第二章微處理器指令周期

第二章微處理器指令周期第1頁，共18頁，2023年，2月20日，星期三2.2.18086的編程結(jié)構(gòu)

8086分為兩部分，即總線接口部件BIU（BusInterfaceUnit）和執(zhí)行部件EU（ExecutionUnit）。右圖為8086的編程結(jié)構(gòu)圖第2頁，共18頁，2023年，2月20日，星期三1．總線接口部件(BIU)

總線接口部件的功能是負(fù)責(zé)與存儲(chǔ)器、I/O端口傳送數(shù)據(jù)。CPU執(zhí)行指令時(shí)，總線接口部件要配合執(zhí)行部件從指定的內(nèi)存單元或者外設(shè)端口中取數(shù)據(jù)或指令，將數(shù)據(jù)先放入“指令隊(duì)列”排隊(duì)，當(dāng)需要時(shí)，再由執(zhí)行部件EU從中取出；或者把執(zhí)行部件EU的操作結(jié)果傳送到指定的內(nèi)存單元或外設(shè)端口中?？偩€接口部件的部分組成：（1）4個(gè)16位的段地址寄存器；

CS——16位的代碼段寄存器：用來存放當(dāng)前程序所在段的段基址；DS——16位的數(shù)據(jù)段寄存器：用來存放當(dāng)前程序所用數(shù)據(jù)段的段基址；ES——16位的擴(kuò)展段寄存器：用來存放輔助數(shù)據(jù)所在段的段基址；SS——16位的堆棧段寄存器：用來存放當(dāng)前程序所用堆棧段的段基址；第3頁，共18頁，2023年，2月20日，星期三（2）16位的指令指針寄存器IP：用來存放下一條指令的偏移地址，IP在當(dāng)前程序運(yùn)行中能夠進(jìn)行自動(dòng)加1的修正，使其指向下一條指令；（3）20位的地址加法器：用來形成20位的物理地址；（4）6字節(jié)的指令隊(duì)列緩沖器。（5）總線控制部件。用來產(chǎn)生并發(fā)出總線控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對存儲(chǔ)器、I/O端口的讀寫控制，并將內(nèi)部總線與外部總線相連接。2．執(zhí)行部件EU執(zhí)行部件EU的功能就是負(fù)責(zé)從指令隊(duì)列取指令并執(zhí)行。它由下列幾個(gè)部分組成：（1）算術(shù)邏輯單元ALU：用來進(jìn)行算術(shù)、邏輯運(yùn)算，以及按照尋址方式計(jì)算尋址單元的偏移量。第4頁，共18頁，2023年，2月20日，星期三（2）暫存器：協(xié)助ALU完成運(yùn)算，用來暫時(shí)存放參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)。（3）通用寄存器組：包括4個(gè)通用寄存器，即AX（也稱累加器）、BX、CX、DX；以及4個(gè)專用寄存器：基數(shù)指針寄存器BP：存放數(shù)據(jù)段中某一單元的偏移地址；也可指示堆棧段中某一單元的偏移地址；堆棧指針寄存器SP：存放堆棧棧頂偏移地址；源變址寄存器SI：與數(shù)據(jù)段寄存器DS連用，確定數(shù)據(jù)段中某一存儲(chǔ)單元的地址；目的變址寄存器DI：與數(shù)據(jù)段寄存器DS連用，確定數(shù)據(jù)段中某一存儲(chǔ)單元的地址；（4）16位的標(biāo)志寄存器FR；用來存放控制標(biāo)志和反映CPU運(yùn)行的狀態(tài)特征。（5）EU控制電路：由定時(shí)電路、控制電路和狀態(tài)邏輯電路組合而成。第5頁，共18頁，2023年，2月20日，星期三3．“流水線”結(jié)構(gòu)的指令隊(duì)列總線接口部件BIU和執(zhí)行部件EU并不是同步工作的，每當(dāng)EU從指令隊(duì)列頭部取出一條指令并在分析、執(zhí)行指令這段時(shí)間內(nèi)，或當(dāng)指令隊(duì)列中有2個(gè)空字節(jié)時(shí)，BIU會(huì)自動(dòng)把指令取到指令隊(duì)列中。當(dāng)指令隊(duì)列已滿（6個(gè)字節(jié)），而且EU對BIU又無總線訪問請求時(shí)，BIU便進(jìn)入空閑狀態(tài)；但EU在分析、執(zhí)行指令過程中，如須訪問內(nèi)存或I/O設(shè)備，EU就會(huì)向BIU申請總線周期，若BIU總線空閑，就會(huì)立即響應(yīng)；若BIU此時(shí)正在取一條指令，EU就必須等待BIU取指令的操作完成以后，才會(huì)得到BIU響應(yīng)。在8086/8088中，EU和BIU這種并行的工作方式有力地提高了工作效率。第6頁，共18頁，2023年，2月20日，星期三4．通用寄存器的用法由于某些寄存器具有良好的通用性，因而被稱為通用寄存器，其中包括AX，BX，CX，DX。通用寄存器主要用來保存算術(shù)或邏輯運(yùn)算的操作數(shù)、中間運(yùn)算結(jié)果。它們既可以作為一個(gè)16位的寄存器使用，也可以分別作為兩個(gè)8位的寄存器使用，高位字節(jié)的寄存器為AH，BH，CH，DH；低位字節(jié)的寄存器為AL，BL，CL，DL。由于這些寄存器具有良好的通用性，使用十分靈活，因而稱為通用寄存器。通用寄存器的特殊用途和隱含用法如表2-1所示。第7頁，共18頁，2023年，2月20日，星期三表2-1寄存器的特殊用途和隱含用法寄存器執(zhí)行操作AX累加器，I/O指令中用作數(shù)據(jù)寄存器整字乘法，整字除法，整字I/O，存放被乘數(shù)，乘積，被除數(shù)，商ALI/O指令中用作數(shù)據(jù)寄存器字節(jié)乘法，字節(jié)除法，字節(jié)I/O。存放被乘數(shù)，乘積，被除數(shù)，商查表，十進(jìn)制算術(shù)運(yùn)算中用作累加器；在XLAT（換碼）指令中用作累加器AH字節(jié)乘法，字節(jié)除法在LAHF（標(biāo)志寄存器傳送）指令中用作目標(biāo)寄存器BX用作間接尋址的地址寄存器和基地址寄存器；查表；在XLAT（換碼）指令中用作基地址寄存器第8頁，共18頁，2023年，2月20日，星期三表2-1寄存器的特殊用途和隱含用法CX計(jì)數(shù)寄存器，在LOOP(循環(huán))和串操作中充當(dāng)計(jì)數(shù)器字符串操作，循環(huán)CL在變量的移位和循環(huán)移位指令中用作移位次數(shù)計(jì)數(shù)器DX在乘法、除法指令中作為輔助累加器；在乘法、除法指令中存放乘積高位、被除數(shù)高位或余數(shù)在間接尋址的I/O指令中作為地址寄存器；SP堆棧操作中用作堆棧指針BP在間接尋址中用作基址寄存器；SI在字符串操作中用作變址寄存器；在間接尋址中用作變址寄存器；DI字符串操作第9頁，共18頁，2023年，2月20日，星期三標(biāo)志寄存器（FlagRegister）

