微机原理与接口技术第2章-1.ppt

1,第2章 16位和32位微处理器结构,2,本章主要内容,8086微处理器 80286、80386 Pentium,3,Intel 8086 微处理器的主要内容,8086的编程结构，尤其是寄存器组； 8086标志寄存器各个标志的含义； 8086的存储器编址，存储器的分段结构,4,2.1.1 CPU的内部组成,运算器 主要功能：对数据进行算术和逻辑运算。这些功能由算术逻辑单元（ALU）来实现； 寄存器组 寄存器可以存放数据和地址，也可以存放控制信息和状态信息。 CPU中寄存器的数量对CPU的运行速度影响很大。 寄存器从应用的角度可以分为：通用寄存器、专用寄存器，有以下几种类型：数据寄存器、地址寄存器、状态标志寄存器、控制寄存器等。,5,控制器 控制器是指挥与控制计算机各功能部件协同工作，自动执行计算机程序的部件。 控制器一般是由指令指针寄存器IP、指令寄存器IR、指令译码器ID、控制逻辑电路和时钟控制电路等组成。,6,2.1.2 16位微处理器8086 8086的编程结构,8086：Intel系列16位微处理器 数据总线：16位，内部寄存器，ALU都是16位的 地址总线：20位，以字节为单位对存储器进行编址，可寻址220 即1M字节。 问题：内部寄存器、运算器为16位，如何产生20位地址？ 编程结构面向程序设计和应用角度的CPU结构,7,8,1.总线接口部件（BIU） 总线接口单元BIU的任务： 总线接口部件负责与存储器、I/O端口传送数据 读指令指令队列出现空字节(8088 1个空字节，8086 2个空字节)时，从内存取出后续指令。BIU取指令时，并不影响EU的执行，两者并行工作，大大提高了CPU的执行速度。 读操作数EU需要从内存或外设端口读取操作数时，根据EU给出的地址从内存或外设端口读取数据供EU使用。 写操作数EU的运算结果、数据或控制命令等由BIU送往指定的内存单元或外设端口。,9,总线接口部件（BIU）的组成,4个16位段地址寄存器 CS 16位的代码段寄存器 DS 16位的数据段寄存器 ES 16位的附加段寄存器 SS 16位的堆栈段寄存器 16位的指令指针寄存器IP (Instruction Pointer) 20位的地址加法器 利用16位的段寄存器和另一个16位地址寄存器值，形成20位的物理地址，送20位地址总线。 6字节的指令队列缓冲器 总线控制电路 CPU与外界总线联系的转接电路 包括三组总线：20位地址总线，16位双向数据总线和一组控制总线,10,1）存储器的分段,11,代码段寄存器CS存储程序当前使用的代码段的段地址。代码段用来存放程序的指令代码。下一条要读取指令在代码段中的偏移地址由指令指针寄存器IP提供； 数据段寄存器DS用来存放程序当前使用的数据段的段地址。一般来说，程序中所用到的原始数据、中间结果以及最终结果都存放在数据段中； 堆栈段寄存器SS用来存放程序当前所使用的堆栈段的段地址。堆栈是在存储器中开辟的一个特定区域； 附加数据段寄存器ES用来存放程序当前使用的附加数据段的段地址。附加数据段通常用于存放字符串操作时的目的字符串。 程序员在编写汇编语言源程序时，应该按照上述规定将程序的各个部分放在规定的段内。每个源程序必须至少有一个代码段，而数据段、堆栈段和附加数据段则根据程序的需要决定是否设置。,12,2）指令指针寄存器 指令指针寄存器IP用来存放下一条要读取的指令在代码段中的偏移地址。IP在程序运行中能自动加1修正，从而使其始终存放的是下一条要读取的指令在代码段的偏移地址。由于CS和IP的内容决定了程序的执行顺序，因此程序员不能直接用赋值指令对其内容进行修改。有些指令能使IP和CS的值改变（如跳转指令）或使其值压入堆栈或从堆栈中弹出恢复原值（如子程序调用指令和返回指令）。