第4部分16位微处理器

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1、第第4 4章章 1616位微处理器位微处理器4.1 164.1 16位微处理器概述位微处理器概述微处理器微处理器(microprocessor)(microprocessor)是微型计算机的运算及控制部件，也称为中央是微型计算机的运算及控制部件，也称为中央处理单元处理单元(CPU)(CPU)。通常微处理器由算术逻辑部件。通常微处理器由算术逻辑部件(ALU)(ALU)、控制部件、寄存器组、控制部件、寄存器组和片内总线等组成。见下图。和片内总线等组成。见下图。第第4 4章章 1616位微处理器位微处理器内部数据总线内部数据总线控制总线控制总线数据总线数据总线地址总线地址总线暂存器暂存器累加器累加器

2、ALU标志寄存器标志寄存器指指令令寄寄存存指指令令译译码码时序时序和和控制控制逻辑逻辑通通 用用寄存器组寄存器组地地 址址寄存器组寄存器组地址地址总线总线控制控制数据数据总线总线控制控制4.1 164.1 16位微处理器概述位微处理器概述19711971年，年，IntelIntel公司设计了世界上第一个微处理器芯片公司设计了世界上第一个微处理器芯片Intel4004Intel4004，开创了一，开创了一个全新的计算机时代。个全新的计算机时代。微处理器经历了许多代，集成度越来越高，功能越来越强，性能越来越高。微处理器经历了许多代，集成度越来越高，功能越来越强，性能越来越高。第第1 1代：代：4

3、4位和低档位和低档8 8位微机位微机400440408008400440408008第第2 2代：中高档代：中高档8 8位微机位微机Z80Z80、I8085I8085、M6800M6800，Apple-IIApple-II微机微机第第3 3代：代：1616位微机位微机80868086808880888028680286，IBM PCIBM PC系列机系列机第第4 4代：代：3232位微机位微机n80386803868048680486PentiumPentiumPentium II Pentium III Pentium II Pentium III Pentium 4Pentium 4n32

4、32位位PCPC机、机、MacintoshMacintosh机、机、PS/2PS/2机机第第5 5代：代：6464位微机位微机ItaniumItanium、6464位位RISCRISC微处理器芯片微处理器芯片微机服务器、工程工作站、图形工作站微机服务器、工程工作站、图形工作站第第4 4章章 1616位微处理器位微处理器第第4 4章章 1616位微处理器位微处理器Intel4004和采用和采用4004的计算器的计算器IBM PC系列机系列机8088CPUIBM PC机机IBM PC/AT机机IBM PC/XT机机英特尔微处理器芯片英特尔微处理器芯片80386PentiumPentium 44.1

5、 164.1 16位微处理器概述位微处理器概述本章介绍本章介绍1616位微处理器位微处理器8086/80888086/8088的内部结构和工作原理。的内部结构和工作原理。80868086和和8088 CPU8088 CPU的内部基本相同，但它们的外部性能是有区别的内部基本相同，但它们的外部性能是有区别的。的。80868086是是1616位数据总线，而位数据总线，而80888088是是8 8位数据总线，在处理一个位数据总线，在处理一个1616位数据字时，位数据字时，80888088需要两步操作，而需要两步操作，而80868086只需要一步。只需要一步。80868086和和8088 CPU8088

6、 CPU的内部都采用的内部都采用1616位字进行操作及存储器寻址，位字进行操作及存储器寻址，两者的软件完全兼容，程序的执行也完全相同。然而，由于两者的软件完全兼容，程序的执行也完全相同。然而，由于80888088要比要比80868086有较多的外部存储操作，所以，对于相同的程序，它将有较多的外部存储操作，所以，对于相同的程序，它将执行得较慢。这两种微处理器都采用相同的执行得较慢。这两种微处理器都采用相同的4040脚双列直插式脚双列直插式(DIP)(DIP)封装。封装。4.2 8086/8088 CPU4.2 8086/8088 CPU的结构的结构8086/8088 CPU8086/8088 C

7、PU从功能上可分为两部分，即总线接口部件从功能上可分为两部分，即总线接口部件BIU(bus interface unit,BIU(bus interface unit,缩写为缩写为BIU)BIU)和执行部件和执行部件EU(execution EU(execution unit,unit,缩写为缩写为EU).8086/8088 CPUEU).8086/8088 CPU的内部结构如下图所示：的内部结构如下图所示：第第4 4章章 1616位微处理器位微处理器80888088的内部结构的内部结构1 2 3 4 内部暂存器内部暂存器 IP ES SS DS CS输入输入/输出输出控制电路控制电路外部总线

