典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)

1、典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn) 典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn) 本章主要教學(xué)內(nèi)容 8086微處理器內(nèi)部組成、寄存器結(jié)構(gòu) 8086微處理器引腳特性和作用 8086微處理器存儲(chǔ)器和I/O組織 8086時(shí)序及最小/最大工作方式 80X86和Pentium系列微處理器組成結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)2典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn) 本章教學(xué)目的及要求 通過(guò)學(xué)習(xí)，應(yīng)掌握：典型微處理器的內(nèi)部組成寄存器結(jié)構(gòu)外部引腳特性和作用存儲(chǔ)器和I/O組織時(shí)序和總線操作系統(tǒng)工作方式和特點(diǎn)第2章典型微處理器 3典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)2-1 微處理器性能簡(jiǎn)介 2-1-1 典型微處理器的主要性能指標(biāo)主頻外頻倍頻內(nèi)存總線速度擴(kuò)展總線速度地址總線寬

2、度數(shù)據(jù)總線寬度高速緩存第2章典型微處理器 4典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn) 2-1-2 微處理器的基本功能（1）指令控制（2）操作控制（3）時(shí)間控制（4）數(shù)據(jù)加工 第2章典型微處理器 5典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn) 2-2 Intel 8086微處理器的內(nèi)、外部結(jié)構(gòu)特性 8086微處理器使用+5V電源，40條引腳雙列直插式封裝，時(shí)鐘頻率5MHz10MHz，基本指令執(zhí)行時(shí)間。有16根數(shù)據(jù)線和20根地址線，可尋址內(nèi)存地址空間1MB（220B）。 第2章典型微處理器 6典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)2-2-1 Intel 8086微處理器內(nèi)部組成結(jié)構(gòu) 8086微處理器從功能上可以劃分為兩個(gè)邏輯單元：執(zhí)行

3、部件EU（Execution Unit）總線接口部件BIU（Bus Interface Unit）典型微處理器 第2章7典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)執(zhí)行部件（EU）功能：負(fù)責(zé)進(jìn)行所有指令的解釋和執(zhí)行，同時(shí)管理下述有關(guān)的寄存器。組成：由8個(gè)通用寄存器、1個(gè)16位的算術(shù)邏輯單元（ALU）、1個(gè)16位的標(biāo)志寄存器PSW、1個(gè)數(shù)據(jù)暫存寄存器和EU控制電路等組成。典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)算術(shù)邏輯單元ALU 它是一個(gè)16位的運(yùn)算器，可用于8位或16位二進(jìn)制算術(shù)和邏輯運(yùn)算（與、或、非），也可按指令的尋址方式計(jì)算尋址存儲(chǔ)器所需的16位偏移量。數(shù)據(jù)暫存寄存器它協(xié)助ALU完成運(yùn)算，

4、暫存參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)。典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)EU控制電路 從總線接口的指令隊(duì)列取出指令操作碼，通過(guò)譯碼電路分析，發(fā)出相應(yīng)的控制命令，控制ALU數(shù)據(jù)的流向。如果是運(yùn)算操作，操作數(shù)經(jīng)過(guò)暫存寄存器送入ALU，運(yùn)算結(jié)果經(jīng)過(guò)ALU數(shù)據(jù)總線送到相應(yīng)的寄存器，同時(shí)標(biāo)志寄存器PSW根據(jù)運(yùn)算結(jié)果改變狀態(tài)。標(biāo)志寄存器PSW 8086 內(nèi)部標(biāo)志寄存器的內(nèi)容，又稱為處理器狀態(tài)字PSW。一個(gè)16位的寄存器，用了9位。這9位可分成兩類：一類為狀態(tài)標(biāo)志（6個(gè)），一類為控制標(biāo)志（3個(gè)）。 典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)功能：負(fù)責(zé)完成取指令送指令隊(duì)列，配合執(zhí)行部件的動(dòng)作，從內(nèi)存單元或I/O端口取操作數(shù)，或者將操作結(jié)果送內(nèi)存單

5、元或者I/O端口。組成：它由16位段寄存器（DS、CS、ES、SS）、16位指令指針寄存器IP（指向下一條要取出的指令代碼）、20位地址加法器（用來(lái)產(chǎn)生20位地址）和6字節(jié)（8088為4字節(jié)）指令隊(duì)列緩沖器組成。總線接口部件（BIU）典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)6字節(jié)指令隊(duì)列緩沖器 8086的指令隊(duì)列為6個(gè)字節(jié)，在執(zhí)行指令的同時(shí)，可從內(nèi)存中取出后續(xù)的指令代碼，放在指令隊(duì)列中，可以提高CPU的工作效率。20位地址加法器 地址加法器用來(lái)產(chǎn)生20位物理地址。8086可用20位地址尋址1M字節(jié)的內(nèi)存空間，而CPU內(nèi)部的寄存器都是16 位，因此需要由一個(gè)附加的機(jī)構(gòu)來(lái)計(jì)算出20位的物理地址，這個(gè)機(jī)構(gòu)就是2

