第二章X微處理器

第2章80x86微處理器2.1微處理的基本結(jié)構(gòu)微處理器(Microprocessor)簡稱μP，又稱中央處理器(CentralProcessingUnit，CPU)，是采用大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路(LSI/VLSI)技術(shù)做成的半導(dǎo)體芯片，集成了計算機(jī)的主要部件：算術(shù)邏輯單元ALU、寄存器陳列RA、控制單元、總線和總線緩沖器，是微機(jī)的核心部件。圖示見P26頁圖2.12.1.1算術(shù)邏輯單元ALU（運算器）它是以加法器為基礎(chǔ)，輔之以移位寄存器及相應(yīng)控制邏輯組合而成的電路，在控制信號的作用下，可完成加、減、乘、除四則運算和各種邏輯運算等。2.1.2控制器一般由指令部件、時序部件和微操作控制電路組成。控制器是整個CPU的指揮控制中心。它從存儲器中依次取出程序的各條指令，并根據(jù)指令的要求，向微機(jī)的各個部件發(fā)出相應(yīng)的控制信號，使各部件協(xié)調(diào)工作，從而實現(xiàn)對整個微機(jī)系統(tǒng)的控制。其原理圖見P27頁圖2.2計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)傳遞信息的一組通信導(dǎo)線。在微處理器內(nèi)部各單元之間傳遞信息的總線稱為片內(nèi)總線。在微處理器與各外部部件之間傳遞信息的總線稱為片外總線。1．片內(nèi)總線（單總線、雙總線或多總線）2．片外總線與總線緩沖器（系統(tǒng)總線）用來連接CPU與內(nèi)存儲器或I/O接口電路等部件。通常系統(tǒng)總線分為地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。2.1.3總線與部線緩沖器它從存儲器中依次取出程序的各條指令，并根據(jù)指令的要求，向微機(jī)的各個部件發(fā)出相應(yīng)的控制信號，使各部件協(xié)調(diào)工作，從而實現(xiàn)對整個微機(jī)系統(tǒng)的控制。在微處理器內(nèi)部各單元之間傳遞信息的總線稱為片內(nèi)總線。1）存儲單元的地址和內(nèi)容了解8086的基本引腳信號、最小和最大模式的引腳信號的功能和用途存放數(shù)據(jù)的寄存器：累加器和寄存器陳列RA。SP(StackPointer)稱為堆棧指針寄存器2．片外總線與總線緩沖器（系統(tǒng)總線）AX(Accumulator)稱為累加器用該寄存器存放運算結(jié)果可使指令簡化，提高指令的執(zhí)行速度。用來連接CPU與內(nèi)存儲器或I/O接口電路等部件。CPU為了與存儲器或I/O端口進(jìn)行一個字節(jié)的數(shù)據(jù)交換，需要執(zhí)行一次總線操作，按數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较騺矸?，可將總線操作分為讀操作和寫操作兩種類型；計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)傳遞信息的一組通信導(dǎo)線。理解并掌握段首地址、偏移地址（有效地址EA）、邏輯地址、物理地址PA及物理地址的形成過程。(3)堆棧段是按照“后進(jìn)先出、先進(jìn)后出”原則組織的一段特殊的存儲器區(qū)域，計算機(jī)在進(jìn)行子程序調(diào)用和中斷時，都會用到堆棧。數(shù)據(jù)寄存器一般用于存放參與運算的操作數(shù)或運算結(jié)果。當(dāng)RESET信號一進(jìn)入高電平，8086就會結(jié)束現(xiàn)行操作，進(jìn)入內(nèi)部復(fù)位狀態(tài)，并將CPU內(nèi)部全部寄存器置為初值2.1.4寄存器陳列臨時存放數(shù)據(jù)的寄存器。分為存放地址、數(shù)據(jù)、控制信息和起緩沖作用的寄存器。存放數(shù)據(jù)的寄存器：累加器和寄存器陳列RA。存放地址的寄存器：程序計數(shù)器PC、棧頂指針SP。存放控制信息的寄存器：指令寄存器IR、標(biāo)志寄存器FR。起緩沖作用的寄存器：數(shù)據(jù)總線緩沖器DR、地址總線緩沖器AR。8086是內(nèi)部數(shù)據(jù)總線與外部數(shù)據(jù)總線都是16位的微處理器。8086的地址總線為20位，可直接尋址1MB的內(nèi)存空間和64KB的I/O端口，主頻有5MHz、8MHz、10MHz三種。2.28086微處理2.2.18086/8088CPU的編程結(jié)構(gòu)

