第二章 8086体系结构

~mfy/实验课联系人：何克东老师电话：[phone]课件下载8086体系结构苗付友[e-mail]2009.9第二章微型计算机体系结构[e-mail]3/73微处理器主存储器I/O接口I/O设备1I/O设备2I/O设备n系统总线微型计算机系统概念结构简图本章讲述内容2、356、8微型计算机体系结构[e-mail]4/73本章着重介绍8086微处理器的组成、引脚功能和工作模式时序基本概念主流微处理器最新技术微型计算机体系结构[e-mail]5/732.1微处理器概述2.1.1微处理器的基本概念与组成2.1.2微处理器的主要技术参数微型计算机体系结构[e-mail]6/732.1.1微处理器的基本概念与组成微处理器包括运算器、控制器和寄存器三个主要组成都分。运算器完成算术和逻辑运算；控制器对微机各部件发出相应的控制信息，使它们协调工作；寄存器用于存放临时数据。Cache(高速缓冲存储器）分L1/L2两级，用以提高微处理器访问存储器的速度和效率。微型计算机体系结构[e-mail]7/732.1.1微处理器的基本分类主流处理器16bitCPU8086/808832bitCPUIntel80386/80486/Pentium/PentiumII/PentiumIII/Pentium4(2001年）AMDK6、Athlon、Duron,内核不同但相互兼容64bitCPUAMDOpteron,sempronIntelItanium微型计算机体系结构[e-mail]8/732.1.2微处理器的主要技术参数1.位、字节和字长位：在数字电路和电脑技术中采用二进制，l，0在微处理器中都占一“位”。字节:通常将8位称为一个字节。字长：微处理器在单位时间内能一次处理的二进制数的位数叫字长。微处理器按照其处理信息的字长可以分为：8位微处理器、16位微处理器、32位微处理器以及64位微处理器等。早期有代表性的IBMPC/XT、IBMPC／AT是16位机，386以后的微机都是32位机，64位微处理器有sempron,Itanium等。微型计算机体系结构[e-mail]9/732.1.2微处理器的主要技术参数2．微处理器外频*每个计算机的主板上均有一个按固定频率产生时钟信号的装置，称为主时钟CLK，主时钟的频率叫主频率外频，是为CPU提供的基准时钟频率。倍频技术的出现，可使CPU的内核实际运行频率比外频提高数倍。CPU的内核实际运行频率被称为主频，外频即CPU外部进行数据传输时使用的频率。CPU外频是由主板为CPU提供的基准时钟频率，也叫做系统总线频率。而CPU的工作主频则按倍频系数乘以外频而来。*红色为较高级微处理器涉及的概念微型计算机体系结构[e-mail]10/732.1.2CPU的主要技术参数3．前端总线(FSB)频率*总线是将计算机微处理器与内存芯片以及与之通信的设备连接起来的硬件通道。前端总线负责将CPU连接到主内存前端总线(FSB)频率则直接影响CPU与内存数据交换速度。数据传输最大带宽取决于同时传输的数据的宽度和传输频率，即数据带宽＝(总线频率×数据位宽)/8。目前PC机上CPU前端总线频率有266MHz、333MHz、400MHz、533MHz、800MHz等几种，前端总线频率越高，代表着CPU与内存之间的数据传输量越大，更能充分发挥出CPU的功能。外频与前端总线频率的区别与联系在于：前端总线的速度指的是数据传输的实际速度，外频是CPU与主板之间同步运行的速度。大多数时候前端速度都大于CPU外频，且成倍数关系一般主板上前端总线频率与内存总线频率相同。内存总线频率指主存的工作频率，也由主板提供，很多情况下等于外频。但现在一些主板提供内存异步技术，使内存工作频率和CPU外频不同，更先进的CPU如IntelP4、AMD的K7等更可以使FSB数倍于系统总线频率。