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微机原理与接口技术教案第2章80x86微处理器及其系统结构1/28第2章80x86微处理器

及其系统结构2.18086/8088微处理器2.28086/8088系统组成2.3当代微处理器系统习题例2/288086/8088微处理器◆Intel企业相继推出8086/8088，80286，32位80386，80486，一直到全新Pentium（80586）……这一微处理器系列被称作Intel80x86系列，是当今微机主流机型。◆16位微处理器8086集成了2.9万只晶体管，+5V电源，主频5MHz/10MHz，内/外部数据总线16位，地址总线20位，可寻址空间达1MB（内存寻址1MB，I/O端口寻址64KB）。◆准16位微处理器8088是PC/XT个人计算机微处理器。8088和8086内部结构基本相同，软件也完全兼容。 它们主要区分：8086外部数据总线是16位，8088外部数据总线是8位。3/288086/8088微处理器结构◆8086/8088两个独立工作部件： 执行部件EU（ExecutionUnit） 总线接口部件BIU（BusInterfaceUnit）◆EU=ALU+执行CU+R阵列

负责指令译码和执行◆BIU=指令队列+地址∑+R阵列+总线CU

负责与存放器或者I/O接口传送信息◆BIU和EU采取“流水线式”非同时工作模式，使得总线控制逻辑和指令执行逻辑之间既相互独立又相互配合。4/288086/8088结构示意图

状态标志存放器ALU暂存存放器16执行部件（EU）EU控制器ALU数据总线8AHALBHBLCHCLDHDLSPBPDISIAXBXCXDX外部总线总线接口部件（BIU）16总线控制逻辑指令队列地址加法器20CSDSESSSIP内部通信存放器5/288086/8088存放器15870

AXAHAL 累加器BXBHBL 基址存放器

数据存放器

CXCHCL 计数存放器 （8/16位）DXDHDL 数据存放器 通用存放器

SP 堆栈指针

BP 栈基址指针 指针/变址存放器

SI 源变址存放器 （16位）

DI 目标变址存放器

CS 代码段存放器

SS 堆栈段存放器 段基址存放器

DS 数据段存放器 （16位）

ES 附加段存放器

IP 指令指针 控制存放器

FLAG 标志存放器 （16位）6/28状态标志:ZF 零标志 1=结果为0，0=结果不为0SF 符号标志 1=结果符号位为负，0=结果符号位为正OF溢出标志 1=表示有符号数运算超出（补码）范围CF 进位标志 1=结果有进位，0=结果无进位AF辅助进位标志 （用于十进制数调整指令）PF 奇偶标志 1=结果偶数个1，0=结果奇数个1控制标志：DF 方向标志 （为串操作指令指明偏移址改变方向）IF

中止标志 1=允许外部中止TF 陷井标志 1=处理机进入单步执行方式标志状态存放器

1511109876420OFDFIFTFSFZFAFPFCF7/288086/8088存放器组织

◆8086/8088存放器以字节为单位。字节单元地址码20位，存放器容量为1M字节（1MB），即存放器地址为00000H～0FFFFFH。◆存放器组织是一个分段结构。每段最大可为64KB。◆存放器20位地址码为物理地址，直接使用是逻辑地址。 逻辑地址：段基址（16位2#）:偏移址（16位2#）

物理地址=<段基址>×24+<偏移址>15016位段基址

0000

150+）16位偏移址

20位物理地址比如：逻辑地址1100H：02A0H物理地址1100H×24＋02A0H =11000H＋02A0H=112A0H（DS）=H,（BX）=HDS:BX表示物理地址是2H8/288086/8088总线周期◆8086/8088经过BIU完成一次总线操作，称作一个总线周期。◆一个总线周期由若干个时钟周期（T）组成。◆8086/8088基本总线周期，由T1，T2，T3，T4表示4个时钟周期组成。◆总线读/写操作基本总线周期时序： 在T1状态，输出读/写对象地址； 在T2~T3状态，数据总线传送数据； 在T4状态，表示读/写结束。9/28TW时钟和TI时钟◆TW时钟状态 用基本总线周期读/写操作时，系统“Ready”电路会产生READY信号。当检测到READY无效信号，表示数据传送未完成，在T3之后插入1~n个等候周期TW

