补充8086微处理器功能与组织结构.ppt

8086/8088微处理器,1 8086/8088微处理器的结构2 8086/8088的引脚信号及工作模式3 8086/8088CPU工作模式及其系统结构4 8086的程序访问结构,8086CPU功能结构,8086：16位微处理器，16根数据线、20根地址线，可寻址1M字节；8088：准16位微处理器，其内部寄存器、内部运算部件以及内部操作均按16位设计，但对外的数据总线只有8条。,1 8086/8088微处理器的结构,总线接口部件BIU,执行部件EU,功能：负责与 M、I/O 端口传送数据、地址,功能：从指令流队列中取指令、分析指令和执行指令,8086CPU功能结构图,总线控制逻辑,内部总线16位,总线接口部件BIU,执行部件EU,1 8086/8088微处理器的结构,完成16或8位二进制数的算术运算和逻辑运算,通用寄存器组包括数据寄存器和地址与变址寄存器。,生成20位物理地址,CS：存放代码段段基址DS：存放数据段段基址SS：存放附加段段基址ES：存放堆栈段段基址IP:存放下一条要执行指令 的有效地址EA。,8086：6个字节8088：4个字节8086指令队列空2个字节（8088空1个字节），且EU部件没有要求BIU部件进入存取操作数等总线周期时，BIU部件就会自动从内存单元顺序取指令字节填满指令流队列。,并行处理的优势：一条指令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；一条指令执行完成后，可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。,1 8086/8088微处理器的结构,8086CPU的内部寄存器如图2.1所示。8086CPU内部有14个16位寄存器，可以分为以下三组。,1.2 8086/8088的内部寄存器,1 8086/8088微处理器的结构,通用寄存器组,段寄存器组,控制寄存器组,数据寄存器,地址与变址寄存器,指令指针IP,标志寄存器FR,AX,BX,CX,DX,目的变址指针,DI,源变址指针,SI,基址指针,BP,堆栈指针,SP,数据寄存器,DX,计数寄存器,CX,基址寄存器,BX,累加器,AX,数据寄存器 可分为两个8位，主要用于数据操作,地址指针寄存器主要用于地址操作,8086的16位通用寄存器是：AXBXCXDX SI DIBPSP8086的8位通用寄存器是：AHBHCHDHALBLCLDL对其中某8位的操作，并不影响另外对应8位的数据,1 8086/8088微处理器的结构,BX:常用做存放存储器地址；,CX:作为循环和串操作等指令中的隐含计数器；,数据寄存器：AX:使用频度最高，用于算术、逻辑运算以及与外设传送信息等；,DX:常用来存放双字长数据的高16位，或存放外设端口地址;,AX,BX,CX,DX,目的变址指针,DI,源变址指针,SI,基址指针,BP,堆栈指针,SP,数据寄存器,DX,计数寄存器,CX,基址寄存器,BX,累加器,AX,数据寄存器 可分为两个8位，主要用于数据操作,地址指针寄存器主要用于地址操作,2.1 8086/8088微处理器的结构,数据寄存器：SP：指示栈顶的偏移地址，不能再用于其他目的，具有专用目的。,BP：数据在堆栈段中的基地址。SP和BP寄存器与SS段寄存器联合使用来访问堆栈。,SI和DI：串操作类指令中，常用于存储器寻址时提供地址。,通用寄存器的特殊用法(默认用法),2.段寄存器组 8086/8088CPU可直接寻址1MB内存空间。存储空间采用分段技术，每段最大寻址64KB。逻辑段可在整个1MB存储空间内浮动，但段的起始地址 低4位必须是0000B，这样在存放段地址时只存放高16 位，作为段基址。