,13,3）20位地址加法器 8086/8088CPU在对存储单元进行访问以读取指令或读/写操作数时，必须在地址总线上提供20位的地址信息，以便选中对应的存储单元。那么，CPU是如何产生20位地址的呢？ CPU提供的用来对存储单元进行访问的20位地址是由BIU中的地址加法器产生的。,14,存储器中每个存储单元的地址可有以下两种表示方式： 逻辑地址：其表达形式为“段地址：段内偏移地址”。段内偏移地址又称为“有效地址EA(Effective Address)。在读指令时，段地址由代码段寄存器CS提供，当前要读取指令在代码段中的偏移地址由指令指针寄存器IP提供；在读取或存储操作数时，根据具体操作，段地址由DS、ES或SS提供，段内偏移地址由指令给出。,15,物理地址：CPU与存储器进行数据交换时在地址总线上提供的20位地址信息称为物理地址。物理地址的形成过程如图所示。由IP提供或由EU根据指令所提供寻址方式计算出寻址单元的16位段内偏移地址后，把该偏移地址和段寄存器内容左移四位后（相当于乘以10H）得到的段基址（段内第一个存储单元的物理地址）同时送到BIU中的地址加法器，形成一个20位的物理地址，从而实现对存储单元的访问。由逻辑地址求物理地址的公式为： 物理地址=段地址10H+段内偏移地址 如假设当前(CS)=20A8H，(IP)=2008H，那么，下一条从内存中读取的指令所在存储单元的物理地址为：20A8H10H+ 2008H=22A88H。,16,物理地址的形成,17,4) 指令队列缓冲器 8086的指令队列有6个字节，当指令队列出现空字节时，BIU就自动执行一次取指令周期，将下一条要执行的指令从内存单元读入指令队列。它们采用“先进先出”原则，按顺序存放，并按顺序取到EU中去执行。 指令队列的引入使得EU和BIU可并行工作，即BIU在读指令时，并不影响EU单元执行指令，EU单元可以连续不断地直接从指令队列中取到要执行的指令代码，从而减少了CPU为取指令而等待的时间，提高了CPU的利用率，加快了整机的运行速度。,18,19,2执行单元EU 执行单元EU不与系统外部直接相连，它的功能只是负责执行指令。执行的指令从BIU的指令队列缓冲器中直接得到，执行指令时若需要从存储器或I/O端口读写操作数时，由EU向BIU发出请求，再由BIU对存储器或I/O端口进行访问。,20,执行部件EU的组成,EU控制电路：指令译码，产生定时和控制信号 16位算术逻辑单元ALU：进行算术逻辑运算 8个16位通用寄存器AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI、DI 16位标志寄存器FLAGS：存放运算结果的状态和控制标志 数据暂存寄存器：暂存参加运算的数据 EU控制电路：它是控制、定时与状态逻辑电路，接收从BIU中指令队列取来的指令，经过指令译码形成各种定时控制信号，对EU的各个部件实现特定的定时操作。,21,2.2 8086/8088寄存器结构,内部有14个16位寄存器，按功能可分为四大类 8个通用寄存器：AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI、DI 4个段寄存器：CS、DS、SS、ES 1个控制寄存器：IP 1个标志寄存器：FLAGS,22,2.2.1 通用寄存器,AX、BX、CX、DX 一般用于存放参与运算的操作数或运算结果 每个数据寄存器都是16位的，但又可将高、低8位分别作为两个独立的8位寄存器来用。高8位分别记作AH、BH、CH、DH，低8位分别记作AL，BL，CL，DL。 注意，8086/8088 CPU的14个寄存器除了这4个16位寄存器能分别当作两个8位寄存器来用之外，其它寄存器都不能如此使用。,23,AX(Accumulator)称为累加器。用该寄存器存放运算结果可使指令简化，提高指令的执行速度。此外，所有的I/O指令都使用该寄存器与外设端口交换信息。