8、外部总线执行部分执行部分控制电路控制电路ALU标志寄存器标志寄存器 AH AL BH BLCH CL DH DL SP BP SI DI通用通用寄存器寄存器地址地址加法加法器器指令队列指令队列执行部件执行部件（EU)总线接口部件总线接口部件（BIU)16位位20位位8位位8位位第第4 4章章 1616位微处理器位微处理器4.2.1 4.2.1 执行部件执行部件执行部件执行部件EUEU的功能就是负责指令的执行，对指令进行译码，并利用内部的寄的功能就是负责指令的执行，对指令进行译码，并利用内部的寄存器和存器和ALUALU对数据进行所需的处理。对数据进行所需的处理。执行部件执行部件EUEU有下列部分

9、组成：有下列部分组成：4 4个通用寄存器，即个通用寄存器，即AX BX CX DX;AX BX CX DX;4 4个专用寄存器，即基数指针寄存器个专用寄存器，即基数指针寄存器BPBP、堆栈指针寄存器、堆栈指针寄存器SPSP、源变址寄存器、源变址寄存器SISI、目的、目的变址寄存器变址寄存器DI;DI;标志寄存器；标志寄存器；算术逻辑单元。算术逻辑单元。说明：说明：4 4个通用寄存器既可以作为个通用寄存器既可以作为1616位寄存器使用，也可以作为位寄存器使用，也可以作为8 8位寄存器使用。位寄存器使用。AXAX寄存器也称为累加器。许多指令都是利用累加器来执行的。寄存器也称为累加器。许多指令都是利

10、用累加器来执行的。算术逻辑部件主要是加法器，绝大部分指令的执行都是由加法器完成的。算术逻辑部件主要是加法器，绝大部分指令的执行都是由加法器完成的。标志寄存器共有标志寄存器共有1616位，其中位，其中7 7位未用，格式如下表所示，各位的含义见课本位未用，格式如下表所示，各位的含义见课本7575页表页表4-14-1第第4 4章章 1616位微处理器位微处理器根据功能，根据功能，8086/80888086/8088的标志可以分为两类：一类叫状态标志，另一类叫控的标志可以分为两类：一类叫状态标志，另一类叫控制标志。状态标志表示前面的操作执行后，制标志。状态标志表示前面的操作执行后，ALUALU处于何种

11、状态，该状态会影响处于何种状态，该状态会影响后面的操作；控制标志是人为设置的，指令系统中有专门的指令用于控制标后面的操作；控制标志是人为设置的，指令系统中有专门的指令用于控制标志的设置和清除，每个控制标志都对某一特定的功能起控制作用。志的设置和清除，每个控制标志都对某一特定的功能起控制作用。状态标志有状态标志有6 6个，即个，即SFSF、ZFZF、PFPF、CFCF、AFAF、OFOF。SFSF：符号标志，和运算结果的最高位相同，表示运算结果是正还是负。：符号标志，和运算结果的最高位相同，表示运算结果是正还是负。ZFZF：零标志，表示当前的运算结果是否为零，是则为：零标志，表示当前的运算结果是

12、否为零，是则为1 1，否则为，否则为0 0。PFPF：奇：奇/偶标志，如运算结果低偶标志，如运算结果低8 8位中所含的位中所含的1 1的个数为偶数，则为的个数为偶数，则为1 1，否则，否则0 0CFCF：进位标志，当执行一个加法运算使最高位产生进位时，或者执行一个减：进位标志，当执行一个加法运算使最高位产生进位时，或者执行一个减法运算引起最高位产生借位时，法运算引起最高位产生借位时，CFCF为为1 1，此外，循环指令也会影响这一标志。，此外，循环指令也会影响这一标志。AFAF：辅助进位标志，如果当进行加法运算时，第三位向第四位进位，或者进：辅助进位标志，如果当进行加法运算时，第三位向第四位进位

13、，或者进行减法运算时，第三位从第四位借位，则行减法运算时，第三位从第四位借位，则AFAF为为1 1。辅助进位标志一般在。辅助进位标志一般在BCDBCD码码运算中作为是否进行十进制调整的判断依据。运算中作为是否进行十进制调整的判断依据。OFOF：溢出标志，运算结果产生溢出则为：溢出标志，运算结果产生溢出则为1 1，否则为，否则为0 0。例题：例题：0010 0011 0100 01010010 0011 0100 01010011 0010 0001 10010011 0010 0001 10010101 0101 01010101 0101 0101 1110 11100101 0100 00

14、11 10010101 0100 0011 10010100 0101 0110 10100100 0101 0110 10101001 10011001 1001 1010 0011 1010 0011SF=0,ZF=0,PF=0,CF=0,AF=0,OF=0SF=0,ZF=0,PF=0,CF=0,AF=0,OF=0SF=1,ZF=0,PF=1,CF=0,AF=1,OF=1SF=1,ZF=0,PF=1,CF=0,AF=1,OF=1+第第4 4章章 1616位微处理器位微处理器控制标志有控制标志有3 3个，即个，即DFDF、IFIF、TFTF。DFDF：方向标志，控制串操作指令。如果：方向标志

