第2章 典型微處理器-1

1、1,本章主要教學(xué)內(nèi)容 微處理器內(nèi)部組成、寄存器結(jié)構(gòu) CPU引腳特性和作用 存儲(chǔ)器和I/O組織 總線周期、工作模式、操作時(shí)序 高檔微處理器組成結(jié)構(gòu)及特點(diǎn),第2章,典型微處理器的內(nèi)外部特性,2,本次課教學(xué)內(nèi)容及要求 熟悉8086CPU內(nèi)外部組成 掌握寄存器結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用 掌握8086存儲(chǔ)器組織，理解存儲(chǔ)器分段、物理地址的計(jì)算 理解I/O編址方式,第2章,3,第2章,2.1.1 8086微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 概述： 典型16位微處理器，HMOS工藝制造，芯片集成2.9萬(wàn)只晶體管，+5V電源； 40條引腳雙列直插式封裝； 16條數(shù)據(jù)線，字長(zhǎng)16位； 20條地址線，尋址空間1MB（220B）； 時(shí)鐘頻率5MH

2、z10MHz； 基本指令執(zhí)行時(shí)間0.30.6s。,4,8086 基本特點(diǎn) 并行流水線工作，通過(guò)設(shè)置指令預(yù)取隊(duì)列實(shí)現(xiàn)； 內(nèi)存空間分段管理，分為4個(gè)段并設(shè)置段寄存器，實(shí)現(xiàn)對(duì)1MB空間的尋址； 可工作于最小、最大兩種模式； 與浮點(diǎn)運(yùn)算器8087、I/O處理器8089或其他處理器組成多處理器系統(tǒng)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐能力和數(shù)據(jù)處理能力提高。,第2章,5,8086內(nèi)部有兩個(gè)邏輯單元： 執(zhí)行部件EU（Execution Unit） 總線接口部件BIU （Bus Interface Unit） （組成結(jié)構(gòu)如圖2.1所示）,第2章,6,P27: 圖2.1 8086微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu),7,第2章,1. 執(zhí)行部件EU,EU

3、的任務(wù)：負(fù)責(zé)指令譯碼、指令執(zhí)行和數(shù)據(jù)運(yùn)算。 EU的組成： 算術(shù)邏輯單元（ALU） 8個(gè)通用寄存器 1個(gè)狀態(tài)標(biāo)志寄存器 1個(gè)數(shù)據(jù)暫存寄存器 EU控制電路,8,EU的基本功能： 從BIU指令隊(duì)列中取指令代碼，經(jīng)譯碼后執(zhí)行規(guī)定操作； EU中各部件通過(guò)16位ALU數(shù)據(jù)總線連接，在內(nèi)部可實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)傳輸。,第2章,9,BIU功能： 從內(nèi)存取指令送指令隊(duì)列； CPU執(zhí)行指令時(shí)，配合EU從指定內(nèi)存單元或外設(shè)端口取數(shù)據(jù)，或送數(shù)據(jù)到指定內(nèi)存、外設(shè)端口。,2. 總線接口部件BIU,第2章,10,BIU的組成,第2章,(1) 4個(gè)16位段地址寄存器； CS代碼段寄存器 DS數(shù)據(jù)段寄存器 ES附加段寄存器 SS堆棧段

4、寄存器 (2) 16位指令指針寄存器IP； (3) 20位地址加法器； (4) 6字節(jié)指令隊(duì)列緩沖器。,11,第2章,BIU指令隊(duì)列和20位地址加法器作用 執(zhí)行指令同時(shí)從內(nèi)存取下一條指令，存放在指令隊(duì)列緩沖器中。CPU執(zhí)行完一條指令可立即執(zhí)行下一條指令稱流水線技術(shù)，減少取指等待時(shí)間，提高效率。 (2) 8086所有寄存器都是16位，需通過(guò)地址加法器計(jì)算出20位物理地址，實(shí)現(xiàn)尋址1MB空間。,12,指令的一般執(zhí)行過(guò)程： 取指令指令譯碼讀取操作數(shù)執(zhí)行指令存放結(jié)果 串行和并行方式指令流水線： 串行工作：控制器和運(yùn)算器交替工作，按順序完成指令執(zhí)行過(guò)程。 并行工作：運(yùn)算器和控制器可同時(shí)工作。,第2章,1

