)及外部引腳功能，存儲器結(jié)構(gòu)，最小工作模式及系統(tǒng)配置， CPU的典型操作和時(shí)序。 ? CPU的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)。 ? CPU的主要寄存器。標(biāo)志寄存器各位的功能定義。 ? CPU的外部引腳類型，主要引腳功能。微機(jī)中存儲器組成結(jié)構(gòu)，存儲器的分段，邏輯地址與物理地址概念，存儲器堆棧的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。 ? CPU與外圍芯片的連接及典型配置情況，地址鎖存器（ 8282）及雙向總線收發(fā)器（ 8286）、時(shí)鐘發(fā)生器（ 8284）的功能特性。 ? 時(shí)鐘周期、總線周期及指令周期的定義， CPU讀、寫操作時(shí)序。 ? 8086 CPU的中斷的分類、中斷類型碼、中斷向量的定義、硬件中斷的響應(yīng)過程。 2022/3/13 微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用 _宋廷強(qiáng) 4 ? 最大工作模式； 8286總線收發(fā)器； 8282地址鎖存器。 ? 最大工作模式的配置，最大工作模式的總線操作。 2022/3/13 微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用 _宋廷強(qiáng) 5 本章 主要外語詞匯 ? BIU： Bus Interface Unit，總線接口部件 ? EU: Execution Unit，執(zhí)行部件 ? Stack：堆棧 ? NMI： Nonmaskable Interupt，非屏蔽中斷 ? INTR： Interupt Request，可屏蔽中斷請求 2022/3/13 微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用 _宋廷強(qiáng) 6 主要內(nèi)容 ? 16位微處理器概述 ? 8086/8088 CPU的結(jié)構(gòu) ? 8086/8088 CPU的引腳信號和工作模式 ? 8086/8088的主要操作功能 2022/3/13 微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用 _宋廷強(qiáng) 7 16位微處理器概述 ? 微處理器 (microprocessor)是微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)算及控制部件，也稱中央處理單元 (CPU)。它本身不構(gòu)成獨(dú)立的工作系統(tǒng)，因而它也不能獨(dú)立地執(zhí)行程序。 ? 微處理器 (microprocessor) 指令控制；操作控制；時(shí)序控制；數(shù)據(jù)加工 ? CPU功能： ? 數(shù)據(jù)總線寬度 16位，地址總線寬度 20位；可直接尋址空間 220＝ 1M字節(jié)單元； 16位數(shù)據(jù)總線與地址總線復(fù)用 ? 8086概況： ? 1979年推出，第一代超大規(guī)模集成電路（ VLSI）微處理器，采用HMOS工藝制造，內(nèi)含 ? 采用單一的 +5V電源，一相時(shí)鐘，時(shí)鐘頻率為 5MHz（ 8086）， 10MHz（ 8086－ 1）， 8MHz（ 8086－ 2） ? 133條指令，指令長度 1～ 6字節(jié)，指令最短執(zhí)行時(shí)間為 （平均） 2022/3/13 微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用 _宋廷強(qiáng) 8 8086/8088 CPU的結(jié)構(gòu) ? 8086為 16位機(jī)（數(shù)據(jù)總線 16位） ? 8086與 8088的比較 ? 8088為 準(zhǔn) 16位機(jī) ，數(shù)據(jù)總線內(nèi)部 16位，外部 8位 ? 8086和 8088 CPU的內(nèi)部都采用 16位字進(jìn)行操作及存儲器尋址，兩者的軟件完全 兼容 ，程序的執(zhí)行也完全相同。然而，由于 8088要比 8086有較多的外部存取操作，所以，對相同的程序，它將執(zhí)行得較 慢 。 ? 8086是 16位數(shù)據(jù)總線，而 8088是 8位數(shù)據(jù)總線，在處理一個(gè) 16位數(shù)據(jù)字時(shí)， 8088需要兩步操作而 8086只需要一步。 2022/3/13 微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用 _宋廷強(qiáng) 9 1 2 3 4 內(nèi)部暫存器 IP ES SS DS CS 輸入 /輸出控制電路 外部總線 執(zhí)行部分控制電路 ∑ ALU 標(biāo)志寄存器 AH AL BH BL CH CL DH DL SP BP SI DI 通用 寄存器 地址加法器 指令隊(duì)列 執(zhí)行部件 （ EU) 總線接口部件 （ BIU) 16位 20位 8位 8位 8086的內(nèi)部結(jié)構(gòu) ALU數(shù)據(jù)總線 隊(duì)列總線 5 6 EU （ Execution Unit） 1）、 功能 ： 負(fù)責(zé)指令執(zhí)行。 接受 從總線接口單元的 指令隊(duì)列中取來的指令代碼 ，其譯碼和向 EU 內(nèi)各有關(guān)部分 發(fā)出時(shí)序命令信號 ， 協(xié)調(diào)執(zhí)行指令規(guī)定的操作 。 總線接口單元 BIU （ Bus Interface Unit） 1) 功能： 負(fù)責(zé)與 M、 I/O 端口傳送數(shù)據(jù) 。 具體講： 總線接口部件要從內(nèi)存 取指令送到指令隊(duì)列 ； CPU執(zhí)行指令時(shí)，要配合執(zhí)行部件從指定的內(nèi)存單元或者外設(shè)端口中 取數(shù)據(jù) ，將 數(shù)據(jù)傳送給執(zhí)行部件 EU； 或把執(zhí)行部件的操作 結(jié)果傳給指定的 M或 I/O口 。 