計算機硬件技術(shù)及應(yīng)用第4章CPU的結(jié)構(gòu)和功能(2)微處理器

1、 第第 3 章章微處理器微處理器u了解了解8086微處理器的發(fā)展微處理器的發(fā)展;u掌握掌握8086微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和寄存器作用微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和寄存器作用;u掌握流水線技術(shù)的原理掌握流水線技術(shù)的原理;u掌握掌握RISC和和CISC計算機的特點。計算機的特點。 教教 學(xué)學(xué) 要要 求求 2 2、存儲單元的地址、存儲單元的地址 存儲器以字節(jié)存儲器以字節(jié)bytebyte（8 bit8 bit）為編程單位）為編程單位; ; 每個存儲每個存儲單元存放一個字節(jié)的內(nèi)容。單元存放一個字節(jié)的內(nèi)容。 1 word = 2 byte = 16 bit1 word = 2 byte = 16 bit 1 dw =

2、2 word 1 dw = 2 word每個字節(jié)單元都有每個字節(jié)單元都有唯一的唯一的地址編碼地址編碼, ,稱稱存儲單元的地址。存儲單元的地址。地址編碼通常順序排列：每個字節(jié)單元有一個地址，地址編碼通常順序排列：每個字節(jié)單元有一個地址， 從從0 0編號，順序加編號，順序加1 1地址用二進制數(shù)無符號整數(shù)來表示地址用二進制數(shù)無符號整數(shù)來表示 （編程用十六進制表示）；（編程用十六進制表示）；地址范圍和存儲容量的關(guān)系：存儲容量地址范圍和存儲容量的關(guān)系：存儲容量=2=2N N運算器進行數(shù)據(jù)分析、計算和處理。運算器進行數(shù)據(jù)分析、計算和處理。算術(shù)邏輯單元算術(shù)邏輯單元ALUALU, ,是運算器的核心部件。執(zhí)行算

3、術(shù)運算、是運算器的核心部件。執(zhí)行算術(shù)運算、邏輯運算、移邏輯運算、移 位、比較等各種數(shù)據(jù)處理的操作。位、比較等各種數(shù)據(jù)處理的操作。包括指令寄存器、指令譯碼器以及定時與控制電路。包括指令寄存器、指令譯碼器以及定時與控制電路。根據(jù)指令譯碼的結(jié)果，處理程序指令，根據(jù)指令譯碼的結(jié)果，處理程序指令，并協(xié)調(diào)各邏輯部件按一定時序工作。并協(xié)調(diào)各邏輯部件按一定時序工作。每一個寄存器相當(dāng)于運算器中的一個存儲單元，但速度比存每一個寄存器相當(dāng)于運算器中的一個存儲單元，但速度比存 儲器快，用來存放計算過程中所需要的或得到的各種信息；儲器快，用來存放計算過程中所需要的或得到的各種信息；包括：操作數(shù)地址，操作數(shù)及運算的中間結(jié)

4、果包括：操作數(shù)地址，操作數(shù)及運算的中間結(jié)果 8086內(nèi)部結(jié)構(gòu)有兩個功能模塊，完成一條指令的取指和執(zhí)行功能。內(nèi)部結(jié)構(gòu)有兩個功能模塊，完成一條指令的取指和執(zhí)行功能。模塊之一：總線接口單元模塊之一：總線接口單元BIU模塊之二：執(zhí)行單元模塊之二：執(zhí)行單元EU 主要負責(zé)指令譯碼和執(zhí)行主要負責(zé)指令譯碼和執(zhí)行 它它ALU是計算機的是計算機的運算器運算器 內(nèi)部暫存器內(nèi)部暫存器 IP ES SS DS CS輸入輸入/輸出輸出控制電路控制電路外部總線外部總線執(zhí)行部分執(zhí)行部分控制電路控制電路1 2 3 4 5 6ALU標志寄存器標志寄存器 AH AL BH BLCH CL DH DL SP BP SI DI通用寄存