5、3,cpu串行工作方式：,取指令1,執(zhí)行1,存結(jié)果1,取指令2,取操作數(shù),執(zhí)行2,CPU,BUS,忙碌,忙碌,忙碌,忙碌,cpu并行工作方式：,取指令2,取操作數(shù),存結(jié)果,取指令3,取操作數(shù),取指令4,執(zhí)行1,執(zhí)行2,執(zhí)行3,忙碌,忙碌,忙碌,忙碌,忙碌,忙碌,BIU,EU,BUS,第2章,14,8086CPU供編程使用有14個(gè)16位寄存器，按用途分為： 8個(gè)通用寄存器； 2個(gè)控制寄存器； 4個(gè)段寄存器。 如下圖所示。,第2章,2.1.2 8086寄存器,15,P29： 圖2.2 8086內(nèi)部寄存器,16,（1）數(shù)據(jù)寄存器：4個(gè)16位寄存器 AX：累加器，完成各類運(yùn)算和傳送、移位操作； BX：

6、基址寄存器，間接尋址中存放基地址； CX：計(jì)數(shù)寄存器，循環(huán)或串操作指令中放計(jì)數(shù)值； DX：數(shù)據(jù)寄存器，間接尋址I/O指令中存放數(shù)據(jù)。,第2章,1. 通用寄存器,17,可將4個(gè)16位數(shù)據(jù)寄存器分成兩組獨(dú)立的8位寄存器： AH、BH、CH、DH AL、BL、CL、DL 16位數(shù)據(jù)寄存器主要存放數(shù)據(jù)，也可存放地址 8位數(shù)據(jù)寄存器只存放數(shù)據(jù),第2章,18,SP：堆棧指針寄存器，指示棧頂偏移地址。 BP：基址指針寄存器，訪內(nèi)存時(shí)存放偏移地址，或存放堆棧段中數(shù)據(jù)區(qū)基址偏移地址。 SI：源變址寄存器，存放源操作數(shù)偏移地址。 DI：目的變址寄存器，存放目的操作數(shù)偏移地址。,第2章,（2）指針與變址寄存器 （4

7、個(gè)16位寄存器，存放偏移地址）,19,（1）指令指針寄存器IP：保存指令在代碼段的偏移位置。 CPU利用CS和IP獲取指令，然后修改IP使之指向BIU要取的下一條指令偏移地址。 注意：IP是指令代碼存放單元地址指針，不能用指令取出IP或給IP設(shè)置給定值，但可通過(guò)某些指令（轉(zhuǎn)移類指令）來(lái)修改IP內(nèi)容。,第2章,2.控制寄存器,20,FLAG （16位寄存器）反映指令執(zhí)行結(jié)果或控制指令執(zhí)行形式。共有9個(gè)可用標(biāo)志位，其余7個(gè)位空閑不用。 6個(gè)狀態(tài)標(biāo)志： CF-進(jìn)位標(biāo)志；PF-奇偶標(biāo)志；AF-輔助進(jìn)位標(biāo)志；ZF-零標(biāo)志；SF-符號(hào)標(biāo)志；OF-溢出標(biāo)志 3個(gè)控制標(biāo)志：TF-陷阱標(biāo)志或單步操作標(biāo)志 ；IF

8、-中斷允許標(biāo)志；DF-方向標(biāo)志,第2章,（2）標(biāo)志寄存器FLAG,21,標(biāo)志位含義和特點(diǎn),22,（1）代碼段CS（Code Segment） 存放程序。系統(tǒng)取指時(shí)尋址代碼段，段地址和偏移地址由CS和IP給出。 （2） 數(shù)據(jù)段DS（Data Segment） 保存數(shù)據(jù)。尋址該段數(shù)據(jù)時(shí)，可缺省段說(shuō)明，其偏移地址可通過(guò)多種尋址方式形成。,第2章,3.段寄存器,23,（3）堆棧段SS（Stack Segment） “堆棧”是數(shù)據(jù)的一種特殊存取方式，按“先進(jìn)后出”方式操作。堆棧指針SP指示棧頂。系統(tǒng)執(zhí)行棧操作指令時(shí)尋址堆棧段，段地址和偏移地址分別由SS和SP提供。 （4）附加數(shù)據(jù)段ES（Extra Se

