微机原理与接口第二章-微处理器

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1、 信 息 工 程 学 院 电 子 信 息 教 研 室邮 箱 ： 电 话 ： 13505385689 第 2章 微 处 理 器2.1 8086/8088CPU结 构 （ 重 点 ）2.2 8086/8088CPU时 序 及 引 脚 功 能 （ 了 解 ）2.3 8086/8088中 断 系 统 （ 重 点 ）2.4 8086系 统 配 置 及 总 线 操 作 （ 了 解 ）2.5 32位 微 处 理 器 编 程 结 构 简 介 （ 自 学 ） 2.1 8086/8088CPU结 构 2.1.1 8086/8088CPU 内 部 结 构 8086/8088 CPU的 内 部 结 构 包 含 两 大

2、 部 分 ： 指 令 执 行 单 元EU （ Execution Unit） 和 总 线 接 口 单 元 BIU （ Bus Interface Unit） 。 EU从 BIU的 指 令 队 列 中 取 出 指 令 ， 执 行 指 令 。 BIU完 成 取 指 令 ， 读 操 作 数 ， 送 结 果 ， 所 有 与 外 部 的 操 作由 其 完 成 。 BIU和 EU的 操 作 是 并 行 的 。 若 需 要 访 问 内 存 或 I/O端 口 ， 则 由 EU向 BIU发 出 访 问 所 需要 的 地 址 ， 在 BIU中 形 成 物 理 地 址 ， 然 后 访 问 内 存 或 I/O端 口

3、， 得 到 操 作 数 后 送 到 EU， 或 将 结 果 到 送 指 定 的 内 存 单 元 或 I/O端口 。 这 种 并 行 工 作 方 式 ， 大 大 提 高 了 系 统 工 作 效 率 。 总 线控 制 逻 辑ALU数 据 总 线 (16位 )指 令 执 行 部 件 (EU)图 2-1 8086/8088CPU内 部 功 能 结 构 图 数 据 总 线20位 地 址 总 线地 址加 法 器CSDSESSSIP内 部 暂 存寄 存 器ALU标 志 寄 存 器 (FR)暂 存 寄 存 器 队 列 总线 8位 8088： 8位8086： 16位段寄存器SPBPDISIAH AL AX通用寄

4、存器 BH BL BXCH CL CXDH DL DX 总 线 接 口 部 件 (BIU)EU控 制 单 元 指 令 队 列808880861 65432 EU完 成 指 令 译 码 和 执 行 指 令 的 工 作 。 EU从 BIU的 指 令 队列 中 取 得 指 令 ， 并 在 ALU上 执 行 指 令 ； 然 后 将 处 理 的 结 果 送回 BIU， 由 BIU进 行 存 储 处 理 。 它 由 ALU、 标 志 寄 存 器 、 通 用 寄 存 器 、 暂 存 器 、 控 制 部件 等 组 成 。 算 术 逻 辑 运 算 单 元 ALU 标 志 寄 存 器 FLAGS （ 详 见 2.

5、1.2） 通 用 寄 存 器 组 （ 详 见 2.1.2） EU控 制 器 ： 接 收 从 BIU的 指 令 流 队 列 中 取 来 的 指 令 ， 经 过 指 令 译 码 器 译 码 ， 形 成 各 种 控 制 信 号 ， 对 EU的 各 个 部 件 实 现 完 成 规 定 的 操 作 。 指 令 执 行 部 件 EU BIU具 有 地 址 形 成 、 取 指 令 、 指 令 排 队 、 读 /写 操 作 数 和总 线 控 制 的 功 能 ， 它 是 CPU与 外 部 （ 内 存 和 I/O端 口 ） 的 接 口 ，它 提 供 了 16位 双 向 数 据 总 线 和 20位 地 址 总 线

6、， 完 成 所 有 外 部总 线 操 作 。 它 由 4个 16位 段 寄 存 器 、 16位 指 令 指 针 IP和 内 部 暂 存 器 、6字 节 （ 8088为 4字 节 ） 指 令 队 列 缓 存 器 、 20位 地 址 加 法 器 以 及总 线 控 制 逻 辑 部 件 等 组 成 。 段 寄 存 器 指 令 指 针 寄 存 器 IP 地 址 加 法 器 指 令 队 列 缓 存 器 总 线 控 制 逻 辑 总 线 接 口 部 件 BIU 段 寄 存 器 （ 结 合 2.1.2） 8086/8088CPU内 部 设 置 了 4个 16位 段 寄 存 器 ， 它 们 分 别 是CS（ Co

7、de Segment Register， 代 码 段 寄 存 器 ） 、 DS （ Data Segment Register， 数 据 段 寄 存 器 ） 、 SS （ Stack Segment Register， 堆 栈 段 寄 存 器 ） 、 ES （ Extra Segment Register， 附加 段 寄 存 器 ） ， 由 它 们 给 出 相 应 逻 辑 段 的 首 地 址 ， 称 为 “ 段 基址 ” 。 CS： 内 存 放 可 执 行 的 指 令 代 码 段 基 址 。 DS、 ES： 内 存 放 操 作 的 数 据 段 基 址 。 SS： 开 辟 为 程 序 执 行 中

8、 所 要 用 的 堆 栈 区 ， 采 用 先 进 后 出（ FILO） 的 方 式 访 问 它 。 指 令 指 针 寄 存 器 （ 结 合 2.1.2） 8086/8088CPU中 设 置 了 一 个 16位 指 令 指 针 寄 存器 IP（ Instruction Pointer） ， 用 来 存 放 将 要 执 行 的下 一 条 指 令 在 现 行 代 码 段 CS中 的 偏 移 地 址 。 8086程 序 不 能 直 接 访 问 IP， 但 是 可 以 通 过 某 些 指令 修 改 IP的 内 容 。 地 址 加 法 器 （ 结 合 2.1.3） 功 能 ： 用 来 计 算 20位 存

9、储 单 元 的 物 理 地 址 。 8086/8088系 统 有 20位 地 址 线 ， 可 寻 址 1MB字 节 的存 储 空 间 ， 而 8086为 16位 机 ， CPU内 部 寄 存 器 只 有 16位 ， 可 寻 址 216B=64KB 。 为 了 解 决 这 一 矛 盾 ， 8086/8088 CPU采 用 了 将 存 储器 地 址 空 间 分 段 管 理 的 方 法 ， 即 将 1 MB空 间 划 分 成 若干 个 逻 辑 段 ， 每 个 逻 辑 段 的 最 大 长 度 为 64KB 。 图 2-4 内 存 分 段 示 意 图 0段 64KB1段 64KB000000FFFF10