5、器通用寄存器地址加法器地址加法器指令隊列緩沖器指令隊列緩沖器執(zhí)行部件執(zhí)行部件 （EU)總線接口部件總線接口部件 （BIU)16位位20位位16位位8位位 OF SF ZF AF PF CFDF IF TF 用于串操作指令中，控制地址的變化方向：用于串操作指令中，控制地址的變化方向： 設(shè)置設(shè)置DFDF0 0，存儲器地址自動增加；，存儲器地址自動增加； 設(shè)置設(shè)置DFDF1 1，存儲器地址自動減少。，存儲器地址自動減少。CLDCLD指令復(fù)位方向標志：指令復(fù)位方向標志：DFDF0 0STDSTD指令置位方向標志：指令置位方向標志：DFDF1 1DF（Direction Flag）方向標志）方向標志IF

6、（Interrupt-enable Flag）中斷允許標志）中斷允許標志 用于控制外部可屏蔽中斷是否可以被處理器響應(yīng)：用于控制外部可屏蔽中斷是否可以被處理器響應(yīng)： 設(shè)置設(shè)置IFIF1 1，則允許中斷；，則允許中斷；設(shè)置設(shè)置IFIF0 0，則禁止中斷。，則禁止中斷。CLICLI指令復(fù)位中斷標志：指令復(fù)位中斷標志：IFIF0 0STISTI指令置位中斷標志：指令置位中斷標志：IFIF1 1 用于控制處理器進入單步操作方式：用于控制處理器進入單步操作方式： 設(shè)置設(shè)置TFTF0 0，處理器正常工作；，處理器正常工作； 設(shè)置設(shè)置TFTF1 1，處理器單步執(zhí)行指令。，處理器單步執(zhí)行指令。單步執(zhí)行指令單步執(zhí)

7、行指令處理器在每條指令執(zhí)行結(jié)束時，處理器在每條指令執(zhí)行結(jié)束時，便產(chǎn)生一個編號為便產(chǎn)生一個編號為1 1的內(nèi)部中斷的內(nèi)部中斷; ;這種內(nèi)部中斷稱為單步中斷這種內(nèi)部中斷稱為單步中斷; ;所以所以TFTF也稱為單步標志也稱為單步標志; ;利用單步中斷可對程序進行逐條指令的調(diào)試利用單步中斷可對程序進行逐條指令的調(diào)試; ;這種逐條指令調(diào)試程序的方法就是單步調(diào)試這種逐條指令調(diào)試程序的方法就是單步調(diào)試TF（Trap Flag）陷阱標志）陷阱標志 例：二進制加法例：二進制加法10010001B + 01110100B = 00000101B 1 0 0 1 0 0 0 1 + 0 1 1 1 0 1 0 0 1

8、 0 0 0 0 0 1 0 1進位進位狀態(tài)標志分析：狀態(tài)標志分析： CF=1，產(chǎn)生進位，產(chǎn)生進位AF=0，半字節(jié)無進位，半字節(jié)無進位SF=0，結(jié)果為正，結(jié)果為正(最高位為最高位為0)ZF=0，結(jié)果不為，結(jié)果不為0PF=1，結(jié)果偶數(shù)個，結(jié)果偶數(shù)個1OF=0，將兩個操作數(shù)作為有符號數(shù)，相加結(jié)果無溢出。，將兩個操作數(shù)作為有符號數(shù)，相加結(jié)果無溢出。10010001B = -6FH，01110100B = +74H(-6FH) + (+74H) = +05H加法加法OF溢出的判斷：同號相加溢出的判斷：同號相加,結(jié)果相異；結(jié)果相異； OF為為1 否則否則OF為為0(不產(chǎn)生溢出不產(chǎn)生溢出)。例：二進制減法

