微机原理讲稿 (2)

第二章8086/8088微处理器1图2.12.18086／8088CPU的结构8086CPU从功能上可分为两部分，即总线接口部件(businterfaceunit，缩写为BIU)和执行部件EU(executionunit)。8086的内部结构如图2.1所示。2.1.1总线接口部件BIU总线接口部件的功能是负责与存储器、I／O端口传送数据，即BIU管理在存储器中存取程序和数据的实际处理过程。总线接口部件由下列各部分组成：(1)4个段地址寄存器，即CS——16位代码段寄存器；DS——16位数据段寄存器；ES——16位附加段寄存器；SS——16位堆栈段寄存器。(2)16位指令指针寄存器IP。(3)20位的地址加法器。(4)6字节的指令队列。8086／8088的BIU有如下特点：(1)8086的指令队列为6个字节，8088的指令队列为4个字节。不管是8086还是8088，都会在执行指令的同时，从内存中取下一条指令或下几条指令，取来的指令就放在指令队列中。这样，一般情况下，CPU执行完一条指令就可以立即执行下一条指令，而不需要像以往的计算机那样，让CPU轮番进行取指令和执行指令的操作，从而提高了CPU的效率。(2)地址加法器用来产生20位地址。上面已经提到，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，所以需要由一个附加的机构来根据16位寄存器提供的信息计算出20位的物理地址，这个机构就是20位的地址加法器。总线接口部件和执行部件并不是同步工作的，它们是按以下流水线技术原则管理：(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／输出设备，那么，执行部件就会请求总线接口部件，进入总线周期，完成访问内存或者输入／输出端口的操作；如果此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。但有时会遇到这样的情况，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，而总线接口部件往指令队列装入指令时，总是按顺序进行的，这样，指令队列中已经装入的字节就没有用了。遇到这种情况，指令队列中的原有内容被自动消除，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。2.1.2执行部件执行部件(EU)的功能就是负责指令的执行。将指令译码并利用内部的寄存器和ALU对数据进行所需的处理。从结构图4.1中，可见到执行部件由下列部分组成：(1)4个通用寄存器，即AX，BX，CX，DX；(2)4个专用寄存器，即基数指针寄存器BP，堆栈指针寄存器SP，源变址寄存器SI，目的变址寄存器DI；(3)标志寄存器(FR)；(4)算术逻辑部件(ALU)。8086／8088的EU有如下特点：(1)4个通用寄存器既可以作为16位寄存器使用，也可以作为8位寄存器使用。当BX寄存器作为8位寄存器时，分为BH和BL，BH为高8位，BL为低8位。(2)AX寄存器也常称为累加器，8086指令系统中有许多指令都是通过累加器的动作来执行的。当累加器作为16位来使用时，可以进行按字乘操作、按字除操作、按字输入／输出和其他字传送等；当累加器作为8位来使用时，可以实现按字节乘操作、按字节除操作、按字节输入／输出和其他字节传送，以及十进制运算等。(3)加法器是算术逻辑的主要部件，绝大部分指令的执行都由加法器来完成。(4)标志寄存器FR共有16位，其中7位未用，所用的各位含义如下：根据功能，8086的标志可分为两类：状态标志—它是操作在执行后，决定算术逻辑部件ALU处在何种状态，这种状态会影响后面的操作。控制标志—它是人为设置的，指令系统中有专门的指令用于控制标志的设置和清除，每个控制标志都对每一种特定的功能起控制作用。状态标志有6个，即SF，ZF，PF，CF，AF和OF。2.2存储器组织结构8086／8088系统中存储器按字节编址，可寻址的存储器空间为1MB，由于1MB为220，因此每个字节所对应的地址应是20位(二进制数)，这20位的地址称为物理地址。