第02章21寄存器的结构

2.1

8086/8088的内部结构第2章80X86微处理器及其体系结构2.28086/8088的总线周期2.3

8086/8088的管脚特性2.5

80X86高档微处理器2.4

8086/8088的两种组态模式

微型计算机是由具有不同功能的一些部件组成的，包含运算器和控制器电路的大规模集成电路，称为“微处理器”，又称“中央处理器（CPU）”，其职能是执行算术/逻辑运算，并负责控制整个计算机系统，使之能自动协调地完成各种操作。

16位微处理器8086/8088的性能远远优于8位机，不仅在运行速度、运算能力和寻址范围等纵向能力有很大提高，还由于具有协处理器接口，横向能力也大为提高。特别是80286、80386、80486等更高性能的微处理器都保持了对它的兼容。8086/8088既有广泛的应用，也有很好的承上启下作用。所以我们以8086/8088为例作重点介绍。2.18086/8088的内部结构8086：Intel系列的16位微处理器；采用高速运算性能的HMOS工艺制造，芯片上集成了2.9万只晶体管；使用单一的+5V电源，40条引脚双列直插式封装；时钟频率为5MHz~10MHz；16根数据线和20根地址线，可寻址的地址空间达1MB；8086可以和浮点运算器、I/O处理器或其他处理器组成多处理器系统，从而极大地提高了系统的数据吞吐能力和数据处理能力。

8088：内部与8086兼容，也是一个16位微处理器，只是外部数据总线为8位，所以称为准16位微处理器。它具有包括乘法和除法的16位运算指令，所以能处理16位数据，还能处理8位数据。8088有20根地址线，所以可寻址的地址空间达220即1M字节。AHALBHBLCHCLDHDLSPBPDISI通用寄存器暂存寄存器ALU执行部分控制电路123456CSDSSSESIP内部寄存器I/O控制电路地址加法器20位16位8位指令队列缓冲器外部总线执行部件EU总线接口部件BIU8086CPU结构图16位ALU数据总线AXBXCXDX标志寄存器1234AHALBHBLCHCLDHDLSPBPDISI通用寄存器暂存寄存器ALU标志寄存器执行部分控制电路CSDSSSESIP内部寄存器I/O控制电路地址加法器20位8位8位指令队列缓冲器外部总线执行部件EU总线接口部件BIU8088CPU结构图16位ALU数据总线AXBXCXDX8086/8088的内部结构从功能上分成两个单元1）执行部件EU

负责指令的译码、执行和数据的运算2）总线接口部件BIU

管理8086/8088与系统总线的接口负责CPU对存储器和外设进行访问2.1.1执行部件EU功能：EU不与外部系统总线相连，只负责指令的译码和执行。（1）从指令队列中取出指令。（2）对指令进行译码，执行指令所规定的全部功能。（3）执行指令所得结果或执行指令所需的数据，都由EU向BIU发出命令，让BIU对存储器或I/O接口进行读/写操作。执行部件的组成：EU由算术/逻辑运算器ALU，寄存器阵列，EU控制器组成。（1）算术逻辑单元ALU

完成8位或者16位二进制算术和逻辑运算，计算偏移量。（2）寄存器阵列（3）执行部件的控制电路从总线接口的指令队列取出指令操作码，通过译码电路分析，发出相应的控制命令，控制ALU数据流向。2.1.2总线接口部件BIU功能：与外部总线相连，负责与存储器或者I/O端口传送信息。根据执行部件EU的请求，管理预取指令和存数、取数的实际过程。组成：（1）指令队列（8086六字节，8088四字节）在执行指令的同时，将取下一条指令，并放入指令队列中。CPU执行完一条指令后，可以接着执行下一条指令（流水线技术）。提高CPU效率。（2）地址加法器（3）寄存器阵列（4）总线控制逻辑（I/O控制电路）等待取指1执行1等待取指2执行2等待取指3执行3MPU总线忙闲忙闲忙闲传统微处理器的指令执行过程取指1取指2取指3取指4取指5取指6EU总线执行1执行2执行3执行4执行5执行6忙忙忙忙忙忙BIU8086CPU的指令执行过程

2.1.38088/8086的寄存器结构 寄存器是微处理器（CPU）内部暂存数据的存储单元。8088/8086的寄存器组有8个通用寄存器4个段寄存器1个标志寄存器1个指令指针寄存器它们均为16位!图示

汇编语言程序员看到的处理器，就是寄存器所以，一定要熟悉这些寄存器的名称和作用

这个16位寄存器，按其用途可分为3类：通用寄存器、段寄存器、控制寄存器。

累加器AHALBHBLCLDHDLCHSPSIDIIPFLAGSCSDSSSESBP基址寄存器计数寄存器数据寄存器堆栈指针寄存器基址指针寄存器源变址寄存器目的变址寄存器指令指针寄存器标志寄存器代码段寄存器段寄存器附加段寄存器堆栈段寄存器数据寄存器地址指针和变址寄存器控制寄存器通用寄存器数据段寄存器8086CPU内部寄存器结构