10、0001FFFFF0000FFFFF 15段 64KB 000000逻 辑 段 1的 起 点 64KB FFFFF(a) 逻 辑 段 164KB逻 辑 段 2的 起 点 逻 辑 段 264KB逻 辑 段 3的 起 点 逻 辑 段 364KB逻 辑 段 4的 起 点 64KB 逻 辑 段 464KB(b) 存 储 器 中 的 每 个 存 储 单 元 都 可 以 用 两 个 形 式 的 地 址 来 表 示 ：物 理 地 址 PA（ Physical Address） 和 逻 辑 地 址 LA（ Logic Address） 。 把 段 起 始 地 址 的 高 16位 称 为 段 基 地 址 ， 相

11、 对 于 段 起 始 地 址的 一 个 偏 移 量 称 为 偏 移 地 址 （ 也 叫 有 效 地 址 EA或 段 内 地 址 ） ， 把“ 段 基 地 址 ： 偏 移 地 址 ” 的 表 示 形 式 称 为 存 储 单 元 的 逻 辑 地 址 ，逻辑 地 址 也 是 编 程 时 采 用 的 地 址 形 式 。 物 理 地 址 PA： 内 存 的 绝 对 地 址 ， 地 址 范 围 是 “ 00000FFFFFH”， 是 CPU访 问 内 存 的 实 际 寻 址 地 址 。 物 理 地 址 由 逻 辑 地 址 变 换 而 来 。 物 理 地 址 =段 基 址 16+偏 移地 址 ， 物 理 地

12、 址 在 BIU的 地 址 加 法 器 中 形 成 。 地 址 加 法 器 （ 续 ） 图 2-5 内 存 物 理 地 址 计 算段 基 址 3 2 1 015 0 0 0 0偏 移 地 址物 理 地 址地 址 加 法 器15 0 019 0 【 例 2-2】 CS存 放 当 前 代 码 段 基 地 址 ， IP存 放 了 下 一 条 要 执 行 指 令 的 段 内 偏 移 地 址 ， 若 CS=2000H， IP=003AH， 则 物 理 地 址=CS 16+IP=2000H 10H+003AH=2003AH 例 题 计 算 逻 辑 地 址 035AH： 32B8H的 物 理 地 址 PA。

13、练 习答 案 ： 06858H 指 令 队 列 缓 存 器 功 能 ： 用 来 暂 时 存 放 从 存 储 器 中 取 出 的 指 令 。 指 令 队 列 采 用 FIFO（ First Input First Output， 先进 先 出 ） 的 管 理 方 式 ， 允 许 预 取 6字 节 的 指 令 代 码（ 8088为 4字 节 ） 。 总 线 控 制 逻 辑 功 能 ： 用 于 产 生 存 储 器 读 /写 、 I/O读 /写 控 制 信 号 。 补 充 知 识指 令 队 列 缓 存 器 的 工 作 原 理 ： 取 指 时 ， 取 来 的 指 令 存 入 队 列 缓 冲 器 ， 缓

14、冲 器 中 有 一 条 指 令 ，EU就 开 始 执 行 。 指 令 队 列 缓 冲 器 中 只 要 有 2个 （ 8088为 1个 ） 字 节 “ 空 ” 时 ，BIU便 自 动 执 行 取 指 操 作 填 满 缓 冲 寄 存 器 。 在 EU执 行 指 令 的 过 程 中 ， 指 令 需 要 对 存 储 器 或 I/O设 备 进 行数 据 存 取 时 ， BIU将 在 执 行 完 现 行 取 指 令 的 存 储 器 周 期 后 ， 下 一个 周 期 对 指 定 的 存 储 器 单 元 或 I/O设 备 进 行 存 取 操 作 ， 交 换 的 数 据经 BIU由 EU进 行 处 理 。 当

15、EU执 行 完 转 移 、 调 用 和 返 回 指 令 时 ， 则 要 清 除 指 令 队 列 缓冲 器 ， 并 要 求 BIU从 新 的 地 址 重 新 开 始 取 指 令 ， 新 取 的 第 一 条 指 令 将 直 接 送 到 EU去 执 行 ， 随 后 取 来 的 指 令 填 入 指 令 队 列 。 8088的 指 令 执 行 过 程 返 回 2.1 8086/8088CPU结 构 2.1.2 8086/8088寄 存 器 结 构 寄 存 器 可 以 用 来 存 放 运 算 过 程 中 所 需 要 的 操 作 数地 址 、 操 作 数 及 中 间 结 果 。 8086微 处 理 器 内

16、部 包 含 有 4组 16位 寄 存 器 ， 它 们 分别 是 通 用 寄 存 器 组 、 段 寄 存 器 、 指 针 和 变 址 寄 存 器 、指 令 指 针 寄 存 器 和 标 志 位 寄 存 器 ， 如 图 2-2所 示 。 图 2-2 8086/8088 寄 存 器 结 构(a) 通 用 寄 存 器 组 (c) 指 针 和 变 址 寄 存 器(b) 段 寄 存 器 (d) 指 令 指 针 和 标 志 位 寄 存 器 组015 代 码 段 寄 存 器数 据 段 寄 存 器堆 栈 段 寄 存 器附 加 段 寄 存 器CSDSSSES AH ALBH BLCH CLDH DLAXBXCXDX

17、 815 07 累 加 器基 址 寄 存 器计 数 寄 存 器数 据 寄 存 器 SPBPDISI 015 堆 栈 指 针 寄 存 器基 址 指 针 寄 存 器目 的 变 址 寄 存 器源 变 址 寄 存 器015 IPFLAGS 指 令 指 针 寄 存 器标 志 位 寄 存 器 16位 标 志 寄 存 器 ， 用 来 存 放 运 算 结 果 的 特 征 。 其中 7位 没 有 定 义 ， 其 余 9位 分 成 两 类 ： 状 态 标 志 ： 表 示 运 算 后 结 果 的 状 态 特 征 它 影 响 后面 的 操 作 ， 有 6位 ： CF、 PF、 AF、 ZF、 SF和 OF。 控 制

