計算機硬件基礎(chǔ)中央處理器對應(yīng)教材

14 中 央 處 理 器 2 主 要 內(nèi) 容n 微 處 理 器 的 一 般 結(jié) 構(gòu)n 8086微 處 理 器 的 組 成 、 引 腳 功 能n 8086的 內(nèi) 部 寄 存 器 和 標(biāo) 志 位n 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 ：n 8086外 部 引 線 及 功 能 ；n 8086的 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 和 特 點 ；n 8086的 工 作 時 序 。 5 6 8086的 硬 件 特 性n 16位 微 處 理 器 ， CMOS型 ， 40引 腳 DIP封 裝n 16位 數(shù) 據(jù) 總 線 ， 20位 地 址 總 線n 功 耗 ： 5V， 360mA（ 低 功 耗 型 80C86僅 需 10mA）n 輸 入 特 性 ： 輸 入 電 流 0.01mAn 邏 輯 0： 0.8Vn 邏 輯 1： 2.0V n 輸 出 特 性 ：n 邏 輯 0： 0.45V， 最 大 2.0mAn 邏 輯 1： 2.4V， 最 大 -0.4mAn 輸 出 引 腳 負(fù) 載 能 力 ：n 74HC、 74ALS、 74AS、 74F負(fù) 載 10個n 74LS負(fù) 載 5個n 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等 功 能 部 件 處 理 后 的數(shù) 據(jù) 存 儲 器 輸 出 8 指 令 流 水 線n 指 令 流 水 線 有 兩 種 運 作 方 式 ：n 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 。n 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n 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 2CPUBUS 忙 碌 忙 碌 取 指 令 3 執(zhí) 行 3忙 碌空 閑 空 閑 空 閑t1t0 t2 t3 t4 t56個 周 期 執(zhí) 行 了 3條 指 令 10 并 行 工 作 方 式n 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 3BUS 忙 碌 執(zhí) 行 4CPU t 1t0 t2 t3 t4 t5取 指 令 5 執(zhí) 行 5忙 碌 忙 碌 忙 碌 忙 碌 忙 碌 6個 周 期執(zhí) 行 了 5條指 令 11 并 行 操 作 的 前 提n 取 指 令 部 件 和 指 令 執(zhí) 行 部 件 要 能 夠 并 行 工 作 ；n 各 部 件 執(zhí) 行 時 間 基 本 相 同 ， 否 則 需 再 細(xì) 分 ；n 取 指 令 部 件 取 出 的 指 令 要 能 暫 存 在 CPU內(nèi) 部某 個 地 方 ；n 指 令 執(zhí) 行 部 件 在 需 要 時 總 能 立 即 獲 得 暫 存 的指 令 ；n 需 要 解 決 轉(zhuǎn) 移 指 令 問 題 。 12 8086 CPU的 特 點n 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)n 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 。 n 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 腳 定 義 的 方 法 可 大 致 分 為 ：n 每 個 引 腳 只 傳 送 一 種 信 息 （ 如 RD）n 電 平 的 高 低 代 表 不 同 的 含 義 （ 如 M/IO）n 在 不 同 模 式 下 有 不 同 的 名 稱 和 定 義 （ 如 WR/LOCK） n 分 時 復(fù) 用 引 腳 （ 如 AD15 AD0）n 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 ：n AD15 AD0： 三 態(tài) (高 、 低 、 高 阻 )n 地 址 /數(shù) 據(jù) 復(fù) 用 引 腳 。 ALE=1時 作 為 地 址 線A16 A0， ALE=0時 作 為 數(shù) 據(jù) 線 D16 D0。n 傳 送 地 址 時 為 輸 出 ， 傳 送 數(shù) 據(jù) 時 為 雙 向 。n A19-A16/S6-S3： 輸 出 ， 三 態(tài) n 地 址 /狀 態(tài) 復(fù) 用 引 腳 。 ALE=1時 作 為 地 址 線A19 A16， ALE=0時 作 為 控 制 信 號 。 15 主 要 引 線控 制 信 號 ：n WR： 輸 出 ， 三 態(tài)n 寫 選 通 信 號 ， 表 示 CPU正 在 寫 數(shù) 據(jù) 到 MEM或 I/O設(shè) 備 。n RD： 輸 出 ， 三 態(tài)n 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) 。 n M/IO： 輸 出 ， 三 態(tài)n 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n DEN： 輸 出 ， 三 態(tài)n 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 。n DT/R： 輸 出 ， 三 態(tài)n 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 ； n ALE： 輸 出n 地 址 鎖 存 允 許 信 號 ， 表 示 地 址 /數(shù) 據(jù) 總 線 上 傳 輸?shù)?是 地 址 信 號 。