2022/3/13 微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用 _宋廷強(qiáng) 10 ? 負(fù)責(zé)指令的執(zhí)行，它從指令流隊(duì)列去除指令，然后分析和執(zhí)行指令。同時(shí)利用內(nèi)部的寄存器和 ALU對數(shù)據(jù)進(jìn)行所需的處理，還要負(fù)責(zé)計(jì)算操作數(shù)的 16位偏移地址。 ? 執(zhí)行部件 EU ? 4個(gè)通用寄存器，即 AX， BX， CX， DX； ? 4個(gè)專用寄存器， ? SI (Source Index):源變址寄存器 ? DI (Destination Index):目的變址寄存器 ? BP (Base Pointer):基址指針 ? SP (Stack Point):堆棧指針 ? 標(biāo)志寄存器 (FR)， 微處理器狀態(tài)字 (Processor State Word， PSW) ? 算術(shù)邏輯部件 (ALU)。 ? EU的組成 2022/3/13 微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用 _宋廷強(qiáng) 11 BIU 根據(jù) EU計(jì)算出的 16位偏移地址及 16位段地址計(jì)算出 20位物理地址，并根據(jù) EU請求采用計(jì)算出的 20位物理地址讀 /寫寄存器，也可根據(jù) EU請求讀 /寫 I/O設(shè)備，完成與存儲器、 I／ O端口之間傳送數(shù)據(jù)。 ? 總線接口部件 BIU的功能 ? 4個(gè)段地址寄存器，即 ? CS——16位代碼段寄存器； ? DS——16位數(shù)據(jù)段寄存器； ? ES——16位附加段寄存器； ? SS——16位堆棧段寄存器。 ? 16位指令指針寄存器 IP。 ? 20位的地址加法器。 ? 6字節(jié)的指令隊(duì)列。 ? 主要組成 2022/3/13 微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用 _宋廷強(qiáng) 12 總線接口部件 BIU ? 8086的指令隊(duì)列為 6個(gè)字節(jié)， 8088的指令隊(duì)列為 4個(gè)字節(jié)。不管是 8086還是 8088，都會在執(zhí)行指令的同時(shí)，從內(nèi)存中取下一條指令或下幾條指令，取來的指令就放在指令隊(duì)列中。 ? 指令隊(duì)列 ? 地址加法器用來產(chǎn)生 20位地址。 8086可用 20位地址尋址 1M字節(jié)的內(nèi)存空間，但 8086內(nèi)部所有的寄存器都是 16位的，所以需要由一個(gè)附加的機(jī)構(gòu)來根據(jù) 16位寄存器提供的信息計(jì)算出 20位的物理地址，這個(gè)機(jī)構(gòu)就是 20位的地址加法器 。 ? 地址加法器用 ? 假設(shè) CS=0FE00H， IP=0400H，此時(shí)指令的物理地址為 0FE400H。 2022/3/13 微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用 _宋廷強(qiáng) 13 EU部件與 BIU部件 ? 在執(zhí)行指令的過程中，如果必須訪問存儲器或者輸入／輸出設(shè)備，那么，執(zhí)行部件就會請求總線接口部件，進(jìn)入總線周期，完成訪問內(nèi)存或者輸入／輸出端口的操作； ? 如果此時(shí)總線接口部件正好處于空閑狀態(tài)，那么，會立即響應(yīng)執(zhí)行部件的總線請求。 ? EU和 BIU之間是通過指令流隊(duì)列相互聯(lián)系的 ? EU和 BIU的聯(lián)系上的不同步性： ? 指令隊(duì)列空余時(shí)的填充 ? 當(dāng)指令隊(duì)列已滿，而且執(zhí)行部件又沒有總線訪問時(shí)，總線接口部件便進(jìn)入空閑狀態(tài)。 ? 在執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令、調(diào)用指令和返回指令時(shí)，指令隊(duì)列中的原有內(nèi)容被自動消除，總線接口部件會接著往指令隊(duì)列中裝入另一個(gè)程序段中的指令。 2022/3/13 微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用 _宋廷強(qiáng) 14 8086的寄存器結(jié)構(gòu) AH AL BH BL CH CL DH DL SP BP SI DI IP PSW CS DS SS ES AX BX CX DX 累加器 基址 計(jì)數(shù) 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)寄存器 0 15 0 7 8 15 0 15 0 15 附加數(shù)據(jù)段 堆棧段 數(shù)據(jù)段 代碼段 段寄存器 指令指針 狀態(tài)標(biāo)志 控制寄存器 堆棧指針 基址指針 源變址 目的變址 地址指針寄存器 變址寄存器 通 用 寄 存 器 2022/3/13 微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用 _宋廷強(qiáng) 15 :可以按字（ 16位）或字節(jié)（ 8位）形式訪問 MOV BX , AX IN AL , 20H 通用寄存器 （ 1）數(shù)據(jù)寄存器 AX、 BX、 CX、 DX 作為通用寄存器。 用來 暫存 計(jì)算過程中所用到的 操作數(shù)，結(jié)果或其它信息 。 高 8位記作 : AH 、 BH 、 CH 、 DH 。 低 8位記作 : AL 、 BL 、 CL 、 DL 。 ?訪問形式 ?功能 ?AX 累加器 它 是算術(shù)運(yùn)算的主要寄存器， 所有 I/O指令都使用這一寄存器與外部設(shè)備交換數(shù)據(jù) ?功能 ?實(shí)例： 2022/3/13 微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用 _宋廷強(qiáng) 16 ?