天津大学硬件第2章

null第2章 微处理器基础第2章 微处理器基础2.1 概述2.1 概述微处理器是微型计算机核心 微型机发展与微处理器发展密切相关 发展是8086/8088、80286～80486、Pentium(80586)系列 16位微处理器(8086/8088)是基础 下章介绍32位及以上微处理器单击图片，看插入芯片录像主要内容主要内容 8086微处理器内部寄存器 8086微处理器功能结构、引脚、工作原理 8086的存储器组织 下面分别介绍2.2 8086CPU内部寄存器2.2 8086CPU内部寄存器寄存器(Register)：用于存放信息(指令、数据） 有14个16位寄存器，每个寄存器有一个名字 CPU读/写寄存器比内存快得多 在用汇编语言编写程序时,可以直接使用寄存器 程序设计中惟一可见的CPU部件 是系统程序设计员的操作对象下面分别介绍寄存器分三类寄存器分三类下面分别介绍SPIPFLAGSAHALBHBLCHCLDHDLAX BX CX DXBPSIDICSDSESSS8个通用寄存器2个控制寄存器4个段寄存器8个通用寄存器 4个段寄存器 2个控制寄存器 2.2.1 通用寄存器2.2.1 通用寄存器包括： 1.数据寄存器(AX，BX，CX，DX):存放运算的数据和结果 2.地址指针寄存器(SP，BP): 存放内存的偏移地址 3.变址寄存器(SI，DI):在变址寻址方式中存放索引地址下面分别介绍1.数据寄存器(重点)1.数据寄存器(重点) 存放运算需要的数据和运算结果 含4个16位数据寄存器，分为8个8位寄存器 AX AH，AL 例 MOV AX,1234H BX BH，BL 例 MOV AH,12H CX CH，CL 例 MOV AL,34H DX DH，DL数据寄存器习惯用法数据寄存器习惯用法 AX：累加器(Accumulator寄存器) 所有I/O指令都通过AX与接口传送信息,中间运算结果也放AX中 BX：基址寄存器(Base寄存器) 在间接寻址中用于存放基地址 CX：计数寄存器(Count寄存器) 用于在循环或串操作指令中存放计数值 DX：数据寄存器(Data寄存器) 在间接寻址的I/O指令中存放I/O端口地址 在32位乘除法运算时，存放高16位数。2.地址指针寄存器2.地址指针寄存器 SP(Stack Point): 堆栈指针寄存器，存放栈顶的偏移地址 BP(Base Point): 基址指针寄存器，存放内存单元偏移地址 BX与BP在应用上的区别 做通用寄存器，二者均可用于存放数据； 做基址寄存器，用BP时示数据在堆栈段，用BX数据在数据段栈顶SP××××××栈首单元堆栈 段栈底偏移量3.变址寄存器3.变址寄存器 SI：源变址寄存器(Source Index) DI：目标变址寄存器(Destination Index) 变址寄存器常用于指令的间接寻址或变址寻址 在串操作指令(或成批数据操作指令)中，用SI存放源操作数的偏移地址，用DI存放目标操作数的偏移地址。源操作数目标操作数SIDI将数据从SI处移到DI处2.2.2 段寄存器(重点)2.2.2 段寄存器(重点)将内存储器分成若干个逻辑段,每段为64KB 段寄存器用于存放相应逻辑段的段基地址 CS(Code Segment)： 代码段寄存器,存放代码段的基地址 DS(Data Segment)： 数据段寄存器,存放数据段的基地址 ES(Extra Segment)： 附加段寄存器,存放附加段的基地址 SS(Stack Segment)： 堆栈段寄存器,存放堆栈段的基地址存放数据存放数据CSDSESSS 存放代码段可重叠2.2.3 控制寄存器(IP) 2.2.3 控制寄存器(IP) 包括：IP、FLAGS 1.IP：指令指针寄存器（Instruction Point） 内容为下一条待取指令的偏移地址 偏移地址、段基地址共同确定待取指令的内存实际地址 CPU从内存取出指令后，修改IP，使之指向下一条待取指令 IP由程序自动控制，程序员不能直接使用 2.FLAGS：标志寄存器见下页 2.2.3 控制寄存器(FLAGS)2.2.3 控制寄存器(FLAGS)FLAGS：标志寄存器 存放系统的一些标志信息，如运算结果特征、系统状态 由系统自动控制，程序员不能直接改变它 状态标志位（CF，SF，AF，PF，OF，ZF） 控制标志位（IF，TF，DF）标志寄存器的标志位(重点)标志寄存器的标志位(重点)CF（Carry Flag）—— 进位或借位标志位 ZF（Zero Flag） —— 零标志位 