微处理器与系统结构(wq).ppt

第二章 微处理器与系统结构,2.1 微处理器主要性能指标2.2 8086/8088微处理器2.3 8086系统的组成2.4 存储器组织2.5 8086总线时序,第 二 章 学 习 要 点,重点掌握内容：1微处理器的基本结构。,2Intel 8086微处理器的基本结构，包括：功能结构、寄存器结构和总线结构。,3Intel 8086微处理器系统的组成：控制核心单元存储器组织I/O端口组织,4Intel 8086微处理器在最小模式下的典型总线 操作和时序。,5几个重要概念：时钟周期，总线周期，指令周期。,了解内容：1Intel 8088微处理器与Intel 8086微处理器 的不同之处。2Intel 8086微处理器在最大工作模式下的典型总线操作和时序。,2.1 微处理器主要性能指标,主频：即微处理器时钟频率。如Pentium4 2GHz同系列的微处理器，主频越高，速度越快。但主频相同的微处理器，速度不一定都相同，因结构有差异外频：微处理器外部总线工作频率。如Pentium4 2GHz的外频为400MHz地址线宽度：决定访存空间。如36位地址线访问236=64GB存储单元数据线宽度：决定微处理器与外部存储器、输入/输出部件之间一次交换的二进制数据位数。如8、16、32、64位。,微处理器主要性能指标,内置协处理器：加快数值运算超标量结构：一个时钟周期内执行一条以上的指令。低标量结构：一条指令至少需要一个以上的时钟周期工作电压：微处理器正常工作所需要的电压，早期为5V，后来有3.3V,2.8V,1.5V等。制造工艺：晶体管之间的最小线距，0.35m,0.25m,0.18m,0.13m等,微处理器,微处理器类型(Intel),4004：4位8085/8088：8位8086、80286：16位80386、80486、80586：32位Pentium、Pentium PRO、Pentium II、Pentium III、Pentium 4：32/64位,2.2 8086/8088微处理器,INTEL78年推出（79年推出8088）4万多个晶体管（8088为2.9万个晶体管）时钟频率4.77MHZ数据线16位（8088的数据线8位）地址线20位40脚DIP封装81年推出Personal Computer（个人计算机、微机）,2.2.1 有关微处理器的一些概念一、微处理器的基本结构,组成：算术逻辑部件、控制器、寄存器阵列、总线及总线缓冲器。算术逻辑部件ALU：用硬件实现算术运算、移位、布尔运算等基本运算功能。控制器：逐一取出指令、分析指令、执行指令。指令部件：程序计数、指令寄存、指令译码；时序部件：产生操作序列的定时信号；微操作控制部件：根据指令产生控制信号。,总线及总线缓冲器 按照总线所连接的对象，有4级总线：片内总线：连接CPU内的各个电路部分。片间总线：指主板上各芯片之间的总线，用于连接CPU与主板上的其他芯片。按总线中各信号线功能的不同，又分为地址总线、数据总线和控制总线，即所谓的三总线。（系统）内总线：指主板与I/O扩展板之间的总线，一般都遵循一定的标准，如目前多采用的ISA标准、EISA标准和PCI标准等。外总线：指微机与其他设备、系统之间的总线，一般也遵循一定的标准，习惯上又称为接口，如串行接口、并行接口、USB接口等。总线缓冲器：如地址锁存器、数据缓冲器、总线收/发器等。,运算器,寄存器,控制器,CPU,存储芯片,I/O芯片,主板,扩展接口板,扩展接口板,微机系统,其 他 微 机系 统,其 他 仪 器系 统,微机系统的四级总线示意图,寄存器阵列用于存放临时数据和地址。数目多少不定，因处理器而异。累加器：数据运算的场所。其长度即微机的字长。通用数据寄存器：存放运算数据或结果；存放数据的地址指针。堆栈指针：专门指示堆栈的栈顶，辅助完成堆栈操作。程序计数器（指令指针）：指向将要执行的下一条指令，实现顺序执行。指令寄存器：即指令队列，暂存预取指令的代码，直至完成译码。标志寄存器：记录当前执行结果的各种状态。,8086CPU功能结构图,EU控制器,标志寄存器,8位队列总线,总线控制逻辑,内部总线16位,20位地址总线,16位数据总线,执行部件EU,总线接口部件BIU,1执行部件EU 执行部件中包含一个16位的算术逻辑单元（ALU），8个16位的通用寄存器，一个16位的状态标志寄存器，一个数据暂存寄存器和执行部件的控制电路。