15、，控制串操作指令。如果DF=0DF=0，则串操作过程中地址会不断增，则串操作过程中地址会不断增值；如果值；如果DF=1DF=1，则串操作过程中地址会不断减值；，则串操作过程中地址会不断减值；IFIF：中断标志，控制可屏蔽中断。如果：中断标志，控制可屏蔽中断。如果IF=0IF=0，则，则CPUCPU不能对可屏蔽中断请求不能对可屏蔽中断请求作出响应；如果作出响应；如果IF=1IF=1，则，则CPUCPU可以响应可屏蔽中断请求。可以响应可屏蔽中断请求。TFTF：跟踪标志，如果：跟踪标志，如果TF=1TF=1，则，则CPUCPU按跟踪方式执行指令。按跟踪方式执行指令。这些控制标志一旦设置之后，便对后面

16、的操作产生控制作用。这些控制标志一旦设置之后，便对后面的操作产生控制作用。4.2.2 4.2.2 总线接口部件总线接口部件BIUBIU总线接口部件的功能是负责与存储器、总线接口部件的功能是负责与存储器、I/OI/O端口传送数据。具体讲，总线接端口传送数据。具体讲，总线接口部件要从内存取指令送到指令队列；口部件要从内存取指令送到指令队列；CPUCPU执行指令时，总线接口部件要配合执行指令时，总线接口部件要配合执行部件从指定的内存单元或外设端口中取数据，将数据传送给执行部件，执行部件从指定的内存单元或外设端口中取数据，将数据传送给执行部件，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。

17、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。总线接口部件由下列个部分组成：总线接口部件由下列个部分组成：4 4个段地址寄存器，即个段地址寄存器，即CSCS、DSDS、ESES、SSSS；1616位的指令指针寄存器位的指令指针寄存器IP;IP;2020位的地址加法器；位的地址加法器；6 6字节的指令队列；字节的指令队列；第第4 4章章 1616位微处理器位微处理器说明：说明：80868086的指令队列为的指令队列为6 6个字节，个字节，80888088的指令队列为的指令队列为4 4个字节。取指过程和指令执个字节。取指过程和指令执行过程重叠进行。行过程重叠进行。地址加法器用来根据地址

18、加法器用来根据1616位寄存器提供的信息计算出位寄存器提供的信息计算出2020位的物理地址。位的物理地址。80868086可可用用2020位地址寻址位地址寻址1M1M字节的内存空间。字节的内存空间。总线接口部件和执行部件的动作管理：总线接口部件和执行部件的动作管理：每当每当80868086的指令队列中有的指令队列中有2 2个空字节或个空字节或80888088的指令队列中有的指令队列中有1 1个空字节时，总个空字节时，总线接口部件就会自动把指令取到指令队列中。线接口部件就会自动把指令取到指令队列中。每当执行部件准备执行一条指令时，它会从总线接口部件的指令队列前部取每当执行部件准备执行一条指令时，

19、它会从总线接口部件的指令队列前部取出指令的代码，然后用几个时钟周期去执行指令。在执行指令的过程中，如出指令的代码，然后用几个时钟周期去执行指令。在执行指令的过程中，如果必须访问存储器或者果必须访问存储器或者I/OI/O设备，那么设备，那么EUEU就会请求就会请求BIUBIU进入总线周期去完成访进入总线周期去完成访问存储器或者问存储器或者I/OI/O设备的操作；如果此时设备的操作；如果此时BIUBIU正好处于空闲状态，就会立即响正好处于空闲状态，就会立即响应应EUEU的总线请求，如果此时的总线请求，如果此时BIUBIU正在进行取指令操作，那么正在进行取指令操作，那么BIUBIU首先完成取指首先完

20、成取指令操作，然后再去响应令操作，然后再去响应EUEU发出的访问总线的请求。发出的访问总线的请求。当指令队列已满，而且当指令队列已满，而且EUEU对对BIUBIU又没有总线访问请求时，又没有总线访问请求时，BIUBIU便进入空闲状态便进入空闲状态在执行转移指令、调用指令和返回指令时，下面要执行的指令就不是顺序排在执行转移指令、调用指令和返回指令时，下面要执行的指令就不是顺序排列的那条指令了，这时指令队列中已经装入的字节就没有用了。此时，指令列的那条指令了，这时指令队列中已经装入的字节就没有用了。此时，指令队列中的原有内容被自动清除，队列中的原有内容被自动清除，BIUBIU会接着往指令队列中装入

