第2章微处理器与指令系统-wy01资料
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第二章--微处理器PPT课件
第一节 微型计算机的组成及工作原理
微处 理器
8086/ 8088
存储器 RAM
存储器 ROM
I/O 接口
外围Байду номын сангаас备
地址总线AB 控制总线CB 数据总线DB
系统总线 或三总线
图 2.1 微型计算机的组成
2.1.1 CPU的基本概念和组成
微处理器(机)简称CPU，是用来实现运算和控制功 能的部件，由运算器、 控制器和寄存器 3 部分组成。 1) 运算器用于完成数据的算术和逻辑运算。 2) 寄存器用来暂存参加运算的操作数和运算结果。 3) 控制器由指令寄存器、指令译码器和控制电路组成。 指令是一组二进制编码信息，主要包括两个内容： (1)告诉计算机进行什么操作； (2)指出操作数或操作数地址。 (3) 控制电路根据指令的要求向微型机各部件发出 一系列相应的控制信息，使它们协调有序地工作。
段寄存器在使用中应注意：
（1）在编写汇编语言源程序时，应按上述 规定将程序的各个部分放在规定的段内。
2.2.3 输入/输出设备及其接口电路 输入/输出(缩写为I/O)设备统称外部设备，是微
型计算机的重要组成部分。输入设备的任务是将程序、 原始数据及现场信息以计算机所能识别的形式送到计
算机中，供计算机自动计算或处理用。 微型机中常 用的输入设备包括键盘、鼠标器、 数字化仪、扫描 仪、A/D转换器等。输出设备的任务是将计算机的计 算和处理结果或回答信号以人能识别的各种形式表示
总线接口部件 （BIU)
8086微处理器逻辑框图：分EU与BIU两部分：
执行部件（EU):由ALU、通用寄存器组、状态寄 存器及操作控制器电路组成。 总线接口部件(BIU):由专用寄存器、指令队列 缓冲器、地址加法器等功能部件组成。形成对 外总线，与存储器、I/O接口电路进行数据传输。
第二章2 微处理器指令系统
MOV AX, 0102H；AX←0102H 调试
12
2.2.2 寄存器寻址方式
操作数存放在CPU的内部寄存器reg中：
8位寄存器r8： AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH、DL 16位寄存器r16： AX、BX、CX、DX、SI、DI、BP、SP 4个段寄存器seg： CS、DS、SS、ES
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相对寻址方式中的位移量
在寄存器相对和相对基址变址寻址方式中，其
位移量不仅可用常量表示，也可用符号表示 这个符号可以是变量名，例如WVAR变量，而 且支持多种表达形式
MOV AX, [DI+WVAR] ；＝ MOV AX,WVAR[DI] ；等同于 MOV AX,[DI+0010H] MOV AX,[BX+SI+WVAR] ；等同于 MOV AX, WVAR[BX+SI] ；等同于 MOV AX, WVAR[BX][SI]
演示
MOV AX, 6[BX+DI]
MOV AX, 6[BX][DI]
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存储器寻址方式中的变量
变量指示内存中的数据，变量名具有地址属性。
存储器寻找方式中经常采用变量形式 变量的定义
WVAR DW 1234H ；定义16位变量WVAR，具有初值1234H ；假设其偏移地址为10H
单独引用变量名是直接寻址方式 MOV AX,WVAR ；指令功能：AX＝1234H ；等同于 MOV AX,[0010H]
语句的各个组成部分用冒号，逗号，分号，空格等 作分隔符。MASM支持采用续行符“\”
7
2.2.1 立即数寻址方式
指令中的操作数直接存放在机器代码中，紧跟在操作码 之后（操作数作为指令的一部分存放在操作码之后的主 存单元中） 这种操作数被称为立即数imm
第二章 微处理器指令系统讲稿-1-2
处理器对两个操作数进行运算时，按照无符 号数求得结果，并相应设置进位标志CF；同 时，根据是否超出有符号数的范围设置溢出 标志OF
应该利用哪个标志，则由程序员来决定。也 就是说，如果将参加运算的操作数认为是无 符号数，就应该关心进位；认为是有符号数， 则要注意是否溢出
溢出的判断
BP为基址指针寄存器（Base Pointer），表示数 据在堆栈段中的基地址
SP和BP寄存器与SS段寄存器联合使用以确定 堆栈段中的存堆储栈单（S元ta地ck址）是主存中一个特殊的
区域，采用“先进后出”或“后进先出” 存取操作方式、而不是随机存取方式。
用8088/8086形成的微机系统中，堆 栈区域被称为堆栈段
IBM公司选择8088作为处理器设计个人计算机， 大获成功，Intel微处理器成为主流产品。