9、gment） 用于保存數(shù)據(jù)。訪問(wèn)該段數(shù)據(jù)時(shí)，在偏移地址前要加段說(shuō)明（段跨越前綴ES）。,第2章,24,40條引腳，雙列直插式封裝，如圖2.4所示。分以下5類： 1. 地址/數(shù)據(jù)總線（16條）：AD15AD0 2. 地址/狀態(tài)總線（4條）：A19/S6A16/S3 3. 控制總線（9條） 4. 電源線和地線（3條）：VCC、GND 5. 其它控制線（8條） （地址/數(shù)據(jù)總線采用分時(shí)復(fù)用方式，引腳有雙重功能，AD15AD0引腳可傳送數(shù)據(jù)信號(hào)，有時(shí)也可輸出地址信號(hào)。）,第2章,2.1.3 8086CPU引腳功能,25,P32：圖2.4 8086CPU引腳圖,26,第2章,（1）每個(gè)引腳只傳送一種信息

10、； （2）引腳電平高低代表不同傳遞信號(hào)； （3）CPU工作于不同方式時(shí)引腳有不同名稱和定義； （4）分時(shí)復(fù)用引腳； （5）引腳的輸入和輸出信號(hào)分別傳送不同信息。,CPU引腳定義方法,27,2.2.1 存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) 存儲(chǔ)器內(nèi)按字節(jié)組織，1MB存儲(chǔ)空間分成兩個(gè)512KB存儲(chǔ)體： 固定與CPU低字節(jié)數(shù)據(jù)線D7D0相連稱低字節(jié)存儲(chǔ)體，該存儲(chǔ)體中每個(gè)地址均為偶數(shù)； 固定與CPU高字節(jié)數(shù)據(jù)線D15D8相連稱高字節(jié)存儲(chǔ)體，該存儲(chǔ)體中每個(gè)地址均為奇數(shù)。 兩存儲(chǔ)體間采用字節(jié)交叉編址方式，如圖2.5所示。,第2章,2.2 存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)與I/O組織,28,P35：圖2.5 8086存儲(chǔ)器分體結(jié)構(gòu),29,兩個(gè)存儲(chǔ)體與CP

11、U總線之間的連接關(guān)系 如圖2.6所示。 奇地址存儲(chǔ)體的片選端 由總線高位有效控制信號(hào),來(lái)控制。,由地址線A0控制。,偶地址存儲(chǔ)體的片選端,第2章,30,第2章,圖2.6 兩個(gè)存儲(chǔ)體與總線的連接,P36,31,8086用20位地址線尋址1MB存儲(chǔ)空間。而CPU內(nèi)所有寄存器只有16位，只能尋址64KB（216B）。 把整個(gè)存儲(chǔ)空間分成若干邏輯段，每個(gè)邏輯段最大容量為64KB。 CPU允許各邏輯段在整個(gè)存儲(chǔ)空間中浮動(dòng)，可緊密相連，也可相互重疊，還可分開一段距離，如圖2.7所示。,第2章,2.存儲(chǔ)器分段,32,33,第2章,3.存儲(chǔ)器地址,（1）段地址（Segment Address）： 描述要尋址邏

12、輯段在內(nèi)存中的起始位置。 （2）偏移地址（Offset Address）： 描述要尋址內(nèi)存單元距本段段首的偏移量。 （3）有效地址（Effective Address）： 編程中將偏移地址稱為有效地址EA 。,34,第2章,（4）邏輯地址（Logic Address）： 程序中使用，表示為“段地址:偏移地址”。 （5）物理地址（Physical Address）： CPU和存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)交換時(shí)使用的實(shí)際地址。訪問(wèn)內(nèi)存時(shí)，編程使用16位邏輯地址，BIU使用20位物理地址。 物理地址=段地址10H偏移地址,35,36,4. 專用和保留的存儲(chǔ)器單元 （1）00000H003FFH（共1KB） 存放中斷向

13、量表 （2）B0000HB0FFFH（共4KB） 單色顯示器的視頻緩沖區(qū) （3）B8000HBBFFFH（共16KB） 彩色顯示器的視頻緩沖區(qū) （4）FFFF0HFFFFFH（共16B） 存放一條無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令，系統(tǒng)上電或復(fù)位時(shí)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到初始化程序,37,（1）統(tǒng)一編址：I/O端口地址置于存儲(chǔ)器中，每個(gè)端口占一個(gè)存儲(chǔ)單元地址。CPU訪問(wèn)存儲(chǔ)器的指令和各種尋址方式都可用于尋址I/O端口。 優(yōu)點(diǎn)：不需專門I/O指令，端口操作指令類型多，數(shù)據(jù)存取靈活，方便程序設(shè)計(jì)。 缺點(diǎn)：I/O端口占用存儲(chǔ)器地址空間，程序不易閱讀，不易區(qū)分哪些指令訪問(wèn)存儲(chǔ)器，哪些指令訪問(wèn)外部設(shè)備。,第2章,2.2.2 I/O端口組

