第2章微型计算机原理及结构特点

1、第2章微型计算机原理及结构特点 第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点8086 MPU的结构特点的结构特点2.2微型计算机的组成原理微型计算机的组成原理2.1第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点2.1 微型计算机的组成原理微型计算机的组成原理 一台微型计算机由四大块组成，即一台微型计算机由四大块组成，即主机，外部设主机，外部设备，接口和总线备，接口和总线。 其中的主机由其中的主机由CPU、主存贮器、主存贮器 组成，下面分组成，下面分别介绍。别介绍。第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点2.1.1 主存贮器主存贮器主机内部

2、的存贮器叫主机内部的存贮器叫主存贮器主存贮器, 也叫内存也叫内存,内存要求工作速内存要求工作速度快度快,可与可与CPU匹配匹配, 所以内存均由半导体存贮器芯片组成所以内存均由半导体存贮器芯片组成, 一片存贮芯片由一片存贮芯片由地址译码器地址译码器,存贮体存贮体和和读写控制电路读写控制电路组成组成 ， 如图如图2-2所示所示地址译码器地址译码器存贮体存贮体读写控制读写控制地址总线地址总线ABAB控制总线控制总线 CBCB数据总线数据总线DBDB图图2-2 存储芯片结构示意图存储芯片结构示意图第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点1.存贮体存贮体把若干个存贮元器件按矩阵排列

3、形式形成若干个存贮把若干个存贮元器件按矩阵排列形式形成若干个存贮单元单元,用来存放二进制代码用来存放二进制代码,一个存贮元器件可放一位二进一个存贮元器件可放一位二进制代码制代码,这些二进制代码可以表示为一条指令这些二进制代码可以表示为一条指令(指令字指令字),也也可以是一个操作数或状态字等等。可以是一个操作数或状态字等等。l位单元位单元：一个存贮单元只能存放一位二进制代码，：一个存贮单元只能存放一位二进制代码，0或或1。l字节单元字节单元：八位二进制数叫做一个字节，那么一个字节单元可：八位二进制数叫做一个字节，那么一个字节单元可以存放以存放8个二进制代码。个二进制代码。1KB=1024B ,1

4、MB=1024KB,1GB=1024MBl字单元字单元：习惯上把两个字节为一个字，所以字单元可存放：习惯上把两个字节为一个字，所以字单元可存放16位位二进制代码。二进制代码。 一个字一个字=2个字节个字节= 16位位第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点为了便于对存贮单元进行为了便于对存贮单元进行管理及操作，把每一个存贮单管理及操作，把每一个存贮单元都编上号，叫作元都编上号，叫作地址地址，一个，一个具有具有256个存贮单元的地址从个存贮单元的地址从00FFH 。存贮器的访问：有两种操存贮器的访问：有两种操作，作，读操作读操作、写操作写操作。l 从存贮器中取出操作数叫从存

5、贮器中取出操作数叫“读读”操作。操作。l 往存贮器中存放数据叫往存贮器中存放数据叫“写写”操操作。作。00H00H01H01H02H02H存储体存储体FEHFEH B5B5FFHFFH第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点2地址译码器地址译码器地址译码器接收由地址译码器接收由CPU送来的地址送来的地址经译码后，便指向对应该地址的存贮单元经译码后，便指向对应该地址的存贮单元，所以访问存贮器时，首先要由地址译码，所以访问存贮器时，首先要由地址译码器寻找存贮单元地址。器寻找存贮单元地址。如两位地址如两位地址A1，A0，对应，对应4个存贮个存贮单元的地址，单元的地址，如表如表2

6、-1同理，三位地址可访问同理，三位地址可访问8个存贮单元，个存贮单元，n位地址数位地址数, 可访问可访问2n个存贮单元个存贮单元A1A0对应存储单元000号011号102号113号3号单元号单元2号单元号单元1号单元号单元0 0号单元号单元A0A12:4译译码码器器表表2-1地址对应存储单元表地址对应存储单元表图图2-4 2位地址的译码器位地址的译码器第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点3读读/写控制电路写控制电路接收CPU送来的读（用RD表示）或写（用WR表示）命令，可对已经被选中的存贮单元进行读操作或写操作。4存贮器的外围电路存贮器的外围电路存贮器的外围电路协助存

7、贮器工作，包括存贮器地址寄存器（MAR）和存贮器数据寄存器（MDR）第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点5存贮器硬件系统及其存贮器硬件系统及其工作原理工作原理1）存贮器硬件系统）存贮器硬件系统 存贮器系统如图存贮器系统如图2-5所所示，它由存贮地址寄存器示，它由存贮地址寄存器MAR、地址译码器、存、地址译码器、存贮体、读贮体、读/写控制及存贮数写控制及存贮数据寄存器据寄存器MDR组成，存组成，存贮地址寄存器贮地址寄存器MAR与地与地址总线址总线AB相连，存贮数相连，存贮数据寄存器据寄存器MDR与数据总与数据总线线DB相连相连.第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型

