第二章 8086 CPU[2-1]

1、Theres always more to learn, and there are always better ways to do what youve done before. DONANLD E. KNUTH第2講佘青山22021-11-25n引言引言n8086 CPU8086 CPU的結構的結構n8086/8088 CPU8086/8088 CPU的引腳功能的引腳功能n80868086的存儲器組織的存儲器組織n80868086的工作模式和總線操作的工作模式和總線操作32021-11-251 1、微處理器的結構方面所受的限制、微處理器的結構方面所受的限制（1 1）引腳數(shù)限制：（出于工藝

2、和成本考慮）引腳數(shù)限制：（出于工藝和成本考慮）l8086： 40腳腳l80386：132腳腳l80486：168腳腳 （2 2）芯片面積限制）芯片面積限制 增大芯片面積，成本增加，反而使產(chǎn)品合格率下降，因此不能盲目增大芯增大芯片面積，成本增加，反而使產(chǎn)品合格率下降，因此不能盲目增大芯片面積。片面積。42021-11-252 2、 1616位微處理器基本結構具有的特點位微處理器基本結構具有的特點（1 1）引腳功能復用）引腳功能復用提高引腳利用率。例如，數(shù)據(jù)雙向傳輸可由提高引腳利用率。例如，數(shù)據(jù)雙向傳輸可由“讀讀/ /寫寫”信號來控制，信號來控制，決定數(shù)據(jù)處于輸入還是輸出狀態(tài)。決定數(shù)據(jù)處于輸入還是

3、輸出狀態(tài)。 （2 2）單總線、累加器結構）單總線、累加器結構由于芯片面積限制，使微處理器內(nèi)部寄存器的數(shù)目，數(shù)據(jù)通路位數(shù)受由于芯片面積限制，使微處理器內(nèi)部寄存器的數(shù)目，數(shù)據(jù)通路位數(shù)受到限制。因此絕大多數(shù)微處理器內(nèi)部采用到限制。因此絕大多數(shù)微處理器內(nèi)部采用單總線、累加器單總線、累加器為基礎的結構。為基礎的結構。（3 3）可控）可控三態(tài)三態(tài)電路電路采用可控三態(tài)電路與總線相連，當微處理器外部總線同時連接多個部采用可控三態(tài)電路與總線相連，當微處理器外部總線同時連接多個部件，可避免總線沖突相信號串擾，不工作器件所連的三態(tài)電路處于件，可避免總線沖突相信號串擾，不工作器件所連的三態(tài)電路處于高阻高阻狀態(tài)狀態(tài)。（

4、4 4）總線分時復用）總線分時復用地址總線和數(shù)據(jù)總線使用了相同的引腳，節(jié)省引腳但增加操作時間。地址總線和數(shù)據(jù)總線使用了相同的引腳，節(jié)省引腳但增加操作時間。系統(tǒng)所有的部件和設備都連在一組總線上，總線只能分時工作系統(tǒng)所有的部件和設備都連在一組總線上，總線只能分時工作52021-11-253、Intel 8086CPU（1）16位微處理器位微處理器，雙列直插式外型，雙列直插式外型，40個引腳；個引腳；（2）時鐘頻率有）時鐘頻率有3種：種：8086型微處理器為型微處理器為5MHz，8086-2型為型為8MHz，8086-1型為型為10MHz；（3）8086CPU有有16根數(shù)據(jù)線和根數(shù)據(jù)線和20根地址線

5、，直接尋址空間為根地址線，直接尋址空間為220，即，即220 = 210KB =1MB；（4）8088CPU內(nèi)部結構與內(nèi)部結構與8086基本相同（內(nèi)部字長為基本相同（內(nèi)部字長為16位，但位，但對外數(shù)據(jù)總線只有對外數(shù)據(jù)總線只有8根，稱為根，稱為準準16位微處理器位微處理器)。62021-11-25n引言引言n8086 CPU8086 CPU的結構的結構n8086/8088 CPU8086/8088 CPU的引腳功能的引腳功能n80868086的存儲器組織的存儲器組織n80868086的工作模式和總線操作的工作模式和總線操作72021-11-25CPUCPU內(nèi)部一般結構內(nèi)部一般結構2.1.1 80