18、标 志 ， 用 来 控 制 CPU操 作 ， 有 3个 ： TF、 IF和DF。 具 体 格 式 如 图 2-3。 标 志 寄 存 器 FLAGS 15 11 10 9 8 7 6 4 2 0/ / / / OF DF IF TF SF ZF / AF / PF / CF图 2-3 FLAGS寄 存 器 状 态 标 志 位 ： 用 来 反 映 EU执 行 算 术 或 逻 辑 运 算 以 后 的 结 果 特 征 。 CF： 进 位 标 志 CF=1表 示 指 令 执 行 结 果 在 最 高 位 产 生 了 一 个 进 位 或 借 位 ； CF=0表 示 无 进 位 或 借 位 产 生 。 AF：

19、 辅 助 进 位 标 志 （ 又 叫 半 进 位 标 志 ） AF=1表 示 字 节 操 作 时 ， 结 果 的 低 4位 产 生 了 一 个 进 位 或 借 位 ； AF=0表 示 无 进 位 或 借 位 产 生 。 OF： 溢 出 标 志 OF=1表 示 带 符 号 数 在 进 行 算 术 运 算 时 产 生 了 算 术 溢 出 ； OF=0表 示 无 溢 出 。 SF： 符 号 标 志 。SF=1表 示 运 算 结 果 为 负 数 ；SF=0表 示 运 算 结 果 不 为 负 数 。PF： 奇 偶 标 志 。 PF=1表 示 字 节 操 作 时 ， 指 令 执 行 结 果 中 有 偶 数

20、 个 1； PF=0表 示 指 令 执 行 结 果 中 有 奇 数 个 1。ZF： 零 标 志 。 ZF=1表 示 运 算 结 果 为 零 ； ZF=0表 示 运 算 结 果 不 为 零 。 控 制 标 志 位 ： 用 来 控 制 CPU的 操 作 ， 它 由 程 序 设 置 或 由程 序 清 除 。DF： 方 向 标 志 。 用 来 控 制 数 据 串 操 作 指 令 的 地 址 步 进 方 向 。DF=1表 示 数 据 串 指 令 将 以 地 址 的 递 减 顺 序 对 数 据 串 数 据 进 行 处 理 ；DF=0表 示 数 据 串 指 令 将 以 地 址 的 递 增 顺 序 对 数 据

21、 串 数 据 进 行 处理 。 。IF： 中 断 允 许 标 志 。IF=1表 示 8086CPU开 中 断 ；IF=0表 示 8086CPU关 中 断 。TF： 陷 阱 标 志 或 单 步 操 作 标 志 。TF=1表 示 8086CPU处 于 单 步 工 作 方 式 ； TF=0表 示 8086CPU正 常 执 行 程 序 。 2.1 8086/8088CPU结 构 2.1.3 8086/8088存 储 器 与 I/O组 织 I/O内 存 地 址 分 段 及 合 成 （ 略 ） 逻 辑 地 址 来 源 （ 理 解 ） 8086内 存 的 分 体 结 构 及 访 问 方 法 （ 了 解 ）

22、专 用 和 保 留 的 存 储 器 单 元 （ 自 学 ） 8086的 I/O组 织 （ 重 点 ） 逻 辑 地 址 来 源 由 于 访 问 内 存 的 操 作 类 型 不 同 ， BIU所 使 用 的 逻 辑 地 址 来源 也 不 同 ， 如 表 2-1所 示 。 表 2-1 逻 辑 地 址 的 来 源操 作 类 型 隐 含 段 地 址 替 换 段 地 址 偏 移 地 址 (offset)取 指 令 CS 无 IP堆 栈 操 作 SS 无 SPBP为 间 址 SS CS, DS, ES 有 效 地 址 EA存 取 变 量 DS CS,ES,SS 有 效 地 址 EA源 字 符 串 DS CS

23、,ES,SS SI 目 标 字 符 串 ES 无 DI 图 2-6 存 储 单 元 寻 址 示 意 图IPCSSI， DI或 BXDSSP或 BPSS 代 码 段数 据 段堆 栈 段图 2-6是 段 寄 存 器 与 其 它 寄 存 器 组 合 寻 址 存 储 单 元 的 示 意 图 8086系 统 中 ， 1MB的 存 储 空 间 分 成 两 个 存 储 体 ： 偶 地 址存 储 体 和 奇 地 址 存 储 体 ， 各 为 512KB， 示 意 图 如 图 2-7所 示 。 对于 任 何 一 个 存 储 体 ， 只 需 要 用 19位 地 址 码 A19A1就 够 了 ， 最 低地 址 码 A

24、0用 于 区 分 当 前 访 问 哪 一 个 存 储 体 。 当 A0=0时 ， 表 示 访 问 偶 地 址 存 储 体 ， 偶 地 址 存 储 体 与 数 据总 线 低 8位 相 连 ， 从 低 8位 数 据 总 线 读 /写 一 个 字 节 。 当 A0=1表 示 访 问 奇 地 址 存 储 体 。 8086系 统 设 置 一 个 高 位 有 效 控 制 信 号 。 与 A 0相 互 配 合 使 得 CPU可 以 访 问 两 个 存 储 体 中 的 一 个字 节 。 BHEBHE 8086内 存 的 分 体 结 构 及 访 问 方 法 15 8 7 000001H 0000000003H

25、0000200005H 000042 20 1=FFFFF FFFFE=220 2512K 8位奇 地 址存 储 体(A0=1) 512K 8位偶 地 址存 储 体(A0=0)图 2-7 内 存 分 体 结 构 示 意 图 表 2-2 和 A0组 合 及 操 作A0 操 作 功 能 总 线使 用 情 况0 0 同 时 访 问 两 个 存 储 体 ， 从 偶 地 址 开 始 读 /写 一 个 字 AD15 AD00 1 只 访 问 奇 地 址 存 储 体 ， 读 /写 高 字 节 信 息 AD15 AD81 0 只 访 问 偶 地 址 存 储 体 ， 读 /写 低 字 节 信 息 AD 7 AD