,1 8086/8088微处理器的结构,1 8086/8088微处理器的结构,操作,取指令,存取数据,堆栈操作,目的串操作,访问：代码段物理地址的构成：CS10H+IP,访问：数据段物理地址的构成：DS10H+EA,物理地址的构成：SS10H+SP,物理地址的构成：ES10H+DI,物理地址=段地址10H+有效地址,2.1 8086/8088微处理器的结构,CS左移4位,2.1 8086/8088微处理器的结构,20位物理地址形成过程演示,表2-1 8086的基本段约定和允许的超越段,8086的基本段约定和允许的段超越如表2-1所示。表中的“-”表示不允许修改。,2.1 8086/8088微处理器的结构,2.1 8086/8088微处理器的结构,控制寄存器组,作用：存放将要执行的下一条指令在现行代码段中的偏移地址，它与CS相结合生成指向指令的物理地址。特点：IP是一个专用寄存器，其内容由BIU部件自动修改，不能直接访问IP，但可以通过转移或调用指令改变其内容。,作用：存放指令执行结果特征位和对CPU运行特点的控制位。特点：8086 CPU 中设置了16位标志寄存器，只用了9位，其余位用来扩展。9位标志分为6位状态标志和3位控制标志两类。,AF：辅助进位标志AF=1：数据的第3位（半个字节）需要向前产生进位/借位。AF=0：数据的第3位（半个字节）不会向前产生进位/借位。,CF：进位/借位标志CF=1：最高位需要向前产生进位/借位。CF=0：最高位不会向前产生进位/借位。,PF：奇偶标志PF=1:结果的低8位中有偶数个1。PF=0:结果的低8位中有奇数个1。影响全部状态标志:加法、减法运算。影响部分状态标志:移位操作。不影响任何状态标志:数据传送指令。,ZF：全零标志ZF=1：运算结果为全0。不包括进位的情况ZF=0：运算结果不为0。,（2）标志寄存器,16位，只用了其中9位，唯一能按位操作的寄存器。用于反映指令执行结果或控制指令执行形式。,2.1 8086/8088微处理器的结构,6位状态标志：OF、SF、ZF、PF、CF、AF作用：反映指令对数据作用之后，结果的状态，控制后续指令的执行。3位控制标志：DF、IF、TF 作用：值不由数据运算结果决定，由指令直接赋值，决定后续指令执 行情况。,OF：溢出标志(指补码)OF=1：操作数超过了机器表示的范围,溢出。OF=0：操作数未超过了机器能表示的范围,不溢出。求解方法：最高位进位次高位进位字节允许范围：128+127字允许范围：32768+32767,TF：跟踪(单步)标志位TF=1，每执行一条指令后，自动产生一次内部中断，使CPU处于单步执行指令工作方式，便于进行程序调试，用户能检查程序。TF=0,CPU正常工作。,（2）标志寄存器,16位，只用了其中9位，唯一能按位操作的寄存器用于反映指令执行结果或控制指令执行形式,2.1 8086/8088微处理器的结构,IF：中断允许/禁止标志位IF=1,允许外部可屏蔽中断。CPU可以响应可屏蔽中断请求。IF=0,关闭中断。CPU禁止响应可屏蔽中断请求。IF的状态对不可屏蔽中断和内部软中断没有影响。,SF：符号标志SF=1：运算结果的最高位为1，如果为带符号数，则为负数。SF=0：运算结果的最高位为0，如果为带符号数，则为正数。带符号数的最高位为符号位；而无符号数的 最高位为数值位。,DF：方向控制标志位用于串处理指令，控制从前往后、还是从后往前对字符串进行操作处理。DF=1，每次串处理操作后使变址寄存器SI和DI的值递减，使串处理从高地址向低地址方向处理。DF=0，每次串处理操作后使变址寄存器SI和DI的值递增，使串处理从低地址向高地址方向处理。,控制标志与状态标志的区别：控制标志：其值由系统程序或用户程序根据需要用指令设置。状态标志：由中央处理器执行运算指令，并根据运算结果而自动设置。,调试状态时，标志位之值的符号表示,2.1 8086/8088微处理器的结构,芯片与其他部件的联系全靠在引脚上传送信息，这些信息可能自芯片向外输出，也可能从外部输入到芯片，还可能是双向的。,指控制引脚使用有效时的逻辑电平。低电平有效的引脚名字上面加有一条横线，引脚名字上无横线者为高电平有效。另有一些引脚高、低电平均有效，分别表示不同的状态或数值。还有些引脚信号为边沿有效。,2.2 8086/8088的引脚信号及工作模式,芯片引脚特性描述,信号引脚功能,信号的有效电平,信号流向,引脚复用,三态能力,引脚信号的定义,一个引脚具有两种或两种以上的功能，可以减少引脚的数量。