6、0位的地址加法器。典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)BIU與EU的動(dòng)作協(xié)調(diào)原則：每當(dāng)8086的指令隊(duì)列中有兩個(gè)空字節(jié)，BIU就會(huì)自動(dòng)把指令取到指令隊(duì)列中。其取指的順序是按指令在程序中出現(xiàn)的前后順序。每當(dāng)EU準(zhǔn)備執(zhí)行一條指令時(shí)，它會(huì)從BIU部件的指令隊(duì)列前部取出指令的代碼，然后用幾個(gè)時(shí)鐘周期去執(zhí)行指令。在執(zhí)行指令的過(guò)程中，如果必須訪問(wèn)存儲(chǔ)器或者IO端口，那么EU就會(huì)請(qǐng)求BIU，進(jìn)入總線周期，完成訪問(wèn)內(nèi)存或者IO端口的操作；如果此時(shí)BIU正好處于空閑狀態(tài)，會(huì)立即響應(yīng)EU的總線請(qǐng)求。如BIU正將某個(gè)指令字節(jié)取到指令隊(duì)列中，則BIU將首先完成這個(gè)取指令的總線周期，然后再去響應(yīng)EU發(fā)出的訪問(wèn)總線的請(qǐng)求。典型微

7、處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)當(dāng)指令隊(duì)列已滿，且EU又沒(méi)有總線訪問(wèn)請(qǐng)求時(shí)，BIU便進(jìn)入空閑狀態(tài)。在執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令、調(diào)用指令和返回指令時(shí)，由于待執(zhí)行指令的順序發(fā)生了變化，則指令隊(duì)列中已經(jīng)裝入的字節(jié)被自動(dòng)消除，BIU會(huì)接著往指令隊(duì)列裝入轉(zhuǎn)向的另一程序段中的指令代碼。8086可以在執(zhí)行指令的同時(shí)，進(jìn)行取指令代碼的操作，也就是說(shuō)BIU與EU是一種并行工作方式，改變了以往計(jì)算機(jī)取指令譯碼執(zhí)行指令的串行工作方式，大大提高了工作效率，這種工作方式稱為流水線作業(yè)。典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)第2章典型微處理器 2-2-2 8086微處理器的寄存器結(jié)構(gòu) 8086可供編程使用的有14個(gè)16位寄存器，按其用途可分為3類：通用

8、寄存器段寄存器指針和標(biāo)志寄存器 16典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)8086的通用寄存器8086的16位通用寄存器是：AXBXCXDXSIDIBPSP其中前4個(gè)數(shù)據(jù)寄存器都還可以分成高8位和低8位兩個(gè)獨(dú)立的寄存器對(duì)其中某8位的操作，并不影響另外對(duì)應(yīng)8位的數(shù)據(jù)典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器用來(lái)存放計(jì)算的結(jié)果和操作數(shù)，也可以存放地址每個(gè)寄存器又有它們各自的專用目的AX累加器，使用頻度最高，用于算術(shù)、邏輯運(yùn)算以及與外設(shè)傳送信息等；BX基址寄存器，常用做存放存儲(chǔ)器地址；CX計(jì)數(shù)器，作為循環(huán)和串操作等指令中的隱含計(jì)數(shù)器；DX數(shù)據(jù)寄存器，常用來(lái)存放雙字長(zhǎng)數(shù)據(jù)的高16位，或存放外設(shè)端口地址。典

9、型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)變址寄存器變址寄存器常用于存儲(chǔ)器尋址時(shí)提供地址SI是源變址寄存器DI是目的變址寄存器典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)指針寄存器指針寄存器用于尋址內(nèi)存堆棧內(nèi)的數(shù)據(jù)SP為堆棧指針寄存器，指示棧頂?shù)钠频刂稴P不能再用于其他目的，具有專用目的BP為基址指針寄存器，表示數(shù)據(jù)在堆棧段中的基地址SP和BP寄存器與SS段寄存器聯(lián)合使用以確定堆棧段中的存儲(chǔ)單元地址典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)堆棧（Stack）（補(bǔ)充的知識(shí)）堆棧是主存中一個(gè)特殊的區(qū)域它采用先進(jìn)后出FILO（First In Last Out）或后進(jìn)先出LIFO（Last In First Out）的原則進(jìn)行存取操作，而不是

10、隨機(jī)存取操作方式。堆棧通常由處理器自動(dòng)維持。在8086中，由堆棧段寄存器SS和堆棧指針寄存器SP共同指示典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)指令指針寄存器IP指令指針寄存器IP，指示代碼段中指令的偏移地址它與代碼段寄存器CS聯(lián)用，確定下一條指令的物理地址計(jì)算機(jī)通過(guò)CS : IP寄存器來(lái)控制指令序列的執(zhí)行流程IP寄存器是一個(gè)專用寄存器典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)標(biāo)志寄存器標(biāo)志（Flag）用于反映指令執(zhí)行結(jié)果或控制指令執(zhí)行形式8086處理器的各種標(biāo)志形成了一個(gè)16位的標(biāo)志寄存器FR（標(biāo)志寄存器的內(nèi)容稱為程序狀態(tài)字PSW）OF1115 12DF10IF9TF8SF7ZF65AF43PF21CF0 程序設(shè)計(jì)需