6、86CPU2.1.1 8086CPU的內(nèi)部結構及工作過程的內(nèi)部結構及工作過程82021-11-25地址總線地址總線 20位位AH ALBH BLCH CLDH DLSPBPDISI通通 用用 寄寄 存存 器器AXBXCXDXALU數(shù)據(jù)總線（數(shù)據(jù)總線（16位）位）運算寄存器運算寄存器ALU標志寄存器標志寄存器EU 控控制器制器指令執(zhí)行單元指令執(zhí)行單元EUCSDSSSESIP內(nèi)部寄存器內(nèi)部寄存器1 2 3 4 5 6數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線 8086:16位位總線總線 控控制制電路電路指令隊列指令隊列8086隊列總線隊列總線 （8位）位）指令指針指令指針段寄存器段寄存器外部總線外部總線8086:16位位總

7、線接口單元總線接口單元BIU一、一、8086CPU8086CPU的內(nèi)部結構的內(nèi)部結構92021-11-251 1、總線接口部件、總線接口部件BIUBIU（Bus Interface UnitBus Interface Unit）（1 1）功能）功能n形成訪問存儲器的物理地址形成訪問存儲器的物理地址n取指令取指令n指令排隊指令排隊n讀讀/ /寫操作數(shù)寫操作數(shù)n總線控制總線控制（2 2）組成）組成n1616位段地址寄存器位段地址寄存器n1616位指令指針寄存器位指令指針寄存器n2020位位物理地址加法器物理地址加法器n6 6字節(jié)字節(jié)指令隊列指令隊列n總線控制邏輯總線控制邏輯（3 3）工作過程）工作

8、過程n形成訪問存儲器的形成訪問存儲器的2020位物理地址位物理地址n通過總線控制邏輯發(fā)出通過總線控制邏輯發(fā)出存儲器讀信號存儲器讀信號n按給定的地址從存儲器中按給定的地址從存儲器中取出指令取出指令送送入指令隊列入指令隊列 8086CPU的指令隊列長度的指令隊列長度6字節(jié)，指令隊列字節(jié)，指令隊列中中出現(xiàn)出現(xiàn)2個空閑字節(jié)，個空閑字節(jié)，BIU就自動取指令就自動取指令指令通常包含指令通常包含操作碼操作碼和和操作數(shù)操作數(shù)20為物理地址為物理地址=CS16+IP102021-11-252、指令執(zhí)行部件、指令執(zhí)行部件EU（Execution Unit）（1）功能）功能n指令譯碼指令譯碼n執(zhí)行指令執(zhí)行指令（2）

9、組成）組成n算術邏輯運算單元算術邏輯運算單元ALUn標志寄存器標志寄存器flagsn寄存器組寄存器組nEU控制器控制器（3）工作過程）工作過程n從從BIU的指令隊列取得指令的指令隊列取得指令n指令譯碼指令譯碼n執(zhí)行指令執(zhí)行指令 112021-11-25二、二、8086 CPU8086 CPU的工作過程的工作過程（1）執(zhí)行存儲器操作）執(zhí)行存儲器操作（2）EU從指令隊列中取走指令，經(jīng)指令譯碼后，向各部件發(fā)控制命令，完從指令隊列中取走指令，經(jīng)指令譯碼后，向各部件發(fā)控制命令，完成執(zhí)行指令的操作。成執(zhí)行指令的操作。（3）當指令隊列已滿，）當指令隊列已滿，EU在執(zhí)行指令，未向在執(zhí)行指令，未向BIU申請讀申

