微型計(jì)算機(jī)技術(shù)與匯編語言程序設(shè)計(jì)：第3章 80x86微處理器

1、教學(xué)內(nèi)容 本章在簡要介紹80 x86系列微處理器的發(fā)展概況及其性能特性的基礎(chǔ)上，首先重點(diǎn)介紹8086/8088 CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、寄存器結(jié)構(gòu)、引腳功能以及存儲(chǔ)器管理等。具體內(nèi)容如下： 1、80 x86微處理器簡介2、8086/8088微處理器3、8086/8088存儲(chǔ)器和I/O組織學(xué)習(xí)要求 微處理器(CPU)是構(gòu)成微型計(jì)算機(jī)的核心部件，是全機(jī)的控制中心，它控制全機(jī)各功能部件協(xié)調(diào)工作，它的性能決定了整個(gè)微型計(jì)算機(jī)的性能和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。因此，學(xué)習(xí)和掌握微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理是學(xué)習(xí)“微型計(jì)算機(jī)原理”的重要基礎(chǔ)。本章具體學(xué)習(xí)要求如下：1、掌握8086/8088CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理。2、掌握80

2、86/8088CPU中14個(gè)寄存器的分類、作用及有關(guān) 寄存器的特定用法。3、掌握8086/8088存儲(chǔ)器的分段管理方式；掌握邏輯地址、 物理地址的概念以及如何由邏輯地址求物理地址。4、了解8086/8088CPU的引腳及其功能。 第3章 80 x86微處理器 （本章授課學(xué)時(shí)：8H） 3.1 80 x86微處理器簡介3.2 8086/8088微處理器3.3 8086/8088存儲(chǔ)器和I/O組織 3.1 80 x86微處理器簡介 80 x86微處理器是美國Intel 公司生產(chǎn)的系列微處理器。該公司成立于1968年，1969年就設(shè)計(jì)了4位的4004 芯片，1973年開發(fā)出8位的8080芯片，1978

3、年正式推出16位的8086微處理器芯片，由此開始了Intel公司的80 x86系列微處理器的生產(chǎn)歷史。本節(jié)簡要介紹Intel公司80 x86系列微處理器的發(fā)展過程及其特性。 表3.1給出了80 x86系列微處理器概況。下面通過對(duì)表中有關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)的分析來說明Intel 80 x86系列微處理器的發(fā)展情況。 表3.1 80 x86系列微處理器概況 集成度CPU芯片中所包含的晶體管數(shù)。主頻芯片所使用的主時(shí)鐘頻率，它直接影響計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度。數(shù)據(jù)總線計(jì)算機(jī)中各個(gè)組成部件間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)的公共通道，“內(nèi)數(shù)據(jù)總線寬度”是指CPU芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)傳送的寬度（位數(shù)），“外數(shù)據(jù)總線寬度”是指CPU與外部交換數(shù)據(jù)時(shí)的

4、數(shù)據(jù)寬度，顯然，數(shù)據(jù)總線位數(shù)越多，數(shù)據(jù)交換的速度就越快。 基本概念地址總線在對(duì)存儲(chǔ)器或I/O端口進(jìn)行訪問時(shí)，傳送由CPU提供的要訪問的存儲(chǔ)單元或I/O端口的地址信息的總線，其寬度決定了處理器能直接訪問的主存容量大小。如8086有20根地址線，使用這20根地址線上不同地址信息的組合，可直接對(duì)220=1M個(gè)存儲(chǔ)單元進(jìn)行訪問；Pentium II有36根地址線，因此它可直接尋址的最大地址范圍為236=64G。 高速緩沖存儲(chǔ)器Cache 的使用，大大減少了CPU讀取指令和操作數(shù)所需的時(shí)間，使CPU的執(zhí)行速度顯著提高。為了滿足微型計(jì)算機(jī)對(duì)存儲(chǔ)器系統(tǒng)高速度、大容量、低成本的要求，目前，微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用如

