第2章 微型计算机概论

第2章微型计算机概论2.1计算机概论2.2微型计算机2.38086微处理器

2.1计算机概论2.1.1计算机硬件基本结构目前计算机硬件体系结构基本上还是经典的冯·诺依曼结构，由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五个基本部分组成。冯·诺依曼体系结构模型指令寄存器控制器数据通道输入输出中央处理器存储器程序指令0指令1指令2指令3指令4数据数据0数据1数据22.1.2计算机工作原理冯·诺依曼提出的计算机组成和工作方式的基本思想：（1）计算机由运算器、控制器、存储器、输入和输出设备五大部分组成。

（2）数据和指令以二进制代码形式不加区别地存放在存储器中，地址码也为二进制形式；计算机能自动区分指令和数据。（3）编写好的程序事先存入存储器。控制器根据存放在存储器中的指令序列即程序来工作，由程序计数器（PC，ProgramCounter）控制指令的执行顺序。控制器具有判断能力，能根据计算结果选择不同的动作流程。执行指令的过程

使用计算机时，首先要将程序存储，即将指令序列存放到存储器。

在计算机工作时，控制器从存储器逐条取出指令、分析指令并执行指令。

执行指令时，控制器依次发出各种控制命令信号给其他部件，使运算器完成某种算术、逻辑运算或作寄存器与存储器之间的数据传送，输入和输出等。

计算机的工作过程就是执行指令的过程。指令与程序的概念指令是命令计算机完成某种基本操作的代码。将各种算术运算、逻辑运算及存储器的读、写等作为基本操作，为每一个基本操作规定一个代码，这个代码被称为指令。

当需要计算机完成某项任务时，就将其分解成一系列的基本操作并用指令来表示，预先存放到存储器中。计算机工作时就逐条执行指令，完成一系列的基本操作，从而完成整个任务。我们把能完成某项任务的指令序列称为程序。2.1.3计算机的性能指标1.字长：字长是CPU交换、加工和存放信息时其信息位的最基本长度，它通常与寄存器、运算器、传输线的宽度相一致。2.存储容量：存储器（通常指内存储器）是计算机存放二进制信息的“仓库”，由若干存储单元组成。存储单元的编号称做存储单元地址（是二进制的数字码）。存储容量与CPU构成的系统能够访问的存储单元数有关。存储单元的数目是由传送地址信息的传输线的条数决定的。3.指令系统：一台计算机所固有的基本操作指令的集合，称为该计算机的指令系统。4.运算速度：计算机完成一个具体任务所花费的时间就是完成该任务的时间指标，时间越短，表明计算机的速度越高。但是计算机各种指令执行时间是不一样的。以每秒执行基本指令的条数来大致地反映计算机的运算速度。单位为百万条指令。5.系统配置：包括软件及外设配置2.2微型计算机2.2.1微处理器、微型计算机和微型计算机系统微处理器（Microprocessor）也被称为微处理机，它是微型计算机的核心部件，但并不是微型计算机。微处理器包括算术逻辑部件ALU、控制部件CU和寄存器组R三个基本部分和内部总线。相当于图2.1中一般计算机系统结构中的运算器和控制器的组合，一般又称为中央处理器——CPU（CentralProcessingUnit）。微型计算机（MicroComputer）简称为微机，它是以微处理器为核心，加上由大规模集成电路制作的存储器M（ROM和RAM）、I/O（输入／输出）接口和系统总线组成的。由于微处理器在微型计算机中的重要性，其性能很大程度上决定了微型计算机的性能。微型计算机系统（MicroComputerSystem）是以微型计算机为核心，再配以相应的外围设备,电源、辅助电路和控制微型计算机工作的软件而构成的完整的计算系统。软件分为系统软件和应用软件两大类。系统软件是用来支持应用软件的开发与运行的，它包括操作系统、标准实用程序和各种语言处理程序等。应用软件是用来为用户解决具体应用问题的程序及有关的文档和资料。

