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文档简介
第4章16位微处理器
如果你喜欢它,那么享受它。不喜
欢,那么避开它。避不开,那么改
变它。改不了,那么接受它。改变
2010-10-24观念,你就能接受它喜欢就收藏
本章教学目的
本章以16位微处理器8086/8088为中心,讲解微处理
器的内部结构、地址形成、内部寄存器、工作模式、总
线时序、总线操作等主要内容
使学生在掌握8086CPU的基础上,进一步理解微处理
器的工作原理以及与外部打交道的过程,为后面学习接
口技术做准备。
如果你喜欢它,那么享受它。不喜
欢,那么避开它。避不开,那么改
变它。改不了,那么接受它。改变
2010-10-24观念,你就能接受它喜欢就收藏
本章学习要求
,掌握
□掌握CPU的内部逻辑结构及外部引脚功能,存储器结构,最小
工作模式及系统配置,CPU的典型操作和时序。
□CPU的内部逻辑结构。
□CPU的主要寄存器。标志寄存器各位的功能定义。
□CPU的外部引脚类型,主要引脚功能。微机中存储器组成结构,
存储器的分段,逻辑地址与物理地址概念,存储器堆栈的结构
特点。
□CPU与外围芯片的连接及典型配置情况,地址锁存器(8282)
及双向总线收发器(8286)、时钟发生器(8284)的功能特
性。
□时钟周期、总线周期及指令周期的定义,CPU读、写操作时序。
□8086CPU的中断的分类、中断类型码、中断向量的定义、硬
件中断的响应过禾早朋果你喜欢它,那么享受它。不喜
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2010-10-24观念,你就能接受它喜欢就收藏二■一/
2.理解
□最大工作模式;8286总线收发器;8282地
址锁存器。
3.了解
□最大工作模式的配置,最大工作模式的总线
操作。
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变它。改不了,那么接受它。改变
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本章主要外语词汇
Bill:BusInterfaceUnit,总线接口部件
EU:ExecutionUnit,执行部件
Stack:堆栈
NMI:Non-maskableInterupt,非屏蔽中断
INTR:InteruptRequest,可屏蔽中断请求
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主要内容
•16位微处理器概述
・8086/8088CPU的结构
•8086/8088CPU的弓I脚信号和工作模式
・8086/8088的主要操作功能
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欢,那么避开它。避不开,那么改
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.4.116位微处理器概述
^rl^billl(microprocessor)
■微处理器(microprocessor)是微型计算机的运算及控制部件,也称
中央处理单元(CPU)。它本身不构成独立的工作系统,因而它也
不能独立地执行程序。
■CPU功能:指令控制;操作控制;时序控制;数据加工
■8086概况:
■1979年推出,第一代超大规模集成电路(VLSI)微处理器,采用
HMOS工艺制造,内含2.9万晶体管
■数据总线宽度16位,地址总线宽度20位;可直接寻址空间220=1M
字节单元;16位数据总线与地址总线复用
■采用单一的+5V电源,一相时钟,时钟频率为
5MHz(8086),10MHz(8086-1),8MHz(8086-2)
•那耐旨令,指令长度my旨越助隔间为。“us(平均
Ubus;欢,那么避开它。避不开,那么改
变它。改不了,那么接受它。改变
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4.28086/8088CPU的结构
8086与8088的比较
-8086为16位机(数据总线16位)
-8088为准工6位机,数据总线内部16位,外部8位
-8086是16位数据总线,而8088是8位数据总线,在
处理一个16位数据字时,8088需要两步操作而8086
只需要一步。
8086和8088CPU的内部都采用16位字进行操作及
存储器寻址,两者的软件完全兼容,程序的执行也
完全相同。然而,由于8088要比8086有较多的外部
存取操作,所以,对相同的程序,它将执行得较慢。
如果你喜欢它,那么享受它。不喜
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变它。改不了,那么接受它。改变
