微机原理第二章课件-80868088微处理器的内部结构.ppt
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1、第二章 微型计算机系统结构,第一节 CPU的内部逻辑结构一、CPU的组成和功能1、CPU的组成 CPU主要由运算器、控制器、寄存器组和片内总线等组成2、CPU的功能(1)指令控制(2)操作控制(3)时序控制(4)执行指令(5)数据加工(运算),二、8086/8088微处理器的内部结构,8086是16位的微处理器,有16位数据线和20位地址线,可寻址220个字节,即 220=1MB=1048576B 8088是准16位微处理器,内部为16位,外部数据线为8位。8086是本课的重点,它主要分为两个独立的功能模块,总线接口模块BIU和执行部件EU,它们可以并行工作。如图2.1所示。,图2.1 808
2、6 CPU内部逻辑结构,BIU,EU,1、总线接口部件BIU,总线接口部件负责与存储器、输入/输出端口传送数据。总线接口部件组成:(1)专用寄存器组:段地址寄存器CS、DS、ES、SS和指令指针寄存器IP,均为16位。(2)地址加法器:8086在寻址1M字节地址空间时需用20位地址,这个地址就是由地址加法器产生的。,具体的说,地址加法器将段寄存器(16位)的内容左移4位,然后与指令指针寄存器IP的内容相加得到20位的物理地址。例如:从内存取指令时,(CS)5760H,(IP)=1234H,则物理地址为:57600H+1234H=57934H。这里,先将段寄存器CS左移4位(16进制数只需后面加
3、一个零)。,(3)6字节的指令队列:总线接口部件从内存中取来的指令放在一个缓冲区中,这个缓冲区叫指令队列。执行部件在执行指令过程中从指令队列取来指令执行。(4)输入/输出控制电路:该控制电路将8086CPU的片内总线与系统总线相连,是8086CPU与外部交换数据的必经之路。,2、执行部件EU(Execution Unit),执行部件负责执行指令。通常,从指令队列中取得等待执行的指令。组成如下:(1)算术逻辑单元ALU:完成各种运算。(2)标志寄存器FR:用来保存ALU运算结果的一些特征信息,如运算是否进位。(3)通用寄存器组:数据寄存器AX,BX,CX,DX和寄存器BP,SP,SI及DI,均1
4、6位。(4)执行部件控制电路,3、BIU和EU的管理,BIU和EU可以并行工作,提高CPU效率。BIU监视着指令队列。当指令队列中有2个空字 节时,就自动把指令取到队列中。(2)EU执行指令时,从指令队列头部取指令,然后 执行。如需访问存储器,则EU向BIU发出请求,由BIU访问存储器。(3)在执行转移、调用、返回指令时,需改变队列 中的指令,要等新指令装入队列中后,EU才继 续执行指令。,4、寄存器结构,(1)通用寄存器组 8086CPU有8个16位的通用寄存器,分2组。通用数据寄存器:AX,BX,CX,DX,用来存放数据或地址,一个16位寄存器也可以当作两个8位寄存器用,此时表示为AH,A
5、L;BH,BL;CH,CL;DH,DL。基地址寄存器BP,堆栈指针寄存器SP,源变址寄存器SI和目的变址寄存器DI主要存放地址,也可以存放数据。,(2)段寄存器 8086的寻址空间是1M字节,物理地址需要20位的地址码。但CPU中的寄存器都是16位的。为解决该问题采用了存储器分段技术。把1MB地址分段,每段64KB,其起始地址的高16位装入一个段寄存器中,称作段基地址,这四个段寄存器的名称为:CS(代码段寄存器)DS(数据段寄存器)ES(附加段寄存器)SS(堆栈段寄存器),8086设置了这4个16位段寄存器,通过这四个段寄存器,CPU可以定位4个逻辑段,分别为:当前代码段、当前数据段、当前附加
