第2章微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

第2章Intel80x86微處理器的結(jié)構(gòu)主要內(nèi)容

8086/8088微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

80386微處理器的結(jié)構(gòu)

Pentium微處理器的結(jié)構(gòu)1qingyang@2023/2/62.1Intel8086/8088微處理器的結(jié)構(gòu)一、8086/8088的功能結(jié)構(gòu)（執(zhí)行單元與總線接口單元）二、8086/8088的寄存器結(jié)構(gòu)三、8086/8088的存儲器組織2qingyang@2023/2/6一、執(zhí)行單元與總線接口單元（8086CPU)注：8086CPU數(shù)據(jù)總線16位，指令隊列為6個字節(jié)；8088CPU數(shù)據(jù)總線8位，指令隊列為4個字節(jié)。3qingyang@2023/2/6（一）總線接口單元BIU（BusInterfaceUnit）功能：負(fù)責(zé)與Memory、I/O端口傳送數(shù)據(jù)。取指令時，從存儲器指定地址取出指令送入指令隊列排隊。執(zhí)行指令時，根據(jù)EU命令對指定存儲器單元或I/O端口存取數(shù)據(jù)。

組成：4個段地址寄存器（CS、DS、ES、SS）16位指令指針寄存器IP20位的地址加法器

(16d段地址+偏移地址＝物理地址)6字節(jié)（8086）或4字節(jié)（8088）的指令隊列總線控制電路:處理器與外界總線聯(lián)系的轉(zhuǎn)接電路。包括三組總線：20位地址總線，8位（8086）/16位（8086）雙向數(shù)據(jù)總線，一組控制總線。4qingyang@2023/2/6（一）總線接口單元BIU（BusInterfaceUnit）（cont.）指令隊列

8086的指令隊列為6個字節(jié), 8088的指令隊列為4個字節(jié)。不論是8086還是8088都會在執(zhí)行指令的同時從內(nèi)存中取下一條或幾條指令，取來的指令放在指令隊列中，使BIU具有預(yù)取指令的功能，是一種先進(jìn)先出（FIFO）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。5qingyang@2023/2/6（二）執(zhí)行單元EU（

ExecutionUnit）

功能執(zhí)行指令，進(jìn)行全部算術(shù)邏輯運(yùn)算、完成偏移地址的計算向總線接口單元BIU提供指令執(zhí)行結(jié)果的數(shù)據(jù)和偏移地址，并對通用寄存器和標(biāo)志寄存器進(jìn)行管理。組成：4個通用寄存器：AX、BX、CX、DX4個專用寄存器：BP、SP、SI、DI標(biāo)志寄存器（PSW）：9個標(biāo)志位，其中6個條件標(biāo)志位用于存放結(jié)果狀態(tài)，算術(shù)邏輯單元：16位加法器，用于對寄存器和指令操作數(shù)進(jìn)行算術(shù)或邏輯運(yùn)算，EU控制系統(tǒng)：接受從總線接口單元的指令隊列中取來的指令代碼，對其譯碼和向EU內(nèi)各有關(guān)部分發(fā)出時序命令信號，協(xié)調(diào)執(zhí)行指令規(guī)定的操作。6qingyang@2023/2/6（三）流水線工作方式8086/8088取指部分與執(zhí)行部分是分開的。在一條指令的執(zhí)行過程中可以取出下一條（或多條）指令，指令在指令隊列中排隊；在一條指令執(zhí)行完成后,就可以立即執(zhí)行下一條指令，減少CPU為取指令而等待的時間，提高CPU的利用率和整個運(yùn)行速度。8086/8088微處理器:BIU和EU分開，取指和執(zhí)行可以重迭，大大減少了等待取指所需的時間，提高CPU的利用率。7qingyang@2023/2/6（三）、流水線工作方式(cont.)對于8080與8085及較早的8位微處理器:程序執(zhí)行由取指令和執(zhí)行指令的循環(huán)來完成的，每條指令執(zhí)行完后CPU必須等到下條指令取出來后才能執(zhí)行。8qingyang@2023/2/6二、8086/8088的寄存器結(jié)構(gòu)AHALBHBLCHCLDHDLSPBPSIDIIPFLAGSCSDSSSES通用寄存器組累加器基址寄存器計數(shù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器堆棧指針基址指針源變址寄存器目的變址寄存器指令指針標(biāo)志寄存器代碼段寄存器數(shù)據(jù)段寄存器堆棧段寄存器附加段寄存器數(shù)據(jù)寄存器地址指針、變址寄存器控制寄存器段寄存器15870AXBXCXDX9qingyang@2023/2/6二、8086/8088的寄存器結(jié)構(gòu)（cont.）1、通用寄存器 ：

