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第 2 章 8086微处理器

本章内容 2.18086 微处理器 Intel X86 系列微处理器 8086微处理器的编程结构 8086的引脚信号与工作模式 8086的操作和时序 8086的中断系统 8086的存储器组织和 IO 组织. 第 2 章 8086微处理器. 取指令， IP 值加 1. Y. 停机？. N. 译码并执行. 结束. 微处理器 性能指标 主要有 2 项： 1. 字长： 指 CPU 能同时处理的数据位数 如： 8086 为 16 位字长， 80386 为 32 位字长 2. 主频： 即 CPU 时钟频率，主频越高，速度越快

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第 2 章 8086微处理器

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  1. 本章内容 • 2.18086微处理器 • Intel X86系列微处理器 • 8086微处理器的编程结构 • 8086的引脚信号与工作模式 • 8086的操作和时序 • 8086的中断系统 • 8086的存储器组织和IO组织 第2章 8086微处理器

  2. 取指令，IP值加1 Y 停机？ N 译码并执行 结束 • 微处理器性能指标主要有2项： 1. 字长：指CPU能同时处理的数据位数 • 如：8086为16位字长，80386为32位字长 2. 主频：即CPU时钟频率，主频越高，速度越快 • 如：8086为5MHz，80386为16MHz，Pentium IV可达3GHz • 指令执行过程 • 取指令  指令译码  指令执行 • 微型计算机的工作过程， • 也就是不断地取指令、译码 • 和执行的过程，直到遇到停机 • 指令时才结束机器的运行。 • 流水线的概念

  3. Intel X86系列微处理器 • 8080 • 8085 • 8086 • 80186(嵌入式版本） • 80286 • 80386，80486，pentium, pentiumII, pentiumIII, pentiumIV • P2,P3,P4…

  4. 2.1.1 8086微处理器的编程结构 • 简介 • 地址线：20 • 数据线：16 • 时钟：5，10，8MHz • 关于8088

  5. 8086编程结构图 两个组成部分 总线接口单元 执行单元

  6. 总线接口部件(BIU)组成 • 4个16位段寄存器CS,DS,SS,ES; • 16位指令偏移地址寄存器IP; • 6个字节指令队列ISQ; • 形成20位物理地址的加法器∑; • 与EU通讯的内部寄存器； • 总线控制逻辑；

  7. 总线接口部件(BIU)功能 • 指令队列中出现两个字节为空时自动按CS值和IP值组成20位实际地址到存储器中去取指令，一次取两个字节指令存放到指令队列中； • 由EU从指令队列中取走指令，并根据EU请求BIU将20位操作地址传送给存储器； • 取来操作数经总线控制逻辑传送到内部EU数据总线，由EU完成内部操作； • 操作结果若EU提出请求，则由BIU负责产生20位实际目标地址，将结果写入存储器里；

  8. 由逻辑地址获得物理地址的计算公式： • 物理地址＝段基值X16+偏移量

  9. 举例 段寄存器 XXXX 偏移量 YYYY 例如：CS=FE00H, IP=0200H 指令的物理地址：FE200H

  10. 执行单元EU组成 • ALU（算术逻辑单元）； • 通用寄存器组 AX,BX,CX,DX; • BP(基址指针寄存器) • SP(堆栈指针寄存器) • SI(源变址寄存器) • DI(目的变址寄存器) • 标志寄存器FR • 执行部件控制电路 • 功能：负责执行指令

  11. EU功能 • 取指令-从BIU指令队列中读取指令； • 分析指令-由EU控制电路对指令进行译码分析，指出操作性质及对象； • 执行指令 • 在EU中计算出操作数的16位地址偏移量送给BIU，由BIU的∑形成20位绝对地址； • 将取来的操作数经系统数据总线送ALU进行指定操作； • 运算结果经内部总线送到指定位置；

  12. 8086的寄存器 • 在8086/8088CPU中，把寄存器分成5大类： • 数据寄存器； • 地址指针寄存器； • 段基址寄存器； • 状态标志寄存器； • 指令指针寄存器；

  13. （一）数据寄存器 • 用来存放操作数及中间结果的通用寄存器称为数据寄存器。 • 16位寄存器：AX,BX,CX,DX • 8位寄存器：AH,AL,BH,BL,CH,CL,DH,DL • 寄存器有特殊功能：AX和AL为累加器，BX和BP可以作为基址指针，CX做计数器，DX存放输入输出端口地址