8、计算机原理及结构特点2）存贮器的工作过程）存贮器的工作过程（1）存数操作）存数操作例如，把数据例如，把数据4AH送入送入05H单元，需要下面五步完成单元，需要下面五步完成l CPU把地址把地址05H通过地址总线通过地址总线AB送入送入MARl MAR的内容经地址译码器译码后选中的内容经地址译码器译码后选中05H单元。单元。l CPU再把写入的数据（再把写入的数据（4AH）通过数据总线）通过数据总线DB送入送入MDR中中l CPU发来写命令（发来写命令（WR=1）l 在写命令作用下，把在写命令作用下，把MDR中的中的4AH写入到选中的写入到选中的05H单元单元第第2 2章微型计算机原理及结构特点

9、章微型计算机原理及结构特点（2）取数操作）取数操作取数操作正好与存数操作相反，其过程如下：取数操作正好与存数操作相反，其过程如下：例如，已知地址为例如，已知地址为FEH单元中存有一个数据单元中存有一个数据B9H。把该。把该数据数据B9H取出，送入存贮数据寄存器取出，送入存贮数据寄存器MDR的过程为：的过程为： CPU通过地址总线通过地址总线AB先把地址先把地址FEH送入存贮地址寄存器送入存贮地址寄存器MAR中中 MAR的内容经地址译码器译码后选中的内容经地址译码器译码后选中FEH单元单元 CPU发读命令（发读命令（RD=1） 在读命令作用下，从被选中的在读命令作用下，从被选中的FEH单元内把数

10、据单元内把数据B9H取出送入存贮取出送入存贮数据寄存器数据寄存器MDR中中第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点2.1.2 中央处理器中央处理器CPUCPU也叫作微处理器也叫作微处理器MPU，CPU是把运算器、控制是把运算器、控制器合称为中央处理器。器合称为中央处理器。CPU有如下功能：有如下功能：l 可以完成算术运算和逻辑运算，也可对数据进行变换加工等工作。可以完成算术运算和逻辑运算，也可对数据进行变换加工等工作。l 可到存贮器中读取指令，并对其译码分析后具体执行指令的任务。可到存贮器中读取指令，并对其译码分析后具体执行指令的任务。l 可向全机各部件提供所需要的控制信

11、号和定时时钟。可向全机各部件提供所需要的控制信号和定时时钟。l 可与存贮器、外部设备进行数据传送。可与存贮器、外部设备进行数据传送。l 可控制程序的执行流向可控制程序的执行流向第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点 CPU内部结构一般是由内部结构一般是由运算器运算器和和控制器控制器两大部分组成。两大部分组成。1运算器运算器 可完成算术运算，也能完成逻辑运算还可实现数据的移位，对两个数据比较（CMP）、测试（TEST）。 总之，是对计算机中的信息或数据进行处理和运算的部件。以算术运算为以算术运算为例，运算器的例，运算器的组成如图组成如图2-6所所示。示。ACC ALUMD

12、RPSWDB图图2-6 运算器结构图运算器结构图第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点1）ALU是算术逻辑运算单元，用来处理各种数据信息，具体完成加、减、乘、除算术运算和与、或、非、异或逻辑运算的地方2）累加器）累加器ACC和和MDR寄存器：寄存器：两个存放操作数的寄存器3）程序状态字寄存器）程序状态字寄存器PSW程序状态字用来反映操作结果特征的地方，例如： 101101+100110=010011101101+）100110 010011第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点两数相加的结果为两数相加的结果为010011，其特征是最高位产生进位，

13、其特征是最高位产生进位，为什么不把结果写成为什么不把结果写成1010011呢？呢？ 因为存放操作数的寄存器是因为存放操作数的寄存器是6位长，加出的结果仍然位长，加出的结果仍然为为6位数，多出的位数，多出的1位（进位）放在位（进位）放在程序状态字寄存器程序状态字寄存器PSW中某一位上，表示这次操作结果产生进位的特征。中某一位上，表示这次操作结果产生进位的特征。第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点设设PSW也为也为8位，那么最大可有位，那么最大可有8种特征种特征，不一定所有，不一定所有机器都有机器都有8种，但大部分有，如下所示：种，但大部分有，如下所示：lCY：进位：进位

14、/借位标志借位标志lAC：半进位：半进位/半借位标志半借位标志lZ：零标志：零标志lOV：溢出标志：溢出标志lP：奇偶标志：奇偶标志这些结果特征主要用途是向这些结果特征主要用途是向CPU提供执行程序流程控提供执行程序流程控制的依据。在编程设计中具有重要作用。制的依据。在编程设计中具有重要作用。第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点先补第先补第1章绪论章绪论PPT的的65页内容页内容（十进制整数转为二进制数十进制整数转为二进制数）2控制器：控制器： 按时间的先后顺序向其它各部件发出控制信按时间的先后顺序向其它各部件发出控制信号，保证各部件协调一致的工作，使各种操作一步一步

15、的号，保证各部件协调一致的工作，使各种操作一步一步的完成，要保证控制器的工作，控制器结构由以下电路组成完成，要保证控制器的工作，控制器结构由以下电路组成，如图，如图2-7所示所示程序计数器程序计数器PC微操作控制线路微操作控制线路指令译码器指令译码器ID指令寄存器指令寄存器IR时序发生器时序发生器存贮器存贮器内部总线内部总线+1图图2-7 控制器结构原理图控制器结构原理图第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点1)指令寄存器指令寄存器IR指令是指挥机器完成各种操作的命令，解题程序就是指令是指挥机器完成各种操作的命令，解题程序就是用一条条指令编写出来的，在用一条条指令编写出

