微机原理第三章

微机原理第三章第1页，共61页，2023年，2月20日，星期六

微处理器是组成微型计算机系统的核心部件，Intel8086微处理器的基本结构和原理体现了一般微处理器的特点，故作为代表来进行讲述。前言第2页，共61页，2023年，2月20日，星期六算术逻辑运算单元ALU－运算器的核心，几乎所有的算术、逻辑运算和移位操作都由它来完成工作寄存器－暂存用于寻址和计算过程的信息微处理器的内部结构一般结构第3页，共61页，2023年，2月20日，星期六控制器－它是CPU的指挥机构，完成指令的读入、寄存、译码和执行I/O控制逻辑－包括CPU中与输入/输出操作有关的逻辑，其作用是处理输入/输出操作微处理器的内部结构一般结构第4页，共61页，2023年，2月20日，星期六算术逻辑运算单元ALU－运算器的核心，几乎所有的算术、逻辑运算和移位操作都由它来完成工作寄存器－暂存用于寻址和计算过程的信息微处理器的内部结构一般结构第5页，共61页，2023年，2月20日，星期六典型CPU内部结构图程序计数器(PC)指令寄存器(IR)指令译码器(ID)控制逻辑部件堆栈指示器(SP)处理机状态字(PSW)I/O控制逻辑地址寄存器…数据寄存器…工作寄存器ALU第6页，共61页，2023年，2月20日，星期六典型CPU内部结构图程序计数器(PC)指令寄存器(IR)指令译码器(ID)控制逻辑部件堆栈指示器(SP)处理机状态字(PSW)I/O控制逻辑地址寄存器…数据寄存器…工作寄存器ALU用于保存下一条要执行的指令的地址第7页，共61页，2023年，2月20日，星期六典型CPU内部结构图程序计数器(PC)指令寄存器(IR)指令译码器(ID)控制逻辑部件堆栈指示器(SP)处理机状态字(PSW)I/O控制逻辑地址寄存器…数据寄存器…工作寄存器ALU保存从存储器中读入的当前要执行的指令第8页，共61页，2023年，2月20日，星期六典型CPU内部结构图程序计数器(PC)指令寄存器(IR)指令译码器(ID)控制逻辑部件堆栈指示器(SP)处理机状态字(PSW)I/O控制逻辑地址寄存器…数据寄存器…工作寄存器ALU对IR中保存的指令进行译码分析第9页，共61页，2023年，2月20日，星期六典型CPU内部结构图程序计数器(PC)指令寄存器(IR)指令译码器(ID)控制逻辑部件堆栈指示器(SP)处理机状态字(PSW)I/O控制逻辑地址寄存器…数据寄存器…工作寄存器ALU用于存放栈顶指针第10页，共61页，2023年，2月20日，星期六典型CPU内部结构图程序计数器(PC)指令寄存器(IR)指令译码器(ID)控制逻辑部件堆栈指示器(SP)处理机状态字(PSW)I/O控制逻辑地址寄存器…数据寄存器…工作寄存器ALU用于暂存处理器当前的状态第11页，共61页，2023年，2月20日，星期六CPU的内部采用单总线，即内部所有单元电路都挂在内部总线上，分时使用总线。该组总线作为信息在CPU内部流通的唯一途径。CPU总线结构单总线结构ALU工作寄存器组控制器I/O控制逻辑单总线结构第12页，共61页，2023年，2月20日，星期六