數(shù)據(jù)寄存器、地址指針寄存器、變址寄存器數(shù)據(jù)寄存器包括:AX、BX、CX、DX地址指針寄存器包括:SP、BP變址寄存器包括:SI、DI2、段寄存器：CS、SS、DS、ES3、控制寄存器：IP、PSW10qingyang@2023/2/6（一）通用寄存器（1）數(shù)據(jù)寄存器AX：（Accumulator）作為累加器。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)。BX：Base用作基址寄存器使用。在計算內(nèi)存儲器地址時，經(jīng)常用來存放基址。CX：Count可以作計數(shù)寄存器使用。在循環(huán)LOOP指令和串處理指令中用作隱含計數(shù)器。DX：Data可以作為數(shù)據(jù)寄存器使用。一般在雙字長乘除法運(yùn)算時，把DX和AX組合在一起存放一個雙字長(32位)數(shù)，DX用來存放高16位;對某些I/O操作DX可用來存放I/O的端口地址（口地址256）。11qingyang@2023/2/6（一）通用寄存器（cont.）（2）地址指針與變址寄存器SP、BP、SI、DI

四個16位寄存器。以字為單位在運(yùn)算過程中存放操作數(shù)，經(jīng)常用以在段內(nèi)尋址時提供偏移地址。SP（stackpointer）——堆棧指針寄存器用來指示棧頂?shù)钠频刂?必須與SS段寄存器聯(lián)合使用確定實(shí)際地址。BP（basepointer）——基址指針寄存器可以與SS寄存器聯(lián)合使用來確定堆棧段中某一存儲器單元地址。變址寄存器(SI、DI)SI——SourceIndexRegister源變址寄存器。DI——DestinationIndex目的變址寄存器。使用場合：常用于變址尋址。一般與DS聯(lián)用，用來確定數(shù)據(jù)段中某一存儲單元的地址。串操作中，[DS:SI]尋址源操作數(shù)，[ES:DI]尋址目的操作數(shù),SI、DI具有自動增量和自動減量功能.12qingyang@2023/2/6（二）段寄存器段寄存器:4個16位段寄存器CS、DS、SS、ES。用來識別當(dāng)前可尋址的四個段，不可互換使用。CS——CodeSegmentRegister代碼段寄存器用來識別當(dāng)前代碼段（程序一般放在代碼段）。DS——DataSegmentRegister數(shù)據(jù)段寄存器用來識別當(dāng)前數(shù)據(jù)段。SS——StackSegmentRegister堆棧段寄存器，用來識別當(dāng)前堆棧段。ES——ExtraSegmentRegister附加段寄存器，用來識別當(dāng)前附加段。13qingyang@2023/2/6（三）控制寄存器控制寄存器：IP、PSWIP—InstructionPointer指令指針寄存器用來存儲代碼段中的偏移地址;程序運(yùn)行過程中IP始終指向下一次要取出的指令偏移地址。IP要與CS寄存器相配合才能形成真正的物理地址。PSW—（ProcessorStatesWordProgram）程序狀態(tài)字寄存器，16位寄存器。由狀態(tài)標(biāo)志、控制標(biāo)志構(gòu)成。 只用了其中9位,6位條狀態(tài)標(biāo)志,3位控制標(biāo)志。14qingyang@2023/2/6狀態(tài)標(biāo)志寄存器（PSW)15qingyang@2023/2/6標(biāo)志寄存器---狀態(tài)標(biāo)志位用來記錄程序中運(yùn)行結(jié)果的狀態(tài)信息，作為后續(xù)條件轉(zhuǎn)移指令的轉(zhuǎn)移控制條件。狀態(tài)標(biāo)志位（條件碼）包括6位：CF、PF、AF、ZF、SF、OF。① OF（OverflowFlag）溢出標(biāo)志（一般指帶符號數(shù)的補(bǔ)碼溢出）OF=1：在帶符號數(shù)運(yùn)算過程中，結(jié)果超過了機(jī)器表示的范圍，稱為溢出。