10、請讀/寫存儲器操作或寫存儲器操作或I/O操作時，操作時，BIU處于空閑狀態(tài)。處于空閑狀態(tài)。（4）執(zhí)行指令過程中，）執(zhí)行指令過程中，如需對存儲器或如需對存儲器或I/O端口進行存取數(shù)據(jù)的操作，端口進行存取數(shù)據(jù)的操作，EU會要求會要求BIU去完成去完成相應的總線周期。相應的總線周期。 如遇到如遇到JMP或或CALL指令，須將指令隊列中的內(nèi)容作廢，按指令中指令，須將指令隊列中的內(nèi)容作廢，按指令中指定的新的轉移地址取指令。指定的新的轉移地址取指令。（5）ALU完成算術運算、邏輯運算或移位等操作。完成算術運算、邏輯運算或移位等操作。122021-11-258 80 08 86 6C CP PU U的的工工

11、作作過過程程132021-11-25二、二、8086 CPU8086 CPU的工作過程的工作過程 BIUEU時間時間與與BIU有關的指有關的指令執(zhí)行令執(zhí)行流水線工作過程示意流水線工作過程示意142021-11-252.1.2 8086 CPU2.1.2 8086 CPU內(nèi)部寄存器內(nèi)部寄存器（1 1）作用）作用n存放運算過程中所需要的存放運算過程中所需要的操作數(shù)地址操作數(shù)地址、操作數(shù)操作數(shù)、中間結果中間結果（2 2）特點）特點n存取速度比存儲器快存取速度比存儲器快（3 3）分類）分類n數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器n地址指針和變址寄存器地址指針和變址寄存器n段寄存器段寄存器n指令指針及標志寄存器指令指針及

12、標志寄存器152021-11-25CSDSSSESSPBPSIDIAHBHCHDHALBLCLDL累加器累加器基址寄存器基址寄存器計數(shù)寄存器計數(shù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器代碼段寄存器代碼段寄存器數(shù)據(jù)段寄存器數(shù)據(jù)段寄存器堆棧段寄存器堆棧段寄存器附加段寄存器附加段寄存器堆棧指針寄存器堆棧指針寄存器基址指針寄存器基址指針寄存器源變址寄存器源變址寄存器目的變址寄存器目的變址寄存器IPFLAGS指令指針指令指針標志寄存器標志寄存器指令指針和標志寄存器指令指針和標志寄存器地址指針和變址寄存器地址指針和變址寄存器段寄存器段寄存器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器15 8 7 015 015 015 014個個16位寄存器

13、：位寄存器：4個個數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器+4個個專用寄存器專用寄存器+4個個段寄存器段寄存器+2個個控制寄存器控制寄存器162021-11-251 1、數(shù)據(jù)寄存器、數(shù)據(jù)寄存器oAX，BX，CX，DX （16位）位） AH，AL，BH，BL，CH，CL，DH，DL（8位）位） o習慣用法：習慣用法：AX：累加器累加器。一般用來存放參加運算的數(shù)據(jù)和結果。一般用來存放參加運算的數(shù)據(jù)和結果。 在乘在乘/除法運算、除法運算、I/O操作、操作、BCD數(shù)運算中有不可替代的作用。數(shù)運算中有不可替代的作用。BX：基址寄存器或基地址指針基址寄存器或基地址指針。用來存放偏移地址。用來存放偏移地址。 CX：計數(shù)寄存器計

14、數(shù)寄存器。在串操作和循環(huán)指令中作計數(shù)用。在串操作和循環(huán)指令中作計數(shù)用。DX：數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器。用于。用于I/O 端口操作、字乘端口操作、字乘/除法。除法。 存放存放16位數(shù)據(jù)或地址位數(shù)據(jù)或地址存放存放8位數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù)172021-11-252 2、地址指針和變址寄存器、地址指針和變址寄存器 用途：存放某一段內(nèi)地址偏移量，以形成操作數(shù)地址。主要在堆棧操作和變址運用途：存放某一段內(nèi)地址偏移量，以形成操作數(shù)地址。主要在堆棧操作和變址運算中使用。算中使用。SISI（Source IndexSource Index） 指向指向數(shù)據(jù)段寄存器數(shù)據(jù)段寄存器DSDS中的數(shù)據(jù)指針、串操作的源指針。中的數(shù)據(jù)指針、