11、要利用標(biāo)志的狀態(tài)典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)標(biāo)志的分類狀態(tài)標(biāo)志用來(lái)記錄程序運(yùn)行結(jié)果的狀態(tài)信息，許多指令的執(zhí)行都將相應(yīng)地設(shè)置它CF ZF SF PF OF AF控制標(biāo)志可由程序根據(jù)需要用指令設(shè)置，用于控制處理器執(zhí)行指令的方式DF IF TF典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)進(jìn)位標(biāo)志CF（Carry Flag）當(dāng)運(yùn)算結(jié)果的最高有效位有進(jìn)位（加法）或借位（減法）時(shí)，進(jìn)位標(biāo)志置1，即CF = 1；否則CF = 0。3AH + 7CH0B6H，沒(méi)有進(jìn)位：CF = 00AAH + 7CH（1）26H，有進(jìn)位：CF = 1典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)零標(biāo)志ZF（Zero Flag）若運(yùn)算結(jié)果為0，則ZF = 1；

12、否則ZF = 03AH + 7CH0B6H，結(jié)果不是零：ZF = 084H + 7CH（1）00H，結(jié)果是零：ZF = 1 注意：ZF為1表示的結(jié)果是0典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)符號(hào)標(biāo)志SF（Sign Flag）運(yùn)算結(jié)果最高位為1，則SF = 1；否則SF = 03AH + 7CH0B6H，最高位D71：SF = 184H + 7CH（1）00H，最高位D70：SF = 0 有符號(hào)數(shù)據(jù)用最高有效位表示數(shù)據(jù)的符號(hào)，所以，最高有效位就是符號(hào)標(biāo)志的狀態(tài)。典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)奇偶標(biāo)志PF（Parity Flag）當(dāng)運(yùn)算結(jié)果最低字節(jié)中“1”的個(gè)數(shù)為零或偶數(shù)時(shí)，PF = 1；否則PF = 03A

13、H + 7CH0B6H10110110B結(jié)果中有5個(gè)1，是奇數(shù)：PF = 0 PF標(biāo)志僅反映最低8位中“1”的個(gè)數(shù)是偶或奇，即使是進(jìn)行16位字操作典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)溢出標(biāo)志OF（Overflow Flag）若算術(shù)運(yùn)算的結(jié)果有溢出，則OF1；否則 OF03AH + 7CH0B6H，產(chǎn)生溢出：OF = 10AAH + 7CH（1）26H，沒(méi)有溢出：OF = 0典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)溢出標(biāo)志OF（Overflow Flag）問(wèn)題什么是溢出？溢出和進(jìn)位有什么區(qū)別？處理器怎么處理，程序員如何運(yùn)用？如何判斷是否溢出？典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)什么是溢出處理器內(nèi)部以補(bǔ)碼表示有符號(hào)數(shù)8位表達(dá)

14、的整數(shù)范圍是：12712816位表達(dá)的范圍是：3276732768如果運(yùn)算結(jié)果超出這個(gè)范圍，就產(chǎn)生了溢出有溢出，說(shuō)明有符號(hào)數(shù)的運(yùn)算結(jié)果不正確3AH7CH0B6H，就是58124182，已經(jīng)超出128127范圍，產(chǎn)生溢出，故OF1；另一方面，補(bǔ)碼0B6H表達(dá)真值是-74，顯然運(yùn)算結(jié)果也不正確典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)溢出和進(jìn)位溢出標(biāo)志OF和進(jìn)位標(biāo)志CF是兩個(gè)意義不同的標(biāo)志進(jìn)位標(biāo)志表示無(wú)符號(hào)數(shù)運(yùn)算結(jié)果是否超出范圍，運(yùn)算結(jié)果仍然正確；溢出標(biāo)志表示有符號(hào)數(shù)運(yùn)算結(jié)果是否超出范圍，運(yùn)算結(jié)果已經(jīng)不正確。請(qǐng)看例子典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)溢出和進(jìn)位的對(duì)比例1：3AH + 7CH0B6H無(wú)符號(hào)數(shù)運(yùn)算： 58

