8086的硬件结构特点解析课件.ppt
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- 8086 硬件 结构 特点 解析 课件
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1、1 8086/8088 CPU 内部结构 2 8086/8088 CPU 引脚及功能 3 8086/8088 CPU 系统组织 4 8086/8088 CPU 时序 5 80X86/Pentium 微处理器CPU CPU 结构与特点结构与特点一、一、8086/8088 CPU结构结构EU:执行部件(8086/8088)BIU:总线接口部件(8086的不同于8088的)由两部分组成8086 BIU:指令队列6个字节,外部数据总线16位。8088 BIU:指令队列4个字节,外部数据总线8位。EU:执行指令.BIU:取指、读操作数、写结果.两部分相互独立 在大多数情况下,取指、执指的操作并行。这消除
2、了许多取在大多数情况下,取指、执指的操作并行。这消除了许多取指时间,从而提高了系统总线的使用效率,改善了系统性能。指时间,从而提高了系统总线的使用效率,改善了系统性能。8080X86/Pentium X86/Pentium 微处理器微处理器自1971年INTEL 4004问世以来,微处理器的发展速度惊人。1 8086/8088 CPU内部结构n8086/8088微处理器微处理器n8086/8088微处理器是微处理器是Intel公司推出的第三代公司推出的第三代CPU芯芯片,它们的内部结构基本相同,都采用片,它们的内部结构基本相同,都采用16位结构进行操位结构进行操作及存储器寻址,但外部性能有所差
3、异,两种处理器都封作及存储器寻址,但外部性能有所差异,两种处理器都封装在相同的装在相同的40脚双列直插组件中。脚双列直插组件中。CHDHDISPBPSI65标志 FR3EU控制系统运算寄存器ALU1 24DSSSES总线控制逻辑IPCS内部RegBHAHDLCLALBL地址总线20位地址加法 数据总线外部总线指令队列通用寄存器ALU数据总线80888086AXBXCXDX8080X86/Pentium X86/Pentium 微处理器微处理器负责全部指令的执行;向BIU输出(地址及结果)数据;对Reg及PSW进行管理。(2)功能1.EU(Execution Unit,含有含有ALU及部分及部分
4、Reg.)数据寄存器:AX,BX,CX,DX (16位)8个通用寄存器 变址寄存器:SI,DI 算术逻辑运算部件ALU 16 位加法器,用于对寄存器和指令操作数进行算术或逻辑运算位加法器,用于对寄存器和指令操作数进行算术或逻辑运算.标志寄存器PSW 9个标志位,其中个标志位,其中6个条件标志位用于存放结果状态个条件标志位用于存放结果状态.运算寄存器 EU控制系统(1)组成AH,AL,BH,BL,CH,CL,DH,DL(8位)指示器:SP,BP接收接收从从BIU的的指令队列中取来的指令代码指令队列中取来的指令代码,译码并向译码并向 EU 内各有关部分内各有关部分发出时序命令信号发出时序命令信号,
5、协调执行指令规定的操作协调执行指令规定的操作。8080X86/Pentium X86/Pentium 微处理器微处理器2.BIU(Bus Interface Unit,8086/8088同外部设备的接口部件)同外部设备的接口部件)完成所有外部总线的操作,提供总线控制信号。具体地说,完成:取指、指令排队、读写操作数、地址转换(将取指、指令排队、读写操作数、地址转换(将两个两个16位地址相加位地址相加 20位物理地址),总线控制。位物理地址),总线控制。代码段Reg:CS 堆栈段Reg:SS 数据段Reg:DS 附加段Reg:ES (1)组成 指令指针寄存器IP(下一条要取的指令在当前代 码段内的
6、偏移量)4个段寄存器 指令队列Queue 20位地址加法器 总线控制逻辑 内部通信寄存器(2)功能8080X86/Pentium X86/Pentium 微处理器微处理器(3)指令队列 BIU使用指令队列实现流水线操作。当指令队列中有2个或2个(1个)以上的字节空间,且EU未申请读写存储器,则BIU顺序预取后续指令代码 Queue。(1)若是运算操作:操作数 暂存器 ALU;运算结果 经“ALU总线”相应Reg、并置PSW。(2)若从外设取数:EU BIU 访问MEM 或 I/O 内部通信寄存器 向“ALU数据总线”传 送 数据。3.EU的工作过程的工作过程从BIU指令队列中取指 译码电路分析
