第二章微型计算机系统结构课件.ppt

1、1234DISIBPSPDLDHCLCHBLBHALAHDISIBPSPDLDHCLCHBLBHALAH算逻部件CSSSDSESCSSSDSES标志寄存器执行部件控制系统654321654321总线控制逻辑加法器8086微处理器的内部结构EUBIU数据20位地址指令队列IP567891011 CS（代码段寄存器）、（代码段寄存器）、DS（数据段寄存器）、（数据段寄存器）、ES（附加段寄存器）（附加段寄存器）SS（堆栈段寄存器）。（堆栈段寄存器）。当前代码段当前代码段 当前数据段当前数据段 当前附加段当前附加段 当前堆栈段当前堆栈段。121314 PF=1表示本次运算中低表示本次运算中低8位有偶

2、数个位有偶数个“1”；PF=0表示有奇数个表示有奇数个“1”。ZF=1表示本次运算结果为零，否则表示本次运算结果为零，否则ZF=0SF=0为正数；为正数；SF=1为负数。为负数。OF=1表示本次运算结果产生溢出，否则表示本次运算结果产生溢出，否则OF=0。所谓溢出就是指运算结果超出了相应类型数据所能表示的范。所谓溢出就是指运算结果超出了相应类型数据所能表示的范围。围。15 DF=0则串操作指令的地址自动增量；则串操作指令的地址自动增量；若若DF=1，则自动减量。，则自动减量。IF=1,则允许则允许CPU响应可屏蔽中断；响应可屏蔽中断；IF=0，则，则CPU不能响应可屏蔽中断。不能响应可屏蔽中断

3、。若若TF=1，则，则CPU进入单步工作方式，即进入单步工作方式，即CPU每执每执行一条指令就自动产生一次内部中断；行一条指令就自动产生一次内部中断；TF=0,则则CPU正常执行。正常执行。16171819 地址总线地址总线 数据总线数据总线 时钟信号时钟信号 中断信号中断信号 就绪就绪/等待信号等待信号 最小模式引脚最小模式引脚 最大模式引脚最大模式引脚202122Intel808823Intel808824Intel808825Intel808826Intel808827Intel80882829Intel808830Intel8088RDWRIOM/31Intel808832Intel8

4、0883334Intel808835Intel808836Intel808837Intel8088S5用来表示中断标志状态用来表示中断标志状态线，当线，当IF为为1时，时，S5=1。S6保持恒为保持恒为0。387/SBHE39RDWRIOM/40TESTRDT/DENINTA41012,SSSLock10/,/GTRQGTRQMXMN/42 直接寻址内存空间为直接寻址内存空间为220=1M字节，按（字节，按（00000H-FFFFFH）编址。编址。直接寻址外设空间为直接寻址外设空间为216=64K字节，按（字节，按（0000H-FFFFH）编址。编址。F8086 CPU连接的连接的1M字节存储

5、器的空间实际上分成字节存储器的空间实际上分成两个两个512KB的存储体，偶体与的存储体，偶体与CPU的的D0D7相连奇相连奇体与体与CPU的的D8D15相连。相连。FA0和和/BHE信号用于选择两体（之一或两者）。信号用于选择两体（之一或两者）。F如下页：如下页：43图2.4 存储体与总线的连接44454647488088A0A7D0D74950RDWRM/IOIORMEMRIOWMEMW5152535455565758机器周期指令周期59 60图 2.11 8086/8088的复位时序616263图 2.12 最小模式下的读操作时序64MOV AX，0000HMOV DS，AX1）ALE变高

6、，将0000:8000H放到AD0AD19信号线上；译码器对其译码产生存储器选择信号2）发出M/IO信号（高），发出RD信号为低3）被选择的存储器将数据放到AD0AD7信号线4）CPU在RD上升沿将AD0AD7信号线的数据读入CPU内部AL寄存器。65图 2.13 8086最小模式写操作时序66图 2.14 8086最大模式的读操作时序67S2 S0有效数据地址S6 S3A19 A16CLK一个总线周期T1T2T3T4A19/S6 A16/S3AD15 AD0BHE/S7BHEALEMWTC/IOWCDENDT/R 8086最大模式的写总线周期高阻S2 S0AMWC/AIOWC68最小模式下的

