微机原理与结构课件.ppt

1、第三章第三章 微机原理与微机原理与8086CPU一、术语一、术语二、微机的工作原理二、微机的工作原理三、三、8086/8088微处理器的结构微处理器的结构四、四、8086/8088存储器和存储器和I/O的组织的组织内容要求：内容要求：1.理解微机的基本结构和整机工作流程。理解微机的基本结构和整机工作流程。2.掌握掌握 Intel 8086/8088 CPU 的内部逻辑结构。的内部逻辑结构。3.掌握掌握 Intel 8086/8088 CPU 的编程模型。的编程模型。4.理解总线周期。理解总线周期。5.理解高档微机（理解高档微机（Intel286Pentium）的内部结构特点。的内部结构特点。重

2、点和难点：重点和难点：Intel 8086/8088 CPU内部逻辑结构内部逻辑结构 存储器分段访问的思想存储器分段访问的思想 逻辑地址和物理地址的概念逻辑地址和物理地址的概念冯冯.诺伊曼结构：诺伊曼结构：（1 1）由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部）由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。分组成。（2 2）数据和程序以二进制代码形式不加区别的存放在存储器中，）数据和程序以二进制代码形式不加区别的存放在存储器中，存放位置由地址指定，地址码也为二进制。存放位置由地址指定，地址码也为二进制。（3 3）控制器是根据存放在存储器中的指令序列即程序来工作的，）控制器是根

3、据存放在存储器中的指令序列即程序来工作的，并由一个程序计数器（即指令地址计数器）控制指令的执行。并由一个程序计数器（即指令地址计数器）控制指令的执行。控制器具有判断能力，能以计算结果为基础，选择不同的动控制器具有判断能力，能以计算结果为基础，选择不同的动作流程。作流程。一、术语一、术语 1.存储程序的概念存储程序的概念程序程序：计算机完成具体工作的一组指令。：计算机完成具体工作的一组指令。指令指令：告诉计算机执行的操作。：告诉计算机执行的操作。2.计算机位、字节和字计算机位、字节和字位（位（bit）：二进制信息的最小单位（：二进制信息的最小单位（0 0或或1 1）。）。字节（字节（Byte）：

4、由：由8位二进制数组成，可以存放在一个存储位二进制数组成，可以存放在一个存储单元中。单元中。字（字（Word）：计算机中作为一个整体来处理和运算的一组：计算机中作为一个整体来处理和运算的一组二进制数，是字节的整数倍。通常它与计算机内部的寄存器、二进制数，是字节的整数倍。通常它与计算机内部的寄存器、算术逻辑单元、数据总线宽度相一致。算术逻辑单元、数据总线宽度相一致。3.微处理器（微处理器（MPU)（1 1）算术逻辑运算单元（算术逻辑运算单元（ALU）：把传送到微处理器的数：把传送到微处理器的数据进行算术或逻辑运算。据进行算术或逻辑运算。（2 2）累加器累加器：是微处理机中最常用的寄存器。在算术和

5、逻：是微处理机中最常用的寄存器。在算术和逻辑运算时，它具有双重功能。运算前，它保存一个操作数，辑运算时，它具有双重功能。运算前，它保存一个操作数，运算后，它保存结果。运算后，它保存结果。（3 3）地址寄存器地址寄存器：是保存正在执行的操作要用到的存储单：是保存正在执行的操作要用到的存储单元或元或I/OI/O设备的地址的暂存单元。设备的地址的暂存单元。（4 4）程序计数器程序计数器：控制指令在程序中执行的顺序。任何时：控制指令在程序中执行的顺序。任何时刻，它均指示要取的下一字节存储单元。刻，它均指示要取的下一字节存储单元。4.存储器：存储器：是指内存储器（主存或内存）。它是微型计是指内存储器（主

6、存或内存）。它是微型计算机的存储和记忆装置，用来存放指令、原始数算机的存储和记忆装置，用来存放指令、原始数据、中间结果和最终结果。据、中间结果和最终结果。随机访问存储器随机访问存储器4.4.6.6.取指取指执指执指二、二、微机的工作原理微机的工作原理（1）运行程序）运行程序（2）取指阶段）取指阶段（3）执指阶段）执指阶段（4）停机）停机取指取指执指执指三、三、8086/8088微处理器的结构微处理器的结构1.概述概述 （1 1）性能的提高）性能的提高 （2 2）采用的方法）采用的方法2.8086/8088内部结构内部结构 （1 1）执行单元）执行单元 （2 2）总线接口单元）总线接口单元3.分

