第4章 8086-CPU结构及其系统组成
8086结构组成
8086结构组成8086是一款16位微处理器，它的结构组成非常复杂。
本文将从以下几个方面来详细介绍8086的结构组成。
一、总体结构8086由三个主要部分组成：执行单元（EU）、总线接口单元（BIU）和寄存器组。
1.执行单元：负责执行指令并进行算术和逻辑运算。
2.总线接口单元：负责与外部设备通信并控制数据传输。
3.寄存器组：包括通用寄存器、段寄存器和指令指针寄存器等。
二、执行单元1.指令队列指令队列是执行单元中的一个重要部分，它可以存储多条指令，以便快速地进行取指令操作。
当EU需要执行一条新的指令时，它会从队列中取出下一条指令并开始执行。
2.算术逻辑单元算术逻辑单元（ALU）是执行单元中的核心部分，它可以进行各种算术和逻辑运算，如加、减、乘、除、与、或等操作。
ALU还可以处理条件跳转和无条件跳转等控制操作。
3.状态标志寄存器状态标志寄存器（FLAGS）用于记录ALU运算的结果，以便EU进行下一步操作。
FLAGS寄存器包括零标志位、进位标志位、溢出标志位等。
三、总线接口单元1.地址加法器地址加法器（AFA）是BIU的核心部分，它可以将内部地址转换为外部地址，并控制数据传输。
2.指令缓存器指令缓存器（IC）用于存储从内存中读取的指令。
当EU需要执行一条新的指令时，BIU会从IC中取出相应的指令并传输给EU。
3.数据缓存器数据缓存器（DC）用于暂时存储从内存中读取或写入的数据。
当EU 需要访问内存时，BIU会将相应的数据传输到DC中，EU再从DC中读取或写入数据。
四、寄存器组1.通用寄存器8086有8个16位通用寄存器，分别命名为AX、BX、CX、DX、SI、DI、BP和SP。
这些寄存器可以用于保存临时数据和计算结果等。
2.段寄存器8086有4个16位段寄存器，分别命名为CS、DS、ES和SS。
这些寄存器用于保存程序和数据在内存中的位置信息。
3.指令指针寄存器指令指针寄存器（IP）用于保存下一条指令在内存中的地址。
8086处理办法器结构
生产工艺：不同的生产工艺对CPU的功耗和工作频率有较大影响，生产 工艺越先进CPU功耗越低，工作频率越高。
TF(Trap Flag)
跟踪标志
TF=1 CPU单步运行； TF=0 CPU正常运行；
跟踪程序进行调试 控
IF(Interrupt Enable Flag)
中断允许 IF=1 CPU接受外部中断； 标志 IF=0 CPU不接受外部中断；
控制可屏蔽中断
制 标
DF(Direction Flag)
方向标志
反映CPU最近一次运算结果的一些状况。 数据暂存寄存器：协助ALU完成运算，暂存参加运算的数据，
如从内存读入的数据。 通用寄存器：用于存放参与运算的数据或数据在内存中的偏
移地址。 EU控制电路：负责接收从BIU指令队列中取来的指令，经
指令译码后形成定时控制信号，对EU各部件实现特定的控 制操作。
将取指令部件与执行指令部件分开，使它们可以并行工 作，从而实现并行流水线，提高系统运行速度； 对内存空间分段管理，利用16位段基址和16位段内偏移 地址实现对1MB空间的寻址； 设有两种工作模式，分别支持单处理器工作和多处理器 工作； 基本指令执行时间为0.3μs～0.6μs。
8086处理办法器结构
辅助进行BCD码运 算调整
零标志
ZF=1运算结果为零； ZF=0运算结果不为零；
判断运算结果是否 为零或相等
符号标志
8086结构组成
8086结构组成一、简介8086是英特尔（Intel）公司于1978年推出的16位微处理器，是第一款具有高度通用性的微处理器。
8086结构包括各种功能部件，如寄存器组、运算单元、控制单元等。
本文将详细介绍8086的结构组成和各个组成部分的功能。
二、8086结构组成1. 寄存器组8086包含了多个寄存器，用于存储各种数据和地址信息。
寄存器组包括通用寄存器、指令指针寄存器、段寄存器等。
1.1 通用寄存器8086拥有四个16位的通用寄存器：AX、BX、CX、DX。