,“三态”能力是指有些引脚除了能正常输出或输入高、低电平外，还能输出高阻状态。当它输出高阻状态时，表示芯片实际上已放弃了对该引脚的控制，使之“浮空”。这样，与总线相连接的其它设备就可以获得对总线的控制权，系统转为接受总线的设备控制下工作。,40条引脚，双列直插式封装采用分时复用地址/数据总线两种模式：最大模式、最小模式 最大模式：两个或多个微处理器（多微处理器模式），一个主处理器为8086CPU，另外的处理器可以是浮点数协助处理器8087或I/O处理器8089。最小模式：只有8086CPU一个微处理器（单处理器模式）。,2.2 8086/8088的引脚信号及工作模式,思考：如何选择两种工作模式？,思考：何时传输地址，何时传输数据？,2.2 8086/8088的引脚信号及工作模式,8086有40个引脚，其中第33（最小/最大模式）脚很关键，它是一条输入线，可以加高电平，也可以加低电平，由该线所加电平的高或低电平决定24-31引脚的功能（24-31引脚括号内为最大模式功能）其他引脚不受第33引脚的影响，我们把这部分引脚称为一般引脚。,2.2.1 8086CPU的引脚及其功能,8086CPU的引脚线按照功能分为3类。,2.2 8086/8088的引脚信号及工作模式,数据引脚线,地址引脚线,8086 CPU 引脚分类,控制引脚线,1.地址、数据引脚线 AD0AD15：分时复用的地址数据引脚线，双向、三态。T1期间作地址线A15A0用，输出存储单元低16位地址。T2T3期间作数据线D15D0用，双向。写操作为T2T3；读操作为T3，T2处于悬空状态；CPU响应中断及系统总线处理“保持响应”状态时，AD0AD15处于悬空状态。,2.2 8086/8088的引脚信号及工作模式,返 回,S5：表示中断允许标志状态。S51表示中断允许标志IF1，允许可屏蔽中断请求；S50表示IF0，禁止可屏蔽中断请求。S6：指示8086当前是否与总线相连。S60表示8086连在总线上。,A19/S6A16/S3：分时复用，输出引脚。T1期间，作为20位地址线的高4位A19A16。T2T4期间作为S6S3状态线用。,2.2 8086/8088的引脚信号及工作模式,S4和S3状态组合与当前段的关系表,2.控制引脚线 CPU在进行具体操作时所发出的控制信号，CPU的操作不同，使用的引脚线也各不相同。,2.2 8086/8088的引脚信号及工作模式,启动复位和时钟信号,操作类型,最小/最大方式的读/写操作,总线请求和响应操作,中断请求和响应操作,控制数据和地址信息传送操作,CPU等待检测操作及其他信号,复位条件：至少保持4个时钟周期的高电平复位处理：除CS=FFFFH外，包括IP在内的其余 寄存器和指令流队列的值均为0。复位结果：从FFFF:0000H处开始执行程序。一般放置一条转移指令转到程序真正的入口地址。,2.2 8086/8088的引脚信号及工作模式,启动复位和时钟信号,RESET复位信号,CLK时钟输入信号,提供了CPU和总线控制的基本定时脉冲。,返 回,2.2 8086/8088的引脚信号及工作模式,最小方式的读/写操作信号,选择信号,读信号,写信号,高电平:CPU当前访问存储器低电平:当前CPU访问I/O端口,表示CPU正在对存储器或I/O端口进行读操作,表示CPU当前正在对存储器或I/O端口进行写操作,8086/8088CPU读写操作信号对照表,2.2 8086/8088的引脚信号及工作模式,返 回,2.2 8086/8088的引脚信号及工作模式,总线请求和响应操作信号,HOLD总线保持请求信号,HLDA总线保持响应信号,HOLD=1，有总线请求；HOLD=0，无总线请求。,当HOLD=1时，HLDA=1；表示CPU让出总线使用权。,返 回,HOLD和HDLA一对联络信号的应答关系,中断响应信号：CPU对中断请求信号INTR的响应。目的为了获取中断类型码。,2.2 8086/8088的引脚信号及工作模式,中断请求和响应操作信号,非屏蔽中断（NMI），上升沿有效。