2.2.1存储器的分段20位的物理地址在CPU内部就应有20位的地址寄存器，而机内的寄存器是16位的(16位机)，16位寄存器只能寻址64KB。8086／8088系统中把1M存储空间分成若干个逻辑段，每个逻辑段容量≤64KB，因此1M的存储空间可分成16个逻辑段(0～15)。允许它们在整个存储空间浮动，即段与段之间可以部分重叠、完全重叠、连续排列、断续排列，非常灵活。在整个存储空间中可设置若干个逻辑段，如图2.2所示。图2.2对于任何一个物理地址，可以惟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，如图2.3所示。11图2.312在8086／8088存储空间中，把16字节的存储空间称作一节(paragraph)。为了简化操作，要求各个逻辑段从节的整数边界开始，也就是说段首地址低4位应该是“0”，因此就把段首地址的高16位称为“段基址”，存放在段寄存器DS或CS或SS或ES中，段内的偏移地址存放在IP或SP中。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2.4所示。13图2.4142.2.2存储器中的逻辑地址和物理地址任何一个20位物理地址，也称为绝对地址，都是由两部分组成。采用分段结构的存储器中，任何一个逻辑地址由段基址和偏移地址两个部分构成，它们都是无符号的16位二进制数。任何一个存储单元对应一个20位的物理地址，也可称为绝对地址，它是由逻辑地址变换得来的。当CPU需要访问存储器时，必须完成如下的地址运算：物理地址=段基址×16+偏移地址物理地址的形成如图2.5所示，它是通过CPU的总线接口部件BIU的地址加法器来实现的。15图2.516例如，代码段寄存器CS=2000H，指令指针寄存器存放的是偏移地址IP=2200H，存储器的物理地址为20000H+2200H=22200H。每一个存储单元看成是具有两种类型的地址：物理地址和逻辑地址。物理地址就是实际地址，它具有20位的地址值，并是唯一标识1MB存储空间的某一个字节的地址。逻辑地址由段基址和偏移地址组成。程序以逻辑地址编址，而不是用物理地址。4个段寄存器分别指向4个现行可寻址的分段的起始字节单元。一般指令程序存放在代码段中，段地址来源于代码段寄存器，偏移地址来源于指令指针IP。当涉及到一个堆栈操作时，段地址寄存器为SS，17偏移地址来源于栈指针寄存器SP。当涉及到一个操作数时，则由数据段寄存器DS或附加段寄存器ES作为段寄存器，而偏地址是由16位偏移量得到。16位偏移量可以是指令中的偏移量加上16位地址寄存器的值组成，取决于指令的寻址方式。182.3.18086／8088的引脚信号和功能8086和8088的引脚信号图如图2.8所示。1.AD15～AD0(addressdatabus)地址／数据复用引脚(双向工作)在8088中，A8～A15并不作复用，它们只用来输出地址，称为A8～A15。作为复用引脚，在总线周期的T1状态用来输出要访问的存储器或I／O端口地址。T2～T3状态，对读周期来说，处于浮空状态；对写周期来说，则是传输数据。图2.820在8086系统中，特别要注意，一般常将AD0信号作为低8位数据的选通信号，因为，每当CPU和偶地址单元或偶地址端口交换数据时，在T1状态，AD0引脚传送的地址信号必定为低电平；在其他状态，则用来传送数据。而CPU的传输特性决定了只要是偶地址单元或偶地址端口交换数据，那么，CPU必定通过总线低8位，即AD7～AD0传输数据。可见，如果在总线周期的T1状态，AD0为低电平，实际上就指示了在这一总线周期的其余状态中，CPU将用总线低8位和偶地址单元或偶地址端口交换数据。因此，AD0和下面讲到的BHE类似，可以用来作为接于数据总线低8位上的8位外设接口芯片的选通信号。AD15～AD0在CPU响应中断，以及系统总线“保持响应”时，都被浮置为高阻状态。