微型計(jì)算機(jī)原理與應(yīng)用：第2章 微機(jī)系統(tǒng)中的微處理器

1、第二章 微機(jī)系統(tǒng)中的微處理器Intel 80X86系列微處理器Intel 80X86系列微處理器16位結(jié)構(gòu)的微處理器8086： 內(nèi)部16位寄存器、外部16位數(shù)據(jù)總線 地址總線為20位（主存容量1MB） 時(shí)鐘頻率4.77MHz準(zhǔn)16位微處理器8088： 內(nèi)部16位寄存器、外部8位數(shù)據(jù)總線 IBM PC/XT機(jī)使用Intel 8088 CPUIntel 80X86系列微處理器超級(jí)16位微處理器80286： 16位數(shù)據(jù)總線，24位地址總線（16MB主存） 時(shí)鐘頻率22MHz兩種工作方式： 實(shí)模式：與8086工作方式一樣。 保護(hù)模式：提供虛擬存儲(chǔ)、保護(hù)機(jī)制和多任務(wù)管理的 硬件支持。 IBM PC/AT

2、機(jī)使用Intel 80286 CPUIntel 80X86系列微處理器32位微處理器80386數(shù)據(jù)總線32位，地址總線32位，可尋址4GB主存三種工作方式：實(shí)模式、保護(hù)模式虛擬8086方式：保護(hù)方式下的8086工作方式英特爾32位架構(gòu)：IA-32（Intel Architecture-32）IA-32微處理器：80386，80486，Pentium系列Intel 80X86系列微處理器高性能32微處理器80486 相當(dāng)于 8048680386803878KB Cache 1、協(xié)處理器80387 ： 協(xié)助CPU處理浮點(diǎn)數(shù)，在486中叫浮點(diǎn)處理單元FPU。2、高速緩沖存儲(chǔ)器Cache： 微處理器與

3、主存之間速度很快但容量較小的存儲(chǔ)器，用于提高整個(gè)存儲(chǔ)器系統(tǒng)的存取速度。 3、指令流水線技術(shù)：指令執(zhí)行劃分成多個(gè)步驟在多個(gè)部件中獨(dú)立地進(jìn)行，這樣多條指令可以在不同的執(zhí)行階段同時(shí)進(jìn)行執(zhí)行執(zhí)行執(zhí)行執(zhí)行譯碼譯碼譯碼譯碼預(yù)取預(yù)取預(yù)取預(yù)取地址地址地址地址EUIUBUAU時(shí)間 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7Intel 80X86系列微處理器俗稱的80586微處理器，奔騰（pentium）微處理器 CPU內(nèi)部仍是32位結(jié)構(gòu)， 連接主存的外部數(shù)據(jù)總線卻是64位超標(biāo)量（Superscalar）技術(shù)具有可以并行工作的2條整數(shù)處理流水線，可以達(dá)到每個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行2條指令雙路高速緩沖結(jié)構(gòu)8KB代碼高速緩沖存儲(chǔ)

4、器8KB數(shù)據(jù)高速緩沖存儲(chǔ)器Intel 80X86系列微處理器Pentium Pro，中文名稱為“高能奔騰”兩個(gè)芯片組成CPU和一級(jí)（L1）Cache（8KB代碼和8KB數(shù)據(jù)）二級(jí)（L2）Cache（256KB或512KB）擴(kuò)展的超標(biāo)量技術(shù)12級(jí)指令流水線能同時(shí)執(zhí)行3條指令動(dòng)態(tài)執(zhí)行技術(shù)分支預(yù)測(cè)、數(shù)據(jù)流分析和推測(cè)執(zhí)行Intel 80X86系列微處理器多媒體擴(kuò)展指令（MMX指令）MMX（MutliMedia eXtension）整數(shù)運(yùn)算多媒體指令對(duì)圖像、音頻、視頻和通信方面的程序進(jìn)行優(yōu)化提升微機(jī)對(duì)多媒體的處理能力Pentium MMX（多能奔騰）： MMX指令應(yīng)用于Pentium處理器Pentium

