微处理器及系统.ppt
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1、80868086处理器处理器8080386386处理器处理器8048680486处理器处理器PentiumPentium处理器处理器程序设计模型程序设计模型本章要点本章要点第第2 2章章 微处理器及系统系统主要组成系统主要组成n80868088由两个独立的处理部件组成:由两个独立的处理部件组成:执行部件执行部件EU(Execution Unit)总线接口部件总线接口部件BIU(Bus Interface Unit)n设置了指令预取队列,支持以流水方式执行设置了指令预取队列,支持以流水方式执行指令指令 2.1 80862.1 8086处理器处理器n处理器字长处理器字长:处理处理8位或位或16位的
2、数据位的数据,时钟频率为时钟频率为48MHz n直接寻址的存储空间为直接寻址的存储空间为1M字节(字节(220)n中断源为中断源为256级,包括内部软件和外部硬件中断级,包括内部软件和外部硬件中断 n支支持持最最小小方方式式(单单CPU)和和最最大大方方式式(多多CPU)工工作作)n独立的独立的I/O端口地址寻址方式端口地址寻址方式:I/O端口有端口有64K个个 主要性能指标主要性能指标 8086 8086内部结构内部结构BIUBIU完成内外信息交换,即:完成内外信息交换,即:取指令取指令 传送数据传送数据 形成物理地址形成物理地址EUEU执行全部指令,即:执行全部指令,即:指令译码指令译码
3、执行指令执行指令 向向BIUBIU传送偏移地址信息传送偏移地址信息 管理通用寄存器和标志寄存器管理通用寄存器和标志寄存器1.BIU与EU的主要功能BIUBIU和和EUEU并行操作示意图并行操作示意图BIU BIU 取指令取指令1 1 取指令取指令2 2 取指令取指令3 3 取指令取指令4 4取数据取数据 取指令取指令5 5EU EU 等待等待等待等待执行执行1 1执行执行2 2执行执行3 3执行执行4 4n 通用寄存器通用寄存器 既可用作既可用作16位也可用作位也可用作8位。位。AXAX作为累加器作为累加器,在字在字(AL,AHAL,AH字字节节)乘乘,除法运算中存放结果除法运算中存放结果,I
4、/OI/O指指令中传送数据令中传送数据.BXBX作为基址寄存器作为基址寄存器,CXCX作为计数寄存器作为计数寄存器(如循环、串如循环、串操作操作)DXDX作为端口地址寄存器作为端口地址寄存器 2.8086/80882.8086/8088内部寄存器内部寄存器8 8位位寄存器名寄存器名1616位位寄存器名寄存器名累加器累加器AXAX基址基址BXBX计数器计数器CXCX端口地址端口地址DXDX栈指针栈指针基址指针基址指针目标变址目标变址源变址源变址指令指针指令指针标志标志代码段代码段数据段数据段堆栈段堆栈段附加段附加段SISIDIDIBPBPSPSPDH DL DH DL CH CLCH CLBH
5、BLBH BLAH ALAH ALFLAGSFLAGSIPIPFSFSGSGSESESSSSSDSDSCSCSn地址指针寄存器地址指针寄存器SP,BPSP,BP SP:SP:堆栈指针寄存器堆栈指针寄存器 BP:BP:基址指针寄存器基址指针寄存器n变址寄存器变址寄存器SISI,DI,DI SI:SI:源变址寄存器源变址寄存器 DI:DI:目的变址寄存器目的变址寄存器8 8位位寄存器名寄存器名1616位位寄存器名寄存器名累加器累加器AXAX基址基址BXBX计数器计数器CXCX数据数据DXDX栈指针栈指针基址指针基址指针目标变址目标变址源变址源变址指令指针指令指针标志标志代码段代码段数据段数据段堆栈
6、段堆栈段附加段附加段SISIDIDIBPBPSPSPDH DL DH DL CH CLCH CLBH BLBH BLAH ALAH ALFLAGSFLAGSIPIPFSFSGSGSESESSSSSDSDSCSCSn段寄存器段寄存器CS,DS,SS,ES CS:CS:代码段寄存器代码段寄存器 DS:DS:数据段寄存器数据段寄存器 SS:SS:堆栈段寄存器堆栈段寄存器 ES:ES:附加段寄存器附加段寄存器n指令指针寄存器指令指针寄存器IP 存放预取指令的偏移地址存放预取指令的偏移地址.8 8位位寄存器名寄存器名1616位位寄存器名寄存器名累加器累加器AXAX基址基址BXBX计数器计数器CXCX数据
