第二章 8086系统结构

1、1第二章第二章 80868086系统结构系统结构教学重点教学重点: :l 8086 CPU8086 CPU内部结构内部结构l 8086 CPU8086 CPU的引脚及功能的引脚及功能l 80868086存储器组织存储器组织22.1.1 8086CPU的内部结构的内部结构80868086：Intel系列的系列的1616位微处理器，位微处理器，1616条数据线、条数据线、2020 条地址线，可寻址条地址线，可寻址2 22020=1MB=1MB的地址空间，的地址空间，80868086 工作时，只要一个单一的工作时，只要一个单一的5V5V电源和一个时钟，电源和一个时钟， 时钟频率为时钟频率为5MHz

2、5MHz 。2.1 8086 CPU结构结构38086 CPU8086 CPU内部结构框图内部结构框图15158 78 70 048086 CPU8086 CPU由两个独立的功能部件组成由两个独立的功能部件组成: :总线接口部件总线接口部件BIUBIU（Bus Interface UnitBus Interface Unit）指令执行部件指令执行部件EUEU（Execution UnitExecution Unit）5组成：组成：2020位物理地址加法器位物理地址加法器+4+4个个1616位段寄存器位段寄存器+1+1个个1616位指位指 针寄存器针寄存器+1+1个个6 6位指令队列位指令队列+

3、BIU+BIU的控制器的控制器主要功能：主要功能：功能：功能： （1 1）从取指令送到指令队列。）从取指令送到指令队列。 （2 2）CPUCPU执行指令时，到指定的位置取操作数，并执行指令时，到指定的位置取操作数，并 将其送至要求的位置单元中。将其送至要求的位置单元中。1 1、总线接口部件（、总线接口部件（BIUBIU）2020位物理地址加法器位物理地址加法器专门用来完成由逻辑地址变换成物理地址的功能。专门用来完成由逻辑地址变换成物理地址的功能。实际上是进行一次地址加法，将实际上是进行一次地址加法，将2 2个个1616位的逻辑地址位的逻辑地址转换为转换为2020位的物理地址，以达到可寻址位的物

4、理地址，以达到可寻址1M1M字节的存字节的存储空间。储空间。6可存放可存放6 6字节的指令代码。一般情况下指令队列中字节的指令代码。一般情况下指令队列中总是填满指令，使总是填满指令，使EUEU可不断地得到执行的指令。可不断地得到执行的指令。遵循的原则：先进先出遵循的原则：先进先出6 6位的指令队列位的指令队列将将8086CPU8086CPU的内部总线与外部总线相连，是的内部总线与外部总线相连，是8086CPU8086CPU与外部交换数据的必经之路。包括与外部交换数据的必经之路。包括1616条数据总线、条数据总线、2020条地址总线和若干条控制总线。条地址总线和若干条控制总线。BIUBIU的控制

5、器的控制器4 4个个1616位寄存器和位寄存器和1 1个个1616位指针寄存器位指针寄存器单独详细说明单独详细说明7组成：算术逻辑单元（组成：算术逻辑单元（ALUALU）+ +标志寄存器标志寄存器+ +通用寄存器组通用寄存器组+ + EU EU控制器等部件。控制器等部件。主要功能是执行指令：主要功能是执行指令： 一般顺序执行，一般顺序执行，EUEU不断地从指令队列中取指令连续执行，不断地从指令队列中取指令连续执行，而省去访问存储器取指令的时间。而省去访问存储器取指令的时间。 需要访问存储器取操作数时，需要访问存储器取操作数时，EUEU将访问地址送给将访问地址送给BIUBIU后，将后，将要等待操

6、作数到来后才能继续操作；要等待操作数到来后才能继续操作； 遇到转移类指令时，要将指令队列中的后续指令作废，等遇到转移类指令时，要将指令队列中的后续指令作废，等待待BIUBIU重新从存储器取出目标地址中的指令代码进入指令队重新从存储器取出目标地址中的指令代码进入指令队列后，列后，EUEU才能继续执行指令。才能继续执行指令。2 2、执行部件、执行部件EUEU8 完成完成16位或位或8位的二进制运算；位的二进制运算； 16位暂存寄存器用来暂存参加运算的操作数。位暂存寄存器用来暂存参加运算的操作数。 运算结果通过内部总线送到通用寄存器组或运算结果通过内部总线送到通用寄存器组或BIU的内部的内部 寄存器