这些寄存器可以用于存储数据、地址以及进行运算。
1.2 指令指针寄存器指令指针寄存器IP存储当前执行指令的地址，可以进行程序的跳转和控制。
1.3 段寄存器8086采用段寄存器和偏移地址的方式来定位内存中的数据。
段寄存器包括代码段寄存器CS、数据段寄存器DS、堆栈段寄存器SS和附加段寄存器ES。
2. 运算单元8086拥有一个功能强大的运算单元，可以执行各种运算和逻辑操作。
运算单元包括算术逻辑单元ALU、标志寄存器FLAGS等部件。
2.1 算术逻辑单元（ALU）ALU是8086中重要的组成部分，负责执行各种算术和逻辑运算，如加法、减法、与、或等。
2.2 标志寄存器（FLAGS）FLAGS寄存器用于存储运算结果的状态信息，包括进位标志、零标志、溢出标志等。
这些标志位可以帮助程序进行条件分支和判断。
3. 控制单元控制单元是8086中负责控制和协调各个部件工作的组成部分。
主要包括指令译码器、时钟发生器等。
3.1 指令译码器指令译码器用于解析指令，将指令转化为相应的控制信号，控制其他部件的工作。
3.2 时钟发生器时钟发生器为8086提供稳定的时钟信号，用于同步各个部件的工作，确保指令能够按序执行。
4. 外部接口8086能够与外部设备进行通信，包括输入输出接口和存储器接口。
4.1 输入输出接口输入输出接口负责将内部数据和外部设备进行数据交换，通过输入输出指令控制。
8086CPU原理与PC体系结构
8086
10
31
HOLD (RQ/GT0) 状态复用(输出，三态)
11 12
30 29
HLDA(RQ/GT1 WR(LOCK)
•
RD ：读信号(输出，低电平
13
28
M/IO( S2)
有效，三态)
14 15
27 26
DT/R (S1) DEN (S0)
• TEST：测试信号(输入、
16
25
ALE(QS0)
➢物理地址 也叫实际地址或绝对地址，是CPU访
问存储器时实际使用的地址，为20位地址。
➢在8086中，两种地址的关系如下：
➢物理地址 = 段基值×16 + 偏移量
20
存储器物理地址
物理地址：每个存储单元唯一的20位地址。 物理地址由两部分组成：段地址，偏移地址
偏移地址：指在段内相对于段起始地址的偏移值。
偶存储体同8086低8位数据线D7～D0相连，奇存储体同
8086高8位数据线D15～D8相连，8086地址线的A19～A1同
8086是16位微处理器，可按字节访问，也可按字 访问。便于与不同格式的存储器兼容。 按字节访问时，1M字节的存储器空间分成两个 512KB的存储体----偶存储体和奇存储体，这样 8086的一次操作就有可能完成2个字节的读取（或 写入）。
27
8086的偶存储体和奇存储体
A18～ A0
A18～A0
8086/8088的工作模式由硬件决定。当MN/MX接高电平时， 工作在最小模式；接低电平，工作在最大模式。
24
GND AD14 AD13 AD12 AD11 AD10 AD9 AD8 AD7 AD6 AD5 AD4 AD3 AD2 AD1 AD0 NMI INTR CLK GND
8086系统结构与8086CPU详解
8086系统结构与8086CPU详解8086是Intel公司于1978年推出的16位微处理器，是第一个被广泛应用于个人电脑的微处理器。
指令执行单元是8086的核心部分，它包括指令队列和执行单元。
指令队列用于存储将要执行的指令，执行单元根据指令队列中的指令来执行相应的操作。
8086采用流水线执行模式，使指令的执行更高效。
8086有14个寄存器，其中有4个通用寄存器AX、BX、CX和DX，其分别可以作为数据寄存器、地址寄存器、指针寄存器和变址寄存器使用。
AX寄存器可以拆分为两个独立的8位寄存器AH和AL，分别用于存储高8位和低8位数据。
除了通用寄存器外，8086还有4个段寄存器CS、DS、ES和SS，用于存储程序的代码段、数据段和堆栈段的物理地址。
内存管理单元用于实现8086的内存管理功能。
8086采用分段分页的内存管理模式，通过段寄存器和偏移地址来访问内存。