15、124182范圍內(nèi)，無(wú)進(jìn)位，CF=0有符號(hào)數(shù)運(yùn)算： 58124182范圍外，有溢出，OF=1例2：0AAH + 7CH（1）26H無(wú)符號(hào)數(shù)運(yùn)算：170124294范圍外，有進(jìn)位，CF=1有符號(hào)數(shù)運(yùn)算：8612438范圍內(nèi)，無(wú)溢出，OF=0典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)如何運(yùn)用溢出和進(jìn)位處理器對(duì)兩個(gè)操作數(shù)進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，按照無(wú)符號(hào)數(shù)求得結(jié)果，并相應(yīng)設(shè)置進(jìn)位標(biāo)志CF；同時(shí)，根據(jù)是否超出有符號(hào)數(shù)的范圍設(shè)置溢出標(biāo)志OF。應(yīng)該利用哪個(gè)標(biāo)志，則由程序員來(lái)決定。也就是說(shuō)，如果將參加運(yùn)算的操作數(shù)認(rèn)為是無(wú)符號(hào)數(shù)，就應(yīng)該關(guān)心進(jìn)位；認(rèn)為是有符號(hào)數(shù)，則要注意是否溢出。典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)3AH + 7CH0B6H，

16、D3有進(jìn)位：AF = 1運(yùn)算時(shí)D3位（低半字節(jié)）有進(jìn)位或借位時(shí)，AF = 1；否則AF = 0。 這個(gè)標(biāo)志主要由處理器內(nèi)部使用，用于十進(jìn)制算術(shù)運(yùn)算調(diào)整指令中，用戶一般不必關(guān)心輔助進(jìn)位標(biāo)志AF （Auxiliary Carry Flag）典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)方向標(biāo)志DF（Direction Flag）用于串操作指令中，控制地址的變化方向：設(shè)置DF0，存儲(chǔ)器地址自動(dòng)增加；設(shè)置DF1，存儲(chǔ)器地址自動(dòng)減少。CLD指令復(fù)位方向標(biāo)志：DF0STD指令置位方向標(biāo)志：DF1典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)中斷允許標(biāo)志IF（Interrupt-enable Flag）用于控制外部可屏蔽中斷是否可以被處理器響

17、應(yīng)：設(shè)置IF1，則允許中斷；設(shè)置IF0，則禁止中斷。CLI指令復(fù)位中斷標(biāo)志：IF0STI指令置位中斷標(biāo)志：IF1典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)陷阱標(biāo)志TF（Trap Flag）用于控制處理器進(jìn)入單步操作方式：設(shè)置TF0，處理器正常工作；設(shè)置TF1，處理器單步執(zhí)行指令。單步執(zhí)行指令處理器在每條指令執(zhí)行結(jié)束時(shí)，便產(chǎn)生一個(gè)編號(hào)為1的內(nèi)部中斷這種內(nèi)部中斷稱為單步中斷所以TF也稱為單步標(biāo)志利用單步中斷可對(duì)程序進(jìn)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)試典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)段寄存器8086有4個(gè)16位段寄存器CS（代碼段）指明代碼段的起始地址SS（堆棧段）指明堆棧段的起始地址DS（數(shù)據(jù)段

18、）指明數(shù)據(jù)段的起始地址ES（附加段）指明附加段的起始地址每個(gè)段寄存器用來(lái)確定一個(gè)邏輯段的起始地址，每種邏輯段均有各自的用途典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)代碼段（Code Segment）代碼段用來(lái)存放程序的指令序列代碼段寄存器CS存放代碼段的段地址指令指針寄存器IP指示下條指令的偏移地址處理器利用CS:IP取得下一條要執(zhí)行的指令典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)堆棧段（Stack Segment）堆棧段確定堆棧所在的主存區(qū)域堆棧段寄存器SS存放堆棧段的段地址堆棧指針寄存器SP指示堆棧棧頂?shù)钠频刂诽幚砥骼肧S:SP操作堆棧棧頂?shù)臄?shù)據(jù)典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)數(shù)據(jù)段（Data Segment）數(shù)據(jù)段

19、存放運(yùn)行程序所用的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)段寄存器DS存放數(shù)據(jù)段的段地址各種主存尋址方式（有效地址EA）得到存儲(chǔ)器中操作數(shù)的偏移地址處理器利用DS:EA存取數(shù)據(jù)段中的數(shù)據(jù)典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)附加段（Extra Segment）附加段是附加的數(shù)據(jù)段，也用于數(shù)據(jù)的保存：附加段寄存器ES存放附加段的段地址各種主存尋址方式（有效地址EA）得到存儲(chǔ)器中操作數(shù)的偏移地址處理器利用ES:EA存取附加段中的數(shù)據(jù)串操作指令將附加段作為其目的操作數(shù)的存放區(qū)域典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)2-2-3 8086微處理器的外部引腳特性 8086CPU具有40個(gè)引腳，采用雙列直插式的封裝形式，如圖2-6所示。 數(shù)據(jù)總線為16條，地