212.A19／S6～A16/S3(address/status)地址/状态复用引脚(输出)A19/S6～A16/S3在总线周期的T1状态，用来输出地址的最高4位。在总线周期的T2，T3，TW和T4状态时，用来输出状态信息。其中，S6为0，用来指示8086／8088当前与总线相连，所以在T2，T3，TW和T4状态时，8086／8088总是使S6等于0，以表示8086／8088当前连在总线上。S5表明中断允许标志的当前设置，若为1，表示当前允许可屏蔽中断请求；若为0，则禁止一切可屏蔽中断。S4，S3合起来指出当前正在使用哪段寄存器。223.BHE／S7(bushighenable/status)高8位数据总线允许／状态复用引脚(输出)在总线周期的T1状态，8086在BHE／S7引脚输出BHE信号，表示高8位数据总线D15～D8上的数据有效。在T2，T3，TW和T4状态，BHE／S7引脚输出状态信号S7。不过，在当前的芯片(8086，8086-1，8086-2)设计中，S7并未被赋予任何实际意义。在8088系统中，第34脚不是BHE7／S7，而是被赋予另外的信号。在最大模式时，此引脚恒为高电平；在最小模式中，则为SS0，它和DT／R，M／IO一起决定了8088芯片当前总线周期的读／写动作。234.NMI(non-maskableinterrupt)非屏蔽中断引脚(输入)非屏蔽中断信号是一个由低到高的上升沿。这类中断不受中断标志IF的影响，也不能用软件进行屏蔽。每当NMI端进入一个正沿触发信号时，CPU就会在结束当前指令后，进入对应于中断类型号为2的非屏蔽中断处理程序。5.INTR(interruptrequest)可屏蔽中断请求信号引脚(输入)可屏蔽中断请求信号为高电平有效，CPU在执行每条指令的最后一个时钟周期会对INTR信号进行采样，如果CPU中的中断允许标志为1，并且又接收到INTR信号，那么，CPU就会在结束当前指令后，响应中断请求，进入一个中断处理子程序。246.RD(read)读信号引脚(输出)此信号指出将要执行一个对内存或I／O端口的读操作。到底是读取内存单元中的数据还是I／O端口中的数据，这决定于M／IO信号。在一个执行读操作的总线周期中，RD信号在T2，T3和TW状态均为低电平。在系统总线进入“保持响应”期间，RD引脚被浮置为高阻状态。7.CLK(clock)时钟引脚(输入)8086／8088要求时钟信号的占空比为33%，即1／3周期为高电平，2／3周期为低电平。8086／8088的时钟频率要求为5MHz，8086-1的时钟频率为10MHz，8086-2的时钟频率则为8MHz，时钟信号为CPU和总线控制逻辑电路提供定时手段。258.RESET(reset)复位信号引脚(输入)复位信号为高电平有效。8086／8088要求复位信号至少维持4个时钟周期的高电平才有效。复位信号来到后，CPU便结束当前操作，并对处理器标志寄存器、IP，DS，SS，ES及指令队列清零，而将CS设置为FFFFH。当复位信号变为低电平时，CPU从FFFF0H开始执行程序。9.READY(ready)“准备好”信号引脚(输入)“准备好”信号实际上是由所访问的存储器或I／O设备发来的响应信号，高电平有效。“准备好”信号有效时，表示内存或I／O设备准备就绪，马上就可进行一次数据传输。CPU在每个总线周期的T3状态开始对READY信号进行采样。如果检测到READY为26低电平，则在T3状态之后插入等待状态TW，在TW状态，CPU也对READY进行采样，若READY仍为低电平，则会继续插入TW，所以TW可以插入一个或多个。直到READY变为高电平后，才进入T4状态，完成数据传送过程，从而结束当前总线周期。10.TEST(test)测试信号引脚(输入)测试信号为低电平有效。TEST信号是和指令WAIT结合起来使用的，在CPU执行WAIT指令时，CPU处于空转状态进行等待；当8086的TEST信号有效时，等待状态结束，CPU继续往下执行被暂停的指令。2711.MN／MX(minimum／maximummodecontrol)最小／最大模式控制信号引脚(输入)它是最大模式及最小模式的选择控制端。