7、中等待写入存储器。寄存器中等待写入存储器。 经经ALU运算后的结果特征置入标志寄存器中保存。运算后的结果特征置入标志寄存器中保存。算术逻辑单元（算术逻辑单元（ALU） 负责从负责从BIU的指令队列中取指令，并对指令译码；的指令队列中取指令，并对指令译码； 根据指令要求向根据指令要求向EU内部各部件发出控制命令以完成各条内部各部件发出控制命令以完成各条 指令的功能。指令的功能。EU控制器控制器通用寄存器组及标志寄存器通用寄存器组及标志寄存器单独详细说明单独详细说明92.1.2 8086寄存器结构寄存器结构主要放主要放CSCS主要放主要放BXBX主要放主要放BPBP主要放主要放DIDI、SISI主

8、要放主要放CSCS主要放主要放BXBX主要放主要放BPBP主要放主要放DIDI、SISI12通用寄存器（通用寄存器（8 8个）可分为两组：个）可分为两组：数据寄存器（数据寄存器（4 4个）；个）；地址指针和变址寄存器（地址指针和变址寄存器（4 4个）。个）。 通用寄存器通用寄存器（1 1）数据寄存器）数据寄存器通用寄存器通用寄存器AXAX、BXBX、CXCX和和DXDX称为数据寄存器，可用称为数据寄存器，可用 来存放来存放1616位的数据或地址。也可把它们当作八个位的数据或地址。也可把它们当作八个8 8位位 寄存器（寄存器（AHAH、ALAL、BHBH、BLBL、CHCH、CLCL、DHDH、

9、DLDL）来使）来使 用，这时只能存放用，这时只能存放8 8位位数据数据，而不能用来存放，而不能用来存放地址地址。13（2 2）地址指针和变址寄存器）地址指针和变址寄存器包括包括SPSP、BPBP、SISI、DIDI四个四个1616位寄存器。位寄存器。可以在运算过程中存放操作数，但只能以字（可以在运算过程中存放操作数，但只能以字（1616位）为单位使用。位）为单位使用。常用在段内寻址时提供偏移地址：常用在段内寻址时提供偏移地址：SPSP（Stack PointerStack Pointer）称为堆栈指针寄存器，）称为堆栈指针寄存器，BPBP（Base PointerBase Pointer）称

10、为基）称为基址指针寄存器，它们都可以与址指针寄存器，它们都可以与SSSS寄存器联用确定堆栈段中的某一存储单元的寄存器联用确定堆栈段中的某一存储单元的地址。地址。SPSP用来指示栈顶的偏移地址，用来指示栈顶的偏移地址，BPBP可作为堆栈区中的一个基地址以便访可作为堆栈区中的一个基地址以便访问堆栈。问堆栈。SISI（Source IndexSource Index）源变址寄存器和）源变址寄存器和DIDI（Destination IndexDestination Index）目的变址）目的变址寄存器：它们一般与寄存器：它们一般与DSDS联用，用来确定数据段中某一存储单元的地址。联用，用来确定数据段中

11、某一存储单元的地址。14寄存器名寄存器名特特 殊殊 用用 途途SISI在字符串处理指令中作源变址寄存器用在字符串处理指令中作源变址寄存器用在间接寻址中作变址寄存器用在间接寻址中作变址寄存器用DIDI在字符串处理指令中作目标变址寄存器用在字符串处理指令中作目标变址寄存器用在间接寻址中作变址寄存器用在间接寻址中作变址寄存器用BPBP在间接寻址中作基址指针用在间接寻址中作基址指针用SPSP在堆栈操作中作堆栈指针用在堆栈操作中作堆栈指针用15由于由于8086CPU8086CPU可直接寻址的存储器空间是可直接寻址的存储器空间是1M1M字节，需字节，需要要2020位地址码。而位地址码。而CPUCPU所有的

12、内部寄存器都只有所有的内部寄存器都只有1616位，用位，用这些寄存器只能直接寻址这些寄存器只能直接寻址64k64k的字节。为此把的字节。为此把1M1M字节的存字节的存储空间分成许多逻辑段，每段最长为储空间分成许多逻辑段，每段最长为64k64k字节，这些逻辑字节，这些逻辑段可在整个存储空间中浮动。于是用段寄存器给定各个段可在整个存储空间中浮动。于是用段寄存器给定各个逻辑段的首地址的高逻辑段的首地址的高1616位，被称为位，被称为段地址段地址。设置段寄存器的设置段寄存器的原因原因：段寄存器段寄存器16 8086CPU 8086CPU的的BIUBIU中设置中设置4 4个个1616位段寄存器：位段寄存