6、段和当前堆栈段。注意,每个逻辑段在实际存储器中的位置是可以浮动的,其起始地址的高16位装在段寄存器中,称作段基地址。当程序很大,超过64KB时,则可以定义多个代码段、数据段和附加段。不同的逻辑段可以相交,甚至可以完全重叠。参见书上图2.8。(3)指令指针寄存器IP 该寄存器的内容用来指明将要执行的下一条指令在代码段中的位置。总线接口部件BIU负责修改IP寄存器的值,使它始终指向将要执行的下一条指令。,(4)标志寄存器FR FR主要用来标志运算结果的状态,以及控制CPU的操作。各标志位定义如图2.2所示(共有9个标志):,下图是80 x86微处理器的标志寄存器,从图中可知,他们是向下兼容的。,标
7、志位共有9个,6个是状态标志,用来表示运算结果的特征,包括CF、PF、AF、ZF、SF和OF;3个是控制标志,用来控制CPU的操作,包括IF、DF和TF。状态标志:CF:进位标志,表示本次运算中最高位(第7位或第15位)有进位或有借位。PF:奇偶标志。PF=1表示本次运算中低8位有偶数个“1”;PF=0表示有奇数个“1”。AF:辅助进位标志。AF=1表示本次运算第3位向第4位有进位或有借位。在十进制运算中作为是否进行十进制调整的依据。ZF:零标志。ZF=1表示本次运算结果为零,否则ZF=0 SF:符号标志。SF=0为正数;SF=1为负数。OF:溢出标志。OF=1表示本次运算结果产生溢出,否则O
8、F=0。所谓溢出就是指运算结果超出了相应类型数据所能,表示的范围。控制标志:DF:方向标志,用来控制串操作指令的执行。DF=0则串操作指令的地址自动增量;若DF=1,则自动减量。IF:中断标志,用来控制对可屏蔽中断的响应。若IF=1则允许CPU响应可屏蔽中断;IF=0,则CPU不能响应可屏蔽中断。TF:单步标志。若TF=1,则CPU进入单步工作方式,即CPU每执行一条指令就自动产生一次内部中断;TF=0则CPU正常执行。8086以上的CPU其寄存器阵列如下图所示,阴影部分是80386以上的32位微处理器的寄存器。,5、8088与8086的区别,8088的指令队列只有4个字节,若出现1个空字节,
9、BIU就会自动取指令补充。8088BIU与外部交换数据是8位的,I/O控制电路与专用寄存器之间的数据总线宽度也是8位的。8088与8086有几个引脚的意义有不同,参见下一节。,第二节 CPU的外部结构,8086/8088CPU芯片都是40条引脚的双列直插式封装。部分引脚采用了分时复用方式,即同一条引脚在不同的时刻具有不同的用途。如图2.3所示。8086/8088CPU可有两种工作模式,即最大模式和最小模式。不同模式下个别引脚的功能是不同的。,GND 1 40 VCC AD14 2 39 AD15AD13 3 38 A16/S3AD12 4 37 A17/S4AD11 5 36 A18/S5AD
10、10 6 35 A19/S6 AD9 7 34 BHE/S7 AD8 8 33 MN/MXAD7 9 8086 32 RDAD6 10 CPU 31 HOLD(RQ/GT0)AD5 11 30 HLDA(RQ/GT1)AD4 12 29 WR(LOCK)AD3 13 28 M/IO(S2)AD2 14 27 DT/R(S1)AD1 15 26 DEN(S0)AD0 16 25 ALE(QS0)NMI 17 24 INTA(QS1)INTR 18 23 TESTCLK 19 22 READYGND 20 21 RESET,GND 1 40 VCC A14 2 39 A15A13 3 38 A16
11、/S3A12 4 37 A17/S4A11 5 36 A18/S5A10 6 35 A19/S6 A9 7 34 SS0(HIGH)A8 8 33 MN/MXAD7 9 8088 32 RDAD6 10 CPU 31 HOLD(RQ/GT0)AD5 11 30 HLDA(RQ/GT1)AD4 12 29 WR(LOCK)AD3 13 28 IO/M(S2)AD2 14 27 DT/R(S1)AD1 15 26 DEN(S0)AD0 16 25 ALE(QS0)NMI 17 24 INTA(QS1)INTR 18 23 TESTCLK 19 22 READYGND 20 21 RESET,图2.
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