7、段访问内存分段访问内存1.1.概述概述（1 1）性能的提高）性能的提高 a.a.提高主频提高主频Evolution of Intels Microprocessors Product808580868088802868038680486Year introduced197619781979198219851989Clock rate(MHz)3-85-105-106-1616-3325-50No.transistors650029000290001300002750001.2millionPhysical memory64K1M1M16M4G4GInternal data bus8161616

8、3232External data bus8168163232Address bus162020243232Data type(bits)88,168,168,168,16,328,16,32b.b.改变体系结构改变体系结构 (1)(1)并行并行(2)(2)扩大寄存器的位数、增加寄存器的数量扩大寄存器的位数、增加寄存器的数量 （2 2）采用的方法）采用的方法 将将8086/8088微处理器分为两部分微处理器分为两部分l 执行单元（执行单元（EUExecution Unit）l 总线接口单元（总线接口单元（BIUBus Interface Unit）2.8086/8088内部结构内部结构 执行单

9、元执行单元（Execution Unit）总线接口单元总线接口单元（Bus Interface Unit）执行单元执行单元（Execution Unit):负责执行从负责执行从BIU的指令队列中得到的指令。的指令队列中得到的指令。(1)(1)16位算术逻辑运算单元位算术逻辑运算单元ALU(2)(2)16位标志寄存器位标志寄存器Flags Example:Show how the flag register is affected by the addition of 38H and 2FH.Solution:MOVBH,38H ADDBH,2FH38 0011 1000+2F 0010 111

10、167 0110 0111CF=0PF=0AF=1ZF=0SF=0Example:Show how the flag register is affected byMOV AL,9CHMOV DH,64HADDAL,DHSolution:9C1001 1100+640110 0100000000 0000CF=1PF=1AF=1ZF=1SF=0Example:Show how the flag register is affected byMOV AX,34F5HADDAX,95EBHSolution:34F50011 0100 1111 0101+95EB1001 0101 1110 101

11、1CAE01100 1010 1110 0000CF=0PF=0AF=1ZF=0SF=1Example:Show how the flag register is affected byMOV BX,AAAAHADDBX,5556HSolution:AAAA1010 1010 1010 1010+55560101 0101 0101 011000000000 0000 0000 0000CF=1PF=1AF=1ZF=1SF=0(3)(3)通用寄存器组通用寄存器组CategoryBitsRegister NameGeneral16AX,BX,CX,DX8AH,AL,BH,BL,CH,CL,DH,

12、DLPointer16SP(stack pointer),BP(base pointer)Index16SI(source index),DI(destination index)Segment16CS(code segment),DS(data segment)SS(stack segment),ES(extra segment)Instruction16IP(instruction pointer)Flag16FR(flag register)通用寄存器组：通用寄存器组：通用寄存器包括通用寄存器包括4 4个数据寄存器、两个地址指针寄存器个数据寄存器、两个地址指针寄存器和两个变址寄存器。和两

13、个变址寄存器。1 1）数据寄存器）数据寄存器AX、BX、CX、DX 数据寄存器一般用于存放参与运算的操作数或运算结数据寄存器一般用于存放参与运算的操作数或运算结果。每个数据寄存器都是果。每个数据寄存器都是16位的，但又可将高、低位的，但又可将高、低8 8位分别位分别作为两个独立的作为两个独立的8 8位寄存器来用。位寄存器来用。上述上述4个寄存器除了用来存放数据，它们各自都有自己个寄存器除了用来存放数据，它们各自都有自己的特定用途：的特定用途：AX（Accumulator）累加器：累加器：用该寄存器存放运算用该寄存器存放运算结果可使指令简化，提高指令的执行速度。此外，所有的结果可使指令简化，提高

14、指令的执行速度。此外，所有的I/O指令都使用该寄存器与外设端口交换信息。指令都使用该寄存器与外设端口交换信息。BX（Base）基址寄存器：基址寄存器：8086/8088CPU中有两中有两基址寄存器基址寄存器BX和和BP。BX用来存放操作数在内存中数据段用来存放操作数在内存中数据段内的偏移地址，内的偏移地址，BP用来存放操作数在堆栈段内的偏移地址。用来存放操作数在堆栈段内的偏移地址。CX（Counter）计数器：计数器：在设计循环程序时使用该在设计循环程序时使用该寄存器存放循环次数，可使指令简化，有利于提高程序的运寄存器存放循环次数，可使指令简化，有利于提高程序的运行速度。行速度。DX（Data

