《位微处理器》PPT课件

1、第第4 4章章 1616位微处置器位微处置器4.1 164.1 16位微处置器概述位微处置器概述微处置器微处置器(microprocessor)(microprocessor)是微型计算机的运算及控制部件，也称为中央处是微型计算机的运算及控制部件，也称为中央处置单元置单元(CPU)(CPU)。通常微处置器由算术逻辑部件。通常微处置器由算术逻辑部件(ALU)(ALU)、控制部件、存放器组和、控制部件、存放器组和片内总线等组成。见以下图。片内总线等组成。见以下图。第第4 4章章 1616位微处置器位微处置器内部数据总线内部数据总线控制总线控制总线数据总线数据总线地址总线地址总线暂存器暂存器累加器累

2、加器ALU标志存放器标志存放器指指令令寄寄存存指指令令译译码码时序时序和和控制控制逻辑逻辑通通 用用存放器组存放器组地地 址址存放器组存放器组地址地址总线总线控制控制数据数据总线总线控制控制4.1 164.1 16位微处置器概述位微处置器概述19711971年，年，IntelIntel公司设计了世界上第一个微处置器芯片公司设计了世界上第一个微处置器芯片Intel4004Intel4004，开创了一，开创了一个全新的计算机时代。个全新的计算机时代。微处置器阅历了许多代，集成度越来越高，功能越来越强，性能越来越高。微处置器阅历了许多代，集成度越来越高，功能越来越强，性能越来越高。第第1 1代：代：

3、4 4位和低档位和低档8 8位微机位微机400440408008400440408008第第2 2代：中高档代：中高档8 8位微机位微机Z80Z80、I8085I8085、M6800M6800，Apple-IIApple-II微机微机第第3 3代：代：1616位微机位微机80868088802868086808880286，IBM PCIBM PC系列机系列机第第4 4代：代：3232位微机位微机8038680486PentiumPentium II Pentium III Pentium 48038680486PentiumPentium II Pentium III Pentium 432

4、32位位PCPC机、机、MacintoshMacintosh机、机、PS/2PS/2机机第第5 5代：代：6464位微机位微机ItaniumItanium、6464位位RISCRISC微处置器芯片微处置器芯片微机效力器、工程任务站、图形任务站微机效力器、工程任务站、图形任务站第第4 4章章 1616位微处置器位微处置器第第4 4章章 1616位微处置器位微处置器Intel4004和采用和采用4004的计算器的计算器IBM PC系列机系列机8088CPUIBM PC机IBM PC/AT机IBM PC/XT机英特尔微处置器芯片英特尔微处置器芯片80386PentiumPentium 44.1 16

5、4.1 16位微处置器概述位微处置器概述本章引见本章引见1616位微处置器位微处置器8086/80888086/8088的内部构造和任务原理。的内部构造和任务原理。80868086和和8088 CPU8088 CPU的内部根本一样，但它们的外部性能是有区别的的内部根本一样，但它们的外部性能是有区别的。80868086是是1616位数据总线，而位数据总线，而80888088是是8 8位数据总线，在处置一个位数据总线，在处置一个1616位数据字时，位数据字时，80888088需求两步操作，而需求两步操作，而80868086只需求一步。只需求一步。80868086和和8088 CPU8088 CPU

6、的内部都采用的内部都采用1616位字进展操作及存储器寻址，两位字进展操作及存储器寻址，两者的软件完全兼容，程序的执行也完全一样。然而，由于者的软件完全兼容，程序的执行也完全一样。然而，由于80888088要要比比80868086有较多的外部存储操作，所以，对于一样的程序，它将执有较多的外部存储操作，所以，对于一样的程序，它将执行得较慢。这两种微处置器都采用一样的行得较慢。这两种微处置器都采用一样的4040脚双列直插式脚双列直插式(DIP)(DIP)封装。封装。4.2 8086/8088 CPU4.2 8086/8088 CPU的构造的构造8086/8088 CPU8086/8088 CPU从功

7、能上可分为两部分，即总线接口部件从功能上可分为两部分，即总线接口部件BIU(bus BIU(bus interface unit,interface unit,缩写为缩写为BIU)BIU)和执行部件和执行部件EU(execution unit,EU(execution unit,缩缩写为写为EU). 8086/8088 CPUEU). 8086/8088 CPU的内部构造如以下图所示：的内部构造如以下图所示：第第4 4章章 1616位微处置器位微处置器80888088的内部构造的内部构造1 2 3 4 内部暂存器内部暂存器 IP ES SS DS CS输入输入/输出输出控制电路控制电路外部总线

