第2章_8088-8086微处理器

第2章8088 8086微处理器 NUIST 主要内容 2 18088 8086微处理器特点2 28088 8086微处理器结构2 38088 8086微处理器工作模式和引脚2 48088 8086的总线时序2 5微型计算机系统组成2 6高性能微机技术简介 NUIST 2 18088 8086CPU的特点 采用并行流水线工作方式20位地址 寻址1M空间 对内存空间实行分段管理 每段容量不超过64KB用段地址和段内偏移实现对1MB空间的寻址设置地址段寄存器指示段的首地址支持多处理器系统 片内没有浮点运算部件 浮点运算由数学协处理器8087支持 也可用软件模拟 注 80486DX以后的CPU均将数学协处理器作为标准部件集成到CPU内部 书上有7点 这都是对当时而言 NUIST 2 18088 8086微处理器特点 比较特点 差别 指令预取队列 8088为4字节 8086为6字节数据总线引脚 8088有8根 8086有16根8088为准16位CPU 内部DB为16位 但外部仅为8位 16位数据要分两次传送本课程主要介绍8088 IBMPC采用 NUIST 2 28088 8086微处理器结构 2 2 1功能结构 接口单元和执行单元2 2 28088CPU的内部寄存器结构2 2 3存储器寻址 NUIST 2 2 1功能结构 接口单元和执行单元 8086 8088 8位数据线4个单元指令流队列 从功能上讲 可分为两个独立的部分 并行重叠操作 NUIST 总线接口部件 BIU 包括一组段寄存器 指令指针 6字节指令队列 8088是4字节 20位总线地址形成部件及总线控制逻辑 主要任务 完成CPU与主存或I O端口之间的信息传送 功能 b 从主存或I O端口取操作数或存放运算结果 c 计算并形成访问主存的20位物理地址 a 从主存取指令送到指令队列中排队 NUIST 总线接口部件组成 4个16位段地址寄存器代码段寄存器 Codesegment 取得CPU所执行的指令 数据段寄存器 Datasegment 存放程序所使用的数据 堆栈段寄存器 Stacksegment 堆栈操作的执行地址在此段中 16位指令指针寄存器 InstructionPointer 6 4字节指令队列缓冲器 20位地址加法器 总线控制器 NUIST 指令队列缓冲器 先进先出的原则 按顺序存放 并按顺序取到EU中去执行 当指令队列缓冲器中存满1条指令 EU开始执行 指令队列缓冲器中只要空出1个 8086为2个 指令字节时 BIU便自动执行取指操作 直到填满为止 EU执行指令时 如需对M或I O设计存取数据时 BIU将在执行完现行取的存储器周期后的下一个存储器周期 对内存单元或I O设备进行存取操作 交换的数据经BIU由EU进行处理 当EU执行完转移 调用和返回指令时 要清除指令队列缓冲器 并要求BIU从新的地址重新执行 总线接口部件组成 NUIST 执行部件EU 由一个16位算术逻辑运算部件ALU EU控制器 一组通用寄存器和标志寄存器构成 EU功能为 NUIST 16位算术逻辑单元 ALU 算术 逻辑运算 计算16位偏移量16位标志寄存器CPU的运算状态特征或存放控制标志数据暂存寄存器协助ALU完成运算通用寄存器组4个16位数据寄存器 4个16位指针与变址寄存器EU控制电路控制 定时与状态逻辑电路 执行单元组成 NUIST 串行工作方式 取指令1 执行1 取操作数2 执行2 CPU BUS 忙碌 忙碌 忙碌 忙碌 存结果1 取指令2 8088以前的CPU采用串行工作方式 1 CPU执行指令时总线处于空闲状态2 CPU访问存储器 存取数据或指令 时要等待总线操作的完成缺点 CPU无法全速运行解决 总线空闲时预取指令 使CPU需要指令时能立刻得到 NUIST 并行工作方式 8088CPU采用并行工作方式 取指令2 取操作数 BIU 存结果 取指令3 取操作数 取指令4 执行1 执行2 执行3 EU BUS 忙碌 忙碌 忙碌 忙碌 忙碌 忙碌 NUIST 8088的流水线操作 8088CPU包括两大部分 BIU和EUBIU不断地从存储器取指令送入IPQ EU不断地从IPQ取出指令执行BIU和EU构成了一个简单的2工位流水线指令预取队列IPQ是实现流水线操作的关键 类似于工厂流水线的传送带 新型CPU将一条指令划分成更多的阶段 以便可以同时执行更多的指令例如 PIII为14个阶段 P4为20个阶段 超级流水线 NUIST 结论 指令预取队列的存在使BIU和EU两个部分可同时进行工作 从而提高了CPU的效率 降低了对存储器存取速度的要求 NUIST 2 2 28088 8086CPU的内部寄存结构 重点讲控制寄存器 NUIST 控制寄存器 IP 指令指针寄存器 其内容为下一条要执行的指令的偏移地址FLAGS 标志寄存器状态标志 存放运算结果的特征控制标志 控制某些特殊操作6个状态标志位 CF SF AF PF OF ZF 3个控制标志位 IF TF DF NUIST CF进位标志 记录运算时从高位有效位产生的进位或借位PF奇偶标志 操作结果中有偶数个1时 PF 1 否则PF 0AF辅助进位标志 记录运算时第3位和第4位之间的进位或借位 ZF零标志 运算结果为0时 ZF 1 否则ZF 0SF符号标志 运算结果为负 SF 1 否则SF 0OF溢出标志 运算结果超出机器能够表示的范围OF 1 否则 OF 0 TF陷阱标志 TF 1 执行指令时产生单步中断 IF中断标志 IF 1 则CPU允许可屏蔽中断 否则禁止 DF方向标志 串处理时控制SI和DI递增或递减 DF 1 寄存器自动递减 DF 0 则寄存器自动递增 NUIST 2 2 38088 