微機(jī)系統(tǒng)中的微處理器.ppt

1、第三章 微機(jī)系統(tǒng)中的微處理器,3.2 8086的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 3.3 8086的寄存器結(jié)構(gòu) 3.4 8086的存儲器組織 3.5 8086的I/O組織 3.6 8086的數(shù)據(jù)尋址方式 3.7 高檔CPU的寄存器和存儲器,微處理器的是組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心部件，其基本功能為：,（1）支持功能完善的指令系統(tǒng)，進(jìn)行各種算術(shù)、邏輯運(yùn)算，通過程序完成復(fù)雜的科學(xué)計(jì)算。 （2）支持各種結(jié)構(gòu)的程序的執(zhí)行，如程序的分支、循環(huán)、嵌套、子程序的調(diào)用和返回、中端服務(wù)程序。 （3）控制與存儲器、外設(shè)等相連接，組成完整的微機(jī)系統(tǒng)。,3.1 微處理器的一般結(jié)構(gòu),3.1.1 微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu),一、微處理器的功能,3.1.1 微處

2、理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu),指令的執(zhí)行過程,3.1.1 微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu),外部結(jié)構(gòu)輸入/輸出引腳微處理器級總線 微處理器通過微處理器級總線與外部部件和設(shè)備相聯(lián)系。,1總線的功能 和存儲器之間交換信息 和I/O設(shè)備之間交換信息 為了系統(tǒng)工作而接收和輸出必要的信號，如輸入時鐘脈沖、復(fù)位信號、電源和接地等,2總線的分類 數(shù)據(jù)總線（Data Bus） 地址總線（Address Bus） 控制總線（Control Bus）,一總線功能與分類,3.1.2 微處理器的外部結(jié)構(gòu),存儲器通常由幾個模塊組成，每個模塊有幾千個單元，每個存儲單元有唯一的存儲器地址與其對應(yīng)。,二存儲器和I/O地址空間,I/O接口保證數(shù)據(jù)、控制與

3、狀態(tài)信息在CPU和I/O設(shè)備之間正常傳送的電路。I/O和CPU之間的通信利用稱為I/O端口的寄存器來完成。 對應(yīng)一個I/O設(shè)備的I/O接口，可能包括幾個I/O端口，每個I/O端口都有一個唯一的I/O地址與其對應(yīng)。,3.1.2 微處理器的外部結(jié)構(gòu),存儲單元和I/O端口以字節(jié)為單位存放數(shù)據(jù)，每個字節(jié)對應(yīng)一個標(biāo)識地址。 地址總線的條數(shù)即為二進(jìn)制地址碼的位數(shù)，它可能表示的不同地址的集合稱為地址空間。 地址碼的位數(shù)決定了地址空間的大?。?n,二存儲器和I/O地址空間,單地址空間：對存儲器和I/O端口統(tǒng)一進(jìn)行編址。 雙地址空間：對存儲器和I/O端口獨(dú)立進(jìn)行編址。,存儲器： 高位選擇模塊，低位選擇模塊內(nèi)的存

4、儲單元。 I/O設(shè)備：高位選擇I/O接口，低位選擇I/O端口。,3.1.2 微處理器的外部結(jié)構(gòu),8086由兩個獨(dú)立的邏輯單元組成，即總線接口單元（BIU）和執(zhí)行單元（EU）。,BIU的任務(wù)：執(zhí)行總線操作。 （1）訪問存儲器，包括取指令、取操作數(shù)、存結(jié)果等。 （2）與I/O之間的信息傳輸。 EU的任務(wù)：執(zhí)行指令，進(jìn)行全部算術(shù)和邏輯運(yùn)算、完成偏移地址的計(jì)算，向BIU提供指令執(zhí)行結(jié)果的數(shù)據(jù)和訪問存儲器需要的偏移地址，并對通用寄存器和標(biāo)志寄存器進(jìn)行管理。,3.2 8086的功能結(jié)構(gòu),3.2 8086的內(nèi)部結(jié)構(gòu),（3）EU取得指令，譯碼并執(zhí)行指令。若指令需要取操作數(shù)或存操作結(jié)果，需要訪問存儲器或I/O，