8、外部总线执行部分执行部分控制电路控制电路ALU标志存放器标志存放器 AH AL BH BLCH CL DH DL SP BP SI DI通用通用存放器存放器地址地址加法加法器器指令队列指令队列执行部件执行部件 EU)总线接口部件总线接口部件 BIU)16位位20位位8位位8位位第第4 4章章 1616位微处置器位微处置器4.2.1 4.2.1 执行部件执行部件执行部件执行部件EUEU的功能就是担任指令的执行，对指令进展译码，并利的功能就是担任指令的执行，对指令进展译码，并利用内部的存放器和用内部的存放器和ALUALU对数据进展所需的处置。对数据进展所需的处置。执行部件执行部件EUEU有以下部分

9、组成：有以下部分组成：4 4个通用存放器，即个通用存放器，即AX BX CX DX;AX BX CX DX;4 4个公用存放器，即基数指针存放器个公用存放器，即基数指针存放器BPBP、堆栈指针存放器、堆栈指针存放器SPSP、源、源变址存放器变址存放器SISI、目的变址存放器、目的变址存放器DI;DI;标志存放器；标志存放器；算术逻辑单元。算术逻辑单元。阐明：阐明：4 4个通用存放器既可以作为个通用存放器既可以作为1616位存放器运用，也可以作为位存放器运用，也可以作为8 8位存放位存放器运用。器运用。AXAX存放器也称为累加器。许多指令都是利用累加器来执行的。存放器也称为累加器。许多指令都是利

10、用累加器来执行的。算术逻辑部件主要是加法器，绝大部分指令的执行都是由加法器算术逻辑部件主要是加法器，绝大部分指令的执行都是由加法器完成的。完成的。标志存放器共有标志存放器共有1616位，其中位，其中7 7位未用，格式如下表所示，各位的位未用，格式如下表所示，各位的含义见课本含义见课本7575页表页表4-14-1第第4 4章章 1616位微处置器位微处置器根据功能，根据功能，8086/80888086/8088的标志可以分为两类：一类叫形状标志，另一类叫控的标志可以分为两类：一类叫形状标志，另一类叫控制标志。形状标志表示前面的操作执行后，制标志。形状标志表示前面的操作执行后，ALUALU处于何种

11、形状，该形状会影响处于何种形状，该形状会影响后面的操作；控制标志是人为设置的，指令系统中有专门的指令用于控制标后面的操作；控制标志是人为设置的，指令系统中有专门的指令用于控制标志的设置和去除，每个控制标志都对某一特定的功能起控制造用。志的设置和去除，每个控制标志都对某一特定的功能起控制造用。形状标志有形状标志有6 6个，即个，即SFSF、ZFZF、PFPF、CFCF、AFAF、OFOF。SFSF：符号标志，和运算结果的最高位一样，表示运算结果是正还是负。：符号标志，和运算结果的最高位一样，表示运算结果是正还是负。ZFZF：零标志，表示当前的运算结果能否为零，是那么为：零标志，表示当前的运算结果

12、能否为零，是那么为1 1，否那么为，否那么为0 0。PFPF：奇：奇/ /偶标志，如运算结果低偶标志，如运算结果低8 8位中所含的位中所含的1 1的个数为偶数，那么为的个数为偶数，那么为1 1，否那，否那么么0 0CFCF：进位标志，当执行一个加法运算使最高位产生进位时，或者执行一个减：进位标志，当执行一个加法运算使最高位产生进位时，或者执行一个减法运算引起最高位产生借位时，法运算引起最高位产生借位时，CFCF为为1 1，此外，循环指令也会影响这一标志。，此外，循环指令也会影响这一标志。AFAF：辅助进位标志，假设当进展加法运算时，第三位向第四位进位，或者进：辅助进位标志，假设当进展加法运算时

13、，第三位向第四位进位，或者进展减法运算时，第三位从第四位借位，那么展减法运算时，第三位从第四位借位，那么AFAF为为1 1。辅助进位标志普通在。辅助进位标志普通在BCDBCD码运算中作为能否进展十进制调整的判别根据。码运算中作为能否进展十进制调整的判别根据。OFOF：溢出标志，运算结果产生溢出那么为：溢出标志，运算结果产生溢出那么为1 1，否那么为，否那么为0 0。例题：例题：0010 0011 0100 01010010 0011 0100 01010011 0010 0001 10010011 0010 0001 10010101 0101 0101 11100101 0101 0101