5、圖3.1所示的三級(jí)存儲(chǔ)器組織結(jié)構(gòu)，即由高速緩沖存儲(chǔ)器Cache、主存和外存組成。 高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）微處理器CPU主存儲(chǔ)器（主存）外存儲(chǔ)器（外存）圖3.1 存儲(chǔ)器三級(jí)結(jié)構(gòu) 主存 當(dāng)前正在執(zhí)行的程序或要使用的數(shù)據(jù)必須從外存調(diào)入主存后才能被CPU讀取并執(zhí)行，主存容量通常為MB級(jí)；外存當(dāng)前沒有使用的程序可存入外存，外存的容量通常很大，可達(dá)GB甚至TB級(jí)；Cache（高速緩沖存儲(chǔ)器）最大特點(diǎn)是存取速度快，但容量較小，通常為KB級(jí)，將當(dāng)前使用頻率較高的程序和數(shù)據(jù)通過一定的替換機(jī)制從主存放入Cache，CPU在取指令或讀取操作數(shù)時(shí)，同時(shí)對(duì)Cache和主存進(jìn)行訪問，如果Cache命中，則終止對(duì)主存

6、的訪問，直接從Cache中將指令或數(shù)據(jù)送CPU處理，由于Cache的速度比主存快得多。Cache的使用大大提高了CPU讀取指令或數(shù)據(jù)的速度。 各種型號(hào)的Intel公司的CPU1978年 確立x86地位創(chuàng)造商業(yè)奇跡的CPU8086 各種型號(hào)的Intel公司的CPU1982年 俗稱“286”CPU80286 各種型號(hào)的Intel公司的CPU使用80286的電腦 各種型號(hào)的Intel公司的CPU1985年 真帶領(lǐng)我們進(jìn)入32位時(shí)代的CPU80386 各種型號(hào)的Intel公司的CPU1989年 首嘗RISC, 性能提升4倍的CPU80486 各種型號(hào)的Intel公司的CPU1993年 第一款與數(shù)字無關(guān)

7、的CPUPentium 各種型號(hào)的Intel公司的CPU2000年 空前強(qiáng)大經(jīng)久不衰的系列CPUPentium 4 3.2 8086/8088微處理器 8086是Intel系列的16位微處理器。使用HMOS工藝制造，芯片上集成了2.9萬個(gè)晶體管，用單一的+5V電源供電，封裝在標(biāo)準(zhǔn)的40引腳雙列直插式管殼內(nèi)，時(shí)鐘頻率5MHz10MHz。 3.2 8086/8088微處理器 8086有16條數(shù)據(jù)總線，可以處理8位或16位數(shù)據(jù)。有20條地址總線，可以直接尋址1M（220）字節(jié)的存儲(chǔ)單元。在8086推出后不久，為方便原8位機(jī)用戶，Intel公司很快推出了8088微處理器，其指令系統(tǒng)與8086完全兼容，

8、CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)仍為16位，但外部數(shù)據(jù)總線是8位的，這樣設(shè)計(jì)的目的主要是為了與原有的8位外圍接口芯片兼容。并以8088為CPU組成了IBM PC、PC/XT等準(zhǔn)16位微型計(jì)算機(jī)，由于其性能價(jià)格比高，很快占領(lǐng)了市場。 3.2.1 8086/8088內(nèi)部結(jié)構(gòu) 從功能上講，8086CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為兩部分：1、總線接口單元BIU(Bus Interface Unit)負(fù)責(zé)完成CPU與存儲(chǔ)器或I/O設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送。2、執(zhí)行單元EU(Execution Unit)不與系統(tǒng)外部直接相連，它的功能只是負(fù)責(zé)執(zhí)行指令。圖3.2 8086CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 3.2.1 8086/8088內(nèi)部結(jié)構(gòu) 一總線接口單