15、）数据寄存器：数据寄存器：在寄存器间接寻址的在寄存器间接寻址的I/O指令中存放指令中存放I/O端口地址。端口地址。2）地）地址指针寄存器址指针寄存器SP、BP SP（Stack Pointer）堆栈指针寄存器：堆栈指针寄存器：在使用堆栈操作指令在使用堆栈操作指令PUSH或或POP对堆栈进行操作时，每执行一次进栈或出栈操作，系统会自动将对堆栈进行操作时，每执行一次进栈或出栈操作，系统会自动将SP的内容减的内容减2 2或加或加2 2，以使其始终指向栈顶。，以使其始终指向栈顶。BP（Base Pointer）基址寄存器：基址寄存器：作为通用寄存器，它可以用来存放数作为通用寄存器，它可以用来存放数据，

16、但更经常更重要的用途是存放操作数在堆栈段内的偏移地址。据，但更经常更重要的用途是存放操作数在堆栈段内的偏移地址。3）变址寄存器变址寄存器SI、DI SI（Source Index）源变址寄存器：源变址寄存器：SI存放源串在数据段内的偏移地址。存放源串在数据段内的偏移地址。DI（Destination Index）目的变址寄存器：目的变址寄存器：DI存放目的串在附加数据段存放目的串在附加数据段内的偏移地址。内的偏移地址。总线接口单元总线接口单元（Bus Interface Unit）：）：负责完成负责完成CPU与存储器或与存储器或I/O设备之间的数据传送。设备之间的数据传送。（送出地址、从存储器

17、取指令、从存储器或端口读数据以及（送出地址、从存储器取指令、从存储器或端口读数据以及向端口或存储器写数据）向端口或存储器写数据）（1 1）指令队列寄存器）指令队列寄存器（2 2）段寄存器）段寄存器(CS,DS,SS,ES)（3 3）指令指针寄存器）指令指针寄存器（IP）（4 4）20位地址加法器位地址加法器（5 5）逻辑地址）逻辑地址（6 6）物理地址）物理地址（2）段寄存器段寄存器 8086/8088的的4个段寄存器分别为：个段寄存器分别为：CS（Code Segment）代码段寄存器：代码段寄存器：用来存储程序用来存储程序当前使用的代码段的段地址。当前使用的代码段的段地址。CS的内容左移的

18、内容左移4 4位再加上指位再加上指令指针寄存器令指针寄存器IPIP的内容就是下一条要读取的指令在存储器的内容就是下一条要读取的指令在存储器中的物理地址。中的物理地址。DS（Data Segment）数据段寄存器：数据段寄存器：用来存放程序用来存放程序当前使用的数据段的段地址。当前使用的数据段的段地址。DS的内容左移的内容左移4 4位再加上按位再加上按指令中存储器寻址方式给出的偏移地址即得到对数据段指指令中存储器寻址方式给出的偏移地址即得到对数据段指定单元进行读写的物理地址。定单元进行读写的物理地址。SS（Stack Segment）堆栈段寄存器：堆栈段寄存器：用来存放程序用来存放程序当前所使用

19、的堆栈段的段地址。堆栈是存储器中开辟的按当前所使用的堆栈段的段地址。堆栈是存储器中开辟的按“先进后出先进后出”原则组织的一个特殊存储区，主要用于调用子原则组织的一个特殊存储区，主要用于调用子程序或执行中断服务程序时保护断点和现场。程序或执行中断服务程序时保护断点和现场。ES（Extra Segment）附加数据段寄存器：附加数据段寄存器：用来存放用来存放程序当前所使用的附加数据段的段地址。附加数据段用来存程序当前所使用的附加数据段的段地址。附加数据段用来存放字符串操作时的目的字符串。放字符串操作时的目的字符串。（3）控制寄存器控制寄存器 IP（Instruction Pointer）指令指针寄

20、存器：指令指针寄存器：用来存放用来存放下一条要读取的指令在代码段内的偏移地址。用户程序不下一条要读取的指令在代码段内的偏移地址。用户程序不能直接访问能直接访问IP。3.分段访问内存的思想分段访问内存的思想（1 1）段：偏置段：偏置 的方法只要求一个的方法只要求一个1616位的数来表示一个段的位的数来表示一个段的基地址，同时也只要求一个用来访问段内任一单元的基地址，同时也只要求一个用来访问段内任一单元的1616位位的偏置。这意味着的偏置。这意味着8086只处理和存储只处理和存储1616位的值，而不是位的值，而不是2020位的值。这使得在位的值。这使得在8086中中8 8位或位或1616位存储器与