7、数据DXDX栈指针栈指针基址指针基址指针目标变址目标变址源变址源变址指令指针指令指针标志标志代码段代码段数据段数据段堆栈段堆栈段附加段附加段SISIDIDIBPBPSPSPDH DL DH DL CH CLCH CLBH BLBH BLAH ALAH ALFLAGSFLAGSIPIPFSFSGSGSESESSSSSDSDSCSCSD15D0 OF DF IF TF SF ZF AF PF CF进进借借位位标标志志奇奇偶偶标标志志辅辅助助进进借借位位标标志志全全零零标标志志符符号号标标志志单单步步中中断断中中断断允允许许方方向向标标志志溢溢出出标标志志1-有进、借位有进、借位0-无进、借位无进、
8、借位1-低低8位有偶数个位有偶数个10-低低8位有奇数个位有奇数个11-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1-结果为结果为00-结果不为结果不为0n标志寄存器标志寄存器FLAGSFLAGS 记录算术和逻辑运算的一些状态标志,记录算术和逻辑运算的一些状态标志,有有1616位,其中有位,其中有7 7位未用。位未用。控制标志控制标志(3(3个个)DFDF(direction flag):(direction flag):方向标志方向标志.IFIF(interrupt enable flag):(interrupt enable flag):中
9、断允许标志中断允许标志TF(TF(trap flag):trap flag):跟踪跟踪(陷阱陷阱)标志标志状态标志状态标志(6(6个个)CF CF 进进/借位标志(借位标志(Carry FlagCarry Flag):):有进有进/借位为借位为1 1,无进借位为,无进借位为0 0。另循环指令。另循环指令也使也使CF=1CF=1。AFAF 辅辅助助进进位位标标志志(Auxiliary Auxiliary Carry Carry FlagFlag):低低4 4位位向向高高位位有有进进/借借位位(即即第第3 3位向第位向第4 4位进位)为位进位)为1 1,否则否则AF=0AF=0。PFPF 奇奇偶偶
10、标标志志(Parity Parity FlagFlag):运运算算结结果果若若低低8 8位位所所含含1 1的的个个数数为为偶偶数数,则则PF=1PF=1,否则否则PF=0PF=0。ZFZF 全全零零标标志志(Zero Zero FlagFlag):当当运运算算结结果果使使有有效效位位数数的的各各位位全全为为零零时时ZF=1ZF=1,否则否则ZF=0ZF=0。SFSF 符符号号标标志志(Sign Sign FalgFalg):当当运运算算结结果果为为负负时时SF=1SF=1,否否则则SF=0SF=0。SFSF的的值值就就是有符号数的最高位是有符号数的最高位(符号位符号位)。OF OF 溢溢出出标
11、标志志(Overflow Overflow FlagFlag):当当运运算算结结果果超超出出了了机机器器所所能能表表示示的的范范围围时时,则则OF=1OF=1,表示溢出,否则表示溢出,否则OF=0OF=0。溢出判断方法:溢出判断方法:OP=Cn-1异或 Cn-2 存储器组织存储器组织 在在8088/80868088/8086系统中,存储器是按字节编址的,系统中,存储器是按字节编址的,其寻址空间为其寻址空间为1MB1MB,每个字节地址为,每个字节地址为2020位,这位,这2020位的位的地址称为地址称为物理地址物理地址。1.1.存储器的分段存储器的分段为什么要分段?为什么要分段?物理地址:物理地
12、址:20位位8086寄存器:寄存器:16位,能处理的地址目标只能是位,能处理的地址目标只能是16位位 (216=64KB)因此,把因此,把1MB存储空间分成若干个逻辑段,每个存储空间分成若干个逻辑段,每个逻辑段的容量逻辑段的容量=64KB。段与段之间可以段与段之间可以相互独立相互独立或或首尾相连首尾相连或或相互重叠相互重叠。对于任何一个物理地址,可以唯一的包含在一个逻对于任何一个物理地址,可以唯一的包含在一个逻辑段中,也可以包含在多个相互重叠的逻辑段中。辑段中,也可以包含在多个相互重叠的逻辑段中。一种特殊的分段情况。一种特殊的分段情况。规定规定:段的首地址低:段的首地址低4位为零,段首地址的高
13、位为零,段首地址的高16位称为位称为“段基址段基址”,存放在段寄存器,存放在段寄存器DS、CS、ES、SS中,段内的偏移地址存放在中,段内的偏移地址存放在IP中。中。物理地址(绝对地址)物理地址(绝对地址):用:用20位二进制数表示位二进制数表示 逻辑地址逻辑地址:程序员使用的地址,由段基址和偏移地程序员使用的地址,由段基址和偏移地址组成,它们都是用址组成,它们都是用16位二进制数表示。位二进制数表示。每个存储单元对应一个每个存储单元对应一个20位的物理地址,它由位的物理地址,它由逻辑地址变换而来。逻辑地址变换而来。CPU自动将逻辑地址转换成相自动将逻辑地址转换成相应的物理地址。应的物理地址。
