《微型计算机技术》第2章 8086微处理器

2023/1/301微型计算机技术WeixinɡJisuɑnjiJishu

（第3版）

2023/1/302

第2章

8086微处理器2023/1/3038086微处理器2.18086微处理器的结构2.28086微处理器的引脚功能2.38086微处理器的基本时序2023/1/3042.18086微处理器的结构

2.1.1执行部件和总线接口部件

2.1.28086的编程结构

2.1.38086系统中的存储器组织及物理地址的形成2023/1/3052.28086微处理器的引脚功能2.2.1引脚功能说明2.2.28088引脚与8086引脚的不同之处2023/1/306

2.38086微处理器的基本时序2.3.1指令周期、总线周期和时钟周期2.3.2几种基本时序的分析2023/1/3072.1.1执行部件和总线接口部件微处理器执行程序的步骤①从内存储器中取出一条指令，分析指令操作码；②读出一个操作数（如果指令需要操作数）；③执行指令；④将结果写入内存储器或输出设备（如果指令

需要）。2023/1/308执行部件和总线接口部件８０８６微处理器被设计为两个独立的功能部件，总线接口部件和执行部件，并在大多数情况下，能使大部分的取指令和执行指令重叠进行。提高了程序的执行速度，充分利用总线，2023/1/309功能部件2023/1/3010总线接口部件

（BusInterfaceUnit，BIU）由段寄存器、指令指针、地址形成逻辑、总线控制逻辑和指令队列等组成。BIU负责从内存指定区域取出指令送到指令队列中排队；执行指令时所需要的操作数（内存操作数和I／O端口操作数）也由BIU从相应的内存区域或I／O端口中取出，传送给执行部（EU）。指令执行的结果如果需要存入内存或I／O端口，也由BIU写入相应的内存区域或I／O端口。总之，BIU的功能是：同外部总线连接，为EU和内存（及外设接口）之间提供信息通路。并形成20位的内存物理地址。（注：教材中P13中漏了这一句）。2023/1/3011执行部件（ExecutionUnit，EU）由通用寄存器、标志寄存器、算术逻辑单元（ALU）和EU控制系统等组成。EU从BIU的指令队列中获得指令，然后执行该指令，完成指令所规定的操作。EU用来对寄存器内容和指令操作数进行算术和逻辑运算，以及进行内存有效地址的计算。EU负责全部指令的执行，向BIU提供数据和所需访问的内存或I／O端口的地址，并对通用寄存器、标志寄存器和指令操作数进行管理。2023/1/3012

取指令和执行指令重叠进行2023/1/30138088与8086的区别８０８８微处理器是一种准１６位微处理器，内部采用１６位结构，实质上与８０８６基本上是相同的，其内部功能部件EU与８０８６一样，而BIU略有区别。第一，８０８６的指令队列是６字节长，而８０８８的指令队列为４字节长；第二，８０８６是真正的１６位机，同BIU相连的８０８６总线中的数据总线是１６位总线，而８０８８是准１６位机，同BIU相连的８０８８总线中的数据总线为８位总线。2023/1/3014

2.1.28086的编程结构可供程序员使用的有１４个１６位寄存器。１.通用寄存器（General‐PurposeRegister，GPR）可分为两组。１）数据寄存器累加器AX（Accumulator）、基址寄存器BX（BaseRegister）、计数寄存器CX（CountRegister）数据寄存器DX（DataRegister）。2023/1/3015通用寄存器