14、織,38,（2）獨(dú)立編址：?jiǎn)为?dú)構(gòu)成I/O空間，不占存儲(chǔ)器地址。CPU設(shè)置I/O指令（IN和OUT）和接口控制信號(hào)訪問(wèn)端口。16條地址線可訪問(wèn)最多64K容量的8位端口或32K容量的16位端口。 優(yōu)點(diǎn)：I/O端口地址獨(dú)立，控制電路和地址譯碼電路簡(jiǎn)單，I/O指令與存儲(chǔ)器操作指令有明顯區(qū)別，程序編制清晰，容易閱讀。 缺點(diǎn)：輸入/輸出指令類別少，一般只進(jìn)行傳送操作。,第2章,39,例題分析,【例1】16位字?jǐn)?shù)據(jù)為125AH和2B89H，在存儲(chǔ)器中地址分別為01020H和01024H，畫出該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)示意圖。,【解析】要理解數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的存儲(chǔ)規(guī)則。 內(nèi)存中一個(gè)存儲(chǔ)單元保存一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)； 一個(gè)字?jǐn)?shù)據(jù)占相鄰兩個(gè)

15、存儲(chǔ)單元； 字?jǐn)?shù)據(jù)在內(nèi)存中存放時(shí)，低字節(jié)在前，高字節(jié)在后。 該題存儲(chǔ)示意參見下圖所示。,40,例題分析,兩個(gè)字?jǐn)?shù)據(jù)在內(nèi)存單元中的存儲(chǔ)示意圖,41,【例2】已知堆棧段寄存器（SS）=2400H，堆棧基址（BP）=1200H，計(jì)算該堆棧棧頂?shù)膶?shí)際地址。,【解答】堆棧段寄存器（SS）=2400H，堆?；罚˙P）=1200H； 故堆棧棧頂實(shí)際地址即物理地址： PA=（SS）10H（BP） = 2400H10H1200H = 25200H 保存在堆棧區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)將從25200H地址開始存儲(chǔ)，每個(gè)單元存放一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。,例題分析,42,【例3】?jī)?nèi)存有由10個(gè)字節(jié)組成的數(shù)據(jù)區(qū)，起始地址1100H:0020

16、H。計(jì)算該數(shù)據(jù)區(qū)在內(nèi)存的首末單元實(shí)際地址。,【解答】?jī)?nèi)存數(shù)據(jù)區(qū)邏輯地址1100H:0020H，可知該數(shù)據(jù)段地址：（DS）=1100H，偏移地址為0020H，對(duì)應(yīng)物理地址： PA=（DS）10H0020H =1100H10H0020H = 11020H 即該數(shù)據(jù)區(qū)在內(nèi)存中首單元的物理地址（實(shí)際地址）為11020H。,例題分析,43,存儲(chǔ)空間中10個(gè)字節(jié)對(duì)應(yīng)10個(gè)地址，應(yīng)占用從起始地址0單元到9號(hào)單元的位置，轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)為0000H到0009H，該數(shù)據(jù)區(qū)在內(nèi)存中末單元物理地址（實(shí)際地址）： PA = 11020H0009H = 11029H 所以：本題中10個(gè)字節(jié)組成的數(shù)據(jù)區(qū)，在內(nèi)存首單元實(shí)際地址是11020H，內(nèi)存末單元實(shí)際地址是11029H。,例題分析,44,本次課小結(jié),1. 8086內(nèi)部有兩大功能部件 執(zhí)行部件EU和總線接口部件BIU； 兩個(gè)部件并行操作，取指令和執(zhí)行指令可同時(shí)進(jìn)行； 減少了CPU的等待時(shí)間，充分利用了總線，從而提高了CPU的工作效率，加快了整機(jī)的運(yùn)行速度。,45,2.8086供編程用有14個(gè)16位寄存器 通用寄存器（8個(gè)） 段寄存器（4個(gè)）； 控制寄存器（2個(gè)） 3. 理解8086引腳信號(hào)功能及使用特點(diǎn) 是高電平有效還是低電