9、元BIU總線接口單元BIU的任務(wù)： 讀指令指令隊(duì)列出現(xiàn)空字節(jié)(8088 1個(gè)空字節(jié)，8086 2個(gè)空字節(jié))時(shí)，從內(nèi)存取出后續(xù)指令。BIU取指令時(shí)，并不影響EU的執(zhí)行，兩者并行工作，大大提高了CPU的執(zhí)行速度。 讀操作數(shù)EU需要從內(nèi)存或外設(shè)端口讀取操作數(shù)時(shí)，根據(jù)EU給出的地址從內(nèi)存或外設(shè)端口讀取數(shù)據(jù)供EU使用。 寫操作數(shù)EU的運(yùn)算結(jié)果、數(shù)據(jù)或控制命令等由BIU送往指定的內(nèi)存單元或外設(shè)端口。總線接口單元（BIU）的組成1、4個(gè)16位段寄存器：代碼段寄存器CS(Code Segment)、數(shù)據(jù)段寄存器DS(Data Segment)、堆棧段寄存器SS(Stack Segment)和附加數(shù)據(jù)段寄存器E

10、S(Extra Segment)；2、一個(gè)16位的指令指針寄存器IP(Instruction Pointer);3、一個(gè)20位地址加法器；4、6字節(jié)指令隊(duì)列緩沖器；5、一個(gè)與EU通訊的內(nèi)部寄存器以及總線控制電路等。 1段寄存器 8086CPU的地址引腳有20根，能提供20位的地址信息，可直接對(duì)1M個(gè)存儲(chǔ)單元進(jìn)行訪問，但CPU內(nèi)部可用來提供地址信息的寄存器都是16位的，那么如何用16位寄存器實(shí)現(xiàn)20位地址的尋址呢？8086/8088采用了段結(jié)構(gòu)的內(nèi)存管理的方法。 將指令代碼和數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)在代碼段、數(shù)據(jù)段、堆棧段、附加數(shù)據(jù)段中，這些段的段地址分別由段寄存器CS、DS、SS、ES提供，而代碼或數(shù)據(jù)在

11、段內(nèi)的偏移地址則由有關(guān)寄存器或立即數(shù)給出。 代碼段寄存器CS存儲(chǔ)程序當(dāng)前使用的代碼段的段地址。代碼段用來存放程序的指令代碼。下一條要讀取指令在代碼段中的偏移地址由指令指針寄存器IP提供； 數(shù)據(jù)段寄存器DS用來存放程序當(dāng)前使用的數(shù)據(jù)段的段地址。一般來說，程序中所用到的原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果以及最終結(jié)果都存放在數(shù)據(jù)段中； 堆棧段寄存器SS用來存放程序當(dāng)前所使用的堆棧段的段地址。堆棧是在存儲(chǔ)器中開辟的一個(gè)特定區(qū)域； 附加數(shù)據(jù)段寄存器ES用來存放程序當(dāng)前使用的附加數(shù)據(jù)段的段地址。附加數(shù)據(jù)段通常用于存放字符串操作時(shí)的目的字符串。 程序員在編寫匯編語言源程序時(shí)，應(yīng)該按照上述規(guī)定將程序的各個(gè)部分放在規(guī)定的段內(nèi)。

12、每個(gè)源程序必須至少有一個(gè)代碼段，而數(shù)據(jù)段、堆棧段和附加數(shù)據(jù)段則根據(jù)程序的需要決定是否設(shè)置。 2指令指針寄存器 指令指針寄存器IP用來存放下一條要讀取的指令在代碼段中的偏移地址。IP在程序運(yùn)行中能自動(dòng)加1修正，從而使其始終存放的是下一條要讀取的指令在代碼段的偏移地址。由于CS和IP的內(nèi)容決定了程序的執(zhí)行順序，因此程序員不能直接用賦值指令對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行修改。有些指令能使IP和CS的值改變（如跳轉(zhuǎn)指令）或使其值壓入堆?；驈亩褩Ｖ袕棾龌謴?fù)原值（如子程序調(diào)用指令和返回指令）。 320位地址加法器 8086/8088CPU在對(duì)存儲(chǔ)單元進(jìn)行訪問以讀取指令或讀/寫操作數(shù)時(shí)，必須在地址總線上提供20位的地址信息，