,BX(Base)称为基址寄存器。8086/8088CPU中有两个基址寄存器BX和BP。BX用来存放操作数在内存中数据段内的偏移地址，BP用来存放操作数在堆栈段内的偏移地址。,CX(Counter)称为计数器。在设计循环程序时使用该寄存器存放循环次数，可使程序指令简化，有利于提高程序的运行速度。,DX(Data)称为数据寄存器。在寄存器间接寻址的I/O指令中存放I/O端口地址；在做双字长乘除法运算时，DX与AX一起存放一个双字长操作数，其中DX存放高16位数。,寄存器AX, BX,CX, DX的特定用法,24,地址指针寄存器SP、BP 堆栈指针寄存器SP (stack pointer) 基址寄存器BP（base pointer） 变址寄存器SI、DI 源变址寄存器SI (source index) 目的变址寄存器DI (destination index),25,2.2.2 段寄存器,CS 16位的代码段寄存器 DS 16位的数据段寄存器 ES 16位的附加段寄存器 SS 16位的堆栈段寄存器,26,8086/8088段寄存器与提供段内移地址的寄存器之间的 默 认 组 合,27,2.2.3 控制寄存器,指令指针寄存器IP 标志寄存器FR,28,标志寄存器FLAGS,标志寄存器共有16位，其中7位未用，所用的各位含义如下： 根据功能，8086的标志可以分为两类： 状态标志：表示前面的操作执行后，ALU处于何种状态，可能会影响后面的操作 控制标志：人为设置的，可以用专门的设置和清除指令，用于对某种功能的控制,29,状态标志,有6个，即SF、ZF、PF、CF、AF和OF 符号标志SF (sign flag ) 零标志ZF (zero flag) 奇偶标志PF (parity flag) 低8位1的个数为偶数，PF=1 进位标志CF (carry flag) 最高位产生进位CF=1 辅助进位标志AF (auxiliary carry flag) 溢出标志OF (overflow flag) 算术运算产生溢出 8位运算结果超出-128+127 16位运算结果超出-32768+32767,30,控制标志位（3位）用来控制CPU的操作，由程序设置或清除。它们是： TF(Trap Flag)跟踪（陷阱）标志位。是为测试程序的方便而设置。若将TF置1，CPU处于单步工作方式。,IF(Interrupt Flag)中断允许标志位。是用来控制可屏蔽中断的控制标志位。若将IF置1，表示允许CPU接受外部从INTR引脚上发来的可屏蔽中断请求；若用CLI指令将IF清0，则禁止CPU接受可屏蔽中断请求信号。,DF(Direction Flag)方向标志位。若将DF置1，串操作按减地址方式进行，也就是说，从高地址开始，每操作一次地址自动递减；否则按增地址方式进行。,31,2.3 8086的存储器和I/O组织,一. 8086的存储器编址 1. 8086存储空间 存储器地址 20根地址线，直接寻址能力1MB，地址从00000H-FFFFFH 按字节编址，每个字节赋予一个20位的地址编号物理地址,32,图3.10 数据在存储器中的存放,1、注意20根地址线与1M个存储单元之间的关系；存储单元地址与该单元内容等概念； 2、注意字节型、字型及双字型数据在存储器中的存放方法； 3、规则存放的概念（本节后面还会详细介绍）,33,存储器内容,一个字可以存放在任意两个相连的存储单元中，在一个字中的每一个字节有一个地址，字单元地址采用它的低地址表示；即一个字的起始地址可以从偶地址开始也可以从奇地址开始，并且较高存储器地址的字节含有该字的高8位，较低地址含有低8位 同一个地址可以看做字节单元地址，也可以看做字单元地址 指针存放：按双字进行存放，偏移量存放于低地址，段基址存放于高地址 存放字符串时，字符串的第一个字节存放在地址较低的单元中，然后依次存放,34,2存储器的段结构 8086/8088 CPU中有关可用来存放地址的寄存器如IP、SP等都是16位的，故只能直接寻址64 KB。