5、EU向BIU發(fā)出訪問總線請求。當(dāng)BIU接到EU的總線請求，若正忙，則須等BIU執(zhí)行完當(dāng)前的總線周期，才能響應(yīng)EU的請求；若BIU空閑，則立即執(zhí)行EU申請總線的請求。,（1）BIU的指令隊(duì)列有兩個或兩個以上字節(jié)為空時，BIU自動啟動總線周期，取指填充指令隊(duì)列。直至隊(duì)列滿，進(jìn)入空閑狀態(tài)。,（2）EU每執(zhí)行完一條指令，從指令隊(duì)列的隊(duì)首取指。特殊情況：系統(tǒng)初始化后，指令隊(duì)列為空，EU等待BIU從內(nèi)存取指，填充指令隊(duì)列。,（4）EU執(zhí)行轉(zhuǎn)移、調(diào)用和返回指令時，若下一條指令不在指令隊(duì)列中，則隊(duì)列被自動清除，BIU根據(jù)本條指令執(zhí)行情況重新取指填充指令隊(duì)列。,流水線技術(shù)原則,取指令取操作數(shù)(如果需要)執(zhí)行指令

6、寫入存儲器。,8086首次引入了流水線技術(shù)，執(zhí)行指令和總線訪問可以同時進(jìn)行，提高了總線利用率。,8086/8088以前的CPU,指令流水線,3.3 8086的寄存器結(jié)構(gòu),3.3.1 通用寄存器組,一、數(shù)據(jù)寄存器,（1）16位數(shù)據(jù)寄存器 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，常用做存放存儲器基地址； CX計(jì)數(shù)器，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，常用來存放雙字長數(shù)據(jù)的高16位， 或存放外設(shè)端口地址。,（2）8位數(shù)據(jù)寄存器： AH BH CH DH AL BL CL DL,3.3.1 通用寄存器組,二、地址指針和變址寄存器,變址寄存

7、器常用于存儲器尋址時提供地址： SI源變址寄存器 DI目的變址寄存器,指針寄存器用于尋址內(nèi)存堆棧內(nèi)的數(shù)據(jù)： SP堆棧指針，指示棧頂?shù)钠频刂贰?SP不能再用于其他目的，具有專用目的。 BP基址指針，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單元地址。,8086有4個16位段寄存器： CS Code Segment，執(zhí)行程序所在段的段地址 SS Stack Segment，堆棧段的段地址 DS Data Segment，數(shù)據(jù)段的段地址 ES Extra Segment，附加段的段地址,3.3.2 段寄存器組,3.3.3 控制寄存器組,指令指針寄存器I

8、P（Instruction Pointer）： 指示下一條要執(zhí)行指令的偏移地址，計(jì)算機(jī)通過CS 和 IP來控制指令序列的執(zhí)行流程。 IP寄存器是一個專用寄存器。,標(biāo)志寄存器（FLAG）： 狀態(tài)標(biāo)志記錄程序運(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,3.3.3 控制寄存器組,標(biāo)志寄存器（FLAG）,進(jìn)位標(biāo)志CF：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，進(jìn)位標(biāo)志置1，即CF = 1；否則CF = 0。 例如： 3AH + 7CHB6H， 沒有進(jìn)位：CF

9、= 0 AAH + 7CH（1）26H， 有進(jìn)位： CF = 1,溢出標(biāo)志OF：若算術(shù)運(yùn)算的結(jié)果有溢出，則OF=1；否則 OF0 例如： 3AH + 7CHB6H， 產(chǎn)生溢出：OF = 1 AAH + 7CH（1）26H， 沒有溢出：OF = 0,標(biāo)志寄存器（FLAG）,標(biāo)志寄存器（FLAG）,問題： 1. 什么是溢出？ 2. 溢出和進(jìn)位有什么區(qū)別？ 3. 處理器怎么處理，程序員如何運(yùn)用？ 4. 如何判斷是否溢出？,處理器內(nèi)部以補(bǔ)碼表示有符號數(shù)。 8個二進(jìn)制位能夠表達(dá)的整數(shù)范圍是：+127 -128 如果運(yùn)算結(jié)果超出了這個范圍，就是產(chǎn)生了溢出。 有溢出，說明有符號數(shù)的運(yùn)算結(jié)果不正確。,1. 什

10、么是溢出？,標(biāo)志寄存器（FLAG）,例如： 3AH + 7CHB6H，即58 + 124182，已經(jīng)超出-128 127范圍，產(chǎn)生溢出，所以O(shè)F = 1；另一方面，補(bǔ)碼B6H表達(dá)真值是-74，顯然運(yùn)算結(jié)果也不正確。,溢出標(biāo)志OF和進(jìn)位標(biāo)志CF是兩個意義不同的標(biāo)志。 進(jìn)位標(biāo)志表示無符號數(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。,2. 溢出和進(jìn)位,標(biāo)志寄存器（FLAG）,例1：3AH + 7CHB6H 無符號數(shù)運(yùn)算：58124182，范圍內(nèi)，無進(jìn)位 有符號數(shù)運(yùn)算： 58124182 ，范圍外，有溢出,2. 溢出和進(jìn)位,標(biāo)志寄存器（FL