8086存储器寻址 物理地址8088 20根地址线 可寻址220 1MB 个存储单元CPU送到AB上的20位的地址称为物理地址 NUIST 物理地址 物理地址 60000H60001H60002H60003H60004H 12H F0H 1BH 08H 存储器的操作完全基于物理地址 问题 8088的内部总线和内部寄存器均为16位 如何生成20位地址 解决 存储器分段 NUIST 存储器分段 高地址 低地址 段基址 段基址 段基址 段基址 最大64KB 段i 1 段i 段i 1 NUIST 逻辑地址 段基地址和段内偏移组成了逻辑地址段地址偏移地址 偏移量 格式为 段地址 偏移地址物理地址 段基地址 16 偏移地址 60002H 00H 12H 60000H 0000 段基地址 16位 段首地址 NUIST BIU中的地址加法器用来实现逻辑地址到物理地址的变换8088可同时访问4个段 4个段寄存器指示了每个段的基地址 段基址 段内偏移 16位 物理地址 16位 20位 0000 NUIST 例 已知CS 1055H DS 250AH ES 2EF0H SS 8FF0H DS段有一操作数 其偏移地址 0204H 1 画出各段在内存中的分布2 指出各段首地址3 该操作数的物理地址 解 各段分布及段首址见右图所示 操作数的物理地址为 250AH 10H 0204H 252A4H NUIST 2 38088 8086微处理器工作模式和引脚 NUIST 2 38088 8086微处理器工作模式和引脚 最小模式 最大模式 NUIST 引脚定义的方法可大致分为 每个引脚只传送一种信息 RD等 引脚电平的高低不同的信号 IO M等 CPU工作于不同方式有不同的名称和定义 WR LOCK等 分时复用引脚 AD7 AD0等 引脚的输入和输出分别传送不同的信息 RQ GT等 NUIST 主要引线 最小模式下 8088是工作在最小还是最大模式由MN MX端状态决定 MN MX 0时工作于最大模式 反之工作于最小模式 数据信号线 DB 与地址信号线 AB AD7 AD0 三态 地址 数据复用线 ALE有效时为地址的低8位 地址信号有效时为输出 传送数据信号时为双向 A19 A16 三态 输出 高4位地址信号 与状态信号S6 S3分时复用 A15 A8 三态 输出 输出8位地址信号 NUIST 主要的控制和状态信号 WR 三态 输出 写命令信号 RD 三态 输出 读命令信号 IO M 三态 输出 指出当前访问的是存储器还是I O接口 高 I O接口 低 内存DEN 三态 输出 低电平时 表示DB上的数据有效 RESET 输入 为高时 CPU执行复位 ALE 三态 输出 高 AB地址有效 DT R 三态 输出 数据传送方向 高 CPU输出 低 CPU输入 NUIST 例 当WR 1 RD 0 IO M 0时 表示CPU当前正在进行读存储器操作 NUIST READY信号 输入 用于协调CPU与存储器 I O接口之间的速度差异READY信号由存储器或I O接口发出 READY 0时 CPU就在T3后插入TW周期 插入的TW个数取决于READY何时变为高电平 NUIST 中断请求和响应信号 INTR 输入 可屏蔽中断请求输入端 高 有INTR中断请求NMI 输入 非屏蔽中断请求输入端 低 高 有NMI中断请求INTA 输出 对INTR信号的响应 NUIST 总线保持信号 HOLD 总线保持请求信号输入端 当CPU以外的其他设备要求占用总线时 通过该引脚向CPU发出请求 HLDA 输出 对HOLD信号的响应 为高电平时 表示CPU已放弃总线控制权 所有三态信号线均变为高阻状态 NUIST 2 48088 8086的总线时序 最小模式 仅支持单处理器主要需解决 地址与数据的分离地址锁存电路实现方案用3片8位的锁存器8282实现地址锁存 ALE为锁存控制信号 OE 0使锁存的地址直接输出 用1片双向三态门8286用作数据总线驱动和隔离 DT R作为方向控制 DEN作为开门信号 其他控制信号由8088直接产生 NUIST 最小模式下的连接示意图 8088CPU 控制总线 数据总线 地址总线 地址锁存 数据收发器 ALE 时钟发生器 3片8282 DT R DEN 8286 NUIST 最大模式 最大模式 可支持多处理器大多数控制信号是由总线控制器8288对S0 S1 S2三个信号译码得到 如DT R ALE DEN IOR IOW MEMR MEMW信号 DB和AB的构成基本同最小模式 PC XT机的总线采用了最大模式 但有三点区别 地址总线驱动用2个74LS373和1个74LS244代替3个8282 数据总线驱动用74LS245代替8286 支持DMA传送 NUIST 最大模式下的连接示意图 8088CPU 数据总线 地址总线 地址锁存 数据收发 ALE 时钟发生器 总线控制器 控制总线 8282 8286 8288 S0S1S2 NUIST 常用接口芯片介绍 8282 74LS373 具有三态正相输出的锁存器内部包含8个D触发器引脚 DI0 DI7输入DO0 DO7输出STB锁存信号OE输出允许功能 OE 0条件下 STB 1传输数据STB下降沿锁存数据功能类似的还有8283 但为反相输出 NUIST 总线驱动器 8286 74LS245 双向三态驱动器引脚 A0 A7和B0 B7双向数据线OE输出允许T方向控制功能 OE 0时 门导通 门导通时 T 0 B A T 1 A B功能类似的还有8287 但为反相输出 NUIST 总线驱动器 续 74LS244 三态门驱动器 含8个门 引脚 I1 I8和O1 O8输入线和输出线E1 E2使能信号 各控制4个三