微处理器及其体系结构.ppt

微机原理及应用,第二章 8086/8088微处理器及其体系结构,一、8086/8088CPU的编程结构 二、8086/8088的存储器组织 三、8086/8088的I/0组织 四、8086/8088CPU的引脚功能和工作方式 五、8086/8088的操作及其时序 作业,一、8086/8088CPU的编程结构,1、8086/8088CPU的内部结构 2、8086/8088CPU的寄存器结构,二、8086/8088的存储器组织,1、存储器组织 2、存储器的分段和物理地址的形成,三、8086/8088的I/0组织,由于I/O设备的工作速度远远低于CPU，所以I/O设备不能直接和CPU总线相连，必须通过I/O接口芯片。 每个I/O接口芯片都有一个或几个端口，一个端口对应一个I/O地址，就象存储单元地址一样。 8086/8088设有输入指令IN和输出指令OUT用于访问I/O端口。,四、8086/8088CPU的引脚功能和工作方式,8086/8088CPU是采用40条引脚DIP（双列直插式）封装。 1、8086/8088CPU两种工作方式 2 、两种工作方式的公用引脚 3、最小工作方式引脚 4、最大工作方式引脚,CPU工作方式,1、最小工作方式 系统中只有一个微处理器8088（或8086），所有的总线控制信号都直接由8088（或8086）产生，这种方式适合较小规模的应用。 2、最大工作方式 系统中可以只有一个处理器，也可以有两个或以上的微处理器，其中一个作为主处理器，其他作为后援处理器，用来协助主处理器处理某些方面的工作，这种方式是在需要8088构成中等或较大系统。,五、8086/8088的操作及其时序,1、时钟周期（Clock Cycle） 8086/8088CPU的所有操作均是在时钟脉冲CLK的统一控制下进行的。由外部的一片8284A芯片提供； 若时钟频率为5MHz（也称主频），则时钟周期或一个T状态是200ns。 2、指令周期 执行一条CPU指令所需的时间，称为一个指令周期。 一个指令周期是由若干个总线周期组成。,五、8086/8088的操作及其时序,3、总线周期（Bus Cycle） CPU执行指令过程中，执行访问存储器或I/O端口的操作都统一交给BIU的外部总线完成，进行一次访问（存取一个字节）所需的时间称为一个总线周期（分“读”和“写”） 。 一个基本的总线周期有四个T状态组成。 在第一个T状态（ T1 ）CPU发送20位地址，并产生地址锁存信号，把地址装入地址锁存器；,五、8086/8088的操作及其时序,3、总线周期（Bus Cycle） 在第二个T状态（ T2 ），CPU从总线上撤销地址，并将总线低16位输出设置成高阻，为读入数据作准备，或在低16位总线上送出写数据，准备进行写操作。 在总线的高4位，输出总线周期状态（ S6S3 ），这些状态信息主要用于诊断监视。,五、8086/8088的操作及其时序,3、总线周期（Bus Cycle） 在T3状态，CPU高4位继续提供状态信息；在低16位地址/数据线上，或者连续发出写数据，或者采样读入数据。 如果被选中的存储器或 I/O不能以CPU的最大传送速率传送数据，则该设备必须通知CPU“未准备好”，迫使CPU在T3状态后插入等待状态TW。 CPU在T3的上升沿采样READY信号，是低电平，就插入等待状态TW 。,五、8086/8088的操作及其时序,3、总线周期（Bus Cycle） 当选中的设备完成它的读写操作时，它就发出“准备就绪（READY）”信号，迫使CPU脱离TW状态并继续工作。 如果执行的总线周期是读周期，CPU则在最后一个等待状态的结束读取数据。 总线周期在T4状态结束，选中的设备在逻辑上与总线脱离。,4、CPU时序 一个微机系统要完成各种任务，需要执行许多操作，这些操作也是在时钟周期的同步下，按时序一个状态一个状态地执行，这样，就构成了CPU的操作时序。 系统复位和启动操作；总线操作；中断操作；暂停操作；总线保持或总线请求/允许操作。 最小方式下的读总线周期 最小方式下的写总线周期,最小方式下的读总线周期,最小方式下的写总线周期,1、8086/8088CPU的内部结构,8位微处理器执行一段程序是通过重复执行以下步骤来完成的。 