21、位存储器与1616位的寄位的寄存器的接口变得容易实现了。存器的接口变得容易实现了。（2 2）存储器分段易于保持用户程序和数据的彼此分离，并）存储器分段易于保持用户程序和数据的彼此分离，并且易于从一个用户程序切换到另一个用户程序。且易于从一个用户程序切换到另一个用户程序。（3 3）与）与8085完全兼容。完全兼容。四、四、8086/8088存储器和存储器和I/O的组织的组织8086/8088存储器的组织：存储器的组织：1、8086/8088存储空间存储空间 2、存储器的段结构存储器的段结构 3、逻辑地址于物理地址逻辑地址于物理地址 4、堆栈操作堆栈操作 5、8086/8088存储器结构存储器结构

22、8086/8088的的I/O组织组织1、8086/8088存储空间存储空间 8086/80888086/8088有有2020条地址线，可直接对条地址线，可直接对1M1M个存储单元个存储单元进行访问。每个存储单元存放一个字节型数据，且进行访问。每个存储单元存放一个字节型数据，且每个存储单元都有一个每个存储单元都有一个2020位的地址，这位的地址，这1M1M个存储单个存储单元对应的地址为元对应的地址为00000HFFFFFH00000HFFFFFH。一个存储单元中存放的信息称为该存储单元的内一个存储单元中存放的信息称为该存储单元的内容。容。00001H00001H单元的内容为单元的内容为9FH9F

23、H，记为：，记为：(00001H)=9FH(00001H)=9FH。2、存储器的段结构存储器的段结构 8086/8088 CPU中有关可用来存放地址的寄存器如中有关可用来存放地址的寄存器如IP、SP等都是等都是16位的，故只能直接寻址位的，故只能直接寻址64 KB。为了对。为了对1 M个个存储单元进行管理，存储单元进行管理，8086/8088采用了段结构的存储器管采用了段结构的存储器管理方法。理方法。8086/8088将整个存储器分为许多逻辑段，每个逻辑段将整个存储器分为许多逻辑段，每个逻辑段的容量小于或等于的容量小于或等于64 KB，允许它们在整个存储空间中浮，允许它们在整个存储空间中浮动，

24、各个逻辑段之间可以紧密相连，也可以互相重叠。动，各个逻辑段之间可以紧密相连，也可以互相重叠。用户编写的程序用户编写的程序(包括指令代码和数据包括指令代码和数据)被分别存储在代被分别存储在代码段、数据段、堆栈段和附加数据段中，这些段的段地址码段、数据段、堆栈段和附加数据段中，这些段的段地址分别存储在段寄存器分别存储在段寄存器CS、DS、SS和和ES中，而指令或数中，而指令或数据在段内偏移地址可由对应的地址寄存器或立即数给出。据在段内偏移地址可由对应的地址寄存器或立即数给出。如果从存储器中读取指令，则段地址来源于代码段寄存如果从存储器中读取指令，则段地址来源于代码段寄存器器CS，偏移地址来源于指令

25、指针寄存器，偏移地址来源于指令指针寄存器IP。如果从存储器读如果从存储器读/写操作数，则段地址通常由数据段寄存写操作数，则段地址通常由数据段寄存器器DS提供提供(必要时可通过指令前缀实现段超越，将段地址必要时可通过指令前缀实现段超越，将段地址指定为由指定为由CS、ES或或SS提供提供)，偏移地址则要根据指令中，偏移地址则要根据指令中所给出的寻址方式确定，这时，偏移地址通常由寄存器所给出的寻址方式确定，这时，偏移地址通常由寄存器BX、SI、DI以及立即数等提供，这类偏移地址也被称为以及立即数等提供，这类偏移地址也被称为“有效地址有效地址”(EA)。如果操作数是通过基址寄存器。如果操作数是通过基址

26、寄存器BP寻寻址的，则此时操作数所在段的段地址由堆栈段段寄存器址的，则此时操作数所在段的段地址由堆栈段段寄存器SS提供提供(必要时也可指定为必要时也可指定为CS、SS或或ES)。如果使用堆栈操作指令如果使用堆栈操作指令(PUSH或或POP)进行进栈或出栈操进行进栈或出栈操作，以保护断点或现场，则段地址来源于堆栈段寄存器作，以保护断点或现场，则段地址来源于堆栈段寄存器SS，偏移地址来源于堆栈指针寄存器，偏移地址来源于堆栈指针寄存器SP。如果执行的是字符串操作指令，则源字符串所在段的段如果执行的是字符串操作指令，则源字符串所在段的段地址由数据段寄存器地址由数据段寄存器DS提供提供(必要时可指定为必