11、AG）,例2：AAH + 7CH（1）26H 無符號數(shù)運(yùn)算：170124294，范圍外，有進(jìn)位 有符號數(shù)運(yùn)算：8612438 ，范圍內(nèi)，無溢出,處理器對兩個操作數(shù)進(jìn)行運(yùn)算時，按照無符號數(shù)求得結(jié)果，并相應(yīng)設(shè)置進(jìn)位標(biāo)志CF；同時，根據(jù)是否超出有符號數(shù)的范圍設(shè)置溢出標(biāo)志OF。,3. 如何應(yīng)用溢出和進(jìn)位標(biāo)志,標(biāo)志寄存器（FLAG）,應(yīng)該利用哪個標(biāo)志，則由程序員來決定。也就是說，如果將參加運(yùn)算的操作數(shù)認(rèn)為是無符號數(shù)，就應(yīng)該關(guān)心進(jìn)位；認(rèn)為是有符號數(shù)，則要注意是否溢出。,判斷運(yùn)算結(jié)果是否溢出有一個簡單的規(guī)則： 只有當(dāng)兩個相同符號數(shù)相加（異號數(shù)相減可轉(zhuǎn)化為同號數(shù)相加），而運(yùn)算結(jié)果的符號與原數(shù)據(jù)符號相反時，產(chǎn)生

12、溢出；因?yàn)?，此時的運(yùn)算結(jié)果顯然不正確。 其他情況下，則不會產(chǎn)生溢出。,4. 溢出的判斷,標(biāo)志寄存器（FLAG）,3.4 8086的存儲器組織,3.4.1 存儲器地址空間和數(shù)據(jù)存儲格式,8086的存儲器是以字節(jié)（Byte，8位）為單位組織的。 20條地址總線，可尋址的存儲器地址空間為220B（1MB）。,每個存儲單元都有一個編號 存儲器地址 每個存儲單元存放一個字節(jié)的內(nèi)容,二進(jìn)制位1位二進(jìn)制數(shù)：0或1。 字節(jié)8個二進(jìn)制位，D7D0。 字16位，2個字節(jié)，D15D0。 雙字32位，4個字節(jié)，D31D0。,信息的表達(dá)單位：,3.4 8086的存儲器組織,3.4.1 存儲器地址空間和數(shù)據(jù)存儲格式,兩個

13、連續(xù)的字節(jié)，為一個字：低對低，高對高（小端方式）。 字的地址指低字節(jié)的地址。,字的地址為偶地址，稱字的存儲是對準(zhǔn)的，訪問時只需一個總線周期。 字的地址為奇地址，稱字的存儲是未對準(zhǔn)的，訪問時要兩個總線周期。,字： 0002H=1234H 0003H=5612H,字節(jié)： 0002H=34H 0003H=12H,3.4 8086的存儲器組織,3.4.2 存儲器分段管理和物理地址的形成,對應(yīng)每個存儲單元都有一個唯一的20位編號，即物理地址。 00000HFFFFFH,8086CPU采用地址分段方法管理存儲器，即用邏輯地址表示一個存儲器單元地址： 段基地址 ： 段內(nèi)偏移地址,段地址左移4位偏移地址20位

14、物理地址,例如: 邏輯地址“1460H:100H” = 物理地址14700H 顯然，一個物理地址可以有多個邏輯地址。,3.4 8086的存儲器組織,3.4.2 存儲器分段管理和物理地址的形成,偏移地址：說明主存單元距離段起始位置的偏移量。 每段不超過64KB，偏移地址也可用16位數(shù)據(jù)表示。,段地址：說明邏輯段在主存中的起始位置。 8086規(guī)定段地址必須是模16地址：xxxx0H 省略低4位0000B，段地址就可以用16位數(shù)據(jù)表示，就能用16位段寄存器表達(dá)段地址。,3.4 8086的存儲器組織,3.4.2 存儲器分段管理和物理地址的形成,8086對邏輯段的要求是： 段地址低4位均為0，每段最大不