从内存中取出一条指令，分析指令操作码； 读出一个操作数（如果指令需要操作数）； 执行指令； 将结果写入内存储器（如果指令需要）。 微处理器在取指令、取操作数和存储操作数时要占用总线； 分析操作码和执行指令时不占用总线。（图示）,1、8086/8088CPU的内部结构（2）,8086/8088CPU内部结构基本相同,有20条外部地址总线，可以寻址1M内存空间； 8086CPU的内部和外部数据总线均是16位，是典型的16位微处理器； 8088CPU内部数据总线是16位，外部数据总线是8位，所以被称为准16位微处理器。,1、8086/8088CPU的内部结构,8086/8088CPU设计成两个独立的功能部件： (1)执行部件EU； (2)总线接口部件BIU。 EU和BIU能相互独立地工作，能使大部分的取指令和执行指令重叠进行。 EU执行的是BIU在前一时刻取出的指令； 同时，BIU又再取出EU在下一时刻要执行的指令。（图示） 8086/8088CPU的内部结构简图,执行部件（Execution UnitEU）,作用：执行指令，与外界的联系必须通过总线接口部件。 EU负责从BIU(总线接口部件）的指令队列中取指令，并对指令译码； 根据指令要求，向EU内部各部件发出控制命令以完成各条指令的功能。 说明：对8086/8088来说，EU完全一样,执行部件(Execution UnitEU),EU主要完成两种类型的操作： 算术运算和逻辑运算(由算术逻辑单元ALU完成)； 按指令的寻址方式计算出16位的偏移地址，并将它送到BIU(总线接口部件)中，形成20位的实际地址。 当EU执行完一条指令，就再到BIU的指令队列前部取出BIU预先读入的指令代码。 若指令队列是空的，则EU处于等待状态；一旦指令队列中有一条指令，EU立即取出执行。,总线接口部件(Bus Interface UnitBIU),作用：根据EU的请求，完成CPU与存储器、CPU与I/O之间的信息传送。 取指令时，从存储器指定地址取出指令送入指令队列排队； 执行指令时，根据EU命令对指定存储单元或I/O端口存取数据。 说明：对8086/8088来说，BIU有差别： 8088外部数据总线是8位，指令队列是4个字节； 8086的外部数据总线是16位，指令队列是6个字节。,总线接口部件(Bus Interface UnitBIU),BIU指令队列中，若出现一个空字节（8086是两个空字节），而且EU（执行部件）没有命令BIU对存储器或I/O端口进行访问，则BIU自动执行总线操作，读出指令并填入指令队列中，直至满为止（8088是4个字节，8086是6个字节）。 当EU（执行部件）执行完转移、调用和返回指令时，BIU将清除原队列中的内容，从新地址重新开始取指令，新取的第一条指令将直接送到EU去执行，随后取来的指令填入指令队列。 当指令队列已填满指令，而又没有访问存储器或I/O端口的命令，BIU进入空闲状态。,8088微处理器的内部结构框图,通用寄存器组,暂存寄存器,标志寄存器,EU 控制器,段寄存器组 指令指针IP,内部寄存器,指令队列,总线 控制电路,BIU（总线接口部件）,ALU数据总线(16位),地址总线(20位),数据总线(16位),（执行部件）EU,(8位),8086/8088,总线,EU与BIU之间的通讯,16位的ALU数据总线和8位的指令队列总线用于EU内部和EU与BIU之间的通讯。 16位CPU内部工作过程简述如下： 1）EU部件从BIU部件的指令队列前部取出指令（指令代码和数据），然后对指令进行译码，并执行指令规定的操作； 2）在执行指令的过程中，如果指令要求访问存储器或I/O端口，那么，EU（执行部件）就会请求BIU（总线接口部件），进入总线周期，完成要求的操作。,ALUArithmetic and Logic Unit ALU算术逻辑单元；,取指令和执行指令示意图（1）,8位CPU（如8080）,取指令和执行指令示意图（2）,8位CPU（如8080）,16位CPU（8086/8088）,8086/8088的寄存器结构,8086/8088CPU内部具有13个16位寄存器和1个16位但只用了9位的标志寄存器： 1）通用寄存器组（8个）； 2）段寄存器组（4个）； 3）控制寄存器组（2个）。