微处理器及其系统精选PPT.ppt
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1、关于微处理器及其系统关于微处理器及其系统第1页,讲稿共47张,创作于星期六30多年来,在微处理器领域,Intel系列CPU一直占着主导地位。尽管8086/8088后续的80286、80386、80486以及Pentium系列CPU结构与功能已经发生很大变化,但从基本概念与结构以及指令格式上来讲,它们仍然是经典的8086/8088CPU的延续与提升。第2页,讲稿共47张,创作于星期六3.1 80863.1 808680888088微处理器微处理器 8086是Intel系列的16位微处理器。8086有16根数据线和20根地址线,可以处理8位或16位数据,寻址1MB的存储单元和64KB的IO端口。在
2、推出8086之后不久,Intel公司还推出了准16位微处理器8088。8088的内部寄存器、运算器以及内部数据总线都是按16位设计的,但外部数据总线只有8条。这样设计的目的主要是为了与Intel原有的8位外围接口芯片直接兼容。在本节中,对8088也将加以说明。第3页,讲稿共47张,创作于星期六3.1.1 80868088CPU的内部结构 从功能上讲,8086可分为两个部分,即总线接口单元BIU(Bus Interface Unit)和执行单元EU(Execution Unit)。具体组成见下一页图:第4页,讲稿共47张,创作于星期六AH AL AXBH BL BXCH CL CXDH DL D
3、X SP BP DI SI通用通用寄存寄存器器暂存寄存器暂存寄存器ALU标志标志执行部分控执行部分控制电路制电路1 2 3 4 5 6 CS DS SS ES IP内部暂存器内部暂存器总线总线控制控制电路电路地址加法地址加法器器AB 20位位16位位 DB8位位队列总线队列总线指令队列缓冲器指令队列缓冲器8086 数据总数据总线线16位位执行部件执行部件(EU)总线接口部件总线接口部件(BIU)8086CPU结构图结构图ALU数据总线数据总线16位位 BIU内有4个16位段地址寄存器CS(代码段寄存器,Code Segment)、DS(数据段寄存器,Data Segment)、SS(堆栈段寄存
4、器,Stack Segment)和ES(附加段寄存器,Extra Segment),16位指令指针IP,6字节指令队列缓冲器,20位地址加法器和总线控制电路。(1)16位算术逻辑单元(ALU):(2)16位标志寄存器F:(3)数据暂存寄存器:(4)通用寄存器组:(5)EU控制电路:第5页,讲稿共47张,创作于星期六(一)总线接口单元BIU功能:完成功能:完成CPUCPU与存储器或与存储器或I/OI/O设备之间的数据传送设备之间的数据传送(1 1)从内存取指令送到指令队列。)从内存取指令送到指令队列。(2 2)CPUCPU执行指令时,配合执行指令时,配合EUEU从指定的内存单元或者外设端从指定的
5、内存单元或者外设端口中取数据,将数据传送给口中取数据,将数据传送给EUEU,或者把,或者把EUEU的操作结果传送的操作结果传送到指定的内存单元或外设端口中。到指定的内存单元或外设端口中。第6页,讲稿共47张,创作于星期六 1)指令队列缓冲器:8086的指令队列为6个字节,而8088的指令队列为4个字节。在执行指令的同时,从内存中取下面1条或几条指令,取来的指令依次放在指令队列中。“先进先出”的原则:(1)取指时当指令队列缓冲器中存满1条指令后,EU执行。(2)指令队列缓冲器中只要空出2个(对8086)或空出1个 (对8088)指令字节时,BIU自动执行取指操作,直到 填满。第7页,讲稿共47张
6、,创作于星期六(3)在EU执行指令的过程中,指令需要对存储器或IO设备 存取数据时,BIU将在执行完现行取指的存储器周期后的 下一个存储器周期,对指定的内存单元或IO设备进行 存取操作,交换的数据经BIU由EU进行处理。(4)当EU执行完转移、调用和返回指令时,则要清除指令队 列缓冲器,并要求BIU从新的地址重新开始取指令,新取 的第1条指令将直接经指令队列送到EU去执行,随后取来 的指令将填入指令队列缓冲器。第8页,讲稿共47张,创作于星期六2)地址加法器和段寄存器:8086有20根地址线,内部寄存器有16位,采用了16位的段寄存器与16位的偏移地址即“段加偏移”的技术。利用各段寄存器分别来