AXAHALBXBHBLCXCHCLDXDHDLSPBPSIDI2023/1/30161.通用寄存器１）数据寄存器２）指针寄存器（PointerRegister）和变址寄存器（IndexRegister）2023/1/3017数据寄存器特点是：每个１６位寄存器可分为高８位（AH、BH、CH和DH）低８位（AL、BL、CL和DL），这两组８位寄存器可分别寻址、独立操作。既可以将数据寄存器作为一个１６位寄存器进行操作，又可用做两个８位寄存器进行操作。2023/1/3018数据寄存器可以存放参加操作的数据、操作的中间结果，也可以是操作数的地址。大多数算术和逻辑运算指令都可以使用这些数据寄存器。2023/1/3019２）指针寄存器（PointerRegister、变址寄存器（IndexRegister）堆栈指针寄存器SP（StackPointer）、基址指针寄存器BP（BasePointer）、源变址寄存器SI（SourceIndex）目的变址寄存器DI（DestinationIndex）用来形成操作数的地址，用于堆栈操作和变址运算中计算操作数的有效地址。SP、BP用于堆栈操作SI、DI用于变址操作2023/1/3020通用寄存器在８０８６的指令系统中，许多情况下，某些指令只能用一个特定的寄存器或寄存器组来完成其功能，对这些用来完成特定操作的８０８６指令，上述通用寄存器具有一些隐含用法通用寄存器的隐含用法2023/1/30212023/1/30222.指令指针

（InstructionPointer，IP）１６位专用寄存器，它指向当前需要取出的指令字节，当BIU从内存中取出一个指令字节后，IP就自动加１，指向下一指令字节。注意，IP指向的是指令地址的段内地址偏移量，又称偏移地址（OffsetAddress）或有效地址（EffectiveAddress，EA）。

程序员不能对IP进行存取操作，程序中的转移指令、返回指令以及中断处理能对IP进行操作。2023/1/30233.标志寄存器FR（FlagRegister）１６位的标志寄存器FR定义了９位，６位是状态位，３位是控制位2023/1/3024标志寄存器FR（FlagRegister）定义了9位

6位状态位 C、A、Z、S、O、P3位控制位I、D、TOFDFIFTFSFZFAFPFCFInterruptenableDirectionTrapCarryAuxiliaryCarryZeroSignOverflowParity2023/1/3025１）状态位①进位标志CF（CarryFlag）———

反映算术运算后，最高位（字节操作为D７位，字操作为D１５位）出现进位（或借位）的情况，有则为1。CF主要用于加、减法运算，移位和环移指令也会改变CF值。②奇偶（校验）标志PF（ParityFlag）———

反映操作结果中1的个数的情况，若为偶数，PF置1，主要在数据通信中用来检查传送有无出错（注意，只考虑低８位）。③辅助进位标志AF（AuxiliaryCarryFlag）———

反映一个８位量（或１６位量的低位字节）的低４位向高位（即D３位向D４位）有无进位（或借位）的情况，有则置1，AF用于BCD码算术运算指令。2023/1/3026状态位④零标志ZF（ZeroFlag）———

反映运算结果是否为零的情况，结果为零，ZF置1。⑤符号标志SF（SignFlag）———

反映带符号数运算结果符号位的情况，结果为负数，SF置1，SF的取值与运算结果的最高位（字节操作为D７位，字操作为D１５位）取值一致。⑥溢出标志OF（OverflowFlag）———

反映带符号数（以二进制补码表示）运算结果是否超过机器所能表示的数值范围的情况，对字节运算为－１２８～＋１２７，对字运算为－３２７６８～＋３２７６７。若超过上述范围，称为“溢出”，OF置1。2023/1/3027状态位“溢出”与“进位”是两个不同的概念，某次运算结果有“溢出”不一定有“进位”

；反之，有“进位”也不一定有“溢出”。６个状态标志由执行部件EU设置，反映算术或逻辑运算结果的某些特征，这些状态标志常用来影响或控制某些后续指令（例如条件转移指令、循环指令等）的执行。不同指令对状态标志的影响不一样，有些指令不影响状态标志。另外，进位标志CF可由专用指令设置。2023/1/3028２）控制位①方向标志DF（DirectionFlag）———