  14. （二）地址指针寄存器（SP BP SI DI) • 地址指针寄存器用于存放操作数的地址，编程时通过修改寄存器的内容达到修改地址的目的。 • 可以用来指示地址的寄存器有： • SP:堆栈指针，指示堆栈段（关于段SS）中的栈顶位置，专门用于数据进栈和出栈的位置指示； • BP:基址指针，指示堆栈段中一个数据区中的基址位置； • 此外：BX,SI,DI也可以用做指示地址。 • SI：源指针 • DI：目的指针

  15. 堆栈的概念－后进先出 • 后进先出（先进后出） • 队列（先进先出） • PUSH • SP-2 • BYTE(L)在低地址 • BYTE(H)在高地址 • POP • 弹出一个字 • SP+2 SP

  16. （三）段地址寄存器(CS DS SS ES) 段基址寄存器用于存放4个当前段的起始地址。4个段为：代码段CS，数据段DS，堆栈段SS和附加段ES。 1、存储器的段 8086/8088CPU对可寻址的1MB空间划分为很多个逻辑段，每个逻辑小于64KB，段内地址是连续的。 CPU规定4个段寄存器存放当前可寻址的段基址。 • CS指示当前的代码段； • DS指示当前的数据段； • SS指示当前的堆栈段； • ES指示当前的附加段； 2、逻辑地址与实际地址 （1）对存储器的任一位置的访问都是在该位置所在的段基址下进行的。 逻辑地址形式为： 段基址：段内位移 （物理地址）20 =（段基址）╳16+（段内偏移） 如访问一个地址C85F:109A对应的实际地址为C85F0+109A=C968AH （2）同一个实际地址可以采取不同的逻辑地址形式表示，即不同段可以相互重叠。 例如：地址12345H可以表示为1200:0345或1230:0045

  17. 进位标志 方向标志 控制标志 奇偶标志 中断标志 半进位标志 跟踪标志 零标志 Trace Flag 符号标志 溢出标志 标志寄存器 • 标志寄存器的格式及各位的含义 状态标志

  18. 状态标志 • 1.零标志ZF（Zero Flag）：若运算结果为0，则ZF＝1；否则ZF＝0。 • 例1：MOV AL,4 • SUB AL,4 • 例2：XOR AX,AX • 执行后，ZF也一定为1。

  19. 2.进位标志CF（Carry Flag）： 它反映： • 加法时，最高位（字节操作时的D7位，字操作时的D15位）是否有进位产生。 • 减法时，最高位（字节操作时的D7位，字操作时的D15位）是否有借位产生。 例1： 例2： MOV AL,3; MOV AL,92H SUB AL,4; ADD AL,0A0H 执行后，CF＝1。

  20. 3.奇偶标志PF（Parity Flag）：若运算结果低8位中“1”的个数为偶数，则PF＝1；否则PF＝0。 例：MOV AL,2 ADD AL,1 执行后，PF位为1。

  21. 4.辅助进位标志AF（Auxiliary carrry Flag）： • 也称“半进位标志”，它反映： • 加法时，第3位向第4位有进位; • 减法时，第3位向第4位有借位。 • FEDC BA98 7654 3210 • FEDC BA98 7654 3210

  22. 5.溢出标志OF（Overflow Flag）：若运算过程中发生了“溢出”，则OF＝1。 • 定义：运算结果超出计算装置所能表示的范围，称为溢出。 • 判断： • 次高位向最高位产生了进位，而最高位没有向前产生进位。（正溢） • 次高位没有产生进位，而最高位产生进位。（负溢）

  23. 溢出=Saf *. Sbf *. Sf + Saf . Sbf . Sf* • X=1110 y=1011 • 补码：1010 1101 • 1010 • 1101 • 10111 溢q • 出（负溢） X=0111 y=0101 0111 0101 1100 溢出（正溢）

  24. 关于状态标志(1) • 0010 0011 0100 0101 • 0011 0010 0001 1001 （+ • 0101 0101 0101 1110 • mov ax,2345h • add ax,3219h • SF=0, ZF=0, PF=0, CF=0, AF=0, OF=0 • NV UP EI PL NZ NA PO NC