26、01 1 误 操 作 BHEBHE 两 个 存 储 体 与 CPU总 线 之 间 的 连 接 如 图 2-8所 示 。 奇 地 址 存 储 体 的 片选 端 受 控 于 信 号 ， 偶 地 址 存 储 体 的 片 选 端 受 控 于 地 址 线 A0。 内 存 中 存 放 的 信 息 称 为 存 储 单 元 的 内 容 ， 例 如 ， 存 储 单 元 00100H中的 内 容 为 34H， 表 示 为 (00100H)=34H。 一 个 字 在 内 存 中 按 相 邻 两 个 字 节 存 放 ， 存 入 时 以 低 位 字 节 在 低 地 址 ，高 位 字 节 在 高 地 址 的 次 序 存

27、放 ， 字 单 元 的 地 址 以 低 位 地 址 表 示 。 一 个 字 可 以 从 偶 地 址 开 始 存 放 ， 也 可 以 从 奇 地 址 开 始 存 放 ，8086CPU访 问 内 存 时 ， 都 是 以 字 为 单 位 进 行 的 ， 并 从 偶 地 址 开 始 。 这 种 存放 方 式 也 称 作 “ 对 准 存 放 ” 。 当 CPU读 /写 一 个 字 时 ， 如 果 字 单 元 地 址 从 偶 地 址 开 始 ， 那 么 只 需 要访 问 一 次 内 存 ； 如 果 字 单 元 地 址 从 奇 地 址 开 始 ， 那 么 CPU需 要 两 次 访 问 内存 ， 第 一 次

28、取 奇 地 址 上 数 据 (偶 地 址 8位 数 据 被 忽 略 )， 第 二 次 取 偶 地 址 上 数 据 (奇 地 址 8位 数 据 被 忽 略 )。 因 此 ， 为 了 加 快 程 序 运 行 速 度 ， 编 程 时 要 采 用 “ 对 准 存 放 ” 的 方 式 。 BHE 数 据 总 线 DB70数 据 总 线 DB 158D7D0D15D8 A19A1A0 图 2-8 8086系 统 中 存 储 器 与 总 线 的 连 接BHE D7D0奇 地 址 存 储 体A19A1SEL D7D0偶 地 址 存 储 体A 19A1SEL 00000H00001H FFFFFH FFFFEH

29、 00000H003FFH： 存 放 中 断 向 量 表 （ 详 见 2.3.2） ， 每 个 中断 向 量 占 4个 字 节 ， 前 2个 字 节 存 放 中 断 处 理 服 务 程 序 入 口 的 偏移 地 址 ， 后 2个 字 节 存 放 中 断 处 理 服 务 程 序 入 口 的 段 地 址 。 因此 1KB区 域 可 以 存 放 256个 中 断 服 务 程 序 的 入 口 地 址 。 B0000HB0FFFH： 单 色 显 示 器 的 视 频 缓 冲 区 ， 存 放 单 色显 示 器 当 前 屏 幕 显 示 字 符 所 对 应 的 ASCII码 及 其 属 性 。 B8000H B

30、BFFFH： 彩 色 显 示 器 的 视 频 缓 冲 区 ， 存 放 彩色显 示 器 当 前 屏 幕 像 素 点 所 对 应 的 代 码 。 FFFF0H FFFFFH： 存 放 一 条 无 条 件 转 移 指 令 ， 使 系 统在 上 电 或 复 位 时 ， 自 动 跳 转 到 系 统 的 初 始 化 程 序 。 这 个 区 域 被包 含 在 系 统 的 ROM范 围 内 ， 在 ROM中 驻 留 着 系 统 的 基 本 I/O系 统 程 序 ， 即 BIOS 。 专 用 和 保 留 的 存 储 器 单 元 8086微 处 理 器 和 外 部 设 备 之 间 是 通 过 I/O接 口 电 路

31、 进 行 联系 ， 以 达 到 相 互 间 传 输 信 息 的 目 的 ， 每 个 I/O接 口 都 有 一 个 端口 或 几 个 端 口 。 端 口 （ 详 见 6.1.1） ： 是 指 I/O接 口 电 路 中 供 CPU直 接 存取 访 问 的 那 些 寄 存 器 或 某 些 特 定 电 路 。 端 口 地 址 ： 一 个 I/O接 口 包 括 若 干 个 端 口 ， 如 数 据 、 命令 、 状 态 、 方 式 端 口 等 ， 微 机 系 统 要 为 每 个 端 口 分 配 一个 地 址 号 ， 称 为 端 口 地 址 。 各 个 端 口 地 址 和 存 储 单 元 地址 一 样 ，

32、应 具 有 唯 一 性 。 8086的 I/O组 织 CPU I/O设 备译码 数 据 端 口状 态 端 口控 制 端 口DBABCB一 个 典 型 的 I/O接 口 （ 结 合 课 本 P188）补 充 知 识 8086微 处 理 器 用 地 址 总 线 的 低 16位 作 为 对 8位 I/O端 口 的 寻 址 线 ， 可 访 问 的 8位 I/O端 口 有 65536个 ； 两 个编 号 相 邻 的 8位 端 口 可 以 组 成 一 个 16位 的 端 口 。 一 个 8位 的 I/O设 备 既 可 以 连 接 在 数 据 总 线 的 高 8位 上 ， 也 可以 连 接 在 数 据 总

33、线 的 低 8位 上 。 微 机 系 统 的 I/O端 口 有 以 下 两 种 编 址 方 式 ： 统 一 编 址 （ 如 单 片 机 ） 。 独 立 编 址 （ 如 8086） 。 8086的 I/O组 织 （ 续 ） 统 一 编 址 也 称 “ 存 储 器 映 射 方 式 ” （ Memory Mapped） 。在 这 种 编 址 方 式 下 ， 端 口 和 存 储 单 元 统 一 编 址 ， 即 将 I/O端 口 地址 置 于 1MB的 存 储 器 空 间 中 ， 在 整 个 存 储 空 间 中 划 出 一 部 分 空间 给 外 设 端 口 ， 把 它 们 看 作 存 储 器 单 元 对

34、 待 ， 见 图 2-9（ a） 。 CPU访 问 存 储 器 的 各 种 寻 址 方 式 都 可 用 于 寻 址 端 口 ， 访问 端 口 和 访 问 存 储 器 的 指 令 在 形 式 上 完 全 一 样 。 统 一 编 址 的 主 要 优 点 是 无 需 专 门 的 I/O指 令 ， 对 端 口 操 作的 指 令 类 型 多 ， 简 化 了 指 令 系 统 的 设 计 。 不 仅 可 以 对 端 口 进 行数 据 传 送 ， 还 可 以 对 端 口 内 容 进 行 算 术 /逻 辑 运 算 和 移 位 等 操 作 ，端 口 操 作 灵 活 ， 有 比 较 大 的 编 址 空 间 。 缺