段寄存器存储段的起始地址，偏移地址表示从段起始地址开始的偏移量。
通过这种方式，8086可以寻址1MB的内存空间。
8086使用外部总线与其他设备进行通信。
它包括地址总线、数据总线和控制总线。
地址总线用于传输地址信息，数据总线用于传输数据，控制总线用于传输控制信号。
8086的地址总线宽度为20位，可以寻址1MB的内存空间。
除了系统结构，了解8086的CPU结构也是很重要的。
8086包括指令流水线、ALU、寄存器组、时钟和控制单元等部分。
指令流水线用于提高指令执行的效率，将指令的执行过程分为取指令、译码、执行和写回四个阶段，并行地执行不同的指令。
ALU（算术逻辑单元）用于进行算术和逻辑运算。
寄存器组包括通用寄存器和段寄存器，用于存储数据和地址信息。
8086的时钟是由外部提供的，它通过时钟和控制单元来对指令的执行进行控制。
总的来说，8086的系统结构和CPU结构共同组成了一个完整的微处理器系统。
通过了解其结构，可以更好地理解8086的工作原理和性能特点，为编程和系统设计提供指导。
8086cpu的组成
8086CPU的组成8086CPU是一种早期的微处理器，用于计算机的中央处理单元（CPU）。
它由多个组件组成，包括逻辑单元、寄存器、内存控制器、输入/输出单元等。
以下是对8086CPU组成的详细描述：1. 逻辑单元：8086CPU的逻辑单元包括各种控制单元和调度单元，用于处理指令、数据和内存访问请求。
这些逻辑单元负责协调各个组件之间的操作，确保CPU能够高效地执行任务。
2. 寄存器：8086CPU使用多个寄存器来存储数据和处理指令。
这些寄存器用于临时存储数据、操作数和结果，并支持CPU执行各种操作。
3. 内存控制器：8086CPU的内存控制器负责与主存储器（如RAM）进行通信，以快速访问数据和指令。
内存控制器通过内部总线与逻辑单元和其他组件进行交互，确保数据传输的效率和准确性。
4. 输入/输出单元：8086CPU的输入/输出单元负责与外部设备进行通信。
这些设备包括显示器、键盘、鼠标、硬盘驱动器等。
输入/输出单元通过接口与外部设备连接，并处理与它们的通信和数据传输。
5. 时钟和电源管理：8086CPU需要一个时钟信号来控制其操作速度。
时钟信号的频率决定了CPU的执行速度。
此外，8086CPU还具有电源管理功能，以确保各个组件在需要时获得适当的电源，并在不需要时关闭以节省能源。
总的来说，8086CPU由多个组件组成，这些组件协同工作以实现高效的计算任务。
它具有强大的逻辑单元、寄存器、内存控制器和输入/输出单元，以及时钟和电源管理功能，使其成为早期计算机系统的重要组成部分。
这些组件的组合和协同工作，使得8086CPU能够处理复杂的指令和数据，并支持计算机系统的正常运行。
8086CPU内部结构
AF — 辅助进位标志，若低字节的第4位向上产生一个进位或 借位，则AF置“1”，否则置“0”；
执行部件
ZF — 零标志位, 若运算结果为零, 则ZF置“1”,否则置“0”； SF — 符号标志位，若算数运算的结果为负，SF置“1”, 否则置“0”；
OF — 溢出标志位，有符号数算术运算结果产生溢出,OF置“1”，否 则置“0”；
B0000H－B0F9FH， 4KB， 单色显示器显示缓冲区；
B8000H－BBF3FH，16KB，彩色显示器显示缓冲区； FFFF0H－FFFFFH，16B，复位程序入口；
执行部件
（1）16位算术逻辑单元ALU （2）4个16位数据寄存器
AX、BX、CX、DX，又可以分为8个8位寄存器使用：AH、 AL、BH、BL、CH、CL、DH、DL 数据寄存器用于存放操作数及中间结果，AX和AL可用作累加 操作，因此又可称作累加器。
（3）4个16位地址指针寄存器
SP (Stack Pointer)— 堆栈指针寄存器 BP (Base Pointer) — 基址指针寄存器 SI (Source Index) — 源变址寄存器 DI (Destination Index)— 目的变址寄存器 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。