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8086的内部结构
AHAL1、EU(ExecutionUnit
1)、功能:负责指令执
行。
2、总线接口单元BIU接受从总线接口单元的指令队列
(BusInterfaceUnit)中取来的指令代码,其译码和向
1)功能:负责与M、I/O端EU内各有关部分发出时序命令
口人送数据。具体讲:
信号,协调执行指令规定的操作。外
总线接口部件要从内存取部
总
指令送到指令队列;线
CPU执行指令时,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EU;
或把执行部件的操作结果
传给指定的M或I/O口。
2010-10-24
欢,那么避开它。避不开,那么改
421执行部件
1执行部件EU
■负责指令的执行,它从指令流队列去除指令,然后分析和执行指
令。同时利用内部的寄存器和ALU对数据进行所需的处理,还要
负责计算操作数的16位偏移地址。
•EU的组成
■4个通用寄存器,即AX,BX,CX,DX;
-4个专用寄存器,
■SI(SourceIndex):源变址寄存器
■DI(DestinationIndex):目的变址寄存器
■BP(BasePointer):基址指针
■SP(StackPoint):堆栈指针
■标志寄存器(FR),微处理器状态字(ProcessorStateWord,PSW)
■算术逻辑部件(ALU黑你喜欢它,那么享受它。不喜
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422总线接口部件Bill
•总线接口部件BIU的功能
根据EU计算出的16位偏移地址及16位段地址计算出20位物理
地址,并根据EU请求采用计算出的20位物理地址读/写寄存器,
也可根据EU请求读/写I/O设备,完成与存储器、I/O端口之
间传送数据。
•主要组成'4个段地址寄存器,即
2・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。
■16位指令指针寄存器IP。
■20位的地址加法器。
■6字节的楷令撅筋U那么享受它。不喜
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总线接口部件BIU
•指令队列
■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。
•地址加法器用
■地址加法器用来产生20位地址。8086可用20位地址寻址:LM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。
-假设CS=0FE00H,IP=0400H,止匕时指令的物理地址为0FE400H。
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EU部件与Bill部件
•EU和BIU之间是通过指令流队列相互联系的
•EU和BIU的联系上的不同步性:
-指令队列空余时的填充
■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。
-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。
■在执行转移指令、调用指令和返回指令时,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。
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8086的寄存器结构
数据寄存器
通
用
寄
存
地址指针寄存器器
变址寄存器
控制寄存器
,那么享受良价每器
它。避不开,那么改
,那么接匣它。改变
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1、通用寄存器
(1)数据寄存器AX、BX、CX、DX作为通用寄存器。
•功能用来暂存计算过程中所用到的操作数,结果或其它信息。
•访问形式:可以按字(16位)或字节(8位)形式访问
高8位记作:AH、BH、CH、DHo
低8位记作:AL、BL、CL、DLO
•AX累加器
・功能它是算术运算的主要寄存器,
所有I/O指令都使用这一寄存器与外部设备交换数据
•实例:MOVBX,AX
INAL,20H
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•BX-基址寄存器
・功能:在计算内存储器地址时,经常用来存放基址。
•实例:MOVAX,[BX+03H]
•CX—可以作计数寄存器使用
•功能:在循环LOOP指令和串处理指令中用作隐含计数器。
•实例:MOVCX,8
AGAIN:.......