35、点 是 端 口 占 用 存 储 器 的 地 址 空 间 ， 使 存 储 器 容 量 更 加紧 张 ， 同 时 端 口 指 令 的 长 度 增 加 ， 执 行 时 间 较 长 ， 端 口 地 址 译码 器 较 复 杂 。 统 一 编 址 独 立 编 址 也 称 “ I/O映 射 方 式 ” （ I/O Mapped） 。 这 种 方 式的 端 口 单 独 编 址 构 成 一 个 I/O空 间 ， 不 占 用 存 储 器 地 址 ， 故 称 “ 独立 编 址 ” 方 式 ， 见 图 2-9（ b） 。 CPU设 置 了 专 门 的 输 入 和 输 出 指 令 （ IN和 OUT） 来 访 问 端

36、口 。 在 采 用 独 立 编 址 方 式 时 ， CPU提 供 控 制 信 号 M/IO区 别 是 寻 址内 存 还 是 I/O端 口 。 8086微 处 理 器 在 执 行 访 问 存 储 器 指 令 时 ， M/IO信 号 为 高 电 平 ， 通 知 外 部 电 路 CPU访 问 存 储 器 ， 当 8086微 处 理 器 执行 输 入 /输 出 指 令 时 ， 而 M/IO为 低 电 平 ， 表 明 CPU在 访 问 I/O端 口 。 在 这 种 方 式 下 ， 端 口 所 需 的 地 址 线 较 少 ， 地 址 译 码 器 较 简 单 ，采 用 专 用 的 I/O指 令 ， 执 行

37、时 间 少 ， 指 令 长 度 短 。 端 口 操 作 指 令 形式 上 与 存 储 器 操 作 指 令 有 明 显 区 别 ， 优 点 是 程 序 编 制 与 阅 读 较 清 晰 。缺 点 是 输 入 输 出 指 令 类 别 少 ， 一 般 只 能 进 行 传 送 操 作 。 独 立 编 址 图 2-9 内 存 映 射 与 I/O映 射 编 址 (a) 统 一 编 址 ； (b) 独 立 编 址 FFFFFH00000H 内 存 空 间供 I/O接口 使 用 I/O空 间 I/O端 口 0I/O端 口 1I/O端 口 N 64KB系 统 各 I/O端 口 配 置 地 址（ a）FFFFFH

38、00000H 内 存 空 间 1MB I/O端 口 0I/O端 口 1I/O端 口 N 64KB系 统 各 I/O端 口 配 置 地 址（ b） I/O空 间FFFFH0000 H 2.2 8086/8088CPU时 序 及 引 脚 功 能 2.2.1 8086 CPU 时 序 的 概 念 时 钟 周 期 、 总 线 周 期 和 指 令 周 期 8086微 处 理 器 由 外 部 一 片 8284A时 钟 信 号 发 生 器 提 供 主 频 5Mhz的 时 钟 信号 ， 在 时 钟 节 拍 的 作 用 下 ， CPU一 步 一 步 顺 序 执 行 指 令 。 时 钟 周 期 （ Clock C

39、ycle） ： 是 CPU指 令 执 行 时 间 的 刻 度 ， 用 T表 示 时 钟 周期 ， 由 计 算 机 主 频 决 定 。 总 线 周 期 （ Bus Cycle） ： 指 令 执 行 过 程 中 ， 访 问 存 储 器 和 访 问 I/O端 口 的 操作 都 统 一 交 给 总 线 完 成 ， 每 一 次 访 问 都 称 为 一 个 总 线 周 期 。 （ 读 总 线 周 期 和 写 总线 周 期 ） 在 8086/8088 CPU中 ， 每 个 总 线 周 期 至 少 包 含 4个 时 钟 周 期 （ T1 T4） ， 习惯 上 将 4个 时 钟 周 期 分 别 称 为 4个 T

40、状 态 ， 即 T1状 态 、 T2状 态 、 T3状 态 和 T4状 态 。一 般 情 况 下 在 总 线 周 期 的 T1状 态 传 送 地 址 ， T2 T4状 态 传 送 数 据 。 指 令 周 期 （ Insttuction Cycle） ： CPU每 条 指 令的 执 行 都 由 取 指 令 （ fetch） 、 译 码 （ decode） 执 行（ excute） 等 操 作 组 成 ， CPU从 存 储 器 读 取 并 执 行一 条 指 令 的 时 间 称 为 指 令 周 期 ， 一 个 指 令 周 期 由 一个 或 几 个 总 线 周 期 组 成 ， 不 同 指 令 的 指

41、令 周 期 的 长短 是 不 同 的 。 时 钟 周 期 、 总 线 周 期 和 指 令 周 期 （ 续 ） 地 址T1 总 线 周 期T2缓 冲 数 据T3 T4 T1 T2 T3 T4总 线 周 期地 址 缓 冲 数 据图 2-10 典 型 的 8086总 线 周 期 波 形CLK地 址 /数 据总 线 在 T1状 态 ， CPU往 多 路 复 用 总 线 上 发 出 地 址 信 息 ， 以 指 出 要 寻 址 的 存 储 单元 或 外 设 端 口 的 地 址 。 在 T2状 态 ， CPU从 总 线 上 撤 销 地 址 ， 使 总 线 的 低 16位 浮 置 成 高 阻 状 态 ， 为传

42、 输 数 据 作 准 备 。 在 T3状 态 ， 多 路 总 线 的 高 4位 继 续 提 供 状 态 信 息 ， 低 16位 上 出 现 由 CPU写出 的 数 据 或 者 CPU从 存 储 器 或 端 口 读 入 的 数 据 。 由 于 外 设 或 存 储 器 速 度 较 慢 ， 常 常 不 能 及 时 配 合 CPU传 送 数 据 。 这 时 ， 外设 或 存 储 器 会 通 过 READY信 号 线 在 T4状 态 启 动 之 前 向 CPU发 一 个 “ 数 据 未 准备 好 ” 信 号 ， 于 是 CPU会 在 T 3之 后 插 入 1个 或 多 个 附 加 的 时 钟 周 期 T