。读/写总线周期实际是（4+n）T

。 在基本总线周期中插入TW状态，是快速CPU对慢速存放器或I/O设备一个等候。◆TI时钟状态 当不需要执行总线操作时，插入1~n个空闲周期TI，进入总线空闲状态（空操作）。TI只是指总线操作空闲，CPU内部仍可进行操作。 在两个总线周期之间插入TI状态，是总线接口部件BIU对执行部件EU一个等候。10/288086/8088引脚特征◆8086/8088微处理器能够有两种工作组态（模式），即最小模式（单处理器）和最大模式（多处理器）。◆MN/MX（33引脚）：最小/最大模式选择信号。 MN/MX=1（Vcc），设置为最小模式； MN/MX=0（GND），设置为最大模式。◆8086/8088为40引脚双列直插式组件封装。其中，地址和数据引脚，功效复用；24~31引脚，取决于最小/最大模式不一样，功效复用。◆8086/8088最小模式全部含有三态引脚，在处理器让出总线控制权时展现高阻态（浮空态）。11/288086/8088引脚图GNDA14A13A12A11A10A9A8AD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0NMIINTRCLKGND140239338437536635734833932103111301229132814271526162517241823192221VccA15A16/S3A17/S4A18/S5A19/S6SS0(HIGH)MN/MXRDHOLD（RQ/GT0）HLDA（RQ/GT1）WR（LOCK）IO/M（S2）DT/R（S1）DEN（S0）ALE（QS1）INTA（QS0）TESTREADYRESETGNDAD14AD13AD12AD11AD10AD9AD8AD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0NMIINTRCLKGND14023933843753663573483393210311130122913281427152616251724182319222021VccAD15A16/S3A17/S4A18/S5A19/S6BHE/S7MN/MXRDHOLD（RQ/GT0）HLDA（RQ/GT1）WR（LOCK）M/IO（S2）DT/R（S1）DEN（S0）ALE（QS1）INTA（QS0）TESTREADYRESET8088引脚8086引脚12/288088最小模式引脚CLK：系统时钟（T）信号，输入。RESET：系统复位信号，输入。AD7~AD0

：地址/数据复用线，双向，三态。（8086是AD15~AD0

）A19~A8

：地址线，输出，三态。（8086是A19~A16

）ALE：地址锁存信号，输出，高电平有效。（T1有效）RD、WR：读、写选通信号，输出，低电平有效。（互斥）IO/M：存放器或I/O选通信号，输出。（8086是M/IO

）DEN、DT/R：数据允许、数据收/发信号，输出。（T2~T4有效）READY，TEST：系统控制信号，输入。NMI，INTR，INTA：中止请求和中止响应信号，输入/出。HOLD，HLDA：总线请求、总线允许信号，输入/出。（DMA方式）13/288086/8088读/写操作例◆ MOVAL，[H]；从存放器读一个字节数

EU译码，通知BIU执行一个“存放器读”总线周期；

BIU地址加法器得到20位内存地址码，在T1时刻输出到地址锁存器，进而在AB总线上保持A19~A0地址信号；同时BIU产生相关控制有效信号：M/IO=1，RD=0，WR=1，从存放器取得字节数，经DB总线D7~D0读入BIU，再传送给AL。◆OUT80H，AL ；往接口写（输出）一个字节数 EU译码，通知BIU执行一个“I/O写”总线周期；

BIU把16位I/O地址码在T1时刻输出到地址锁存器，进而在AB总线上保持A15~A0地址信号；同时BIU产生相关控制有效信号：M/IO=0，RD=1，WR=0，AL数据，经DB总线D7~D0写到对应I/O地址接口。14/288086/8088系统结构

8086/8088微机系统组成由最小模式、最大模式不一样，而有所差异。最小/最大模式含有共性特点：

◆MN/MX端接Vcc或GND，决定是最小模式或最大模式。

◆8284A时钟发生器，外接15MHz振荡源，经8284A三分频后，得到5MHz主频送系统时钟端CLK。

◆地址锁存器8282（3片），在T1时锁存地址/数据复用线上A19~A0地址信号。

◆数据驱动/收发器8286（1/2片），当系统所连存放器和外设较多，需要增加数据总线驱动能力时可选取。◆系统组成还必须有半导体存放器RAM和ROM，外部设备I/O接口，中止控制管理部件等组件。15/28最小模式系统组成示意图VCCCLKALEREADYRESETA19~A8AD7~AD08088MN/MXDT/RDEN其它控制总线D7~D08286收发器TOESTB8282锁存器OEA19~A08284A等候状态发生VCC16/28◆最大模式系统（多处理器系统）有两个或两个以上能进行译码和执行指令处理器组成。 系统处理器能够是通用处理器，也能够是专用处理器——协处理器。最惯用协处理器是数值数据处理器（如，8087NDP）和输入/输出处理器（如，8089IOP）。◆最大模式系统有各种组成结构，其共同特征是：全部处理器共享系统总线，共享系统存放器和I/O设备。所以，增加了总线控制器8288和总线裁决器8289，以处理处理器之间协调、通信，多个部件对总线共享，以及对总线请求部件进行判优裁决等问题。◆