15、串操作的源指針。DIDI（Destination IndexDestination Index） 指向指向擴展數(shù)據(jù)段寄存器擴展數(shù)據(jù)段寄存器ESES中的目標數(shù)據(jù)的指針、串操作的目標指針。中的目標數(shù)據(jù)的指針、串操作的目標指針。BPBP（Base PointerBase Pointer） 用于用于存放內(nèi)存存放內(nèi)存的邏輯偏移地址，隱含的邏輯段地址在的邏輯偏移地址，隱含的邏輯段地址在SSSS寄存器中。寄存器中。SPSP（Stack PointerStack Pointer） 用于用于存放棧頂存放棧頂?shù)倪壿嬈频刂罚[含的邏輯段地址在的邏輯偏移地址，隱含的邏輯段地址在SSSS寄存器中。寄存器中。18202

16、1-11-253 3、段寄存器、段寄存器 用途：與微處理器中的其他寄存器用途：與微處理器中的其他寄存器結合生成存儲器地址結合生成存儲器地址4 4個個1616位段寄存器：位段寄存器：CSCS（Code SegmentCode Segment）DSDS（Data SegmentData Segment）SSSS（Stack SegmentStack Segment）ESES（Extended SegmentExtended Segment）代碼段代碼段數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)段堆棧段堆棧段數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)段CSDSSSES所有段映所有段映射至相同射至相同的線性地的線性地址空間址空間存放程序代碼段起始地址的高存放程序代

17、碼段起始地址的高16位位存放數(shù)據(jù)段起始地址的高存放數(shù)據(jù)段起始地址的高16位位存放堆棧段起始地址的高存放堆棧段起始地址的高16位位存放擴展數(shù)據(jù)段起始地址的高存放擴展數(shù)據(jù)段起始地址的高16位位192021-11-253、段寄存器、段寄存器一個存儲單元具有兩種地址屬性：一個存儲單元具有兩種地址屬性：物理地址物理地址和和邏輯地址邏輯地址。物理地址物理地址：CPU訪問存儲器時，在地址總線上實際送出的地址。訪問存儲器時，在地址總線上實際送出的地址。8086的范圍是的范圍是00000HFFFFFH，即有，即有220=1M字節(jié)的地址空間。字節(jié)的地址空間。8086的內(nèi)部寄存器是的內(nèi)部寄存器是16位（地址的寬度大

18、于字長）。顯然，位（地址的寬度大于字長）。顯然，不能用不能用16位的寄存器來實現(xiàn)位的寄存器來實現(xiàn)1MB單元的尋址。單元的尋址。解決辦法解決辦法：引入了存儲器：引入了存儲器“分段分段”的概念，即把的概念，即把1MB內(nèi)存空間分成內(nèi)存空間分成若干邏輯段。每段最大可達若干邏輯段。每段最大可達64KB（可由（可由16位寄存器進行尋址）。位寄存器進行尋址）。 段的起始地址成為段的起始地址成為“段基址段基址”，要訪問的單元距段基，要訪問的單元距段基址的距離（字節(jié)數(shù)）為址的距離（字節(jié)數(shù)）為“偏移量偏移量”（Offset）。）。202021-11-253 3、段寄存器、段寄存器程序設計時，使用的是程序設計時，使

19、用的是邏輯地址邏輯地址。由邏輯地址獲得物理地址的計。由邏輯地址獲得物理地址的計算公式：算公式： 物理地址物理地址 = = 段基值段基值16 + 16 + 偏移量偏移量212021-11-253 3、段寄存器、段寄存器物理地址物理地址 = = 段基值段基值1616 + + 偏移量偏移量舉例：設舉例：設(CS)=4232H ,(CS)=4232H , (IP)=66H (IP)=66H問：物理地址是多少？問：物理地址是多少？222021-11-254、指令指針、指令指針I(yè)P 用途：存放將要執(zhí)行的下一條指令在現(xiàn)行代碼段中的偏移地址。用途：存放將要執(zhí)行的下一條指令在現(xiàn)行代碼段中的偏移地址。 說明：說明