OF=0：在帶符號數(shù)運(yùn)算過程中，結(jié)果未超過機(jī)器表示范圍，稱為無溢出。字節(jié)允許范圍-128—+127，字運(yùn)算范圍-32768—+32767。② SF（SignFlag）符號標(biāo)志SF=1：記錄運(yùn)算結(jié)果的符號為負(fù)。SF=0：記錄運(yùn)算結(jié)果的符號為正。③ ZF（ZeroFlag）零標(biāo)志ZF=1：運(yùn)算結(jié)果為0。ZF=0：運(yùn)算結(jié)果不為0。16qingyang@2023/2/6標(biāo)志寄存器--狀態(tài)標(biāo)志位④ CF（CarryFlag）進(jìn)位標(biāo)志CF=1：記錄運(yùn)算時從最高有效位產(chǎn)生進(jìn)位或借位。CF=0：記錄運(yùn)算時從最高有效位不產(chǎn)生進(jìn)位/借位。⑤AF（AuxiliaryCarryFlag）輔助進(jìn)位標(biāo)志AF=1：記錄運(yùn)算時D3位（半個字節(jié)）產(chǎn)生進(jìn)位或借位。AF=0：記錄運(yùn)算時D3位（半個字節(jié)）不產(chǎn)生進(jìn)位或借位。⑥PF(ParityFlag)奇偶標(biāo)志PF=1:結(jié)果操作數(shù)低8位中有偶數(shù)個1。PF=0:結(jié)果操作數(shù)低8位中有奇數(shù)個1。用來為機(jī)器中傳送信息時可能產(chǎn)生的誤碼提供檢驗條件。17qingyang@2023/2/6控制標(biāo)志位對控制標(biāo)志位進(jìn)行設(shè)置后,對其后的操作起控制作用?？刂茦?biāo)志位包括3位:TF、IF、DF。跟蹤（陷阱）標(biāo)志TF、中斷標(biāo)志IF、方向標(biāo)志DF。TF(TrapFlag)跟蹤(陷阱)標(biāo)志位TF=1,每執(zhí)行一條指令后，自動產(chǎn)生一次內(nèi)部中斷，使CPU處于單步執(zhí)行指令工作方式，便于進(jìn)行程序調(diào)試，用戶能檢查程序。TF=0,CPU正常工作，不產(chǎn)生陷阱。IF(InteruptFlag)中斷標(biāo)志位IF=1,允許外部可屏蔽中斷。CPU可以響應(yīng)可屏蔽中斷請求。IF=0,關(guān)閉中斷。CPU禁止響應(yīng)可屏蔽中斷請求。IF的狀態(tài)對不可屏蔽中斷和內(nèi)部軟中斷沒有影響。DF(DirectionFlag)方向標(biāo)志位DF=1,每次串處理操作后使變址寄存器SI和DI減量，使串處理從高地址向低地址方向處理。DF=0,每次串處理操作后使變址寄存器SI和DI增量,使串處理從低地址向高地址方向處理。DF方向標(biāo)志位是在串處理指令中控制處理信息的方向用的。18qingyang@2023/2/62023/2/6qingyang@19例:指出8086CPU執(zhí)行如下指令后，標(biāo)志寄存器中各狀態(tài)標(biāo)志位的值。(1)MOVAX,32C5H(2)MOVAX,0E453HADDAX,546AHADDAX,0C572H解

（1）0011001011000101（2）1110010001010011+0101010001101010+110001010111001010000111001011111010100111000101所以，OF=1SF=1ZF=0OF=0SF=1ZF=0AF=0PF=0CF=0AF=0PF=1CF=1例1：執(zhí)行兩個數(shù)的加法，分析對標(biāo)志位的影響。標(biāo)志:

運(yùn)算結(jié)果最高位為0 ∴SF=0； 運(yùn)算結(jié)果≠0

∴ZF=0

低8位中1的個數(shù)為奇數(shù)個 ∴PF=0； 最高位沒有進(jìn)位 ∴CF=0 D3位向D4位無進(jìn)位 ∴AF=0；

次高位向最高位沒有進(jìn)位，最高位向前沒有進(jìn)位, ∴OF=0。20qingyang@2023/2/6例2：執(zhí)行兩個數(shù)的加法，分析對標(biāo)志位的影響。標(biāo)志:

運(yùn)算結(jié)果最高位為1，SF=1； 運(yùn)算結(jié)果本身不為0，ZF=0； 最高位向前無進(jìn)位，CF=0

次高位向最高位產(chǎn)生進(jìn)位,而最高位向前沒有進(jìn)位，OF=1； 結(jié)果低8位含偶數(shù)個1，PF=1；

D3位向D4位有進(jìn)位,AF=1。

在絕大多數(shù)情況下，一次運(yùn)算后并不影響所有標(biāo)志， 程序也并不需要對所有的標(biāo)志作全面的關(guān)注。 一般只是在某些操作后,對其中某個標(biāo)志進(jìn)行檢測。21qingyang@2023/2/6三、8086/8088的存儲器組織（一）存儲器結(jié)構(gòu)（二）存儲器的分段結(jié)構(gòu)和物理地址的形成22qingyang@2023/2/6存儲單元的的內(nèi)容：一個存儲單元有效的信息。一個字存入存儲器占有相繼的二個單元：

低位字節(jié)存入低地址，高位字節(jié)存入高地址。

字單元的地址采用它的低地址來表示，可以是偶地址也可以是奇地址。同一個地址既可以看作字節(jié)單元地址，又可看作字單元地址，需要根據(jù)使用情況確定。

例：

字單元:（0004H）=

1234H,

字節(jié)單元:（0004H）=

34H

（一）存儲器結(jié)構(gòu)23qingyang@2023/2/6（一）、存儲器結(jié)構(gòu)（cont.）Intel8088管理的存儲空間：1.存儲單元按字節(jié)編址，存儲單元地址20位。2.存儲器的地址空間為1M字節(jié)單元，其地址范圍為00000H～FFFFFH。24qingyang@2023/2/62023/2/6qingyang@25..FFFFFHFFFF0H通用區(qū)專用區(qū)FFFEFH00400H003FFH00000H專用區(qū)

實(shí)模式下存儲器地址空間存儲器地址空間被分為通用和專用兩種存儲區(qū)。從地址00000H～003FFH為中斷向量表區(qū)，用來存放256個中斷服務(wù)程序的入口地址(也稱中斷向量)，每個入口地址占4個字節(jié)單元。從地址FFFF0H～FFFFFH這16個字節(jié)單元保留給系統(tǒng)的初始化代碼。當(dāng)處理器加電或復(fù)位(Reset)時，CPU執(zhí)行的第一條指令就是起始于地址FFFF0H的。通用區(qū)域用來存儲一般的程序指令和數(shù)據(jù)，它的地址范圍為00400H～FFFEFH。（一）、存儲器結(jié)構(gòu)（cont.）（二）存儲器的分段結(jié)構(gòu)和物理地址的形成

8086/8088有20條地址總線，直接尋址能力為220=1M字節(jié)。用16進(jìn)制數(shù)表示1M字節(jié)的地址范圍應(yīng)為0000H~FFFFFH。（1）8086/

8088內(nèi)部20位物理地址形成（2）邏輯地址與物理地址26qingyang@2023/2/6（1）存儲器地址分段8086/8088地址總線是20位的，CPU中的寄存器是16位的，20位地址無法用16位寄存器表示。Intel8088對存儲器采用分段管理方法。段內(nèi)地址16位,每個段的大小最大可達(dá)64KB（實(shí)際可以根據(jù)需要來確定段大小，可以是1，100，1000等在64K范圍內(nèi)的任意字節(jié)數(shù)。）對段的起始地址有限制即段不能從任意地址開始，必須從任一小段的首地址開始。（從0地址開始每16字節(jié)為一小段）27qingyang@2023/2/62023/2/6qingyang@28具體做法是，將1M字節(jié)的存儲空間分成許多邏輯段，每段最長64K字節(jié)單元，可以用16位地址碼進(jìn)行尋址。每個邏輯段在實(shí)際存儲空間中的位置是可以浮動的,其起始地址的低4位必須是0。段寄存器中存放的是段起始地址的高16位，稱之為“段地址”?！捌屏俊?offset)也稱偏移地址，它是所訪問的存儲單元距段的起始地址之間的字節(jié)距離。

