微機(jī)原理第三章

1、微機(jī)原理第章微機(jī)系統(tǒng)中的微處理器 微處理器的一般結(jié)構(gòu)微處理器的一般結(jié)構(gòu) 311 微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 的基本功能：的基本功能：（）（） 進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算（）（） 具有接收存儲(chǔ)器和具有接收存儲(chǔ)器和I/O接口來的數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)給存儲(chǔ)器和接口來的數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)給存儲(chǔ)器和I/O接口接口的能力的能力（）（） 可以暫存少量數(shù)據(jù)可以暫存少量數(shù)據(jù)（）（） 能對指令進(jìn)行寄存、譯碼并執(zhí)行指令所規(guī)定的操作能對指令進(jìn)行寄存、譯碼并執(zhí)行指令所規(guī)定的操作（）（） 能提供整個(gè)系統(tǒng)所需的定時(shí)和控制信號(hào)能提供整個(gè)系統(tǒng)所需的定時(shí)和控制信號(hào)（）（） 可響應(yīng)設(shè)備發(fā)出的中斷請求?？身憫?yīng)設(shè)備發(fā)出的中斷

2、請求。3.1.2 處理器的外部結(jié)構(gòu) 微處理器的外部就是輸入輸出引腳，這些引腳構(gòu)成微處理器總線?？偩€按功能可以分為三種： (1)傳送信息的數(shù)據(jù)總線（Data Bus） (2)指示欲傳信息的來源或目的地址的地址總線（Address Bus） (3)管理總線上活動(dòng)的控制總線（Control Bus） 3.2 3.2 微處理器的功能結(jié)構(gòu)微處理器的功能結(jié)構(gòu) 1. 8086CPU有20條地址線，可直接尋址能力達(dá)1MB。2. 8086CPU具有16條數(shù)據(jù)總線，內(nèi)部總線和ALU均為16位，可進(jìn)行8位和16位操作，是16位微處理器。3. 8086CPU由總線接口單元BIU(Bus Interface Unit)

3、和執(zhí)行單元EU(Execution Unit)組成。 1. 4個(gè)16位段寄存器（:CS,SS,DS,ES）2. 16位指令指針I(yè)P（PC）3. 指令隊(duì)列寄存器、4. 完成與EU通訊的內(nèi)部寄存器5. 由段寄存器保存的段地址和IP或EU部件提供的偏移地址（16位）形成20位物理地址的20位物理地址加法器和總線控制邏輯。對外提供16位雙向數(shù)據(jù)和20位物理地址總線，它的任務(wù)是執(zhí)行總線周期，完成CPU與存儲(chǔ)器和I/O設(shè)備之間信息的傳送。 主要完成對外工作?？偩€接口單元BIUBIU的具體工作執(zhí)行總線周期。完成CPU與存儲(chǔ)器和IO設(shè)備之間的信息傳送-從存儲(chǔ)器取指令-指令隊(duì)列-根據(jù)EU命令對存儲(chǔ)器或IO設(shè)備存

4、取數(shù)據(jù)執(zhí)行單元EU的組成1.算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU2.暫存器3.標(biāo)志寄存器（PSW）4.通用寄存器組和EU控制器構(gòu)成。執(zhí)行單元EU的任務(wù)1. 執(zhí)行指令2. 進(jìn)行全部算術(shù)邏輯運(yùn)算3. 完成偏移地址的計(jì)算4. 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。 EU的工作就是執(zhí)行指令。它專從BIU中的指令隊(duì)列中不斷的取指令并執(zhí)行指令。 當(dāng)執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令、調(diào)用指令和返回指令時(shí)，EU要等待BIU清除指令隊(duì)列，重新按照轉(zhuǎn)移目的地址取指令供EU執(zhí)行，這時(shí)BIU取出的第一條指令直接送入EU去執(zhí)行隨后取出的指令填入指令隊(duì)列。這時(shí)EU和BIU的并行操作會(huì)受到一定影響，但只要

5、發(fā)生程序轉(zhuǎn)移的概率不是很高，BIU與EU的并行工作方式仍將大大提高程序的運(yùn)行速度。 當(dāng)EU在執(zhí)行指令過程中需要訪問存儲(chǔ)器或IO端口存取操作數(shù)時(shí)，EU首先向BIU發(fā)出請求，并提供操作數(shù)的有效地址，由BIU形成20位物理地址并訪問內(nèi)存或IO端口，族取操作數(shù)送給EU使用. EU和BIU間既相互配合又相對獨(dú)立，稱異步工作方式，亦即并行流水線方式，它大大提高了CPU執(zhí)行程序的速度。3.3 8086的寄存器結(jié)構(gòu)的寄存器結(jié)構(gòu) 8086CPU內(nèi)部具有14個(gè)16位寄存器。 3.3.1通用寄存器 (1)數(shù)據(jù)寄存器 數(shù)據(jù)寄存器包括AX、BX、CX、DX。可寄存操作數(shù)和操作結(jié)果。每一個(gè)由可分成高8位和低8位兩個(gè)獨(dú)立的