2.1.3.1通用寄存器8088有8个通用的16位寄存器（1）数据寄存器:AXBXCXDX（2）变址寄存器:SIDI（3）指针寄存器:BPSP4个数据寄存器还可以分成高8位和低8位两个独立的寄存器，这样又形成8个通用的8位寄存器AX：AHAL BX：BHBLCX：CHCL DX：DHDL（1）数据寄存器AX称为累加器（Accumulator）使用频度最高。用于算术、逻辑运算以及与外设传送信息等BX称为基址寄存器（BaseaddressRegister）常用做存放存储器地址CX称为计数器（Counter）作为循环和串操作等指令中的隐含计数器DX称为数据寄存器（Dataregister）常用来存放双字长数据的高16位，或存放外设端口地址（2）变址寄存器16位变址寄存器SI和DI常用于存储器变址寻址方式时提供地址SI是源地址寄存器（SourceIndex）DI是目的地址寄存器（DestinationIndex）在串操作类指令中，SI、DI还有较特殊的用法（3）指针寄存器指针寄存器用于寻址内存堆栈内的数据SP为堆栈指针寄存器（StackPointer）,指示堆栈段栈顶的位置（偏移地址）BP为基址指针寄存器（BasePointer），表示数据在堆栈段中的基地址SP和BP寄存器与SS段寄存器联合使用以确定堆栈段中的存储单元地址堆栈（Stack）（1）堆栈的概念堆栈是主存中一个特殊的区域，用8088/8086形成的微机系统中，堆栈区域被称为堆栈段。这片存储区的一端固定，另一端活动，且只允许数据从活动端进出。采用“先进后出”的规则，而不是随机存取方式。堆栈主要用于暂存数据和在过程调用或处理中断时暂存断点信息。2.1.3.2指令指针寄存器IP（InstructionPointer）为指令指针寄存器，指示主存储器指令的位置随着指令的执行，IP将自动修改以指示下一条指令所在的存储器位置IP寄存器是一个专用寄存器IP寄存器与CS段寄存器联合使用以确定下一条指令的存储单元地址2.1.3.3标志寄存器标志（Flag）用于反映指令执行结果或控制指令执行形式8088处理器的各种标志形成了一个16位的标志寄存器FLAGS（程序状态字PSW寄存器）

程序设计需要利用标志的状态标志寄存器的分类：状态标志－－用来记录程序运行结果的状态信息，许多指令的执行都将相应地设置它CFZFSFPFOFAF控制标志－－可由程序根据需要用指令设置，用于控制处理器执行指令的方式DFIFTFOF111512DF10IF9TF8SF7ZF65AF43PF21CF0标志寄存器FLAGS（6）标志寄存器16位寄存器，其中有7位未用。D15D0OFDFIFTFSFZFAFPFCF进借位标志奇偶标志半进借位标志零标志符号标志单步中断中断允许方向标志溢出标志1-有进、借位0-无进、借位1-低8位有偶数个10-低8位有奇数个11-低4位向高4位有进、借位0-低4位向高4位无进、借位1-结果为00-结果不为0（1）进位标志CF（CarryFlag）当运算结果的最高有效位有进位（加法）或借位（减法）时，进位标志置1，即CF＝1；否则CF＝03AH+7CH＝B6H，没有进位：CF=0AAH+7CH＝（1）26H，有进位：CF=1（2）零标志ZF（ZeroFlag）若运算结果为0，则ZF＝1；否则ZF＝03AH＋7CH＝B6H，结果不是零：ZF＝084H＋7CH＝（1）00H，结果是零：ZF＝1

注意：ZF为1表示的结果是0（3）符号标志SF（SignFlag）运算结果最高位为1，则SF＝1；否则SF＝03AH＋7CH＝B6H，最高位D7＝1：SF＝184H＋7CH＝（1）00H，最高位D7＝0：SF＝0

有符号数据用最高有效位表示数据的符号所以，最高有效位就是符号标志的状态（4）奇偶标志PF（ParityFlag）当运算结果最低字节中“1”的个数为零或偶数时，PF＝1；否则PF＝03AH＋7CH＝B6H＝10110110B结果中有5个“1”，是奇数：PF＝0PF标志仅反映最低8位中“1”的个数是

偶或奇，即使是进行16位字操作（5）溢出标志OF（OverflowFlag）若算术运算的结果有溢出，则OF＝1；否则OF＝03AH+7CH＝B6H，产生溢出：OF＝1AAH+7CH＝（1）26H，没有溢出：OF＝0？什么是溢出处理器内部以补码表示有符号数8位表达的整数范围是：＋127~－12816位表达的范围是：＋32767~－32768如果运算结果超出这个范围，就产生了溢出有溢出，说明有符号数的运算结果不正确3AH＋7CH＝B6H，就是58＋124＝182，已经超出－128～＋127范围，产生溢出，故OF＝1；补码B6H表达真值是－74，显然运算结果也不正确B6H＝10110110B，最高位为1，作为有符号数是负数对B6H求反加1等于：01001001B＋1＝01001010B＝4AH＝74