9、例：二進制減法01110001B - 10001011B= 11100110B 0 1 1 1 0 0 0 1 - 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0借位借位狀態(tài)標志分析：狀態(tài)標志分析： CF=1，產(chǎn)生借位，產(chǎn)生借位AF=1，半字節(jié)產(chǎn)生進位，半字節(jié)產(chǎn)生進位SF=1，結(jié)果為負，結(jié)果為負(最高位為最高位為1)ZF=0，結(jié)果不為，結(jié)果不為0PF=0，結(jié)果奇數(shù)個，結(jié)果奇數(shù)個1OF=1，將兩個操作數(shù)作為有符號數(shù)，相減結(jié)果產(chǎn)生溢出。，將兩個操作數(shù)作為有符號數(shù)，相減結(jié)果產(chǎn)生溢出。01110001B = +71H，10001011B = -75H(+71H) - (-75) =

10、 -1AH 減法減法OF溢出的判斷：異號相減，差的符號與被減數(shù)相異，溢出的判斷：異號相減，差的符號與被減數(shù)相異，OF為為1 否則否則OF為為0(不產(chǎn)生溢出不產(chǎn)生溢出)。8086/8088的內(nèi)部寄存器的內(nèi)部寄存器 AH AL BH BL CH CL DH DL AX BX CX DX SP BP SI DI IP FLAG CS DS SS ES(A) 累加器累加器 基地址寄存器基地址寄存器 計數(shù)器計數(shù)器 數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器 (SP) 堆棧指針寄存器堆棧指針寄存器 基地址寄存器基地址寄存器 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 (PC) 指令指針寄存器指令指針寄存器(PSW)

11、 狀態(tài)標志寄存器狀態(tài)標志寄存器 代碼段寄存器代碼段寄存器 數(shù)據(jù)段寄存器數(shù)據(jù)段寄存器 堆棧段寄存器堆棧段寄存器 附加段寄存器附加段寄存器通用寄存器通用寄存器控制寄存器控制寄存器 段寄存器段寄存器8位寄存器位寄存器 1、地址線與尋址能力的關(guān)系地址線與尋址能力的關(guān)系 2 2、數(shù)據(jù)線與機器字長的關(guān)系、數(shù)據(jù)線與機器字長的關(guān)系20 根地址線根地址線：尋址能力尋址能力1MB 地址范圍地址范圍 00000H FFFFFH （1MB） 機器字長機器字長1616位位：僅能表示地址范圍：僅能表示地址范圍0000H FFFFH（64KB) 地址的表示方法地址的表示方法：邏輯地址和物理地址：邏輯地址和物理地址物理地址物

12、理地址: :操作數(shù)在存儲器中的實際存儲單元地址操作數(shù)在存儲器中的實際存儲單元地址.cpu.cpu向向 地址總線提供的是物理地址。地址總線提供的是物理地址。邏輯地址邏輯地址的表示的表示段地址：偏移地址段地址：偏移地址偏移地址偏移地址又稱有效地址（又稱有效地址（EAEA） 解決方法：解決方法：將將1MB的的M分成很多邏輯段；分成很多邏輯段；每每1616個字節(jié)為一小段，共有個字節(jié)為一小段，共有64K64K個小段個小段 存儲器的分段存儲器的分段1616位的位的R R中如何訪問中如何訪問2020位地址的位地址的M M空間？空間？小段的首地址小段的首地址 00000 H 0000F H 00010 H 0

13、001F H 00020 H 0002F H FFFF0 H FFFFFH 段起始地址：小段首地址段起始地址：小段首地址 段的大小：段的大?。?4K 64K 范圍內(nèi)的任意字節(jié)范圍內(nèi)的任意字節(jié)段之間可以間隔；緊密相連；部分重疊；完全重疊段之間可以間隔；緊密相連；部分重疊；完全重疊將邏輯地址將邏輯地址物理地址，即可訪問物理地址，即可訪問M 8086對邏輯段要求：對邏輯段要求： 段地址低段地址低4位均為位均為0 每段最大不超過每段最大不超過64KB 8086對邏輯段并不要求：對邏輯段并不要求： 必須是必須是64KB 各段之間完全分開（即可以重疊）各段之間完全分開（即可以重疊）存儲器的存儲器的邏輯邏輯