Cp=1
8086引脚信号和功能－function diagram AD0 系 (S2)M/IO ～ RD 统 AD15 控 (LOCK)WR A16/S3 制 (S0)DEN ～ (S1)DT/R A19/S6 8086 总线 (RQ0)HOLD 控制 BHE/S7 (RQ1)HLDA ALE(QS0) READY INTA(QS1) CPU TEST INTR 控制 RESET NMI MN/MX CLK
8086CPU的结构与功能
8086CPU 的结构与功能CPU 结构与功能不管什么型号的CPU ，其内部均有这四⼤部件1. ALU ：算术逻辑单元2. ⼯作寄存器：分为数据寄存器和地址寄存器⼯作寄存器的⽬的是为了提⾼运算速度，希望参与运算的数据不从外部存储器去取数据，⽽是在CPU 内部取，所以要有能暂存少量数据的寄存器。
数据寄存器是专门存放数据的，地址寄存器是专门存放地址，进⾏间接寻址⽅式，但当地址寄存器不提供地址时，也可以⽤来暂存数据。
3. 控制器：中央指挥机关4. I/O 控制逻辑电路⼀般CPU 执⾏存储器（按字节组织）⾥⾯指令过程如下：1. CPU 通过控制器部件⾥⾯的程序计数器（PC ）给外部存储器的地址引脚输出地址（通过地址总线AB ），同时CPU 给存储器发送读操作命令；2. 在读操作下，就把这个地址单元的指令代码通过数据总线（DB ），取回来放在指令寄存器⾥⾯（IR ），注意此时因为指令没有执⾏完，所以PC 还不能去往下⼀条指令，IR 没有地⽅放数据。
3. 指令译码器（ID ）不断检测指令寄存器有没有数据，有的话就把指令取⾛放在ID ⾥⾯，取来的指令就被ID 译码分析，就知道这个指令希望CPU 做什么，怎么做；4. ID 通知控制逻辑部件，在相应的控制引脚发出相应的有效命令（读，写等）；5. 此条指令执⾏完，IR 为空，PC ⾃动增加到下⼀条指令的地址，执⾏下⼀条指令流程。
如果指令为n 字节，PC ⾃动增n 。
因为在取指令时候，不能执⾏指令，在执⾏指令时候，不能取指令，因此这种架构CPU 是取指令->执⾏指令->取指令...这样循环下去。
CPU 执⾏效率不⾼。
堆栈由先进后出原则组织的存储器区域，称为堆栈。
单⽚机应⽤中，堆栈是个特殊存储区，堆栈属于RAM 空间的⼀部分，堆栈⽤于函数调⽤、中断切换时保存和恢复现场数据（临时数据）。
对于8006 CPU ⽽⾔，堆栈操作是按字操作。
堆栈单元的地址指针由堆栈指针寄存器SP 的内容提供。
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§4-1 Intel 8086/8088-CPU结构
一.8086/8088-CPU的性能 8086 典型的16位CPU 16位内部数据总线，16位外部数据总线 8088 准十六位CPU 16位内部数据总线，8位外部数据总线 20位地址总线，可寻址地址空间（M）1Mbyte 220=1KK 低16位地址总线，寻址I/O端（间接寻址） 低8位地址总线，寻址I/O端口（直接寻址） 28=256 byte
（段末址）
AB19～AB0 20位物理地址 ∑ 如：逻辑地址 17BC：FE36 物理地址 17BC0 + FE36 279F6H
段地址
偏移地址
特点：① 用逻辑地址表示，扩展可寻址范围 ②段可以重叠，一分物理单元，可以属于几个逻辑段 ③内存动态管理更简单有效，程序员不必知道代码存 放的具体位置，就可以开发软件。
64K
ES 80000H SS A0000H DS B0000H
64K
64K 64K
将1Mbyte空间分成若干段 每段64K（最大） 每段首地址是一个能被16整除的地址 最低四位为 0000B XX┄┄XX0000B 最低一位为 0B XXXX0H 段的首地址的高16位称为段地址（段首址，段基址） 四种段地址分别可以存放在四个段地址寄存器中 CS，DS，SS，ES（扩展段） ①有效段地址：24 ，每隔16个单元就有一个有效段地址。 ②每段最大64K ，故段内任一存储单元可以用相对段首址 的16位偏移量来表示。 当前段的偏移地址： EA（effective address）