段地址和偏移地址均是16位的。邏輯地址：由段基址和段內(nèi)偏移地址組成的地址，在程序設(shè)計時使用。段地址:段起始地址高16位值。偏移地址:指在段內(nèi)某內(nèi)存單元物理地址相對段起始地址的偏移值。物理地址：存儲器的絕對地址（20位的實(shí)際地址）， 范圍從00000H～FFFFFH,是由CPU訪問存儲器時由地址總線發(fā)出的地址。29qingyang@2023/2/6段寄存器段地址16位偏移地址16位150150段地址16位1500000地址加法器物理地址（２０位）190邏輯地址物理地址計算方法：即把段地址左移4位再加上偏移地址值形成物理地址，寫成：

物理地址=16d段地址+偏移地址

物理地址＝段地址×10H+偏移地址需注意的是，每個存儲單元有惟一的物理地址，但該存儲單元的“段地址”和“偏移地址”是相對的。換句話說，同一個物理地址與多個邏輯地址相對應(yīng)。例如，段地址為0020H，偏移地址為0013H，對應(yīng)的物理地址為00213H；若段地址為0021H，偏移地址為0003H，其對應(yīng)的物理地址仍然是00213H。30qingyang@2023/2/62023/2/6qingyang@31例2.1

設(shè)代碼段寄存器CS的內(nèi)容為4232H，指令指針寄存器IP的內(nèi)容為0066H，即CS＝4232H，IP＝0066H，則被訪問的代碼段存儲單元的物理地址是：

4232H×10H+0066H=42386H42320066423200660段基值偏移量左移4位物理地址邏輯地址

42386+）2023/2/6qingyang@32例2.2

設(shè)數(shù)據(jù)段寄存器DS的內(nèi)容為1234H，基址寄存器BX的內(nèi)容為0022H，即(DS)＝1234H，(BX)＝0022H，則被訪問數(shù)據(jù)段存儲單元的物理地址是：

1234H×10H+0022H=42386H12340022123400220段基值偏移量左移4位物理地址邏輯地址

12362+）2023/2/6qingyang@33例2.3

若段寄存器內(nèi)容是002AH，產(chǎn)生的物理地址是002C3H，則偏移量是多少?

物理地址－段地址×10H

＝002C3H-002A0H

＝0023H。

2023/2/6qingyang@34四種類型的段：代碼段，數(shù)據(jù)段，附加數(shù)據(jù)段，堆棧段。

CS–代碼段寄存器，保存代碼段段地址

DS–數(shù)據(jù)段寄存器，保存數(shù)據(jù)段段地址

ES–附加數(shù)據(jù)段寄存器，保存附加數(shù)據(jù)段段地址

SS–堆棧段寄存器，保存堆棧段段地址偏移地址由BX、BP、SP、SI、DI、IP或以這些寄存器的組合形式來提供

IP–代碼段偏移地址SP–堆棧段偏移地址

BX、BP、SI、DI–數(shù)據(jù)段或附加數(shù)據(jù)段偏移地址（二）存儲器的分段結(jié)構(gòu)和物理地址的形成（cont.）存儲器典型的分段結(jié)構(gòu)（二）存儲器的分段結(jié)構(gòu)和物理地址的形成（cont.）35qingyang@2023/2/6各段在存儲器中分配：（1）由操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)分配一般情況，各段在存儲器中的分配是由操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)。每個段可以獨(dú)立地占用64K存儲區(qū)。（2）各段也可以允許重迭每個段的大小允許根據(jù)實(shí)際需要分配，不一定要占64KB。每個存儲單元的內(nèi)容不允許發(fā)生沖突（段可重迭，但使用時需防止沖突）。（3）在程序的首部設(shè)定各段寄存器的值如果程序中的四個段都是64K的范圍之內(nèi)，程序運(yùn)行時所需要的信息都在本程序所定義的段區(qū)之內(nèi)，程序員只要在程序的首部設(shè)定各段寄存器的值就可以了。（4）動態(tài)地修改段寄存器的內(nèi)容如果程序的某一段（如數(shù)據(jù)段）在程序運(yùn)行過程中會超過64K空間，或者程序中可能訪問除本身四個段以外的其他段區(qū)的信息，那么在程序中必須動態(tài)地修改段寄存器的內(nèi)容。36qingyang@2023/2/62023/2/6qingyang@37堆棧堆棧定義：堆棧是存儲器中的一個特定的存儲區(qū)，它的一端(棧底)是固定的，另一端(棧頂)是浮動的，信息的