16、来的，在CPU解题之前，编写好的解解题之前，编写好的解题程序放在存贮器内，题程序放在存贮器内，CPU解题时，控制器先到存贮器中解题时，控制器先到存贮器中取出一条指令，这条被取出的指令送入到控制器中的指令取出一条指令，这条被取出的指令送入到控制器中的指令寄存器寄存器IR，在这里等待执行。因为执行一条指令需要一，在这里等待执行。因为执行一条指令需要一定的时间，在这段时间内，指令不能消失，所以暂时先放定的时间，在这段时间内，指令不能消失，所以暂时先放在在IR中。中。第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点指令格式如下图所示指令格式如下图所示即：一条指令由即：一条指令由操作码操作

17、码、操作数操作数两个字段组成。两个字段组成。（1）操作码（）操作码（OP Code）字段）字段 它是告诉机器本条指令将完成什么操作，是加法操作还是减法操作，是转移操作还是停机操作，所以一条指令必须有OP Code字段（1字节=8位）。（2）操作数）操作数/地址字段（地址字段（OPD/ADDR）该字段指明参加本次操作的操作数是多少或者操作数来自什么地方，即操作数的地址，这部分是可选项，有的指令没有这项。操作码操作码操作数操作数/地址地址第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点2）指令译码器）指令译码器ID一条指令可完成一种操作，如何让机器知道就必须通过指令译码器，对OP C

18、ODE字段进行译码分析，才知道本条指令完成的操作，例如 ADD 加法，操作码OP CODE经指令译码器后方知下面作加法，随即把存放两个加数的寄存器相应门打开，让操作数送往ALU进行加法运算，并把结果送入ACC。指令译码器指令译码器ID就是分析解释指令的地方就是分析解释指令的地方。3）微操作控制线路）微操作控制线路经过对指令分析后，根据分析结果发出相应的控制命令，完成指令的执行，微操作控制线路就是完成此任务的。第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点4）时序发生器）时序发生器时序是按时间顺序发出的各种控制信号，时序是由时时序是按时间顺序发出的各种控制信号，时序是由时序发生器

19、产生的，包括：序发生器产生的，包括：（1）指令周期：）指令周期： 完成一条指令执行的时间叫作指令周期完成一条指令执行的时间叫作指令周期，包括，包括取指令取指令和和执行指令执行指令两个时间之和。不同指令所用的两个时间之和。不同指令所用的指令周期长度也不同指令周期长度也不同（2）机器周期）机器周期完成一个完成一个基本操作基本操作所需要的时间叫作机器周期，例如所需要的时间叫作机器周期，例如访问（读或写）存贮器，从送被访问存贮单元地址开始到访问（读或写）存贮器，从送被访问存贮单元地址开始到读出数据或写入数据为止，这段时间叫作机器周期，取出读出数据或写入数据为止，这段时间叫作机器周期，取出指令叫指令叫取

20、指周期取指周期，取操作数叫，取操作数叫存贮器读周期存贮器读周期，写入数据叫，写入数据叫存贮器写周期存贮器写周期。 一个一个指令周期包含一到多个机器周期。指令周期包含一到多个机器周期。第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点（3）时钟周期）时钟周期 T1 T2 T3 T4 时钟周期是时钟频率的倒数，时钟就是时钟发生器时钟周期是时钟频率的倒数，时钟就是时钟发生器产生的一连串的脉冲信号，不能有停止的时候，好比人的产生的一连串的脉冲信号，不能有停止的时候，好比人的心跳一样，在时钟的支持下，才有机器周期、指令周期的心跳一样，在时钟的支持下，才有机器周期、指令周期的产生，时钟周期是计

21、算机对时间计量的基本单位，任何时产生，时钟周期是计算机对时间计量的基本单位，任何时序信号都与时钟脉冲同步，在时钟脉冲作用下产生节拍（序信号都与时钟脉冲同步，在时钟脉冲作用下产生节拍（电位信号），在节拍的作用下才能发出各种微操作，才能电位信号），在节拍的作用下才能发出各种微操作，才能完成指令的执行。完成指令的执行。第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点每种时序信号都应含几个时钟周期，如访问存贮器的每种时序信号都应含几个时钟周期，如访问存贮器的存贮器读周期存贮器读周期，共需要，共需要4个节拍，个节拍，T1、T2、T3、T4完成完成，如图，如图2-9所示所示.T1T2T3T4

22、时钟周期是时间计量的基本单位时钟周期是时间计量的基本单位机器周期包含一到多个时钟周期。机器周期包含一到多个时钟周期。指令周期包含一到多个机器周期指令周期包含一到多个机器周期第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点5）程序计数器）程序计数器PC程序计数器专门用来提供指令地址的，也叫指令地址程序计数器专门用来提供指令地址的，也叫指令地址寄存器（请注意寄存器（请注意程序计数器程序计数器PC和和指令寄存器指令寄存器IR 的区别的区别），所有到存贮器中取指令都是由，所有到存贮器中取指令都是由PC提供指令地址的提供指令地址的。指令地址有自动加指令地址有自动加1功能，即提供完该条指令地