以 上 三 個 信 號 的 用 法 見 下 頁 圖 17 主 要 引 線n RESET： 輸 入 n 復(fù) 位 信 號 ， 保 持 4個 以 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 ） ；n BHE/S7： 輸 出 n 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D16 D8有 效 （ 即 讀 /寫 數(shù) 據(jù) 的 高 8位 ） 。 n READY： 輸 入n 準(zhǔn) 備 就 緒 。 用 于 與 存 儲 器 或 I/O接 口 的 同 步 。n =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)n 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n 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 FLAGS（ 僅 對 影 響 標(biāo) 志 的 指 令 ） 20 總 線 接 口 單 元功 能 ：n 從 內(nèi) 存 中 取 指 令 到 指 令 預(yù) 取 隊 列 IPQ；n 負(fù) 責(zé) 與 內(nèi) 存 或 I/O接 口 之 間 的 數(shù) 據(jù) 傳 送 ；n 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)n 有 EU和 BIU兩 個 獨 立 的 、 同 時 運 行 的 部 件n 二 者 通 過 IPQ構(gòu) 成 一 個 兩 工 位 流 水 線n 指 令 被 EU和 BIU按 流 水 線 方 式 處 理 ：n 提 高 了 CPU的 運 行 速 度 ；n 提 高 了 CPU的 執(zhí) 行 效 率 ；n 降 低 了 對 存 儲 器 存 取 速 度 的 要 求 。 22 四 、 8086的 工 作 時 序n 工 作 時 序 分 為 很 多 小 的 時 間 片 :n 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 。n 總 線 周 期 通 過 總 線 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n T1周 期n CPU向 存 儲 器 或 I/O發(fā) 送 地 址n CPU向 地 址 /數(shù) 據(jù) 分 離 器 （ 地 址 鎖 存 器 ） 發(fā) 送 ALE信 號n T2周 期n 給 存 儲 器 或 I/O發(fā) 送 寫 入 的 數(shù) 據(jù)n 測 試 READY引 腳 狀 態(tài) ， 以 決 定 是 否 插 入 等 待 周 期 n 發(fā) 出 RD或 WR信 號n T3周 期n 等 待 存 儲 器 或 I/O存 取 數(shù) 據(jù) 完 成n 使 數(shù) 據(jù) 在 CPU與 存 儲 器 或 I/O之 間 傳 輸n T4周 期n 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 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n 8086寄 存 器 組 又 稱 為 8086的 程 序 設(shè) 計 模 型n 它 是 程 序 設(shè) 計 中 惟 一 可 見 的 CPU部 件n 它 是 系 統(tǒng) 程 序 設(shè) 計 員 的 操 作 對 象n 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 IPFLAGSAH ALBH BLCH CLDH DLAXBXCXDX BPSIDI CSDSESSS通 用 寄 存 器 控 制 寄 存 器段 寄 存 器 16位 16位 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n 用 途 ： 存 放 臨 時 數(shù) 據(jù) 和 存 放 運 算 操 作 數(shù) 。 （ 例 ）n 每 個 均 為 16位 ， 但 又 可 分 為 2個 8位 寄 存 器 ， 即 ：n AX AH， ALn BX BH， BL n CX CH， CLn 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n AX： 累 加 器n 所 有 I/O指 令 都 通 過 AX（ AL） 與 接 口 傳 送 信 息 ;n 中 間 運 算 結(jié) 果 也 多 放 于 AX（ AL） 中 ；n 乘 除 法 指 令 的 一 個 操 作 數(shù) 必 須 在 AX（ AL） 中 。n BX： 基 址 寄 存 器n 在 間 接 尋 址 中 用 于 存 放 操 作 數(shù) 的 基 地 址 。n CX： 計 數(shù) 寄 存 器 n 用 于 在 循 環(huán) 指 令 或 串 操 作 指 令 中 存 放 計 數(shù) 值 。n DX： 數(shù) 據(jù) 寄 存 器n 在 間 接 尋 址 的 I/O指 令 中 存 放 I/O端 口 地 址 ；n 在 32位 乘 除 法 運 算 時 ， 存 放 高 16位 數(shù) 。 31 地 址 指 針 寄 存 器n SP： 堆 棧 指 針 寄 存 器n 其 內(nèi) 容 為 堆 棧 棧 頂 的 偏 移 地 址 ；n 任 何 堆 棧 操 作 后 ， SP都 會 自 動 增 /減 量 。n BP： 基 址 指 針 寄 存 器n 在 間 接 尋 址 中 用 于 存 放 操 作 數(shù) 的 基 地 址 ；n 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n 作 為 通 用 寄 存 器 ， 二 者 均 可 用 于 存 放 數(shù) 據(jù) ；n 作 為 基 址 寄 存 器 ， 默 認(rèn) 情 況 下 ：n 用 BX作 為 指 針 所 訪 問 的 數(shù) 據(jù) 在 數(shù) 據(jù) 段 （ DS段 ） ；n 用 BP作 為 指 針 所 訪 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n SI： 源 變 址 寄 存 器 ， 用 于 訪 問 源 操 作 數(shù)n DI： 目 標(biāo) 變 址 寄 存 器 ， 用 于 訪 問 目 的 操 作 數(shù)n 常 用 于 操 作 數(shù) 的 間 接 尋 址 或 變 址 尋 址 。