所以，B6H表达有符号数的真值为－74溢出和进位的区别溢出标志OF和进位标志CF是两个意义不同的标志进位标志表示无符号数运算结果是否超出范围，运算结果仍然正确溢出标志表示有符号数运算结果是否超出范围，运算结果已经不正确？（6）辅助进位标志AF（AuxiliaryCarryFlag）3AH＋7CH＝B6H，D3有进位：AF＝1运算时D3位（低半字节）有进位或借位时，AF＝1；否则AF＝0这个标志主要由处理器内部使用，用于十进制算术运算调整指令中，用户一般不必关心（7）方向标志DF（DirectionFlag）用于串操作指令中，控制地址的变化方向：设置DF＝0，存储器地址自动增加；设置DF＝1，存储器地址自动减少CLD指令复位方向标志：DF＝0STD指令置位方向标志：DF＝1（8）中断允许标志IF（Interrupt-enableFlag）控制可屏蔽中断是否可以被处理器响应：设置IF＝1，则允许中断；设置IF＝0，则禁止中断CLI指令复位中断标志：IF＝0STI指令置位中断标志：IF＝1（9）陷阱标志TF（TrapFlag）用于控制处理器进入单步操作方式：设置TF＝0，处理器正常工作；设置TF＝1，处理器单步执行指令单步执行指令——处理器在每条指令执行结束时，便产生一个编号为1的内部中断这种内部中断称为单步中断所以TF也称为单步标志利用单步中断可对程序进行逐条指令的调试这种逐条指令调试程序的方法就是单步调试2.1.3.4段寄存器存储单元及其存储内容每个存储单元都有一个编号；被称为存储器地址每个存储单元存放一个字节的内容00002H单元存放有一个数据34H表达为 [00002H]＝34HD7D000006H78H00005H56H00004H12H00003H34H00002H00001H00000H存储器的分段管理8088CPU有20条地址线最大可寻址空间为220＝1MB物理地址范围从00000H～FFFFFH但是CPU内部寄存器和数据总线都是16位，怎么输出一个20位的地址信息呢？8088CPU将1MB空间分成许多逻辑段（Segment）段不能起始于任意地址，段地址的低4位为0000B每一段最大限制可寻址216（64K）字节在1M字节的地址空间里，共有64K个小段首地址：

00000H00010H

…41230H41240H

…FFFE0HFFFFFH存储器分段

∶

∶

∶

∶

00000H

图3-10存储器分段示意图

逻辑段1起点

逻辑段2起点

逻辑段3起点

逻辑段4起点

FFFFFH

逻辑段1

≤64KB

逻辑段2

≤64KB

逻辑段3

≤64KB

逻辑段4

≤64KB

物理地址和逻辑地址存储器中的每个存储单元都可以用两个形式的地址来表示实际地址（或称物理地址）和逻辑地址。8088CPU存储系统中，对应每个物理存储单元都有一个唯一的20位编号，就是物理地址，从00000H~FFFFFH，规定了1M字节存储体中某个具体单元的地址。逻辑地址形式为段基地址:

段内偏移地址分隔符逻辑地址段基地址说明逻辑段在主存中的起始位置8088规定段地址必须是：xxxx0H省略低4位0000B，段地址就可以用16位数据表示，即能用16位段寄存器表达段地址偏移地址说明主存单元距离段起始位置的偏移量每段不超过64KB，偏移地址也可用16位数据表示物理地址的形成：物理地址有两部分组成，段基址和偏移地址。

8086/8088CPU中有一个地址加法器，它将段寄存器提供的段地址自动乘以10H（16）即左移4位，然后与16位的偏移地址相加，并锁存在物理地址锁存器中。物理地址=段基址*16+偏移地址。存放段基址的寄存器：CS、DS、ES、SS。存放偏移地址的寄存器：IP、DI、SI、BP、SP等。+物理地址的形成段寄存器值偏移量物理地址16位4位16位20位存储器物理地址的计算方法一个物理地址可以有多个逻辑地址逻辑地址 1460:100、1380:F00物理地址 14700H14700H14600H＋100H14700H13800H＋F00H14700H段地址左移4位加上偏移地址得到物理地址段寄存器8086CPU中有四段寄存器：CS，DS，SS和ES，这四个段寄存器存放了CPU当前可以寻址的四个段的基址，也即可以从这四个段寄存器规定的逻辑段中存取指令代码和数据。一旦这四个段寄存器的内容被设定，就规定了CPU当前可寻址的段。8088有4个16位段寄存器CS（代码段）指明代码段的起始地址SS（堆栈段）指明堆栈段的起始地址DS（数据段）指明数据段的起始地址ES（附加段）指明附加段的起始地址每个段寄存器用来确定一个逻辑段的起始地址，每种逻辑段均有各自的用途代码段寄存器CS（CodeSegment）代码段用来存放