5、 II： MMX指令應(yīng)用于Pentium ProIntel 80X86系列微處理器單指令單數(shù)據(jù)SISD 一條指令處理的數(shù)據(jù)是依次數(shù)序處理的單指令多數(shù)據(jù)SIMD表示一條指令具有同時(shí)處理多組數(shù)據(jù)的能力數(shù)據(jù)流SIMD擴(kuò)展指令（SSE指令）浮點(diǎn)單精度多媒體運(yùn)算指令提高浮點(diǎn)3D數(shù)據(jù)的處理能力Pentium III： SSE指令應(yīng)用于Pentium III Intel 80X86系列微處理器 pentium 4 20級(jí)超流水線、L2達(dá)到1MB NetBurst的微結(jié)構(gòu)（Microarchitecture） 指令級(jí)并行ILP（Instruction-Level Parallel）進(jìn)一步發(fā)掘指令之間可以同時(shí)執(zhí)

6、行的能力 超線程HT（Hyper Threading）線程級(jí)并行TLP（Thread-Level Parallel）發(fā)掘程序中的并行性一個(gè)物理處理器被看成是兩個(gè)邏輯處理器Celeron（賽揚(yáng)）微處理器面向低端（低價(jià)位）PC機(jī)Xeon（至強(qiáng)）微處理器面向高端服務(wù)器、工作站AMD微處理器AMD公司生產(chǎn)的IA-32微處理器兼容芯片Intel公司最主要的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手雙核微處理器：?jiǎn)涡酒嗵幚砥鱏MP技術(shù)Intel的Pentium D：?jiǎn)涡酒pPentium 4核心64位微處理器AMD的K8核心：兼容IA-32的64位微處理器Intel的EM64T（IA-32的64位擴(kuò)展）： XeonIA-64架構(gòu)：ita

7、nium2(安騰)第一節(jié) 微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)8086的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理8086的存儲(chǔ)器分段8085的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理8085的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 算術(shù)邏輯單元ALU： 計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器，完成二個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)和邏輯運(yùn)算。寄存器： 高速存儲(chǔ)單元，有8位數(shù)據(jù)寄存器和16位專用寄存器。 指令處理單元 指令寄存器、指令譯碼器、時(shí)序和控制邏輯總線控制 數(shù)據(jù)總線控制AD0-AD7、地址總線控制A8-A158086的內(nèi)部結(jié)構(gòu) EU由算術(shù)邏輯單元ALU、運(yùn)算寄存器、標(biāo)志寄存器、通用寄存器組和EU控制器構(gòu)成。 其任務(wù)是執(zhí)行指令，進(jìn)行全部的算術(shù)邏輯運(yùn)算，完成偏移地址的計(jì)算，向BIU提供指令執(zhí)行的結(jié)果和偏移地址，并對(duì)通

8、用寄存器和標(biāo)志寄存器進(jìn)行管理。 BIU包括個(gè)段寄存器、指令指針I(yè)P、指令隊(duì)列寄存器、完成與EU通訊的內(nèi)部暫存器、地址加法器和總線控制邏輯。 BIU的任務(wù)是完成CPU與存儲(chǔ)器和I/O設(shè)備之間信息的傳送。具體地講，就是取指令時(shí)，從存儲(chǔ)器指定地址取出指令送入指令隊(duì)列排隊(duì)；執(zhí)行指令時(shí)，根據(jù)EU命令對(duì)指定存儲(chǔ)單元或I/O端口存取數(shù)據(jù)。 AH ALBH BL CLCH DH DL SP BP DI SI 通 用 寄 存 器 CSDS SS ES I P內(nèi)部暫存器總線控制邏輯 1 2 3 4 5 6 AX BX CX DX運(yùn)算寄存器ALU標(biāo)志寄存器 外部總線指令隊(duì)列16 位數(shù)據(jù)總線EU控制器地址加法器地址總

9、線（20位）數(shù)據(jù)總線 段寄存器指令指針（EU） （BIU）（16位）隊(duì)列總線（8位）第二節(jié) 微處理器的寄存器結(jié)構(gòu)8086內(nèi)部有14個(gè)16位的寄存器。寄存器具有臨時(shí)存儲(chǔ)功能，暫存參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)、地址等，是機(jī)器指令的構(gòu)成部分，是操作的主要載體。8086的寄存器結(jié)構(gòu)存取16位寄存器，高16位不受影響存取8位寄存器，16/32位寄存器其他位不受影響四個(gè)通用數(shù)據(jù)寄存器 通用數(shù)據(jù)寄存器在指令執(zhí)行過(guò)程中既可用來(lái)寄存操作數(shù)，也可用于寄存操作的結(jié)果。 AX: 累加器 使用頻率最高，用于算術(shù)、邏輯運(yùn)算和輸入輸出。 MOV AX,BX ADD AX,40H MUL DL OUT 21H,AL BX: 基址寄存器 存