,可屏蔽中断（INTR和 中断响应信号）,不受中断允许标志IF的控制，也不能用软件进行屏蔽。,返 回,当INTR=1，并且中断允许标志位IF=1时，则CPU在当前指令周期结束后，转入中断响应周期。,2.2 8086/8088的引脚信号及工作模式,控制信息传送操作的相关控制信号,ALE 地址锁存允许信号,在任何一个总线周期T1状态，表示当前地址/数据复用总线上输出是地址信息，下降沿将地址信息锁存到锁存器。,数据允许信号,数据发送/接收控制信号,CPU控制8286/8287等数据总线收发器的选通信号。有效时间：存储器访问、I/O访问、中断响应周期,作用：控制8286/8287的数据传送方向。=1时，发送；=0时，接收。,返 回,2.2 8086/8088的引脚信号及工作模式,等待检测操作信号,高电平：CPU继续空转等待；低电平：退出等待，执行下一条指令。,READY准备就绪信号,测试信号,作用：使CPU和低速的存储器或I/O设备之间实现速度匹配。READY=1：按正常时序进行读、写操作，不插入TW；READY=0：在T3和T4之间自动插入一个或几个TW。,2.3 8086/8088CPU工作模式及其系统结构,2.3.1 最小工作模式及其系统结构,最小模式系统特点,只有8086/8088一个微处理器,所有总线控制信号直接由CPU提供,将33号引脚接5V,需要地址锁存器进行地址信息分流,需要使用总线缓冲器将数据信息分流到数据总线,2.3 8086/8088CPU工作模式及其系统结构,8位通用数据锁存器，分流20位地址信息。,1.时钟发生器8284 产生满足8086 CLK要求的占空比1/3的时钟信号，还对复位信号RESET和准备好信号READY进行同步。,2.3 8086/8088CPU工作模式及其系统结构,返 回,8086有地址信号20位，AD19AD0，一位高位数据线使能信号，它们都是与数据或状态分时复用的信号，共21位。采用3片8282对地址信号进行锁存。,2.3 8086/8088CPU工作模式及其系统结构,2.地址锁存,8282芯片引脚图,2.3 8086/8088CPU工作模式及其系统结构,8282芯片与8086微处理器的详细连接图,ALE信号,地址/数据线,返 回,由于8086数据是16位的，需要2片8286/8287。作用：增加数据总线的驱动能力，将数据信息分流到数据总线上，作总线收发器用。特点：三态输出，8位双向数据缓冲器区别：8286的8位输入信号和输出信号之间同相，8287反相,2.3 8086/8088CPU工作模式及其系统结构,3.数据收发,2.3 8086/8088CPU工作模式及其系统结构,当其为低电平时，开启缓冲器；高电平时，输出高阻。,T：数据传送方向控制信号 T=1：正向三态门接通，数据从A流向B T=0：反向三态门接通，数据从B流向A,连接方式：,T,不用数据收发器时：,ADl5AD0,存储器或I/O端口的数据线,2.3 8086/8088CPU工作模式及其系统结构,8286芯片与8086微处理器详细连接图,返 回,3.VCC、GND（电源、地）：输入。8086 VCC接入的电压为+5V10%。GND有两条（1引脚和20引脚），一个是电源接地，一个是信号接地。通常两者电位相同，特殊使用时有差异。,2.2 8086/8088的引脚信号及工作模式,其他信号,高8位数据总线允许/状态复用引脚：8086存储体选择信号，低电平表示高8位数据总线有效。,8086有16根数据线，与地址线A15A0分时复用，而8088只有8根数据线与地址线AD7AD0分时复用。,2.2.2 8088CPU和8086CPU区别,外部引脚的区别,8086有总线高位有效信号，一次可读写8位或16位数据；而8088读写16位的数据需要两次访问存储器或端口。,2.2 8086/8088的引脚信号及工作模式,2.2 8086/8088的引脚信号及工作模式,注意：8086和8088微处理器引脚的不同,2.2 8086/8088的引脚信号及工作模式,内部结构的区别8086的总线接口部件BIU中有一个6字节的指令队列。