在进行字符串操作时，每执行一条串操作指令，对源或（与）目的操作数的地址要进行一次调整（对字节操作为加１或减１，对字操作为加２或减２），由DF决定地址是递增还是递减。若DF＝1为递减，即从高地址向低地址进行；DF＝0为递增。DF可由专用指令设置。2023/1/3029控制位②中断允许标志IF（InterruptEnableFlag）———

表示系统是否允许响应外部的可屏蔽中断，若IF＝1，表示允许响应。IF对不可屏蔽中断请求以及内部中断不起作用。IF可由专用指令设置。③陷阱标志TF（TrapFlag）———

当TF＝1时，微处理器每执行完一条指令便自动产生一个内部中断，转去执行一个中断服务程序，可以借助中断服务程序来监视每条指令的执行情况，称为“单步工作方式”，常用于程序的调试。TF又称为跟踪标志。３个控制标志用来控制微处理器的某些操作，可以由指令来设置。2023/1/3030４.段寄存器

在微型计算机系统的内存中通常存放着三类信息：①代码（指令）———

指示微处理器执行何种操作。②数据（字符、数值）———

程序处理的对象。③堆栈信息———

被保存的返回地址和中间结果。在８０８６系统中，这三类信息通常分别存放在各自的内存区域中———

８０８６存储系统中的不同存储段。2023/1/3031段寄存器

８０８６系统中把可直接寻址的１MB内存空间划分为称为“段”（Segment）的逻辑区域，每个段的物理长度为６４KB，而段的起始地址由称为“段寄存器”（SegmentRegister）的４个１６位寄存器决定。

８０８６利用上述段寄存器的内容，通过适当转换可以访问这４个存储段———

代码段、堆栈段、数据段和附加段。2023/1/3032段寄存器

①代码段寄存器CS（CodeSegment），指向当前的代码段，指令由此段中取出。②堆栈段寄存器SS（StackSegment），指向当前的堆栈段，堆栈操作的对象就是该段中存储单元的内容。③数据段寄存器DS（DataSegment），指向当前的数据段，通常用来存放程序变量（存储器操作数）。④附加段寄存器ES（ExtraSegment），指向当前的附加段，通常也用来存放数据以及—

些专用指令的操作数。2023/1/30332.1.38086系统中的存储器组织及物

理地址的形成１.存储器组织８０８６微处理器有２０条地址线，可以配置１MB（１０４８５７６B）的内存储器，地址编号为０００００H～FFFFFH。存储空间都按８位字节进行组织，每个存储单元存储一个字节数据。若存放“字”数据（１６位），则存放在相邻两个存储单元中，按小数端存放规则，高字节存放在高地址单元，低字节存放在低地址单元（W＝BHBL）2023/1/3034２.存储器分段

１）为什么要分段因为８０８６微处理器内部的数据通路和寄存器皆为１６位，内部ALU只能进行１６位运算，在程序中也只能使用１６位地址，寻址范围局限在２１６＝６５５３６B（６４KB），为了能寻址１MB的地址，所以引入“分段”的概念。2023/1/3035２）分段８０８６程序把１MB的存储空间看做是一组存储段，各段的功能由具体用途而定，分别为代码段、堆栈段、数据段和附加段。一个存储段是存储器的一个逻辑单位，其长度可达６４KB，每个段都由连续的存储单元构成，是存储器中独立的、可分别寻址的单位。每段第一个字节的位置称为“段起始地址”，可由软件指定。对段起始地址的要求是：最好能被１６整除（起始地址为××××０H）。段寄存器中存放了与段起始地址有关的１６位“段基值”（SegmentBaseValue），2023/1/3036分段一旦４个段寄存器的内容确定后，程序就可访问４个段中的任一存储单元。若程序超过６４KB，则必须通过给段寄存器重新赋新值，把超出部分转到新段中。注意，几个段可以相互重叠，也可指向同一个６４KB的空间。2023/1/3037３）物理地址与逻辑地址在具有地址变换机构的计算机中，有两种存储器地址：一种是允许在程序中编排的地址———逻辑地址（LogicalAddress）；另一种是信息在存储器中实际存放的地址———