LOOPAGAIN;CX-1f(CX),结果wO转AGAIN
•DX可以作为数据寄存器使用。
•一般在双字长乘除法运算时,把DX和AX组合在一起存放一个双字
长(32位)数,DX用来存放高16位
•对某些I/O操作DX可用来存放I/O的端口地址(口地址>256)
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(2)地址指针与变址寄存器:SP、BP、SI>DI
■以字为单位在运算过程中存放操作数
■经常用以在段内寻址时提供偏移地址,本身不能形成独立
的地址码。
亲SP(stackpointer-------堆栈指针寄存器
>用来指示当前堆栈栈顶的偏移地址,必须与SS段寄存器联合使
用确定实际地址。
<BP(basepointer)------基址指针寄存器
A可以与SS寄存器联合使用来确定堆栈段中某一存储器单元地址,
在某些间接寻址中,用来存放堆栈段内偏移地址。
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补充:堆栈(STACK)
■堆栈:是按后进先出原则组织的一片存储区域,
用来暂存一批需要回避的数据或地址。
■用途:暂存数据、断点信息或传送信息
■存取原则:“后进先出”
■堆栈段的最大深度:64KB
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亦在能不了那乃卑国立加亦
•堆栈的构造
1.栈底:一端固定,具有最大地址的
单元(数据由此向上堆积)
[ssl-
2.栈顶:
一端浮动,指向最后被压入堆栈
的数据所在存储单元(栈顶的位画一堆
置随堆栈中存放数据多少而变化)栈
段
3.堆栈指针:To
XX
用来指示当前栈顶的位置。(压
入的数据放入哪个单元或从那个
■
单元弹出数据均由SP决定Botto)
初始/
SP
9
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•8086堆栈的组织
•堆栈段:由SS存放堆栈段段基值以决定其起始地址
•堆栈段的长度:
该片存储区域所包含存储单元数,其值有由初
始时SP的值决定(指向栈底+1单元)
数据在堆栈段内的存放
堆栈是按字组织的,数据的存取均为2字节操作
•堆栈区域的扩展:
如64KB的堆栈段不能满足需要,可01954H
通过修改SS来改变当前的堆栈段,01955H
使之指向另一片存储区域,同时SP
重新赋值
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亦令M■不了玻力坟匹令M赤
堆栈的三种基本操作
1、设置堆栈
SS、SP赋值(段的起始位置及长度)
2、进栈把数据压入堆栈,在栈顶进行
SP-2fsp;栈顶向上浮动
数据一(SS:SP)
3、出栈从栈顶取出数据送入R/M
(SS:SP)-R/M
SP+2-SP数据;栈顶向下回落
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•SP和BP在使用上有区别:
•执行堆栈指令PUSH和POP时,指令地址是由SP给出当
前栈顶的偏移地址,故将SP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,故将BP称做基址指针寄存器。
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变址寄存器(SI、DI)
SI------SourceIndexRegister源变址寄存器。
哀
DI------DestinationIndex目的变址寄存器。
■使用场合:常用于变址寻址方式中的地址运算
>一般与DS联用,用来确定数据段中某一存储单元的地址
例:MOVAX,[SI]
>SI,DI具有自动增量和自动减量功能.
>在数据串操作中,SI与DS联用,DI与ES联用
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2、段寄存器
段寄存器:4个16位段寄存器CS、DS、SS、ESo
用来识别当前可寻址的四个段,不可互换的使用。
CS------CodeSegmentRegister代码段寄存器
用来识别当前代码段(程序一般放在代码段)。
DS-----DataSegmentRegister数据段寄存器
用来识别当前数据段寄存器。
SS------StackSegmentRegisteri主栈段寄存器,
用来识别当前堆栈段。
ES-----ExtraSegmentRegister附力口段寄存器,
用来识别当前附加段。
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3、控制寄存器:IP、FLAG
IP一InstructionPointer指令指针寄存器
・用来存储代码段中的偏移地址;
•程序运行过程中IP始终指向下一次要取出的指令偏移地址
•IP要与CS寄存器相配合才能形成真正的物理地址。
151098765420
0FDFIFTFSFZFAFPFCF
标志寄存器
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口状态标志:
•用来记录程序中运行结果的状态信息作为后续条
件转移指令的转移控制条件,也称为状态标志。
♦状态标志共包括6位:
CF、PF、AF、ZF、SF、OFo
□控制标志:
♦对控制标志位进行设置后,对其后的操作起控制作用。
♦控制标志位包括3位:TF、IF、DF
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4.2.3存储器结构
