1、第4章 16位微处理器,4.1 16位微处理器概述微处理器(microprocessor)是微型计算机的运算及控制部件，也称为中央处理单元(CPU)。通常微处理器由算术逻辑部件(ALU)、控制部件、寄存器组和片内总线等组成。见下图。,第4章 16位微处理器,4.1 16位微处理器概述1971年，Intel公司设计了世界上第一个微处理器芯片Intel4004，开创了一个全新的计算机时代。微处理器经历了许多代，集成度越来越高，功能越来越强，性能越来越高。第1代：4位和低档8位微机400440408008第2代：中高档8位微机Z80、I8085、M6800，Apple-II微机第3代：16位微机80
2、86808880286，IBM PC系列机第4代：32位微机8038680486PentiumPentium II Pentium III Pentium 432位PC机、Macintosh机、PS/2机第5代：64位微机Itanium、64位RISC微处理器芯片微机服务器、工程工作站、图形工作站,第4章 16位微处理器,第4章 16位微处理器,Intel4004和采用4004的计算器,IBM PC系列机,8088CPU,IBM PC机,IBM PC/AT机,IBM PC/XT机,英特尔微处理器芯片,80386,Pentium,Pentium 4,4.1 16位微处理器概述本章介绍16位微处理
3、器8086/8088的内部结构和工作原理。8086和8088 CPU的内部基本相同，但它们的外部性能是有区别的。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8088 CPU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有较多的外部存储操作，所以，对于相同的程序，它将执行得较慢。这两种微处理器都采用相同的40脚双列直插式(DIP)封装。4.2 8086/8088 CPU的结构8086/8088 CPU从功能上可分为两部分，即总线接口部件BIU
4、(bus interface unit,缩写为BIU)和执行部件EU(execution unit,缩写为EU). 8086/8088 CPU的内部结构如下图所示：,第4章 16位微处理器,8088的内部结构,1 2 3 4,内部暂存器,IP,ES,SS,DS,CS,输入/输出控制电路,外部总线,执行部分控制电路,ALU,标志寄存器,AH AL,BH BL,CH CL,DH DL,SP,BP,SI,DI,通用寄存器,地址加法器,指令队列,执行部件 （EU),总线接口部件 （BIU),16位,20位,8位,8位,第4章 16位微处理器,4.2.1 执行部件执行部件EU的功能就是负责指令的执行，对
5、指令进行译码，并利用内部的寄存器和ALU对数据进行所需的处理。执行部件EU有下列部分组成：4个通用寄存器，即AX BX CX DX;4个专用寄存器，即基数指针寄存器BP、堆栈指针寄存器SP、源变址寄存器SI、目的变址寄存器DI;标志寄存器；算术逻辑单元。说明：4个通用寄存器既可以作为16位寄存器使用，也可以作为8位寄存器使用。AX寄存器也称为累加器。许多指令都是利用累加器来执行的。算术逻辑部件主要是加法器，绝大部分指令的执行都是由加法器完成的。标志寄存器共有16位，其中7位未用，格式如下表所示，各位的含义见课本75页表4-1,第4章 16位微处理器,根据功能，8086/8088的标志可以分为两
6、类：一类叫状态标志，另一类叫控制标志。状态标志表示前面的操作执行后，ALU处于何种状态，该状态会影响后面的操作；控制标志是人为设置的，指令系统中有专门的指令用于控制标志的设置和清除，每个控制标志都对某一特定的功能起控制作用。状态标志有6个，即SF、ZF、PF、CF、AF、OF。SF：符号标志，和运算结果的最高位相同，表示运算结果是正还是负。ZF：零标志，表示当前的运算结果是否为零，是则为1，否则为0。PF：奇/偶标志，如运算结果低8位中所含的1的个数为偶数，则为1，否则0CF：进位标志，当执行一个加法运算使最高位产生进位时，或者执行一个减法运算引起最高位产生借位时，CF为1，此外，循环指令也会
7、影响这一标志。AF：辅助进位标志，如果当进行加法运算时，第三位向第四位进位，或者进行减法运算时，第三位从第四位借位，则AF为1。辅助进位标志一般在BCD码运算中作为是否进行十进制调整的判断依据。OF：溢出标志，运算结果产生溢出则为1，否则为0。例题：,0010 0011 0100 0101,0011 0010 0001 1001,0101 0101 0101 1110,0101 0100 0011 1001,0100 0101 0110 1010,1001 1001 1010 0011,SF=0,ZF=0,PF=0,CF=0,AF=0,OF=0,SF=1,ZF=0,PF=1,CF=0,AF=1
