2673693929第2章微型计算机和微处理器的结构.ppt
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1、微型计算机原理,-8086/8088微型计算机和微处理器结构,第2章 微型计算机和微处理器功能结构(4h),2.1 微型计算机的组成及工作原理2.2 8086/8088微处理器的功能结构2.3 80286微处理器的功能结构2.4 80386/80486 CPU的功能结构2.5 Pentium级CPU的功能结构,备注:主要讲 8086/8088微型计算机和微处理器结构,80286/80386/80486不讲,微型计算机系统的构成,显示器(输出设备),主机箱,鼠标(输入设备),键盘(输入设备),电源,光驱,硬盘,内存,CPU,主板,扩展卡,微型计算机系统的构成主机箱,典型的微型计算机硬件组成示于图
2、2.1,它由下列几种大规模集成电路通过总线连接而成。,图2.1 微型计算机的硬件组成,2.1 微型计算机的组成及工作原理,微型计算机包括:微处理器CPU;一定容量的内部存储器(包括ROM、RAM);输入/输出接口电路组成;各功能部件之间通过总线有机地连接在一起。其中:微处理器是整个微型计算机的核心部件。内部存贮器按照读写方式的不同分为ROM和RAM;输入/输出接口电路是外围设备与微型计算机之间的连接电路,在两者之间进行信息交换的过程中,起 暂存、缓冲、类型变换及时序匹配的作用;总线是CPU与其它各功能部件之间进行信息传输的通道,按所传送信息的不同类型,总线可以分为数据总线DB、地址总线AB 和
3、 控制总线CB三种类型。,2.1.1 微处理器(微处理机)微处理器:是微型计算机的中央处理部件,是由一片或几片大规模集成电路组成的中央处理器,一般也称CPU(Center Process Unit)。其内部通常包括算术逻辑部件,累加器、通用寄存器组,程序计数器,时序和控制逻辑部件,内部总线等等。,2.1.2 存储器 存储器是指微型计算机的内存储器。它通常由CPU 之外的半导体存储器芯片组成,用来存放程序、原始操作数、运算的中间结果数据和最终结果数据。包括RAM(Random Access Memory)和ROM(Read Only Memory)。,2.1.3 输入/输出设备及其接口电路输入/
4、输出设备输入/输出(Input/Output,I/O)设备统称为外部设备,简称I/O设备,是微型计算机的重要组成部分。输入/输出设备的任务是将程序、原始数据及现场信息以计算机所能识别的形式送到计算机,经过计算机自动计算或处理并将其结果或回答信号以人能识别的形式表示出来。常用的输入设备包括键盘、鼠标器、数字化仪、扫描仪、A/D转换器、只读激光盘(CD-ROM)及其驱动器等;输出设备的任务是将微型机中常用的输出设备包括显示器、打印机、绘图仪、D/A转换器等。,I/O接口电路(I/O Interface)接口电路的作用:CPU只能处理数字量,而外部设备处理的有数字量、模拟量等。因而,外部设备(简称外
5、设)与CPU间的硬件连线和信息交换不能直接进行,必须经过接口电路进行协调和转换。接口电路的主要职责是将微处理器和输入/输出设备之间的信息统一起来。常用的I/O接口电路有:8255A可编程并行接口电路、8253可编程定时/计数电路、8251可编程串行接口电路、8237直接存储器存取电路(DMA)等。,2.1.4 总线 总线是连接多个功能部件或多个装置的一组公共信号线。按在系统中的不同位置,总线可以分为内部总线和外部总线。内部总线是CPU内部各功能部件和寄存器之间的连线;外部总线是连接系统的总线,即连接CPU、存储器和I/O接口的总线,又称为系统总线。按所传送信息的不同类型,总线可以分为:数据总线
6、DB(Data Bus)、地址总线AB(Address Bus)控制总线CB(Control Bus)通常称微型计算机采用三总线结构。,地址总线(Address Bus)地址总线是微型计算机用来传送地址信息的信号线。地址总线的位数决定了CPU可以直接寻址的内存空间的大小。因为地址总是从CPU发出的,所以地址总线是单向的、三态总线。单向指信息只能沿一个方向传送;三态指除了输出高、低电平状态外和高阻抗状态(浮空状态)。数据总线(Data Bus)数据总线是CPU用来传送数据信息的信号线(双向、三态)。数据总线是双向三态总线,即数据既可以从CPU送到其它部件,也可以从其它部件传送给CPU,数据总线的