OF（Overflow Flag） —— 溢出标志位 SF（Sign Flag） —— 符号标志位 PF（Parity Flag） —— 奇偶标志位 AF（ Auxiliary Flag） —— 辅助进位标志位 有些指令(如算术指令)影响FLAGS的值，有些不影响例下页指令影响标志位例题1指令影响标志位例题1 b15 b14 b13 b12 b11 b10 b9 b8 b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 + 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1 执行一条加法指令，计算 15439H＋476AH 后，标志位的值是多少？结论：CF=0 ZF=0 SF=1 PF=1 AF=1 OF=0 5 B A 3指令影响标志位例题2指令影响标志位例题2 b15 b14 b13 b12 b11 b10 b9 b8 b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 执行一条加法指令，计算6400H＋7A3CH后，标志位的值是多少？结论：CF＝0，PF＝1，AF＝0，ZF＝0，SF＝1，OF＝1 D E 3 C2.3 8086CPU的功能结构2.3 8086CPU的功能结构按功能分为两大部分： 1.执行单元（EU – Execute Unit） 2.总线接口单元（BIU – Bus Interface Unit)结构图下页 EU BIU功能是执行指令 功能是传送信息（存储器、I/O设备）8086CPU的结构框图8086CPU的结构框图20位ALU运算寄存器标志执行部件 控制电路16位CS DS SS ES IP 内部暂存器8位1 2 3 4 5 6执行部件(EU） 输入/输出 控制电路16位 外部总线 指令队列总线接口部件(BIU)通用寄存器地址 加法器运算器 通用寄存器8个 标志寄存器1个 EU控制器件段寄存器 地址加法器 指令预取队列 总线控制器件总线接口单元BIU的功能总线接口单元BIU的功能由指令预取单元负责从指定内存单元取出指令，送到指令队列中排队。 8088指令队列是6字节的RAM存储器(8088为4字节)，队列中最多可存放6个字节的指令，取来的指令按字节顺序存放。 当队列有两个以上指令字节空时，BIU自动执行总线操作，继续取指令。 执行指令时，如要取操作数，也由BIU从内存或I/O接口指定区域取出，送给EU部件去执行。负责传送信息（与存储器、输入输出设备）执行单元EU的功能执行单元EU的功能负责从BIU中的指令队列中取得指令和数据。 当指令向存储器和I/O电路读或写数据时，EU向BIU发出请求，BIU自动完成这些操作。 若执行转移指令，则存在指令队列缓冲器中的指令就没用了，应到新的地址单元取出指令。BIU新取出的第一条指令直接送到EU中执行，随后重新填充指令队列。负责翻译和执行指令引入指令预取队列的优势引入指令预取队列的优势EU和BIU两部分(取指令和执行指令)同时工作，提高CPU效率 降低对存储器存取速度的要求(指令已放到指令预取队列中)指令预取队列内存2.3.3 微处理器工作方式比较2.3.3 微处理器工作方式比较有两种工作方式：串行方式、并行方式 串行方式: 取指令和执行指令在不同时刻按顺序执行 并行方式: 取指令和执行指令同时工作。需要硬件支持取指令指令译码取操作数执行指令存放结果DecodeFetchFetchExecutePut串行方式和并行方式的特点串行方式和并行方式的特点 8086以前的CPU采用串行工作方式 8086以后CPU采用并行流水线工作方式取指令1执行1取指令2执行2CPUBUS状态取指令3执行3取指令4执行1忙CPU串行方式并行流水线方式BUS状态取出的指令先放到CPU中的指令预取队列中,排队等待执行…闲忙闲忙取指令2执行2取指令3执行3…取指令1忙忙忙忙闲8086CPU特点8086CPU特点 采用并行流水线工作方式： 由指令预取单元把从内存取出的指令先存到CPU中的指令预取队列，实现取指令和执行指令的并行流水线工作方式，提高CPU效率。 对内存空间实行分段管理： 内存分为多个段，设置地址段寄存器，实现1MB空间寻址 支持多处理器系统 内存 分段指令预取队列段可重叠2.4 8086CPU的工作模式及引脚信号2.4 8086CPU的工作模式及引脚信号 8086有两种工作模式：最小模式和最大模式。 最小模式(单处理机模式): 控制信号少，一般不必接总线控制器。 