2个字节空余，BIU自动取指令到指令队列。8088CPU中只有一个4字节的指令队列。当8088指令 队列有1个字节的空余时，BIU自动取指令到指令队 列。,2.2.2 8088CPU和8086CPU区别,8086CPU功能结构图,总线控制逻辑,内部总线16位,总线接口部件BIU,执行部件EU,接地(低电平)：CPU工作于最大模式。双功能引脚：不同模式下有不同的名称和定义8个(2431)引脚。一般引脚：除双功能引脚外的其他引脚功能同最小模式下的定义和功能。,2.2.3 8086/8088CPU最大模式引脚,2.2 8086/8088的引脚信号及工作模式,(1)总线周期状态信号(输出、三态)。作用：在最大模式下，组合起来指出当前总线周期所进行的操作类型。,2.2 8086/8088的引脚信号及工作模式,(2)总线请求信号/总线请求允许信号(输入/输出)方向：双向 有效电平：低电平 作用：最大模式系统中8086/8088CPU和其它协处理 器交换总线使用权的联络控制信号。两个信号类型相同，表示可同时连接两个协处理器，其中 优先级较高。,2.2 8086/8088的引脚信号及工作模式,三段有效：请求、允许和释放,2.2 8086/8088的引脚信号及工作模式,8086CPU,协处理器,RQ信号：请求使用总线,响应：T4或Ti周期输出一个GT信号，交出总线使用权,释放总线：输出一个低电平信号,(3)总线封锁信号(输出、三态)低电平：CPU不允许其它总线主模块占用总线，该信号由 指令前缀LOCK产生。高电平：撤消总线封锁。8086CPU处于2个中断响应周期期间自动变为低电平，以防止其它总线主模块在中断响应过程中占有总线而使一个完整的中断响应过程被间断。,2.2 8086/8088的引脚信号及工作模式,(4)QS1，QS0指令队列状态信号 指示CPU内的指令队列的当前状态，以使外部(主要是协处理器)对CPU内指令队列的动作进行跟踪。,表2-6 QS1，QS0的组合和对应的含义,2.2 8086/8088的引脚信号及工作模式,2.3 8086/8088CPU工作模式及其系统结构,2.3.2 最大模式和系统组成,最大模式下，除了8282锁存器和8286数据收发器外，还增加了8288总线控制器。,2.3 8086/8088CPU工作模式及其系统结构,对CPU发出的控制信号进行变换和组合，获得对存储器和I/O端口的读/写信号及对锁存器8282和总线收发器8286的控制信号。,8288引脚如图所示：,2.3 8086/8088CPU工作模式及其系统结构,与CPU相连，接收状态信息，确定当前CPU要执行的操作，发出相应的命令信号。,接收时钟发生器的CLK信号，使8288与CPU及系统中的其它部件同步。,I/O端口读命令低电平：将所选中端口中的数据读到数据总线上。相当于最小模式中由CPU发出的控制信号 和 为低电平的组合。,2.3 8086/8088CPU工作模式及其系统结构,中断响应信号，送往发出中断请求的接口。,：I/O端口写命令。有效时，把数据总线上的数据写入被选中的端口中。它相当于最小模式系统中由CPU发出的控制信号 有效和 为低电平的组合。：存储器读命令。有效时，被选中的存储单元把数据送到数据总线。它相当于最小模式系统中由CPU发出的控制信号 有效和 为高电平的组合。：存储器写命令。有效时，把数据总线上的数据写入被选中的存储单元中。它相当于最小模式系统中由CPU发出的控制信号 有效和 为高电平的组合。,2.3 8086/8088CPU工作模式及其系统结构,:提前的存储器写命令，其功能与 一样，只是提前一个时钟周期输出。：提前的I/O端口写命令，其功能与 一样，只是提前一个时钟周期输出。ALE：地址锁存允许信号。相当于最小模式系统中的 ALE。,2.3 8086/8088CPU工作模式及其系统结构,：主级连允许/外设数据允许信号。此功能取决 于8288的输入控制信号IOB（I/O总线方式）。,DEN：数据总线允许信号。