14、2.逻辑地址和物理地址逻辑地址和物理地址3 3物理地址的形成物理地址的形成例例:CS=FA00HIP=0300H物理地址物理地址=FA000H+0300H =FA300H物理地址物理地址=段基址段基址*16+16+偏移地址偏移地址通过通过BIU的地址加法器实现。的地址加法器实现。段基址、段首址、段的起始地址之间的区别与关系?段基址、段首址、段的起始地址之间的区别与关系?段首址段首址=段基址段基址*10H10H 注意:注意:A段段既既可可作作为为代代码码段段,也也可可作作为为数数据据段段,还还可可作作为为堆堆栈栈段段段段,要要把把段段基基址址赋赋值值给给相相应应的的段段寄寄存存器器。用段来组织逻
15、辑空间用段来组织逻辑空间n每段最长可达每段最长可达64KBn各段起始地址的低各段起始地址的低4位为位为0n各段之间可以分开、部分或完全重叠、可首尾相接各段之间可以分开、部分或完全重叠、可首尾相接n根据各段的用途将其定义为根据各段的用途将其定义为CS、DS、ES、SS段,段,并用偏移地址表示被访问单元并用偏移地址表示被访问单元 CS段中用段中用IP表示偏移量表示偏移量 SS段中用段中用SP、BP DS/ES段中用段中用BX、SI、DI、数值、数值 CS 0000 IP DS或或ES 0000 SI、DI或或BX SS 0000 SP或或BP代码段代码段数据段数据段堆栈段堆栈段存储器存储器段寄存器
16、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例题例题n哪两种地址合成物理地址哪两种地址合成物理地址?n下列合成物理地址是否正确下列合成物理地址是否正确?是发生在取指令或执是发生在取指令或执行指令行指令?1.CS:SP 2.DS:DI 3.DS:IP 4.SS:SPFA000H0300Hn已知已知CS=FA00H,IP=0300H,求当前指,求当前指令的实际地址。令的实际地址。指令的物理地址指令的物理地址=FA000H+0300H=FA300H代码段数据段堆栈段附加段(?)计算下列地址计算下列地址 1.1000H:1234H=?2.A200H:12CFH=?3.A000H:?=A01
17、23 4.?:CD21H=32D21H 2 2.1.4 8086/8088.1.4 8086/8088工作模式工作模式n最最小小模模式式:指指在在系系统统中中只只有有一一个个微微处处理理器器,系系统统中中的的所所有有总总线线控控制制信信号号都都直直接接由由8086/80888086/8088产产生生,因因此此整整个个系系统统中中的的控控制制线路最简单,对应这种工作模式称为最小模式。线路最简单,对应这种工作模式称为最小模式。n最最大大模模式式:是是相相对对于于最最小小模模式式而而言言的的,指指系系统统中中含含有有两两个个或或两两个个以以上上微微处处理理器器,其其中中一一个个就就是是8086/80
18、888086/8088为为主主处处理理器器,其其它都是协处理器。它都是协处理器。在在8086/80888086/8088系系统统中中与与其其配配合合的的协协处处理理器器有有数数值值运运算算协协处处理理器器80878087和输入输出协处理器和输入输出协处理器80898089。处理器的最小定时单位,它由主频决定。处理器的最小定时单位,它由主频决定。n模式由硬件决定模式由硬件决定:CPUCPU引脚引脚MN/MX_MN/MX_为为“1”“1”高电平高电平,在最小模式在最小模式;为为“0”“0”电平电平,在最大模式在最大模式.8284CLKRESETREADYMN/MXALEDENRDT/RIO/MWR
19、RDHOLDHLDAIO/MINTRINTA地址锁存器数据收发器控制总线数据总线地址总线+5VA.A.最小模式下的典型配置最小模式下的典型配置8284CLKRESETREADYMN/MXA19A8S0地址锁存器数据收发器控制总线数据总线地址总线8288总线控制器S1S2AD7AD0B.B.最大模式最大模式下的典型配置下的典型配置5.8086/80885.8086/8088引脚信号引脚信号8086808840引脚集成芯片引脚集成芯片引脚引脚含义含义nNMINMI为为硬硬件件中中断断源源中中不不可可屏屏蔽蔽中中断断输输入入信信号号,上上升升沿沿有效。有效。nINTRINTR为为硬硬件件中中断断源源