功能：从BIU的指令队列中取出指令代码，经指令译码器译码后执行指令所规定的全部功能。执行指令所得结果或执行指令所需的数据，都由EU向BIU发出命令，对存储器或I/O接口进行读/写操作。2总线接口部件BIU 总线接口部件BIU内部设有四个16位段地址寄存器：代码段寄存器CS、数据段寄存器DS、堆栈段寄存器SS和附加段寄存器ES，一个16位指令指针寄存器IP，一个6字节指令队列缓冲器，20位地址加法器和总线控制电路。主要功能：根据执行部件EU的请求，负责完成CPU与存储器或I/O设备之间的数据传送。,一、8086执行部件EU(Execution Unit),组成：算术逻辑部件、控制器、寄存器阵列、总线及 总线缓冲器。算术逻辑单元ALU(Arithmetic and Logic Unit)进行所有的算术和逻辑运算计算寻址单元的十六位偏移地址EA(Effect Address)EU控制器接收指令队列中的指令，进行指令译码、分析，形成各种控制信号，实现EU各个部件完成规定动作的控制。标志寄存器F通用寄存器,标志寄存器,标志（Flag）用于反映指令执行结果或控制指令执行形式。8086处理器的各种标志形成了一个16位的标志寄存器FLAGS（程序状态字PSW寄存器）。,程序设计需要利用标志的状态,标志寄存器Flags,唯一能按位操作的寄存器只定义了其中9位，另外7位未定义（保留）6位状态标志：OF、SF、ZF、PF、CF、AF3位控制标志：DF、IF、TF,状态标志,反映指令对数据作用之后，结果的状态（不是结果本身）。这些状态将控制后续指令的执行OF（Overflow Flag）：溢出标志(指补码)，F.11OF=1：在运算过程中，如操作数超过了机器表示的范围称为溢出。OF=0：在运算过程中，如操作数未超过了机器能表示的范围称为不溢出。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,状态标志,CF（Carry Flag）：进位/借位标志，F.0CF=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。AF（Auxiliary Carry Flag）：辅助进位标志，F.4AF=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。,状态标志,SF（Sign Flag）：符号标志，F.7SF=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。ZF（Zero Flag）：全零标志，F.6ZF=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。,状态标志,PF（Parity Flag）：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。有些运算操作将影响全部状态标志，如加法、减法运算有些操作影响部分状态标志，如移位操作有些指令的操作不影响任何状态标志，如数据传送指令,运算结果最高位为1SF=1；,例：2个数相加后，分析各标志位的值,第三位向第四位有进位 AF=1；,次高位向最高位有进位，最高位向前没有进位，OF=10=1,最高位没有进位 CF=0；,低8位中1的个数为偶数个 PF=1；,运算结果本身0 ZF=0；,运算结果最高位为0SF=0；,例：2个数相减后，分析各标志位的值,第三位向第四位没有借位 AF=0；,次高位向最高位没有借位，最高位向前没有借位，OF=00=0,最高位没有借位 CF=0；,低8位中1的个数为奇数个 PF=0；,运算结果本身0 ZF=0；,控制标志,控制标志位的值不由数据运算的结果决定，而由指令直接赋值控制标志决定后续指令的执行情况DF（Direction Flag）：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,IF（Interupt Flag）：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。