8086/8088CPU能寻址1M字节的存储单元,以8位
为一个字节的顺序排列存放
每一个字节用一个唯一的地址码标示
地址码为一个不带符号的整数表示,范围从0到22。・1,习惯用
十六进制表示,即OOOOOH~FFFFFH。将存储器空间按照
字节地址号顺序排列的方式称作“字节编址”。
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十六进制地址二进制地址存储器
00000H0000,0000,0000,0000,0000B
00001H0000,0000,0000,0000,0001B
00002H0000,0000,0000,0000,0002B
।1
1
1Jc
।1
11
FFFFDH1111,1111,1111,111bH01B
FFFFEM1111,1111,1111,1111,1U0B
FFFFFHmi,mi,mi,mi,HUB
存储器空间的字节编址
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20位地址的形成
16位寄存器II20位地址
地址加法器
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1.存储器的分段
■每段最长可达64K字节
00000
=64K字节
■各段起始地址能被16整除。0FFFF。段
(低4位为0)10000
1段=64K字节
■各段之间可分开、部分或完全1FFFFa16个
重叠、可首尾相接。逻辑段
-根据各段的用途将其定义为CS、
DS、ES、SS段。并用偏移地F0000
=64K字节J
址(距段起址的字节距离)表15段
FFFFF
示被访问单元。
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存储器结构(续)
00000
逻辑段1起点A逻辑段1
“<64KB
逻辑段2起点逻辑段2
►^64KB
逻辑段3起点]逻辑段3
|<64KB
逻辑段4,5起点)逻辑段4,5
JW64KB
FFFFF
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・存储器结构(续)
七&址
■每一个段首地址的低4位是“0”
■段首地址的高工6位称为“段基址”,也称段地址
■段地址一般存放在段寄存器DS,CS,SS,ES
■偏移地址
■每一个段的容量:64KB(OOOOH^FFFFH)
■偏移地址是指一个段内的存储空间相对于段基地址的偏移
■段内偏移地址一般存放在IP,SP
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2.存储器中的逻辑地址和物理地址
■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。
逻辑地址的表示:段地址:偏移地址
.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:
物理地址二段地址X16+偏移地址
>物理地址是唯一的
>对应于同一物理地址,可以有不同的逻辑地址
>要分清段内偏移地址的来源,及其相匹配的段地址
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亦令M■不了玻力坟号令M赤
-例:已知某存储单元所在的段地址为0AC08H,偏移
地址为2596H,试求出该单元所在的物理地址?
■已知某单元的物理地址为21000H,试求该单元所对
应的逻辑地址?
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段基址
2000H/20000H、
逻
辑段内偏移地址
地5F62H
址25F60H
25F61H
25F62H
25F63H
7
逻辑地址跖物理地她受它。不喜
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已知CS、DS、SS
代码段
和SS分别为1055H,
250AH,8FFBH和
数据段
EFFOH,试分析它
们在存储器中的分附加段
布情况。
堆栈段
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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:
-是实际地址,它具有20位的地址值,并是惟一标识
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。
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■4个段寄存器分别指向4个分段的起始字节单元
-指令程序一般存放在代码段(CS)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,即
指令程序的物理地址二(CS)*16+(IP)
-进行堆栈操作时,段地址寄存器为SS,偏移地址来源于栈指针寄存
器SP,即
堆栈地址二(SS)*16+(SP)
-对于操作数,则由数据段寄存器DS或附加段寄存器ES作为段寄存器,
而偏地址取决于指令的寻址方式。
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例,在8086CPU中,设某段寄存器的内容为lOOOH,
试确定由该段寄存器所决定的内存段的起始地址和终
止地址
解:lOOOOH/vlFFFFH
■在8086CPU中,CS寄存器和IP寄存器的内容分别如
下,试确定由CS和IP指定的内存指令地址
(1)CS=1OOOHIP=2000H