6、8位寄存器來使用。16位數(shù)據(jù)寄存器主要用來存放數(shù)據(jù)，也可存放地址，8位寄存器（AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH、DL）只能寄放數(shù)據(jù)。(2)地址指針和變址寄存器 SP（Stack Pointer）堆棧指針 BP（Base Pointer）基址指針 SI（Source Index）和DI（Destination Index）變址寄存器 以上寄存器主要用來存放地址，也可存放數(shù)據(jù)。 3.3.2 段寄存器組 訪問存儲(chǔ)器的地址碼有段地址和段內(nèi)偏移地址兩部分組成。段寄存器用來存放段地址?？偩€接口單元BIU設(shè)置4個(gè)段寄存器，CPU可通過4個(gè)段寄存器訪問存儲(chǔ)器中4個(gè)不同的段（每段64K）。 代碼段寄存器

7、CS（Code Segment）：存放當(dāng)前執(zhí)行程序所在段的段地址，CS的內(nèi)容左移4位再加上指令指針I(yè)P的內(nèi)容就是下一條要執(zhí)行的指令地址。 數(shù)據(jù)段寄存器DS（Data Segment）：存放當(dāng)前數(shù)據(jù)段的段地址。 堆棧寄存器SS（Stack Segment）：存放當(dāng)前堆棧段的段地址。 附加段寄存器ES（Extra Segment）：附加段是一個(gè)附加數(shù)據(jù)段。 段寄存器3.3.3 控制寄存器 (1)指令指針I(yè)P（Instruction Pointer） IP相當(dāng)于程序計(jì)數(shù)器PC。保存下一條要執(zhí)行的指令的偏移地址。在用戶程序中不能使用該寄存器，但可用DEBUG來調(diào)試修改。 (2)標(biāo)志寄存器（FLAG）

8、就是處理器狀態(tài)字寄存器（PSW），一共兩個(gè)字節(jié)，9個(gè)標(biāo)志。其中6個(gè)反映前一次ALU操作結(jié)果涉及的狀態(tài)標(biāo)志，3個(gè)是控制CPU操作特征的控制標(biāo)志。PF（Parity Flag）奇偶標(biāo)志,低8位中含有偶數(shù)個(gè)1，PF=1 AF（Auxiliary Carry Flag）輔助進(jìn)位標(biāo)志，加法或減法運(yùn)算時(shí)，D3位有進(jìn)位或借位時(shí) AF=1,主要用于BCD運(yùn)算。 ZF（Zero Flag）零標(biāo)志,結(jié)果為0, ZF=1 CF（Carry Flag）進(jìn)位標(biāo)志 SF（Sign Flag）符號(hào)標(biāo)志,D7或D15=1,SF=1,表示負(fù)數(shù) 狀態(tài)標(biāo)志(六個(gè)）OF標(biāo)志，運(yùn)算結(jié)果超出范圍，產(chǎn)生溢出，OF=1,否則OF=0;對于加

9、法運(yùn)算，如果次高位形成進(jìn)位加入最高位，而最高位相加時(shí)，卻沒有進(jìn)位輸出；或次高位沒有進(jìn)位加入最高位，但最高位卻有進(jìn)位輸出，都將發(fā)生溢出，OF=1.減法同理。成為雙高原則：兩個(gè)高位都有進(jìn)位或借位，運(yùn)算不溢出，OF=0;兩個(gè)高位中只有一個(gè)有進(jìn)位或借位，運(yùn)算溢出，OF=1； OF（Overflow Flag）溢出標(biāo)志控制標(biāo)志 DF（Direction Flag）方向標(biāo)志?？捎弥噶铑A(yù)置，字符串操作時(shí)，DF=0，遞增；DF=1，地址遞減。 IF（Interrupt Enable Flag）中斷允許標(biāo)志。IF=1，CPU響應(yīng)可屏蔽中斷，IF=0,CPU不響應(yīng)可屏蔽中斷。 TF（Trap Flag）陷阱標(biāo)志，