1、執(zhí)行部件EU

由8個16位的通用寄存器、1個16位的標(biāo)志寄存器、16位的算術(shù)邏輯單元ALU及EU控制電路組成。其功能是執(zhí)行指令。1)通用寄存器通用寄存器包括四個數(shù)據(jù)寄存器，兩個地址指針寄存器和兩個變址寄存器。(1)數(shù)據(jù)寄存器AX、BX、CX、DX數(shù)據(jù)寄存器一般用于存放參與運算的操作數(shù)或運算結(jié)果。每個數(shù)據(jù)寄存器都是16位的，但又可將高、低8位分別作為兩個獨立的8位寄存器來用。高8位分別記作AH、BH、CH、DH，低8位分別記作AL，BL，CL，DL。

上述4個寄存器一般用來存放數(shù)據(jù)，但它們各自都有自己的特定用途：AX(Accumulator)稱為累加器用該寄存器存放運算結(jié)果可使指令簡化，提高指令的執(zhí)行速度。此外，所有的I/O指令都使用該寄存器與外設(shè)端口交換信息。BX(Base)稱為基址寄存器8086/8088CPU中有兩個基址寄存器BX和BP。BX用來存放操作數(shù)在內(nèi)存中數(shù)據(jù)段內(nèi)的偏移地址，BP用來存放操作數(shù)在堆棧段內(nèi)的偏移地址(也可用于其它運算使用)。CX(Counter)稱為計數(shù)器在設(shè)計循環(huán)程序時使用該寄存器存放循環(huán)次數(shù)，可使程序指令簡化，有利于提高程序的運行速度。(也可用于其它運算作為寄存器使用)

DX(Data)稱為數(shù)據(jù)寄存器在寄存器間接尋址的I/O指令中存放I/O端口地址；在做雙字長乘除法運算時，DX與AX一起存放一個雙字長操作數(shù)，其中DX存放高16位數(shù)。(也可用于其它運算作為寄存器使用)

(2)地址指針寄存器SP、BPSP(StackPointer)稱為堆棧指針寄存器在使用堆棧操作指令(PUSH或POP)對堆棧進(jìn)行操作時，每執(zhí)行一次進(jìn)?；虺鰲２僮?，系統(tǒng)會自動將SP的內(nèi)容減2或加2（16位操作數(shù)），以使其始終指向棧頂。BP(BasePointer)稱為基址寄存器作為通用寄存器，它可以用來存放數(shù)據(jù)，但更重要的用途是存放操作數(shù)在堆棧段內(nèi)的偏移地址。(3)變址寄存器SI、DISI(SourceIndex)稱為源變址寄存器。DI(DestinationIndex)稱為目的變址寄存器。SI、DI通常用在字符串操作時存放操作數(shù)的偏移地址，其中SI存放源串在數(shù)據(jù)段內(nèi)的偏移地址，DI存放目的串在附加數(shù)據(jù)段內(nèi)的偏移地址。4)控制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內(nèi)的偏移地址。用戶程序不能直接訪問IP。標(biāo)志寄存器FR：它是一個16位的寄存器，但只用了其中9位，這9位包括6個狀態(tài)標(biāo)志位，3個控制標(biāo)志位。