7、位数和处理器的位数相对应。,控制总线(Control Bus)控制总线是用来传送控制信号的一组总线。这组信号线比较复杂,由它来实现CPU对外部功能部件(包括存储器和I/O接口)的控制及接收外部传送给CPU的状态信号,不同的微处理器采用不同的控制信号。控制总线的信号线有:单向、双向、三态、非三态等,取决于具体的信号线。,8086/8088微处理器是Intel公司推出的第三代CPU芯片,它们的内部结构基本相同,都采用16位结构进行操作及存储器寻址,但外部性能有所差异,两种处理器均采用DIP(40脚双列直插)封装。,2.2 8086/8088微处理器的功能结构,8086/8088以及80186、80
8、286微处理器均属Intel公司生产的第三代16位微处理器。它们与第二代8位微处理器的区别不仅是数据总线的位数增加了1倍,更重要的是采取了流水线处理技术。具体来说,是将指令执行部件EU(Execution Unit)和总线接口部件BIU(Bus Interface Unit)分为两个独立的部分,可并行操作。图2.2示出串行处理和流水处理的情况。一个简单的微处理器,如8位微处理器,它们在执行一条指令时,指令取出、指令译码、数据取出、指令执行和结果存储是串行进行的,见图2.2(a)。(P40),2.2.1 流水处理,时间,(a)串行处理,BIU,EU,(b)流水处理,图2.2 串行处理和流水处理,
9、如图:8086/8088 CPU 由于指令执行部件EU和总线接口部件BIU相互独立,可并行操作,进行流水线处理。若一条指令执行过程中不需要从存储器取操作数和向存储器存储结果,即不占CPU总线时间,总线接口部件便可对下一条要执行的指令预取。可见。采用流水线技术提高了指令执行速度。,BIU,EU,(b)流水处理,Intel公司同期推出的Intel8088微处理器,其内部寄存器,内部操作等均按16位处理器设计,与Intel 8086微处理器基本上相同,而外部数据为8位,故称为准16位微处理器。8086为典型的16位CPU:16位的内部数据总线,16位外部数据总线;8088为准16位CPU:16位的内
10、部数据总线,8位外部数据总线;20 位地址信号线,可寻址1M字节存储单元;利用低16位的地址总线来进行I/O端口寻址,可寻址64K 个I/O端口;较强的指令系统;中断功能强,可处理内部软件中断和外部中断,中断源可达256个;单一的5V电源,单相时钟 5MHz。,2.2.2 8086/8088微处理器的一般性能特点:,图2.3 8086/8088CPU内部功能结构图,2.2.3 8086/8088微处理器的功能结构,从功能上来看,8086/8088 CPU可分为两部分,即总线接口部件BIU(Bus Interface Unit)和执行部件EU(Execution Unit)。,(1)执行部件(E
11、U)功能:负责指令的执行。(主要进行8位及16位的各种运算)组成:ALU(算术逻辑单元);通用寄存器组;标志寄存器(FLAGS)。通用寄存器(AX、BX、CX、DX)8086 有4个16位的通用寄存器(AX、BX、CX、DX),可以存放16位的操作数,也可分为8个8位的寄存器(AL、AH;BL、BH;CL、CH;DL、DH)来使用。其中AX称为累加器,BX称为基址寄存器,CX称为计数寄存器,DX称为数据寄存器。这些寄存器在具体使用上有一定的差别,如表2-1所示。,表2-1 内部寄存器主要用途,指针寄存器(SP和BP)SP和BP位两个16位的指针寄存器。SP是堆栈指针寄存器,用来存放现行堆栈段的