23、址后功能，即提供完该条指令地址后，便自动加，便自动加1，形成下一条指令地址，所以也称指令地址，形成下一条指令地址，所以也称指令地址寄存器为计数器，它是执行程序用的，所以也叫程序计数寄存器为计数器，它是执行程序用的，所以也叫程序计数器，用器，用PC表示表示。PC有自动加有自动加1的功能的功能第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点2.1.3 微型机的工作过程微型机的工作过程 微型机的工作过程就是微型机的工作过程就是执行程序的过程执行程序的过程，程序就是工，程序就是工作过程，也是控制器负责控制协调整个计算机自动、步调作过程，也是控制器负责控制协调整个计算机自动、步调一致的工作

24、的过程。一致的工作的过程。 控制器的主要功能控制器的主要功能是从内存中取出一条条指令是从内存中取出一条条指令(放在放在IR中中)，并指出当前所取指令的下一条指令在内存中的地，并指出当前所取指令的下一条指令在内存中的地址（址（PC自动加自动加1的功能），对所取指令进行译码和分析（的功能），对所取指令进行译码和分析（ID），并产生相应的电子控制信号），并产生相应的电子控制信号(微操作控制线路微操作控制线路)，启，启动相应的部件执行当前指令规定的操作，周而复始地使计动相应的部件执行当前指令规定的操作，周而复始地使计算机实现程序的自动执行。算机实现程序的自动执行。第第2 2章微型计算机原理及结构特点章

25、微型计算机原理及结构特点 由于指令中的地址码可能就是参加运算的操作数在内由于指令中的地址码可能就是参加运算的操作数在内存单元的直接地址，也可能只是参加运算的操作数在内存存单元的直接地址，也可能只是参加运算的操作数在内存单元的间接地址，还可能是与操作数在内存单元的真正地单元的间接地址，还可能是与操作数在内存单元的真正地址总相差一个固定的偏差值的变址寻址的地址。址总相差一个固定的偏差值的变址寻址的地址。 因此因此计算机的指令寻址方式计算机的指令寻址方式可分为：可分为：l直接寻址方式l间接寻址方式l变址寻址方式 详细在第3章介绍。第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点 计算机

26、取出并执行一条指令所花费的时间称为一个计算机取出并执行一条指令所花费的时间称为一个指令周期指令周期，而且通常还进一步将指令周期分为更小的一些，而且通常还进一步将指令周期分为更小的一些周期，如取指周期周期，如取指周期(访问一次内存储器访问一次内存储器)、执行周期、执行周期(分析指分析指令、取操作数、完成指令操作、准备下一个指令周期令、取操作数、完成指令操作、准备下一个指令周期-将将指令计数器加指令计数器加1等等)。 把计算机执行一条指令的把计算机执行一条指令的指令周期指令周期按照按照取指周期取指周期和和执行周期执行周期两个周期作分别讨论。两个周期作分别讨论。 指令周期指令周期=取指周期取指周期+

27、执行周期执行周期第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点1取指周期取指周期 由于指令是存放在由于指令是存放在主存储器中，所以在指主存储器中，所以在指令周期的取指周期中，令周期的取指周期中，计算机通过访问一次主计算机通过访问一次主存储器，将指令从主存存储器，将指令从主存储器中读出并经总线送储器中读出并经总线送入控制器的指令寄存器入控制器的指令寄存器IR中。如右图中。如右图2所示所示程序计数器（程序计数器（PC）存储地址寄存器（存储地址寄存器（MAR）主存储器（主存储器（M.M）存储数据寄存器（存储数据寄存器（MDR）指令寄存器（指令寄存器（IR）操作码操作码 操作数地址操作

28、数地址第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点2.指令执行周期指令执行周期 当指令进入指令寄存器当指令进入指令寄存器IR之后，就开始指令执行周期。之后，就开始指令执行周期。执行周期的任务是执行指令要求的操作。为此，计算机要首执行周期的任务是执行指令要求的操作。为此，计算机要首先根据操作码的性质分析得出本条指令是指令还是操作数，先根据操作码的性质分析得出本条指令是指令还是操作数，若是指令，则做取数操作：形成操作数地址并将它送入若是指令，则做取数操作：形成操作数地址并将它送入MAR。此外，还要根据本条指令的要求经操作码译码器形成执。此外，还要根据本条指令的要求经操作码译码器形

29、成执行本指令所需要的各个控制命令。而后，依次完成取操作数行本指令所需要的各个控制命令。而后，依次完成取操作数，完成本条指令所要求的操作并为下一个指令周期作好准备，完成本条指令所要求的操作并为下一个指令周期作好准备(如属顺序执行，则给如属顺序执行，则给PC加加1;如属非顺序执行，则由控制器如属非顺序执行，则由控制器产生新的指令地址产生新的指令地址)，如图，如图2-11所示。所示。第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点操作码操作码 操作数地址操作数地址译码器译码器控制器控制器操作命令操作命令MAR MM主存主存MDR寄存器寄存器累加器累加器ALU地址形成部件地址形成部件第第

30、2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点2.1.4 微型机的工作过程举例微型机的工作过程举例微机的工作过程就是执行程序的过程，程序就是工作微机的工作过程就是执行程序的过程，程序就是工作过程，即某项工作按什么办法解决。过程，即某项工作按什么办法解决。例例1：计算题：计算题 Y=X1+X2-X3计算机欲求解此算式，首先编出它的解题程序来，这个程序实计算机欲求解此算式，首先编出它的解题程序来，这个程序实际上就是解题步骤。际上就是解题步骤。第1步 到存贮器某单元取出操作数X1，并送入累加器ACC中。第2步 把ACC中的内容（即刚取入的X1）与存贮器中另一个操作数X2相加，其结果保留在

