計算機硬件基礎(chǔ)-4-中央處理器(對應(yīng)教材第3章).ppt

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1、1,4 中央處理器,2,主要內(nèi)容,微處理器的一般結(jié)構(gòu) 8086微處理器的組成、引腳功能 8086的內(nèi)部寄存器和標(biāo)志位 8086的存儲器組織,3,4.1 微處理器的一般結(jié)構(gòu),運算器 算術(shù)邏輯運算，由加法器和 (ALU) 一些輔助邏輯電路組成 指令流控制 控制器 時序控制，產(chǎn)生節(jié)拍定時信號 指令譯碼和操作控制 寄存器組 存放臨時數(shù)據(jù)、運算的中 間結(jié)果、運算特征、操作數(shù)地址,性能：8位16位 32位 64位,主要部件,4,4.2 8086微處理器,主要內(nèi)容： 8086外部引線及功能； 8086的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特點； 8086的工作時序。,5,6,8086的硬件特性,16位微處理器，CMOS型，40引腳D

2、IP封裝 16位數(shù)據(jù)總線，20位地址總線 功耗：5V，360mA（低功耗型80C86僅需10mA） 輸入特性：輸入電流0.01mA 邏輯0：0.8V 邏輯1：2.0V 輸出特性： 邏輯0：0.45V，最大2.0mA 邏輯1：2.4V，最大-0.4mA 輸出引腳負(fù)載能力： 74HC、74ALS、74AS、74F負(fù)載10個 74LS負(fù)載5個 74、74S負(fù)載1個,7,一、指令流水線,取指令,指令譯碼,取操作數(shù),執(zhí)行指令,存放結(jié)果,CPU執(zhí)行一條指令的過程類似于工廠生產(chǎn)流水線，被分 解為多個小的步驟，稱為指令流水線。,原料,調(diào)度分配,生產(chǎn)線,成品,倉庫,出廠,數(shù)據(jù)和程序指令,控制器的調(diào)度分配,ALU

3、等 功能部件,處理后的數(shù)據(jù),存儲器,輸出,8,指令流水線,指令流水線有兩種運作方式： 串行方式： 取指令和執(zhí)行指令在不同的時刻按順序執(zhí)行。 并行方式： 取指令和執(zhí)行指令可同時執(zhí)行，需要有能并行工作的硬件的支持。,9,串行工作方式,8086以前的CPU采用串行工作方式,取指令1,執(zhí)行1,取指令2,執(zhí)行2,CPU,BUS,忙 碌,忙 碌,取指令3,執(zhí)行3,忙 碌,空閑,空閑,空閑,t1,t0,t2,t3,t4,t5,6個周期執(zhí)行了3條指令,10,并行工作方式,8086CPU采用并行工作方式,取指令1,取指令2,取指令3,取指令4,執(zhí)行1,執(zhí)行2,執(zhí)行3,BUS,執(zhí)行4,CPU,t1,t0,t2,t

4、3,t4,t5,取指令5,執(zhí)行5,6個周期執(zhí)行了5條指令,11,并行操作的前提,取指令部件和指令執(zhí)行部件要能夠并行工作； 各部件執(zhí)行時間基本相同，否則需再細分； 取指令部件取出的指令要能暫存在CPU內(nèi)部某個地方； 指令執(zhí)行部件在需要時總能立即獲得暫存的指令； 需要解決轉(zhuǎn)移指令問題。,12,8086 CPU的特點,采用并行流水線工作方式： 通過設(shè)置指令預(yù)取隊列（IPQ）實現(xiàn) 對內(nèi)存空間實行分段管理： 將內(nèi)存分段并設(shè)置地址段寄存器，以實現(xiàn)對1MB空間的尋址。 支持多處理器系統(tǒng)：8087 FPU (Floating Point Unit),執(zhí)行部件,取指部件,13,二、8086CPU的引線及功能,引