2、總線接口部件BIU

包括4個16位的段寄存器CS、SS、DS、ES，1個16位的指令指針寄存器IP，1個與EU通信的內(nèi)部寄存器，先入先出的指令隊列，總線控制邏輯及計算20物理地址的地址加法器。功能是負(fù)責(zé)CPU與存儲器、輸入/輸出端口傳送信息，包括取指令和從存儲器或I/O端口存取操作數(shù)。1）存儲單元的地址和內(nèi)容內(nèi)存儲器以字節(jié)為基本單位存儲信息，每個存儲單位給定一個惟一的編號，稱為存儲單元的物理地址，物理地址以二進(jìn)制無符號整數(shù)形式從0開始編號，順序增1。8086有20根地址線，直接尋址的地址空間為220＝1MB。內(nèi)存單元按00000H－FFFFFH進(jìn)行編址。存儲單元中存儲的信息稱為該存儲單元的內(nèi)容。例：地址為00468H、00469H的存儲單元的內(nèi)容為00H、20H，表示為（00468H）＝00H、（00469H）＝20H。亦可表示為（00468H）＝2000H（字）2）存儲器空間的分段和段寄存器8086CPU有20位地址線，可尋址1MB的地址空間。由于CPU內(nèi)部是16位，只能尋址64KB，于是將1MB存儲空間劃分成若干個64KB的邏輯段。根據(jù)邏輯段中信息內(nèi)容的不同，這些邏輯段分別叫做：代碼段、數(shù)據(jù)段、附加段和堆棧段。(1)代碼段中存儲程序的指令代碼，任何程序都必須有代碼段。(2)數(shù)據(jù)段用于存儲程序運行所需要的各種原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果和最后結(jié)果。(3)堆棧段是按照“后進(jìn)先出、先進(jìn)后出”原則組織的一段特殊的存儲器區(qū)域，計算機(jī)在進(jìn)行子程序調(diào)用和中斷時，都會用到堆棧。堆棧段常常用于存儲壓入堆棧的數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息。(4)附加段的作用與數(shù)據(jù)段基本相同。幾個名詞：(1)段首地址：每個邏輯段起始地址的高16位，即段寄存器的內(nèi)容。(2)偏移地址：相對段首地址的位移量，也稱有效地址EA。由于各邏輯段的長度不超過64KB，即偏移地址最大不超過FFFFH，可以用16位無符號二進(jìn)制數(shù)表示。(3)邏輯地址：是指段首地址和段內(nèi)偏移地址，邏輯地址通常寫成xxxxH：yyyyH的形式，其中xxxxH是段首地址，yyyyH是段內(nèi)偏移地址，它們都是16位的無符號數(shù)。(4)物理地址PA：是指存儲單元的實際地址，是一個20位的無符號數(shù)。程序設(shè)計時使用邏輯地址，而CPU訪問存儲器時地址總線上發(fā)出的是20位的物理地址。3）地址加法器形成20位物理地址。計算公式為：物理地址PA=段寄存器（CS、SS、DS、ES）×16+偏移地址（EA）(1)取指令：若（CS）=2000H，（IP）=1000H，則下一條指令地址為PA=2000H×16+1000H=21000H(2)堆棧操作：若（SS）=4000H，（SP）=1000H，則棧頂?shù)刂窞镻A=4000H×16+1000H=41000H(3)取數(shù)：若（DS）=5000H，（BX）=1000H，則操作數(shù)地址為PA=5000H×16+1000H=51000H4）指令隊列緩沖器8086為6個字節(jié)，8088為4個字節(jié)。作用：使EU和BIU并行工作，減少CPU的等待時間，提高了CPU的使用率，加快了整機(jī)的運行速度。幾個概念：時鐘周期（T狀態(tài)）：是系統(tǒng)提供給CPU的時鐘信號的周期，它等于時鐘信號頻率的倒數(shù)。如8086的主頻為5MHz，則一個時鐘周期就是200ns。常將4個時鐘周期分別稱為4個T狀態(tài)，即T1狀態(tài)、T2狀態(tài)、T3狀態(tài)、T4狀態(tài)?？偩€周期（機(jī)器周期）：8086通過總線與存儲器或外設(shè)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)通信（讀/寫操作）所需的時間。在8086中，一個最基本的總線周期由4個時鐘周期（T狀態(tài)）組成。指令周期：執(zhí)行一條8086指令所需的全部時間。一個指令周期通常是由若干個總線周期構(gòu)成。