13、以便選中對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元。那么，CPU是如何產(chǎn)生20位地址的呢？ CPU提供的用來對(duì)存儲(chǔ)單元進(jìn)行訪問的20位地址是由BIU中的地址加法器產(chǎn)生的。 存儲(chǔ)器中每個(gè)存儲(chǔ)單元的地址可有以下兩種表示方式： 邏輯地址：其表達(dá)形式為“段地址：段內(nèi)偏移地址”。段內(nèi)偏移地址又稱為“有效地址EA(Effective Address)。在讀指令時(shí)，段地址由代碼段寄存器CS提供，當(dāng)前要讀取指令在代碼段中的偏移地址由指令指針寄存器IP提供；在讀取或存儲(chǔ)操作數(shù)時(shí)，根據(jù)具體操作，段地址由DS、ES或SS提供，段內(nèi)偏移地址由指令給出。 物理地址：CPU與存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)在地址總線上提供的20位地址信息稱為物理地址。物理地址

14、的形成過程如圖3.3所示。當(dāng)由IP提供或由EU根據(jù)指令所提供尋址方式計(jì)算出尋址單元的16位段內(nèi)偏移地址后，把該偏移地址和段寄存器內(nèi)容左移四位后（相當(dāng)于乘以10H）得到的段基址（段內(nèi)第一個(gè)存儲(chǔ)單元的物理地址）同時(shí)送到BIU中的地址加法器，形成一個(gè)20位的物理地址，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)單元的訪問。由邏輯地址求物理地址的公式為：物理地址=段地址10H+段內(nèi)偏移地址 如假設(shè)當(dāng)前(CS)=20A8H，(IP)=2008H，那么，下一條從內(nèi)存中讀取的指令所在存儲(chǔ)單元的物理地址為：20A8H10H+ 2008H=22A88H。 圖3.3 物理地址的形成 4. 指令隊(duì)列緩沖器 8086的指令隊(duì)列有6個(gè)字節(jié)，8088

15、的指令隊(duì)列有4個(gè)字節(jié)。對(duì)8086而言，當(dāng)指令隊(duì)列出現(xiàn)2個(gè)空字節(jié)，對(duì)8088而言，指令隊(duì)列出現(xiàn)1個(gè)空字節(jié)時(shí)，BIU就自動(dòng)執(zhí)行一次取指令周期，將下一條要執(zhí)行的指令從內(nèi)存單元讀入指令隊(duì)列。它們采用“先進(jìn)先出”原則，按順序存放，并按順序取到EU中去執(zhí)行。 指令隊(duì)列的引入使得EU和BIU可并行工作，即BIU在讀指令時(shí)，并不影響EU單元執(zhí)行指令，EU單元可以連續(xù)不斷地直接從指令隊(duì)列中取到要執(zhí)行的指令代碼，從而減少了CPU為取指令而等待的時(shí)間，提高了CPU的利用率，加快了整機(jī)的運(yùn)行速度。 Debug中使用反匯編命令得到的addxy.exe程序代碼在內(nèi)存中的存放情況.請(qǐng)大家注意理解邏輯地址與物理地址的概念(c

16、s):(ip)Debug中使用反匯編命令得到的addxy.exe程序中變量在內(nèi)存中的存放情況.請(qǐng)大家注意理解邏輯地址與物理地址的概念運(yùn)行ADDXY.asm 二執(zhí)行單元EU 執(zhí)行單元EU不與系統(tǒng)外部直接相連，它的功能只是負(fù)責(zé)執(zhí)行指令。執(zhí)行的指令從BIU的指令隊(duì)列緩沖器中直接得到，執(zhí)行指令時(shí)若需要從存儲(chǔ)器或I/O端口讀寫操作數(shù)時(shí)，由EU向BIU發(fā)出請(qǐng)求，再由BIU對(duì)存儲(chǔ)器或I/O端口進(jìn)行訪問。 執(zhí)行單元EU由下列部件組成：1. 16位算術(shù)邏輯單元(ALU)：進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算。2. 16位標(biāo)志寄存器FLAGS：存放CPU運(yùn)算的狀態(tài)和控制標(biāo)志。3. 數(shù)據(jù)暫存寄存器：暫存參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)4. 通用寄存器：包括4個(gè)16位數(shù)據(jù)寄存器AX、BX、CX、DX和 4個(gè)16位指針與變址寄存器SP、BP與SI、DI。5. EU控制電路：它是控制、定時(shí)與狀態(tài)