20、：IP用來控制用來控制CPU的指令執(zhí)行順序的指令執(zhí)行順序IP始終存有相對于當前指令段起點偏移量的下一條指令，即始終存有相對于當前指令段起點偏移量的下一條指令，即IP總是指總是指向下一條待執(zhí)行的指令向下一條待執(zhí)行的指令當當IP單獨改變時，會發(fā)生單獨改變時，會發(fā)生段內(nèi)轉移段內(nèi)轉移當當CS和和IP同時改變時，會發(fā)生同時改變時，會發(fā)生段間的程序轉移段間的程序轉移 232021-11-255、標志寄存器、標志寄存器FLAGS用途：存放運算結果的特征。用途：存放運算結果的特征。 標志寄存器的格式及各位的含義標志寄存器的格式及各位的含義1515141413131212111110109 98 87 76 6

21、5 54 43 32 21 10 0OFDFIFTFSFZFAFPFCF狀態(tài)標志狀態(tài)標志方向標志方向標志中斷標志中斷標志單步標志單步標志控制標志控制標志進位標志進位標志 奇偶校驗標志奇偶校驗標志輔助進位標志輔助進位標志 全零標志全零標志符號標志符號標志溢出標志溢出標志242021-11-255、標志寄存器、標志寄存器FLAGS狀態(tài)標志（狀態(tài)標志（6個）：個）：表示前面的操作執(zhí)行后，算術邏輯部件處于怎樣一種狀表示前面的操作執(zhí)行后，算術邏輯部件處于怎樣一種狀態(tài)。例如，是否產(chǎn)生了進位，是否發(fā)生了溢出等等。態(tài)。例如，是否產(chǎn)生了進位，是否發(fā)生了溢出等等。 程序中，可以通過對某個狀態(tài)標志的測試，決定后面的

22、走向及操作。程序中，可以通過對某個狀態(tài)標志的測試，決定后面的走向及操作。nSTATE: INAL, 0DAHn TESTAL, 02H; 查查AL的的D1=1?n JZSTATE; 是是0，轉，轉STATE（1）零標志）零標志ZF（Zero Flag）：若運算結果為若運算結果為0，則，則ZF=1；否則否則ZF=0n例例1：MOVAL, 4 SUBAL, 4；執(zhí)行后，；執(zhí)行后，ZF為為1。n例例2：XORAX, AX ；執(zhí)行后，；執(zhí)行后，ZF為為1。252021-11-255、標志寄存器、標志寄存器FLAGS（2）進位標志）進位標志CF（Carry Flag）：）：最高位有進位或借位時，最高位有

23、進位或借位時，CF=1；否則否則CF=0 說明：說明：n加法時，最高位（字節(jié)操作時的加法時，最高位（字節(jié)操作時的D7位，字操作時的位，字操作時的D15位）是否有位）是否有進位進位產(chǎn)生。產(chǎn)生。n減法時，最高位（字節(jié)操作時的減法時，最高位（字節(jié)操作時的D7位，字操作時的位，字操作時的D15位）是否有位）是否有借位借位產(chǎn)生。產(chǎn)生。 例子：例子： MOV AL, 3;SUBAL, 4;n執(zhí)行后，執(zhí)行后，CF=1。262021-11-255、標志寄存器、標志寄存器FLAGS（3）奇偶校驗標志）奇偶校驗標志PF（Parity Flag）o若運算結果低若運算結果低8位中位中“1”的個數(shù)為偶數(shù)，則的個數(shù)為偶數(shù)

24、，則PF=1；否則；否則PF=0n例：例：MOVAL, 2 ADDAL, 1n執(zhí)行后，執(zhí)行后，PF位為位為1。（4） 輔助進位標志輔助進位標志AF（Auxiliary Carry Flag）o也稱也稱“半進位標志半進位標志”。低。低4位向高位向高4位有進位或借位，位有進位或借位，AF=1；否則；否則AF=0o說明：說明：n加法時，第加法時，第3位向第位向第4位有進位位有進位;n減法時，第減法時，第3位向第位向第4位有借位。位有借位。272021-11-255、標志寄存器、標志寄存器FLAGS（5）符號標志）符號標志SF（Sign Flag）o本次運算結果的最高位為本次運算結果的最高位為1時，時