20、中中可可屏屏蔽蔽中中断断的的输输入入信信号号,高高电电平平有有效效。所所有有外外部部调调设设备备的的中中断断源源均均接接至至中中断断控控制制器器,通过中断控制器输出再接入通过中断控制器输出再接入INTRINTR引脚。实现中断管理引脚。实现中断管理nAD15-AD0AD15-AD0:地址:地址/数据复用引脚数据复用引脚nA19/S6A16/S3:A19/S6A16/S3:地址地址/状态复用输出线状态复用输出线nBHE/S7BHE/S7:高:高8 8位数据总线允许位数据总线允许/状态复用输出线状态复用输出线nRDRD:读信号输出线读信号输出线nCLKCLK:时钟输入线时钟输入线nRESETRESE
21、T:复位信号输入线:复位信号输入线nREADYREADY:准准备备好好信信号号输输入入线线(由由存存储储器器和和I/O设设备备发发来)来)nMN/MXMN/MXnGNDGND和和VccVccn第第2431引脚的信号含义与工作模式有引脚的信号含义与工作模式有关。关。S S0 0S7S7含义含义nS7未定义nS6始终为低nS5与标志寄存器中的中断允许标志IF一致。nS4、S3表示使用的段寄存器nS2-、S1-、S0-组合确定最大模式下总线操作类型 (见P13)QS1 QS1和和QS0QS0含义含义 QS1和QS0在最大模式下表示指令队列的使用情况 最小模式最小模式总线操作总线操作 最大模式最大模式
22、总线操作类型总线操作类型S2S1S0通过8288产生的信号具体操作状态有关指令示例000INTA发中断响应信号无001IORC读I/O接口 IN AL,DX010IOWC,AIOWC写I/O接口OUT DX,AL011无暂停NOP100MRDC取指令无101MRDC读内存MOV AX,1234H110MWTC,AMWC写内存MOV DI,CX111无无效状态无 6.6.总线周期的概念总线周期的概念 总总线线周周期期:CPU通通过过总总线线与与存存储储器器或或I/O接接口口进进行行一一次次数数据据传传输所需的时间。输所需的时间。时钟周期时钟周期:微处理器的最小定时单位,它由主频决定。8086/8
23、088一个基本总线周期包括4个时钟周期的时间。习惯称为4个状态,分别记为T1、T2、T3和T4状态。T1 T1状态状态:输出地址信息并锁存。T2 T2状态状态:撤消地址,为传送数据作准备。T3 T3状态状态:如果外部准备好,则数据稳定在总线上。T4 T4状态状态:读写总线上的数据,总线周期结束。指指令令周周期期:在在微微机机系系统统中中,CPU是是在在时时钟钟信信号号CLK控控制制下下,按按节节拍拍有有序序地地执执行行指指令令序序列列。从从取取指指令令开开始始,经经过过分分析析指指令令、对对操操作作数数寻寻址址,然然后后执执行行指指令令、保保存存操操作作结结果果,这这个个过过程程称称为为指指令
24、执行周期令执行周期.一条指令从取出到执行完毕所需要的时间一条指令从取出到执行完毕所需要的时间。8086/80888086/8088总线时序(读)总线时序(读)T1T1T2T2T3T3TwTwT4T4地址输出地址输出(A19-A16)A19-A16)高:读内存高:读内存 低:读低:读I/OI/O状态输出(状态输出(S6S3S6S3)地址输出地址输出(A15-A0)A15-A0)数据输入(数据输入(D15D0D15D0)BHEBHE输出输出S7S7(无意义)无意义)CLKCLKM/IOM/IOA19/S6-A19/S6-A16/S3A16/S3AD15-AD15-AD0AD0BHE/S7BHE/S
25、7ALEALERDRDDT/RDT/RDENDEN80868086最小模式下的读总线周期最小模式下的读总线周期(1)T1状态状态M/IO信号:从存储器读还是从信号:从存储器读还是从I/O设备中读数据;设备中读数据;AD15-AD0、A19/S7-A16/S3:确定:确定20位地址;位地址;/BHE:选择奇地址存储体选择。:选择奇地址存储体选择。ALE:地址锁存信号,以使地址:地址锁存信号,以使地址/数据线分开。数据线分开。T1T1T2T2T3T3TwTwT4T4地址输出地址输出(A19-A16)A19-A16)高:读内存高:读内存 低:读低:读I/OI/O状态输出(状态输出(S6S3S6S3)
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