31、ACC中。第3步 做减法，把ACC中的内容（X1+X2的和）与存贮器中的第三个操作数X3相减，其结果还留在ACC中。第4步 把计算结果存放到Y单元。第5步 停机。第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点解此题共分上述5个步骤，可用5条指令表示：第一条：取数指令取数指令，用MOV ACC，X1表示第二条：加法指令加法指令用ADD ACC，X2表示第三条：减法指令减法指令 用SUB ACC，X3表示第四条：存数指令存数指令用MOV Y，ACC表示第五条：停机指停机指令用HLT表示这五条指令就是求解Y=X1+X2-X3算式的程序。把这个程序存放在存贮器中，入口地址为00H，每条

32、指令占两个单元（2个字节），第一个单元为操作码，第二个单元为操作数，共9个单元。第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点实质上，微机的实质上，微机的工作过程就是执行指工作过程就是执行指令的过程，已知指令令的过程，已知指令在存贮器中，执行指在存贮器中，执行指令分三步：即取出指令分三步：即取出指令（送到令（送到IR）、分析）、分析指令（在指令（在ID）最后才）最后才执行指令，可用右边执行指令，可用右边的流程图说明微机的的流程图说明微机的工作过程。工作过程。第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点下面结合图2-12微机的主机结构图，详细分析例例1：计算题：

33、计算题 Y=X1+X2-X3的的5条指令的执行过程，第第1条条 取数指令取数指令MOV ACC，X1的执行过程的执行过程第一阶段：取指令（也叫取指阶段）图第一阶段：取指令（也叫取指阶段）图2-12中的编号表示取指过程。中的编号表示取指过程。l把把PC的内容（第一条指令的地址）送到存贮地址寄存器的内容（第一条指令的地址）送到存贮地址寄存器MAR，可用传送表达式（，可用传送表达式（PC）-MAR表示，这里的（）表示某某内容，操作结果是（表示，这里的（）表示某某内容，操作结果是（MAR）=00H，MAR直接直接把地址送地址译码器，经译码后指向把地址送地址译码器，经译码后指向00H单元（也叫选中该单元

34、），图单元（也叫选中该单元），图2-12中的中的lPC的内容自动加的内容自动加1，形成下一地址，记作（，形成下一地址，记作（PC）+1-PC，（，（PC）=01H 图图2-12中中 lCPU发读命令，用发读命令，用1-R表示，图表示，图2-12中的中的 l按照按照MAR提供的地址，到存贮器提供的地址，到存贮器M找到该单元，在读命令作用下，该单元（找到该单元，在读命令作用下，该单元（00H）中的内容（指令操作码）取出送入存贮数据寄存器中的内容（指令操作码）取出送入存贮数据寄存器MDR，可记作，可记作MMAR -MDR，（MDR）=OP CODE ，图，图2-12中的中的lMDR中的内容送到指令寄

35、存器中的内容送到指令寄存器IR，用（，用（MDR）-IR表示。图表示。图2-12中的中的lIR中的指令的操作码送中的指令的操作码送ID，进行译码分析，记作，进行译码分析，记作OPIR -ID。图。图2-12中的中的第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点第第1条指令的执行条指令的执行第二阶段，执行指令第二阶段，执行指令 MOV ACC，X1 （也叫执行阶段）（也叫执行阶段）l（PC）-MAR，（MAR）=01H ；把PC的内容（操作数X1的地址）送到存贮地址寄存器MARl（PC）+1-PC，（PC）=02H ；

36、 PC的内容自动加1，形成下一个地址l 1-R ； CPU发读命令l MMAR -MDR，（MDR）=X1 ；按照MAR提供的地址，到存贮器M中找到该单元，在读命令作用下，该单元（01H）中的内容（操作数X1）取出送入存贮数据寄存器MDR；l（MDR）-ACC，（ACC）=X1 ；把存在MDR中的操作数X1送给累加器ACC第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点执行第执行第2条加法指令条加法指令 ：ADD ACC，X2第一阶段，取指令，也分为第一阶段，取指令，也分为6步步l（PC）-MAR，（MAR）=02Hl（PC）+1-PC，（PC）=03H ； PC的内容自动加1，

37、形成下一个地址l 1-R ；CPU发读命令l MMAR -MDR ； （MDR）中是第二条指令的操作码l MDR -IR ；第二条指令的操作码送到指令寄存器IRl OPIR -ID ； IR中的指令的操作码送指令译码器ID，进行译码分析，第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点执行第执行第2条加法指令条加法指令 ：ADD ACC，X2经分析后是加法指令，另一个操作数保存在经分析后是加法指令，另一个操作数保存在03H号内存单元，转入执行阶段号内存单元，转入执行阶段第二阶段，执行指令阶段第二阶段，执行指令阶段l（PC）-MAR，（MAR）=03H；把PC的内容（操作数X2的地