物理地址（PhysicalAddress）。在８０８６系统中每个存储单元也有两种地址。2023/1/3038物理地址与逻辑地址

８０８６系统中，８０８６微处理器与内存储器之间所有信息交换都要使用２０位的物理地址，而在程序中所涉及的地址是１６位的逻辑地址。对给定的任一存储单元而言有两部分逻辑地址：段基值———

决定所在段第一个字节的位置，段内偏移量（Offset）———

该存储单元相对于该段起始单元的距离。2023/1/3039物理地址与逻辑地址

段基值存放在段寄存器（CS、SS、DS、ES）中，而段内偏移量由寄存器SP、BP、SI、DI、IP、BX和直接地址以及上述寄存器和直接地址的组合而形成。存储单元的２０位物理地址是通过将１６位的段基值左移４位再加上１６位的段内偏移量（又称偏移地址）生成的。2023/1/3040逻辑地址的来源

①当取指令时，８０８６会自动选择CS值作为段基值，再加上由IP提供的偏移量形成物理地址。②当涉及堆栈操作时，８０８６会自动选择SS值作为段基值，再加上由SP提供的偏移量形成物理地址。③当涉及一个存储器操作数（除以BP为地址寄存器外）时，８０８６会自动选择DS值作为段基值，再加上１６位偏移量形成物理地址，这１６位偏移量可来自：指令中提供的直接地址———

１６位的位移量。某一个１６位地址寄存器（BX、DI或SI）的值。指令中的位移量加上１６位地址寄存器（BX、BP、DI或SI）的值。2023/1/3041逻辑地址的来源

④ES用于串操作指令中的数据块传送指令。⑤当存储器操作数中偏移量采用BP为地址寄存器时，８０８６会自动选择SS值为段基值，再加上以BP为基址的１６位偏移量形成物理地址。2023/1/3042逻辑地址的来源

（EA

,

EffectiveAddress为有效地址，反映操作数的段内偏移地址）

操作类型隐含的段基值可替换的段基值

偏移地址取指令CS

无IP,[CS:IP]堆栈操作SS

无SP,[SS:SP]BP用作基址寄存器SSCS、DS、ESEA,[SS:EA]通用数据读写DSCS、ES、SSEA,[DS:EA]字符串操作(源地址)DSCS、ES、SSSI,[DS:SI]字符串操作(目的地址)ES

无DI,[ES:DI]2023/1/30432.28086微处理器的引脚功能在对计算机系统和计算机应用系统进行分析和设计时，理解微处理器（CPU）芯片的引脚功能以及总线上有关信号的时间关系是十分重要的。８０８６微处理器是Intel公司的第三代微处理器———１６位微处理器。它采用４０条引脚的DIP（DualIn‐linePacage，双列直插）封装。2023/1/3044

8086的40条引脚信号按功能可分为4部分─地址总线数据总线控制总线其它（时钟与电源）。

2023/1/30452.2.1引脚功能说明

1、地址总线和数据总线

2、控制总线1—

同工作方式有关的控制信号

3、控制总线2—

同工作方式无关的控制总线

4、其他信号2023/1/30461)双重总线、分时复用

21条引脚传送42个信号

AD0～AD15，

A16/S3～A19/S6，

/S7。１.地址总线和数据总线2023/1/3047

2)三种周期

指令周期（InstructionCycle）执行一条指令所需要的时间称为指令周期，不同指令的指令周期是不等长的。

总线周期（BusCycle）

8086CPU与外部交换信息总是通过总线进行的。CPU的每一个这种信息输入、输出过程需要的时间称为总线周期,一个指令周期由一个或若干个总线周期组成。

2023/1/3048

时钟周期（ClockCycle）执行指令的一系列操作都是在时钟脉冲CLK的统一控制下一步一步进行的，时钟脉冲的重复周期称为时钟周期,时钟周期是CPU的时间基准，由计算机的主频决定，8086CPU的总线周期至少由4个时钟周期组成，分别以T1、T2、T3和T4表示。2023/1/30493)AD0～AD15