,图示,通用寄存器组,共有8个16位的通用寄存器： 数据寄存器 地址指针寄存器和变址寄存器,数据寄存器,AX、BX、CX、DX，用于存放16位的数据和地址。 可以拆分成AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH、DL，用来存放8位数据，可以独立寻址，独立使用。 隐含使用：AX作为累加器； BX作为基址寄存器； CX作为计数寄存器； DX在乘除运算中做辅助累加器。,地址指针寄存器和变址寄存器,SP、BP、SI、DI，都是16位寄存器，可以存放数据，通常用来存放逻辑地址的偏移量，是形成20位物理地址的其中一部分。,地址指针寄存器和变址寄存器,SP堆栈指针，是栈顶的偏移量。 BP基址指针，用于存放位于堆栈段中的一个数据区基址的偏移地址。 SI源变址寄存器，存放源操作数地址的偏移量； DI目的变址寄存器，存放目的操作数地址的偏移量； SP、BP的段基址由寄存器SS提供，SI、DI其段基址由寄存器DS提供。,段寄存器组（Segment register）,8086/8088CPU把可以直接寻址的1M字节的内存空间，分成称为“段”的逻辑区域，每个“段”的物理长度为64K（216），而段的起始地址由4个“段寄存器”决定。 CS代码段寄存器，指向当前的代码段，指令由此段中取出； DS数据段寄存器，指向当前的数据段； SS堆栈段寄存器，存放当前的堆栈段的段基址； ES附加段寄存器，存放附加数据段的段基址，在进行字符串操作时，作为目的地址使用。,控制寄存器组,指令指针IP 标志寄存器,指令指针（Instruction PointerIP）,指令指针IP是一个16位寄存器，总是存放着下一次要取出的指令的偏移地址。 特点： 1）用户程序不能使用IP，它由BIU（总线接口部件）自动修改； 2）转移指令、过程调用指令和返回指令会改变IP的内容。,标志寄存器（Flag RegisterFR）,标志寄存器FR是一个16位寄存器，其中9位作为标志位： 其中6个状态标志由EU（执行部件）设置，反映ALU算术或逻辑运算结果的某些特征； 其他3个是控制标志位，用来控制微处理器的某些操作，可以由指令设置。,6个状态标志位,CF进位标志，加法时的最高位（D7或D15）产生进位或减法时最高位出现借位，则CF=1，否则CF=0； AF辅助进位标志，供BCD码使用。当D3位出现进位或借位时AF=1，否则AF=0； OF溢出标志，带符号数进行算术运算时，其结果超出了8位或16位的表示范围，产生溢出，则OF=1，否则OF=0；,6个状态标志位,ZF零标志，运算结果各位都为零，则ZF=1，否则ZF=0； SF符号标志，运算结果为负数时，即运算结果的最高位为1，则SF=1，否则SF=0； PF奇偶标志，反映操作结果中“1”的个数的情况，若有偶数个“1”，则PF=1，否则PF=0。,3个控制标志位,DF方向标志，用来控制数据串操作指令的步进方向； 当设置DF=1时，将以递减顺序对数据串中的数据进行处理。当设置DF=0时，递增。 IF中断允许标志，当设置IF=1，开中断，CPU可响应可屏蔽中断请求；当设置IF=0时，关中断，CPU不响应可屏蔽中断请求。 TF陷阱标志，为程序调试而设的。当设置TF=1，CPU处于单步执行指令的方式；当设置TF=0时，CPU正常执行程序。,1、存储器组织,8086/8088系统中的存储器按字节编址，8086/ 8088CPU有20条地址线，可寻址的最大存储空间是220=1M，每个字节对应唯一一个20位的物理地址。,表示为： （00000H）=23H （00001H）=11H （FFFFFH）=64H,1、存储器组织,当存放的数据是一个字时，其低字节放在低地址，高字节放在高地址； 字的地址用低字节的地址表示。 