8、,OF=1,+,+,第4章 16位微处理器,控制标志有3个，即DF、IF、TF。DF：方向标志，控制串操作指令。如果DF=0，则串操作过程中地址会不断增值；如果DF=1，则串操作过程中地址会不断减值；IF：中断标志，控制可屏蔽中断。如果IF=0，则CPU不能对可屏蔽中断请求作出响应；如果IF=1，则CPU可以响应可屏蔽中断请求。TF：跟踪标志，如果TF=1，则CPU按跟踪方式执行指令。这些控制标志一旦设置之后，便对后面的操作产生控制作用。4.2.2 总线接口部件BIU总线接口部件的功能是负责与存储器、I/O端口传送数据。具体讲，总线接口部件要从内存取指令送到指令队列；CPU执行指令时，总线接口
9、部件要配合执行部件从指定的内存单元或外设端口中取数据，将数据传送给执行部件，或者把执行部件的操作结果传送到指定的内存单元或外设端口中。总线接口部件由下列个部分组成：4个段地址寄存器，即CS、DS、ES、SS；16位的指令指针寄存器IP;20位的地址加法器；6字节的指令队列；,第4章 16位微处理器,说明：8086的指令队列为6个字节，8088的指令队列为4个字节。取指过程和指令执行过程重叠进行。地址加法器用来根据16位寄存器提供的信息计算出20位的物理地址。8086可用20位地址寻址1M字节的内存空间。总线接口部件和执行部件的动作管理：每当8086的指令队列中有2个空字节或8088的指令队列中
10、有1个空字节时，总线接口部件就会自动把指令取到指令队列中。每当执行部件准备执行一条指令时，它会从总线接口部件的指令队列前部取出指令的代码，然后用几个时钟周期去执行指令。在执行指令的过程中，如果必须访问存储器或者I/O设备，那么EU就会请求BIU进入总线周期去完成访问存储器或者I/O设备的操作；如果此时BIU正好处于空闲状态，就会立即响应EU的总线请求，如果此时BIU正在进行取指令操作，那么BIU首先完成取指令操作，然后再去响应EU发出的访问总线的请求。当指令队列已满，而且EU对BIU又没有总线访问请求时，BIU便进入空闲状态在执行转移指令、调用指令和返回指令时，下面要执行的指令就不是顺序排列的
11、那条指令了，这时指令队列中已经装入的字节就没有用了。此时，指令队列中的原有内容被自动清除，BIU会接着往指令队列中装入另一个程序段中的指令。,第4章 16位微处理器,4.2.3 存储器结构8086/8088系统中存储器按字节编址，可寻址的存储器空间为1MB。,第4章 16位微处理器,4.2.3 存储器结构存储器的分段：8086/8088系统把1M存储空间分成若干个逻辑段，每个逻辑段容量64KB。逻辑段可以在存储空间中浮动，段与段之间可以重叠。16字节的存储空间称为1节，要求各个逻辑段从节的整数边界开始，即段首地址低4位是0，因此就把段首地址的高16位称为“段基址”，存放在段寄存器中，段内的“偏
12、移地址” 放在IP或SP中。存储器中的逻辑地址和物理地址：逻辑地址：由段基址和偏移地址构成，16位。物理地址：实际地址、绝对地址，20位。程序用逻辑地址编址，而不是用物理地址。逻辑地址到物理地址的转换(由BIU中的地址加法器实现)：物理地址=段基址16+段内偏移地址例如：CS=2000H,IP=2200H,则物理地址=22200H4个段寄存器分别指向4个现行可寻址的分段的起始字节单元。一般指令程序存放在代码段中，段地址来源于代码段寄存器，偏移地址来源于指令指针IP。当涉及到一个堆栈操作时，段地址寄存器为SS，偏移地址来源于栈指针寄存器SP。当涉及到一个操作数时，则DS或ES作为段寄存器，而偏移
13、地址为16位偏移量，该偏移量取决于指令的寻址方式。,8088的指令执行过程,习题,一、填空题1、8086/8088CPU内部结构按功能分为两部分，即 和 。2、CPU中的总线接口部件BIU，根据执行部件EU的要求，完成与 或 的数据传送。3、8086中的BIU由 个 位段寄存器、一个 位指令指针、 字节指令队列、 位地址加法器和 控制电路组成。4、8086/8088的执行部件EU由 个通用寄存器、 个专用寄存器、一个标志寄存器和 等构成。5、根据功能不同，8086的标志位可分为 标志和 标志。6、物理地址是指实际的 位主存单元地址，每个存储单元对应唯一的物理地址，其范围是。7、8086/8088的状态标志有 个，控制标志有 个。二、是非判断题1、8086/8088标志寄存器共有16位，每一位都有含义。（ ）2、8086/8088的逻辑段不允许段的重叠和交叉。（ ）3、8086/8088的数据总线都是16位。（ ）4、执行转移、调用和返回指令时，指令队列中的原内容不会被清除。（ ）5、8086与8088在软件上不一定完全兼容。（ ）,