微型计算机体系结构[e-mail]11/732.1.2CPU的主要技术参数4．CPU主频CPU主频是CPU内核(整数和浮点运算器)电路的实际运行频率。主频等于“外频乘上倍频系数”。主频是CPU内核运行时的时钟频率，主频的高低直接影响CPU的运算速度。微型计算机体系结构[e-mail]12/732.1.2CPU的主要技术参数5．L1和L2Cache的容量和速率*CPU和常规主存之间增设一级（L1)或二级(L2)高速小容量存储器，称为高速缓冲存储器，简称cache。其速度比内存大一个数量级，大体与CPU的处理速度相当。在cache中存放着最近访问或将要访问的指令和数据，它们是主存中相应内容的副本，也是CPU当前执行中常用的内容。这就为CPU处理信息带来了方便，节省了时间。微型计算机体系结构[e-mail]13/732.28086微处理器2.2.08086微处理器概述2.2.18086微处理器编程结构2.2.28086微处理器工作模式和引脚功能2.2.3微处理器主流技术术语浅析2.2.48086微处理器的系统组成2.2.58086微处理器总线时序微型计算机体系结构[e-mail]14/732.2.08086概述808616位微处理器16根数据线和20根地址线，2字节字长，220=1MB内存空间时钟频率为5MHz微型计算机体系结构[e-mail]15/732.2.18086编程结构编程结构指从程序员和使用者的角度看到的结构。这种结构与CPU内部的物理结构和实际布局是有区别的。8086分为两部分总线接口部件BIU(BusInterfaceUnit)执行部件EU(ExecutionUnit)。微型计算机体系结构[e-mail]16/732.2.18086编程结构标志寄存器总线控制电路通用寄存器AHBHCHDHALBLCLDLSPBPDISI数据寄存器指针和变址寄存器AXBXCXDX地址加法器AB(20位)暂存寄存器ALU执行单元（EU）EU控制电路总线接口单元（BIU）指令队列缓冲器123456队列总线（8位）（16位数据总线）8086总线ALU数据总线(16位）ΣDB(16位)CSDSSSESIP内部寄存器图（2.1）8086CPU的内部结构框图微型计算机体系结构[e-mail]17/731．总线接口部件(BIU)功能总线接口部件的功能是负责与存储器、I／O端口传送数据。CPU执行指令时，总线接口部件要配合执行部件从指定的内存单元或者外设端口中取数据，将数据经指令队列传送给执行部件，或者把执行部件的操作结果传送到指定的内存单元或外设端口中。微型计算机体系结构[e-mail]18/731．总线接口部件(BIU)组成4个段地址寄存器；•CS—16位的代码段寄存器；•DS—16位的数据段寄存器；•ES—16位的扩展段寄存器；•SS—16位的堆栈段寄存器；16位的指令指针寄存器IP；20位的地址加法器；6字节的指令队列缓冲器。微型计算机体系结构[e-mail]19/73２．执行部件EU功能负责从指令队列取指令并执行。具体地说，进行全部算术逻辑运算，向BIU发出访问存储器或I/O端口的请求，并提供访问所需的有效地址，对各寄存器的管理等。微型计算机体系结构[e-mail]20/73２．执行部件EU组成4个通用寄存器•AXBXCXDX4个专用寄存器•基数指针寄存器BP•堆栈指针寄存器SP•源变址寄存器SI•目的变址寄存器DI标志寄存器FR算术逻辑部件ALUEU控制器微型计算机体系结构[e-mail]21/73３．EU与BIU的流水线结构每当8086的指令队列中有2个空字节，BIU就会自动把指令取到指令队列中。而同时EU从指令队列取出一条指令，并用几个时钟周期去分析、执行指令。当指令队列已满，而且EU对BIU又无总线访问请求时，BIU便进入空闲状态。