7、存放确定各段的起始地址的16位段地址信息,而由IP提供或由EU按寻址方式计算出寻址单元的16位偏移地址(又称为逻辑地址或简称为偏移量),然后,将它与左移4位后的段寄存器的内容同时送到地址加法器进行相加,最后形成一个20位的实际地址(又称为物理地址),以对存储单元寻址。第9页,讲稿共47张,创作于星期六+段寄存器值段寄存器值偏移量偏移量物理地址物理地址16位位4位位16位位20位位存储器物理地址的计算方法存储器物理地址的计算方法逻辑地址逻辑地址物理地址物理地址第10页,讲稿共47张,创作于星期六如何计算物理地址?如何计算物理地址?要形成某指令码的物理地址(即实际地址),就将IP的值与代码段寄存器
8、CS(Code Segment)左移4位后的内容相加。【例3.1】假设CS4000H,IP0300H,则指令的物理地址PA4000H160300H40300H。第11页,讲稿共47张,创作于星期六3)16位指令指针IP(Instruction Pointer)其功能与8位CPU中的PC类似。正常运行时,IP中含有BIU要取的下1条指令(字节)的偏移地址。IP在程序运行中能自动加1修正,使之指向要执行的下1条指令(字节)。第12页,讲稿共47张,创作于星期六2.执行单元EU 执行单元EU并不与系统的总线控制电路直接相连。EU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取得,执行指
9、令的结果或执行指令所需要的数据,都由EU向BIU发出请求,再由BIU经总线控制电路对存储器或外设存取。EU由下列部分组成。第13页,讲稿共47张,创作于星期六(1)16位算术逻辑单元(ALU):它可以用于进行算术、逻辑运算,也可以按指令的 寻址方式计算出寻址单元的16位偏移量。(2)16位标志寄存器F:它用来反映CPU运算的状态特征或存放控制标志。(3)数据暂存寄存器:它协助ALU完成运算,暂存参加运算的数据。(4)通用寄存器组:它包括4个16位数据寄存器AX、BX、CX、DX和4个16位指针与变址寄存器SP、BP与SI、DI。第14页,讲稿共47张,创作于星期六(5)EU控制电路:它是控制、
10、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。EU中所有的寄存器和数据通道(除队列总线为8位外)都是16位的宽度,可实现数据的快速传送。8088CPU内部结构与8086的基本相似,只是8088BIU中指令队列长度为4个字节;8088BIU通过总线控制电路与外部交换数据的总线宽度是8位,总线控制电路与专用寄存器组之间的数据总线宽度也是8位。第15页,讲稿共47张,创作于星期六80868088的内部寄存器编程结构共有13个16位寄存器和1个只用了9位的标志寄存器。3.1.2 80863.1.2 808680888088的
11、寄存器结构的寄存器结构AX AH AL 累加器累加器 BX BH BL 基址寄存器基址寄存器CX CH CL 计数寄存器计数寄存器DX DH DL 数据寄存器数据寄存器 SP 堆栈指针堆栈指针 BP 基址指针基址指针 SI 源变址寄存器源变址寄存器 DI 目的变址寄存器目的变址寄存器 IP 指令指针指令指针 FLAGS 标志寄存器标志寄存器 CS 代码段寄存器代码段寄存器 DS 数据段寄存器数据段寄存器 ES 附加段寄存器附加段寄存器 SS 堆栈段寄存器堆栈段寄存器Accumulator Base Count Data Stack Pointer Base Pointer Source Ind
12、ex Destination Index Instruction PointerCode Segment Data Segment Stack Segment Extra Segment 第16页,讲稿共47张,创作于星期六1.通用寄存器(1)数据寄存器:执行单元EU中有4个16位数据寄存器AX、BX、CX和DX.每个数据寄存器分为高字节H和低字节L,它们均可作为8位数据寄存器独立寻址,独立使用。数据寄存器是用在算术运算或逻辑运算指令中,用来进行算术逻辑运算。在有些指令中,它们则有特定的用途:如AX作累加器;BX作基址寄存器,在查表指令XLAT中存放表的起始地址;CX作计数寄存器,在使用带有重
13、复前缀(如REP)的数据串操作指令中用来存放数据串元素的个数;DX作数据寄存器,在字的除法运算指令DIV中存放余数。第17页,讲稿共47张,创作于星期六(2)指针寄存器和变址寄存器:指针寄存器是指堆栈指针寄存器SP和堆栈基址指针寄存器BP,简称为P组。变址寄存器是指源变址寄存器SI和目的变址寄存器DI,简称为I组。它们都是16位寄存器,一般用来存放偏移地址。指针寄存器SP和BP都用来指示存取位于当前堆栈段中的数据所在的地址,但SP和BP在使用上有区别。入栈(PUSH)和出栈(POP)指令是由SP给出栈顶的偏移地址,故称为堆栈指针寄存器。而BP则是存放位于堆栈段中的一个数据区基地址的偏移地址,故