微处理器的外部就是数量有限的输入输出引脚，即微处理器级总线。微处理器通过微处理器级总线沟通与外部部件和设备之间的联系。微处理器的外部结构第13页，共61页，2023年，2月20日，星期六和存储器之间交换信息和I/O设备之间交换信息为了系统工作而接收和输出必要的信号微处理器级总线的功能微处理器的外部结构第14页，共61页，2023年，2月20日，星期六数据总线(DataBus)－传送信息(指令或数据)地址总线(AddressBus)－指示欲传信息的来源或目的地址控制总线(ControlBus)－管理总线上的活动微处理器级总线的分类微处理器的外部结构第15页，共61页，2023年，2月20日，星期六微处理器数据总线的条数决定CPU和存储器或I/O设备一次能交换数据的位数，是区分微处理器是多少位的依据。如8086CPU是16位微处理器，Z80CPU是8位微处理器。数据总线微处理器的外部结构第16页，共61页，2023年，2月20日，星期六存储器的基本存储单元为字节，每个字节都有唯一的二进制地址码相对应。地址总线的条数即为二进制地址码的位数，它可能表示的不同地址的集合称为地址空间。地址码的位数决定了地址空间的大小。比如8086CPU的地址码共有20位，则地址空间的大小为220，即1MB个字节，地址空间为0~220-1。地址总线微处理器的外部结构第17页，共61页，2023年，2月20日，星期六I/O接口是保证数据、控制与状态信息在CPU和I/O设备之间正常传送的电路I/O接口和CPU之间的通信是利用称为I/O端口的寄存器来完成的一个I/O接口可能包括若干个I/O端口每个I/O端口都有唯一的I/O地址相对应I/O接口微处理器的外部结构第18页，共61页，2023年，2月20日，星期六存储器和I/O端口的组织图CPU地址存储器中的字节0110…接口…I/O端口I/O设备高位决定模块数据线控制线地址线第19页，共61页，2023年，2月20日，星期六

Intel8086CPU属于第三代微处理器，8086CPU有20条地址线，直接寻址能力达1MB。8086CPU具有16条数据总线，内部总线和ALU均有16位，可进行8位和16位操作，是16位微处理器。8086CPU简介微处理器的编程结构第20页，共61页，2023年，2月20日，星期六8086CPU采用全新结构形式，由两个独立单元组成：总线接口单元BIU－BIU的任务是执行总线周期，完成CPU与存储器和I/O设备之间信息的传送执行单元EU－EU的任务是执行指令，进行全部算术逻辑运算，完成偏移地址的计算，向BIU提供指令执行结构的数据和偏移地址，并管理通用寄存器和标志

寄存器。8086功能结构微处理器的编程结构第21页，共61页，2023年，2月20日，星期六8086CPU程序执行过程取指取指取指取指取数据取指等待执行执行执行执行BIUEUEU和BIU进行的操作是并行的，这样大大提高了CPU的利用率，降低了CPU对存储器速度的要求。第22页，共61页，2023年，2月20日，星期六8086CPU内部具有14个16位寄存器，用于提供运算、控制指令执行和对指令及操作数寻址，包括三个部分：通用寄存器组段寄存器组控制寄存器组8086寄存器简介8086CPU的寄存器结构第23页，共61页，2023年，2月20日，星期六8086CPU寄存器结构AH累加器ALBHBLCHCLDLDHSPBPSIDICSDSSSESIPFLAGS基址寄存器计数寄存器数据寄存器堆栈指针基址指针源变址寄存器目的变址寄存器指令指针标志寄存器代码段寄存器数据段寄存器堆栈段寄存器附加段寄存器数据寄存器地址指针和变址寄存器通用寄存器控制寄存器段寄存器组15870第24页，共61页，2023年，2月20日，星期六指令指针IP－相当于程序计数器PC，保存下一条要执行的指令地址标志寄存器FLAG－即处理器状态字PSW寄存器，一共含有9个标志，包括状态标志和控制标志控制寄存器组8086CPU的寄存器结构第25页，共61页，2023年，2月20日，星期六进位标志位CF奇偶标志位PF辅助标志位AF零标志位ZF符号标志位SF溢出标志位OF状态标志位8086CPU的寄存器结构第26页，共61页，2023年，2月20日，星期六方向标志位DF中断允许标志位IF陷阱标志位TF控制标志位8086CPU的寄存器结构第27页，共61页，2023年，2月20日，星期六标志寄存器1514131211109876543210OFDFIFTFSFZFAFPFCF0101010000111001+01000111011010101001101110100011110110第28页，共61页，2023年，2月20日，星期六8086的存储器是以字节为单位组织的。它们具有20条地址线，可寻址的存储器地址空间为220B。每个字节对应一个唯一的地址，地址范围为0~220－1。存储器地址空间8086的存储器组织第29页，共61页，2023年，2月20日，星期六