20、址總線為20條，其余為狀態(tài)線、控制信號(hào)線、電源、地線等。地址/數(shù)據(jù)總線采用了分時(shí)復(fù)用方式，即一部分引腳具有雙重功能，例如AD15AD0這16個(gè)引腳，有時(shí)傳送數(shù)據(jù)信號(hào)，有時(shí)可輸出地址信號(hào)。 第2章典型微處理器 44典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)地址/數(shù)據(jù)線地址/狀態(tài)線非屏蔽中斷可屏蔽中斷請(qǐng)求最小最大模式控制MN/MX=1,最小模式MN/MX=0,最大模式讀信號(hào)總線保持請(qǐng)求信號(hào)總線保持響應(yīng)信號(hào)寫信號(hào)存儲(chǔ)器/IO控制信號(hào)M/IO=1,選中存儲(chǔ)器M/IO=0,選中IO接口數(shù)據(jù)發(fā)送/接收信號(hào)DT/R=1,發(fā)送DT/R=0,接收數(shù)據(jù)允許信號(hào)地址允許信號(hào)中斷響應(yīng)信號(hào)測(cè)試信號(hào):執(zhí)行WAIT指令，CPU處于空轉(zhuǎn)等

21、待; TEST有效時(shí),結(jié)束等待狀態(tài)。準(zhǔn)備好信號(hào):表示內(nèi)存或I/O設(shè)備準(zhǔn)備好，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。復(fù)位信號(hào)8086CPU引腳功能（24-31，括號(hào)內(nèi)為最大模式引腳定義）典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)2-3 存儲(chǔ)器和I/O組織2-3-1 存儲(chǔ)器組織 1. 存儲(chǔ)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及訪問(wèn)方法 8086有20根地址線，可尋址存儲(chǔ)器空間1MB，地址范圍為（00000HFFFFFH）。存儲(chǔ)器內(nèi)部按字節(jié)進(jìn)行組織，兩個(gè)相鄰的字節(jié)被稱為一個(gè)“字”。 分存儲(chǔ)體形式， BHE和A0 組合決定訪問(wèn)形式第2章典型微處理器 46典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)D0D7D8D1500000H00002H00004HFFFFEH00001H

22、00003H00004HFFFFFH分存儲(chǔ)體，字節(jié)交叉編址典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)總體的1MB物理地址空間00000H00001H0000FHFFFFFH典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)物理地址示例將字符串“Goods！”的ASCII碼依次存入01250H開(kāi)始的字節(jié)單元中，畫出它們存放的內(nèi)存單元示意圖。首先查ASCII表，p.18 表1-5G47Ho6FHd64Hs73H!-21H01250H存儲(chǔ)器47H6FH6FH64H73H21H01255H典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn) 2. 存儲(chǔ)器分段 8086系統(tǒng)采用20位地址線尋址1M字節(jié)存儲(chǔ)空間。由于CPU內(nèi)所有寄存器都只有16位，只能尋址64KB

23、（216字節(jié)）。因此，把整個(gè)存儲(chǔ)空間分成若干邏輯段， 每個(gè)邏輯段容量最大64KB。 CPU允許各個(gè)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(kāi)一段距離，如圖2-9所示。 第2章典型微處理器 50典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)51典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn) 3. 存儲(chǔ)器地址（1）段地址：描述要尋址的邏輯段在內(nèi)存中的起始位置。（2）偏移地址：描述要尋址的內(nèi)存單元距本段段首的偏移量。（3）邏輯地址：由段地址和偏移地址兩部分組成。表示形式為“段地址：偏移地址”。（CS：IP）（4）物理地址：存儲(chǔ)器實(shí)際地址，由CPU提供的20位地址碼來(lái)表示，是惟一能代表存儲(chǔ)空間每個(gè)字節(jié)單元的地址。 第

24、2章典型微處理器 52典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn) 邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換由BIU中20位的地址加法器自動(dòng)完成。 物理地址計(jì)算公式： 物理地址=段地址10H偏移地址，（ 10H相當(dāng)于左移4位），例，CS=FFFF，IP=00011111 1111 1111 1111 0000 0000 0000 0000 0001 得物理地址 FFFF1邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換53典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)物理地址如何形成015段內(nèi)偏移地址段寄存器19300000段地址左移4位20位物理地址1904典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)CPU復(fù)位時(shí)8086 CPU被復(fù)位后，PSW、DS、ES、SS和其他寄存器被清零

25、，指令隊(duì)列也被清零，CS：IP=FFFFH：0000H，因此，8086 CPU復(fù)位后重新啟動(dòng)，執(zhí)行的第一條指令所在存儲(chǔ)單元的物理地址為FFFFH16+0000HFFFF0H。一般情況下，在從FFFF0H開(kāi)始的單元中，存放一條無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令，以轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)程序?qū)嶋H開(kāi)始處。典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)4專用和保留的存儲(chǔ)器單元Intel公司為保證與未來(lái)產(chǎn)品的兼容性，規(guī)定在存儲(chǔ)區(qū)的最低地址區(qū)和最高地址區(qū)保留一些單元供CPU的某些特殊功能專用。(1) 最低區(qū)域 00000H-003FFH(1KB)，存放中斷向量表；(2) B0000H-B0FFFH(4KB)，單色顯示器的視頻緩沖區(qū)，存放單色顯示器當(dāng)前屏幕