38、址）送到存贮地址寄存器MARl（PC）+1-PC，（PC）=04H ； PC的内容自动加1，形成下一个地址l 1-R ； CPU发读命令l MMAR -MDR，（MDR）=X2 ； 按照MAR提供的地址，到存贮器M中找到该单元，在读命令作用下，把该单元（03H）中的内容（操作数X2）取出送入存贮数据寄存器MDR；l （ACC）+（MDR）-ACC（ACC）=X1+X2 ； 因（MDR）=X2 （ACC） =X1第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点下面执行第三条下面执行第三条减法指令减法指令 SUB ACC，X3第一阶段，取指令也分为第一阶段，取指令也分为6步步l（PC

39、）-MAR，（MAR）=04Hl（PC）+1-PC，（PC）=05Hl 1-R，发读命令l MMAR -MDR，（MDR）=第二条指令操作码l MDR -IRl OPIR -ID 经分析后知道，这是一条减肥法指令，减数在经分析后知道，这是一条减肥法指令，减数在OP CODE的下一个的下一个单元。单元。第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点第二阶段，执行指令阶段第二阶段，执行指令阶段l（PC）-MAR，（MAR）=05Hl（PC）+1-PC，（PC）=06Hl 1-Rl MMAR -MDR，（MDR）=X3l（ACC）-（MDR）-ACC ；即 有（ACC）=X1+X2-

40、X3第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点 至此第三条指令执行结束，至此第三条指令执行结束，下面执行第四条下面执行第四条存数指令存数指令MOV Y，ACC 第一阶段，取指令也分为第一阶段，取指令也分为6步步l（PC）-MAR，（MAR）=06Hl（PC）+1-PC，（PC）=07Hl 1-R，发读命令l MMAR -MDR，（MDR）=第二条指令操作码l MDR -IRl OPIR -ID第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点经译码分析后可知，本条指令经译码分析后可知，本条指令 OPIR -ID 是存数指令，把是存数指令，把ACC的的内容存入到内

41、容存入到Y单元，设单元，设Y单元地址为单元地址为07H。第二阶段，执行指令阶段第二阶段，执行指令阶段l（PC）-MAR，（MAR）=07Hl（PC）+1-PC，（PC）=08Hl（ACC）-MDRl 1-W，发写命令l（MDR）-MMAR 第四条指令结束，把ACC的内容（X1+X2-X3 ）存入到Y单元中第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点下面执行最后一条指令：下面执行最后一条指令：停机指令停机指令 HLT第一阶段，取指令也分为第一阶段，取指令也分为6步步l（PC）-MAR，（MAR）=08Hl（PC）+1-PC，（PC）=09Hl 1-R，发读命令l MMAR -M

42、DR，（MDR）=第二条指令操作码l MDR -IRl OPIR -ID 经译码分析后可知，本条指令是停机指令，到此程序执行结束。经译码分析后可知，本条指令是停机指令，到此程序执行结束。第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点2.2 8086 MPU的结构特点的结构特点8086MPU是INTEL公司在1978年6月推出一款典型的16位机。它的地址总线为20位。数据总线为16位，时钟频率为4MHZ。它的基本原理同基本微机工作原理相同。 但由于追求工作速度，它的内部结构又有新的改进，具体表现有三大特点，即流水线结构，存储器结构和编程结构，8086MPU内部结构如图2-12。第

43、第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点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外部总线执行部分执行部分控制电路控制电路1 2 3 4 5 6ALU标志寄存器标志寄存器 AH AL BH BLCH CL DH DL SP BP SI DI通用通用寄存寄存器器地址地址加法加法器器指令队列缓冲器指令队列缓冲器执行部件执行部件 （EU)总线接口部件总线接口部件 （BIU)16位位20位位16位位8位位通用寄存器通用寄存器四个专用寄存器四个专用寄存器SP：堆栈指针：堆栈指针 BP：基址指针：基址指针： SI: 源变址寄存器源变址寄

44、存器 DI:目的源变址寄存器目的源变址寄存器 算术逻辑单元算术逻辑单元ALU：主要是加法器。大部分指令主要是加法器。大部分指令的执行由加法器完成。的执行由加法器完成。标志寄存器：标志寄存器：16位字利用了位字利用了9位。位。第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点20位地址加法器位地址加法器四个段寄存器：四个段寄存器：CS、DS、SS、ESCS管理代码段管理代码段;DS管理数据段管理数据段SS管理堆栈段管理堆栈段;ES管理附加段管理附加段.16位的指令指针寄存器位的指令指针寄存器IP：IP中的内容是下一条指令中的内容是下一条指令对现行代码段基地址的偏移量，对现行代码段基地

45、址的偏移量，6字节的指令队列字节的指令队列指令队列共六字节，总线接指令队列共六字节，总线接口部件口部件BIU从内存取指令，从内存取指令，取来的总是放在指令队列中；取来的总是放在指令队列中；执行部件执行部件EU从指令队列取指从指令队列取指令，并执行。令，并执行。第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点2.2.1 流水线结构流水线结构前面讲过指令的执行过程分为取指阶段和执行阶段，且前一条指令执行结束才执行该条指令，该条指令执行完后再执行下面一条指令，一直执行到最后一条指令，程序才执行完，8086第一个改进就是在执行第一条指令的同时把下一条指令取来，这样无形之中就省去了取下条指