2.2.28086引腳信號8086CPU的引腳信號GND8086CPU12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940AD14AD13AD12AD11AD10AD9AD8AD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0NMIINTRCLKGNDRESETREADYTEST)QS(INTA1ALE(QS0))S(DEN0)S(RDT1/)S(IOM2/)LOCK(WR)GT/RQ(HOLD0RDMX/MN7SBHE/A19/S6A18/S5A17/S4A16/S3AD15VCC(+5V))GT/RQ(HLDA1(3)變址寄存器SI、DI2、總線接口部件BIU理解8086的讀/寫操作及時序PA=4000H×16+1000H=41000H理解并掌握段首地址、偏移地址（有效地址EA）、邏輯地址、物理地址PA及物理地址的形成過程。8086的讀/寫總線操作(也可用于其它運算作為寄存器使用)理解并掌握8086CPU的編程結(jié)構(gòu)及各寄存器的作用(3)變址寄存器SI、DI28086引腳信號8086的讀/寫總線操作系統(tǒng)復(fù)位重新啟動時，便從內(nèi)存的FFFF0H單元開始執(zhí)行程序。一般在FFFF0H處存放一條JMP指令，轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)程序入口處，保證系統(tǒng)一啟動就可以自動進(jìn)入系統(tǒng)程序2.2.38086操作和時序操作(微操作)CPU為了與存儲器或I/O端口進(jìn)行一個字節(jié)的數(shù)據(jù)交換，需要執(zhí)行一次總線操作，按數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较騺矸?，可將總線操作分為讀操作和寫操作兩種類型；按照讀/寫的不同對象，總線操作又可分為存儲器讀/寫與I/O讀/寫操作。時序是分析總線上的各種信號在時間上出現(xiàn)的順序。2.2.38086操作和時序8086的讀/寫總線操作8086系統(tǒng)總線周期由四個時鐘周期組成(T1～T4)，若存儲器或I/O端口在數(shù)據(jù)傳送中不能以足夠快的速度做出響應(yīng)，則在T3與T4間插入一個或若干個等待狀態(tài)(等待周期)Tw。總線操作可以分為總線讀操作和寫操作。總線讀操作就是指CPU從存儲器或外設(shè)端口讀取數(shù)據(jù)，總線寫操作就是指CPU將數(shù)據(jù)寫入存儲器或外設(shè)端口。下面介紹8086最大模式下讀總線周期時序。CLKA15-A0D15-D0總線周期T1T2T3TWT4S2、S1、S0A19/S6~A16/S3BHE/S7ALE(8288輸出)READYAD15~AD0DT/R8288輸出：MRDC或IORCDEN有源狀態(tài)無源狀態(tài)S6~S3BHE、A16~A198086最大工作模式讀總線周期時序圖，由8個16位的通用寄存器、1個16位的標(biāo)志寄存器、16位的算術(shù)邏輯單元ALU及EU控制電路組成。用戶程序不能直接訪問IP。PA=5000H×16+1000H=51000HSI(SourceIndex)稱為源變址寄存器。高8位分別記作AH、BH、CH、DH，低8位分別記作AL，BL，CL，DL。一般在FFFF0H處存放一條JMP指令，轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)程序入口處，保證系統(tǒng)一啟動就可以自動進(jìn)入系統(tǒng)程序(也可用于其它運算作為寄存器使用)用該寄存器存放運算結(jié)果可使指令簡化，提高指令的執(zhí)行速度。通常系統(tǒng)總線分為地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。(3)堆棧段是按照“后進(jìn)先出、先進(jìn)后出”原則組織的一段特殊的存儲器區(qū)域，計算機(jī)在進(jìn)行子程序調(diào)用和中斷時，都會用到堆棧。如8086的主頻為5MHz，則一個時鐘周期就是200ns。PA=2000H×16+1000H=21000H如8086的主頻為5MHz，則一個時鐘周期就是200ns。8086有20根地址線，直接尋址的地址空間為220＝1MB。(也可用于其它運算作為寄存器使用)AX(Accumulator)稱為累加器1）存儲單元的地址和內(nèi)容第二章4、系統(tǒng)復(fù)位

8086的復(fù)位和啟動操作是通過RESET引腳的觸發(fā)信號執(zhí)行的，8086要求復(fù)位信號至少維持4個時鐘周期的高電平，若是初次上電則要求至少維持50μs的高電平

當(dāng)RESET信號一進(jìn)入高電平，8086就會結(jié)束現(xiàn)行操作，進(jìn)入內(nèi)部復(fù)位狀態(tài)，并將CPU內(nèi)部全部寄存器置