《微机系统组成》PPT课件.ppt

2023/7/15,1,第二章 微型计算机系统组成,8086存储器组织8086CPU内部结构80X86微处理器的寄存器结构(80X86微处理器引脚功能)系统总线(输入/输出接口),2023/7/15,2,1.冯诺依曼型计算机的基本组成,“存储程序”+“程序控制”,1945年，美籍匈牙利数学家John Von Neumann提出,冯诺依曼型计算机,CPU,基本工作原理,第二章 80X86系列微机的系统组成,2.0 微型计算机系统硬件组成,2023/7/15,3,存储器,I/O接口,输入设备,I/O接口,数据总线 DB,控制总线 CB,地址总线 AB,输出设备,微机的硬件由CPU、存储器、输入/输出设备构成；输入/输出设备通过输入/输出接口与系统相连；(输入/输出接口简称I/O接口)各部件通过总线连接。,构成部件,微处理器,第二章 80X86系列微机的系统组成,2.微机系统组成(系统总线),2023/7/15,4,第二章 80X86系列微机的系统组成,一.8086系统存储器结构,关于8086:,8086有20根地址信号线，可以寻址的地址空间为220字节，即1M字节。8086是16位的CPU，有16根数据总线。8086的存储器以字节为单位进行编址。,24H,12H,第二章 80X86系列微机的系统组成,2.1 8086存储器组织,2023/7/15,5,2.1 8086存储器组织,一.数据在存储器中的存放,第二章 80X86系列微机的系统组成,2.对准存放方式与非对准存放方式,对准存放方式:,存放字（或双字）数据时，从偶地址开始存放。,非对准存放方式:,存放字（或双字）数据时，从奇地址开始存放。,对准存放方式比非对准存放方式在访问时速度更快,1.存放原则：字节数据顺序存放;多字节数据存放在连续的单元中,且高地址存数据高字节,2023/7/15,6,2.1 8086存储器组织,第二章 80X86系列微机的系统组成,二.存储器的分段,3.分段原则：,1.问题的提出,2.解决办法,各段起始单元的20位地址能被16整除。,低四位为0,每段长度64K（216）字节,段与段之间相对位置可任意。,2023/7/15,7,2.1 8086存储器组织,第二章 80X86系列微机的系统组成,三.存储器的分段,4.段的类型：,代码段：,数据段：,堆栈段：,附加段：,放程序代码,放程序运行所需要的数据,特殊的数据区，存取数据按先进后出的顺序,辅助的数据区,当前正在使用的段称为当前段,当前段:,段寄存器:,存放当前段起始地址的高十六位（称为段基址）。,CS、DS、SS、ES,2023/7/15,8,2.1 8086存储器组织,第二章 80X86系列微机的系统组成,三.存储器的分段,5.物理地址与逻辑地址的关系：,物理地址：,逻辑地址：,段基址：,存储单元的真实地址，20位。,程序中涉及的地址，16位。,包括段基址和偏移地址,该单元相对于该段起始单元的偏移量,偏移地址:,该单元所在段的起始物理地址的高十六位。,物理地址=段基址24偏移地址,20位,16位,16位,2023/7/15,9,2.8086存储器组织,四.存储器的层次结构,第二章 80X86系列微机的系统组成,高速缓存器 Cache,1.程序访问的局部性,2.Cache及原理,介于主存和CPU之间设置的一个高速小容量的存储器,2023/7/15,10,高速缓存器 Cache,3.高性能微机存储系统的层次结构,80386系统的Cache在片外，从486开始增加了片内Cache,从Pentium开始，片内Cache被分离为代码Cache和数据Cache(双路Cache结构），可以同时存取。数据Cache与两条独立工作的流水线相连，能同时接受两条流水线的访问。,2.8086存储器组织,四.存储器的层次结构,第二章 80X86系列微机的系统组成,2023/7/15,11,虚拟存储器 Vitural Memory,1.物理存储器和虚拟存储器,物理存储器:,微机中实际配置的内存。,虚拟存储器:,程序员编程可用的地址空间。,虚拟地址到物理地址的转换由MMU完成。,通过存储管理机制将速度较快容量较小的内存与速度较慢但容量很大的外存有机灵活地结合在一起。以满足运行大容量存储器要求的程序。,虚拟存储技术,2.8086存储器组织,四.存储器的层次结构,第二章 80X86系列微机的系统组成,2023/7/15,12,2.从80286开始,实现了虚拟存储管理，CPU支持对虚拟存储器的访问。,虚拟存储器 Vitural Memory,80286CPU支持两种工作模式：,实地址模式,保护模式（保护虚拟地址模式）,同8086，寻址能力1M 字节（220）,寻址能力,物理空间：16M字节,虚拟空间：1G字节,（224）,（230）,2.8086存储器组织,四.存储器的层次结构,第二章 80X86系列微机的系统组成,2023/7/15,13,3.80386486的三种工作模式,虚拟存储器 Vitural Memory,(1)实地址模式,寻址能力及物理地址的计算同8086，相当于一个可进行32位操作的8086。