第五章微處理器

1、第五章 微處理器CPU的特點(diǎn)v可以進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算v保存少量數(shù)據(jù)v對(duì)指令進(jìn)行譯碼并執(zhí)行規(guī)定的動(dòng)作v與存儲(chǔ)器、外設(shè)交換數(shù)據(jù)v提供系統(tǒng)所需要的定時(shí)和控制v可以響應(yīng)其它部件發(fā)送過(guò)來(lái)的中斷請(qǐng)求CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)v算術(shù)邏輯部件 ( ALU )v累加器和通用寄存器組v程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器和譯碼器v時(shí)序和控制部件5.1 8086/8088 CPU1 402 393 384 375 366 357 348 339 3210 3111 3012 2913 2814 2715 2616 2517 2418 2319 2220 21地AD14AD13AD12AD11AD10AD9AD8AD7AD6AD5AD4AD

2、3AD2AD1AD0NMIINTRCLK地Vcc (5V)AD15A16/S3A17/S4A18/S5A19/S6BHE/S7MN/MXRDHOLD (RQ/GT0 ) HLDA ( RQ/GT1 )WR ( LOCK )M/IO ( S2 )DT/R ( S1 )DEN ( S0 )ALE ( QS0 )INTA ( QS1 )TESTREADYRESET1 402 393 384 375 366 357 348 339 3210 3111 3012 2913 2814 2715 2616 2517 2418 2319 2220 21地AD14AD13AD12AD11AD10AD9AD8AD

3、7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0NMIINTRCLK地Vcc (5V)AD15A16/S3A17/S4A18/S5A19/S6SS ( HIGH )MN/MXRDHOLD (RQ/GT0 ) HLDA ( RQ/GT1 )WR ( LOCK )M/IO ( S2 )DT/R ( S1 )DEN ( S0 )ALE ( QS0 )INTA ( QS1 )TESTREADYRESET8086 CPU8088 CPUReturnAHALBHBLCHCLDHDLSPBPDISI1 2 3 4 5 6通用寄存器組AXBXCXDX外部總線CSDSSSESIP內(nèi)部暫存器運(yùn)算寄存器ALU標(biāo) 志輸入

4、輸出控制電路執(zhí)行部分控制電路執(zhí)行部件（EU）總線接口部件（BIU）8086 CPU 的特點(diǎn)v最早采用流水線結(jié)構(gòu)的微處理器v采用分時(shí)復(fù)用的總線結(jié)構(gòu)v存儲(chǔ)器空間進(jìn)行分段管理v具有豐富的指令集v具有豐富的寄存器組v容易構(gòu)成時(shí)序系統(tǒng)8086/8088 CPU 結(jié)構(gòu)圖8086/8088的分段存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)8086 的寄存器組8086總線周期序列8086 的 分 段 存 儲(chǔ) 結(jié) 構(gòu)0000H: 0000H, 0001H, 0002H, , 000EH, 000FH, 0010H, 0011H, 0012H, , 001EH, 001FH, FFF0H, FFF1H, FFF2H, , FFFEH, FFFFHF

5、FFFH: 0000H, 0001H, 0002H, , 000EH, 000FH, 0010H, 0011H, 0012H, , 001EH, 001FH, FFF0H, FFF1H, FFF2H, , FFFEH, FFFFH0001H: 0000H, 0001H, 0002H, , 000EH, 000FH, 0010H, 0011H, 0012H, , 001EH, 001FH, FFF0H, FFF1H, FFF2H, , FFFEH, FFFFH段段地地址址段段內(nèi)內(nèi)地地址址段段內(nèi)內(nèi)地地址址段段內(nèi)內(nèi)地地址址64K64K64KReturn物物 理理 地地 址址 的的 計(jì)計(jì) 算算物理地址

6、：物理地址：20根地址線所表示的地址范圍根地址線所表示的地址范圍00000H - FFFFFH例如：例如： 52000H邏輯地址：由段地址和相對(duì)于該段的偏移地址共同描述的地址邏輯地址：由段地址和相對(duì)于該段的偏移地址共同描述的地址例如：例如： 5000H:2000H段地址段地址偏移地址偏移地址段寄存器進(jìn)行管理段寄存器進(jìn)行管理程序設(shè)計(jì)中使用的，有利于程序設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)中使用的，有利于程序設(shè)計(jì)邏輯地址邏輯地址物理地址物理地址計(jì)算計(jì)算尋址尋址內(nèi)存內(nèi)存.00000HFFFFFH物物 理理 地地 址址 的的 計(jì)計(jì) 算算段段 地地 址址0 0 0 0 19 4 3 0段地址左移四位段地址左移四位偏偏 移移 地