TF（Trap Flag）：跟踪（陷阱）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，不产生陷阱。,控制标志与状态标志的区别,控制标志的值：由系统程序或用户程序根据需要用指令设置。状态信息：由中央处理器执行运算指令，并根据运算结果而自动设置。X86 CPU也提供了直接设置状态标志之值的指令,调试状态时，标志位之值的符号表示,AX,BX,CX,DX,8086的通用寄存器,目的变址指针(Destination Index),DI,源变址指针(Source Index),SI,基址指针(Base Pointer),BP,堆栈指针(Stack Pointer),SP,数据寄存器(Data),计数寄存器(Count),基址寄存器(Base),累加器(Accumulator),8086的16位通用寄存器是：AXBXCXDX SI DIBPSP其中前4个数据寄存器都还可以分成高8位和低8位两个独立的寄存器8086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,数据寄存器,数据寄存器用来存放计算的结果和操作数，也可以存放地址每个寄存器又有它们各自的专用目的AX累加器，使用频度最高，用于算术、逻辑运算以及与外设传送信息等；BX基址寄存器，常用做存放存储器地址；CX计数器，作为循环和串操作等指令中的隐含计数器；DX数据寄存器，常用来存放双字长数据的高16位，或存放外设端口地址。,指针寄存器,指针寄存器用于寻址内存堆栈内的数据SP为堆栈指针寄存器，指示栈顶的偏移地址SP不能再用于其他目的，具有专用目的BP为基址指针寄存器，表示数据在堆栈段中的基地址SP和BP寄存器与SS段寄存器联合使用以确定堆栈段中的存储单元地址,变址寄存器,变址寄存器常用于存储器寻址时提供地址SI是源变址寄存器DI是目的变址寄存器串操作类指令中，SI和DI具有特别的功能,通用寄存器,一般，通用寄存器可以用于任何指令的任意操作，可以相互替换16位的数据寄存器都可分成2个8位寄存器使用，是同一个物理介质。如果已用作一个16位的数据寄存器，则不能再用作1个或2个8位数据寄存器；反之亦然地址寄存器不能分解为8位使用除了通用目的之外，有些操作规定只能使用某个寄存器，即寄存器的特殊用法，见下表。,通用寄存器的特殊用法（默认用法）,8086CPU功能结构图,8位队列总线,总线控制逻辑,内部总线16位,20位地址总线,16位数据总线,总线接口部件BIU,二、8086总线接口部件BIU(Bus Interface Unit),BIU负责与 M、I/O 端口传送数据、地址。访问存储器时，需要生成20位的物理地址；要不断从内存中取指令并送到指令队列；CPU执行指令时，要配合执行部件从指定的内存单元或者外设端口中取数据，并将数据传送给执行部件；或把执行部件的操作结果传送给指定的M或I/O口。,指令队列缓冲器,8088为4字节，8086为6字节。为FIFO(先进先出)结构。指令队列至少保持有一条指令，且只要有一条指令，EU就开始执行；指令队列只要有空，BIU自动执行取指操作，直到填满为止；若EU要进行M/IO存取数据，BIU在执行完现行取指操作周期后进行。当执行转移指令时，EU要求BIU从新的地址中重新取指。队列中原有指令被清除。新取得的第一条指令直接送EU执行，随后取得的指令填入队列。,BIU的段寄存器,4个16位段寄存器CS、DS、SS、ES用来识别当前可寻址的四个段，每个段的功能各不相同CS：(Code Segment Register)代码段寄存器，指示当前执行程序所在存储器的区域。DS：(Data Segment Register)数据段寄存器，指示当前程序所用之数据的存储器区域。SS：(Stack Segment Register)堆栈段寄存器，指示当前程序所用之堆栈位于的存储器区域。ES：(Extra Segment Register)附加段寄存器，指示当前程序所用之数据位于的另外存储器区域，在字符串操作中常用到。,这些段寄存器的内容与有效的地址一起，用于确定内存的物理地址。通常用CS、DS、ES以及SS用于确定代码段、数据段、附加段以及堆栈段的基地址。