在每个总线周期开始（T1）时，用作地址总线的16位（A15～A0），给出内存单元（或I/O端口）的地址；其它时间为数据总线，用于数据传输。4）A16/S3～A19/S6，/S7

在每个总线周期开始（T1）时，作地址总线的高4位（A19～A16）和，2023/1/30504)A16/S3～A19/S6，/S7

在存储器操作中为高4位地址，在I/O操作中，这4位置“0”（低电平）。在总线周期的其余时间，这4条信号线指示CPU的状态信息。当 为低电平时，把读/写的8位数据与AD15～AD8连通。该信号与A0（地址信号最低位）结合以决定16位数据字是高字节工作还是低字节工作。

2023/1/3051S4、S3的编码表S４S３特性（所使用的段寄存器）LLESLHSSHLCS（或者不是存储器操作）HHDS2023/1/30522、控制总线1—

同工作方式有关的控制信号

1）MN/

最小/最大方式控制线，用来控制8086的工作方式。当MN/接+5V时，8086处于最小方式，由8086提供系统所需的全部控制信号，用来构成一个小型的单处理机系统。当MN/接地时，8086处于最大方式，系统的总线控制信号由专用的总线控制器8288提供，用来构成一个多处理器或协处理器系统。

2023/1/3053

2）、、—

总线周期状态信号（三态、输出）表示8086外部总线周期的操作类型，在最小方式下， 、、三引脚分别为 、和。为存储器/IO控制信号（输出、三态），用于区分CPU是访问存储器（=H），还是访问I/O端口（＝L）。为数据发送/接收信号（输出、三态），用于指示CPU是进行写操作（＝H）还是读操作(＝L）。为数据允许信号（输出、三态），在CPU访问存储器或I/O端口的总线周期的后一段时间内，该信号有效，用作系统中总线收发器的允许控制信号。2023/1/3054

、、译码表

操作类型（CPU周期）LLL中断响应LLH读I/O端口LHL写I/O端口LHH暂停HLL取指HLH读存储器（数据）HHL写存储器HHH无效（无总线周期）2023/1/3055

3）， 请求/允许总线访问控制信号（双向）。 在最小方式下，和二引脚分别为HOLD和HLDA。HOLD为保持请求信号（输入）。

HLDA为保持响应信号（输出），这是CPU对HOLD信号的响应信号。2023/1/3056 4）QS1，QS0

指令队列状态信号（输出）。在最小方式下，QS1、QS0二引脚分别为ALE和。ALE为地址锁存允许信号（输出），为中断响应信号（输出、三态）。

5） 总线优先权锁定信号（输出、三态）该信号用来封锁外部处理器的总线请求，当输出低电平时，外部处理器不能控制总线，信号有效由指令LOCK在程序中设置，在最小方式下，引脚为信号。2023/1/30573、控制总线2—

同工作方式无关的控制总线

─读控制信号（三态、输出）

READY─等待状态控制信号，又称准备就绪信号（输入）。当被访问的部件无法在8086CPU规定的时间内完成数据传送时，应由该部件向8086CPU发出READY＝L（低电平），使8086CPU处于等待状态，插入一个或几个等待周期TW，当被访问的部件可以完成数据传输时，被访问的部件将使READY＝H（高电平），8086CPU继续运行。2023/1/3058INTR─中断请求信号（输入）NMI─不可屏蔽中断请求信号（输入）─等待测试控制信号（输入）RESET─复位信号（输入）。当RESETA为高电平时，系统处于复位状态，8086CPU停止正在运行的操作，把内部的标志寄存器FR、段寄存器、指令指针IP以及指令队列复位到初始化状态。注意，代码段寄存器CS的初始化状态为FFFFH。2023/1/30594、其他信号

（１）CLK———

时钟