7、地 址址15 14 13 2 1 020 位位 的的 物物 理理 地地 址址例：例： 將邏輯地址將邏輯地址 3366H : 0000H 轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的物理地址轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的物理地址解：解： 將段地址左移四位將段地址左移四位 33660H 計(jì)算物理地址計(jì)算物理地址 33660H + 0000H = 33660HRETURNAX - 1）作為累加器用，在加法運(yùn)算中參與運(yùn)算，結(jié)果存于累加其中；）作為累加器用，在加法運(yùn)算中參與運(yùn)算，結(jié)果存于累加其中； 2）所有的）所有的I/O指令都使用這一寄存器與外部設(shè)備傳送信息指令都使用這一寄存器與外部設(shè)備傳送信息BX - 作為通用寄存器使用，在計(jì)算存儲(chǔ)器地址的時(shí)候，它

8、經(jīng)常用作基址作為通用寄存器使用，在計(jì)算存儲(chǔ)器地址的時(shí)候，它經(jīng)常用作基址 寄存器寄存器CX - 1）作為通用寄存器使用；）作為通用寄存器使用； 2）常用來(lái)保存計(jì)數(shù)值，如在移位指令、循環(huán)指令和串處理指令中）常用來(lái)保存計(jì)數(shù)值，如在移位指令、循環(huán)指令和串處理指令中 用作隱含的計(jì)數(shù)器用作隱含的計(jì)數(shù)器DX - 1）作為通用寄存器使用；）作為通用寄存器使用； 2）在一些指令中，通常用它來(lái)存放數(shù)據(jù)，所以又稱為數(shù)據(jù)寄存器；）在一些指令中，通常用它來(lái)存放數(shù)據(jù)，所以又稱為數(shù)據(jù)寄存器； 3）在做雙字長(zhǎng)運(yùn)算時(shí)，將）在做雙字長(zhǎng)運(yùn)算時(shí)，將DX和和AX組合在一起存放雙字長(zhǎng)數(shù)，用組合在一起存放雙字長(zhǎng)數(shù)，用DX 存放高位字；存放

9、高位字； 4）對(duì)某些）對(duì)某些I/O操作時(shí)，操作時(shí)，DX用來(lái)存放端口的地址用來(lái)存放端口的地址數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù) 寄寄 存存 器器 組組 的的 用用 途途堆堆 棧棧 操操 作作 示示 意意 圖圖RETURNSP90FFCH90FFDH90FFEH90FFFH91000H55 AA AH AL1000HSP9000HSSAA55SP90FFCH90FFDH90FFEH90FFFH91000H55 AA AH AL0FFEHSP9000HSS執(zhí)行執(zhí)行 PUSH 操作之后操作之后執(zhí)行執(zhí)行 PUSH 操作之前操作之前標(biāo)標(biāo) 志志 寄寄 存存 器器OF DF IFTFSFZFAFPFCF 15 14 13 12 11

10、 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 進(jìn)位標(biāo)志進(jìn)位標(biāo)志CF：運(yùn)算后，如果運(yùn)算的最高位（字節(jié)的：運(yùn)算后，如果運(yùn)算的最高位（字節(jié)的D7位，字的位，字的D15位）位）有進(jìn)位或者借位產(chǎn)生，則有進(jìn)位或者借位產(chǎn)生，則CF=1，否則，否則CF=0。 零標(biāo)志零標(biāo)志ZF：如果上一條指令的運(yùn)算結(jié)果為：如果上一條指令的運(yùn)算結(jié)果為0，則此標(biāo)志位置位，則此標(biāo)志位置位ZF=1，否則，否則ZF=0 符號(hào)標(biāo)志符號(hào)標(biāo)志SF：若運(yùn)算結(jié)果的最高位（字節(jié)的：若運(yùn)算結(jié)果的最高位（字節(jié)的D7位，字的位，字的D15位）為位）為1，則，則SF=1，否則，否則，SF=0 溢出標(biāo)志溢出標(biāo)志OF：若發(fā)生算數(shù)溢出，即運(yùn)算結(jié)果的長(zhǎng)度超過(guò)了目