表示为：,字,字,字,（FFFFEH）=6409H,（00000H） =1123H,（FFFFDH）=09A8H,1、存储器组织,当字的地址是偶数地址时，即从偶数地址开始存放，称这样存放的字为规则字；,规则字,非规则字,规则字,当字的地址是奇数地址时，即从奇数地址开始存放，称这样的字为非规则字。,1、存储器组织,存储器与8086CPU连接时，1M的空间，实际被分成两个512K的存储空间。,（A0 =0 且BHE=0， 两库同时被选中）,1、存储器组织,存储器与8086CPU连接时，对规则字的存取，需要一个总线周期； 对非规则的存取，则需要两个总线周期。,1、存储器组织,存储器与8088CPU连接时，因8088外部的数据总线是8位，因此对应的1M的存储空间是单一的。,对8088来说，每一个总线周期只能完成一个字节的存取操作。,2、存储器的分段和物理地址的形成,CPU内部所有寄存器和ALU都是16位的，不能直接寻址1M内存空间。 8086/8088把1M存储空间分成若干逻辑段，每段最多为64KB，各逻辑段的起始地址叫基址； 段内任意一个存储单元的地址，可用相对于基址的偏移量来表示，称为段内偏移地址，通常存放于IP、SP、SI和DI中。 逻辑地址的表示格式： 段基址：偏移地址,2、存储器的分段和物理地址的形成,逻辑地址的表示格式： 段基址:偏移地址 物理地址= 段基址10H偏移地址 如：已知某存储单元的逻辑地址为2000H:3300H，求该存储单元的物理地址？ 解：物理地址= 段基址10H偏移地址 =2000H 10H3300H =23300H,1、8086/8088CPU两种工作方式公用引脚,* 引脚40，电源输入端，5V； * 引脚1、20，接地端； * 引脚19，时钟信号输入端，常用5MHz。（通常用8284A时钟发生器） （1）地址/数据总线 （2）地址/状态总线 （3）控制总线和其他控制线,2、最小工作方式引脚,当MN/MX（33号引脚）接+5V时，8086/8088处于最小工作方式，整个系统只有一片CPU，所有的总线控制信号都由该CPU产生。（24 31脚） INTA中断响应信号（24脚，输出），是CPU对外设的中断请求的回答信号，是位于两个连续基本总线周期中的两个负脉冲，在T2 T3 Tw状态为负。第一个负脉冲通知外围设备的接口，它发出的中断请求已经得到允许；第二个负脉冲，外设将中断类型码送往数据总线。,2、最小工作方式引脚,ALE地址锁存允许信号（25脚，输出），是CPU在每个总线周期T1发出的； 高电平表示当前地址/数据复用线上输出的是地址信息； 利用它的下降沿把地址信号和BHE信号锁存在8282地址锁存器中。,2、最小工作方式引脚,DEN数据允许信号（26脚，输出，三态），表示CPU准备好接受和发送数据，是CPU提供双向数据收发器8286的选通信号。 在访问存储器和I/O，或中断响应周期均有效； 在DMA下，被设置为高阻。,2、最小工作方式,DT/R数据收发信号（27脚，输出，三态），在系统使用双向数据收发器8286时，用其控制数据的传送方向。 此引脚为高电平时，则CPU进行数据发送； 此引脚为低电平时， CPU进行数据接受； 在DMA方式，被设置为高阻。,2、最小工作方式,M/IO（8088）存储器/IO控制信号（28脚，输出，三态） 高电平表示访问I/O，低电平表示访问存储器，通常该引脚接至存储器或接口芯片的片选CS端； 当DMA时，被设置为高阻。（注：8086和8088相反） WR写信号（29脚，输出，三态）此引脚低电平时，表示CPU正在执行存储器或I/O的写操作。 在写周期，WR在T2T3TW有效； 在DMA被设置为高阻。,2、最小工作方式,HOLD总线保持请求信号（31脚，输入），是系统中其他总线主控部件向CPU发出的请求占用总线的申请信号。 HLDA总线保持响应信号（30脚，输出），是CPU对请求占用总线使用权的响应信号。,2、最小工作方式,HOLD和HLDA是一对应答信号。当系统中某一总线主控部件要求占用总线时，向CPU的HOLD引脚发出一个高电平的请求信号；如果CPU允许，就在当前总线周期的T4状态，从HLDA引脚上发出一个高电平的应答信号，同时，使具有三态功能的地址/数据总线和控制总线处于浮空。 总线请求部件收到HLDA后，获得总线控制权。