,2.8086存储器组织,四.存储器的层次结构,第二章 80X86系列微机的系统组成,2023/7/15,14,3.80386486的三种工作模式,虚拟存储器 Vitural Memory,(2)保护模式,32根地址线有效,可寻址4G 字节的物理地址空间，64TB字节的虚拟地址空间,采用分段管理和分页管理机制为程序的共享和保护以及虚拟存储器提供了硬件支持,“保护”主要是指在多任务系统中对存储空间的保护，通过多种措施形成各任务之间以及用户程序与操作系统之间的隔离和保护。,2.8086存储器组织,四.存储器的层次结构,第二章 80X86系列微机的系统组成,2023/7/15,15,3.80386486的三种工作模式,虚拟存储器 Vitural Memory,(3)虚拟8086模式（V86模式）,保护模式下，一个或若干个8086任务在非8086处理器上按8086的方式运行，这种操作方式称为V86。,2.8086存储器组织,四.存储器的层次结构,第二章 80X86系列微机的系统组成,2023/7/15,16,4.分段和分页,虚拟存储器 Vitural Memory,段是一个被保护的独立的存贮地址空间。,段是利用程序的模块化性质按程序的逻辑结构划分的，它的长度是可变的。,分页管理是将物理存贮器按每4KB为一页的长度进行划分。页在逻辑上不独立。,2.8086存储器组织,四.存储器的层次结构,第二章 80X86系列微机的系统组成,2023/7/15,17,5.存储器管理部件（MMU）,虚拟存储器 Vitural Memory,存储器管理部件（MMU）包括：,分段部件（SU）,分页部件（PU）,完成保护模式下逻辑地址到物理地址的转换。,逻辑地址(虚拟地址）,物理地址,线性地址,分段部件,分页部件,(可选择）,2.8086存储器组织,四.存储器的层次结构,第二章 80X86系列微机的系统组成,2023/7/15,18,第二章 80X86系列微机的系统组成,2.2 8086CPU内部结构,一.8086CPU的内部结构,BIU+EU,总线接口单元,执行单元,2023/7/15,19,第二章 80X86系列微机的系统组成,2.2 8086CPU内部结构,一.8086CPU的内部结构,1.总线接口部件 BIU,组成,段寄存器(CS，DS，ES，SS),指令指针寄存器IP,地址加法器,指令队列,总线控制电路,功能,负责所有的总线操作,2023/7/15,20,第二章 80X86系列微机的系统组成,2.2 8086CPU内部结构,一.8086CPU的内部结构,2.执行单元 EU,组成,通用寄存器组,EU控制电路,标志寄存器 FLAGS,算术逻辑单元ALU,功能,执行指令,2023/7/15,21,2.3 80X86微处理器的寄存器结构,第二章 80X86系列微机的系统组成,2.3 8086微处理器的寄存器结构,一.8086CPU寄存器结构,1.分类:,14个16位寄存器,其中：,分为通用寄存器、段寄存器、专用寄存器,AX、BX、CX、DX 又可各分成两个 8 位寄存器。其它10个只能作为16位寄存器,第二章 80X86系列微机的系统组成,2.3 8086微处理器的寄存器结构,第二章 80X86系列微机的系统组成,2.3 8086微处理器的寄存器结构,2023/7/15,22,（1）通用寄存器：,通用数据寄存器：,AX、BX、CX、DX,指针寄存器：,BP、SP,变址寄存器：,SI、DI,第二章 80X86系列微机的系统组成,2.3 8086微处理器的寄存器结构,2023/7/15,23,（2）段寄存器：,CS、DS、SS、ES,一个程序可以各有多个代码段、数据段、堆栈段、和附加段，但当前段各只有一个，即 CS、DS、SS、ES指向的段。,第二章 80X86系列微机的系统组成,2.3 8086微处理器的寄存器结构,2023/7/15,24,（3）专用寄存器：,指令指针寄存器IP,存放8086要执行的下一条指令的有效地址。程序员不能修改它的值，只能由8086CPU中的BIU自动修改。,标志寄存器FLAGS,第二章 80X86系列微机的系统组成,2.3 8086微处理器的寄存器结构,2023/7/15,25,2.标志寄存器FLAGS格式及各位意义,一.8086CPU寄存器结构,用来指示微处理器的状态,并控制其操作,【格式】,说明：,在8086中，有意义的有9位，其余7位无意义,其中CF、PF、AF、ZF、SF、OF六位为状态标志位，用来表示运算结果的特征。常作为后续转移指令的控制条件。,TF、IF、DF三位为控制标志位，用来控制CPU的操作。,第二章 80X86系列微机的系统组成,2.3 8086微处理器的寄存器结构,2023/7/15,26,2.标志寄存器FLAGS格式及各位意义,一.8086CPU寄存器结构,【各位意义】,反映运算过程中，最高位是否产生进位/借位。,CF：进位标志(Carry Flag),当本次运算最高位有进位（加法运算）或有借位（减法运算）时CF1，否则CF0。,第二章 80X86系列微机的系统组成,2.3 8086微处理器的寄存器结构,2023/7/15,27,2.