11、的單元的容量，：若發(fā)生算數(shù)溢出，即運(yùn)算結(jié)果的長(zhǎng)度超過(guò)了目的單元的容量，丟失了有效數(shù)字，則丟失了有效數(shù)字，則OF=1，否則，否則OF=0 輔助進(jìn)位標(biāo)志輔助進(jìn)位標(biāo)志AF：又稱半進(jìn)位標(biāo)志，在字節(jié)操作時(shí)，低四位相高四位有進(jìn)：又稱半進(jìn)位標(biāo)志，在字節(jié)操作時(shí)，低四位相高四位有進(jìn)位或借位，自操作時(shí)，低位字節(jié)向高位字節(jié)有進(jìn)位或借位，則位或借位，自操作時(shí)，低位字節(jié)向高位字節(jié)有進(jìn)位或借位，則AF=1，否，否則則AF=0 奇偶標(biāo)志奇偶標(biāo)志PF：如果：如果“1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù)，則的個(gè)數(shù)為偶數(shù)，則PF=1，否則，否則PF=0OF DF IFTFSFZFAFPFCF 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4

12、 3 2 1 0 方向標(biāo)志方向標(biāo)志DF：用于規(guī)定字符串操作指令的步進(jìn)方向。：用于規(guī)定字符串操作指令的步進(jìn)方向。DF=0，表示串操作，表示串操作指令為自動(dòng)增量指令，即串操作由低位地址向高位地址處理；指令為自動(dòng)增量指令，即串操作由低位地址向高位地址處理；DF=1，表示表示串操作指令為自動(dòng)減量指令，即串操作由高位地址向低位地址處理。串操作指令為自動(dòng)減量指令，即串操作由高位地址向低位地址處理。 中斷允許標(biāo)志中斷允許標(biāo)志IF：用于控制可屏蔽中斷請(qǐng)求，：用于控制可屏蔽中斷請(qǐng)求，IF=0，表示不允許接受外部，表示不允許接受外部可屏蔽中斷請(qǐng)求；可屏蔽中斷請(qǐng)求；IF=1，表示允許接受外部可屏蔽中斷請(qǐng)求，表示允許

13、接受外部可屏蔽中斷請(qǐng)求 跟蹤標(biāo)志跟蹤標(biāo)志TF：TF=1，則處理器進(jìn)入單步方式，便于調(diào)試；若，則處理器進(jìn)入單步方式，便于調(diào)試；若TF=0，則程，則程序不能進(jìn)入單步調(diào)試狀態(tài)序不能進(jìn)入單步調(diào)試狀態(tài)標(biāo)標(biāo) 志志 寄寄 存存 器器AHALBHBLCHCLDHDLSPBPDISICSDSSSESIPFLAG數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器指示寄存器指示寄存器和和變址寄存器變址寄存器段寄存器段寄存器指令指針指令指針標(biāo)志寄存器標(biāo)志寄存器8086 的的 寄寄 存存 器器 組組AXBXCXDX堆棧堆棧指針寄存器，指示堆棧的棧頂?shù)钠频刂分羔樇拇嫫?，指示堆棧的棧頂?shù)钠频刂坊分羔樇拇嫫?，指示堆棧中某一存?chǔ)單元的地址基址指針寄存

14、器，指示堆棧中某一存儲(chǔ)單元的地址源變址寄存器源變址寄存器目的變址寄存器目的變址寄存器用于確定數(shù)據(jù)段中某一用于確定數(shù)據(jù)段中某一存儲(chǔ)單元的地址存儲(chǔ)單元的地址指向當(dāng)前代碼段，指令就是從這段取出的指向當(dāng)前代碼段，指令就是從這段取出的指向數(shù)據(jù)段，程序變量存于此段指向數(shù)據(jù)段，程序變量存于此段指向堆棧段，堆棧操作使用這段存儲(chǔ)空間指向堆棧段，堆棧操作使用這段存儲(chǔ)空間指向附加段，這個(gè)段用來(lái)存放經(jīng)過(guò)處理的中間數(shù)據(jù)指向附加段，這個(gè)段用來(lái)存放經(jīng)過(guò)處理的中間數(shù)據(jù)又稱為程序計(jì)數(shù)器，控制程序中指令執(zhí)行的順序又稱為程序計(jì)數(shù)器，控制程序中指令執(zhí)行的順序標(biāo)志寄存器標(biāo)志寄存器RETURN數(shù)據(jù)寄存器的用途8086 總總 線線 周周