15、超過64KB。 每個段不要求必須是64KB，段與段可以重疊。,1MB空間最多能分成多少個段？,每隔64K個存儲單元開始一個段，所以1MB最少有： 22021616 個段,每隔16個存儲單元就可以開始一個段，所以1MB最多有： 2201621664K 個段,1MB空間最少能分成多少個段？,3.4 8086的存儲器組織,3.4.3 信息的分段存儲與段寄存器的關(guān)系,程序區(qū)：存儲程序的指令代碼，由CS劃定并控制。,數(shù)據(jù)區(qū)：存儲原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果和最后結(jié)果，由DS和ES控制。,堆棧區(qū)：存儲需要壓入堆棧的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，由SS控制。,注意： （1）訪問存儲器時，段地址由默認(rèn)段寄存器提供，或由“指定”的段寄

16、存器提供； （2）DS、ES和SS的內(nèi)容用傳送指令置入，但不能向CS中置入數(shù)； （3）偏移地址的獲得有約定。,程序員如何分配各個邏輯段？,3.3 8086的存儲器組織,3.4.3 信息的分段存儲與段寄存器的關(guān)系,程序的指令序列必須安排在代碼段； 程序使用的堆棧一定在堆棧段； 程序中的數(shù)據(jù)默認(rèn)是安排在數(shù)據(jù)段，也經(jīng)常安排在附加段，尤其是串操作的目的區(qū)必須是附加段。,數(shù)據(jù)的存放比較靈活，實(shí)際上可以存放在任何一種邏輯段中。,各個邏輯段獨(dú)立示意圖,各個邏輯段重疊示意圖,3.5 8086的I/O組織,I/O接口與CPU之間的通信是利用稱為I/O端口的寄存器來完成的。微型機(jī)系統(tǒng)要為I/O芯片的每個端口分配一

17、個地址，各個端口有唯一的I/O地址與之對應(yīng)，是單獨(dú)編址的。,8086CPU地址總線的低16位用來對8位I/O端口尋址，I/O地址空間為65536，即可訪問65536個8位的I/O端口，尋址范圍是64KB。任何兩個編號相鄰的8位端口可以組成一個16位端口。,3.5 8086的數(shù)據(jù)尋址方式,指令由操作碼和操作數(shù)兩部分組成：,操作碼：說明計(jì)算機(jī)要執(zhí)行哪種操作，如傳送、運(yùn)算、移位、跳轉(zhuǎn)等操作，它是指令中不可缺少的組成部分。,操作數(shù)：指令執(zhí)行的參與者，即各種操作的對象。 有些指令不需要操作數(shù)，通常的指令都有一個或兩個操作數(shù)，也有個別指令有3個甚至4個操作數(shù)。,3.6 8086的數(shù)據(jù)尋址方式,指令中的操作

18、數(shù)，可以是一個具體的數(shù)值，可以是存放數(shù)據(jù)的寄存器，或指明數(shù)據(jù)在主存位置的存儲器地址。,指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多種操作數(shù)的來源，尋找操作數(shù)的過程就是操作數(shù)的尋址方式。,8086的數(shù)據(jù)尋址方式有： 立即數(shù)尋址方式 寄存器尋址方式 存儲器尋址方式 隱含尋址-以后學(xué)習(xí),3.6 8086的數(shù)據(jù)尋址方式,MOV dest , src；destsrc ；MOV指令的功能是將源操作數(shù)src ；傳送至目的操作數(shù)dest,MOV AL, 05H ；AL05H MOV BX, AX ；BXAX MOV AX, SI ；AXDS:SI MOV AX, BP+06H ；AXSS:BP+06H MOV AX, BX+SI ；AX

19、DS:BX+SI,指令的助記符格式： 操作碼 操作數(shù)1, 操作數(shù)2；注釋,立即數(shù)尋址,指令中的操作數(shù)直接存放在機(jī)器代碼中，緊跟在操作碼之后（操作數(shù)作為指令的一部分存放在操作碼之后的主存單元中）。,可以是8位數(shù)i8（00HFFH）， 可以是16位數(shù)i16（0000HFFFFH）。,立即數(shù)尋址方式常用來給寄存器賦值。 MOV AL, 05H；AL05H MOV AX, 0102H；AX0102H,小地址端,大地址端,寄存器尋址,MOV AX, 1234H ；AX1234H MOV BX, AX ；BXAX,操作數(shù)存放在CPU的內(nèi)部寄存器REG中,8位寄存器R8： AH/AL/BH/BL/CH/CL