5、腳定義的方法可大致分為： 每個引腳只傳送一種信息（如RD） 電平的高低代表不同的含義（如M/IO） 在不同模式下有不同的名稱和定義（如WR/LOCK） 分時復(fù)用引腳（如AD15AD0） 引腳的輸入、輸出分別傳送不同的信息（如RQ/GT0）,14,主要引線,地址總線、數(shù)據(jù)總線： AD15AD0：三態(tài) (高、低、高阻) 地址/數(shù)據(jù)復(fù)用引腳。ALE=1時作為地址線A16A0，ALE=0時作為數(shù)據(jù)線D16D0。 傳送地址時為輸出，傳送數(shù)據(jù)時為雙向。 A19-A16/S6-S3：輸出，三態(tài) 地址/狀態(tài)復(fù)用引腳。ALE=1時作為地址線A19A16，ALE=0時作為控制信號。,15,主要引線,控制信號： W

6、R：輸出，三態(tài) 寫選通信號，表示CPU正在寫數(shù)據(jù)到MEM或I/O設(shè)備。 RD：輸出，三態(tài) 讀信號，表示CPU正在從總線上讀來自于MEM或I/O設(shè)備的數(shù)據(jù)。 M/IO：輸出，三態(tài) 區(qū)分是讀寫存儲器還是讀寫I/O端口（即地址總線上的地址是存儲器地址還是I/O端口地址）。,16,主要引線,DEN：輸出，三態(tài) 數(shù)據(jù)總線允許信號。用來打開外部數(shù)據(jù)總線緩沖器。 DT/R：輸出，三態(tài) 表明CPU正在傳送還是接收數(shù)據(jù)，用來作為外部數(shù)據(jù)總線緩沖器的方向控制； ALE：輸出 地址鎖存允許信號，表示地址/數(shù)據(jù)總線上傳輸?shù)氖堑刂沸盘枴?以上三個信號的用法見下頁圖,17,主要引線,RESET：輸入 復(fù)位信號，保持4個以

7、上時鐘周期的高電平時將引起CPU進入復(fù)位過程（中斷允許標(biāo)志位(IF)清0，并從存儲單元FFFF0H開始執(zhí)行指令）； BHE/S7：輸出 高8位數(shù)據(jù)總線允許。在讀/寫操作期間允許高8位數(shù)據(jù)總線D16D8有效（即讀/寫數(shù)據(jù)的高8位）。 READY：輸入 準(zhǔn)備就緒。用于與存儲器或I/O接口的同步。 =0時CPU進入等待狀態(tài)（插入1個或多個等待周期）。,18,三、8086 CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu),8086內(nèi)部由兩部分組成： 執(zhí)行單元（EU） 總線接口單元（BIU）,19,執(zhí)行單元,功能：執(zhí)行指令，具體操作如下 從IPQ中取指令代碼 譯碼 完成指定的操作 結(jié)果保存到目的操作數(shù) 運算特征保存在標(biāo)志寄存器FLAG

8、S（僅對影響標(biāo)志的指令）,20,總線接口單元,功能： 從內(nèi)存中取指令到指令預(yù)取隊列IPQ； 負(fù)責(zé)與內(nèi)存或I/O接口之間的數(shù)據(jù)傳送； 在執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時，BIU將清除IPQ，然后從轉(zhuǎn)移的目的地址處開始取指令并重新填充IPQ。,21,8086結(jié)構(gòu)特點小結(jié),有EU和BIU兩個獨立的、同時運行的部件 二者通過IPQ構(gòu)成一個兩工位流水線 指令被EU和BIU按流水線方式處理： 提高了CPU的運行速度； 提高了CPU的執(zhí)行效率； 降低了對存儲器存取速度的要求。,22,四、8086的工作時序,工作時序分為很多小的時間片: 時鐘周期 一個時鐘脈沖所持續(xù)的時間。時鐘周期越短，CPU執(zhí)行速度越快。 總線周期 通過總線

9、對存儲器或I/O接口進行一次訪問所需要的時間。一般包括4個時鐘周期。,23,總線周期中各時鐘周期的操作,T1周期 CPU向存儲器或I/O發(fā)送地址 CPU向地址/數(shù)據(jù)分離器（地址鎖存器）發(fā)送ALE信號 T2周期 給存儲器或I/O發(fā)送寫入的數(shù)據(jù) 測試READY引腳狀態(tài)，以決定是否插入等待周期 發(fā)出RD或WR信號 T3周期 等待存儲器或I/O存取數(shù)據(jù)完成 使數(shù)據(jù)在CPU與存儲器或I/O之間傳輸 T4周期 寫入數(shù)據(jù),讀/寫總線周期的信號波形見下頁圖。,24,數(shù)據(jù)寫入存儲器時的總線操作寫總線周期,由ALE信號將地址鎖存到地址鎖存器,DEN=0并且DT/R=1時打開總線緩沖器，將其放到系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線上,此信