7、 相应控制命令 控制数据经过“ALU数据总线”的流向:8080X86/Pentium X86/Pentium 微处理器微处理器字长字长:16位/准16位。时钟频率时钟频率:8086/8088标准主频为5MHz,8086/8088-2主频为8MHz。数据、地址总线复用数据、地址总线复用。最大内存容量最大内存容量:1MB。基本寻址方式基本寻址方式:8种。指令系统指令系统:99条基本汇编指令。除能完成数据传送、算术运算、逻辑运算、控制转 移和处理器控制功能外,还设有硬件支持乘除法指令 和串处理指令。可以对位、字节、字、字节串、字串、压缩和非压 缩BCD码等多种数据类型进行处理。端口地址端口地址:16
8、位I/O端口地址可寻址64K端口地址。中断功能中断功能:可处理内部软件中断和外部硬件中断源达256个。支持单片支持单片CPUCPU或多片或多片CPUCPU系统工作系统工作。二、二、特点特点1.8086/8088 CPU 主要性能8080X86/Pentium X86/Pentium 微处理器微处理器 通常情况下,IP中包含下一条要取出的指令在现行代码段内的偏移量。所以,只要是顺序执行,队列机构中的指令就是紧接在现行执行指令后的逻辑上的指令。如果如果EU执行转移指令,则执行转移指令,则BIU清除队列机构,从新地址取出清除队列机构,从新地址取出指令,并立即送指令,并立即送EU执行。然后,从后续的指
9、令序列中取指令填满执行。然后,从后续的指令序列中取指令填满队列。队列。2.特点取取指指取取指指取取指指取取指指得得到到数数据据等等待待执执行行执执行行执执行行执执行行(1)取指执指重叠并行 在一条指令的执行过程中可以取出下一条(或多条)指令,在一条指令的执行过程中可以取出下一条(或多条)指令,指令在指令队列中排队(指令在指令队列中排队(预取下一条指令的技术称指令流水线)预取下一条指令的技术称指令流水线);在一条指令执行完成后,就可以立即执行下一条指令,减少CPU为取指令而等待的时间,提高CPU的利用率和整个运行速度。8080X86/Pentium X86/Pentium 微处理器微处理器(i)
10、存储器空间 20根地址线 220=1M Byte(2)段寄存器和存储器分段 8086/8088率先打破微处理器只能访问率先打破微处理器只能访问64KB存储空间的限存储空间的限制,可寻址制,可寻址1MB。0000000000H H FFFFFHFFFFFH A19地地 址址A010 010111001011010101972D5H 将存储器分成将存储器分成4 4个段,存放三类信息:个段,存放三类信息:代码、数据、中间结果和断点地址。代码、数据、中间结果和断点地址。12H972D5H段(972D5H)=12H8080X86/Pentium X86/Pentium 微处理器微处理器+物理地址=段址1
11、0H+偏址段址段址 段寄存器段寄存器 CSCS、DSDS、ESES、SS SS 1616偏址偏址 BXBX、BPBP、SISI、DIDI、符号地址符号地址 1616指令地址指令地址(CS)*10H+(IP)数据地址数据地址 (DS)*10H+EA堆栈地址堆栈地址(SS)*10H+(SP)附加段地址附加段地址(ES)*10H+EA(ii)4个段寄存器CS、DS、SS、ES 分别指示存储区起始地址(段基地址),用来用来识别当前可寻址的识别当前可寻址的 四个段,不可互换使用四个段,不可互换使用。(iii)存储单元的逻辑地址和物理地址逻辑地址逻辑地址 段基地址 0000HFFFFH 偏移地址 指某段内
12、指令存放的单元到段基地 址的距离(0000HFFFFH)CPU访问存储器时,送出访问存储器时,送出00000HFFFFFH间的一个间的一个20位的物理地址。位的物理地址。8080X86/Pentium X86/Pentium 微处理器微处理器段基址段基址0 0 0 00 0 0 03 2 1 03 2 1 015 015 0偏移地址偏移地址基址加法器基址加法器物理地址物理地址0 015150 01919 物理地址的形成物理地址的形成.2000020000H H2525F60HF60H2525F61HF61H2525F62HF62H2525F63HF63H20002000H H段基址段基址逻逻辑