25、，SF=1；否則；否則SF=0o反映了本次運算結果是正還是負。反映了本次運算結果是正還是負。（6）溢出標志）溢出標志OF（Overflow Flag） 若運算過程中發(fā)生了若運算過程中發(fā)生了“溢出溢出”，則，則OF=1o溢出：運算結果超出計算裝置所能表示的范圍，稱為溢出。溢出：運算結果超出計算裝置所能表示的范圍，稱為溢出。o對帶符號數(shù)，字節(jié)運算結果的范圍為對帶符號數(shù)，字節(jié)運算結果的范圍為-128+127，字運算結果的，字運算結果的范圍為范圍為-32768+32767，超過此范圍為溢出，超過此范圍為溢出。282021-11-25由編程人員決定所用的數(shù)據(jù)到底是帶符號數(shù)、無符號數(shù)和由編程人員決定所用的

26、數(shù)據(jù)到底是帶符號數(shù)、無符號數(shù)和BCD數(shù)：數(shù)：（1）CF用來判斷無符號數(shù)用來判斷無符號數(shù)（2）SF和和OF用來判斷帶符號數(shù)用來判斷帶符號數(shù)（3）AF用來判斷用來判斷BCD數(shù)數(shù)例例：將將5394H與與-777FH兩數(shù)相加，并說明其標志位狀態(tài)。兩數(shù)相加，并說明其標志位狀態(tài)。o-777FH的的原碼原碼為為1111 0111 0111 1111B 補碼補碼為為1000 1000 1000 0001B運算結果的運算結果的補碼補碼為：為：1101 1100 0001 0101B 原碼原碼為：為：1010 0011 1110 1011B，即為，即為-23EBHo置標志位為：置標志位為：CF=0、PF=0、AF

27、=0、ZF=0、SF=1、OF=00101 0011 1001 0100B1000 1000 1000 0001B（777FH的補碼）的補碼）1101 1100 0001 0101B+判斷判斷OF標志位的方法：最高位向前有無進標志位的方法：最高位向前有無進/借位借位 次高位向前有無進次高位向前有無進/借位借位292021-11-25由編程人員決定所用的數(shù)據(jù)到底是帶符號數(shù)、無符號數(shù)和由編程人員決定所用的數(shù)據(jù)到底是帶符號數(shù)、無符號數(shù)和BCD數(shù)：數(shù)：（1）CF用來判斷無符號數(shù)用來判斷無符號數(shù)（2）SF和和OF用來判斷帶符號數(shù)用來判斷帶符號數(shù)（3）AF用來判斷用來判斷BCD數(shù)數(shù) 無符號數(shù)時無符號數(shù)時，

28、AX=A000H, BX=1050Ho用用CF判斷，不能用判斷，不能用SF判斷判斷l(xiāng)用符號標志判斷：用符號標志判斷：SF=1，說明，說明AX比比BX小，但不符合實際情況小，但不符合實際情況l用進位標志判斷：用進位標志判斷：CF=0，說明，說明AX比比BX大，符合實際情況大，符合實際情況1010 0000 0000 0000B （A000H）0001 0000 0101 0000B （1050H）1000 1111 1011 0000B-302021-11-25 帶符號數(shù)時帶符號數(shù)時，要判斷運算過程是否產(chǎn)生溢出，要判斷運算過程是否產(chǎn)生溢出（1）A=+127, B=-63 A-B=（+127）-（-63）=（+127）+63=+190l結果結果D7=1，即，即SF=1，表示結果為負，顯然錯誤。，表示結果為負，顯然錯誤。l由于由于8位帶符號數(shù)表示的范圍為位帶符號數(shù)表示的范圍為-128+127，而運算結果為，而運算結果為+190+127，超出了它的范圍。，超出了