10、號與M/IO信號共同構(gòu)成存儲器寫控制信號，將數(shù)據(jù)寫入存儲器,25,數(shù)據(jù)從存儲器讀出的總線操作讀總線周期,DEN=0并且DT/R=0時打開總線緩沖器，將其放到CPU總線上，供CPU讀入,較完整的讀總線周期,此信號與M/IO信號共同構(gòu)成存儲器讀控制信號,由ALE信號將地址鎖存到地址鎖存器,26,4.3 8086內(nèi)部寄存器組,8086寄存器組又稱為8086的程序設(shè)計模型 它是程序設(shè)計中惟一可見的CPU部件 它是系統(tǒng)程序設(shè)計員的操作對象 含14個16位寄存器，按功能可分為三類： 通用寄存器，8個 段寄存器，4個 控制寄存器，2個,27,8086寄存器概貌,SP,IP,FLAGS,AH,AL,BH,BL

11、,CH,CL,DH,DL,AX BX CX DX,BP,SI,DI,CS,DS,ES,SS,通用寄存器,控制寄存器,段寄存器,28,一、通用寄存器,數(shù)據(jù)寄存器（AX，BX，CX，DX） 地址指針寄存器（SP，BP） 變址寄存器（SI，DI）,29,數(shù)據(jù)寄存器,用途：存放臨時數(shù)據(jù)和存放運算操作數(shù)。（例） 每個均為16位，但又可分為2個8位寄存器，即： AX AH，AL BX BH，BL CX CH，CL DX DH，DL,例如：若(AX)1234H, 則(AH)12H, (AL)34H,30,數(shù)據(jù)寄存器特有的習(xí)慣用法,AX：累加器 所有I/O指令都通過AX（AL）與接口傳送信息; 中間運算結(jié)果也

12、多放于AX（AL）中； 乘除法指令的一個操作數(shù)必須在AX（AL）中。 BX：基址寄存器 在間接尋址中用于存放操作數(shù)的基地址。 CX：計數(shù)寄存器 用于在循環(huán)指令或串操作指令中存放計數(shù)值。 DX：數(shù)據(jù)寄存器 在間接尋址的I/O指令中存放I/O端口地址； 在32位乘除法運算時，存放高16位數(shù)。,31,地址指針寄存器,SP：堆棧指針寄存器 其內(nèi)容為堆棧棧頂?shù)钠频刂罚?任何堆棧操作后，SP都會自動增/減量。 BP：基址指針寄存器 在間接尋址中用于存放操作數(shù)的基地址； 常用于訪問存放在堆棧中的數(shù)據(jù)。,32,BX與BP在應(yīng)用上的區(qū)別,作為通用寄存器，二者均可用于存放數(shù)據(jù)； 作為基址寄存器，默認(rèn)情況下： 用

13、BX作為指針?biāo)L問的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)段（DS段）； 用BP作為指針?biāo)L問的數(shù)據(jù)在堆棧段（SS段）。,注：間接尋址時 僅BX、BP、SI、DI可用于存儲器尋址； 僅DX可用于I/O尋址。,33,變址寄存器,SI：源變址寄存器，用于訪問源操作數(shù) DI：目標(biāo)變址寄存器，用于訪問目的操作數(shù) 常用于操作數(shù)的間接尋址或變址尋址。 在串操作指令中，SI存放源操作數(shù)的偏移地址，而DI存放目標(biāo)操作數(shù)的偏移地址。,34,二、段寄存器,用于存放邏輯段的段基地址（簡稱段地址） CS：代碼段寄存器。代碼段存放指令代碼 DS：數(shù)據(jù)段寄存器 ES：附加段寄存器 SS：堆棧段寄存器：指示堆棧區(qū)域的位置,這兩個段存放操作數(shù),堆棧段,