43、w( Wait，等 待 状 态 )。 在 Tw状 态 ， 总 线 和 T3状 态 的 信 息 一 样 。 当 指 定 的 存 储 器 或 外 设 完 、成 数 据 传 送 时 ， 便 在 READY线 上 发 出 “ 准 备 好 ” 信 号 ， CPU接 收 到 这 一 信 号后 ， 会 自 动 脱 离 Tw状 态 而 进 入 T4状 态 。 在 T4状 态 ， 总 线 周 期 结 束 。 只 有 在 CPU和 内 存 或 I/O接 口 之 间 传 输 数 据 ， 以 及 填 充 指 令 队 列 时 ， CPU才执 行 总 线 周 期 。 如 果 在 1个 总 线 周 期 之 后 ， 不 立

44、即 执 行 下 一 个 总 线 周 期 ， 那么 ， 系 统 总 线 就 处 在 空 闲 状 态 ， 此 时 ， 执 行 空 闲 周 期 TI。 8086总 线 周 期 时 序 空 闲 周 期 只 有 在 CPU和 内 存 或 I/O接 口 之 间 传 输 数 据 时 ， CPU才 执 行总 线 周 期 ， 若 CPU不 执 行 总 线 周 期 （ 不 进 行 存 储 器 或 I/O操作 ） ， 则 总 线 接 口 执 行 空 闲 周 期 （ 一 系 列 的 TI状 态 ） 在 这 些 空 闲 周 期 ， CPU在 高 位 地 址 线 上 仍 然 驱 动 上 一 个 机器 周 期 的 状 态

45、信 息 （ S6 S3） 。 而 数 据 总 线 上 信 号 不 同 。 若 在 上 一 个 总 线 周 期 是 写 周 期 输出 ， 则 在 空 转 状 态 ， CPU在 AD 15AD0上 仍 输 出 一 个 总 线 周 期 上要 写 的 数 据 ， 直 至 下 一 个 总 线 周 期 的 开 始 。 若 前 一 个 总 线 周 期是读 周 期 ， 则 AD15 AD0在 TI状 态 处 于 高 阻 状 态 。 在 空 闲 周 期 中 ， 虽 然 CPU对 总 线 进 行 空 操 作 ， 但 是 CPU内部 操 作 仍 然 进 行 ， 即 EU部 件 在 工 作 。 所 以 说 ， 总 线

46、 空 操 作 是BIU对 EU的 等 待 。 T1 T2 T3 Tw T4 T1 T2 T3 T4 TI TI T1 T2 T3 Tw Tw T4 TI TI图 2-11 典 型 的 8086总 线 周 期 序 列TW状 态 用 来 等 待 内 存 或 I/O接 口 的 响 应在 两 个 总 线 周 期 之间 执 行 空 闲 周 期 8086 CPU芯 片 采 用 40条 引 脚 的 双 列 直 插 式 封 装 ， 外 部 引 脚如 图 2-12， 包 括 16条 数 据 线 （ 外 部 数 据 总 线 ） ， 20条 地 址 线（ 外 部 地 址 总 线 ） ， 5条 状 态 线 ， 17条

47、 输 入 /输 出 控 制 线 ， 加 上控 制 信 号 ， 电 源 和 地 线 ， 芯 片 所 需 的 引 脚 比 较 多 ， 由 于 制 造 工艺 的 限 制 ， 部 分 引 脚 采 用 了 分 时 复 用 的 方 式 ， 即 一 条 引 脚 有 一个 以 上 的 用 途 。 8086/8088CPU有 最 小 和 最 大 两 种 工 作 模 式 ， 两 种 方 式 的 选择 是 由 硬 件 设 定 的 。 下 表 说 明 了 最 小 模 式 和 最 大 模 式 特 点 。 2.2 8086/8088CPU时 序 及 引 脚 功 能 2.2.2 8086 CPU 的 工 作 模 式 最 小

48、 模 式 和 最 大 模 式 的 特 点最 小 模 式 最 大 模 式MN/ 接 +5V MN/ 接 地构 成 单 处 理 器 系 统 构 成 多 处 理 器 系 统系 统 控 制 信 号 由 CPU提 供 系 统 控 制 信 号 由 总 线 控 制 器 8288提 供MX MX 2.2.3 8086 CPU最 小 模 式 下 的 引 脚 定 义 ADl5 AD0 ： 地 址 /数 据 线 （ 双 向 ， 三 态 ） A19/S6A16/S3 ： 地 址 /状 态 线 （ 双 向 ， 三 态 ） NMI ： 不 可 屏 蔽 中 断 请 求 信 号 （ 输 入 ） ， 正 跳 变 有 效 INT

49、R ： 可 屏 蔽 中 断 请 求 信 号 （ 输 入 ） ， 高 电 平 有 效 CLK ： 时 钟 信 号 （ 输 入 ） RESET（ P36表 2-5） ： 复 位 信 号 （ 输 入 ） ， 高 电 平 有 效 READY ： 准 备 就 绪 信 号 （ 输 入 ） ， 高 电 平 有 效 ： 测 试 信 号 （ 输 入 ） ， 低 电 平 有 效 ： 中 断 响 应 信 号 （ 输 出 ） ， 低 电 平 有 效 ALE :地 址 锁 存 允 许 信 号 （ 输 出 ） ， 高 电 平 有 效INTATEST 2.2 8086/8088CPU时 序 及 引 脚 功 能 ： 数 据

50、允 许 信 号 （ 输 出 ） ， 低 电 平 有 效 DT/ ： 数 据 发 送 /接 收 控 制 信 号 （ 输 出 ） M/ ： 内 存 或 I/O端 口 控 制 信 号 （ 输 出 ） ： 写 选 通 信 号 （ 输 出 ） ， 低 电 平 有 效 HLDA ： 总 线 保 持 响 应 信 号 （ 输 出 ） ， 高 电 平 有 效 HOLD ： 总 线 保 持 请 求 信 号 （ 输 入 ） ， 高 电 平 有 效 ： 读 选 通 信 号 （ 输 出 ） ， 低 电 平 有 效 MN/ ： 最 小 /最 大 工 作 模 式 选 择 信 号 ， 输 入 /S 7： 高 8位 数 据 总