13、器：代码段寄存器代码段寄存器CS CS （Code SegmentCode Segment）数据段寄存器数据段寄存器DS DS （Data SegmentData Segment）附加数据段寄存器附加数据段寄存器ESES（Extra SegmentExtra Segment）堆栈段寄存器堆栈段寄存器SS SS （Stack SegmentStack Segment）17因此，汇编程序一般将源程序分成四个逻辑段，因此，汇编程序一般将源程序分成四个逻辑段，即代码段即代码段CSCS、数据段、数据段DSDS、堆栈段、堆栈段SSSS和附加段和附加段ESES。CSDSSSESCSCS：存放当前代码段的基地

14、址。存放当前代码段的基地址。 DSDS：存放当前数据段的基地址。存放当前数据段的基地址。SSSS：存放当前堆栈段的基地址。存放当前堆栈段的基地址。ESES：存放当前附加段的基地址。存放当前附加段的基地址。18代码段存放可执行指令，该逻辑段是必不可少的；代码段存放可执行指令，该逻辑段是必不可少的；数据段和附加数据段存放参加运算的操作数和运算结果；数据段和附加数据段存放参加运算的操作数和运算结果；堆栈段用于指示程序执行中需要使用的堆栈区。堆栈段用于指示程序执行中需要使用的堆栈区。如果程序量或数据量很大，超过如果程序量或数据量很大，超过64k64k字节，那么可定字节，那么可定义多个代码段、数据段、附

15、加数据段和堆栈段。义多个代码段、数据段、附加数据段和堆栈段。只是只是4 4个段寄存器中存放的是当前使用的逻辑段的段个段寄存器中存放的是当前使用的逻辑段的段地址，必要时可修改这些段寄存器的内容，以扩大程序地址，必要时可修改这些段寄存器的内容，以扩大程序的规模。的规模。19（1 1）指令指针寄存器）指令指针寄存器IPIP（Instruction PointerInstruction Pointer） 8086CPU8086CPU中设置一个中设置一个1616位指令指针寄存器位指令指针寄存器IPIP，用来存，用来存放将要取出的下一条指令在代码段中的偏移地址。放将要取出的下一条指令在代码段中的偏移地址。

16、 在程序运行过程中，在程序运行过程中，BIUBIU可修改可修改IPIP中的内容，使它始终中的内容，使它始终指向将要取出的下一条指令。指向将要取出的下一条指令。控制寄存器控制寄存器注意：注意：IPIP与与CSCS联用联用, , 表示代码段中要处理的指令的逻辑地址表示代码段中要处理的指令的逻辑地址; ;IPIP和和CSCS由系统执行，用户一般不能使用或修改由系统执行，用户一般不能使用或修改。20 8086CPU 8086CPU中设立一个两字节的标志寄存器中设立一个两字节的标志寄存器FLAGSFLAGS （又称（又称PSW/FRPSW/FR），有），有9 9个标志位个标志位: :6 6个状态标志位个

17、状态标志位: :表示运算结果的状态，包括表示运算结果的状态，包括CFCF、PFPF、 AF AF、ZFZF、SFSF和和OFOF；3 3个控制标志位个控制标志位: :用来控制用来控制CPUCPU的操作，包括的操作，包括IFIF、DFDF和和 TF TF。D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 OF DF IF TF SF ZF AF PF CF注：注：1616位中有位中有7 7位未用位未用（2 2）标志寄存器（）标志寄存器（PSWPSW）21现将各标志位的定义说明如下：现将各标志位的定义说明如下：状态标志位：状态标志位：（1

18、1）CFCF（Carry FlagCarry Flag）进位标志位。如果做加法时最高）进位标志位。如果做加法时最高位（字节操作是位（字节操作是D7D7位，字操作是位，字操作是D15D15位）产生进位或做减位）产生进位或做减法时最高位产生借位，则法时最高位产生借位，则CF=1CF=1，否则，否则CF=0CF=0。（2 2）PFPF（Parity FlagParity Flag）奇偶标志位。如果操作结果的）奇偶标志位。如果操作结果的低八位中含有偶数个低八位中含有偶数个1 1，则，则PF=1PF=1，否则，否则PF=0PF=0。（3 3）AFAF（Auxiliary Carry FlagAuxili

19、ary Carry Flag）辅助进位标志位。如）辅助进位标志位。如果做加法时果做加法时D3D3位有进位或做减法时位有进位或做减法时D3D3位有借位，则位有借位，则AF=1AF=1，否则否则AF=0AF=0。22（4 4）ZFZF（Zero FlagZero Flag）零标志位。如果运算结果各位）零标志位。如果运算结果各位 都为零，则都为零，则ZF=1ZF=1，否则，否则ZF=0ZF=0。（将来是跳转指令（将来是跳转指令 的判断标准）的判断标准）（5 5）SFSF（Sign FlagSign Flag）符号标志位。如果运算结果的）符号标志位。如果运算结果的 最高位（字节操作是最高位（字节操作是