此引脚固定接为+5V时，CPU处于最小模式；如果接地，则CPU处于最大模式。12.GND地和Vcc电源引脚8086／8088均用单一+5V电源。8086／8088CPU的第24脚～第31脚在最大模式和最小模式下有不同的名称和定义。282.3.28086／8088CPU的工作模式为了尽可能适应各种使用场合，在设计8086／8088CPU芯片时，就使得它们可以在两种模式下工作，即最小模式和最大模式。所谓最小模式，就是在系统中只有8086／8088一个微处理器。在这种系统中，所有的总线控制信号都直接由8086／8088产生，因此，系统中的总线控制逻辑电路被减到最少。最大模式是相对最小模式而言，它用在中等规模的或者大型的8086／8088系统中。在此系统中，包含两个或多个微处理器，其中一个主处理器就是8086／8088，其他的处理器称为协处理器，它们是协助主处理器工作的。和8086／8088配合的协处理器有两个，一个是数值运算协处理器8087，一个是输入／输出协处理器8089。8087是一种专用于数值运算的处理器，它能实现多种类型的数值操作。例如，高精度的整数和浮点运算，也可以进行超越函数(如：三角函数、对数函数)的计算。由于在通常情况下，这些运算往往通过软件方法来实现，而8087是用硬件方法来完成这些运算的，所以在系统中加入协处理器8087之后，会提高系统的数值运算速度。8089在原理上有点儿像带有两个DMA通道的处理器。它有一套专门用于输入／输出操作的指令系统，但8089又和DMA的控制器不同，它可以直接为输入／输出设备服务，使8086／8088不再承担这类工作。所以在系统中增加协处理器8089后，会提高主处理器的效率，尤其是在输入输出频繁的场合。8086／8088的工作模式完全是由硬件决定的。302.3.3最小工作模式当8086／8088的第33脚MN／MX固定接到+5V时，就处于最小工作模式，最小模式下第24脚～第31脚的信号含义如下：1.INTA(interruptacknowledge)中断响应信号(输出)在最小模式下，第24脚作为中断响应信号的输出端，用来对外设的中断请求作出响应。对于8086／8088来讲，INTA信号实际上是位于连续周期中的两个负脉冲，在每个总线周期的T2，T3和TW状态，INTA端为低电平。第1个负脉冲通知外部设备的接口，它发出的中断请求已经得到允许；外设接口收到第2个负脉冲后，往数据总线上放中断类型码，从而CPU便得到了有关此中断请求的详尽信息。2.ALE(addresslatchenable)地址锁存允许信号(输出)第25脚在最小模式下为地址锁存允许信号输出端，这是8086／8088提供给地址锁存器8282／8283的控制信号，高电平有效。在任何一个总线周期的T1状态，ALE输出有效电平，以表示当前在地址／数据复用总线上输出的是地址信息，地址锁存器将ALE作为锁存信号，对地址进行锁存。要注意ALE端不能被浮空。3.DEN(dataenable)数据允许信号第26脚在最小模式下作为数据允许信号输出端。在用8286／8287作为数据总线收发器时，DEN为收发器提供了一个控制信号，表示CPU当前准备发送或接受一个数据。总线收发器将DEN作为输出允许信号。32DEN信号的电平输出情况如下：在每个存储器访问周期和I／O访问周期为低电平，即有效电平；在中断响应周期，也为有效电平。不过，如果是读周期或者是中断响应周期，DEN在T2状态的中间开始有效，并且一直保持到T4状态的中间。在DMA方式时，DEN被浮置为高阻状态。4.DT／R(datatransmit／receive)数据收发(输出)在使用8286／8287作为数据总线收发器时，DT／R信号用来控制8286／8287的数据传送方向。如果DT／R为高电平，则进行数据发送；如果DT／R为低电平，则进行数据接收。在DMA方式时，DT／R被浮置为高阻状态。335.M／IO(memory/inputandoutput)存储器／输入／输出控制信号(输出)此信号若为高电平，表示CPU和存储器之间进行数据传输；若为低电平，表示CPU和输入／输出设备之间进行数据传输。