13、辑地地址址段内偏移地址段内偏移地址5 5F62HF62H逻辑地址与物理地址逻辑地址与物理地址物理地址与逻辑地址的关系如下图:8080X86/Pentium X86/Pentium 微处理器微处理器段缺省和段替换规则:段缺省和段替换规则:分段结构对初学者带来不便,段寄存器名不出现在指令机器码和汇编格式中,操作性质隐含指定,这就是“段缺省”。其次,段寄存器和指针、变址寄存器有较固定的配用关系,即搭配规则;最后,在指令之前加上“CS”,”DS”,”SS”等前缀,以指定的段寄存器替代隐含的段寄存器,也存在替换规则。(ES)16d+(DI)DI无ES目标字符串(DS)16d+(SI)SICS,ES,SS
14、DS源字符串(DS)16d+EA有效地址EACS,ES,SSDS存取变量(SS)16d+EA有效地址EACS,DS,ESSSBP间址(SS)16d+(SP)SP无SS堆栈操作(CS)16d+(IP)IP无CS取指令物理地址计算偏移地址可替换段地址正常使用(隐含)段基址操作类型8080X86/Pentium X86/Pentium 微处理器微处理器代代 码码 段段数数 据据 段段堆堆 栈栈 段段C CS SI IP PD DS SS SI I,D DI I或或 B BX XS SS SS SP P或或 B BP P段寄存器和其他寄存器组合指向存储单元示意图段寄存器和其他寄存器组合指向存储单元示意
15、图8080X86/Pentium X86/Pentium 微处理器微处理器(iv)存储器分段的一般规律:a.可独立分开(最大不重叠16个段)b.连续 c.重叠(部分重叠或完全重叠)如:数据段和附加段完全重叠,堆栈段和附加段部分重叠。因此对一个具体的存储单元,可以属于一个逻辑段,也可以同时属于几个逻辑段。8080X86/Pentium X86/Pentium 微处理器微处理器(3)部分管脚功能双重定义以适用多处理器控制寄存器控制寄存器8位寄存器位寄存器 IP FLAG CS DS SS ES 代码段寄存器代码段寄存器 数据段寄存器数据段寄存器 堆栈段寄存器堆栈段寄存器 附加段寄存器附加段寄存器
16、AH AL BH BL CH CL DH DL AX BX CX DX SP BP SI DI 累加器累加器 基地址寄存器基地址寄存器 计数器计数器 数据寄存器数据寄存器 堆栈指针寄存器堆栈指针寄存器 基地址寄存器基地址寄存器 源变址寄存器源变址寄存器 目的变址寄存器目的变址寄存器 (PC)指令指针寄存器指令指针寄存器(PSW)状态标志寄存器状态标志寄存器 段寄存器段寄存器16位寄存器位寄存器通用寄存器通用寄存器寄存器组(寄存器组(Register Set)2.1.2 2.1.2 寄存器的配置寄存器的配置8080X86/Pentium X86/Pentium 微处理器微处理器 (1)用途:存放
17、8位或16位操作数或中间结果,以提高CPU的 运算速度(减少存取MEM的时间)其中,AX是CPU使用最多的一个寄存器,功能最强。AX的作用:i)ALU之前保存一个操作数,ALU之后保存结果。ii)CPU与 I/O、MEM交换数据所用到的最多的寄存器。(前者对算术运算,后者对 I/O 操作)8080X86/Pentium X86/Pentium 微处理器微处理器一、通用一、通用Reg.Reg.(分为两组:一组可用于字、字节;另一组仅可用于字)1.数据Reg.(AX,BX,CX,DX)(2)特殊用法:i)BX 计算地址用作基址Reg.ii)CX 计数器,循环或移位时用。)DX 在某些 I/O 操作
18、时,用来保存I/O端口地址,或字的乘除法运算。2.指示器和变址Reg.(SP,BP,SI,DI,仅能用于字)用途:a.缩短指令代码的长度;b.建立可变的地址;c.寄存偏移量,与段寄存器的内容相加以获得物理地址。例:SP中通常存放的偏移量被认为是在堆栈段中(堆栈访问时)。DI、SI中的偏移量,通常被认为是在数据段中。BP通常用于存放当前堆栈段的一个数据区“基址”的偏移量。(通过堆栈传送数据或地址时,BP为偏移地址,SS中为段地 址。BP也可用于通用Reg.。SP 堆栈指针BP 基地址指针SI 源变址寄存器DI 目的变址寄存器指针寄存器变址寄存器8080X86/Pentium X86/Pentiu
19、m 微处理器微处理器 其中总是包含下一条要取的指令在当前代码段中的偏移量,即程序运行过程中,程序运行过程中,IP始终指向下一次要取出的指始终指向下一次要取出的指令偏移地址。或称令偏移地址。或称IP和和CS一起指向下一条指令的物理地址。一起指向下一条指令的物理地址。8080X86/Pentium X86/Pentium 微处理器微处理器二、二、段段Reg.(CS,DS,SS,ES)CS内容+IP内容,为下一条指令的地址。DS内容+指令中的偏移量,为数据段内的某单元地址。SS内容+SP 为堆栈段内的某单元地址。ES 附加段的段地址。三、三、指令指针指令指针IP(用来存储代码段中的偏移地址)用来存储