標(biāo)志寄存器共有16位，其中有7位未用，已用的9個(gè)標(biāo)志位按功能可分為6個(gè)條件標(biāo)志和3個(gè)控制標(biāo)志。

（1）條件標(biāo)志（條件標(biāo)志用于存放程序運(yùn)行的狀態(tài)信息，由硬件自動(dòng)設(shè)定?？刂茦?biāo)志由軟件設(shè)定，用于中斷、串操作等控制）：

圖2-2標(biāo)志寄存器結(jié)構(gòu)圖

OFDFIFTFSFZFAFPFCF第10頁，共18頁，2023年，2月20日，星期三OF：溢出標(biāo)志。反映帶符號(hào)數(shù)運(yùn)算結(jié)果是否超過機(jī)器所能表示的數(shù)值范圍，對字節(jié)運(yùn)算為-128~+127，對字運(yùn)算為-32768~+32767。若超過上述范圍稱為“溢出”，OF置1。否則，置0。實(shí)際機(jī)器在進(jìn)行處理時(shí)，是判斷最高位的進(jìn)位（CF）與次高位的進(jìn)位是否相同，若二者相同，則OF＝０。否則，OF＝１。SF：符號(hào)標(biāo)志。反映運(yùn)算結(jié)果的符號(hào)。若結(jié)果為負(fù)數(shù)，即最高位為1時(shí)，SF置1，否則，置0。SF取值與運(yùn)算結(jié)果最高位一致。ZF：零標(biāo)志。反映運(yùn)算結(jié)果是否為零。若結(jié)果為零，ZF置1，否則，置0。AF：半進(jìn)位標(biāo)志。反映一個(gè)8位量的低4位向高4位有無進(jìn)位或借位。有則置1，否則，置0。用于BCD碼算術(shù)運(yùn)算指令。PF：奇偶標(biāo)志。反映操作結(jié)果的低8位中“1”的個(gè)數(shù)的奇偶性。若“1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù)，PF置1，否則，置0。CF：進(jìn)位標(biāo)志。反映算術(shù)運(yùn)算后最高位出現(xiàn)進(jìn)位或借位的情況。有則置1，否則，置0。移位和循環(huán)指令也會(huì)改變CF的值。第11頁，共18頁，2023年，2月20日，星期三（2）控制標(biāo)志DF：方向標(biāo)志。進(jìn)行字符串操作時(shí)，每執(zhí)行一條串操作指令，對地址會(huì)進(jìn)行一次自動(dòng)調(diào)整，由DF決定地址是增還是減。若DF為1，則為減，否則為增。IF：表示系統(tǒng)是否允許“外部可屏蔽中斷”（其含義見后述“中斷”內(nèi)容）。若IF為1，表示允許，否則表示不允許。IF對非屏蔽中斷和內(nèi)部中斷請求不起作用。該標(biāo)志可由中斷控制指令設(shè)置或清除。TF：陷阱標(biāo)志。TF為1時(shí)，CPU每執(zhí)行完一條指令，便自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)部中斷，可以利用它對程序進(jìn)行逐條檢查。程序調(diào)試過程中的“單步執(zhí)行”就是利用這個(gè)標(biāo)志。第12頁，共18頁，2023年，2月20日，星期三例2．1觀察下面的運(yùn)算，寫出運(yùn)算結(jié)果的狀態(tài)標(biāo)志。