  25. 关于状态标志（2） • 0101 0100 0011 1001 • 0100 0101 0110 1010 （+ • 1001 1001 1010 0011 • mov ax,5439h • add ax,456ah • SF=1, ZF=0, PF=1, CF=0, AF=1, OF=1 • OV UP EI NG NZ AC PE NC

  26. 控制标志 • （1）DF:方向标志位 • DF=1串操作指令以递减顺序处理数据串；DF=0以递增顺序处理数据串。 • （2）IF:中断允许位 • 若IF=1，CPU允许接受外部可屏蔽中断请求，即开中断；IF=0关中断 • （3）TF:跟踪标志位 • TF=1处理器处于单步工作方式，每执行完一条指令产生一个软件中断；TF=0正常工作。

  27. 关于方向标志 H E L L O • 用途：串操作指令使用 X X X X X MOV SI, 0400H MOV DI, 0E2DH MOV CX, 0005H CLD REP MOVSB

  28. 关于中断标志 • IF=1：CPU可以响应中断 • IF=0：CPU不响应中断 STI 使IF置“1”，即开放中断。 CLI 使IF清“0”，即关闭中断 • 注：只对可屏蔽中断有效

  29. 8086编程结构小结 • (1)传统的CPU执行指令的过程是：取指令－>分析指令-〉执行指令－>再取指令－>……，串行执行。 • 8086是把“取指令”和“执行指令”分别由BIU和EU两个部件来完成。当EU正在执行指令时，BIU可以从内存中取出指令字节，放在指令队列中。这样，使得“取指令”和“执行指令”的操作在时间上是并行的。 • BIU和EU协调配合，使EU可以连续不停一条接一条地执行事先已进入指令队列中地指令。显然，这种工作方式可以加快程序地执行，提高了CPU地效率。体现了“流水线计算机”（PipeLine Computer）的初步特点。 • (2)地址加法器用来产生20位的物理地址。 • 一个存储单元具有两种地址属性：物理地址和逻辑地址。 • 物理地址：CPU访问存储器时，在地址总线上实际送出的地址。它的范围（如8086系统）是00000H～FFFFFH，即有220＝1M字节的地址空间。

  30. 2.1.28086引脚与工作模式 • 最小模式 • 当8086的引脚MN/MX*接成高电平时CPU处于最小模式工作方式，此时系统中仅有一个处理器。总线控制逻辑减到最少，故称最小模式。 最大模式 • 当8086的引脚MN/MX*接成低电平时CPU处于最大模式工作方式，此时系统可有多个处理器。 • 最大模式，也称“多处理器系统”，即系统中包含两个或多个处理器，其中一个为主处理器（8086），其他的处理器为“协处理器”（CO－Processor） • 通常，和8086配合使用的协处理器有两个：一个是数值运算协处理器8087，一个是输入/输出协处理器8089。

  31. 引脚功能 1)公共引脚 2)最小模式引脚 3)最大模式引脚 功能复用

  32. 1)公共引脚 (1)VCC, GND (2)AD0~AD15:地址数据复用总线 • 双向，三态，高电平有效。分时传送16位数据和地址的低16位。由ALE锁存地址信息。 • 8086/8088不同

  33. (3)A16/S3~A19/S6:地址/状态复用引脚 • 输出，三态，高电平有效。分时输出地址的高4位或CPU当前状态。地址信息由ALE锁存。 • T1状态：输出地址高4位 • T2~T4输出状态 • S6=0:8086连到总线上 • S5=1 当前允许中断 • S4 S3（当前使用的段） • 00 ES • 01 SS • 10 CS • 11 DS

  34. 公共信号 • (4)BHE*/S7:高8位数据总线允许/状态复用引脚 • 输出，三态，低电平有效。BHE*为低电平表示高8位数据线D15~D8上数据有效。BHE*由ALE锁存。BHE*和A0可用于分别选中奇偶地址。 • BHE* A0 • 0 0 AD15-1D0 • 1 0 AD7-AD0 • 0 1 AD15-AD8 • 0 1, AD15-AD8 • 1 0 AD7-AD0 访问偶地址的字 访问偶地址的字节 访问奇地址的字节 访问奇地址的字