最大模式(多处理机模式)： 控制信号多，须通过总线控制器与总线相连。 注意：80286以后的CPU不再区分这两种工作模式 下面分别介绍最小模式连接示意图最小模式连接示意图时钟发 生 器8086 CPU• •控制总线数据总线地址总线地址 锁存数据 缓存只有一个CPU最大模式连接示意图最大模式连接示意图 8086 CPU数据总线地址总线地址 锁存数据 缓存总 线 控制器控制总线必须通过总线控制器与总线相连其他CPU时钟发 生 器8086CPU引线概述8086CPU引线概述 引脚分类(按信息类型)：地址线、数据线、控制线三类 单信息引脚：每个引脚只传送一种信息（如 RD） 一脚两用：通过引脚电平的高低进行区别（如 M/IO） 不同含义引脚：不同方式下，名称和定义不同(如 WR/LOCK) 分时复用引脚：如AD15～AD0，有时做地址线，有时做数据线 双向引脚：既可做输入引脚，也可做输出引脚（RQ/GT0等） 共40条引线工作模式引脚MN/MX工作模式引脚MN/MX MN/MX=0：工作于最大模式 MN/MX=1：工作于最小模式8086 CPUMN/MX8086 CPUMN/MX0 (接地GND)1 (接Vcc)最大模式最小模式最小模式控制信号引线最小模式控制信号引线WR(Write)：写信号，低电位有效，表示CPU正在对内存或外设进行写操作。 RD(Read)：读信号，低电位有效，表示CPU正在对内存或外设进行读操作。 M/IO(Memory/IO)：区分是访问内存还是访问I/O设备，高电平时访问内存，低电平时访问外设。 DEN(Data Enabled)：数据允许信号，低电平有效，表示数据线上存在有效数据，即表示允许读/写操作 例 当WR=1，RD=0，M/IO=1, DEN=0时，表示CPU正在读内存接下页最小模式控制信号引线最小模式控制信号引线READY：准备好信号，由存储器或I/O设备发出 DT/R(Data Transmit/Receipt)： 数据传送/接收控制信号。高电位时表示CPU向内存或I/O设备传送数据，低电位时表示CPU接收内存或I/O设备的数据。 接下页最小模式控制信号引线最小模式控制信号引线BHE/S7(Byte High Enabled/State)： 字节高位数据总线允许控制/状态 分时复用信号线。为低电位时，表示可使用16位数据线AD0～AD15，否则只能使用8位数据线AD0～AD7。 ALE(Address Lock Enabled)：地址锁存允许信号，高电位有效，表示CPU地址线上存在有效地址 RESET：系统复位信号接下页最小模式下的地址、数据引线最小模式下的地址、数据引线 AD15～AD0： 地址、数据分时复用信号线。 当ALE=1时，用于传输地址信号，单向传输。 当DEN=0时，用于传输数据信号，双向传输。 A19/S3～A16/S6： 地址、状态分时复用信号线。 当访问内存时，为高4位地址信号。 其他时候为状态信号接下页中断请求和响应信号(重点)中断请求和响应信号(重点) INTR(Interrupt Request) 可屏蔽中断请求信号(输入端) NMI(Not Masked Interrupt) 非屏蔽中断请求信号(输入端) INTA(Interrupt Acknowledge) 中断响应信号(输出端)INTRCPUNMIINTA接下页总线保持信号(重点)总线保持信号(重点) HOLD： 总线保持请求信号输入端。当CPU以外的其他设备要求占用总线时，通过该引脚向CPU发出请求。 HLDA(HOLD Acknowledge)： 总线保持响应信号输出端。CPU对HOLD信号的响应信号。HOLD CPUHLDA 输入信号输出信号2.5 工作时序2.5 工作时序 工作时序: 当微处理器执行指令时，要送出一系列控制信号，这些控制信号在时间上的关系称为微处理器的时序。 微处理器的工作时序可分为4种类型的周期： 时钟周期、总线周期、机器周期和指令周期。（见下页）1.时钟周期(Clock Cycle) 1.时钟周期(Clock Cycle) 也称T状态，是微处理器处理动作的最小时间单位。 时钟周期值由系统时钟f确定，两者关系是T=1/f。 时钟周期越短，CPU执行速度越快。 例如，8086时钟频率为5MHz，即时钟周期为200ns。 是计算机的基本工作脉冲，控制计算机的工作节奏 2.总线周期(Bus Cycle) 2.总线周期(Bus Cycle) 通过总线对存储器或I/O接口进行一次访问需要的时间 包括多个时钟周期。