14、分段：分段： 是否是否M中每個單元都可做段起點（段地址）？中每個單元都可做段起點（段地址）？1MB空間的分段空間的分段 1MB 1MB空間最多能分成多少個段？空間最多能分成多少個段？每隔每隔1616個存儲單元就可以開始一個段，個存儲單元就可以開始一個段，所以所以1MB1MB最多可以有：最多可以有：2 2202016162 2161664K 64K 個段個段 1MB 1MB空間最少能分成多少個段？空間最少能分成多少個段？每隔每隔64K64K個存儲單元開始一個段，個存儲單元開始一個段，所以所以1MB1MB最少可以有：最少可以有：2 220202 2161616 16 個段個段 計算公式：物理地址計

15、算公式：物理地址 =段地址段地址 16D + 偏移地址偏移地址+16 位位 段段 地地 址址16 位位 偏偏 移移 地地 址址20 位位 物物 理理 地地 址址0000例例：(DS) = 2100H, (BX) = 0500H (PA) = 21000H + 0500H = 21500H 物理地址的形成物理地址的形成物理地址物理地址 =段地址段地址 10H + 偏移地址偏移地址程序的指令序列必須安排在代碼段程序的指令序列必須安排在代碼段;程序使用的堆棧一定在堆棧段程序使用的堆棧一定在堆棧段;程序中的數(shù)據(jù)默認是安排在數(shù)據(jù)段，程序中的數(shù)據(jù)默認是安排在數(shù)據(jù)段， 也經(jīng)常安排在附加段，尤其是串操作的也經(jīng)

16、常安排在附加段，尤其是串操作的 目的區(qū)必須是附加段。目的區(qū)必須是附加段。數(shù)據(jù)的存放比較靈活，實際上可以存放在數(shù)據(jù)的存放比較靈活，實際上可以存放在 任何一種邏輯段中。任何一種邏輯段中。如何分配各個邏輯段如何分配各個邏輯段段寄存器的使用規(guī)定段寄存器的使用規(guī)定存儲單元的內(nèi)容存儲單元的內(nèi)容一個字要占用一個字要占用相繼相繼的兩個字節(jié)的兩個字節(jié) 低位字節(jié)存入低地址，高位字節(jié)存入高地址低位字節(jié)存入低地址，高位字節(jié)存入高地址字單元地址用它的字單元地址用它的低地址低地址來表示來表示 機器以機器以偶地址偶地址訪問（讀訪問（讀 / / 寫）存儲器寫）存儲器存儲單元的內(nèi)容：存儲單元的內(nèi)容：一個存儲單元中存放的信息。一

17、個存儲單元中存放的信息。存儲單元的內(nèi)容可以存儲單元的內(nèi)容可以重復(fù)重復(fù)取出，直到存入新的信息；取出，直到存入新的信息；同一地址既可看成字節(jié)單元的內(nèi)容，又可看成字（雙字）同一地址既可看成字節(jié)單元的內(nèi)容，又可看成字（雙字） 單元的內(nèi)容。單元的內(nèi)容。 1001 1111 0010 0110 0100 1000 地址地址10000H10001H10002H10003H 10004H10005H 1000 0011 0101 1100 1010 0010訪問兩次內(nèi)存訪問兩次內(nèi)存存儲單元的內(nèi)容的表示存儲單元的內(nèi)容的表示字節(jié)內(nèi)容字節(jié)內(nèi)容 （10000H10000H）9FH9FH；（；（10001H10001H

18、）26H26H字內(nèi)容字內(nèi)容 （10000H10000H）269FH269FH；（；（10001H10001H）4826H4826H雙字內(nèi)容雙字內(nèi)容 （10000H10000H）8348269FH8348269FH 8086的芯片內(nèi)核的芯片內(nèi)核Intel 8086Intel 8086處理器處理器12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221 GND AD14 AD13 AD12 AD11 AD10 AD9 AD8 AD7 AD6 AD5 AD4 AD3 AD2 AD1 AD0 NMI INTR CLK

