80X86微处理器及其体系结构PPT文档.pptx

1第第3章章 80X86微处理器及其体系结构微处理器及其体系结构本章主要教学内容本章主要教学内容v8086微处理器的基本性能指标、组成及其寄存器结构v8086微处理器的外部引脚特性v8086微处理器的存储器和I/O组织v8086的时钟和总线概念及其最小/最大工作方式v80286、80386、80486等高档微处理器 教学目的：教学目的：使学生掌握80X86微处理器的基本使用 教学重点：教学重点：8086微处理器的组成及其寄存器结构；8086微处理器的存储器和I/O组织 教学难点：教学难点：8086微处理器的存储器和I/O组织23.1 8086微处理器的内部结构微处理器的内部结构微型计算机是由具有不同功能的一些部件组成的，包含运算器和控制器电路的大规模集成电路，称为“微处理器”，又称“中央处理器（CPU）”，其职能是执行算术/逻辑运算，并负责控制整个计算机系统，使之能自动协调地完成各种操作。3.1.1 基本性能指标基本性能指标v16位微处理器；v采用高速运算性能的HMOS工艺制造，芯片上集成了2.9万只晶体管；v使用单一的+5V电源，40条引脚双列直插式封装；v时钟频率为5MHz10MHz，基本指令执行时间为.3ms0.6msv16根数据线和20根地址线，可寻址的地址空间达1MBv8086可以和浮点运算器、I/O处理器或其他处理器组成多处理器系统，从而极大地提高了系统的数据吞吐能力和数据处理能力。33.1.2 8086微处理器内部结构组成微处理器内部结构组成图3-18086CPU内部结构框图41执行部件执行部件EU执行部件中包含一个16位的算术逻辑单元（ALU），8个16位的通用寄存器，一个16位的状态标志寄存器，一个数据暂存寄存器和执行部件的控制电路。功能：从BIU的指令队列中取出指令代码，经指令译码器译码后执行指令所规定的全部功能。执行指令所得结果或执行指令所需的数据，都由EU向BIU发出命令，对存储器或I/O接口进行读/写操作。2总线接口部件总线接口部件BIU总线接口部件BIU内部设有四个16位段地址寄存器：代码段寄存器CS、数据段寄存器DS、堆栈段寄存器SS和附加段寄存器ES，一个16位指令指针寄存器IP，一个6字节指令队列缓冲器，20位地址加法器和总线控制电路。主要功能：根据执行部件EU的请求，负责完成CPU与存储器或I/O设备之间的数据传送。5等待取指1 执行1等待取指2 执行2等待取指3 执行3MPU总线忙闲忙闲忙闲传统微处理器的指令执行过程取指1取指2取指3取指4取指5取指6EU总线执行1执行2执行3执行4执行5执行6忙忙忙忙忙忙BIU8086CPU的指令执行过程63.1.3 8086CPU的寄存器结构的寄存器结构 8086CPU中可供编程使用的有14个16位寄存器，按其用途可分为3类：通用寄存器、段寄存器、指针和标志寄存器，如所示。累加器AHALBHBLCLDHDLCHSPSIDIIPFLAGSCSDSSSESBP基址寄存器计数寄存器数据寄存器堆栈指针寄存器基址指针寄存器源变址寄存器目的变址寄存器指令指针寄存器标志寄存器代码段寄存器段寄存器附加段寄存器堆栈段寄存器数据寄存器地址指针和变址寄存器控制寄存器通用寄存器数据段寄存器8086CPU内部寄存器结构71通用寄存器 通用寄存器分为数据寄存器与指针和变址寄存器两组。数据寄存器包括4个16位的寄存器AX、BX、CX和DX，一般用来存放16位数据，故称为数据寄存器。其中的每一个又可根据需要将高8位和低8位分成独立的两个8位寄存器来使用，即AH、BH、CH、DH和AL、BL、CL、DL两组，用于存放8位数据，它们均可独立寻址、独立使用。指针和变址寄存器包括指针寄存器SP、BP和变址寄存器SI、DI，都是16位寄存器,，一般用来存放地址的偏移量。这8个16位通用寄存器都具有通用性，从而提高了指令系统的灵活性。但在有些指令中，这些通用寄存器还各自有特定的用法，见下表。8表3.1通用寄存器的特定用法寄存器操作寄存器操作AX字乘，字除，字I/OCL变量移位，循环移位AL字节乘，字节除，字节I/O，查表转换，十进制运算DX字乘，字除，间接I/OAH字节乘，字节除SP堆栈操作BX查表转换SI数据串操作指令CX数据串操作指令，循环指令DI数据串操作指令92 2控制寄存器控制寄存器指令指针寄存器IP：是一个16位的寄存器，存放EU要执行的下一条指令的偏移地址，用以控制程序中指令的执行顺序，实现对代码段指令的跟踪。标志寄存器F：是一个16位的寄存器，共9个标志，其中6个用作状态标志，3个用作控制标志。（1）状态标志：状态标志用来反映EU执行算术和逻辑运算以后的结果特征。