标志寄存器FLAGS格式及各位意义,一.8086CPU寄存器结构,【各位意义】,反映运算结果中，1的个数的奇偶情况。,PF：奇偶标志(Parity Flag),运算结果低八位中含偶数个1时，PF1；否则PF0。,第二章 80X86系列微机的系统组成,2.3 8086微处理器的寄存器结构,2023/7/15,28,2.标志寄存器FLAGS格式及各位意义,一.8086CPU寄存器结构,【各位意义】,反映运算中，D3位向D4位是否有进位或借位。,AF：辅助进位标志(Auxiliary Carry Flag),当本次运算D3位向D4位有进位（加法运算）或有借位（减法运算）时，AF1；否则AF0。,第二章 80X86系列微机的系统组成,2.3 8086微处理器的寄存器结构,2023/7/15,29,2.标志寄存器FLAGS格式及各位意义,一.8086CPU寄存器结构,【各位意义】,反映当前的运算结果是否为0。,ZF：零标志(Zero Flag),当本次运算结果为0时，ZF1；否则ZF0。,第二章 80X86系列微机的系统组成,2.3 8086微处理器的寄存器结构,2023/7/15,30,2.标志寄存器FLAGS格式及各位意义,一.8086CPU寄存器结构,【各位意义】,反映运算结果中最高位的状态。,SF：符号标志(Sign Flag),当本次运算结果最高位为1时，SF1；否则SF0。,第二章 80X86系列微机的系统组成,2.3 8086微处理器的寄存器结构,2023/7/15,31,2.标志寄存器FLAGS格式及各位意义,一.8086CPU寄存器结构,【各位意义】,反映带符号数运算结果是否超出机器所能表示的数值范围。,OF：溢出标志(Overflow Flag),带符号数运算过程中当字节运算的结果超出了范围-128 127，或当字运算的结果超出了范围-32768 32767。,溢出:,当运算结果产生溢出，OF1；否则OF0。,第二章 80X86系列微机的系统组成,2.3 8086微处理器的寄存器结构,2023/7/15,32,执行下面两个数的加法，给出各状态标志位的值。,【例】,0101 0100 0011 1001,0100 1001 1010 1010,+,1001 1101 1110 0011,执行后，,CF=0,第二章 80X86系列微机的体系结构,一.8086CPU寄存器结构,D15位未产生进位,D3位产生进位,AF=1,低八位奇数个1,PF=0,运算结果非0,ZF=0,D15位为1,SF=1,正与正相加，结果为负,OF=1,0,1,0,0,1,1,第二章 80X86系列微机的系统组成,2.3 8086微处理器的寄存器结构,2023/7/15,33,2.标志寄存器FLAGS格式及各位意义,一.8086CPU寄存器结构,【各位意义】,在字符串操作指令中由DF控制地址变化的方向（递增或递减）。,DF：方向标志(Direction Flag),DF=1，则地址按递减自动修改；,DF=0，则地址按递增自动修改。,第二章 80X86系列微机的系统组成,2.3 8086微处理器的寄存器结构,2023/7/15,34,2.标志寄存器FLAGS格式及各位意义,一.8086CPU寄存器结构,【各位意义】,IF：中断允许标志(Interrupt Enable Flag),IF=1，允许CPU响应可屏蔽中断请求；,IF=0，禁止CPU响应可屏蔽中断请求。,第二章 80X86系列微机的系统组成,2.3 8086微处理器的寄存器结构,2023/7/15,35,2.标志寄存器FLAGS格式及各位意义,一.8086CPU寄存器结构,【各位意义】,TF：单步标志(Trap Flag),也叫跟踪标志,TF=1时，CPU按单步方式执行指令。,为调试程序设置的一个控制标志。,第二章 80X86系列微机的系统组成,2.3 8086微处理器的寄存器结构,2023/7/15,36,第二章 80X86系列微机的体系结构,3.SS及SP,一.8086CPU寄存器结构,堆栈：,存储器中的一块特殊存储区或段，内中数据按“先进后出”原则组织。,堆栈的段基址存放于SS中，堆栈指针寄存器SP指向堆栈栈顶。,堆栈的其它特点,以字为单位操作，且对准存放；,入栈时，先是（SP-2）（SP），然后数据入栈。出栈时，先是数据出栈，然后（SP+2）（SP）。,第二章 80X86系列微机的系统组成,2.3 8086微处理器的寄存器结构,2023/7/15,37,12400H,（SS）=1000H,（SP）=2400H,SP,SP,将AX寄存器中1234H入栈后,123FEH,12H,34H,（SP）=23FEH,随着数据入栈，SP值越来越小，称8086堆栈向下生长。,第二章 80X86系列微机的系统组成,2.3 8086微处理器的寄存器结构,2023/7/15,38,第二章 80X86系列微机的系统组成,2.4 8086CPU的引脚(略),2.5 输入/输出接口(略),2.6 80X86系列微处理器简介(略),2023/7/15,39,习题,2.3;2.4;(P30),