14、SS,數(shù)據(jù)段,DS/ES,代碼段,CS,35,三、控制寄存器,IP：指令指針寄存器 其內(nèi)容為下一條要執(zhí)行的指令的偏移地址。 FLAGS：標(biāo)志寄存器 存放指令執(zhí)行結(jié)果的特征： 有些指令（如算術(shù)指令）要改變FLAGS的內(nèi)容(影響FLAGS)； 有些指令對FLAGS無影響。 6個狀態(tài)標(biāo)志位（CF，SF，AF，PF，OF，ZF） 3個控制標(biāo)志位（IF，TF，DF）,P71例,O,D,I,T,S,Z,A,P,C,15,0,2,4,6,7,8,9,10,11,FLAGS,36,4.4 8086的存儲器組織,8086可訪問1MB的存儲空間（為什么？） 哪個寄存器能夠放得下20位的地址？ 用分段的方法解決。

15、段是存儲器中的一塊區(qū)域 段起始于存儲器內(nèi)16字節(jié)整倍數(shù)的邊界處。 段首地址的最低4位一定為0 用段和偏移的組合訪問存儲單元 每個段最大為64KB，最小為16B（為什么？） 所有存儲單元的地址都由段地址加偏移地址組成 段地址被裝入段寄存器中以供尋址使用 偏移地址用于在64KB存儲器段內(nèi)選擇任一單元,37,段和偏移,設(shè)段起始地址=60000H 段地址 偏移地址 0FFFFH,6A000H,12H,60000H,6 0 0 0,段寄存器,偏移地址A000H, ,38,物理地址和邏輯地址,物理地址: 存儲單元的硬件地址 物理地址=段地址16 (或段地址左移4位)+偏移地址 邏輯地址: 段和偏移形式的地

16、址 邏輯地址用于匯編語言程序設(shè)計 以下地址都是邏輯地址的例子： 2500H:0100H 段地址A000H 偏移地址0001H,39,例1：,已知CS=1055H，DS=250AH ES=2EF0H，SS=8FF0H 數(shù)據(jù)段中某操作數(shù)偏移地址=0204H 各段首地址=? 畫出各段在內(nèi)存中的分布 該操作數(shù)的物理地址=? 這個例子說明： 段與段可以不連續(xù) 段之間可以重疊,10550H,250A0H,2EF00H,8FF00H,DS段,ES段,SS段,CS段,40,默認(rèn)段和偏移寄存器,8086規(guī)定了訪問存儲器段的規(guī)則： 此規(guī)則定義了段地址寄存器和偏移地址寄存器的組合方式，其默認(rèn)規(guī)則如下表：,41,例2

17、：,設(shè)當(dāng)前執(zhí)行的程序中某條指令的物理地址為5A1F6H，則程序所在的段的段地址=？當(dāng)前CS的內(nèi)容為多少？ 解：（有多個解，求出任意一個即可） 5A1F6H=5A10H10H+00F6H 所以，段地址=5A10H，CS的內(nèi)容為5A10H 想一想，還有哪些解？,思考題：設(shè)當(dāng)前數(shù)據(jù)段位于存儲器的A8000H到B7FFFH的地址空間， 問DS的內(nèi)容應(yīng)是什么才能訪問該數(shù)據(jù)段的所有存儲單元？,42,堆棧及堆棧段的使用,堆棧：內(nèi)存中一個特殊區(qū)域，用于存放需要保護的數(shù)據(jù)。 堆棧按后進先出方式工作 堆棧通過SS（段地址）和SP（偏移地址）來訪問堆棧指針 堆棧的數(shù)據(jù)壓入方向是從高地址到低地址，彈出方向則相反 (堆棧指針的變化舉例) 常用于 響應(yīng)中斷 子程序調(diào)用 參數(shù)傳遞,43,例3：,若已知（SS）=1000H （SP）=2000H 則堆棧段的段起始地址= ？ 棧頂?shù)刂?？ 若該段最后一個單元地址為10100H 則棧底單元的偏移地址=？,段起始,棧底,棧頂,堆 棧 段, ,44,作業(yè)：,教材：3.1-3.11,謝謝大家！,