14、11100101 0100 0011 10010101 0100 0011 10010100 0101 0110 10100100 0101 0110 10101001 1001 1010 00111001 1001 1010 0011SF=0,ZF=0,PF=0,CF=0,AF=0,OF=0SF=0,ZF=0,PF=0,CF=0,AF=0,OF=0SF=1,ZF=0,PF=1,CF=0,AF=1,OF=1SF=1,ZF=0,PF=1,CF=0,AF=1,OF=1+ + +第第4 4章章 1616位微处置器位微处置器控制标志有控制标志有3 3个，即个，即DFDF、IFIF、TFTF。DFDF：

15、方向标志，控制串操作指令。假设：方向标志，控制串操作指令。假设DF=0DF=0，那么串操作过程中地址会不断，那么串操作过程中地址会不断增值；假设增值；假设DF=1DF=1，那么串操作过程中地址会不断减值；，那么串操作过程中地址会不断减值；IFIF：中断标志，控制可屏蔽中断。假设：中断标志，控制可屏蔽中断。假设IF=0IF=0，那么，那么CPUCPU不能对可屏蔽中断恳不能对可屏蔽中断恳求作出呼应；假设求作出呼应；假设IF=1IF=1，那么，那么CPUCPU可以呼应可屏蔽中断恳求。可以呼应可屏蔽中断恳求。TFTF：跟踪标志，假设：跟踪标志，假设TF=1TF=1，那么，那么CPUCPU按跟踪方式执行

16、指令。按跟踪方式执行指令。这些控制标志一旦设置之后，便对后面的操作产生控制造用。这些控制标志一旦设置之后，便对后面的操作产生控制造用。4.2.2 4.2.2 总线接口部件总线接口部件BIUBIU总线接口部件的功能是担任与存储器、总线接口部件的功能是担任与存储器、I/OI/O端口传送数据。详细讲，总线接端口传送数据。详细讲，总线接口部件要从内存取指令送到指令队列；口部件要从内存取指令送到指令队列；CPUCPU执行指令时，总线接口部件要配合执行指令时，总线接口部件要配合执行部件从指定的内存单元或外设端口中取数据，将数据传送给执行部件，执行部件从指定的内存单元或外设端口中取数据，将数据传送给执行部件

17、，或者把执行部件的操作结果传送到指定的内存单元或外设端口中。或者把执行部件的操作结果传送到指定的内存单元或外设端口中。总线接口部件由以下个部分组成：总线接口部件由以下个部分组成：4 4个段地址存放器，即个段地址存放器，即CSCS、DSDS、ESES、SSSS；1616位的指令指针存放器位的指令指针存放器IP;IP;2020位的地址加法器；位的地址加法器；6 6字节的指令队列；字节的指令队列；第第4 4章章 1616位微处置器位微处置器阐明：阐明：80868086的指令队列为的指令队列为6 6个字节，个字节，80888088的指令队列为的指令队列为4 4个字节。取指过程和指令执个字节。取指过程和

18、指令执行过程重叠进展。行过程重叠进展。地址加法器用来根据地址加法器用来根据1616位存放器提供的信息计算出位存放器提供的信息计算出2020位的物理地址。位的物理地址。80868086可可用用2020位地址寻址位地址寻址1M1M字节的内存空间。字节的内存空间。总线接口部件和执行部件的动作管理：总线接口部件和执行部件的动作管理：每当每当80868086的指令队列中有的指令队列中有2 2个空字节或个空字节或80888088的指令队列中有的指令队列中有1 1个空字节时，总个空字节时，总线接口部件就会自动把指令取到指令队列中。线接口部件就会自动把指令取到指令队列中。每当执行部件预备执行一条指令时，它会从