19、 GADVCCAD15AD16 / S3AD17 / S4AD18 / S5AD19 / S6BHE/S7 MN / MXRDHOLD (RQ / GT0)HLDA (WR /GT1)WR (LOCK)M / IO ( S2 )DT / R ( S1 ) DEN ( S0 )ALE ( QS0 )INTA ( QS1 )TESTREADYRESET8086 CPU CPU工作在不同模工作在不同模式時，引腳具有不同式時，引腳具有不同的名稱和定義。的名稱和定義。但是還有部分公用引但是還有部分公用引腳在不同模式下具有腳在不同模式下具有相同的含義。相同的含義。 RD S6 S6恒為低，恒為低， S5

20、S5反映標志寄存器反映標志寄存器IFIF位的狀態(tài)位的狀態(tài) S4 S4、S3S3表示表示CPUCPU正在使用哪個段寄存器正在使用哪個段寄存器 BHE/S7 BHE/S7：高：高8 8位數(shù)據(jù)總線允許位數(shù)據(jù)總線允許/ /狀態(tài)狀態(tài)S7S7信號輸出、三態(tài)。信號輸出、三態(tài)。 分時復(fù)用做分時復(fù)用做BHEBHE時低電平有效，時低電平有效，S7S7為備用狀態(tài)線，在為備用狀態(tài)線，在DMADMA時為高阻時為高阻. .S2 , S1 , S0最大模式的特點：最大模式的特點：1、多機系統(tǒng)、多機系統(tǒng)2、CB的多數(shù)控制信號均由總線控制器的多數(shù)控制信號均由總線控制器8288提供。提供。最小模式的特點：最小模式的特點：1、單機

21、系統(tǒng)、單機系統(tǒng)2、CB的多數(shù)控制信號均由的多數(shù)控制信號均由8086的引腳直接提供。的引腳直接提供。2424位位物理地址物理地址1616位偏移位偏移量或數(shù)據(jù)量或數(shù)據(jù)2424位位地址地址總線總線1616位位數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)總線總線存儲器存儲器操作請求操作請求指令單元指令單元IUIU總線接口總線接口單元單元BIUBIU執(zhí)行單元執(zhí)行單元EUEU通用寄存通用寄存器組器組ALUALU標志標志寄存器寄存器控制電路控制電路指令譯碼器指令譯碼器譯碼的指譯碼的指令隊列令隊列物理地址物理地址發(fā)生器發(fā)生器段寄存器段寄存器段描述符段描述符CacheCache總線接總線接口電路口電路預(yù)取器預(yù)取器指令預(yù)指令預(yù)取隊列取隊列地址單元地

22、址單元AUAUMMU 加法器加法器段段Cache界限和屬界限和屬性性PLAALU控制控制內(nèi)部控制總線內(nèi)部控制總線控制電路控制電路指令譯碼指令譯碼指令預(yù)取指令預(yù)取保護檢保護檢測部件測部件 譯碼和時譯碼和時序序控制控制ROM 指令譯指令譯碼器碼器已譯碼的已譯碼的指令隊列指令隊列 預(yù)取器預(yù)取器/界界限檢查器限檢查器指令預(yù)取指令預(yù)取隊列隊列 桶型移位桶型移位寄存器寄存器ALU乘乘/除器除器寄存器組寄存器組 加法器加法器頁頁Cache控制和屬控制和屬性性PLA線線性性地地址址總總線線32位位32位位32位位有效地址總線有效地址總線有效地址總線有效地址總線34位位32位位32位位總線控制總線控制請求判請求判優(yōu)器優(yōu)器 地址驅(qū)動器地址驅(qū)動器流水線總線流水線總線寬度控制寬度控制MUX/收發(fā)器收發(fā)器并行移位并行移位寄存器寄存器寄存器文件寄存器文件ALU描述寄存器描述寄存器段單元段單元范圍仲裁范圍仲裁用用PLA高速緩高速緩存單元存單元8KB緩存緩存地址地址驅(qū)動器驅(qū)動器數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線驅(qū)動器驅(qū)動器總線控總線控制器制器TLB頁面單元頁面單元A31A2 BE0BE3D31D0各種控制各種控制信號信號總線接口總線接口物理物理地址地址譯碼后指令傳遞譯碼后指