CF：进位标志；PF：奇偶标志；AF：辅助进位标志ZF：零标志；SF：符号标志；OF：溢出标志10（2）控制标志：控制标志是用来控制CPU的工作方式或工作状态。TF：陷阱标志或单步操作标志：IF：中断允许标志DF：方向标志3段寄存器段寄存器8086CPU共有4个16位的段寄存器，用来存放每一个逻辑段的段起始地址。（1）代码段寄存器CS（2）数据段寄存器DS（3）堆栈段寄存器SS（4）附加段寄存器ES113.1.4 8086CPU的外部引脚特性 GNDINTRNMICLKGND19INTA(QS1)TESTREADYRESET23914033843753663573483393210311130122913281427152616251724182319222021AD14AD11AD10AD9AD8AD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0RDMN/MXHOLD(RQ/GT0)BHE/S6AA17/S4A18/S5/SA16/S3AD15）VCC（+5VM/IO(S2)WR(LOCK)HLDA(RQ/GT1)DT/R(S1)DEN(S0)ALE(QS0)AD1213AD8086CPU引脚图123.2 8086微处理器的存储器和I/O组织 3.2.1 存储器的组织存储器的组织1存储器空间与存储器结构存储器是按字节进行组织的，两个相邻的字节被称为一个“字”。存放的信息若是以字节（8位）为单位的，将在存储器中按顺序排列存放；若存放的数据为一个字（16位）时，则将每一个字的低字节（低8位）存放在低地址中，高字节（高8位）存放在高地址中，并以低地址作为该字的地址。在组成与8086CPU连接的存储器时，1M字节的存储空间实际上被分成两个512字节的存储体，分别叫高位库和低位库。低位库固定与8086CPU的低位字节数据线D7D0相连，因此又可称它为低字节存储体，该存储体中的每个地址均为偶地址。高位库与8086CPU的高位字节数据线D15D8相连，因此又称它为高字节存储体，该存储体中的每个地址均为奇地址，如下图所示。1300001H00000H00003H00002H00005H00004H512K8（位）512K8（位）奇地址存储体偶地址存储体（A0=1）（A0=0）FFFFDHFFFFCHFFFFFHFFFFEH8086存储器的分体结构142存储器分段00000H图3-10存储器分段示意图逻辑段1 起点逻辑段2 起点逻辑段3 起点逻辑段4 起点FFFFFH逻辑段164KB逻辑段264KB逻辑段364KB逻辑段464KB153逻辑地址（LA）和物理地址（PA）物理地址：就是存储器的实际地址，它是指CPU和存储器进行数据交换时所使用的地址（20位）。逻辑地址：是在程序中使用的地址，它由段地址和偏移地址两部分组成（16位）。逻辑地址的表示形式为“段地址偏移地址”。物理地址物理地址=段地址段地址10H偏移地址偏移地址4专用和保留的存储器单元163.2.2 I/O端口的组织 1统一编址又称“存储器映射方式”。在这种编址方式下，I/O端口地址置于1MB的存储器空间中，在整个存储空间中划出一部分空间给外设端口，端口和存储单元统一编址。优点：无需专门的I/O指令，对端口操作的指令类型多，从而简化了指令系统的设计。缺点：端口占用存储器的地址空间，使存储器容量更加紧张，同时端口指令的长度增加，执行时间较长，端口地址译码器较复杂。172独立编址独立编址又称“I/O映射方式”。这种方式的端口单独编址构成一个I/O空间，不占用存储器地址空间。优点：端口所需的地址线较少，地址译码器较简单，采用专用的I/O指令，端口操作指令执行时间少，指令长度短。缺点：输入输出指令类别少，一般只能进行传送操作。183.3 8086CPU的总线周期和操作时序 3.3.1 8284A时钟信号发生器时钟信号发生器READY118217316415514613712 811 9108284ACSYNCPCLKAEN1RDY1RDY2AEN2CLKGNDVCCX1X2ASYNCEFIF/COSCRESRESET图3-128284A引脚特性19CLKT1总线周期总线周期地址缓冲数据地址缓冲数据地址/数据总线T2T3T4T1T2T3T4典型的8086总线周期波形图203.3.3 8086CPU的最小/最大工作方式 1最小工作方式所谓最小工作方式，就是系统中只有8086一个微处理器，是一个单微处理器系统。在这种系统中，所有的总线控制信号都直接由8086CPU产生，系统中的总线控制逻辑电路被减到最少。当把8086的33脚MN/接+5V时，8086CPU就处于最小工作方式了212最大工作方式当把8086的33脚MN/接地时，这时的系统处于最大工作方式。