7、总线保持（了解）最小模式下的总线保持（了解）在DMA控制器8237部分解释6970MOV DX，0220H（1）将0200H放到AD0AD19信号线上；译码器对其译码产生外设选择信号（2）发出M/IO信号（低），发出RD信号为低（3）被选择的外设将数据放到AD0AD7信号线（4）CPU在RD上升沿将AD0AD7信号线的数据读入CPU内部AL寄存器71AB译码器锁存器存储器接口或外设接口DBCPU0200HM/IORD72 MOV DX，200H MOV AL，00H REPT：OUT DX，AL DEC AL JMP REPT7374757677 指令预取部件、指令预取部件、指令译码部件、指令

8、译码部件、指令执行部件、指令执行部件、分段部件、分段部件、分页部件和分页部件和 总线接口部件总线接口部件78IPU中设置了一个中设置了一个16字节的指令队列，只要指令队列有空字节，字节的指令队列，只要指令队列有空字节，IPU就向总就向总线接口部件提出请求，若总线接口部件处于空闲状态，则从存储器中取出线接口部件提出请求，若总线接口部件处于空闲状态，则从存储器中取出指令装入指令队列。指令装入指令队列。IDU的作用就是对指令操作码进行译码，实现从指令到微指令的转换。的作用就是对指令操作码进行译码，实现从指令到微指令的转换。IDU中设置了译码指令队列，译码得到的微指令存放在该队列中。中设置了译码指令队

9、列，译码得到的微指令存放在该队列中。EU包括算术逻辑运算部件包括算术逻辑运算部件ALU、8个个32位通用寄存器和位通用寄存器和1个个64位桶形移位寄位桶形移位寄存器和存器和1个乘个乘/除法器，其功能就是完成各种数据运算和处理。此外，除法器，其功能就是完成各种数据运算和处理。此外，EU还还包括保护测试部件，用于检验指令执行过程中是否符合存储器分段规则。包括保护测试部件，用于检验指令执行过程中是否符合存储器分段规则。7980386采用了分段、分页两级存储管理机制，存储器首先以段为单采用了分段、分页两级存储管理机制，存储器首先以段为单位进行划分，每个段的长度最大为位进行划分，每个段的长度最大为4GB

10、，每个段又进一步划分为多，每个段又进一步划分为多个页面，页面长度固定为个页面，页面长度固定为4KB。PU的作用是将的作用是将SU生成的线性地址转换为存储器的物理地址，这种生成的线性地址转换为存储器的物理地址，这种转换是通过两级页表来实现的。转换是通过两级页表来实现的。PU是是80386的可选部件，若不使用的可选部件，若不使用PU，则，则SU生成的线性地址就是物理地址。生成的线性地址就是物理地址。SU和和PU合称为存储管合称为存储管理部件理部件MMU（Memory Management Unit）。）。BIU是是80386与外部之间的高速接口。当指令预取部件取指令，或与外部之间的高速接口。当指令

11、预取部件取指令，或者指令执行部件读写操作数和运算结果时，都会向者指令执行部件读写操作数和运算结果时，都会向BIU提出访问存提出访问存储器和储器和I/O设备的请求，设备的请求，BIU根据一定的优先级来响应这些请求，根据一定的优先级来响应这些请求，产生所需要的地址信号和读写控制信号，以完成有关操作。此外，产生所需要的地址信号和读写控制信号，以完成有关操作。此外，BIU也实现了也实现了80386与其它协处理器之间的控制功能。与其它协处理器之间的控制功能。8080386有有8个个32位的位的通用寄存器通用寄存器,分别是分别是EAX、EBX、ECX和和EDX，以，以及及ESP、EBP、ESI和和EDI，

12、32位的位的标志寄存器标志寄存器EFLAGS也是由也是由16位的标志寄存器位的标志寄存器FLAGS扩展而扩展而来的。原有的来的。原有的9个标志含义相同，在此基础上又增加了个标志含义相同，在此基础上又增加了4个新的标志。个新的标志。8132位的位的标志寄存器标志寄存器EIP用于存放下一用于存放下一条指令的偏移量，条指令的偏移量，当兼容当兼容8086时，其时，其低低16位就是位就是IP寄存寄存器。器。8280386设置了设置了8个个32位的位的调试寄存器调试寄存器DR0 DR7，其中，其中DR4 DR5为为Intel公司保留，而其它公司保留，而其它6个寄存器用于设置断点和调试功能。个寄存器用于设置