27、要时可指定为CS、ES或或SS)，偏移地址由源变址寄存器，偏移地址由源变址寄存器SI提供；目的字符串所在提供；目的字符串所在段的段地址由附加数据段寄存器段的段地址由附加数据段寄存器ES提供，偏移地址由目提供，偏移地址由目的变址寄存器的变址寄存器DI提供。提供。以上这些存储器操作时段地址和偏移地址的约定是由系以上这些存储器操作时段地址和偏移地址的约定是由系统设计时事先已规定好的，编写程序时必须遵守这些约定。统设计时事先已规定好的，编写程序时必须遵守这些约定。缺省段和偏置：缺省段和偏置：3、逻辑地址与物理地址逻辑地址与物理地址 逻辑地址：逻辑地址：在在CPU内部对内部对RAM 或或 I/O 地址的

28、表示方式。（段基址：偏置）地址的表示方式。（段基址：偏置）偏置：偏置：表示所需代码或数据到段基地址的位移量表示所需代码或数据到段基地址的位移量。其范围从其范围从0000H0FFFFH。物理地址：物理地址：由由CPU 的的20位引脚输出的实际对位引脚输出的实际对RAM 或或 I/O 地址的表示方式。地址的表示方式。其范围从其范围从00000H0FFFFFH。例如，例如，代码段：代码段：要执行的下一条指令的地址在要执行的下一条指令的地址在CPU内部的表示为内部的表示为（CS:IP)。假设假设CS=24F6H，IP=634AH，则：，则：逻辑地址为逻辑地址为 24F6:634A偏置为偏置为 634A

29、物理地址为物理地址为 PA=24F6*10H+634A=24F60+634A=2B2AA数据段：数据段：指令要操作的数据的地址在指令要操作的数据的地址在CPU内部的表示方式为内部的表示方式为（DS:offset)假设假设DS=7FA2H,offset=438EH，则：则：逻辑地址为逻辑地址为 7FA2:438E偏置偏置（offset）为为 438E物理地址为物理地址为PA=7FA2*10H+438E=7FA20+438E=83DAE堆栈段：堆栈段：假设假设SS=3500H，SP=0FFFEH，则：则：逻辑地址为逻辑地址为 SS:SP 即即 3500:0FFFE偏置为偏置为 0FFFEH物理地址

30、为物理地址为 SS*10H+SP 即即 PA=3500H*10H+0FFFEH=35000H+0FFFEH=44FFEH缺省段和偏置：缺省段和偏置：4、堆栈操作堆栈操作 堆栈段：堆栈段：CPU用来临时存储信息的用来临时存储信息的RAM区域。其特点是先进后出。区域。其特点是先进后出。假设：假设：SP=1236,AX=24B6,DI=85C2,DX=5F93 执行指令执行指令 PUSH AX PUSH DI PUSH DX .POP DX POP DI POP AX5、8086/8088存储器结构存储器结构 8086的的1 MB存储空间实际上分为两个存储空间实际上分为两个512 KB的存储体，的存

31、储体，又称存储库，分别叫高位库和低位库，如图所示。低位库又称存储库，分别叫高位库和低位库，如图所示。低位库与数据总线与数据总线D7 D0相连，该库中每个存储单元的地址为偶相连，该库中每个存储单元的地址为偶数地址；高位库与数据总线数地址；高位库与数据总线D15 D8相连，该库中每个存储相连，该库中每个存储单元的地址为奇数地址。地址总线单元的地址为奇数地址。地址总线A19 A1可同时对高、低可同时对高、低位库的存储单元寻址，位库的存储单元寻址，A0和和BHE用于对库的选择，分别连用于对库的选择，分别连接到库选择端接到库选择端SEL上。当上。当A0=0时，选择偶数地址的低位库；时，选择偶数地址的低位库；当当BHE=0时，选择奇数地址的高位库；当两者均为时，选择奇数地址的高位库；当两者均为0时，则时，则同时选中高低位库。利用同时选中高低位库。利用A0和和BHE这两个控制信号，既可这两个控制信号，既可实现对两个库进行读实现对两个库进行读/写写(即即16位数据位数据)，也可单独对其中一，也可单独对其中一个库进行读个库进行读/写写(8位数据位数据)。高位(奇地址)库512 K8D15D8A19A1SELBHE低位(偶地址)库512 K8D7D0A19A1SELD15D8D7D0A0A19A1