第二章 微处理器与总线

2.1 微处理器概述

CPU是计算机系统的核心部件，主要有六项功能，评判CPU性能的指标包括字长，意为CPU在单位时间内一次处理的二进制数的位数。CPU主要由运算器，控制器和寄存器组组成，寄存器组又可以视为运算器的一部分。

        2.1.1   运算器

        运算器由算术运算单元（ALU），通用或专用寄存器以及内部总线组成

根据内部总线数量分为单总线结构运算器，双总线结构运算器以及三总线结构运算器。

        2.1.2 控制器

        控制器的作用是控制程序的执行，是整个系统的指挥中心，有以下几项基本功能：

                1）指令控制：指令在存储器中是连续存放的，只有在碰到转移类指令是才会改变取出顺序。

                2）时序控制：一条指令的执行时间称为指令周期

                3）操作控制：根据指令流程，确定在指令周期的各个节拍中药产生的微操作控制信号，以有效地完成各条指令的 操作过程

                除此之外，控制器还要对异常情况以及某些外部请求1处理能力，如出现运算溢出，中断请求等。

                控制器的内部组成：

                        [1]程序计数器：用来存放下一条要执行的指令在存储器中的地址

                        [2]指令寄存器：用来存放从存储器中取出来待执行的指令

                        [3]指令译码器：翻译指令寄存器中的指令

                        [4]时序控制部件：产生计算机工作中所需的各种时序信号

                        [5]微操作控制部件：是控制器的主体，用于产生与各条指令相对应的微操作。

2.2   8088/8086微处理器

                在硬件结构上，8088与存储器和I/O接口进行数据传输的外部总线宽度是8位。8086为16位。他们都有40根引线，都可以在5v电压下运行。

        2.2.1   8088/8086CPU的特点

                1）8088/8086的指令流水线

                        在程序的的执行过程中，CPU的执行步骤：

                                1.从存储器中取出下一套指令

                                2.指令译码

                                3.如果指令需要，从存储器中读取操作数

                                4.执行指令

                                5.将结果写入存储器

                在8086/8088出现后，CPU将并行实现上述步骤。将其分配给两个独立的部件：

                        执行单元（EU）和总线接口单元（BIU）

                其中，EU负责分析指令和执行指令，BIU负责取指令，去操作数和写结果

                2）内存的分段管理技术

                        8086/8088采取了分段管理的方式，将内存地址空间分为了多个逻辑段，每个逻辑段最大为64k个单元，每个单元的地址码长度为16位，满足其16位内部结构的要求。CPU内部具有专门存放短地址的段寄存器和存放偏移地址的地址寄存器，将二者送入地址加法器合成后，就形成了指向内存某一具体单元的地址（物理地址）

 3）支持多处理器系统

                        8086/8088具有最小和最大两种工作模式以及内置的多任务处理能力，可通过模式选择引脚进行选择。

                        1.最小模式（单处理器模式）：系统控制总线的信号由CPU直接产生，且构成的系统不能进行DMA传送

                        2.最大模式（多处理器模式）：CPU能支持系统总线上的多个处理器，由总线控制器提供所有总线控制信号和命令信号

        2.2.2   8088CPU的外部引脚及其功能

                为了减少芯片的引线，8088的许多引脚具有双重功能，采用分时复工的工作方式。

1）最小模式下的引脚

                        [1]A19/S6－A16/S3：地址/状态复用(输出)     

                            T1＿输出地址高4位A16-A19；T2－T4及TW＿状态信息S3-S6

                            在这些状态信号里，S6恒等于0，S5表示中断允许标志位IF的状态，S4,S3的组                              合表示了CPU正在使用的段寄存器

                        [2]A8-A15：中8位地址信号，三态输出

                        [3]AD0-AD7：地址，数据分时复用的双向信号线，三态。当ALE=1时，

                       [10]READY：有效时表示存储器或I/O设备已经准备好，

                              CPU可以进行数据传送。CPU在T3周期时采样READY信号，若其无效，

                               则插入若干个等待周期Tw

                       [11]INTR:可屏蔽中断请求输入信号，高电平有效。CPU在每条指令的最后一个

                               周期采样该信号，已决定是否进入中断响应周期

   2.2.3   8088/8086 CPU的功能结构

                1）8088/8086 CPU的内部结构

                2）8088/8086 CPU的内部寄存器

                        CPU内部共有14个16位寄存器，分为通用寄存器（8个），段寄存器（4个）

                        控制寄存器（2个）

                        1.通用寄存器

                                AX：累加器。所有I/O指令都通过AX与接口传送信息，中间运算结果

                                        也多放于AX中；
                                BX：基址寄存器。在间接寻址中用于存放基地址；
                                CX：计数寄存器。用于在循环或串操作指令中存放计数值；
                                DX：数据寄存器。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。AX存放低16位。

                                [2]地址指针寄存器

                                        SP：堆栈指针寄存器，其内容为栈顶的偏移地址；
                                        BP：基址指针寄存器，常用于在访问内存时存放内存单元的偏移地址

                                [3]变址寄存器 

                                        SI：源变址寄存器
                                        DI：目标变址寄存器
                                        变址寄存器在指令中常用于存放数据在内存中的地址

                        2.段寄存器

                                CS（代码段）指明代码段的起始地址
                                SS（堆栈段）指明堆栈段的起始地址
                                DS（数据段）指明数据段的起始地址
                                ES（附加段）指明附加段的起始地址

                                存放相应段的段基址的高16位。每个段寄存器用来确定一个逻辑段的

                                起始地址，每种逻辑段均有各自的用途。
                                它们要和BX、BP、SI、DI、IP配合形成存储单元的物理地址。

                        3.控制寄存器

                                IP：指令指针寄存器，用以存放预取指令1偏移地址。CPU取指令时总是以

                                CS为段基址，以IP为段内偏移地址

                                [1]状态标志位

                                        CF（Carry Flag）进位标志位。加(减)法运算时，若最高位

                                                有进(借)位则CF=1
                                        OF（Overflow Flag）溢出标志位。当算术运算的结果

                                                超出了有符号数的可表达范围时，OF=1
                                        ZF（Zero Flag）零标志位。当运算结果为零时ZF=1
                                        SF（Sign Flag）符号标志位。当运算结果的最高位为1时，SF=1
                                        PF（Parity Flag）奇偶标志位。运算结果的低8位中“1”的个数

                                                为偶数时PF=1,仅针对低8位
                                        AF（Auxiliary Carry Flag）辅助进位标志位。加(减)操作中，

                                                若Bit3向Bit4有进位(借位)，AF=1,仅针对低8位

                                [2]控制标志位：

                                        TF（Trap Flag）陷井标志位，也叫跟踪标志位。TF=1时，

                                                使CPU处于单步执行指令的工作方式。
                                        IF（Interrupt Enable Flag）中断允许标志位。IF=1使CPU可以

                                                响应可屏蔽中断请求。
                                        DF（Direction Flag）方向标志位。在数据串操作时确定操作的方向

        2.2.4   8088/8086 CPU 的存储器组织

                1）物理地址与逻辑地址

                        物理地址=段基址x16+段内偏移

                2）段寄存器的使用

        2.2.5   CPU的工作时序

                时序可分为两种不同的粒度：时钟周期，总线周期

                每个时钟脉冲的持续时间就称为一个时钟周期，通过总线进行一次读或写过程称为一个

                        总线周期。一个总线周期包括多个时钟周期

                读：

 

 

 

 

                 写：