21、另一个程序段中会接着往指令队列中装入另一个程序段中的指令。的指令。第第4 4章章 1616位微处理器位微处理器4.2.3 4.2.3 存储器结构存储器结构8086/80888086/8088系统中存储器按字节编址，可寻址的存储器空间为系统中存储器按字节编址，可寻址的存储器空间为1MB1MB。第第4 4章章 1616位微处理器位微处理器4.2.3 4.2.3 存储器结构存储器结构存储器的分段：存储器的分段：8086/80888086/8088系统把系统把1M1M存储空间分成若干个逻辑段，每个逻辑段容量存储空间分成若干个逻辑段，每个逻辑段容量64KB64KB。逻辑段可以在存储空间中浮动，段与段之间

22、可以重叠。逻辑段可以在存储空间中浮动，段与段之间可以重叠。1616字节的存储空间称为字节的存储空间称为1 1节，要求各个逻辑段从节的整数边界开始，即段首节，要求各个逻辑段从节的整数边界开始，即段首地址低地址低4 4位是位是0 0，因此就把段首地址的高，因此就把段首地址的高1616位称为位称为“段基址段基址”，存放在段寄存，存放在段寄存器中，段内的器中，段内的“偏移地址偏移地址”放在放在IPIP或或SPSP中。中。存储器中的逻辑地址和物理地址：存储器中的逻辑地址和物理地址：逻辑地址：由段基址和偏移地址构成，逻辑地址：由段基址和偏移地址构成，1616位。位。物理地址：实际地址、绝对地址，物理地址：

23、实际地址、绝对地址，2020位。位。程序用逻辑地址编址，而不是用物理地址。程序用逻辑地址编址，而不是用物理地址。逻辑地址到物理地址的转换逻辑地址到物理地址的转换(由由BIUBIU中的地址加法器实现中的地址加法器实现)：物理地址物理地址=段基址段基址16+16+段内偏移地址段内偏移地址例如：例如：CS=2000H,IP=2200H,CS=2000H,IP=2200H,则物理地址则物理地址=22200H=22200H4 4个段寄存器分别指向个段寄存器分别指向4 4个现行可寻址的分段的起始字节单元。一般指令程序个现行可寻址的分段的起始字节单元。一般指令程序存放在代码段中，段地址来源于代码段寄存器，偏

24、移地址来源于指令指针存放在代码段中，段地址来源于代码段寄存器，偏移地址来源于指令指针IPIP。当涉及到一个堆栈操作时，段地址寄存器为。当涉及到一个堆栈操作时，段地址寄存器为SSSS，偏移地址来源于栈指针寄，偏移地址来源于栈指针寄存器存器SPSP。当涉及到一个操作数时，则。当涉及到一个操作数时，则DSDS或或ESES作为段寄存器，而偏移地址为作为段寄存器，而偏移地址为1616位偏移量，该偏移量取决于指令的寻址方式。位偏移量，该偏移量取决于指令的寻址方式。8088的指令执行过程的指令执行过程习题习题一、填空题一、填空题1 1、8086/8088CPU8086/8088CPU内部结构按功能分为两部分

25、，即内部结构按功能分为两部分，即 和和 。2 2、CPUCPU中的总线接口部件中的总线接口部件BIUBIU，根据执行部件，根据执行部件EUEU的要求，完成与的要求，完成与 或或 的数据传的数据传送。送。3 3、80868086中的中的BIUBIU由由 个个 位段寄存器、一个位段寄存器、一个 位指令指针、位指令指针、字节指令字节指令队列、队列、位地址加法器和位地址加法器和 控制电路组成。控制电路组成。4 4、8086/80888086/8088的执行部件的执行部件EUEU由由 个通用寄存器、个通用寄存器、个专用寄存器、一个标志寄存器个专用寄存器、一个标志寄存器和和 等构成。等构成。5 5、根据功

26、能不同，、根据功能不同，80868086的标志位可分为的标志位可分为 标志和标志和 标志。标志。6 6、物理地址是指实际的、物理地址是指实际的 位主存单元地址，每个存储单元对应唯一的物理地址，其范围位主存单元地址，每个存储单元对应唯一的物理地址，其范围是是。7 7、8086/80888086/8088的状态标志有的状态标志有 个，控制标志有个，控制标志有 个。个。二、是非判断题二、是非判断题1 1、8086/80888086/8088标志寄存器共有标志寄存器共有1616位，每一位都有含义。（位，每一位都有含义。（）2 2、8086/80888086/8088的逻辑段不允许段的重叠和交叉。（的逻辑段不允许段的重叠和交叉。（）3 3、8086/80888086/8088的数据总线都是的数据总线都是1616位。（位。（）4 4、执行转移、调用和返回指令时，指令队列中的原内容不会被清除。（、执行转移、调用和返回指令时，指令队列中的原内容不会被清除。（）5 5、80868086与与80888088在软件上不一定完全兼容。（在软件上不一定完全兼容。（）