26、顯示字符對(duì)應(yīng)的ASCII及其屬性；(3) B8000H-BBFFF(16KB)，彩色顯示器的視頻緩沖區(qū)，存放彩色顯示器當(dāng)前屏幕象素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的代碼;(4) 最高區(qū)域 FFFF0H-FFFFF(共16B)，無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令，上電或復(fù)位時(shí)轉(zhuǎn)到系統(tǒng)初始化程序，ROM范圍內(nèi)；第2章典型微處理器 56典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)2-3-2 I/O端口組織端口：I/O接口電路中，供CPU直接存取訪問(wèn)的那些寄存器或某些特定電路。(相當(dāng)于進(jìn)出I/O接口電路的門口)端口地址：一個(gè)I/O接口總要包括數(shù)據(jù)，命令，狀態(tài)和方式等端口，微機(jī)系統(tǒng)為每個(gè)端口分配一個(gè)地址，稱為端口地址，各端口地址和存儲(chǔ)單元地址一樣，具有唯一性。同一

27、個(gè)I/O電路可以擁有多個(gè)端口地址。57典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)2-3-2 I/O端口組織1. 統(tǒng)一編址：I/O端口地址置于1MB存儲(chǔ)器空間中，看作存儲(chǔ)器單元，每個(gè)端口占用一個(gè)存儲(chǔ)單元的地址。 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。2. 獨(dú)立編址：端口單獨(dú)編址構(gòu)成一個(gè)I/O空間，不占用存儲(chǔ)器地址。CPU設(shè)置專門輸入/輸出指令（IN和OUT）和接口控制信號(hào)來(lái)訪問(wèn)I/O端口。端口地址空間獨(dú)立，控制電路和地址譯碼電路較簡(jiǎn)單，輸入/輸出指令類別少，一般只進(jìn)行傳送操作。第2章典型微處理器 58典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)2-4 8086總線周期和工作方式 8086CPU操作在時(shí)鐘

28、CLK統(tǒng)一控制下進(jìn)行，以便使取指令和傳送數(shù)據(jù)能夠協(xié)調(diào)地工作。 8086經(jīng)外部總線對(duì)存儲(chǔ)器或I/O端口進(jìn)行一次信息輸入或輸出過(guò)程，稱總線操作，執(zhí)行該操作所需要時(shí)間稱總線周期。一個(gè)總線周期包括T1、T2、T3、T4狀態(tài)，4個(gè)時(shí)鐘周期。不同總線操作需不同總線信號(hào)，這些信號(hào)變化進(jìn)行時(shí)間順序的描述稱為“總線時(shí)序” 。第2章典型微處理器 59典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)2-4-1 8284A時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器 8284A是Intel公司專為8086設(shè)計(jì)的時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器，能產(chǎn)生8086所需的系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)。 8284A除提供恒定的時(shí)鐘信號(hào)外，還對(duì)外界輸入的準(zhǔn)備就緒信號(hào)RDY和復(fù)位信號(hào)進(jìn)行同步操作。 第2章典型微處

29、理器 60典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn) 2-4-2 8086總線周期 8086CPU與存儲(chǔ)器或外部設(shè)備通信通過(guò)20位分時(shí)多路復(fù)用地址/數(shù)據(jù)總線來(lái)實(shí)現(xiàn)。為取出指令或傳輸數(shù)據(jù)，CPU要執(zhí)行一個(gè)總線周期。 時(shí)鐘周期是CPU的基本時(shí)間計(jì)量單位，是指令執(zhí)行時(shí)間的刻度，由主頻決定。8086的主頻為5MHz，1個(gè)時(shí)鐘周期就是200ns（1/500萬(wàn)）。 1空閑狀態(tài)TI(idle state)：既不傳遞數(shù)據(jù)，也不取指令；2等待狀態(tài)TW（wait state）：等待CPU外部的設(shè)備就緒，由存儲(chǔ)器或者外設(shè)通過(guò)READY信號(hào)告訴CPU必須等待。第2章典型微處理器 61典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)CLK地址/數(shù)據(jù)總線

30、總線周期總線周期T1T2T3T4T4T3T2T1地址緩沖數(shù)據(jù)地址緩沖數(shù)據(jù)圖2-12 典型的8086總線周期時(shí)序圖當(dāng)存儲(chǔ)器或外部設(shè)備沒(méi)有完成操作（Ready信號(hào)無(wú)效），T3之后自動(dòng)插入Tw等待狀態(tài)，直到Ready信號(hào)有效。典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)存貯器讀周期例：MOV AL,1000H ;M/IO=1T1狀態(tài)：A19A0上是地址信息，出現(xiàn)ALE信號(hào)后，將地址鎖存到地址鎖存器（8282）。T2狀態(tài)：地址信息消失，A19-A16從地址信息變?yōu)闋顟B(tài)信息S6-S3。數(shù)據(jù)允許信號(hào)DEN在T2狀態(tài)有效。T3狀態(tài)：AD0AD15數(shù)據(jù)。T3狀態(tài)前沿采樣Ready信號(hào)。 RD信號(hào)有效（RD=0） TW狀態(tài)：若