WR
RD
HOLD
HLDA
控制总线
INTR INTA
二、引脚信号功能 1、AD15 ～AD0 地址/数据复用（双向输出，三态） 采用分时办法传送地址或数据的复用引脚。若把完成依次 输入/输出操作称为总线周期T1～T3 T1：当ALE有效时，AD15 ～AD0锁存到8282中，用来输出要访问 的存储单元或I/O端口的低16位地址。 T2～T3： ALE无效， 读周期 显高阻 AD15 ～ 0 写周期 输出数据 AD15~～0 参阅P34，P35，P123，P124 8282和8286的工作原理 2、A19/S6～A16/S3 地址/状态复位引脚 （三态，输出） 在总线周期的T1，用来输出A13～A16 在其它时钟周期，用来输出状态信 S6=0时，指示8086正与总线相连
3．寄存器阵列（Register Rank） 通用R 4*16位 8*8位 AX AH AL BX BH BL CX CH CL DX DH DL 用于存放操作数和运算结果 在某些指令中，四个R有隐含的专门用法 AX——累加器 ， BX——基址寄存器 CX——计数器 ， DX——数据R 指针寄存器 2*16位 SP，BP 用来存放相应的段内偏移地址 SP——（stack pointer） 堆栈指针 用来存放现行堆栈内段的段内偏移量 BP—— (base pointer) 基址指针 用来存放现行堆栈段内某个数据区的基地址偏移量。
FFFFFH
220-1
A19-A1地址线 A19-A1 00001H 00003H 00005H
CS
512×8 奇地址库 高字节
A19-A1 00000H 00002H 00004H
CS
512×8 偶地址库 低字节
BHE
8
FFFFFH D7-D0
FFFFEH D7-D0
8
D15-D8
D7-D0
A0
与8085 8位CPU相比，增强更多功能：
①具有更丰富的寻址方式和更高性能的指令系统(133) 如有乘、除法，8080/8085无 ②具有指令流队列，使取指令和执行指令的操作能 并行执行，加快了CPU的指令执行速度。 ③具有性能更强，更加灵活简便的中断处理系统。 ④能组成多处理机系统，提高数据吞吐能力和处理能 力
• 指令的流水线结构： 8085 Z80等8位微机的指令执行顺序 取指 执行 取指 执行 取指 执行 时间 8086指令的执行顺序 BIU 取指 取指 取指 取指 得到数据 取指
EU 等待
执行
执行
执行
执行
特点：①减少了CPU，为取指令所需要的等待时间，提高了 CPU的利用率及运行速度。 ②取指和执行可以重叠，降低了对与CPU相配的M的存 储器的存取速度的要求。
READY TEST
BHE
NMI
M IO
ALE
CLK
DT R
MN MX
DEN
INTA
INTR
RESET
③CPU总线控制信号 HOLD HLDA
§4-3 8086存储器管理
一、8086存储器组织及其寻址 地址线 A19～A0 寻址范围 00000H～FFFFFH 220=1Mbyte D7 … D0 00000H 线性空间
三个控制标志 DF（Direction flag） 方向标志 用于指定字符串处理指令的步进方向 DF= ‘1’ 递减方式，高地址向低地址方向进行 DF= ‘0’ 递增方式，低地址向高地址方向进行 可用指令复位和置位 IF (Interrupt Enable flag) 中断允许标志 该标志用于控制可屏蔽的硬件中断 IF= ‘1’ 允许中断 IF= ‘0’ 屏蔽中断 可用于指令复位和置位 TF（Trap flag） 陷阱标志（单步操作标志） TF= ‘1’ CPU执行一条指令后自动产生一个内部中断， 用于程序调试。
§4-2
8086 CPU引脚信号功能