10、放數(shù)據(jù)，也可以存放內(nèi)存地址。 MOV AX,BX MOV AX,BX 在指令執(zhí)行過(guò)程中既可用來(lái)寄存操作數(shù)，也可用于寄存操作的結(jié)果。 CX:計(jì)數(shù)器 存放數(shù)據(jù)，也作為循環(huán)操作的隱含計(jì)數(shù)。 MOV CX,10 L1:ADD AL,40H LOOP L1 DX: 數(shù)據(jù)寄存器 存放數(shù)據(jù)，也用于輸入輸出指令中表示端口地址。 ADD BX,DX OUT DX,AL 四個(gè)通用地址寄存器 通用地址寄存器在指令執(zhí)行過(guò)程中用來(lái)寄存操作數(shù)地址，也可用于寄存操作數(shù)。 SI:源變址寄存器 用于存放數(shù)組的源操作數(shù)地址，也可以存放數(shù)據(jù)。 ADD AX,SI MOV SI,1000H MOV BX,SI DI: 目的變址寄存器

11、 用于存放數(shù)組的目的操作數(shù)地址，也可以存放數(shù)據(jù)。 ADD DI,SI MOV DI,BX MOV DI,AX 通用地址寄存器在指令執(zhí)行過(guò)程中用來(lái)寄存操作數(shù)地址，也可用于寄存操作數(shù)。 BP:基址指針 用于存放程序堆棧區(qū)的操作數(shù)地址，也可以存放數(shù)據(jù)。 MOV BP,1000H MOV BX,BP SP: 堆棧指針 用于存放堆棧區(qū)頂部的地址。 MOV AX,OFFSET DATA MOV SP,AX 堆棧是一個(gè)特殊的存儲(chǔ)區(qū)域，采用先進(jìn)后出的操作方式存取數(shù)據(jù)。用于臨時(shí)保存數(shù)據(jù)，緩解寄存器數(shù)量不足帶來(lái)的不變。 堆棧區(qū)的段地址默認(rèn)在SS中，棧頂?shù)钠频刂纺J(rèn)在SP中。四個(gè)段寄存器 段地址寄存器專用于存放各

12、種段的段首地址。 有四類(lèi)邏輯段：代碼段、數(shù)據(jù)段、堆棧段和附加數(shù)據(jù)段。 程序設(shè)計(jì)時(shí)，段的種類(lèi)和每類(lèi)數(shù)量不限，至少一個(gè)代碼段。 CS:代碼段 存放程序的指令代碼。 DS:數(shù)據(jù)段 存放當(dāng)前運(yùn)行程序所需要的數(shù)據(jù)。大多數(shù)指令中默認(rèn)。 SS:堆棧段 堆棧所在區(qū)域。 ES:附加數(shù)據(jù)段 存放數(shù)據(jù)，特別時(shí)串操作指令必須用其作目的數(shù)據(jù)區(qū)。MOV AX,BXMOV DX,BXMOV BX,SIMOV CX,DIMOV AX,DS:BXMOV BX,ES:SIMOV SS:BX,AXMOV AX,BPMOV CX,SS:BPMOV DX,DS:BP體會(huì)邏輯地址的表示規(guī)則與數(shù)據(jù)的默認(rèn)段兩個(gè)控制寄存器指令指針I(yè)P（16位

13、） 程序由指令組成，指令存放在主存儲(chǔ)器中。微處理器需要一個(gè)專用寄存器表示將要執(zhí)行的指令在主存中的位置。 CS:IP 指令指針I(yè)P存放指令代碼在主存代碼段中的偏移地址。 CS和IP中的值由計(jì)算機(jī)自動(dòng)設(shè)置或用專用指令更改。標(biāo)志寄存器Flag(16位) 用于反映指令執(zhí)行結(jié)果或控制指令執(zhí)行形式。 包括6個(gè)狀態(tài)標(biāo)志位和3個(gè)控制標(biāo)志位。 進(jìn)位標(biāo)志CF 當(dāng)加減運(yùn)算結(jié)果的最高位有有效進(jìn)位或借位時(shí)，CF=1。奇偶標(biāo)志PF 當(dāng)運(yùn)算結(jié)果最低字節(jié)中“1”的個(gè)數(shù)為0或偶數(shù)時(shí)，PF=1。輔助進(jìn)位標(biāo)志AF 當(dāng)加減運(yùn)算時(shí)低半字節(jié)有進(jìn)位或借位時(shí)，AF=1。零標(biāo)志ZF 運(yùn)算結(jié)果為0時(shí)，ZF=1.符號(hào)標(biāo)志SF 運(yùn)算結(jié)果的最高位（有