微型计算机的结构1.微型计算机的结构采用的是总线结构2.总线结构的概念总线是传输信号的一组导线，作为微机各部件之间信息传输的公共通道。微处理器通过系统总线实现和其他组成部分的联系。微机的系统总线按功能分成三组：数据总线DB：是传输数据或代码的一组通信线，其宽度（总线的根数）一般与微处理器的字长相等。地址总线AB：是传输地址信息的一组通信线，是微处理器访问外界用于寻址的总线。AB总线是单向的，其根数决定了可以直接寻址的范围。控制总线CB：是传送各种控制信号的一组通信线。控制信号是微处理器和其他芯片间相互联络或控制用的。总线信号地址总线AB输出将要访问的内存单元或I/O端口的地址地址线的多少决定了系统直接寻址存储器的范围数据总线DBCPU读操作时，外部数据通过数据总线送往CPUCPU写操作时，CPU数据通过数据总线送往外部数据线的多少决定了一次能够传送数据的位数控制总线CB协调系统中各部件的操作，有输出控制、输入状态等控制总线决定了系统总线的特点,例如功能、适应性等举例举例总线使用特点1、在某一时刻，只能由一个总线主控设备（例如CPU）来控制总线2、在连接系统总线的各个设备中，某时刻只能有一个发送者向总线发送信号；但可以有多个设备从总线上同时获取信号3、微机系统采用“总线结构”，具有组态灵活、扩展方便的优势2.38086微处理器8086是Intel系列的16位微处理器，有16根数据线和20根地址线。因为可用20位地址，所以可寻址的地址空间达220即1M字节单元。几乎在推出8086微处理器的同时，Intel公司还推出了一种准16位的微处理器8088，8088的内部寄存器、内部运算部件以及内部操作都是按16位设计的，但对外的数据总线只有8条。8088的存储格式D7D0字节D15D0字D31D0双字D7D000006H78H00005H56H00004H12H00003H34H00002H00001H00000H低地址LSBMSB2.3.18086的编程结构1234内部暂存器

IP

ES

SS

DS

CS输入/输出控制电路总线执行部分控制电路∑ALU标志寄存器

AHAL

BHBLCHCL

DHDL

SP

BP

SI

DI通用寄存器地址加法器指令队列执行部件（EU)总线接口部件（BIU)16位20位8位8位1.总线接口部件（BIU）、执行部件（EU）总线接口部件：负责CPU与存储器、输入/输出设备之间的数据传送，包括取指令操作以及对存储器读写数据操作和对I/O接口的读写操作。具体讲，总线接口部件要从内存取指令送到指令队列；CPU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者外设端口中取数据，将数据传送给执行部件，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。总线接口部件由段寄存器、指令指针寄存器（IP）、地址加法器、内部暂存器、指令队列及I/O控制逻辑等部分组成。执行部件：负责指令的执行，包括通用寄存器、专用寄存器、标志寄存器及ALU等部分组成。

2.段寄存器

8086CPU采用段地址、段内偏移地址两级存储器寻址方式，段地址和段内偏移地址均为16位。8086内部根据需要设置了4个段寄存器，用于存放段的高16位地址，称为段的逻辑地址，4个段寄存器分别是：

CS：16位代码段寄存器（CodeSegmentRegister）

DS：16位数据段寄存器（DataSegmentRegister）

SS：16位堆栈段寄存器（StackSegmentRegister）

ES：16位附加段寄存器（ExtraSegmentRegister）3.通用寄存器AX、BX、CX、DXEU中有4个16位的寄存器AX、BX、CX和DX，一般用来存放16位数据，故称为数据寄存器。每个数据寄存器又可分为两个8位的寄存器，即AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH、DL，用以存放8位数据，它们均可独立使用。数据寄存器主要用来存放操作数或中间结果，以减少访问存储器的次数。多数情况下，这些数据寄存器是用在算术运算或逻辑运算指令中，以进行算术逻辑运算。在有些指令中，它们则有特定的用途：如AX作累加器用；BX作基址（Base）寄存器，如在查表指令XLAT中存放表的起始地址；CX作计数（Count）寄存器，如在数据串操作指令的REP中用CX存放数据单元的个数作为循环操作的次数；DX作数据（Data）寄存器，如在字的除法运算指令DIV中，存放余数。

4.专用寄存器SP、BP、SI、DI指针寄存器SP和BP用来存取位于当前堆栈段中的数据，但SP和BP在使用上有区别。入栈（PUSH）和出栈（POP）指令是由SP给出栈顶的偏移地址，故称为堆栈指针寄存器。BP则是用来存放位于堆栈段中的一个数据区基址的偏移地址的，故称作基址指针寄存器。变址寄存器SI和DI是用来存放当前数据段的偏移地址的。在字符串操作中，源操作数地址的偏置放于SI中，所以SI称为源变址寄存器；目的操作数地址的偏置放于DI中，所以DI称为目的变址寄存器。5.状态标志寄存器F