46、令的时间。提高了CPU的工作速度，这些就是采用流水线流水线的技术，因此把8086的MPU分成两部分，一部分专门用来取指令，访问存储器用总线接口部件总线接口部件BIU，另一部分结构用来执行指令的操作叫执行部件执行部件EU。第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点1.8086MPU内部结构内部结构8086MPU内部结构从图2-12中可以看出，整个微处理器为实现流水线处理而分成两大功能部件，即执行部件执行部件（Execution Unit，EU）与总线接口部件总线接口部件（Bus Interface Unit，BIU）。1）总线接口部件（）总线接口部件（BIU）总线接口部件总线

47、接口部件BIU负责与存储器、负责与存储器、I/O接口电路连接，接口电路连接，并形成并形成20位的地址码和位的地址码和16位的数据，通过总线进行数据传位的数据，通过总线进行数据传送。送。BIU由一些专用寄存器、指令队列缓冲器、地址加法由一些专用寄存器、指令队列缓冲器、地址加法器等功能部件组成。器等功能部件组成。第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点（1）20位地址形成器位地址形成器用来计算20位存储地址。8086是用20位地址寻址1M字节的内存空间，但8086内部所有的寄存器都是16位的。所以需要由一个附加的机构来根据16位寄存器提供的信息来进行20位的物理地址的形成，才

48、能访问存贮器。四个段地址寄存器四个段地址寄存器CS16位代码段寄存器。位代码段寄存器。DS16位数据段寄存器。位数据段寄存器。ES16位附加段寄存器。位附加段寄存器。SS16位堆栈段寄存器。位堆栈段寄存器。指令指针寄存器指令指针寄存器IP第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点地址合成器地址合成器将段寄存器内容左移4位（相当于16），然后再与偏移地址相加而成的。偏移地址来自EU，有的直接用EU中的16位寄存器，如SI，DI，SP，BP，和BX，有的也有用两个寄存器在ALU中相加出来的。这些地址通过ALU数据总线传送到BIU中的暂存器，然后再送入中合成，但是形成存放指令的2

49、0位物理地址的偏移地址是BIU中的IP，20位物理地址PA，合成框图如图2-13。 段寄存器段寄存器16位位*10H16位偏移地址位偏移地址0 0 0 020位物理地址位物理地址第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点（2）指令寄存器）指令寄存器指令寄存器IR则由指令队列器担当。指令队列缓存器是一组寄存器（8位），用来暂存从存储器中取出来的指令，有6个字节（8088为4个字节）。指令队列采用“FIFO”（先进行出）的管理方式，允许预取6字节的指令代码。即通过地址加法器根据CS和IP的内容得到一个指令的物理地址。取指和执行指令的操作是并行的，从而提高了CPU的效率。第第2

50、2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点（3）总线控制逻辑）总线控制逻辑 负责BIU的操作，向内与CPU相连，向外与存储器/I/O口有联系，当与存储器联系时，启动一次总线周期，访问一次存储器（读周期/写周期），一个总线周期内先提供提供偶数地址，后提供奇数地址，偶数地址访问低8位数据，奇地址访问高8位数据。用于产生存储器读/写，I/O读/写控制信号。第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点2） 执行部件（执行部件（EU）执行部件EU是执行程序的的核心部件，完成指令译码、运算及其它操作的执行。执行部件由ALU（算术逻辑运算部件）、通用寄存器组、状态标志寄存器以及

51、控制电路组成。功能是完成指令的译码和执行指令的工作，向BIU提供偏移地址（16位）。（1）算术逻辑运算部件）算术逻辑运算部件ALU16位ALU用来对8位或16位操作数进行算术逻辑运算。（2）标志寄存器（）标志寄存器（FR）16位标志寄存器用来表示ALU运算后的结果特征，为下一条指令的执行提供操作信息。第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点2） 执行部件（执行部件（EU）执行部件EU是执行程序的的核心部件，完成指令译码、运算及其它操作的执行。执行部件由ALU（算术逻辑运算部件）、通用寄存器组、状态标志寄存器以及控制电路组成。功能是完成指令的译码和执行指令的工作，向BIU提

52、供偏移地址（16位）。（3）通用寄存器）通用寄存器共有8个16位的寄存器组，AX，BX，CX，DX称为通用寄存器组。SP，BP，DI，SI为专用寄存器组。（4）控制部件）控制部件主要用于取指令的控制和时序控制。第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点2.2.2 8086MPU的编程结构的编程结构所谓编程结构是指8086在程序编写中运用哪些寄存器，在8086的EU和BIU两部分中包含有一些工作寄存器，这些寄存器用到存放计算过程中的各种信息，如操作数地址、操作数及运算的中间结果等。微处理器从寄存器中存取数据比从存微处理器从寄存器中存取数据比从存储器中存取数据要快得多储器中存取

53、数据要快得多，因此，在计算过程中，合理利用寄存器保存操作数、中间结果或其它信息，能提高程序的运行效率。根据这些寄存器所起的作用，8086寄存器组可以分为通用寄存器通用寄存器、专用寄存器专用寄存器和段寄存器段寄存器三类，如图2-3所示。下面分别介绍这些寄存器。 第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点1)通用寄存器通用寄存器通用寄存器包括了通用寄存器包括了8个个16位的寄存器：位的寄存器：AX、BX、CX、DX、SP、BP、DI及及SI。 其中其中AX、BX、CX、DX在一般情况下作为通用的数在一般情况下作为通用的数据寄存器，用来暂时存放计算过程中所用到的操作数、结据寄存器