8086/8088最大模式系统许多控制信号不再由8086/8088直接发出，而是由总线控制器8288对控制信号进行变换和组合，得到系统各种总线控制信号。8086/8088最大模式组成17/28最大模式系统组成示意图CLKS2~S0READYRESET8086BHEA19~A16AD15~AD0MN/MX其它控制总线D15~D08286收发器TOEA19~A0STB8282锁存器OEBHECLK8288DENDT/RALE控制总线8284A等候状态发生VCC18/28PC/XT微机系统组成例键盘喇叭配置接口8255数据驱动器74LS245地址锁存器74LS373总线控制器8288微处理器8088协处理器8087时钟发生器8284数据总线控制总线地址总线8个PC/XT总线扩展槽存放器RAM/ROM4通道DMA82378级中止控制器82593通道计数器825319/2880x86微处理器技术指标80868088802868038680486Pentium引脚数404068132168296主频5/85/88/1025/3375/100133/200字长161616323232外数据线16816323264外地址线202024323236物理空间1MB1MB16MB4GB4GB64GB虚拟空间1GB64TB64TB64TB高速缓存外置内置8KB内置16KB工作电压5V5V5V5V5/3.3V3.3V20/2880386微处理器特点◆80386是经典第一代CISC（ComplexInstructionSetComputer复合指令集计算机）体系结构32位微处理器。◆80386采取全32位结构。提供32位外部数据、地址总线。可寻址4GB物理存放空间，64TB虚存空间。◆80386按功效划分由6个部件组成：总线接口部件、指令预取部件、指令译码部件、指令执行部件、分段部件和分页部件。◆80386可配置数值协处理器80287、80387，以实现高速数值处理。◆80386含有三种工作方式：实方式、保护方式和虚拟8086方式。21/28

◆80486在Intel微处理器历史上首次采取了RISC（ReducedInstructionSetComputer——精简指令集计算机）技术。

◆80486由8个基本部件组成：总线接口部件、指令预取部件、指令译码部件、执行部件、控制部件、存放管理部件、高速缓存部件和高性能浮点处理部件。

◆80486内部总线有32、64、128位三种。采取了突发总线技术，能够同RAM进行高速数据交换。

◆80486配置了指令和数据共用8KB高速缓冲存放器。

◆80486芯片内设置了一个数值协处理器，直接含有浮点数据处理能力。

◆80486采取了有利于组成多处理器系统硬件结构。80486微处理器特点22/28Pentium微处理器特点

◆Pentium是CRISP（CISC+RISC）体系结构“雏形”32位处理器。

◆Pentium实现了0.8μm集成技术。有3种指令处理部件：RISC型CPU、80386处理部件和浮点处理部件。

◆Pentium采取了超标量流水线设计。增设了动态转移预测机构，能够预测分支程序指令流向。

◆Pentium内部和外部工作频率一致。内部总线32位，外部总线64位，在一个总线周期内可将数据传输量增加一倍。

◆Pentium采取双Cache结构，两级Cache达16KB~24KB，数据宽度为32位。

◆Pentium浮点运算部件在执行过程分为8级流水。Pentium还改进了指令系统微程序算法。23/2832位微处理器存放器◆数据存放器

32位数据存放器：EAX，EBX，ECX，EDX

16位数据存放器：AX，BX，CX，DX

8位数据存放器：AH，AL，BH，BL，CH，CL，DH，DL◆地址存放器

32位内存地址存放器：ESI，EDI，EBP，ESP，EIP

16位内存地址存放器：SI，DI，BP，SP，IP

16位段基址存放器：CS，DS，ES，SS，FS，GS◆控制存放器

32位标志存放器EFLAGS

32位控制存放器CR0~CR4

调试存放器DR0~DR7

测试存放器TR6~TR7。

24/2832位微处理器工作方式◆实地址方式

32位微处理器实地址方式，主要是用于开机后为进入保护方式做准备。◆保护方式 32位微处理器基本工作方式是保护方式。保护方式下微处理器支持多任务运行，进行虚拟存放管理等。◆虚拟8086方式 虚拟8086方式是保护方式下某个任务工作方式，即虚拟8086方式允许在保护方式下运行多个8086程序。25/28习