14、符號(hào)數(shù)的符號(hào)位）為1時(shí)，SF=1。溢出標(biāo)志OF 有符號(hào)數(shù)加減運(yùn)算的結(jié)果有溢出，OF=1。 控制標(biāo)志位方向標(biāo)志DF：可用指令預(yù)置。當(dāng)DF0時(shí)，執(zhí)行串操作指令，變址寄存器地址自動(dòng)遞增；當(dāng)DF1時(shí)，則變址寄存器地址自動(dòng)遞減。該標(biāo)志位可以控制地址朝增大的方向或減小的方向改變。中斷允許標(biāo)志IF：可用指令預(yù)置。當(dāng)IF1，CPU可響應(yīng)可屏蔽中斷請(qǐng)求；若IF0，CPU不響應(yīng)可屏蔽中斷請(qǐng)求。陷阱標(biāo)志TF：若TF1，則CPU處于單步執(zhí)行指令的工作方式。每執(zhí)行一步就自動(dòng)產(chǎn)生一次類(lèi)型1的內(nèi)部中斷。1、存儲(chǔ)器地址空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式 存儲(chǔ)單元地址 ：8086系統(tǒng)中，為了標(biāo)識(shí)和存取每一個(gè)存儲(chǔ)單元，給每個(gè)存儲(chǔ)單元規(guī)定一個(gè)編號(hào)

15、，這就是存儲(chǔ)單元地址。 8086的存儲(chǔ)器以字節(jié)為基本的存儲(chǔ)單元，每個(gè)字節(jié)對(duì)應(yīng)一個(gè)唯一的地址，地址范圍為00000HFFFFFH。 字：連續(xù)的兩個(gè)字節(jié)構(gòu)成，高字節(jié)存放在高地址，低字節(jié)存放在低地址，其中低字節(jié)的地址為字的地址。 對(duì)準(zhǔn)字：字的地址為偶地址。訪問(wèn)時(shí)需要一個(gè)總線周期。 未對(duì)準(zhǔn)字：字的地址為奇地址。訪問(wèn)需要兩個(gè)總線周期(CPU自動(dòng)完成) 。第三節(jié) 8086的存儲(chǔ)器組織6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 01514 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0位號(hào)地址N+1地址N(高字節(jié))(低字節(jié))字地址存儲(chǔ)器的地址十六進(jìn)制地址二進(jìn)制地址存儲(chǔ)器00000

16、 0000 0000 0000 0000 000000001 0000 0000 0000 0000 000100002 0000 0000 0000 0000 001000003 0000 0000 0000 0000 0011FFFFE 1111 1111 1111 1111 1110FFFFF 1111 1111 1111 1111 1111 8086的存儲(chǔ)器分段 物理地址： 內(nèi)存單元的實(shí)際地址，用20位的二進(jìn)制地址（A0-A19）表示。8086CPU內(nèi)部的地址寄存器都是16位的。 如何用16位的地址尋址1MB的內(nèi)存空間？ 地址分段訪問(wèn)。 用戶在程序指令中使用邏輯地址。 段地址（16位）

17、：偏移地址（16位）8086的存儲(chǔ)器分段 根據(jù)要求可把1M字節(jié)地址空間劃成若干邏輯段。每個(gè)邏輯段必須滿足兩個(gè)條件：一是邏輯段的起始地址（簡(jiǎn)稱段首址）必須是16的倍數(shù)；二是邏輯段的最大長(zhǎng)度為64K。按照這兩個(gè)條件，1M字節(jié)地址空間最多可劃分成64K個(gè)邏輯段，最少也要?jiǎng)澐殖?6個(gè)邏輯段。邏輯段與邏輯段可以相連，也可以不連，還可以重疊。X X X X X X X X X X X X X X X X0 0 0 020位地址16位段地址 物理地址：存儲(chǔ)單元的實(shí)際地址編碼，指令中不出現(xiàn)。 邏輯地址：段地址:偏移地址 物理地址段地址10H偏移地址 8086中的BIU單元的加法器用來(lái)完成物理地址的計(jì)算。 段地