31、存儲(chǔ)器式外設(shè)的工作速度較慢，不能滿足基本時(shí)序要求，使用一個(gè)產(chǎn)生READY的電路，以使在T3狀態(tài)之后，插入一個(gè)等待周期TW。T4狀態(tài)：CPU采樣數(shù)據(jù)，結(jié)束一個(gè)總線周期。典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)CLKM/IOA19-16/S6-3BHE/S7 AD15AD0ALEREADYRDDT/RDENT1 T2 T3 TW T4 S7-3A19-16, BHED15-0A15-0T3前沿檢測(cè)Ready信號(hào)典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)存儲(chǔ)器寫周期時(shí)序例：MOV 1000H, AL ;M/IO=1T1狀態(tài)：A19A0上是地址信息，出現(xiàn)ALE信號(hào)后，將地址鎖存到地址鎖存器（8282）。T2狀態(tài)：地址信息消失，

32、A19-A16從地址信息變?yōu)闋顟B(tài)信息S6-S3。T3狀態(tài)：AD0 AD15數(shù)據(jù)。T3狀態(tài)前沿采樣Ready信號(hào)。 WR信號(hào)有效（WR=0）。TW狀態(tài)：若存儲(chǔ)器式外設(shè)的工作速度較慢，不能滿足基本時(shí)序要求，使用一個(gè)產(chǎn)生READY的電路，以使在T3狀態(tài)之后，插入一個(gè)等待周期TW。T4狀態(tài)：CPU認(rèn)為數(shù)據(jù)已寫入存儲(chǔ)器，結(jié)束一個(gè)總線周期。典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)第2章2-4-3 8086的最小/最大工作方式1.最小工作模式（MN/ =1）：把8086CPU的33引腳接+5V時(shí)，系統(tǒng)處于最小工作模式。最小模式系統(tǒng)適用于單微處理器組成的小系統(tǒng)，系統(tǒng)中通常只有一個(gè)微處理器，所有

33、的總線控制信號(hào)都直接由8086CPU產(chǎn)生，系統(tǒng)中的總線控制邏輯電路被減到最少。（例如地址鎖存信號(hào) ALE）典型微處理器 67典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)最小工作模式8086直接產(chǎn)生以下信號(hào)（1）24腳，INTA(輸出，低電平有效)，用于CPU對(duì)外設(shè)的中斷請(qǐng)求作出相應(yīng)。兩個(gè)負(fù)脈沖，第一個(gè)通知外設(shè)，中斷已相應(yīng)，第二個(gè)外設(shè)把中斷類型碼放到數(shù)據(jù)中線上；（2）25腳地址鎖存信號(hào)ALE（輸出，高電平有效），T1期間鎖存地址；（3）26腳，數(shù)據(jù)允許信號(hào)DEN(輸出，三)，總線周期的后半段時(shí)間內(nèi)有效，表示CPU準(zhǔn)備好接收或發(fā)數(shù)據(jù)（4）27腳，數(shù)據(jù)發(fā)送/接收控制信號(hào)DT/R(輸出，三)，只是數(shù)據(jù)傳輸方向典型微處

34、理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)最小工作模式8086直接產(chǎn)生以下信號(hào)（5）28腳，存儲(chǔ)器/輸入輸出信號(hào)M/IO(輸出，三)，信號(hào)直接接到存儲(chǔ)器或I/O芯片的片選端；（6）29腳，控制信號(hào)WR(輸出，三)，表示CPU正在對(duì)存儲(chǔ)器或I/O進(jìn)行寫操作，只在寫周期的T2, T3,和Tw有效；（7）30腳，總線保持請(qǐng)求信號(hào)HOLD(輸入，高電平有效)，其他總線主控設(shè)備請(qǐng)求并占用總線期間保持高電平，CPU在此期間讓出總線使用權(quán)；（8）31腳，總線保持響應(yīng)信號(hào)HLDA(輸出)，CPU讓出總線，收到HLDA信號(hào)的設(shè)備獲得總線控制權(quán)，CPU使地址/數(shù)據(jù)總線和所有具有三態(tài)的控制線都處于高阻隔離狀態(tài)，CPU處于保持響應(yīng)狀態(tài)。典