1000100088H一128

+?10001100=+?8CH=+?一116

100010100114H一244方框中的1表示溢出。運(yùn)算結(jié)果的標(biāo)志位如下：因?yàn)檫\(yùn)算結(jié)果的最高位有進(jìn)位，所以產(chǎn)生溢出，CF=1；運(yùn)算結(jié)果的低８位有偶數(shù)個(gè)１，所以，PF=1；運(yùn)算結(jié)果的低4位向高4位有進(jìn)位，所以，AF=1；運(yùn)算結(jié)果不為零，所以，ZF=0；最高位為０，所以，SF=0；因?yàn)镈7的進(jìn)位是１，D6的進(jìn)位是０，所以產(chǎn)生溢出，OF=1。第13頁，共18頁，2023年，2月20日，星期三圖2-7當(dāng)前可尋址的存儲(chǔ)器段（堆棧段和附加段重疊）第14頁，共18頁，2023年，2月20日，星期三3．8086存儲(chǔ)器的邏輯地址與物理地址物理地址，也稱實(shí)際地址。8086CPU中的每個(gè)存儲(chǔ)元在存儲(chǔ)體中的位置都可以使用物理地址和邏輯地址來表示。為編程方便，8086存儲(chǔ)器采用邏輯地址在程序中使用，它由兩部分組成：段基址和偏移量。偏移量又稱為有效地址EA，是在段基址上的附加值。假如把一條馬路從頭到尾編號(hào)0～1000，比作物理地址，邏輯地址就好比把這條馬路分成幾段，若各段的段基址分別為0、100、300、500、800，為了簡便，記作0、1、3、5、8，則物理地址的126號(hào)，其對應(yīng)的邏輯地址，就是段基址1左移兩位（相當(dāng)于乘以100）再加上偏移量16；則物理地址的574號(hào)，其對應(yīng)的邏輯地址，就是段基址5左移兩位（相當(dāng)于乘以100）加上偏移量74。第15頁，共18頁，2023年，2月20日，星期三4．8086存儲(chǔ)器20位物理地址的形成

在存儲(chǔ)段劃分時(shí)，段內(nèi)地址是連續(xù)的，段與段之間是相互獨(dú)立的。每個(gè)段的起始地址稱段的基址，段基址必須是能被16整除的那些地址，即20位的段基址的低四位應(yīng)當(dāng)是0000。當(dāng)CPU訪問存儲(chǔ)器時(shí)，根據(jù)邏輯地址（由段基址和偏移值構(gòu)成），在BIU的地址加法器中形成20位的物理地址，其方法是將段址左移四位（相當(dāng)于乘以16）再加上偏移量。第16頁，共18頁，2023年，2月20日，星期三2.2.48086的總線時(shí)序時(shí)鐘周期是時(shí)鐘脈沖的重復(fù)周期，時(shí)鐘周期又叫T狀態(tài)，是CPU的時(shí)間基準(zhǔn)，時(shí)序系統(tǒng)中的最小時(shí)間單位，由計(jì)算機(jī)主頻決定。指令周期是指從取指令開始，經(jīng)過分析指令、對操作數(shù)尋址，然后執(zhí)行指令，保存操作結(jié)果這個(gè)過程?？偩€周期是在一個(gè)指令執(zhí)行周期中，通過總線進(jìn)行一次或多次對存儲(chǔ)單元或I/O端口讀或?qū)懙牟僮?。完成一次讀/寫操作所需要的時(shí)間，它又稱機(jī)器周期。所有指令的第一個(gè)機(jī)器周期都是“取指”周期。一個(gè)指令周期可細(xì)分為若干個(gè)總線周期，而一個(gè)總線周期又有若干個(gè)時(shí)鐘周期組成。第17頁，共18頁，