,指令指针,IPInstruction Pointer指令指针寄存器IP寄存器是一个专用寄存器，用来存储代码段中的偏移地址;程序运行过程中IP始终指向下一次要取出的指令偏移地址；通常不能被直接访问，也不能直接赋值，指令中不会出现IP；它与代码段寄存器CS联用，确定下一条指令的 物理地址；计算机通过CS:IP寄存器来控制指令序列的执行流程。,总线控制逻辑 处理器与外界总线联系的转接电路。包括三组总线：20 位地址总线，16/8位双向数据总线，一组控制总线。,地址生成器,CS左移4位,三、EU与BIU的协同工作,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；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。,8086/8088的寄存器结构,数据寄存器,地址指针及变址寄存器,控制寄存器组,段寄存器组,AX AH AL 累加器BX BH BL 基址寄存器CX CH CL 计数寄存器DX DH DL 数据寄存器,通用寄存器组,SP 堆栈指针 BP 基址指针 SI 源变址指针 DI 目的变址指针,IP 指令指针 FLAG 标志寄存器,CS 代码段寄存器 DS 数据段寄存器 SS 堆栈段寄存器 ES 附加段寄存器,15 8 7 0,2.2.3 8086/8088引脚信号,AD0AD15地址/数据复用引脚(双向、三态)A16/S3A19/S6地址/状态复用引脚(输出、三态),/S7总线高位允许/状态(输出，三态),读信号(输出，低电平有效，三态),测试信号(输入、低电平有效),一、通用信号,READY 准备就绪(输入、高电平有效),状态信号指示当前使用段,一、8086通用引脚信号,INTR可屏蔽中断请求信号(输入、高有效)NMI非屏蔽中断请求(输入，上升沿触发)RESET复位信号(输入，高电平有效)CLK时钟输入端,MN/最小/最大模式控制输入端,复位后相关寄存器的初始状态,二、8086最小模式引脚信号,写信号(输出、低电平有效),中断响应信号(输出、三态、低电平有效),DT/数据发送/接收控制信号输出(输出、三态),数据允许信号(输出、三态、低电平有效),M/存储器/IO控制信号(输出、三态),ALE地址锁存允许信号(输出),HOLD总线保持请求信号(输入、高电平有效)HLDA总线保持响应信号(输出、高电平有效),三、8088/8086两种工作模式,最小模式：系统只有8086或8088一个微处理器。所有控制信号直接由CPU提供。最大模式：由两个或多个微处理器(主处理器和协处理器)组成中(大)规模系统，CPU并不直接向外界提供全部控制信号，而由S0S1S2通过Intel 8288总线控制器提供。不同的工作模式下，CPU有一部分引脚具有不同的功能。,由第33号引脚（MN/）控制,2.3 8086系统的组成,地址锁存器8282总线收/发器82868086最小模式下的系统组成两种模式的比较,2.3.1 地址锁存器8282内部结构,8282,地址锁存器8282引脚信号,直通,保持,高阻,74LS373的功能与8282相同,地址锁存功能,STB为高电平期间，输出等于输入；为下降沿时，输出锁存，与输出无关,ALE为8088/8086地址锁存允许,高电平有效,输出,复用线上出现地址时为高电平锁存器的DI0-DI7与CPU的地址/数据复用线相连，STB与ALE相连。ALE为正脉冲时，输出地址；为低电平时，输出锁存，与数据无关,双向数据收发器8286内部结构,功能表,双向数据收发器8286引脚信号,双向数据总线收发器,两方面的功能、三态输出直接驱动总线、具有数据收和发两个方向的传输、隔离控制功能。常用芯片：Intel8286，Intel8287和74LS2458286输入输出同相8287输入输出反相74LS245的功能与8286相同,最小模式总线连接,8086最小工作模式下控制核心单元的组成,5V,读写控制,读写控制,读写控制,8086最大工作模式下控制核心单元的组成,读写控制,读写控制,读写控制,2.4 存储器组织,8086有20条地址线，寻址能力为1MB字节地址：能存储一个字节的存储单元的地址字地址：占用两个相邻字节单元的地址数值较小的单元地址（低字节地址）字符串地址：存放在最低地址单元的第一个字节地址字的存储：低字节在较低地址单元，高字节在较高的相邻地址单元指针的存储：偏移地址在低地址字单元，段地址在较高地址单元,内存单元既可以存放数据，也可以存放地址指针（包括偏移地址和段地址），此时地址也可以看成是数据,2.4.1 信息存放方式示意图,地址 内容 19H 0CH 1AH 1FH 1BH 01H 1CH 23H 1DH 74H 1EH ABH 1FH 41H 20H 42H 21H 43H 22H 44H 23H 45H,8086奇偶存储器和总线连接,a）存储器地址空间分配,b）存储体与总线的连接,存储单元的访问,、A0在每次读/写操作中都会出现低电平，即无论字节或字操作，总线上总是默认传送1个字，然后再按照指令进行数据的取舍。