20、/DH/DL 16位寄存器R16： AX/BX/CX/DX/SI/DI/BP/SP 4個段寄存器SEG：CS/DS/SS/ES,存儲器尋址,指令中給出操作數(shù)的主存地址信息（偏移地址，稱之為有效地址EA），而段地址在默認(rèn)的或用段超越前綴指定的段寄存器中。,8086設(shè)計(jì)了多種存儲器尋址方式： 直接尋址方式 寄存器間接尋址方式 寄存器相對尋址方式 基址變址尋址方式 相對基址變址尋址方式,存儲器尋址,1. 直接尋址方式,有效地址在指令中直接給出，默認(rèn)的段地址在DS段寄存器，可使用段超越前綴改變。,MOV AX, 2000H ；AXDS:2000H ；指令代碼：A10020 MOV AX, ES:200

21、0H ；AXES:2000H ；指令代碼：26A10020,存儲器尋址,2. 寄存器間接尋址方式,有效地址存放在基址寄存器BX， 或變址寄存器SI、DI，或基址指針BP中。,MOV AX, BX ；AXDS:BX MOV AX, ES:DI ；AXES:SI,段地址對應(yīng)BX/SI/DI寄存器默認(rèn)是DS，對應(yīng)BP寄存器默認(rèn)是SS；可用段超越前綴改變。,存儲器尋址,3. 寄存器相對尋址方式,有效地址是寄存器內(nèi)容與有符號8位或16位位移量之和，寄存器可以是BX、BP或SI、DI。 有效地址BX/BP/SI/DI8/16位位移量,MOV AX, DI+06H；AXDS:DI+06H MOV AX, B

22、P+06H；AXSS:BP+06H,段地址對應(yīng)BX/SI/DI寄存器默認(rèn)是DS，對應(yīng)BP寄存器默認(rèn)是SS；可用段超越前綴改變。,存儲器尋址,4. 基址變址尋址方式,有效地址由基址寄存器（BX或BP）的內(nèi)容加上變址寄存器（SI或DI）的內(nèi)容構(gòu)成： 有效地址BX/BPSI/DI,MOV AX, BX+SI ；AXDS:BX+SI MOV AX, BP+DI ；AXSS:BP+DI MOV AX, DS:BP+DI；AXDS:BP+DI,段地址對應(yīng)BX基址寄存器默認(rèn)是DS，對應(yīng)BP基址寄存器默認(rèn)是SS；可用段超越前綴改變。,存儲器尋址,5. 基址變址且相對尋址方式,有效地址是基址寄存器（BX/BP）

23、、變址寄存器（SI/DI）與一個8位或16位位移量之和： 有效地址BX/BPSI/DI8/16位位移量,MOV AX, BX+SI+06H；AXDS:BX+SI+06H MOV AX, BP+SI+06H；AXSS:BP+SI+06H,段地址對應(yīng)BX基址寄存器默認(rèn)是DS，對應(yīng)BP基址寄存器默認(rèn)是SS；可用段超越前綴改變。,存儲器尋址,注意：（1）位移量可用符號表示 （2）同一尋址方式有多種表達(dá)方式,在寄存器相對尋址或相對基址變址尋址方式中，位移量可用符號表示： MOV AX, SI+COUNT；COUNT是已定義的變量或常量 MOV AX, BX+SI+WNUM；WNUM也是變量或常量,同一尋

24、址方式有時可以寫成不同的形式： MOV AX, BXSI ；MOV AX, BX+SI MOV AX, COUNTSI ；MOV AX, SI+COUNT MOV AX, WNUMBXSI ；MOV AX, WNUMBX+SI ；MOV AX, BX+SI+WNUM,3.7 高檔CPU的寄存器和存儲器,3.7.1 高檔CPU的寄存器結(jié)構(gòu),與8086的區(qū)別：,（1）8個通用寄存器的長度擴(kuò)展為32位：EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、EBP和ESP。,（2）EIP存放下一條要執(zhí)行指令的偏移地址。其低16位稱為IP，用于偏移地址為16位的實(shí)模式情況。,（3）標(biāo)志寄存器擴(kuò)展為32位EFLAGS，增加了高檔CPU特有的狀態(tài)標(biāo)志和控制標(biāo)志。,（4）增加了16位的段寄存器FS和GS。,3.7 高檔CPU的寄存器和存儲器,3.7.2 高檔CPU的存儲器訪問機(jī)制,奔騰CPU可訪問存儲器空間為4GB。采用虛擬存儲技術(shù)，可大大擴(kuò)展存儲空間。,實(shí)模式即8086模式，CPU只能訪問地