20、D7D7，字操作是，字操作是D15D15）为）为1 1，则，则 SF=1 SF=1，否则，否则SF=0SF=0。（为了表示数的正负）（为了表示数的正负）（6 6）OFOF（Overflow FlagOverflow Flag）溢出标志位。在加或减运）溢出标志位。在加或减运 算中结果超出算中结果超出8 8位或位或1616位有符号数所能表示的数位有符号数所能表示的数 值范围时，产生溢出，值范围时，产生溢出，OF=1OF=1，否则，否则OF=0OF=0。23控制标志位：控制标志位：（7 7）IFIF（Interrupt FlagInterrupt Flag）中断标志位。可用指令设置。）中断标志位。可

21、用指令设置。当当IF=1IF=1时，时，CPUCPU可响应可屏蔽中断请求；可响应可屏蔽中断请求；IF=0IF=0，CPUCPU不响应不响应可屏蔽中断请求。可屏蔽中断请求。（8 8）DFDF（Direction FlagDirection Flag）方向标志位。在串处理指令）方向标志位。在串处理指令中，若中，若DF=0DF=0，表示串处理指令地址指针自动增量，即串操，表示串处理指令地址指针自动增量，即串操作由低地址向高地址进行；作由低地址向高地址进行；DF=1DF=1，表示地址指针自动减量，表示地址指针自动减量，即串操作由高地址向低地址进行。即串操作由高地址向低地址进行。DFDF标志位可通过指令

22、预标志位可通过指令预置。置。（9 9）TFTF（Trap FlagTrap Flag）单步标志位。假如）单步标志位。假如TF=1TF=1，则，则CPUCPU处处于单步工作方式。在这种工作方式下，于单步工作方式。在这种工作方式下，CPUCPU每执行完一条每执行完一条指令就自动产生一次内部中断。指令就自动产生一次内部中断。TF=0TF=0，则正常执行。在调，则正常执行。在调试程序中，试程序中，TFTF命令就是利用这种中断。命令就是利用这种中断。2.2 8086 CPU8086 CPU的引脚及功能的引脚及功能 根据所连的存储器和外设规模的不同，使根据所连的存储器和外设规模的不同，使CPUCPU可以在

23、两种模可以在两种模式下工作：式下工作： 系统的最小模式：系统的最小模式：只有一个只有一个8086/8088CPU8086/8088CPU。系统的最大模式：系统的最大模式：有两个或两个以上的有两个或两个以上的CPUCPU。最小模式最小模式最大模式最大模式MN/MX接+5v构成单处理器系统系统控制信号由CPU提供MN/MX接地构成多处理器系统系统控制信号由总线控制器8288提供指令周期：指令周期：执行一条指令所需要的时间。执行一条指令所需要的时间。总线周期（机器周期）：总线周期（机器周期）：CPUCPU通过总线与存储器或通过总线与存储器或I/OI/O接接 口进行一次数据传输所需的时间。口进行一次数

24、据传输所需的时间。T T状态（时钟周期）：状态（时钟周期）：CPUCPU处理动作的最小单位。处理动作的最小单位。01020304050607080910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221GNDRESETGNDAD14AD13AD12AD11AD10AD9AD8AD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0NMIINTRCLKVCC（+5V）AD15A16/S3A17/S4A18/S5A19/S6BHE/S7MN/MXRDHOLD HLDAWRM/IODT/RDENALEINTATESTREADY8086 C

25、PU(1)V(1)Vcccc(40)(40)、GND(20)GND(20) V Vcccc为电源端，接为电源端，接5v5v10%10%的直流电压，而的直流电压，而GNDGND为接地端。为接地端。(2)AD(2)AD0 0ADAD1515(2(21616、39)39) 既可输出既可输出地址地址，也可输出，也可输出数据数据，称之地址，称之地址/ /数据复用线。数据复用线。 T T1 1状态：输出的为状态：输出的为地址地址信息（单向）信息（单向） T T2 2T T3 3状态：传送状态：传送数据数据信息（双向），与信息（双向），与WRWR、RDRD有关，看哪有关，看哪 个有效。个有效。 如果中断响应