13、断点和调试功能。80386使用了两个使用了两个测试寄存器测试寄存器TR6和和TR7，用于测试，用于测试TLB（Translation Lookaside Buffer）。其中）。其中TR6存放测试控制命令，而存放测试控制命令，而TR7存放测试所得数据。存放测试所得数据。83 系统地址寄存器包括全局描述符表寄存器系统地址寄存器包括全局描述符表寄存器GDTR、中断描述符表寄存、中断描述符表寄存器器IDTR、局部描述符表寄存器、局部描述符表寄存器LDTR和任务状态段寄存器和任务状态段寄存器TR。设置这些寄存器的目的是为了便于对各个描述符表进行访问，它们分设置这些寄存器的目的是为了便于对各个描述符表进

14、行访问，它们分别保存着对应描述符表的存储地址。别保存着对应描述符表的存储地址。系统地址寄存器的内容和作用在后续章节详细介绍。系统地址寄存器的内容和作用在后续章节详细介绍。80386与与8086一样，段寄存器也是一样，段寄存器也是16位的，但增加了两个附加数据段寄位的，但增加了两个附加数据段寄存器存器FS和和GS。在实地址方式中，在实地址方式中，80386物理地址的计算与物理地址的计算与8086相同。但在保护方式下，相同。但在保护方式下，段寄存器的作用则不同，其内容和作用在后续章节详细介绍。段寄存器的作用则不同，其内容和作用在后续章节详细介绍。84 （386下执行86代码，某个任务）85 808

15、6工作模式，只采用分段方式，每段固定长度为工作模式，只采用分段方式，每段固定长度为64KB，20位物理位物理地址由段寄存器内容左移地址由段寄存器内容左移4位后与偏移量相加得到。不同之处是位后与偏移量相加得到。不同之处是80386可以进行可以进行32位数据的运算和处理。复位后进入实地址方式，位数据的运算和处理。复位后进入实地址方式，80386在保护方式下采用了段页式的存储管理机制，提供保护机制，在保护方式下采用了段页式的存储管理机制，提供保护机制，支持虚拟存储和多任务操作系统。保护方式是支持虚拟存储和多任务操作系统。保护方式是80386最常用的方式。最常用的方式。80386在虚拟在虚拟8086方

16、式同样采用段页式存储管理机制，具有护功能，方式同样采用段页式存储管理机制，具有护功能，可以支持多任务。可以支持多任务。虚拟虚拟8086方式是针对多个任务中的某一个任务而言的，也就是说在方式是针对多个任务中的某一个任务而言的，也就是说在多个任务中，某一个任务是在虚拟多个任务中，某一个任务是在虚拟8086方式，而另一些任务可以在方式，而另一些任务可以在保护方式。保护方式。当一个任务工作在虚拟当一个任务工作在虚拟8086方式时，可以直接执行方式时，可以直接执行8086的代码。的代码。8687修订：BE3-BH388F图图2.19给出了给出了80386的存储管理机制的实现原理。的存储管理机制的实现原理

17、。F用户程序在访问存储器时给出的是用户程序在访问存储器时给出的是48位虚拟地址（或称为逻位虚拟地址（或称为逻辑地址），由辑地址），由16位的段选择子（位的段选择子（Segment Selector）和）和32位偏移量位偏移量两部分组成，段选择子由段寄存器给出，而偏移量则根据不两部分组成，段选择子由段寄存器给出，而偏移量则根据不同的寻址方式得到。同的寻址方式得到。89 描述符又称为段描述符，由描述符又称为段描述符，由8个字节构成，用于对程序段个字节构成，用于对程序段进行描述，向进行描述，向CPU提供虚拟地址并向实地址转换所需的数提供虚拟地址并向实地址转换所需的数据；据；包括段的基地址、段的大小和

18、段的属性包括段的基地址、段的大小和段的属性(称访问权字段称访问权字段)。图图2.21说明了段描述符的格式。说明了段描述符的格式。90 386的段限长是的段限长是32位，但在段描述符中只规定了位，但在段描述符中只规定了20位，根据此位，根据此20位限长位限长及段属性中的及段属性中的G位位计算出真正的段限长。计算出真正的段限长。在不使用分页机制时（在不使用分页机制时（G=0），则长度单位为字节，段的最大长度为），则长度单位为字节，段的最大长度为1B220=1MB；在启用分页机制时（在启用分页机制时（G=1），则长度单位是页面数（每页），则长度单位是页面数（每页4KB），因），因此段的最大长度为此段