一般在前一个总线周期的T4状态，M／IO就成为有效电平，然后开始一个新的总线周期。在此周期中，M／IO一直保持有效电平，直到本周期的T4状态为止。在DMA方式时，M／IO被浮置为高阻状态。6.WR(write)写信号(输出)此信号为低电平有效。WR有效时，表示CPU当前正在进行存储器或I／O写操作，具体到底为哪种写操作，则由M／IO信号决定。对任何写周期，WR只在T2，T3，TW期间有效。在DMA方式时，WR被浮置为高阻状态。347.HOLD(holdrequest)总线保持请求信号(输入)当系统中CPU之外的另一个主模块要求占用总线时，就在当前总线周期完成时，于T4状态从HLDA引脚发出一个回答信号，对刚才的HOLD请求作出响应。同时，CPU使地址／数据总线和控制状态线处于浮空状态。总线请求部件收到HLDA信号后，就获得了总线控制权，在此后一段时间，HOLD和HLDA都保持高电平。在总线占有部件用完总线之后，会把HOLD信号变为低电平，这样，CPU又获得了地址／数据总线和控制状态线的占有权。8.HLDA(holdacknowledge)总线保持响应信号(输出)此信号为高电平有效。当HLDA有效时，表示CPU对其他主部件的总线请求作出响应，与此同时，所有与三态门相接的CPU的引脚呈现高阻抗，从而让出了总线。35在最小模式下，8088和8086的第34脚的信号定义不同。对8086来说，第34脚为BHE／S7，由于S7未被赋予实际意义，所以，此引脚就是用来提供高8位数据总线允许信号。对8088来说，对外只有8位数据总线，没有高8位数据总线，因而也不需要BHE信号。所以，第34脚不再是BHE／S7，而叫SS0。SS0，M／IO(在8088中，第28脚上不是M／IO，而是／IO)和DT／R组合起来，决定了当前总线周期的操作。关于无源状态的含义要在“4.3.3最大工作模式”时再作说明。除了各引脚的信号名称和含义以外，我们还要了解最小模式下系统是怎样配置的。即除了CPU外，还需要哪些芯片来构成一个按照最小模式工作的系统?这些芯片和CPU之间的主要连接关系是什么样的?36图2.15是8086在最小模式下的典型配置。由图可看到，在8086的最小模式中，硬件包括：1片8284A，作为时钟发生器；3片8282或74LS373，用来作为地址锁存器；当系统中所连的存储器和外设较多时，需要增加数据总线的驱动能力，这时，要用两片8286／8287作为总线收发器。37图2.1538在总线周期的前一部分时间，CPU总是送出地址信号，为了告诉地址已经准备好，可以被锁存，CPU此时会送出高电平的ALE信号，所以，ALE就是允许锁存的信号。除了地址信号外，BHE信号也需要锁存。在后面的时序图上，将看到地址／数据总线是复用的，而BHE和S7(在当前芯片设计中，S7未被赋予意义)也是复用的，所以在总线周期前一部分时间中输出的是地址信号和BHE信号。在总线周期的后一部分时间中改变了含义，因为有了锁存器对地址和BHE进行锁存，所以在总线周期的后半部分，地址和数据同时出现在系统的地址总线和数据总线上；同样，此时BHE也在锁存器输出端呈现有效电平，于是，确保了CPU对锁存器和I／O设备的正常读／写操作。398282是典型的锁存器芯片，不过它是8位的，而8086／8088系统采用20位地址，加上BHE信号，所以，需要3片8282作为地址锁存器。74LS373也可作为地址锁存器，用法与8282相同。对于有些只配备64KB内存的小系统，只用16位地址就够了，如果CPU又采用8088，这样，就不存在BHE信号。所以，此时只需两片8282做锁存器。下面以8282为例简要讲述一下锁存器的信号连接，具体连线图如图所示。40418282的选通信号输入端STB和CPU的ALE端相连。以第1个锁存器为例，8282的DI7～DI0接CPU的AD7～AD0，8282的输出DO7～DO0就是系统地址总线的低8位。OE为输出允许信号，当OE为低电平时，8282的输出信号DO7～DO0有效；而当OE为高电平时，DO7～DO0变为高阻抗。在不带DMA控制器的8086／8088单处理器系统中，将OE接地就行了。