51、 线 允 许 /状 态 信 号 （ 输 出 ） VCC（ +5V） ： 电 源 端 ， GND （ 地 ） ： 接 地 端 2.2.3 8086 CPU最 小 模 式 下 的 引 脚 定 义 （ 续 ）RDENIOWRRDMXBHE 2.2 8086/8088CPU时 序 及 引 脚 功 能 2.2.4 8086 CPU最 大 模 式 下 的 引 脚 定 义 （ 自 学 ）见 课 本 P38。 2.2 8086/8088CPU时 序 及 引 脚 功 能 8088的 外 部 数 据 总 线 为 8位 ， 所 以 分 时 复 用 的 地 址 /数 据 只 有 AD7 AD08位 ， 而 A15 A

52、8为 地 址 输 出 线 。 8088的 输 入 /输 出 存 储 器 控 制 信 号 为 IO/ ， 即 高电 平 表 示 访 问 I/O设 备 ， 低 电 平 表 示 访 问 存 储 器 ， 与8086相 反 。 8088只 能 进 行 8位 数 据 传 输 ， 信 号 不 需 要 了 ， 改为 , DT/ 、 IO/ 一 起 决 定 最 小 模 式 下 的 总 线 操作 周 期 ， 表 2-7（ 见 课 本 P39） 指 出 了 具 体 的 组 合 关 系 。 BHE M 0SS R M 2.2.5 8088 的 引 脚 与 8086的 区 别 2.2 8086/8088CPU时 序 及

53、 引 脚 功 能 补 充 知 识 2.3 8086/8088中 断 系 统 中 断 的 基 本 概 念 （ 结 合 7.1.1） 中 断 是 指 CPU正 常 运 行 程 序 的 过 程 中 ， CPU内 部 或 外 部的 某 些 事 件 或 紧 急 、 异 常 情 况 需 要 及 时 处 理 ， 导 致 CPU暂 停正 在 执 行 的 程 序 ， 转 去 执 行 处 理 该 事 件 的 程 序 ， 并 在 处 理 完毕 返 回 原 程 序 处 继 续 执 行 被 暂 停 的 程 序 ， 这 一 过 程 称 为 中 断 。中 断 时 ， 被 打 断 执 行 的 程 序 中 下 一 条 被 暂

54、停 执 行 的 指 令 所 在的 地 址 称 为 断 点 。 2.3 8086/8088中 断 系 统 与 中 断 有 关 的 基 本 概 念 （ 结 合 7.1） 中 断 源 ： 能 引 起 CPU产 生 程 序 中 断 的 随 机 事 件 叫 做 中 断 源 。 中 断 源 主 要 分为 两 大 类 ： 内 部 中 断 源 和 外 部 中 断 源 。 内 部 中 断 源 即 中 断 源 在 微 处 理 器 内 部 。外 部 中 断 源 ， 即 引 起 中 断 的 原 因 是 外 部 设 备 。 中 断 系 统 ： 指 能 够 实 现 计 算 机 的 中 断 功 能 而 配 置 的 相 关

55、硬 件 、 软 件 的 集 合 。 中 断 类 型 码 ： 中 断 系 统 为 区 别 不 同 种 类 的 中 断 源 ， 一 般 采 用 若 干 位 二 进 制编 码 进 行 区 分 。 方 法 是 为 每 个 中 断 源 分 配 一 个 不 同 的 编 码 ， 称 为 中 断 类 型 码 。 中 断 处 理 过 程 （ 结 合 7.1.2） ： 从 中 断 源 向 CPU发 出 中 断 请 求 信 号 到 CPU将 这 一 请 求 处 理 完 成 的 过 程 ， 叫 做 中 断 处 理 过 程 。 这 一 过 程 包 括 ： 中 断 请 求 、中 断 响 应 、 中 断 处 理 和 中 断

56、 返 回 4个 步 骤 。 中 断 优 先 级 ： 指 每 个 中 断 源 在 接 受 CPU服 务 时 的 优 先 等 级 。 中 断 嵌 套 （ 结 合 7.1.2） ： 指 CPU在 执 行 低 级 别 中 断 处 理 子 程 序 时 ， 有 较高 级 别 的 中 断 请 求 产 生 ， CPU能 够 暂 停 执 行 级 别 低 的 中 断 处 理 子 程 序 ， 转 去 处理 这 个 级 别 高 的 中 断 ， 处 理 完 后 再 返 回 低 级 别 的 中 断 处 理 子 程 序 继 续 运 行 。 图 7-1 中 断 过 程 示 意 图 （ 见 课 本 P212） 图 7-4 中

57、断 嵌 套 示 意 图 （ 见 课 本 P215） 2.3 8086/8088中 断 系 统 2.3.1 微 机 的 中 断 类 型 8086/8088CPU的 中 断 类 型 码 使 用 8位 二 进 制 数 ， 范 围 为 0255， 可 以 处 理 256种 不 同 类 型 的 中 断 ， CPU根 据 中 断 类 型 码 来 识别 不 同 的 中 断 源 。 这 256个 中 断 源 可 分 为 两 大 类 ： 一 类 是 外 设 接 口 的 中 断 请 求 ， 由 CPU的 引 脚 引 入 ， 中断 源 来 自 CPU外 部 ， 故 称 外 部 中 断 （ 又 称 硬 件 中 断 ）

58、 。 另 一 类 在 执 行 指 令 时 引 起 ， 来 自 CPU的 内 部 ， 故 称 内部 中 断 （ 又 称 软 件 中 断 ） 。 非 屏 蔽 中 断 请 求INT2 可 屏 蔽 中 断 请 求中 断 类 型 码 ： 32-255 NMI（ 17号 引 脚 ） INTR（ 18号 引 脚 ） 中 断 指 令INTnN = 32-255 溢 出 指 令INTOINT4 断 点 中 断INT3 单 步 中 断（ TF=1）INT1 除 法 错 误INT0中 断 控 制 逻 辑软 件 （ 内 部 ） 中 断 硬 件 （ 外 部 ） 中 断 中 断 控 制 系 统 (8259A)图 2-14