10、TF=1，CPU處于單步執(zhí)行方式。 3.4 8086的存儲(chǔ)器組織的存儲(chǔ)器組織 3.4.1 存儲(chǔ)器地址空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式 存儲(chǔ)器地址空間 8086的存儲(chǔ)器是以字節(jié)（8 bit）為單位組成的。共有20條地址總線，可尋址的存儲(chǔ)器地址空間為220Byte（1MB）。每個(gè)字節(jié)對應(yīng)一個(gè)唯一的地址，地址范圍0-220-1（000000FFFFFH）。 存儲(chǔ)器內(nèi)兩個(gè)連續(xù)的字節(jié)定義為一個(gè)字（WORD）。每個(gè)字的低字節(jié)（低8位）存放在低地址中，高字節(jié)（高8位）存放在高地址中。字的地址指向低字節(jié)的地址。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式 8086CPU數(shù)據(jù)總線16位，對于訪問（讀或?qū)懀┳止?jié)的指令，需要一個(gè)總線周期，對于訪問一個(gè)偶地址的字

11、的指令，也需要一個(gè)總線周期，而對于訪問一個(gè)奇地址的字的指令，需要兩個(gè)總線周期（CPU自動(dòng)完成）。3.4.2 存儲(chǔ)器的分段和物理地址的形成 8086的地址總線20條，可尋址空間為1MB。BX、IP、SP、ALU等都是16位，只能直接處理16位地址（64KB）。8086CPU采用地址分段方法，將尋址空間擴(kuò)大到1MB。 邏輯段 8086把1MB的存儲(chǔ)器空間分成若干個(gè)邏輯段，每段最多64KB。 各邏輯段的起始地址必須是能被16整除的地址，即低4位地址為0。 一個(gè)段的起始地址的高16位被稱為該段的段地址。段內(nèi)偏移地址 在1MB的存儲(chǔ)器地址中可以有216個(gè)段地址。 每個(gè)段內(nèi)的偏移地址稱為有效地址EA，偏移

12、地址也為16位。 一個(gè)段最大可以包括64BK的空間，相鄰兩個(gè)段的段地址最小相距16個(gè)字節(jié)，段與段可互相覆蓋。 每個(gè)存儲(chǔ)單元都有一個(gè)物理地址。而邏輯地址由段地址和偏移地址兩部分組成。 段地址和偏移地址都是無符號(hào)的16位二進(jìn)制數(shù)（4位16進(jìn)制）。邏輯地址的表示格式：段地址：偏移地址。 物理地址=段地址10H+偏移地址8086BIU中加法器用來完成物理地址的計(jì)算。 物理地址分段存儲(chǔ)示意圖舉例例如：某指令在代碼段中邏輯地址為：段首址CS2000H段內(nèi)偏移地址IP5F62H，則其物理地址為(CS)x16+IP200Hx16+5F62H25F62H若該指令的段基址為CS2200H，而IP3F62H其物理地

13、址仍為25F62H3.4.3寄存器的關(guān)系信息的分段存儲(chǔ)與段 程序區(qū)：存儲(chǔ)程序的指令代碼； 數(shù)據(jù)區(qū)：存儲(chǔ)原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果和最后結(jié)果； 堆棧區(qū)：存儲(chǔ)需要壓入堆棧的數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息。 代碼段寄存器CS劃定并控制程序區(qū)； 數(shù)據(jù)段寄存器DS和附加段寄存器ES控制數(shù)據(jù)區(qū)； 堆棧段寄存器SS對應(yīng)堆棧存儲(chǔ)區(qū)。 各種類型訪問存儲(chǔ)器時(shí)的地址成分各種類型訪問存儲(chǔ)器時(shí)的地址成分 注意點(diǎn) (1)段寄存器 訪問存儲(chǔ)器時(shí)，必須要有段寄存器，段寄存器可指定，也可以是默認(rèn)的。 (2)重置段寄存器 DS、ES和SS內(nèi)容可用傳送指令通過寄存器置入，但不能向CS置數(shù)。 (3)段內(nèi)偏移地址來源 3.5 8086的的I/O組織組織 一般

14、外部設(shè)備的速度比CPU低得多，因此必須通過I/O接口與CPU連接，I/O接口是保證信息和數(shù)據(jù)在CPU與I/O設(shè)備之間正常傳送的電路。 I/O接口與CPU之間的通信是利用稱為I/O端口的寄存器來完成的。 一個(gè)I/O端口有一個(gè)唯一的I/O地址與之對應(yīng)。8086的IO端口 8086地址總線的低16位用來對8位I/O端口尋址，可尋址65536個(gè)8位I/O口。 連續(xù)的兩個(gè)8位I/O端口可作為一個(gè)16位端口。 I/O端口尋址分為直接尋址和間接尋址。 3.6 8086的尋址方式的尋址方式 機(jī)器語言的一條指令包含操作碼（OP）和操作數(shù)，操作碼指明該指令進(jìn)行什么操作，操作數(shù)指出該指令在執(zhí)行規(guī)定操作時(shí)所需的信息。