如果用74LS373作为锁存器，使用方法和8282几乎一样。只是在74LS373中，芯片选通信号不用STB表示，而用LE表示，这实际上更符合锁存功能的含义。当一个系统中所含的外设接口较多时，数据总线上需要有发送器和接收器来增加驱动能力。发送器和接收器简称为收发器，也常常称为总线驱动器。42Intel系统芯片的典型收发器为8286，是8位的。所以，在数据总线为8位的8088系统中，只用1片8286就可以构成数据总线收发器，而在数据总线为16位的8086系统中，则要用两片8286。从图4.10中，可以看到8286具有两组对称的数据引线：A7～A0为输入数据线，B7～B0为输出数据线。当然，由于在收发器中数据是双向传输的，所以，实际上输入线和输出线也可以交换。用T表示的引脚信号就是用来控制数据传输方向的。当T=1时，就使A7～A0为输入线，B7～B0为输出线；当T=0时，则使B7～B0为输入线。在系统中，T端和CPU和DT／R端相连，DT／R为数据收发信号。当CPU进行数据输出时，DT／R为高电平，于是数据流由A7～A0输入，从B7～B0输出。当CPU进行数据输入时，DT／R为低电平，于是数据流由B7～B0输入，而从A7～A0输出。43OE是输出允许信号，此信号决定了是否允许数据通过8286。当OE=1时，数据在两个方向上都不能传输。只有当OE=0时，并且T也为1，才使数据从A7～A0流向B7～B0；同样，只有当OE=0时，并且T也为0，才使数据从B7～B0流向A7～A0。在8086／8088系统中，OE端和CPU的DEN端相连，在介绍引脚信号时，我们讲过，在CPU的存储器访问周期和I／O访问周期中，DEN为低电平，在中断响应周期，DEN也为低电平。正是在这些总线周期中，需要8286开启，以允许数据通过，从而完成了CPU和其他部件之间的数据传输。4445最小模式系统中，信号M／IO，RD和WR组合起来决定了系统中数据传输的方式。在8086最小模式典型配置中，除上述8282及8286外，还有一个时钟发生器8284A。它与CPU的连接如图2.15所示。8284A的功能有3个：产生恒定的时钟信号，对准备信号(READY)及复位信号(RESET)进行同步。由图2.15可见，外界控制信号RDY及RES信号可以在任何时候到来，8284A能把它们同步在时钟后沿(下降沿)时输出READY及RESET信号到8086CPU。462.3.4最大工作模式8086／8088CPU为实现多处理器控制系统(多主控系统)就要增设总线控制器8288和总线仲裁器8289。最大工作模式的典型配置如图4.12所示。这时，8086／8088的MN／MX引脚接地。图4.1248最大工作模式时，8086／8088的第24～31引脚的信号含义如下：1.QS1和QS0(instructionqueuestatus)指令队列状态信号(输出)在最大工作模式时，第24引脚及第25引脚作为QS1及QS0信号输出端，这两个信号提供总线周期的前一个状态中指令队列的状态。2.S2，S1及S0(buscyclestatus)总线周期状态信号(输出)在最大工作模式时，第26引脚，第27引脚及第28引脚为S0，S1及S2信号输出端。它们提供当前总线周期中所进行的数据传输过程类型。由总线控制器8288根据这些信号对存储器及I／O进行控制。49总线周期状态(S2，S1及S0)中至少应有一个状态为低电平，便可进行一种总线操作。当S2，S1及S0都为高电平时表明操作过程即将结束，而另一个新的总线周期尚未开始，这时称为“无源状态”。而在总线周期的最后一个状态(即T4状态)，S2，S1及S0中只要有一个信号改变，就表明是下一个新的总线周期开始。3.LOCK(lock)总线封锁信号(输出)在最大工作模式时，第29引脚为总线封锁信号输出端。当LOCK为低电平时，其它总线主控部件都不能占用总线。在DMA期间，LOCK端被浮空而处于高阻状态。LOCK信号由指令前缀LOCK产生，在LOCK前缀后的一条指令执行完后，便撤销LOCK信号，为防止8086／8088中断时总线被其他主控部件所占用，