,存储器中的数据存放规则,存储单元中可以存放的内容包括：数据、地址指针（偏移地址和段地址）、程序代码。字节数据的存储：存储在1个存储单元中。字数据的存储：占用2个连续的字节单元，低字节在较低地址单元中，高字节在较高地址单元中。字的地址为低字节地址（较低的地址）。字地址为偶数规则存放的字。字符串的存储：按字符顺序依次连续存放，整个串的地址为存放第一个字符的最低地址。地址指针（双字数据）的存储：地址偏移量存放在低地址字单元，段基址在较高地址单元。,2.4.2 存储器分段,分段原因:8086有20根地址线，但其内部可以表示的地址最多只能是16位。为了能寻址1MB空间，8086对存储器进行逻辑分段，每个段最大为64KB，最小为16B（此时最多64K个段）。,存储器的逻辑地址和物理地址,8086物理地址PA的形成，其中的16位偏移量也称为有效地址EA(出现在指令中),物理地址PA与逻辑地址LA的对应,0000,存储器段操作,四个段寄存器(CS、DS、SS、ES)指示四个现行段的段地址。段和段之间可以相互分离、连接、部分重叠或完全重叠。,*由指令给的出寻址方式所指定的地址,逻辑地址源,物理地址的生成,取指令时：由代码段寄存器CS，再加上IP的16位偏移量堆栈操作时：由堆栈段寄存器SS，再加上SP所决定的16位偏移量取数据：ES或DS再加寻址的偏移地址程序所需的存储空间不超过64KB(包括程序、堆栈和数据)，可使CS、SS、DS、ES相等任务的程序、堆栈以及数据分别不超过64KB，CS，DS，SS可分别置初值，否则用子程序结构,2.4.3 8086系统堆栈操作,堆栈：后进先出的的一段内存栈顶：永远由地址指针(SS：SP)指示栈底：最初始的地址指针(SS：SP)指示处堆栈深度：最大64KB堆栈的作用：调用子程序(或转向中断服务程序)时，把断点及有关的寄存器、标志位及时正确地保存下来，并保证逐次正确返回堆栈操作指令：入栈指令PUSH与出栈指令POP入/出栈操作数：是一个字，而不是一个字节子程序调用指令或中断响应自动完成时，恢复断点地址由返回指令（RET或IRET）完成,堆栈初始化操作,堆栈段起始地址,栈底及初始栈顶,入栈操作,出栈操作,2.5 8086总线时序,时序图：描述某一操作过程中，芯片/总线上有关引脚信号随时间发生变化的关系图总线周期：执行一个总线操作所需要的时间一个基本的总线周期通常包含 4 个T状态,典型的总线周期示意,读周期总线读操作（对存储单元或I/O端口）写周期总线写操作（对存储单元或I/O端口）中断响应周期中断响应操作空闲周期总线空操作,最小模式下存储器或I/O的读周期时序,最小模式下存储器或I/O的写周期时序,CLK,T1,T2,T3,T4,A19A16/S6S3,AD15AD0,ALE,S6 S3,A15 A0,D15 D0,低：I/O,高：M,A19A16,S7,等待态Tw的插入,CLK,T1,T2,T3,T4,A19A16/S6S3,AD15AD0,ALE,S6 S3,A15 A0,D15 D0,低：I/O,高：M,A19A16,S7,TW,READY,最小模式下的时序操作小结,一个基本总线周期由T1T4组成；T1状态：ALE、M/IO、DT/R有效，分时复用线上传送地址信息；T2状态：RD、WR、DEN信号有效。对读操作，数据线呈高阻；对写操作，直接出现输出数据；T3状态：在T3的前沿检测READY，若有效，则读操作出现输入数据；若READY无效，持续其他各控制信号，加入若干个等待态Tw，并在每个Tw前沿继续检测READY，直至READY有效为止；T4状态：接收数据，将各控制信号驱动为无效，进入无源状态，为下一个总线周期做好准备。,