最大工作方式是相对最小工作方式而言的，它主要用在中等或大规模的8086系统中。在最大方式系统中，总是包含有两个或多个微处理器，是多微处理器系统。其中必有一个主处理器8086，其他的处理器称为协处理器223.3.4 8086CPU的操作时序 8086的主要操作有：1、系统的复位和启动操作。2、总线操作。3、暂停操作。4、中断响应操作。5、总线保持或总线请求/允许操作233.4 80286/80386/80486微处理器简介 3.4.180286微处理器简介180286的主要特性（1）增加地址线，使内存容量提高。（2）具有两种地址方式：实地址方式和保护虚地址方式。（3）使用虚拟内存。（4）寻址方式更加丰富（24种）（5）可以同时运行多个任务。（6）三种类型中断：硬件中断、软件中断的异常中断。（7）增加了高级类指令、执行环境操作类指令和保护类指令。（8）时钟频率提高24280286内部结构25380286的地址方式80286访问存储器时，有两种方式即实地址方式和虚地址保护方式。（1）实地址方式：80286加电后即进入实地址方式。在实地址方式下，80286与8086在目标码一级是向上兼容的，它兼容了8086的全部功能，8086的汇编语言源程序可以不做任何修改在80286上运行。（2）虚地址保护方式：此方式是集实地址方式、存储器管理、对于虚拟存储器的支持和对地址空间的保护为一体而建立起来的一种特殊工作方式，使80286能支持多用户、多任务系统。263.4.2 80386微处理器简介 180386的主要特性（1）灵活的32位微处理器，提供32位的指令。（2）提供32位外部总线接口，最大数据传输速率为32Mbps。（3）具有片内集成的存储器管理部件MMU，可支持虚拟存储和特权保护。（4）具有实地址方式、保护方式和虚拟8086方式。（5）具有极大的寻址空间。（6）通过配用数值协处理器可支持高速数值处理。（7）在目标码一级与8086、80286芯片完全兼容。27280386内部结构28380386的寄存器结构80386中共有7类32个寄存器，它们是：通用寄存器、段寄存器、指令指针和标志寄存器、控制寄存器、系统地址寄存器、排错寄存器和测试寄存器。480386的工作方式（1）实地址方式：系统启动后，80386自动进入实地址方式。此方式下，采用类似于8086的体系结构（2）保护方式：是指在执行多任务操作时，对不同任务使用的虚拟存储器空间进行完全的隔离，保护每个任务顺利执行。（3）虚拟8086方式：是指一个多任务的环境，即模拟多个8086的工作方式。293.4.3 80486微处理器简介 180486的主要特性（1）首次增加RISC技术。（2）芯片上集成部件多。数据高速缓存、浮点运算部件、分页虚拟存储管理和80387数值协处理器等多个部件。（3）高性能的设计。（4）完全的32位体系结构。（5）支持多处理器。（6）具有机内自测试功能，可以广泛地测试片上逻辑电路、超高速缓存和片上分页转换高速缓存。30280486的基本结构31380486的工作方式80486有如图3-24所示的3种工作方式，即实地址方式、保护方式和虚拟方式。LMSW指令CR0修改指令实地址方式保护方式虚拟8086方式复位信号复位信号修改CR0指令中断IRTED指令任务转换复 位 信号32 本章小结本章小结 本章针对本章针对80868086微处理器及其体系结构做了详细介绍。微处理器及其体系结构做了详细介绍。80868086微处理器从功能结构上可以划分为执行部件和总线微处理器从功能结构上可以划分为执行部件和总线接口部件两大部分。接口部件两大部分。80868086微处理器的寄存器使用非常灵活，微处理器的寄存器使用非常灵活，8086CPU8086CPU可可供编程使用的有供编程使用的有1414个个1616位寄存器，按其用途可分为通用位寄存器，按其用途可分为通用寄存器、段寄存器、指针和标志寄存器。要掌握各个寄寄存器、段寄存器、指针和标志寄存器。要掌握各个寄存器的使用方法和隐含用法、微处理器的内部结构组成、存器的使用方法和隐含用法、微处理器的内部结构组成、寄存器结构；要掌握存储器的分段管理、物理地址和逻寄存器结构；要掌握存储器的分段管理、物理地址和逻辑地址的换算及辑地址的换算及I/OI/O端口的编址方式、端口的编址方式、80868086的时钟和总的时钟和总线概念及其最小线概念及其最小/最大工作方式。最大工作方式。本章最后对本章最后对80X8680X86的系列产品等高档微处理器的特点的系列产品等高档微处理器的特点及基本结构做了介绍。及基本结构做了介绍。33THANK YOU VERY MUCH本章到此结束，本章到此结束，谢谢您的光临！谢谢您的光临！