26、和总线保持时，如果中断响应和总线保持时，ADAD0 0ADAD1515处在高阻状态处在高阻状态。 T T4 4状态：用于测试状态：用于测试T T1 1T T2 2T T3 3T T4 4(3)A(3)A1919/S/S6 6A A1616/S/S3 3(35(3538)38)，称之地址，称之地址/ /状态复用线状态复用线 T T1 1状态：输出的为状态：输出的为2020位的位的地址地址信息（单向）信息（单向） T T2 2T T4 4状态：输出为状态：输出为状态状态信息信息(4)BHE/S(4)BHE/S7 7 （3434）高）高8 8位数据允许位数据允许/ /状态复用引脚状态复用引脚 BHE

27、=0 BHE=0，D D8 8D D1515有效，可以输出（高有效，可以输出（高8 8位）位） S S7 7=1=1， D D0 0D D7 7有效，可以输出（低有效，可以输出（低8 8位）位） T T4 4中中S S7 7无意义无意义T T2 2T T3 3状态状态5v(5)NMI(17)(5)NMI(17)，不可屏蔽中断请求，不可屏蔽中断请求 NMI NMI有效，即有效，即0 5v0 5v有效，反之无效。有效，反之无效。(6)INTR(18) (6)INTR(18) 可屏蔽中断请求可屏蔽中断请求INTR=1INTR=1，如外部存在可屏蔽请求且，如外部存在可屏蔽请求且IF=1IF=1，此时，

28、此时S S5 5=1=1，则响应可屏蔽中断。，则响应可屏蔽中断。INTR=1INTR=1，如外部存在可屏蔽请求且，如外部存在可屏蔽请求且IF=0IF=0，此时，此时S S5 5=0=0，则不响应可屏蔽中断。，则不响应可屏蔽中断。T T4 4周期检测周期检测INTRINTR是否有效是否有效(7)CLK(19) (7)CLK(19) 时钟输入信号时钟输入信号 占空比占空比：高低电平所占时钟的比例。：高低电平所占时钟的比例。 CLKCLK的非对称占空比为的非对称占空比为33%33%(8)REST(21) (8)REST(21) 复位输入信号复位输入信号 REST=1REST=1，高电平有效，至少保持

29、，高电平有效，至少保持4 4个时钟周期。个时钟周期。(9)RD(32),WR(29)(9)RD(32),WR(29) RD=0( RD=0(低电平），低电平），T T2 2T T3 3周期，周期，M/IO=1M/IO=1，则进行读操作，则进行读操作 WR=0( WR=0(低电平），与低电平），与M/IOM/IO配合使用，表示读配合使用，表示读I/OI/O端口操作端口操作(10)READY(22) (10)READY(22) 准备就绪信号准备就绪信号 CPU CPU进行扫描，当进行扫描，当READY=1READY=1， M/IOM/IO准备进行读准备进行读/ /写操作写操作 当当READY=0R

30、EADY=0， M/IOM/IO没准备好，所以在没准备好，所以在T T3 3与与T T4 4之间加之间加T TW W(11)TEST(23) (11)TEST(23) 测试信号，与测试信号，与WAITWAIT配合使用配合使用 TEST=1TEST=1，CPUCPU继续空转继续空转 TEST=0TEST=0，CPUCPU结束空转，执行下一条指令结束空转，执行下一条指令(12)MN/MX(33) (12)MN/MX(33) 模式控制信号模式控制信号 MN/MX=1MN/MX=1，（，（+5v+5v）最小工作模式）最小工作模式 MN/MX=0 MN/MX=0，（，（G G） 最大工作模式最大工作模式

31、(13)M/IO(28) (13)M/IO(28) 存储器存储器/ /外设信号选择端外设信号选择端 M/IO=1 M/IO=1，选择存储器，选择存储器 CPU CPU 存储器存储器 M/IO=0 M/IO=0，选择外设，选择外设 CPU CPU 外设外设 (14)DEN(26) (14)DEN(26) 数据允许信号数据允许信号DEN=0DEN=0，选通数据存储器，选通数据存储器，在在T T2 2T T3 3,DB DB,DB DB收发器。收发器。DEN=1DEN=1，反之，反之双向(15)DT/R(27) (15)DT/R(27) 数据收发数据收发/ /接收控制信号接收控制信号 DT/R=1 DT/R=1，数据发送，收发器，数据发送，收发器 8086 CPU8086 CPU DT/R=0 DT/R=0，数据接收，数据接收，8086 CPU 8086 CPU 收发器收发器(16)ALE(25) (16)ALE(25) 地址锁存允许信号地址锁存允许信号ALE=1ALE=1，选通地址锁存器。，选通地址锁存器。ALE=0ALE=0，反之。，反之。单向(17)INTA(24) (17)INTA(24) 中断响应信号中断响应信号 INTA=0 INTA