19、的最大长度为4KB220=4GB。例如，例如，G=1时的段基址时的段基址00000000H，限长，限长0FFFFFH，则真实的段，则真实的段限长限长0FFFFFH*1000H+0FFFH0FFFFFFFFH。91 A访问位，访问位，A=1表示已经访问过该段，操作系统利用该位统计表示已经访问过该段，操作系统利用该位统计段的使用情况。段的使用情况。S描述符类型位，若描述符类型位，若S=1，则为，则为非系统描述符非系统描述符，所描述的段是代，所描述的段是代码段、数据段（包括堆栈段）；若码段、数据段（包括堆栈段）；若S=0，则为，则为系统描述符系统描述符，所描述，所描述的是局部描述符表、任务状态段和各

20、种门。的是局部描述符表、任务状态段和各种门。TYPE段类型，用于说明对应的段的类型，包括是否为可执行的段类型，用于说明对应的段的类型，包括是否为可执行的代码段、存储地址增长的方向、该段是否可以进行写操作等。代码段、存储地址增长的方向、该段是否可以进行写操作等。DPL描述符的特权级（描述符的特权级（Descriptor Privilege level），用于特权检），用于特权检查，以决定对该段能否访问。查，以决定对该段能否访问。P存在位，当存在位，当P=1时，说明对应的存储段已经装入内存。时，说明对应的存储段已经装入内存。D操作数长度标志，仅用于代码段描述符，当操作数长度标志，仅用于代码段描述符

21、，当D=1时，说明对时，说明对应的代码段的代码是应的代码段的代码是32位的，而当位的，而当D=0则为则为16位。位。92 这些表都是可变长度的存储器数组，表的长度从这些表都是可变长度的存储器数组，表的长度从8B64KB之间，每个表最多可容纳之间，每个表最多可容纳8192个描述符（每个描述个描述符（每个描述符由符由8B组成）。组成）。中断描述符表中断描述符表IDT存放的是描述中断服务程序入口地址等存放的是描述中断服务程序入口地址等有关属性的门描述符，包括中断门、陷阱门和任务门。有关属性的门描述符，包括中断门、陷阱门和任务门。939495 选择子选择子16位（用户可见）位（用户可见）描述符描述符6

22、4位（用户不可见）位（用户不可见）9697Index9899100 MOV FS:IOTA，AL MOV EAX，DS:EBX 101 首先，首先，CPU将逻辑地址中的段选择子装入段寄存器中；将逻辑地址中的段选择子装入段寄存器中；其次，硬件根据选择子的其次，硬件根据选择子的TI字段自动访问局部描述符表字段自动访问局部描述符表LDT或全局描述符表或全局描述符表GDT；然后，获取然后，获取LDT或或GDT中的描述符，进行段限比较；中的描述符，进行段限比较；最后，根据描述符的基地址和程序给出的偏移地址，计算最后，根据描述符的基地址和程序给出的偏移地址，计算得到线性地址。得到线性地址。10210310

23、4105106107108109110111112转换实例转换实例113114双芯双芯 双核双核 115（1）立即寻址方式（）立即寻址方式（Immediate addressing）（2）寄存器寻址方式（）寄存器寻址方式（Register addressing）（3）直接寻址方式（）直接寻址方式（Direct addressing）（4）寄存器间接寻址方式）寄存器间接寻址方式（5）寄存器相对寻址方式）寄存器相对寻址方式 （6）基址变址寻址方式）基址变址寻址方式 （7）相对基址变址寻址方式）相对基址变址寻址方式 116（1）段内直接寻址）段内直接寻址（2）段内间接寻址）段内间接寻址（3）段间直接

24、寻址）段间直接寻址（4）段间间接寻址）段间间接寻址 SHORT表示位移量在表示位移量在-128127字节之间。字节之间。NEAR表示在同一段内转移，位移量在表示在同一段内转移，位移量在-3276832767字节字节范围内。范围内。FAR表示转移距离超过表示转移距离超过32K字节，或是在不同段之间转字节，或是在不同段之间转移。移。117指令名称指令名称源操作数源操作数目标操作数目标操作数功能说明与实例功能说明与实例MOV寄存器寄存器寄存器寄存器寄存器间传递数据，如寄存器间传递数据，如MOV AL,CHMOV寄存器寄存器常量常量常量传给寄存器，如常量传给寄存器，如MOV AX,86HMOV存储地址