8086CPU的状态标志寄存器是一个十六位的寄存器，9个位用作标志位，其中状态标志位有6个，控制标志有3个。状态标志用来反映EU执行算术或逻辑运算以后的结果特征。这六位都是逻辑值，判断结果为逻辑真（true）时其值为1；判断结果为逻辑假（false）时，其值为0。6.20位地址加法器8086可用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，8086CPU采用段地址、段内偏移地址两级存储器寻址方式，由一个20位地址加法器来根据16位段地址和16位段内偏移地址计算出20位的物理地址。20位物理地址的获得方法是：将CPU中的16位的段寄存器内容左移4位（×16，或写成×10H）得到该段的20位物理地址，与16位的逻辑地址（又称偏移地址，即所寻址单元相对段首的偏移量）在地址加法器内相加，得到所寻址单元的20位物理地址。根据寻址方式的不同，偏移地址可以来自指令指针寄存器（IP）或其他寄存器。假设CS＝8211H，IP＝1234H，则该指令单元的20位物理地址为：PA=8311H×10H+1234H=83110H+1234H=84344H

7.16位指令指针寄存器IP

其功能和8位微处理器中的程序计数器功能相似。由于8088取指令和执行指令同时进行，Intel公司用指令指针IP代替8位机的程序计数器PC的称法，IP总是保存着EU要执行的下一条指令的偏移地址，而不是象8位的PC总是保存下一个取指令的地址。程序不能直接对指令指针寄存器进行存取，但能在程序运行中自动修正，使之指向要执行的下条指令，有些指令（如转移，调用，中断，返回）能使IP的值改变，或使IP的值存进堆栈，或由堆栈恢复原有的值。8.总线接口部件的作用和执行部件的动作管理(1)每当8086的指令队列中有两个空字节，或者8088的指令队列中有一个空字节时，总线接口部件就会自动把指令取到指令队列中。

(2)每当执行部件准备执行一条指令时，它会从总线接口部件的指令队列前部取出指令的代码，然后再用几个时钟周期去执行指令。

在执行指令的过程中，如果必须访问存储器或者输入/输出端口的操作；同时总线接口部件正好处于空闲状态，那么，会立即响应执行部件的总线请求。

反过来，如果执行部件请求总线接口部件访问总线时，总线接口部件正在将某个指令字节取到指令队列中，此时总线接口部件将首先完成这个取指令的总线周期，然后再去响应执行部件发出的访问总线的请求。(3)当指令队列已满，而且执行部件又没有总线访问时，总线接口部件便进入空闲状态。

(4)在执行转移指令、调用指令和返回指令时，下面要执行的指令就不是在程序中紧接着的那条指令了。

由于流水线的作用，指令队列中已经装入了内容，此时就无用了。指令队列会自动消除原有内容，而总线接口部件会接着往指令队列中装入另一个程序段中的指令。8088的指令执行过程2.3.28086的存储器组织8086有20根地址线，因此，具有220＝1M字节的存储器地址空间。这1M字节的内存单元按照00000H～FFFFFH来编址。1．存储器的分段8086存储器操作采用了典型的存储器分段技术，对存储器的寻址操作不是直接用20位的物理地址，而是采用段地址加段内偏移地址的二级寻址方式，即先用16位的段地址经过简单运算（左移4位）得到单元所在段的物理地址，再加上该单元的16位逻辑地址（相对于段首的偏移地址）即可得到该单元的物理地址。1.存储器的逻辑分段对于任何一个物理地址，可以唯一地被包含在一个逻辑段中，也可包含在多个相互重叠的逻辑段中，只要有段地址和段内偏移地址就可以访问到这个物理地址所对应的存储空间。

存储器逻辑段分布举例若已知当前有效的代码段、数据段、附加段和堆栈段的段基址分别为1055H、250AH、8FFBH和EFF0H，那么它们在存储器中的分布情况如图：2.存储器中的逻辑地址和物理地址存储单元的逻辑地址由段基址和偏移地址(也称有效地址EA)两个部分构成，它们都是无符号的16位二进制数。

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