18、址： 在8086中，當(dāng)把1MB的存儲(chǔ)器空間劃分為若干個(gè)邏輯段之后，用一個(gè)段的起始單元地址中的高16位。 偏移地址： 段內(nèi)任何一個(gè)存儲(chǔ)單元的地址可用相對(duì)于段起始地址的一個(gè)偏移量來(lái)表示。 例如8000：0100表示段地址為8000H，偏移地址為0100H，因此物理地址為80100H。 8086的存儲(chǔ)器分段第四節(jié) 8086的I/O組織 接口： 保證信息數(shù)據(jù)在CPU與I/O設(shè)備之間正常傳送的電路。 端口： 接口電路中的寄存器，一個(gè)I/O端口與唯一的I/O地址相對(duì)應(yīng)。指令中對(duì)外設(shè)的訪問(wèn)等效與對(duì)所接外設(shè)的端口的訪問(wèn)。 8086用16位地址（A0-A15）對(duì)I/O地址空間尋址。 8086地址總線的低16位用

19、來(lái)對(duì)8位I/O端口尋址。 任何兩個(gè)地址連續(xù)的8位I/O端口可以當(dāng)作一個(gè)16位I/O端口使用。第五節(jié) 8086的尋址方式8086的數(shù)據(jù)尋址方式8086的地址尋址方式8086的數(shù)據(jù)尋址方式數(shù)據(jù)尋址方式：通過(guò)地址查找數(shù)據(jù)（操作數(shù)）立即尋址：數(shù)據(jù)與指令操作碼一起，對(duì)應(yīng)常量寄存器尋址：數(shù)據(jù)在寄存器中，用寄存器名表示存儲(chǔ)器尋址：數(shù)據(jù)在內(nèi)存中，用內(nèi)存地址代表，對(duì)應(yīng)變量立即尋址操作數(shù)緊跟操作碼，是指令機(jī)器代碼的一部分 操作數(shù)從指令代碼中立即得到，即立即數(shù)，用常量形式直接表達(dá)。 立即數(shù)尋址方式只用于源操作數(shù)，常用來(lái)給寄存器和存儲(chǔ)單元賦值。例如：MOV AX,0102H機(jī)器代碼：B8 02 01操作碼：B8立即數(shù)

20、：0102操作數(shù)緊跟操作碼，是指令機(jī)器代碼的一部分操作數(shù)從指令代碼中立即得到，即立即數(shù)（Immediate），用常量形式直接表達(dá)立即數(shù)尋址方式只用于源操作數(shù)，常用來(lái)給寄存器和存儲(chǔ)單元賦值例如：MOV AX,0102H機(jī)器代碼：B8 02 01操作碼：B8立即數(shù)：0102立即數(shù)尋址操作數(shù)存放在處理器的內(nèi)部寄存器中用寄存器名表示它的內(nèi)容絕大多數(shù)指令采用通用寄存器尋址部分指令支持專用寄存器，例如段寄存器寄存器尋址方式簡(jiǎn)單快捷，既可以用于源操作數(shù)，也可以用于目的操作數(shù)，最常使用8位通用寄存器：AH AL BH BL 16位通用寄存器：AX BX CX DX 32位通用寄存器：EAX EBX ECX E

21、DX 段寄存器：CS DS SS ES 寄存器尋址存儲(chǔ)器尋址操作數(shù)在主存中編程時(shí)主存使用邏輯地址：段地址和偏移地址段地址可以使用默認(rèn)邏輯段，不用顯式說(shuō)明一般是DS指向數(shù)據(jù)段采用BP或SP作為基地址時(shí)，默認(rèn)SS指向堆棧段段地址必要時(shí)使用段地址前綴顯式說(shuō)明 段寄存器名后跟英文冒號(hào) CS DS SS ES存儲(chǔ)器尋址的種類(lèi)： 直接尋址、寄存器間接尋址、寄存器相對(duì)尋址、寄存器基址變址尋址、寄存器基址變址相對(duì)尋址存儲(chǔ)器直接尋址有效地址只有位移量，直接包含在指令代碼中例如： MOV AX, DS:2000H指令代碼：A1 00 20操作碼：A1操作數(shù)：有效地址 2000例如： MOV AX, DATA1指令代碼：A1 34 12操作碼：A1操作數(shù)：變量在主存的有效地址 1234主存操作數(shù)常通過(guò)變量形式引用一般不需要使用段地址前綴主存操作數(shù)常通過(guò)變量形式引用一般不需要使用段超越前綴指令寄存器間接尋址有效地址存放在寄存器中(寄存器內(nèi)容偏移地址)16位有效地址只能使用BX、SI和DImov al,bx ;字節(jié)量傳送，16位有效地址mov ax,si;字量傳送，16