20、代码段中的偏移地址)IP的内容由8086/8088的总线接口部件BIU修改(编程序时不能直接访问IP,但指令可引起它的改变、或将它的内容压入堆栈、或从堆栈恢复)。物理地址物理地址=CS CS 16 16IPIP 四、标志寄存器四、标志寄存器FR 作用:作用:存放ALU的操作结果的特征标志,这种标志可作为条 件,用于判断是否控制程序转移。8080X86/Pentium X86/Pentium 微处理器微处理器状态标志寄存器(状态标志寄存器(PSW)CFPFAFZFSFTFIFDFOF进位标志进位标志CF(Carry Flag):):当结果的最高位(D15 或D7)产生一个进位 或借位,则CF=1
21、,否则CF=0。溢出标志溢出标志OF(Overflow Flag):):当带符号数的运算结果超出2n-1 2n-11 时,溢出,OF=1,否则OF=0。符号标志符号标志SF(Sign Flag):):结果的最高位(D15 或D7)为1,则SF=1,否 则 SF=0。零标志零标志ZF(Zero Flag):):若运算的结果为0,则ZF=1,否则ZF=0。奇偶标志奇偶标志PF(Parity Flag):):若运算结果的低8位中1的个数为偶数,则 PF=1,否则,PF=0。辅助进位标志辅助进位标志AF(Auxiliary Flag):在进行8位或16位数运算时,由低4位向 高4位(D3向D4有进位或
22、借位,则AF=1,否则AF=0。状状态态标标志志控控制制标标志志方向标志方向标志DF(Direction Flag):):DF=1,串操作时地址自动减量;DF=0,串操作时地址自动增量。中断允许标志中断允许标志IF(Interrupt Enable Flag):):IF=1,允许CPU接收外部中断 请求,IF=0,屏蔽外部中断请求。追踪标志追踪标志TF(Trace Flag):):TF=1,使处理进入单步方式,以便于调试。8080X86/Pentium X86/Pentium 微处理器微处理器例例1:执行:执行2345H3219H,分析对分析对PSW的影响。的影响。1 10 00 00 01
23、11 10 01 10 00 00 01 10 01 10 00 00 00 01 11 10 00 01 10 00 00 00 01 11 10 00 01 1+0 01 11 11 11 10 01 10 01 10 01 10 01 10 01 10 0标志标志:运算结果最高位为运算结果最高位为0 SF=0;运算结果本身运算结果本身0 ZF=0 低低8位中位中1的个数为奇数个的个数为奇数个 PF=0;最高位没有进位最高位没有进位 CF=0;第第3位向第位向第4位无进位位无进位 AF=0;次高位向最高位没有进位次高位向最高位没有进位,最高位向前没有进位,最高位向前没有进位 OF=0。例例
24、2:执行:执行2345H3219H,分析对分析对PSW的影响。的影响。1 10 00 00 01 11 10 01 10 00 00 01 10 01 10 00 01 11 10 00 01 11 10 01 11 11 11 10 00 01 11 11 1+0 00 01 11 10 01 10 00 01 10 00 00 01 11 11 11 1标志标志:F12CH 补补 =-0ED4H 运算结果最高位为运算结果最高位为1 SF=1;运算结果本身运算结果本身0 ZF=0 低低8位中位中1的个数为奇数个的个数为奇数个 PF=0;最高位没有进位(最高位没有进位(无进位,有借位无进位,有
25、借位)CF=1;第三位向第四位无进位(第三位向第四位无进位(无进位,有借位无进位,有借位)AF=1;次高位向最高位没有进位次高位向最高位没有进位,最高位向前没有进位,最高位向前没有进位 OF=0。8080X86/Pentium X86/Pentium 微处理器微处理器 8086/8088 均为40 PIN、双列直插式(DIP)封装的芯片。其功能强于8位CPU。为解决功能强与引脚的矛盾,在8086/8088 CPU内部设置了若干个多路开关,使某些引脚具有多种功能。多功能引脚功能的转换分两种情况 分时复用:在总线周期的不同时钟周期内其功能不同;按工作模式来定义引脚的功能:同一引脚在单CPU(最 小
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