n 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 ）n CS： 代 碼 段 寄 存 器 。 代 碼 段 存 放 指 令 代 碼n DS： 數(shù) 據(jù) 段 寄 存 器 n ES： 附 加 段 寄 存 器n 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SS數(shù) 據(jù) 段DS/ES代 碼 段CS 35 三 、 控 制 寄 存 器n IP： 指 令 指 針 寄 存 器n 其 內(nèi) 容 為 下 一 條 要 執(zhí) 行 的 指 令 的 偏 移 地 址 。n FLAGS： 標(biāo) 志 寄 存 器n 存 放 指 令 執(zhí) 行 結(jié) 果 的 特 征 ： n 有 些 指 令 （ 如 算 術(shù) 指 令 ） 要 改 變 FLAGS的 內(nèi) 容 (影 響 FLAGS)；n 有 些 指 令 對 FLAGS無 影 響 。n 6個 狀 態(tài) 標(biāo) 志 位 （ CF， SF， AF， PF， OF， ZF）n 3個 控 制 標(biāo) 志 位 （ IF， TF， DF） P71例O D I T S Z A P C15 02467891011FLAGS 36 4.4 8086的 存 儲 器 組 織n 8086可 訪 問 1MB的 存 儲 空 間 （ 為 什 么 ？ ）n 哪 個 寄 存 器 能 夠 放 得 下 20位 的 地 址 ？n 用 分 段 的 方 法 解 決 。n 段 是 存 儲 器 中 的 一 塊 區(qū) 域n 段 起 始 于 存 儲 器 內(nèi) 16字 節(jié) 整 倍 數(shù) 的 邊 界 處 。 n 段 首 地 址 的 最 低 4位 一 定 為 0n 用 段 和 偏 移 的 組 合 訪 問 存 儲 單 元n 每 個 段 最 大 為 64KB， 最 小 為 16B（ 為 什 么 ？ ）n 所 有 存 儲 單 元 的 地 址 都 由 段 地 址 加 偏 移 地 址 組 成n 段 地 址 被 裝 入 段 寄 存 器 中 以 供 尋 址 使 用n 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n 設(shè) 段 起 始 地 址 =60000Hn 段 地 址 n 偏 移 地 址n 0 FFFFH 6A000H 12H60000H 6 0 0 0段 寄 存 器偏 移 地 址 A000H 0 0 0 0段 地 址 (16位 )段 起 始 地 址 38 物 理 地 址 和 邏 輯 地 址n 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n 邏 輯 地 址 : 段 和 偏 移 形 式 的 地 址 n 邏 輯 地 址 用 于 匯 編 語 言 程 序 設(shè) 計n 以 下 地 址 都 是 邏 輯 地 址 的 例 子 ：n 2500H:0100Hn 段 地 址 A000Hn 偏 移 地 址 0001H 39 例 1：n 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 =0204Hn 各 段 首 地 址 =?n 畫 出 各 段 在 內(nèi) 存 中 的 分 布 n 該 操 作 數(shù) 的 物 理 地 址 =?n 這 個 例 子 說 明 ：n 段 與 段 可 以 不 連 續(xù)n 段 之 間 可 以 重 疊 10550H250A0H2EF00H8FF00H DS段ES段SS段 CS段 40 默 認(rèn) 段 和 偏 移 寄 存 器n 8086規(guī) 定 了 訪 問 存 儲 器 段 的 規(guī) 則 ：n 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 ：段 地 址 默 認(rèn) 偏 移 地 址 用 于 訪 問CS IP 指 令SS SP、 BP 堆 棧 中 的 數(shù) 據(jù)DS BX、 DI、 SI、 8位 或 16位 數(shù) 數(shù) 據(jù) 段 中 的 數(shù) 據(jù)ES 串 指 令 的 DI 目 標(biāo) 串 操 作 數(shù) 41 例 2：n 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 ？n 解 ： （ 有 多 個 解 ， 求 出 任 意 一 個 即 可 ） 5A1F6H=5A10H 10H+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n 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) 。n 堆 棧 按 后 進 先 出 方 式 工 作n 堆 棧 通 過 SS（ 段 地 址 ） 和 SP（ 偏 移 地 址 ） 來 訪 問 堆 棧 指 針n 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 ) n 常 用 于n 響 應(yīng) 中 斷n 子 程 序 調(diào) 用n 參 數(shù) 傳 遞 43 例 3：n 若 已 知 （ SS） =1000H （ SP） =2000Hn 則 堆 棧 段 的 段 起 始 地 址 = ？n 棧 頂 地 址 =？n 若 該 段 最 后 一 個 單 元 地 址 為10100H n 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