在执行转移、调用和返回指令时，指令队列中的原有内容被自动清除。相互独立，相互协作微型计算机体系结构[e-mail]22/738086CPU与一般CPU区别一般CPU工作方式8086CPU工作方式取指执指取指执指取指执指取指执指取指执指取指执指取指微型计算机体系结构[e-mail]23/73４．通用寄存器的用法通用寄存器组包括AX，BX，CX，DX。主要用来保存算术或逻辑运算的操作数、中间运算结果。AX:AH+ALBX:BH+BLCX:CH+CLDX:DH+DL标志寄存器总线控制电路通用寄存器AHBHCHDHALBLCLDLSPBPDISI数据寄存器指针和变址寄存器AXBXCXDX地址加法器AB(20位)暂存寄存器ALU执行单元（EU）EU控制电路总线接口单元（BIU）指令队列缓冲器123456队列总线（8位）（16位数据总线）8086总线ALU数据总线(16位）ΣDB(16位)CSDSSSESIP内部寄存器图（2.1）8086CPU的内部结构框图微型计算机体系结构[e-mail]24/73４．寄存器的隐含用法寄存器名特殊用途隐含性质在输入输出指令中作数据寄存器用不能隐含AX,AL在乘法指令中存放被乘数或乘积，在除法指令中存放被除数或商隐含AH在LAHF指令中，作目标寄存器用隐含在十进制运算指令中作累加器用隐含AL在XLAT指令中作累加器用隐含在间接寻址中作基址寄存器用不能隐含BX在XLAT指令中作基址寄存器用隐含CX在串操作指令和LOOP指令中作计数器用隐含CL在移位/循环移位指令中作移位次数计数器用不能隐含在字乘法/除法指令中存放乘积高位或被除数高位或余数隐含DX在间接寻址的输入输出指令中作地址寄存器用不能隐含在字符串运算指令中作源变址寄存器用隐含SI在间接寻址中作变址寄存器用不能隐含在字符串运算指令中作目标变址寄存器用隐含DI在间接寻址中作变址寄存器用不能隐含BP在间接寻址中作基址指针用不能隐含SP在堆栈操作中作堆栈指针用隐含微型计算机体系结构[e-mail]25/73５.标志寄存器状态标志OF：溢出标志。反映带符号数运算结果是否超过机器所能表示的数值范围。SF：符号标志。反映运算结果的符号。若结果为负数，SF置1。SF取值与运算结果最高位一致。ZF：零标志。反映运算结果是否为零。若结果为零，ZF置1。标志寄存器总线控制电路通用寄存器AHBHCHDHALBLCLDLSPBPDISI数据寄存器指针和变址寄存器AXBXCXDX地址加法器AB(20位)暂存寄存器ALU执行单元（EU）EU控制电路总线接口单元（BIU）指令队列缓冲器123456队列总线（8位）（16位数据总线）8086总线ALU数据总线(16位）ΣDB(16位)CSDSSSESIP内部寄存器图（2.1）8086CPU的内部结构框图微型计算机体系结构[e-mail]26/73５.标志寄存器状态标志AF：半进位标志。反映一个8位量的低4位向高4位有无进位或借位。有则置1。用于BCD码算术运算指令。PF：奇偶标志。反映操作结果中“1”的个数的奇偶性。若“1”的个数为偶数，PF置l。CF：进位标志。反映算术运算后最高位出现进位或借位的情况。有则置1。移位和循环指令也会改变CF的值。微型计算机体系结构[e-mail]27/73５.标志寄存器控制标志DF：方向标志。进行字符串操作时，每执行一条串操作指令，对地址会进行一次自动调整，由DF决定地址是增还是减。若DP为1，则为减量，否则为增量。IF：表示系统是否允许外部可屏蔽中断。若为1，表示允许，否则表示不允许。IF对非屏蔽中断和内部中断请求不起作用。TF：陷阱标志。TF为1时，CPU每执行完—条指令，便自动产生一个内部中断，可以利用它对程序进行逐条检查。程序调试过程中的“单步执行”就是利用这个标志。微型计算机体系结构[e-mail]