此时，HOLD和HLDA保持高电平； 当用完总线后，HOLD变为低电平，CPU再度获得总线控制权。,2、最小工作方式,对8088CPU来说，第34引脚为SSO，与27脚的DT/R 、 28脚的M/IO的组合，反映了当前总线周期的操作，表。 最小工作方式引脚列表 最小方式的典型结构,最小方式的典型结构,8282地址锁存器,8286双向数据收发器,ALE信号将地址信号和BHE装入锁存器，OE接地（总是允许输出），所以8282锁存的地址信号和BHE立即送到总线上，保证了地址信息不会丢失。,8282地址锁存器,在CPU与存储器或I/O设备交换信息时，CPU必须首先发送存储器和I/O端口的地址，然后才能传送数据。 由于8086/8088CPU地址线与数据线是分时复用的，所以在数据占有总线以前，必须先将总线上的地址码用地址锁存器暂存起来。 所谓地址锁存器就是一个暂存器，根据CPU控制信息的状态，将总线上的地址码暂存起来。 这样在读写总线周期由地址锁存器提供地址信号。,8282地址锁存器,8086/8088系统常用8282芯片作地址锁存器。,8282是带有三态输出缓冲器的8位锁存器，共20条引脚。 选通信号STB由高变低时满足建立时间要求的输入数据被锁入锁存器中。,保持STB为高电平，就使锁存器变得透明。 驱动OE输入端，数据就出现在输出端上； 当OE高电平时，输出缓冲器处于高阻状态。,8286双向数据收发器,在8086/8088组成的系统中，由于地址线/数据线是分时复用的，所以地址锁存是必不可少的，而CPU进行读写数据操作时，它不可能再发送地址，所以数据锁存则不是必须的。 存储器与I/O的数据线可以直接与CPU的数据线相连的。 但CPU的负载能力有限，一般使用总线驱动器增加处理器带负载能力。 由于数据在CPU与存储器和I/O接口之间的传送是双向的，所以要求总线驱动器是双向的，所以，又被称为双向数据收发器。,8286双向数据收发器,8286是常用的8位双向总线驱动器，引脚T是控制收发方向。 T为高电平，由A端输入传送至B端； T为低电平，则由B端输入传送至A端。,OE是一个用于开启相应的输出驱动器，将数据送入相应的总线上去的输入控制信号。 当OE是低电平时，才允许8286传送数据； 否则，8286高阻输出。,2、最小工作方式,SSO，与DT/R、M/IO的组合及对应操作（8088）,3、最大工作方式,当MN/MX（33号引脚）接地时，8086/8088处于最大工作方式，系统的总线控制信号由专用的总线控制器8288提供。最大方式用于多处理器和协处理器的结构中。 最大工作方式引脚列表,（1）地址/数据总线（AD15AD0 ）,是分时复用总线， 三态。 在总线周期T1内，它们是用来输出要访问的存储器地址或I/O端口地址A15A0 ； 在总线周期的其他时间内，作为双向数据总线： 对8086就是D15D0； 对8088就是D7D0。,（2）地址/状态总线A19/S6 A16/S3,是分时复用总线，输出，三态。 在总线周期T1内，它们是用来输出要访问的存储器地址的高4位A19A16； 在总线周期的其他时间内，这4条线作为输出CPU的状态信息。 i) S6恒为0，指示当前CPU与总线相连； ) S5反映中断允许标志IF的值； ) S4和S3组合值用来指示当前正在使用哪个段寄存器。,S4和S3的编码含义,当进行DMA（Direct Memory Access直接存储器存取方式）， A19/S6 A16/S3这些引脚被设置为高阻状态。,（3）控制总线,BHE/S734脚*，对8086，高8位数据总线允许/状态信号，输出，三态，也是分时复用总线。 在总线周期T1内，作为D15D8允许信号，低电平有效，BHE其实就是Bus High Enable；如输出高电平，表示只使用低8位数据线 D7D0 ； 在总线周期的其他T状态，输出S7，目前未有定义。,* 说明：此34引脚仅对8086，8088与其不同。,（3）控制总线,BHE与A0 （ AD0 ）组合控制传送数据的格式。,（3）控制总线,SSO34脚，对8088， BHE 变成了SSO（System Status Outp