(2)CS=1234HIP=ABCDH
解:1)1000H*16+2000H=12000H
2)1234H*环扇线QW刃版DH
欢,那么避开它。避不开,那么改
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]按信息的分段存储和分段寻址
-在存储器中存储的信息可以分为程序指令、数据、和
计算机系统的状态等信息,为了寻址和操作的方便,
存储器的空间可按信息特征进行分段存储。
■一般将存储器划分为程序区、数据区、和堆栈区。
■程序区中存储程序的指令代码
■数据区中存储原始数据、中间结果和最后结果
■堆栈区存储压入堆栈的数据和状态信息
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-8086/8088CPU中通常按照信息特征来区分段寄存
器的作用,如:
-代码段寄存器CS存储程序存储器区的段地址;
-数据段寄存器DS和附加段寄存器ES存储源和目的数据区段的
段地址;
■堆栈段寄存器SS存储堆栈区的段地址
■8086/8088中设置四个段寄存器的目的除了可以扩充寻址
的范围以外,还便于存储器的读/写操作
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■^^1、对程序区的访问
■为程序单独划开的存储器区指令指针IP
称为程序存储区。
cs代码段寄存器
-在执行程序时CS指定程序的
左移4位
段地址,IP作为程序段内的地址加法器
偏移量来控制取指令的地址。程序区
-当前取指令的物理地址=代20位当前指令物理地址
码段寄存器CS的内容左移四
位加上指令指针IP的内容。
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2010-10-24观念,你就能接受它喜欢就收藏43
2、堆栈区的操作
■不同的任务程序区往往要求有
对应的堆栈区,以便在执行程
序时进行各自的堆栈操作。
-程序更新时,堆栈区也随之
更新,这就需要指定堆栈段
寄存器SS。
■堆栈操作所指的物理地址=
堆栈段寄存器内容左移四位
后加上堆栈指针的内容
如果你喜欢它,那么享受它。不喜
欢,那么避开它。避不开,那么改
变它。改不了,那么接受它。改变
2010-10-24观念,你就能接受它喜欢就收藏44
3、数据区
有效地址EA或BX
■不同任务的程序一般有与之对应
的数据区,在执行指令时对区内
的数据进行操作,需要设置数据
段寄存器DS
■实际操作的物理地址=数据段寄
存器的内容左移四位,加上基地
址寄存器BX或通过寻址获得的有
效地址EA。
如果你喜欢它,那么享受它。不喜
欢,那么避开它。避不开,那么改
变它。改不了,那么接受它。改变
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4、字符串操作
■字符串操作时,一般是对存储器源变址寄存器si
中的两个数据块进行传送,需要、一
在一条指令中同时指定源和目的I数据寄存器DS
两个数据区。///〃〃/
地址加法器
■需要分别使用数据段寄存器DS和
附加段寄存器ES分别指定源数据
和目的数据区的段地址,用SI和
DI变址寄存器指明段内偏移量。
如果你喜欢它,那么享受它。不喜
欢,那么避开它。避不开,那么改
变它。改不了,那么接受它。改变
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■访问存储器时使用的段地址寄存器和偏移地址寄存器
-表中所示的访问存储器时所使用的段地址可以由指令中隐含的段寄
存器提供,也可以由“可更换的段寄存器”提供。
-段寄存器DS、SS、ES的内容可以通过传送类指令置入或者进行变
更,但代码段寄存器不同,它的内容是当前程序指令字节地址的一
部分,只能通过JMP、CALL、RET、INT和IRET等指令来改变。
-段内偏移地址的来源除IP、SP、SI和DI外,还可以由寻址方式求
得的EA确定
2010-10-24如果你喜欢它,那么享受它。不喜47
欢,那么避开它。避不开,那么改
亦令M■不了玻力坟号令M赤
访问存储器类型隐含的可“段更换”段内偏移地址来源
段地址的段地址
取指令码CS无IP
堆栈操作SS无SP
字符串操作源地址DSCS,ES,SSSI
字符串操作目的地址ES无DI
BP用作基址寄存器时SSCS,DS,ES由指令寻址方式求得有效地址EA
一般数据存取DSCS,ES,SS由指令寻址方式求得有效地址EA
2010-10-24如果你喜欢它,那么享受它。不喜48
欢,那么避开它。避不开,那么改
亦令M■不了玻力坟号令M亦
、4.28086的总线周期
■时序(Timing):
■是指信号高低电平(有效或无效)变化及相互
间的时间顺序关系。
■总线时序描述CPU引脚如何实现总线操作
■CPU时序决定系统各部件间的同步和定时
什么是总线操还>
如果你喜欢它,那么享受它。不喜
欢,那么避开它。避不开,那么改
变它。改不了,那么接受它。改变
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■总线操作是指CPU通过总线对外的各种操作
■8088的总线操作主要有:
■存储器读、I/O读操作
■存储器写、I/O写操作
■中断响应操作
■总线请求及响应操作
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欢,那么避开它。避不开,那么改
变它。改不了,那么接受它。改变
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■描述总线操作的微处理器时序有三级:
■指令周期二>总线周期匚>时钟周期
什么是指令、总线和时钟周期?