35、型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)2-4-3 8086的最小/最大工作方式2.最大工作模式（MN/ =0）：當(dāng)把8086的33引腳接地時(shí)，系統(tǒng)處于最大工作模式。系統(tǒng)中存在兩個(gè)或兩個(gè)以上的微處理器，其中有一個(gè)主處理器8086，其他稱為協(xié)處理器。8086不直接提供讀寫命令等控制信號(hào)。（由總線控制器8288代發(fā)信號(hào))典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)本章小結(jié)（1）8086內(nèi)部組成部件（EU；BIU）及其功能；（2）標(biāo)志寄存器的含義；（3）物理存儲(chǔ)器安排，存儲(chǔ)器分段，邏輯地址，物理地址的計(jì)算；（4）8086引腳定義；（5）8086基本時(shí)序。典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)第2章2-5 32位微處理器簡(jiǎn)介2-5-1 80

36、386微處理器 1985年10月，Intel公司推出高性能32位微處理器80386，芯片內(nèi)部集成萬(wàn)個(gè)晶體管，采用132引腳陶瓷網(wǎng)格陣列（PGA）封裝，具有高可靠性和緊密性。典型微處理器 72典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)第2章180386的主要特性（1）提供32位指令，支持8位、16位和32位數(shù)據(jù)類型。（2）提供32位外部總線接口，最大數(shù)據(jù)傳輸率32 Mbit/s。（3）具有片內(nèi)集成存儲(chǔ)器管理部件（MMU），支持虛擬存儲(chǔ)和特權(quán)保護(hù)。（4）具有實(shí)地址、保護(hù)和虛擬8086共3種工作方式。（5）可直接尋址4GB物理存儲(chǔ)空間，虛擬存儲(chǔ)空間達(dá)64 TB。（6）配用80287、80387數(shù)值協(xié)處理器可支持高

37、速數(shù)值處理。（7）時(shí)鐘頻率12.5 MHz、16 MHz、20 MHz、25 MHz和33 MHz等。典型微處理器 73典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)第2章 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-14所示。 由總線接口部件、指令預(yù)取部件、指令譯碼部件、控制部件、數(shù)據(jù)部件、保護(hù)測(cè)試部件、分段部件和分頁(yè)部件等組成。 典型微處理器 74典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)圖2-14 80386CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 75典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)第2章2-5-2 80486微處理器 1989年4月，Intel公司推出80486，采用1m CHMOS工藝，芯片內(nèi)集成120萬(wàn)個(gè)晶體管，時(shí)鐘頻率25 MHz50 MHz。 8

38、0486在80386原有6個(gè)部件基礎(chǔ)上又新增高性能浮點(diǎn)運(yùn)算部件（FPU）和高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）兩個(gè)部件。 典型微處理器 76典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)第2章典型微處理器 180486的主要特性（1）在CISC技術(shù)基礎(chǔ)上，首次采用RISC技術(shù)，有效地減少指令時(shí)鐘周期個(gè)數(shù)。（2）芯片上集成部件多。（3）高性能的設(shè)計(jì)。（4）完全的32位體系結(jié)構(gòu)。（5）增加了多處理器指令，增強(qiáng)了多重處理系統(tǒng)。（6）具有機(jī)內(nèi)自測(cè)試功能。77典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)第2章的基本結(jié)構(gòu) 80486微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-15所示，包括總線接口部件、高速緩存（Cache）部件、指令預(yù)取、指令譯碼部件、控制/保護(hù)

39、部件、整數(shù)部件、浮點(diǎn)運(yùn)算部件、分段部件和分頁(yè)部件9個(gè)功能部件。 80486將這些部件集成在一塊芯片上，除減少主板空間外，還提高了CPU的執(zhí)行速度。典型微處理器 78典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)圖2-15 80486CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu) 79典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)第2章2-5-3 Pentium系列微處理器 Pentium系列微處理器從Pentium、Pentium Pro、MMX Pentium到Pentium II、Pentium III、Pentium 4等，Intel公司通過(guò)改變CPU的工作頻率、二級(jí)緩存的大小、產(chǎn)品制造工藝等來(lái)不斷提高微處理器的性能，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能也在不斷地?cái)U(kuò)充。典型微

40、處理器 80典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)第2章1. Pentium系列微型計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)（1）高集成度。（2）時(shí)鐘頻率高。（3）數(shù)據(jù)總線帶寬增加。（4）片內(nèi)采用分立的指令Cache和數(shù)據(jù)Cache結(jié)構(gòu)。（5）采用RISC型超標(biāo)量結(jié)構(gòu)。（6）高性能的浮點(diǎn)運(yùn)算器。（7）雙重分離式高速緩存。典型微處理器 81典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)第2章（8）增強(qiáng)了錯(cuò)誤檢測(cè)與報(bào)告功能。（9）64位數(shù)據(jù)總線。（10）分支指令預(yù)測(cè)。（11）常用指令固化及微代碼改進(jìn)。（12）具有實(shí)地址方式、保護(hù)方式、虛擬8086方式及SMM系統(tǒng)管理方式。（13）軟件向上兼容80386/80486。典型微處理器 82典型微處理器結(jié)構(gòu)、方式和特點(diǎn)第2章2. Pentium微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu) Pentium微處理器主要部件包括總線