54、，用来暂时存放计算过程中所用到的操作数、结果或其他信息。它们还可分为两个独立的果或其他信息。它们还可分为两个独立的8位寄存器使用位寄存器使用，命名为，命名为AL、AH、BL、BH、CL、CH、DL和和DH,使之使之与与8位机兼容。位机兼容。第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点1)通用寄存器通用寄存器4个通用数据寄存器除通用功能外，还有如下专门用途：个通用数据寄存器除通用功能外，还有如下专门用途：lAX作为累加器用，所以它是算术运算的主要寄存器。在乘除指令中指定用来存放操作数。另外，所有的I/O指令都使用AX或AL与外部设备传送信息。lBX在计算存储器偏移地址时，可作为

55、基址寄存器使用。lCX常用来保存计数值，如在移位指令、循环指令和串处理指令中用作隐含的计数器。lDX在作双字长运算时，可把DX和AX组合在一起存放一个双字长数，DX用来存放高16位数据。此外，对某些I/O操作，DX可用来存放I/O的端口地址。第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点SP、BP、SI、DI四个四个16位寄存器可以象数据寄存器位寄存器可以象数据寄存器一样在运算过程中存放操作数，但它们只能以字（一样在运算过程中存放操作数，但它们只能以字（16位）位）为单位使用。此外，它们更经常的用途是在存储器寻址时为单位使用。此外，它们更经常的用途是在存储器寻址时，提供偏移地址

56、。因此，它们可称为指针或变址寄存器（，提供偏移地址。因此，它们可称为指针或变址寄存器（变址地址指针）。变址地址指针）。lSP称为堆栈指针指示器或堆栈指示器，用来指出栈顶的偏移地址。lBP称为基址指针寄存器，在寻址时作为基地址寄存器产生偏移地址使用，但它必须与堆栈段寄存器SS联用来确定堆栈段中的存储单元地址。第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点SP、BP、SI、DI四个四个16位寄存器可以象数据寄存器位寄存器可以象数据寄存器一样在运算过程中存放操作数，但它们只能以字（一样在运算过程中存放操作数，但它们只能以字（16位）位）为单位使用。此外，它们更经常的用途是在存储器寻址

57、时为单位使用。此外，它们更经常的用途是在存储器寻址时，提供偏移地址。因此，它们可称为指针或变址寄存器（，提供偏移地址。因此，它们可称为指针或变址寄存器（变址地址指针）。变址地址指针）。lSI为源变址寄存器，在串处理指令中，SI作为隐含的源变址寄存器与DS联用，以确定数据段中的存储单元地址，并有自动增量和自动减量的变址功能。lDI为目的变址寄存器，在串处理指令中，DI和附加段寄存器ES联用，以达到在附加段中寻址的目的，然后DI自动增量或减量。第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点2) 专用寄存器专用寄存器8086的专用寄存器包括的专用寄存器包括IP、SP和和FLAGS三个

58、三个16位寄存位寄存器。器。lIP为指令指针寄存器，它用来存放将要执行的下一条指令地址的偏移地址，它与段寄存器CS联合形成代码段中指令的物理地址。在计算机中，控制程序的执行流程就是通过控制IP的值来实现的。lSP为堆栈指针寄存器，它与堆栈段寄存器SS联用来确定堆栈段中栈顶的地址，也就是说SP用来存放栈顶的偏移地址。lFLAGS为标志寄存器，这是一个存放条件码标志、控制标志的16位寄存器。15-1211109876543210OFDFIFTFSFZFAFPFCF第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点16位标志寄存器含有位标志寄存器含有9个有效标志位。其中个有效标志位。其中

59、6位用于状位用于状态标志位，态标志位，3位用于控制标志。位用于控制标志。状态标志位（状态标志位（6个）：个）：用来为下一条指令执行指明用来为下一条指令执行指明ALU处于的状态，也称为条件标志处于的状态，也称为条件标志位或程序状态字。这些状态会影响后面的操作。位或程序状态字。这些状态会影响后面的操作。lCF（Carry Flag）进位标志位：运算中发生进位或借位时，CF=1；否则，CF=0。用STC指令可置CF=1，CLC指令置CF=0。CMC指令对CF求反；循环指令也会影响该标志位。lA(Auxiliary Carry Flag)辅助进位标志位：字节操作时，在运算结果的低位向高位有进位（加法）

60、或有借位（减法）；在字操作时，低字节向高字节有进位（加）或借位（减）时，则，否则。该标志一般在BCD码运算中作为是否进行十进制调整的判断依据。第第2 2章微型计算机原理及结构特点章微型计算机原理及结构特点状态标志位（状态标志位（6个）：个）：lOF（Overflow Flag）溢出标志位：当运算结果超出机器的表示范围时，OF=1；否则OF=0。如：带符号数的操作数，当按字节运算超出128+127；按字运算超出32768+32767范围时，OF=1；lSF（Sign Flag）符号标志位：在有符号运算数的算术运算时，当运算结果为负时，SF=1；否则SF=0。lZF(Zero Flag)零标志位：