一、 8086工作方式 （最大方式简单一提，要学生自己看） 为了适应不同使用场合，8086具有两种工作 方式：最小方式和最大方式。 1、8086最小方式 系统中只有8086一个处理器MPU，在该系统中， 8086CPU直接产生所有总线控制信号，系统所需的 外加其他总线控制逻辑部件最少。
67
AB
0065FH
3、字节和字的存取 奇地址高位字节的512K*8 ：奇地址库 由 BHE 信号选通（bus high enable） BHE ——高8位数据总线允许 D15～D8 偶地址 低位字节的512K×8 ：偶地址库 由A0 信号选通 D7～D0 *P15 f5.6 表示了CPU对字节和字的存取情况以及 P114，Tab.5.6 其中和A0信号，都是由字操作指令给出的 同学自行分析掌握 *
二、存储器的分段结构和物理地址的形成 AB19～AB0 220=1Mbyte 但 BX，IP，SP，BP，SI，DI，ALU皆为16位， 4 16=64K， 1M = 2 ⋅ 64K 可寻址2 CPU如何构成20位的物理地址？ 1.分段结构 CS，SS，DS，ES CS 60000H 代码段 附加段 堆栈段 数据段
标志R
执行单元(EU)
总线接口单元BIU)
BIU：负责与M接口，即8086 CPU与M之间的数据传送 都是由BIU负责的，BIU负责从内存的指令单元 取出指令，送到指令流队列排队，在执行指令 是所需的操作数，也由BIU从内存的指定区域 取出，传送给EU去执行。 EU：负责指令执行，从指令流中取指令，分析指令 和执行指令。
地址N+1
地址N
作为字地址
高字节
低字节
规则字 —— 一个字数据的字地址位于偶地址 即： 偶地址单元对应低位字节 奇地址单元对应高位字节 0065CH AB 0065DH 67 67 AB 0065CH
非规则字—— 若字地址是奇地址 即：奇地址单元存放低位字节 偶地址单元存放高位字节 0065FH AB 00660H 67
8086 最小方式系统的基本配置
时钟发生器 （8284A） CLK
RESET READY
MN / MX
+5v
ALE BHE AD −AD
S6～S3
5
19
地址 锁存器 STB
8282× 3
20
地址总线
16
AD − AD
0
OE
总线收 T 发器 OE 8286× 2 16
8086
DEN
DT R
数据总线
M IO
二.8086基本结构
AH AL BH BL CH CL 通用 DH DL SP 寄存器 BP DI SI
AX BX CX DX
20位 Σ CS DS SS ES IP 内部 暂存器 地址加法器 16位 段寄存器 输入 输出 控制 电路
16位 运算R 执行部分 控制电路
ALU
1 2 3 4 5 6 指令队列缓冲器
物理地址：
20位的实际地址编码，称为内存单元的物理地址 （真实地址）
逻辑地址：
段地址：偏移地址 （7BC：FE36）
物理地址的形成： 物理地址=段地址×10H+偏移地址。 17BC 偏 移 地 址 17BC0H
（段首址）
16位段地址 0000 + 16位段地址 20位字节或字的物理地址
64K 279F6H 27BBFH
字节编址： 将存储器空间按字节（byte）地址号顺序排列的 方式 实际操作时：一个变量可以是字节byte，一个字word，双字 double word,八字节，十六个字节
1.字节数据 数据为8位 字节地址为偶数 A0=0 奇数 A0=1 2.字数据 将连续存数的两个字节构成一个16位的字数据
低位字节 高位字节 N N+1
④ P ： 奇偶标志位 逻辑运算时，P用来反映Alu运算结果 ‘1’的个数的奇偶性 P=‘0’ 奇数个1 PO odd P=‘1’ 偶数个1 PE even 常用来检验数据传送是否为出错 ⑤ C ： 进位标志 （Carry） Alu进行算术运算时，反映运算结果最高位有无 进位/借位 Cy=C7⊕N C=‘0’ 无进位/借位 NC 见P32例题L11~L3 C=‘1’ 有进位/借位 C ⑥ O ：（Overflow) 溢出标志 判断带符号数加/减运算结果是否溢出。 O=‘1’ O 溢出 O=‘0’ NO 不溢出