15、期期 序序 列列T1T2T3TwT4T1T1T2CPU 往多路復(fù)用總線上發(fā)出地址信息，以指出存儲(chǔ)單元或外設(shè)端口的地址往多路復(fù)用總線上發(fā)出地址信息，以指出存儲(chǔ)單元或外設(shè)端口的地址CPU從總線上撤消地址，從而為傳輸數(shù)據(jù)作準(zhǔn)備，總線的高從總線上撤消地址，從而為傳輸數(shù)據(jù)作準(zhǔn)備，總線的高4位位用來(lái)輸出本總線周期的狀態(tài)信息，如當(dāng)前正在使用的段存儲(chǔ)器名用來(lái)輸出本總線周期的狀態(tài)信息，如當(dāng)前正在使用的段存儲(chǔ)器名多路總線的高多路總線的高4位繼續(xù)提供狀態(tài)信息，而多路總線的低位繼續(xù)提供狀態(tài)信息，而多路總線的低16位上出現(xiàn)由位上出現(xiàn)由 CPU 寫出的數(shù)據(jù)或者寫出的數(shù)據(jù)或者CPU從存儲(chǔ)器或外從存儲(chǔ)器或外設(shè)端口讀入的數(shù)據(jù)設(shè)

16、端口讀入的數(shù)據(jù)總線周期結(jié)束總線周期結(jié)束等待狀態(tài)：有時(shí)，被讀寫數(shù)據(jù)的外設(shè)或存儲(chǔ)器等待狀態(tài)：有時(shí)，被讀寫數(shù)據(jù)的外設(shè)或存儲(chǔ)器不能及時(shí)地配合不能及時(shí)地配合CPU傳送數(shù)據(jù)，這時(shí)，外設(shè)或傳送數(shù)據(jù)，這時(shí)，外設(shè)或存儲(chǔ)器會(huì)通過(guò)存儲(chǔ)器會(huì)通過(guò)”READY”信號(hào)線在信號(hào)線在T3狀態(tài)啟動(dòng)之狀態(tài)啟動(dòng)之前向前向CPU發(fā)送一個(gè)發(fā)送一個(gè)“數(shù)據(jù)未準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)未準(zhǔn)備好”的信號(hào)，于的信號(hào)，于是，是，CPU會(huì)在會(huì)在T3狀態(tài)之后插入若干個(gè)狀態(tài)之后插入若干個(gè)Tw5.2 IBM PC 微型計(jì)算機(jī)及其工作原理 IBM PC 中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ) 5 5 A A HA A20000H5 520001H內(nèi)內(nèi) 存存00000HFFFFFH一個(gè)字節(jié)，一個(gè)字節(jié)，

17、8位存儲(chǔ)單元位存儲(chǔ)單元相鄰的相鄰的2個(gè)個(gè)8位的存儲(chǔ)單元（共位的存儲(chǔ)單元（共16位），構(gòu)成一個(gè)字位），構(gòu)成一個(gè)字.字（雙字）存放的起始地址字（雙字）存放的起始地址3 320002H2 220003H2 2 3 3 IBM PC 計(jì)算機(jī)的分段存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) IBM PC 計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程8086/8088 寄存器寄存器上電上電 / 復(fù)位初始狀態(tài)復(fù)位初始狀態(tài)標(biāo)志寄存器標(biāo)志寄存器清零清零指令指針指令指針 (IP)0000H代碼段寄存器代碼段寄存器 (CS)0FFFFH數(shù)據(jù)段寄存器數(shù)據(jù)段寄存器 (DS)0000H堆棧段寄存器堆棧段寄存器 (SS)0000H附加數(shù)據(jù)段寄存器附加數(shù)據(jù)段寄存器 (ES)0000H

18、指令隊(duì)列指令隊(duì)列空空其它寄存器其它寄存器0000HIBM PC 的初始狀態(tài)的初始狀態(tài)CISC 技術(shù)與 RISC 技術(shù)vCISC - 復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)CISC結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)v系列機(jī)的發(fā)展，使得計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜VAX 11/780 303條指令v縮小與高級(jí)語(yǔ)言語(yǔ)義的差異和有利于操作系統(tǒng)的優(yōu)化CISC 結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的缺點(diǎn)v指令的使用頻度不均衡v限制了機(jī)器速度的進(jìn)一步提高v不利于微處理器先進(jìn)技術(shù)的采用vRISC - 簡(jiǎn)化指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)RISC 技術(shù)的特征精簡(jiǎn)指令集，減少指令的執(zhí)行周期數(shù)計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序所需的時(shí)間 P = I * C * TI：高級(jí)語(yǔ)言程序編譯后在機(jī)器上運(yùn)行的機(jī)器指令數(shù)C：執(zhí)行每條機(jī)器指令所需的平均機(jī)器周期T：每個(gè)機(jī)器周期的執(zhí)行時(shí)間ICTRISC1.2 - 1.41.3 - 1.4 1CISC14 -