25、存储地址寄存器寄存器寄存器间传给内存，如寄存器间传给内存，如MOV 1808H,AXMOV寄存器寄存器存储地址存储地址内存传给寄存器，如内存传给寄存器，如MOV AL,1988HINALI/O端口端口端口号小于端口号小于FFH时读时读I/O端口数据，如端口数据，如IN AL,22HINALDX端口号大于端口号大于FFH时读时读I/O端口数据，如端口数据，如IN AL,DXOUTI/O端口号端口号AL端口号小于端口号小于FFH时写时写I/O端口，如端口，如OUT 22H,ALOUTDX AL端口号大于端口号大于FFH时写时写I/O端口，如端口，如OUT DX,ALJNZ标号标号结果不为零转移，如

26、结果不为零转移，如JNZ REPT1JZ标号标号结果为零转移，如结果为零转移，如JZ REPT2CMP寄存器寄存器寄存器寄存器比较两个寄存器的值，相等置比较两个寄存器的值，相等置ZF标志标志CMP寄存器寄存器常量常量比较寄存器和常量值，相等置比较寄存器和常量值，相等置ZF标志标志CMP寄存器寄存器存储地址存储地址比较寄存器和内存单元的值，相等置比较寄存器和内存单元的值，相等置ZF标志标志TEST寄存器寄存器常量常量比较寄存器与常量的值，仅设置比较寄存器与常量的值，仅设置ZF标志标志AND寄存器寄存器常量常量寄存器的值与常量进行与运算，设置寄存器的值与常量进行与运算，设置ZF标志标志OR寄存器寄

27、存器常量常量寄存器的值与常量进行或运算，设置寄存器的值与常量进行或运算，设置ZF标志标志LOOP标号标号当寄存器当寄存器CX的值不为零时，转标号，否则向后执行的值不为零时，转标号，否则向后执行118 Intel公司的公司的8031/8051/8052/80C51等普通等普通8位单片机；位单片机；Intel公司的公司的8096/8098/80196等普通等普通16位单片机；位单片机；Atmel公司的公司的AVR系列增强型系列增强型8位位/16位单片机位单片机Mega64/128L/128/192/256等；等；ARM公司等的公司等的ARM7/9/11等等32位单片机。位单片机。119120121

28、122123124S1S2S3S4S5S61个机器周期P1P2ALE读操作码空读S1S2S3S4S5S61个机器周期P1P2ALE读操作码读第二字节(a)单字节单周期指令时序(b)双字节单周期指令时序125S1S2S3S4S5S6第1机器周期P1P2ALE读操作码空读3次S1S2S3S4S5S6第2机器周期图2-33 单字节双周期指令时序S1S2S3S4S5S6第1机器周期P1P2ALE读操作码空读S1S2S3S4S5S6第2机器周期数据地址及选通图2-34 访问外部RAM的双周期指令时序126127 1、片内程序存储器；、片内程序存储器；2、片外程序存储器；、片外程序存储器；3、片内数据存储

29、器；、片内数据存储器；4、片外数据存储器、片外数据存储器 1、片内外统一编址的、片内外统一编址的64K的程序存储器地址空间的程序存储器地址空间（MOVC）；）；2、256B的片内数据存储器的地址空间（的片内数据存储器的地址空间（MOV）；）；3、以及、以及64K片外数据存储器的地址空间（片外数据存储器的地址空间（MOVX）。）。128SFR129130 单字节指令：指令只有一个字节，操作码和操作数同在一个字节中。单字节指令：指令只有一个字节，操作码和操作数同在一个字节中。在在80C51系列的指令系统中，共有系列的指令系统中，共有49条单字节指令。条单字节指令。双字节指令：双字节指令包括两个字节

30、。其中一个字节为操作码，另双字节指令：双字节指令包括两个字节。其中一个字节为操作码，另一个字节是操作数。在一个字节是操作数。在80C51系列的指令系统中，共有系列的指令系统中，共有45条双字节指条双字节指令。令。三字节指令：在三字节指令中，操作码占一个字节，操作数占两个字三字节指令：在三字节指令中，操作码占一个字节，操作数占两个字节。其中操作数既可能是数据，也可能是地址。在节。其中操作数既可能是数据，也可能是地址。在80C51系列的指令系列的指令系统中，共有系统中，共有17条三字节指令。条三字节指令。131 片内：片内：MOV A，R1 片外：片外：MOVX A，DPTR 变址寻址指令只有三条：变址寻址指令只有三条：MOVC A，A+DPTR；MOVC A,A+PC；JMP A+DPTR132133134135136