DEN有效：数据收发器把局部数据总线和系统数据总线连 接，形成一个传输数据的通路；DEN无效：数据收发器使局部数据总线与系统数据总线 断开。,：数据收发信号。,2.3 8086/8088CPU工作模式及其系统结构,2.4.1 8086的存储器组织及其寻址1 MB的存储单元，每个存储单元中存放一个8位的二进制信息每一存储单元用唯一的地址码，其地址范围00000HFFFFFH。字节编址:将存储器空间按字节地址号顺序排列的方式。,2.4 8086的程序访问结构,字数据：将连续存放的两个字节数据构成一个16位的字数据。高8位存放在高地址单元，低8位存放在低地址单元。将低位字节的地址作为这个字的地址。规则字：偶地址对应低位字节，奇地址对应高位字节。非规则字：以奇地址开始的字。双字数据：4个字节，存放连续的两个字。高对高，低对 低，以最低位字节地址作为它的地址。字节、字、双字在程序访问中都使用首地址。,1.8086CPU存储体结构,2.4 8086的程序访问结构,存储单元的访问,奇地址（高字节）存储体 512K8bit,偶地址（低字节）存储体 512K8bit,D0-D7,无效,有效,2.4 8086的程序访问结构,无效,有效,访问一个字,2.4 8086的程序访问结构,(1)分段结构 将1M的存储空间划分成若干个段，每个段最大长度为 64K。段基址就是指一个段的起始地址。逻辑段在物理存储器中可以是邻接的、间隔的、部分重 叠的和完全重叠的等4种情况。在任一时刻，一个程序只能访问4个当前段中的内容。,2.存储器的分段结构和物理地址的形成,2.4 8086的程序访问结构,图2.13 段重叠结构示例,段1基址,段2基址,重叠部分,段1长度,段2长度,2.4 8086的程序访问结构,(2)物理地址的形成 在8086/8088系统中，每个存储单元都有物理地址和逻辑地址两种地址表示。物理地址:20位,范围为00000HFFFFFH。逻辑地址：段基值+偏移量,存放在某一个段寄存器中，是一个逻辑段的起始单元地址的高16位。,某个存储单元与它所在段的段基址之间的字节距离。,表示方法：段基值：偏移量 例如，3267H：00A0H,2.4 8086的程序访问结构,例题：将逻辑地址0915H：003AH转换为物理地址。,2.4 8086的程序访问结构,左移4位,端口地址：系统给每个端口分配的地址。8位I/O端口的寻址线：地址总线的低16位。数目：最多有64 KB。连接：数据总线的高8位或低8位。两个编号相邻的8位端口可以组合成一个16位的端口。为便于数据总线的负载相平衡，接在高8位和低8位上的设备数目最好相等。,3.8086的I/O端口,2.4 8086的程序访问结构,堆栈：存储器中的一个特殊数据区。功能：按“后进先出”的原则用来存放需要暂时保存的数据。容量：最大64KB，其位置可以在1MB空间内浮动。栈底在高地址端，栈顶在低地址端，地址由高向低变化。存储单元的地址=(SS)10H(SP),2.4.2 8086系统中的堆栈,存放堆栈基地址，表明堆栈所在的逻辑段。,存放栈顶地址，始终指向最后推入堆栈的数据所在的单元。,2.4 8086的程序访问结构,压栈：把数据推入堆栈。(SP)-2送SP，再与SS形成物理地址，将数据存入相应单元。弹栈：从堆栈取数据。从当前SS和SP形成的物理地址上取出数据，再将(SP)+2送SP。堆栈操作：以字为单位，数据必须按规则字存放。低字节在偶地址单元，高字节在奇地址单 元。按“后进先出”的规则进行SP的修改自动进行。,2.4 8086的程序访问结构,例题 若已知当前SS1050H，SP0008H，AX1234H，则8086系统中堆栈的入栈和出栈操作如下图所示。,12,AA,10500H,10501H,10502H,10503H,10504H,10505H,10506H,10507H,10508H,栈底,BB,10509H,段基址(SS),AX,34,12,12,34,34,PUSH AX,1050AH,BB,AA,AA,BB,12,34,34,POP BX,POP AX,12,2.4 8086的程序访问结构,本章结束,