19、总线接口部件的指令队列前部取每当执行部件预备执行一条指令时，它会从总线接口部件的指令队列前部取出指令的代码，然后用几个时钟周期去执行指令。在执行指令的过程中，假出指令的代码，然后用几个时钟周期去执行指令。在执行指令的过程中，假设必需访问存储器或者设必需访问存储器或者I/OI/O设备，那么设备，那么EUEU就会恳求就会恳求BIUBIU进入总线周期去完成访进入总线周期去完成访问存储器或者问存储器或者I/OI/O设备的操作；假设此时设备的操作；假设此时BIUBIU正益处于空闲形状，就会立刻呼正益处于空闲形状，就会立刻呼应应EUEU的总线恳求，假设此时的总线恳求，假设此时BIUBIU正在进展取指令操作

20、，那么正在进展取指令操作，那么BIUBIU首先完成取指首先完成取指令操作，然后再去呼应令操作，然后再去呼应EUEU发出的访问总线的恳求。发出的访问总线的恳求。当指令队列已满，而且当指令队列已满，而且EUEU对对BIUBIU又没有总线访问恳求时，又没有总线访问恳求时，BIUBIU便进入空闲形状便进入空闲形状在执行转移指令、调用指令和前往指令时，下面要执行的指令就不是顺序陈在执行转移指令、调用指令和前往指令时，下面要执行的指令就不是顺序陈列的那条指令了，这时指令队列中曾经装入的字节就没有用了。此时，指令列的那条指令了，这时指令队列中曾经装入的字节就没有用了。此时，指令队列中的原有内容被自动去除，队

21、列中的原有内容被自动去除，BIUBIU会接着往指令队列中装入另一个程序段中会接着往指令队列中装入另一个程序段中的指令。的指令。第第4 4章章 1616位微处置器位微处置器4.2.3 4.2.3 存储器构造存储器构造8086/80888086/8088系统中存储器按字节编址，可寻址的存储器空间为系统中存储器按字节编址，可寻址的存储器空间为1MB1MB。第第4 4章章 1616位微处置器位微处置器4.2.3 4.2.3 存储器构造存储器构造存储器的分段：存储器的分段：8086/80888086/8088系统把系统把1M1M存储空间分成假设干个逻辑段，每个逻辑存储空间分成假设干个逻辑段，每个逻辑段容

22、量段容量64KB64KB。逻辑段可以在存储空间中浮动，段与段之间可以重叠。逻辑段可以在存储空间中浮动，段与段之间可以重叠。1616字节的存储空间称为字节的存储空间称为1 1节，要求各个逻辑段从节的整数边境节，要求各个逻辑段从节的整数边境开场，即段首地址低开场，即段首地址低4 4位是位是0 0，因此就把段首地址的高，因此就把段首地址的高1616位称为位称为“段基址，存放在段存放器中，段内的段基址，存放在段存放器中，段内的“偏移地址偏移地址 放在放在IPIP或或SPSP中。中。存储器中的逻辑地址和物理地址：存储器中的逻辑地址和物理地址：逻辑地址：由段基址和偏移地址构成，逻辑地址：由段基址和偏移地址

23、构成，1616位。位。物理地址：实践地址、绝对地址，物理地址：实践地址、绝对地址，2020位。位。程序用逻辑地址编址，而不是用物理地址。程序用逻辑地址编址，而不是用物理地址。逻辑地址到物理地址的转换逻辑地址到物理地址的转换( (由由BIUBIU中的地址加法器实现中的地址加法器实现) )：物理地址物理地址= =段基址段基址16+16+段内偏移地址段内偏移地址例如：例如：CS=2000H,IP=2200H,CS=2000H,IP=2200H,那么物理地址那么物理地址=22200H=22200H4 4个段存放器分别指向个段存放器分别指向4 4个现行可寻址的分段的起始字节单元。个现行可寻址的分段的起始

24、字节单元。普通指令程序存放在代码段中，段地址来源于代码段存放器，偏普通指令程序存放在代码段中，段地址来源于代码段存放器，偏移地址来源于指令指针移地址来源于指令指针IPIP。当涉及到一个堆栈操作时，段地址存。当涉及到一个堆栈操作时，段地址存放器为放器为SSSS，偏移地址来源于栈指针存放器，偏移地址来源于栈指针存放器SPSP。当涉及到一个操作。当涉及到一个操作数时，那么数时，那么DSDS或或ESES作为段存放器，而偏移地址为作为段存放器，而偏移地址为1616位偏移量，该位偏移量，该偏移量取决于指令的寻址方式。偏移量取决于指令的寻址方式。8088的指令执行过程的指令执行过程习题习题一、填空题一、填空题1 1、8086/