59、 8086微 机 的 中 断 来 源 定 义 ： 外 部 中 断 是 由 外 部 中 断 源 对 CPU产 生 的中 断 请 求 。 分 类 ： 根 据 外 部 中 断 源 是 否 受 8086/8088 CPU标志 寄 存 器 的 中 断 允 许 标 志 位 （ IF） 的 影 响 ， 将 中 断 分为 非 屏 蔽 中 断 NMI和 可 屏 蔽 中 断 INTR两 种 。 外 部 中 断 非 屏 蔽 中 断 非 屏 蔽 中 断 从 引 脚 NMI引 入 ， 不 受 CPU中 断 IF的影 响 ， 一 旦 有 中 断 请 求 ， CPU必 须 响 应 。 类 型 号 为 02H。 NMI中 断

60、 可 用 来 处 理 微 机 系 统 的 紧 急 状 态 ， 优 先级 别 高 于 可 屏 蔽 中 断 。 可 屏 蔽 中 断 可 屏 蔽 中 断 请 求 信 号 从 引 脚 INTR引 入 ， 受 CPU中 断 IF的 影 响 。 当 外 设 有 中 断 请 求 且 IF=1时 ， 一 般 情况 下 CPU执 行 完 本 条 指 令 后 予 以 响 应 。 随 后 CPU将 执行 两 个 连 续 的 总 线 周 期 响 应 中 断 ， 送 出 两 个 中 断 响 应信 号 INTA（ 负 脉 冲 ） 。 内 部 中 断 定 义 ： 内 部 中 断 是 指 CPU内 部 事 件 及 执 行 软

61、 中 断 指 令 所 产 生 的中 断 请 求 ， 与 硬 件 无 关 ， 又 称 为 软 件 中 断 。 分 类 ： 已 定 义 的 内 部 中 断 有 5个 。 除 法 错 中 断 ： 类 型 号 为 00H， 由 CPU自 身 产 生 。 单 步 中 断 ： 类 型 号 为 01H ， 由 CPU对 TF的 测 试 产 生 。 断 点 中 断 ： 类 型 号 为 03H， 执 行 INT 3指 令 或 设 置 断 点 产 生 。 溢 出 中 断 （ 结 合 课 本 P 112） ： 类 型 号 为 04H ， 当 OF=1（ 带符 号 数 运 算 ） 时 产 生 。 指 令 中 断 （

62、软 中 断 ， 结 合 课 本 P111 ） ： 执 行 INT n指 令 产 生 。 中 断 由 CPU内 部 引 起 ， 中 断 类 型 码 的 获 得 与 外 部 无 关 ， CPU不 需 要 执 行 中 断 响 应 周 期 去 获 得 中 断 类 型 码 ， 中 断 矢 量 号 由 CPU自 动 提 供 。 除 单 步 中 断 外 ， 内 部 中 断 无 法 用 软 件 禁 止 ， 不 受 IF的 影 响 ，即 都 不 能 通 过 执 行 CLI指 令 使 IF位 清 零 来 禁 止 对 它 们 的 响 应 。 除 单 步 中 断 外 ， 任 何 内 部 中 断 的 优 先 权 都 比

63、 外 部 中 断 高 。8086CPU的 中 断 优 先 权 由 高 到 低 顺 序 为 ： 内 部 中 断 （ 除 法 出 错 中断 、 指 令 中 断 、 溢 出 中 断 、 断 点 中 断 ） 、 NMI中 断 、 INTR中 断 和单 步 中 断 。 内 部 中 断 没 有 随 机 性 ， 这 一 点 与 调 用 子 程 序 非 常 相 似 。 小 结 软 件 中 断 的 特 点 （ P41） 2.3.2 微 机 的 中 断 向 量 表 8086/8088 CPU 是 采 用 向 量 中 断 的 方 式 来 处 理 对 可 屏 蔽 中 断 的 响 应 。 向 量 中 断 是 指 连 接

64、 外 部 中 断 源 的 接 口 电 路 向 CPU提 供 中 断 类 型 号 ， CPU根据 类 型 号 确 定 中 断 服 务 程 序 入 口 地 址 信 息 的 中 断 方 式 ， 也 称 为 矢 量 中 断 。 中 断 向 量 ： 实 际 上 就 是 中 断 服 务 程 序 的 入 口 地 址 。 每 个 中 断 向 量 为 4个 字节 ， 两 个 高 字 节 用 于 存 放 中 断 服 务 程 序 的 段 地 址 ， 两 个 低 字 节 用 于 存 放 中 断 服 务程 序 的 偏 移 量 。 中 断 向 量 表 ： 存 放 中 断 向 量 的 存 储 区 称 为 中 断 向 量 表

65、 。 各 中 断 向 量 在 中 断向 量 表 中 按 中 断 类 型 码 从 0到 255顺 序 存 放 。 中 断 向 量 表 地 址 ： 由 中 断 类 型 号 计 算 出 相 应 的 中 断 向 量 在 表 中 存 放 的 位置 ， 称 为 中 断 向 量 表 地 址 ， 或 称 为 中 断 向 量 指 针 。 中 断 类 型 号 4=中 断 向 量 指 针 的 低 地 址 （ IP） 中 断 类 型 号 4+2 =中 断 向 量 指 针 的 高 地 址 （ CS） 2.3 8086/8088中 断 系 统 图 2-15 微 机 中 断 向 量 表 补 充 例 题 已 知 矢 量 表

66、的 内 容 如 表 中 所 示 。 当 发 生 中 断 类 型号 0AH的 中 断 时 ， 问 中 断 处 理 程 序 的 入 口 地 址 是 多 少 ？： ：00028H 40H00029H 30H0002AH 23H0002BH 01H： ： 答 案 ： CS=0123H IP=3040H 2.4 8086系 统 配 置 及 总 线 操 作 2.4.1 最 小 模 式 系 统 配 置 在 最 小 模 式 系 统 中 ， 除 了 8086 CPU， 内 存 及 I/O接 口 芯 片外 ， 还 要 加 入 ： 1片 8284A时 钟 发 生 器 ； 3片 8282/8283或 74LS373， 作 为 地 址 锁 存 器 ； 2片 8286/8287或 74LS245， 作 为 双 向 数 据 总 线 收 发 器 。 Vcc 图 2-16 8086最 小 模 式 系 统 配 置MN/ VccCLKREADYRESET M/ 8284ACLKREADYRESETX1 X2 STB8282/3地 址锁 存 器ALE 地 址8086 CPU AD 15AD0A19A16 地 址 /数 据DT