存储器内两个连续的字节，定义为一个字。字的低字节存放在低地址中，高字节存放在高地址中。字的地址为低字节的地址。各位的编号从0开始。数据存储格式8086的存储器组织15141312111098765432107654321076543210地址=N+1地址=N(高字节)(低字节)字地址第30页，共61页，2023年，2月20日，星期六8086允许字从任何地址开始字的地址为偶地址时，称字的存储是对准的；为奇地址时，则字的存储是未对准的访问对准的字，需要一个总线周期；访问未对准的字，则需要两个总线周期数据存储格式8086的存储器组织第31页，共61页，2023年，2月20日，星期六8086把1MB的存储器空间划分为若干个逻辑段，每段最大为64KB各逻辑段的起始地址的最低4位必须为0段起始地址的高16位称为该段的段地址段内任一个存储单元的地址，可用相对于段起始地址的偏移量来表示，该偏移量称为段内偏移地址，也称为有效地址EA。存储器分段8086的存储器组织第32页，共61页，2023年，2月20日，星期六分段与地址X段起始地址Si有效地址Ai段i……Address(X)=Si+Ai第33页，共61页，2023年，2月20日，星期六物理地址－是存储单元的实际地址编码，由20位二进制地址码组成，是访问存储单元的唯一依据逻辑地址－逻辑地址的格式为段地址：偏移地址物理地址公式－物理地址=段地址×10H＋偏移地址地址相关概念8086的存储器组织第34页，共61页，2023年，2月20日，星期六物理地址的形成16位物理地址例如：存储单元的段地址为0100H，偏移地址为085AH，则物理地址=0100H×10H＋085AH=0185AH16位20位+4位段地址偏移地址第35页，共61页，2023年，2月20日，星期六取指令码，段地址默认来自CS段寄存器堆栈操作，段地址默认来自SS一般数据存取，段地址默认来自DS；BP用作基址寄存器时，段地址默认来自SS字符串操作源地址的段地址默认来自DS，目的地址的段地址默认来自ES信息存取与段寄存器8086的存储器组织第36页，共61页，2023年，2月20日，星期六机器语言指令包含操作码和操作数两部分。规定操作数的方法，即指令中用于说明操作数所在地址的方法称为寻址方式。