  35. 8086的字地址/字节地址 D8-D15 D0-D7 • 寻址字节时0,1,2,3,4… • 寻址字时0,2,4,6… 偶数字节地址是字地址 BHE* A0 0 0 AD15-AD0 1 0 AD7- AD0 0 1 AD15-AD8 0 1, AD15-AD8 1 0 AD7-AD0 奇数地址 偶数地址

  36. D7-D0 D15-D8 D15-D8奇 体SEL A18-A0 D7-D0偶 体SEL A18-A0 BHE A0 A19 -A1 8086系统中的存储器采用奇、偶分体结构： • 将1M字节的存储空间分成两个512K的存储体，一个叫奇体，一个叫偶体。 BHE* A0 • 0 0 AD15-AD0 • 1 0 AD7-AD0 • 0 1 AD15-AD8 • 0 1, AD15-AD8 • 1 0 AD7-AD0 下面的情况BHE*=? MOV AL,(1H) ; (1H) to AL MOV AL,(2H); (2H) to AL MOV AX,(0H); (0H) to AL, (1H) to AH；需要一个总线周期 MOV AX,(1H); (1H) to AL, (2H) to AH；需要两个总线周期

  37. 8088的存储器(与8086不同) 存储体 (1Mbyte) D0-D7 A0-A19

  38. 公共信号 (5)NMI (Non-Maskable Interrupt request):非屏蔽中断请求信号，输入，正跳变有效。“不受IF的影响”。 (6)INTR可屏蔽（Maskable）中断请求信号，输入，高电平有效。 (7)RD*读信号，输出，三态，低电平有效。 (8)CLK时钟信号(单相，占空比为1/3) • 8086 5MHZ • 8086-1 10MHZ • 8086-2 8MHZ (9)RESET复位信号 • 输入，高电平有效。使CPU停止现行操作，并进行初始化： • 标志寄存器，IP,DS,SS,ES及指令队列清零； • CS设置为FFFFH。复位结束时CPU从FFFF0H开始执行程序；

  39. (10)公共信号－READY 8086 Memory 或I/O BUS READY Ready

  40. T1 T2 T3 Tw T4 CLK READY • READY • 输入，高电平有效。高电平表示存储器或I/O口已准备好接收数据，外部使READY为低电平CPU要插入等待周期。

  41. (11)公共信号-test 8086 TEST +5V BUSY 8087 *8087—Math. CO-Processor • TEST：测试信号，输入，低电平有效。 • 在多处理器环境中，例如具有协处理器8087的系统中，将8087的“BUSY”接至主处理器8086的TEST，每当8086执行WAIT指令时，反复采样TEST信号，直至TEST变为低电平，8086才脱离等待状态，继续执行下一条指令。 • TEST信号是为WAIT指令而设计的。 … … WAIT … …

  42. (12)公共信号－MN/MX* • MN/MX* • =1最小模式 • 系统中只有一个处理器；MN/MX* 为高电平 • =0最大模式 • 系统中包括两个或多个处理器； MN/MX* 为低电平 • PC机工作于哪种模式？

  43. 2) 最小模式引脚信号 （1）INTA*中断响应信号 • 输出，低电平有效。表示外设的中断申请得到响应。

  44. 关于中断信号功能 外部设备 8086 INTR INTA* 可屏蔽中断INTR, INTA*

  45. （2）ALE • ALE(Address latch Enable):地址锁存允许信号，输出，高电平有效。 由于8086/8088的一部分地址线和数据线采用分时复用。在一个总线周期内总线上先传送地址，接着传送数据。但在一般情况下，存储器或I/O接口电路，要求在整个总线周期内保持稳定的地址信息。这样，就需要将这些地址信息保存起来。

  46. 关于ALE的使用 DB CPU 锁存器 8282/ 74xx373 AB 利用ALE信号分离出地址总线和数据总线 ALE

  47. （3）DEN*(Data Enable):数据允许，输出，三态，低电平有效。作为总线收发器(8286/8287—数据总线驱动器)的控制信号。 • （4）DT/R*(Data Transmit/Receive)：数据发送/接收控制，输出，三态。 • Intel 8286 /8287 8位双向总线驱动器。

  48. CPU MEMORY 数据总线 驱动器 8286 DB DB DEN* DT/R* DEN* 、DT/R*信号的使用

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