执行一条指令需要若干个总线周期3.机器周期(Machine Cycle)3.机器周期(Machine Cycle)完成一个基本操作需要的时间称为机器周期。 一条指令的执行过程被划分为若干个阶段，每个阶段做一项基本操作。基本操作有取指令、读存储器、写存储器等。 一个机器周期由若干个S(State)周期(状态周期)组成。 4.指令周期(Instruction Cycle) 4.指令周期(Instruction Cycle) 执行一条指令所需时间 不同指令，指令周期不同 一个指令周期由若干个机器周期组成 简单指令只需一个机器周期，复杂需若干个机器周期 指令周期 >= 机器周期 > 时钟周期 长到短2.6 8086/8088存储管理(重点)2.6 8086/8088存储管理(重点)8086存储器：1MB (220 B) 按字节寻址：每个字节有一个地址 存储器分成：若干个逻辑段 原因：都是16位寄存器 段寄存器：存放段的基地址 每段为：216B=64KB 逻辑 段首单元某单元物理地址下页由逻辑地址算出物理地址由逻辑地址算出物理地址逻辑地址写成：xxxxH : yyyyH 段基地址 段内偏移地址 如： 1E00:3800H 计算物理地址：段基地址×10H+段内偏移地址 如： 1E00×10H+3800H=1E000+3800=1E3800H0 0 0 0段基地址(16位)段首地址(后4位是0)× × × • • •× × ×例题下页某 段某单元 偏移量首单元计算物理地址举例1计算物理地址举例1设:某段的基地址为6000H 求:1)段首的物理地址 2)偏移量为9的物理地址 解： 1)段首的物理地址 6000H×16+0000H=60000H 2)偏移量9单元的物理地址 6000H×16+9H=60009H 逻辑 段首单元××段基址6000H 偏移地址9H计算物理地址举例2计算物理地址举例2 已知各段的基地址： CS=1055H，DS=250AH ES=2EF0H，SS=8FF0H 求各个段首的物理地址？ 结果:10550H 250A0H 2EF00H 8FF00HCSDSESSS 堆栈段堆栈段堆栈：内存中的一个逻辑段，用于存放暂时不用或需要保护的数据。 用途：用于响应中断或子程序调用 指针：栈顶、栈底 堆栈操作：入栈、出栈 操作原则：先进后出程序 栈顶SP┇ ┇ 栈底 . . . 调用子程序 . . .子程序. . . . . . 返回调用处 为什么能够返回调用处？ 计算堆栈地址举例计算堆栈地址举例已知： SS=1000H，SP=2000H，堆栈段最后一个单元的物理地址为13000H。 问：堆栈段的段首物理地址=？ 　　栈顶物理地址=？ 栈底偏移地址=？ 答：堆栈段的首地址=10000H 栈顶地址=12000H 栈底偏移地址=3000H段首栈底栈顶堆 栈 段填空题(更多习题见)填空题(更多习题见教材)CS、DS、SS、ES表示的寄存器是____、____、____和____。 ____段用于存放当前要执行的指令段，只有已经放到___段的指令才能被执行。___段用于存放指令要访问的数据，___段用于临时存放一些数据。 标志寄存器中有若干个状态标志位。CF是____标志位、OF是____标志位，ZF是___标志位，SF是____标志位。当运算结果为零时，ZF值变为__，否则值为___。标志寄存器由系统___控制，程序员不能直接_____。 8086微处理器按功能分为两个部件，即__和__，前者负责__，后者负责__。 微处理器中的ALU(Arithmetic Logical Unit)称为__，用于___运算和___运算，运算结果的特征反映在____寄存器中。 CPU串行工作方式是指___和___不能同时进行，要在___时刻按顺序执行。CPU并行流水线工作方式是指___和____同时进行。null若内存逻辑段的段内采用16根地址线寻址，则一个段的地址最大值是____。 设某存储单元的逻辑地址为1E00:3800H。1E00是___地址，3800H是____地址。 对应的物理地址是_______。 设CS段的基地址为1055H，CS段首单元的物理位地址是____。 设SS=1000H，SP=2000H，堆栈段首单元的物理地址是____，栈顶单元的物理地址是____。简答题简答题什么是CPU的串行工作方式和并行工作方式？ CPU内部EU的中文含义和功能，BIU的中文含义和功能。 标志寄存器的状态标志位CF、ZF、SF、OF、PF、AF各自的作用和取值。 堆栈的用途、操作和操作原则。堆顶和堆首的区别。