为了对1M个存储单元进行管理，8086/8088采用了段结构的存储器管理方法。 8086/8088将整个存储器分为许多逻辑段，每个逻辑段的容量小于或等于64 KB，允许它们在整个存储空间中浮动，各个逻辑段之间可以紧密相连，也可以互相重叠。 用户编写的程序(包括指令代码和数据)被分别存储在代码段、数据段、堆栈段和附加数据段中，这些段的段地址分别存储在段寄存器CS、DS、SS和ES中，而指令或数据在段内偏移地址可由对应的地址寄存器或立即数给出。,35,A段,C段,B段,D段,E段,00000H,10000H,20000H,30000H,40000H,64KB,64KB,64KB,64KB,紧密相连,部分重叠,完全重叠,断开排列,1FF00H,2FEFFH,M,64KB,36,3. 逻辑地址与物理地址 逻辑地址：由段地址（逻辑段起始地址的高16位）和偏移地址（16位）表示的存储单元的地址称为逻辑地址，记为： 段地址偏移地址 物理地址：由CPU内部总线接口单元BIU中的地址加法器根据逻辑地址产生的20位存储单元地址称为物理地址。,37,0,15,段内偏移地址,段寄存器,19,0,3,4,0000,段地址左移4位,20位物理地址,19,0,物理地址的形成,物理地址和逻辑地址的关系为： 物理地址段地址×10H偏移地址 在程序设计中，段地址是由段寄存器（如CS、DS、SS或ES）提供,偏移地址通常是由地址寄存器（如IP、BX、BP、SP、SI或DI等）及立即数等提供。,38,对于任何一个物理地址来说，可以唯一被包含在一个逻辑段中，也可以包含在多个重叠的逻辑段中，只要能得到它所在段的首地址和段内的相对地址，就可以对它进行访问。即一个物理地址可以对应多个逻辑地址。,11230H 11231H 11232H,0000H 0001H 0002H,1123H,1123EH 1123FH 11240H 11241H 11242H 11243H 11244H 11245H,000EH 000FH 0010H 0011H 0012H 0013H 0014H 0015H,段基址：,偏移地址,物理地址,15H,1124H,05H,段基址：,FFFEH FFFFH,1122EH 1122FH,1123H×1615H=11245H,1124H×1605H=11245H,39,CS、DS、SS和其他寄存器组合指向存储单元的示意图 ：,40,表 存储器操作时段地址和段内偏移地址的来源,CPU 对存 储器 的操 作有 读指 令及 读 操作 数、写 操作 数 三大类！,41,4.堆栈操作 80868088系统中的堆栈使用段定义语句在存储器中定义的一个堆栈段，和其它逻辑段一样，它可以在1M字节的存储空间中浮动，其容量可达64KB。 开辟堆栈的目的主要有以下两点： (1) 存放指令操作数(变量)。此时，对操作数进行访问时，段地址由堆栈段寄存器SS来提供，操作数在该段内的偏移地址由基址寄存器BP来提供。 (2) 保护断点和现场。此为堆栈的主要功能。 这是一个具有“先进后出”特性的存储区域，堆栈由SS和SP来寻址。SS给出堆栈段的段地址，而SP给出当前栈顶（偏移地址），即指出从段地址到栈顶的偏移量。,42,若已知当前SS1050H，SP0008H，AX1234H，则8086系统中堆栈的入栈和出栈操作如下图所示。,12,AA,10500H,10501H,10502H,10503H,10504H,10505H,10506H,10507H,10508H,栈底,BB,10509H,段基址(SS),AX,34,12,12,34,34,PUSH AX,1050AH,BB,AA,AA,BB,12,34,34,POP BX,POP AX,12,