12、段内偏移地址,并具有步进增量和减量的功能。由它和堆栈段寄存器SS一起来确定堆栈在内存中的位置;BP是基数指针寄存器,通常用于存放基地址。当程序执行:调用子程序或响应中断时的主程序时,要保证程序执行完后正确的返回主程序,则需要保存断点地址以及其他寄存器的内容。,例如,进行子程序嵌套(见图2.5)时,不仅需要把许多信息(包括断点地址和寄存器内容等)逐一存入堆栈并保留下来,还必须能把堆栈所保留的信息逐一正确地取出来并返回原处。,图2.5 子程序的嵌套,堆栈是一组寄存器或一个存储区域,用来存放调用子程序或响应中断时的主程序断点地址及其他寄存器的内容。堆栈组成的方法有两种:硬件堆栈和软件堆栈。微处理器内
13、一组由寄存器构成的堆栈称为硬件堆栈。它的优点是访问的速度快;缺点是寄存器的数量即堆栈的深度有限。在存储器中开辟一个区域构成的堆栈称为软件堆栈。它的优点是堆栈的深度几乎没有限制;缺点是访问堆栈的速度较慢。80X86系列微处理器均采用软件堆栈。下面以8086微处理器为例,简单叙述堆栈的工作原理。,当将信息存入堆栈或从堆栈中取出信息时,都必须严格的按照“后进先出”规则进行。在8086中,堆栈被定义为由SS:SP寄存器对指出的存储区域。堆栈段的起始地址由SS段寄存器内容左移4位形成。堆栈段内的偏移地址由SP寄存器指出。如图2.6(a)为8086堆栈的逻辑地址。,图2.6(a)8086堆栈的逻辑地址,S
14、P,SS,由于SP为16位,在8086中堆栈的最大容量为64KB。图2.6(b)示出堆栈的形式和术语,其中栈底为初始堆栈指针值(即SP初值)。当前栈顶即为当前SP值,它指向最后压入字的两个单元。,图2.6 8086堆栈形式,向下生成,SS:SP,高地址,低地址,堆栈操作有两种:一种叫压入(PUSH),另一种叫弹出(POP)。对8086/8088 CPU来说,每次压入或弹出一个字,最后压入堆栈的字总是最先弹出来,堆栈的这种后进先出的特点是由堆栈指示器SP来控制的。SP必须具有自动步进增量和减量的功能。在向下生成方式中,栈底占用较高地址,栈顶占用较低地址。当需要把一个字压入(PUSH)堆栈时,首先
15、SP自动减2,指向新的栈顶两个空单元,然后将要压入堆栈的一个字送入栈顶两个单元中。当要将堆栈中栈顶两个单元的一个字弹出(POP)堆栈时,先将SP所指栈顶两个单元的内容弹出,然后再将SP加2指向新的栈顶。,xx,xx,54xx,36,高地址(栈底),低地址(栈顶),SP,SP,SP,向下生成,80X86 CPU中堆栈采用向下生成的方式。与向下生成方式相对应,还有向上生成的堆栈编址方式,即栈底占用较低地址,栈顶占用较高地址。由于堆栈指示器的设置,在某种特定情况下,它就能自动跟踪栈顶地址,而不需要在编程中考虑这种跟踪。例如,在执行调用指令时,能自动把断点地址压入SP所指的栈区存储单元。而执行返回指令
16、时,又能自动按SP所指的栈存储单元将断点地址从栈区弹出,送到指令指针IP中去。通常堆栈操作从不移动和擦除栈区存储单元内容,堆栈操作时仅是修改堆栈指针。但压入堆栈操作时,则是用新压入的数据取代栈区原存储单元内容。,变址寄存器(SI和DI)系统中有两个16位的变址寄存器SI和DI。SI是源变址寄存器,DI是目的变址寄存器,都用于指令的变址寻址方式。控制寄存器IP、FLAGS是系统中的两个16位控制寄存器。,图2-2 标志寄存器,FLAGS 标志寄存器,其内容被称为处理器状态字PSW,用来存放8086 CPU在工作过程中的状态,可分成两类:一类为状态标志,一类为控制标志。,CF(Carry FIag
17、)-进位标志位,做加法时最高位出现进位或做减法时最高位出现借位,该位置1,反之为0。PF(Parity FIag)奇偶标志位,当运算结果的低8位中l的个数为偶数时,则该位置1,反之为0。AF(Auxiliary Carry Flag)半进位标志位,做字节加法时,当低四位有向高四位的进位,或在做减法时,低四位有向高四位的借位时,该标志位就置1。通常用于对BCD算术运算结果的调整。,AF1,CF1,例:,(1)状态标志,ZF(Zero Flag)零标志位,运算结果为0时,该标志位置1,否则清0。SF(Sign Flag)符号标志位,当运算结果的最高位为1,该标志位置1,否则清0。即与运算结果的最高
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