15、規(guī)定操作數(shù)的方法，即指令中用于說明操作數(shù)所在地址的方法稱為尋址方式. 尋址方式可分為：數(shù)據(jù)尋址方式和轉(zhuǎn)移地址尋址方式。 3.6.1 數(shù)據(jù)尋址方式 (1)立即尋址 數(shù)據(jù)直接放在指令本身的最后一個(gè)（8位）或兩個(gè)字節(jié)（16位）。 注意： 1)立即數(shù)尋址方式只能用于源操作數(shù)。主要用于給寄存器賦值。 2)立即數(shù)尋址方式不執(zhí)行總線周期，執(zhí)行速度快。 3)立即數(shù)為16位時(shí)。低位字節(jié)存放在存儲(chǔ)器低地址單元，高位字節(jié)存放在存儲(chǔ)器高地址單元。該存儲(chǔ)器在CS段中(2)寄存器尋址 數(shù)據(jù)寄放在指令規(guī)定的寄存器中。 16位:AX，BX，CX，DX，SI，DI，SP，BP 8位:AL，AH，BL，BH，CL，CH，DL，D

16、H 注意： 1)寄存器尋址方式的指令操作在CPU內(nèi)部執(zhí)行。不需要執(zhí)行總線周期，執(zhí)行速度快。 2)寄存器尋址方式既適用于指令的源操作數(shù)，也適用于目的操作數(shù)，可同時(shí)用于源操作數(shù)和目的操作數(shù)。(3)直接尋址 操作數(shù)放在存儲(chǔ)單元中，段內(nèi)偏移地址（16位有效地址）在指令碼中。有效地址(EA)也稱為偏移地址，它代表操作數(shù)所在存儲(chǔ)單元距離段首址的字節(jié)數(shù)。有效地址是一個(gè)無符號(hào)的16位二進(jìn)制數(shù)。 注意: 1)直接尋址方式的操作數(shù)所在存儲(chǔ)單元的段地址一般在數(shù)據(jù)段寄存器DS中。 2)如果操作數(shù)在其他段，則需要在指令中用段超越前綴指出相應(yīng)的段寄存器名 (4)寄存器間接尋址 操作數(shù)在存儲(chǔ)單元中，其有效地址在指令碼指明的

17、基址寄存器BX或變址寄存器S I或DI之中。（BX）EA= （SI）（DI） 當(dāng)使用寄存器BX、SI、DI時(shí)，操作數(shù)所在存儲(chǔ)單元的段地址存在數(shù)據(jù)段寄存器DS中。物理地址的計(jì)算方法為： 物理地址=16(DS)十(BX) (寄存器SI、DI類同)(5)寄存器相對尋址 操作數(shù)在存儲(chǔ)單元中，其有效地址是一個(gè)8位或16位的位移量（用disp表示）與一個(gè)基址寄存器或變址寄存器的內(nèi)容之和。Disp和這個(gè)寄存器在指令碼中給出。 （BX） 8位dispEA= （BP） + （SI） 16位disp （DI）計(jì)算操作數(shù)所在存儲(chǔ)單元的物理地址時(shí)與寄存器間接尋址方式相同使用寄存器BX、SI、DI時(shí)與數(shù)據(jù)段寄存器DS有

18、關(guān)，使用寄存器BP時(shí)與堆棧段寄存器SS有關(guān)。以寄存器SI、8位位移量為例，物理地址為 物理地址16(DS)十(SI)十DISP8 (使用寄存器BX,DI相同)以寄存器BP、l 6位位移量為例，物理地址為 物理地址16(SS)十(BP)+DISPl6(6)基址變址尋址 當(dāng)使用基址寄存器BX時(shí)，段寄存器為DS，物理地址計(jì)算方法為: 物理地址16(DS)十(BX)十(SI) (使用寄存器DI類同)當(dāng)使用基址寄存器BP時(shí)，段寄存器為SS，其物理地址計(jì)算方法為: 物理地址=16(SS)十(BP)十(SI) (使用寄存器DI類同)(7)基址變址且相對尋址 當(dāng)使用基址寄存器BX時(shí)，段寄存器為DS，物理地址計(jì)算方法為:物理地址=16(DS)+(BX)+ +當(dāng)使用基址寄存器BP時(shí)，段寄存器為SS，物理地址計(jì)算方法為:物理地址=16(SS)+(BP)+ +)()(DISI168DISPDISP)()(DISI168DISPDISP(8)隱含尋址 指令碼中不包含指明操作數(shù)尋址的部分，而其操作碼本身隱含地指明了操作數(shù)地址。例如字符串操作指令。 例 如 ： 若 ( D S ) = 4 1 0 0 H ，(BX)=237DH，(SI)=1C