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欢,那么避开它。避不开,那么改
变它。改不了,那么接受它。改变
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■指令周期是指一条指令经取指、译码、读写操作数到执行完成
的过程。若干总线周期组成一个指令周期
■总线周期是指CPU通过总线操作与外部(存储器或I/O端口)
进行一次数据交换的过程
■8088的基本总线周期需要4个时钟周期
-4个时钟周期编号为TrT2、T3和T4
■总线周期中的时钟周期也被称作“T状态”
-时钟周期的时间长度就是时钟频率的倒数
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1〜2个若干个
1ITwTwTwn-4Tj储
_01_0_01_0_01_0_01_0
总线周期总线周期
♦基本总线周期由4个T状态组成:TvT2、T3、T4
♦等待时钟周期Tw,在总线周期的T3和T4之间插入
♦空闲时钟周期Ti,在厢忠娥周期息间摘入
欢,那么避开它。避不开,那么改
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何时有总线周期?__________________
■任何指令的取指阶段都需要存储器读总线周期,读
取的内容是指令代码
■任何一条以存储单元为源操作数的指令都将引起存
储器读总线周期,任何一条以存储单元为目的操作
数的指令都将引起存储器写总线周期
■只有执行IN指令才出现I/O读总线周期,执行OUT
指令才出现I/O写总线周期
■CPU响应可屏蔽中断时生成中断响应总线周期
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总线操作的简要过程
■CPU往总线上发出地址信息,指出要寻址的存储单元或I/O
端口地址。—
-CPU撤消地址,使总线的低16位浮置成高阻状态,为传输数
据做准备。总线的最高四位(46〜A©用来输出本总线周期
状态信息。一
-多路总线的高4位继续提供状态信息,而多路总线的低16位
(8088则为低8位)上出现由CPU写出的数据或者CPU从存储器
或端口读入的数据。
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等待状态
CLK
1
READY/
前沿检测
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一个基本的总线周期
TiT2T:J14
恸一()~~〈y-读周期
瞰一C~X~>写周期
IM:触
5
■便线操作的同步_______________
-总线操作中如何实现时序同步是关键
■CPU总线周期采用同步时序:
■各部件都以系统时钟信号为基准
■当相互不能配合时,快速部件(CPU)插入
等待状态等待慢速部件(I/O和存储器)
■CPU与外设接口常采用异步时序,它们通
过应答联络信号实现同步操作
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欢,那么避开它。避不开,那么改
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4.38086/8088CPU的弓I脚信号和工作模式
•两种组态构成两种不同规模的应用系统
・最小组态模式
■构成小规模的应用系统
■8086本身提供所有的系统总线信号
.最大组态模式
-构成较大规模的应用系统,例如可以接入数值协处
理器8087
■8086和总线控制器8288共同形成系统总线信号
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欢,那么避开它。避不开,那么改
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■两种组态利用MN/MX*引脚区别
■MN/MX*接高电平为最小组态模式
■MN/MX*接低电平为最大组态模式
■两种组态下的内部操作并
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