8086寻址方式可分类两类：数据寻址方式和转移地址寻址方式。其中数据寻址方式最为常见和丰富。8086的寻址方式第37页，共61页，2023年，2月20日，星期六当数据直接放在指令本身中，这样的数据称为立即数，形成的寻址方式为立即寻址。立即寻址数据寻址方式数据指令例如：MOVAH,5指令中的5为立即数，它的寻址方式为立即寻址。第38页，共61页，2023年，2月20日，星期六当数据存放在寄存器中，形成的寻址方式为寄存器寻址。寄存器寻址数据寻址方式寄存器指令例如：MOVAH,AL指令中的AL为寄存器的名称，它当中存放的数据的寻址方式为寄存器寻址。数据寄存器第39页，共61页，2023年，2月20日，星期六数据存放在存储单元中，段内EA存放在指令中，形成的寻址方式为直接寻址。直接寻址数据寻址方式EA指令例如：MOVAH,[1070H]指令中的1070H为存储单元的有效地址，根据该地址可以找到数据，则AH的内容为A5H，而非1070H。数据存储器1070HA5H……第40页，共61页，2023年，2月20日，星期六数据存放在存储单元中，有效地址存放在寄存器中，形成的寻址方式为寄存器间接寻址。寄存器间接寻址数据寻址方式寄存器指令可存放存储地址的寄存器称为间址寄存器，它可以是BX、SI或DI。EA寄存器数据存储器第41页，共61页，2023年，2月20日，星期六例如：MOVAH,[BX]其中BX的内容为1070H(存储单元地址)，指令执行后，AH的内容为A5H，而非1070H。寄存器间接寻址数据寻址方式1070HA5H……第42页，共61页，2023年，2月20日，星期六数据存放在存储单元中，有效地址是8位或16位的位移量与一个寄存器的内容之和，形成的寻址方式为寄存器间接寻址。寄存器相对寻址数据寻址方式寄存器指令指令中的寄存器可以是BX、BP、SI或DI。地址寄存器数据位移量存储器EA+第43页，共61页，2023年，2月20日，星期六例如：MOVAH,5[BX]其中BX的内容为1070H(存储单元地址)，经过计算后，存储单元的EA为1075H。指令执行后，AH的内容为37H，而非1075H。寄存器相对寻址数据寻址方式1075H37H……第44页，共61页，2023年，2月20日，星期六数据存放在存储单元中，有效地址是基址寄存器和变址寄存器内容之和，形成的寻址方式为基址变址寻址。基址变址寻址数据寻址方式基址寄存器指令指令中的基址寄存器可以是BX或BP，变址寄存器可以是SI或DI。基地址寄存器数据变址寄存器存储器EA+变址值寄存器第45页，共61页，2023年，2月20日，星期六例如：MOVAH,[BX][SI]其中BX的内容为1070H(存储单元地址)，SI的内容为05H，经过计算后，存储单元的EA为1075H。指令执行后，AH的内容为37H，而非1075H。基址变址寻址数据寻址方式1075H37H……第46页，共61页，2023年，2月20日，星期六数据存放在存储单元中，有效地址是基址寄存器和变址寄存器内容之和再加上一个8位或16位的位移量，形成的寻址方式为基址变址相对寻址。基址变址且相对寻址数据寻址方式基址寄存器指令变址值寄存器数据变址寄存器存储器EA+位移量基地址寄存器第47页，共61页，2023年，2月20日，星期六例如：MOVAH,5[BX][SI]其中BX的内容为1070H(存储单元地址)，SI的内容为05H，经过计算后，存储单元的EA为107AH。指令执行后，AH的内容为2BH，而非107AH。基址变址且相对寻址数据寻址方式107AH2BH……第48页，共61页，2023年，2月20日，星期六有些指令码中不包含指明操作数地址的部分，而其操作码本身隐含地指明了操作数地址，这种寻址方式称为隐含寻址。例如：MULBL在这条乘法指令中，只说明了一个操作数BL，而另一个操作数被默认为AL，这是乘法指令自身规定的功能。则AL中存放的数据的寻址方式就为隐含寻址。隐含寻址数据寻址方式第49页，共61页，2023年，2月20日，星期六已知：DS的内容是0300H，SS的内容是0020H，BP的内容是08H，有一个8位的位移量为A0H，现在BP作为基址寄存器，当寻址方式为寄存器相对寻址时，被寻址数据的物理地址是多少？段地址=0020H，偏移地址=08H+A0H=A8H

物理地址=0020H×10H+A8H=002A8H练习1：数据寻址方式第50页，共61页，2023年，2月20日，星期六段内直接寻址－(IP)←指令码中包含的偏移地址段内间接寻址－(IP)←寄存器或存储单元中包含的偏移地址地址的寻址方式第51页，共61页，2023年，2月20日，星期六段间直接寻址－(IP)←指令码中包含的偏移地址－(CS)←指令码中包含的段地址段间间接寻址－(IP)←存储单元前两个字节中包含的偏移地址－(CS)←存储单元前后个字节中包含的段地址地址的寻址方式第52页，共61页，2023年，2月20日，星期六随着微机应用领域的扩大和技术的发展，8086微处理器已经无法满足用户的要求。Intel公司从上个世纪80年代初开始相继推出了80186、80286、80386、8486和Pentium系列高档微处理器，不断将PC推向新的高度。高档微处理器简介第53页，共61页，2023年，2月20日，星期六该芯片比8006和8088都有了飞跃的发展，虽然它仍旧是16位结构，但是在CPU的内部含有13.4万个晶体管，时钟频率由最初的6MHz逐步提高到20MHz。其内部和外部数据总线皆为16位，地址总线24位，可寻址16MB内存。80286的推出是实模式和保护模式CPU的分水岭。80286微处理器80X86系列高档微处理器简介第54页，共61页，2023年，2月20日，星期六80286和8086在目标代码一级完全保持了向上兼容性8086的EU在80286中分成了地址部件AU、指令部件IU和总线部件BU片内具有存储器管理部件MMU和保护机构MMU首次实现虚拟存储器管理功能80286的特点80X86系列高档微处理器简介