14、称为堆栈基址指针寄存器。显然,由SP所指定的堆栈存储区的栈顶和由BP所指定的堆栈段中某一块数据区的首地址是两个不同的意思,不可混淆。第18页,讲稿共47张,创作于星期六2.段寄存器 80868088 CPU有20条地址线,具有寻址1MB存储空间。80868088指令中给出的地址码仅有16位,指针寄存器和变址寄存器也只有16位长,不能直接寻址1MB大小的内存空间。第19页,讲稿共47张,创作于星期六 在80868088CPU内部设计了一组16位的段寄存器,用这些段寄存器的内容作为段地址,再由段寄存器左移4位形成20位的段起始地址,被称为段基地址或段基址;这样,80868088就有可能寻址1MB存
15、储空间并将其分成为若干个逻辑段,使每个逻辑段的长度为64KB(它由16位的偏移地址限定)。第20页,讲稿共47张,创作于星期六 CS 0000 IP代码段代码段 DS或或ES 0000 SI、DI或或BX SS 0000 SP或或BP数据段数据段堆栈段堆栈段存储器存储器段寄存器和偏移地址寄存器组合关系段寄存器和偏移地址寄存器组合关系第21页,讲稿共47张,创作于星期六3.标志寄存器 标志寄存器F:9位作标志位,即6个状态标志位,3个控制标志位。(1)CF(Carry Flag)进位标志:当执行一个加法或减法运算使最高位产生进位或借位时,则CF为1;否则为0。(2)PF(Parity Flag)
16、奇偶性标志:当指令执行结果的低8位中含有偶数个“1”时,则PF为1;否则为0。D15D0 OF DF IF TF SF ZF AF PF CF(3)AF(Auxiliary Carry Flag)辅助进位标志:1-低低4位向高位向高4位有进、借位位有进、借位0-低低4位向高位向高4位无进、借位位无进、借位第22页,讲稿共47张,创作于星期六(4)ZF(Zero Flag)零标志:零标志表示一个算术或逻辑操作的结果是否为零。若当前的运算结果为零,ZF为1;否则为0。(5)SF(Sign Flag)符号标志:符号标志保持算术或逻辑运算指令执行后结果的算术符号。它和运算结果的最高位相同。(6)OF(
17、Overflow Flag)溢出标志:溢出标志用于判断在有符号数进行加法或减法时是否可能出现溢出。第23页,讲稿共47张,创作于星期六控制标志有3个,用来控制CPU的操作,由程序设置或清除。(1)DF(Direction Flag)方向标志:它用来控制数据串操作指令的步进方向。1:数据串操作过程中地址会自动递减;0:数据串操作过程中地址会自动递增。(2)IF(Interrupt Enable Flag)中断允许标志:控制可屏蔽中断的标志。1:表示允许8086/8088 CPU接受外部从其INTR引脚上发来的可屏蔽中断请求信号;0:禁止CPU接受外来的可屏蔽中断请求信号。IF的状态不影响非屏蔽中
18、断(NMI)请求,也不影响CPU响应内部的中断请求。(3)TF(Trap Flag)跟踪(陷阱)标志:若将TF标志置为1,则80868088 CPU处于单步工作方式;否则,将正常执行程序。第24页,讲稿共47张,创作于星期六3.1.3 总线周期的概念总线周期:总线周期:CPU通过总线与存储器或通过总线与存储器或I/O接口进行一次数据传输所接口进行一次数据传输所需的时间。需的时间。一个最基本的总线周期由一个最基本的总线周期由4个时钟周期组成。个时钟周期组成。T状态(时钟周期):状态(时钟周期):CPU处理动作的最小单位。由处理动作的最小单位。由CPU主频决定。主频决定。CPU在在4个状态中的基本
19、作用:个状态中的基本作用:1、T1状态:状态:CPU往多路复用总线上发送地址信息,以选中所要寻往多路复用总线上发送地址信息,以选中所要寻址的存储单元或外设端口的地址。址的存储单元或外设端口的地址。(A19-A0)2、T2状态:状态:从总线上撤销地址,并使总线的从总线上撤销地址,并使总线的低低16位位浮置成浮置成高阻高阻状状态,为传送数据做准备。总线高态,为传送数据做准备。总线高4位(位(A19-A16)用来输出本总)用来输出本总线周期的状态信息线周期的状态信息(S6-S3)。第25页,讲稿共47张,创作于星期六3、T3状态:状态:多路总线的高多路总线的高4位继续提供状态信息(位继续提供状态信息
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