8088的引脚图
GND A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 AD7 AD6 AD5 AD4 AD3 AD2 AD1 AD0 NMI INTR CLK GND
1
40
2
39
3
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4
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5
36
6 8088 35
1. 通用寄存器---数据寄存器
AX称为累加器（Accumulator） 使用频度最高。用于算术、逻辑运算以及与外设传送 信息等
BX称为基址寄存器（Base address Register） 常用做存放存储器地址
CX称为计数器（Counter） 作为循环和串操作等指令中的隐含计数器
DX称为数据寄存器（Data register） 常用来存放双字长数据的高16位，或存放外设端口地 址
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应该利用哪个标志，则由程序员来决定。也 就是说，如果将参加运算的操作数认为是无 符号数，就应该关心进位；认为是有符号数， 则要注意是否溢出
溢出的判断
BP为基址指针寄存器（Base Pointer），表示数 据在堆栈段中的基地址
SP和BP寄存器与SS段寄存器联合使用以确定 堆栈段中的存堆储栈单（S元ta地ck址）是主存中一个特殊的
区域，采用“先进后出”或“后进先出” 存取操作方式、而不是随机存取方式。
用8088/8086形成的微机系统中，堆 栈区域被称为堆栈段
IBM公司选择8088作为处理器设计个人计算机， 大获成功，Intel微处理器成为主流产品。
8088的引脚图
GND A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 AD7 AD6 AD5 AD4 AD3 AD2 AD1 AD0 NMI INTR CLK GND
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1. 通用寄存器---数据寄存器
AX称为累加器（Accumulator） 使用频度最高。用于算术、逻辑运算以及与外设传送 信息等
BX称为基址寄存器（Base address Register） 常用做存放存储器地址
CX称为计数器（Counter） 作为循环和串操作等指令中的隐含计数器
DX称为数据寄存器（Data register） 常用来存放双字长数据的高16位，或存放外设端口地 址
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第2章中央处理器与指令系统PPT课件
Di
• 在各寄存器与ALU之间根据指令执行过程中的操作和数据流向来 安排功能部件并建立相应的数据传输通路。
• 每条数据传输通路都是专用的，不共享使用。
• 在数据传输和操作中可以做到互不相关，控制比较简单，各寄存
器之间的数据传输可以并行进行，从而达到较高的性能。
5
时间概念
• 指令周期 – 是从一条指令的启动到下一条指令的启动的 时间间隔。
instruction fetch
• PC = PC + 4
4
PCWrite PC
指令 存储器
[PC+4]31-28 x4 I25-0 PC+4
控制器
IRWrite IR
I25-21 I20-16
I15-11
RegDst
I15-0
Rx
数据
A Dx
Ry 寄存
器
Rz
B
Dy
Dz
RegWrite 符号扩展
Target
R1 R2 R3
Add 数据 Do
存储器
MemtoReg
Di
图5-2 专用通路结构CPU 例子
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一、运算指令的执行过程
采用单总线结构： – 如ADD R3, R1, R2
(1) PC→MAR (2) PC+1→PC
控制 信号
地址总线
存储 器 数据总线
指 令 译 码 /控 制 器
IR
PPCC
MMAARR M DR
• 数据通路：寄存器与ALU之间传递信息的线路。通常有2种建立方法：
– 用数据总线（单总线，双总线，多总线） – 用专用通路（如MIPS）
3
数据总线结构
微处理器指令系统PPT教学
第2 章
第2章 微处理器指令系统
教学重点
8088/8086内部结构 8088/8086汇编语言寻址方式
2.1.1 微处理器的基本结构
指
指
时序
令 寄
令
译1.
算控和制术逻辑单元（控制运总线算器）
存
码
逻辑
2. 寄存器组
指令处理单元（控制器） 通 用
地址
寄存器组 3. 寄存器组
地址 总线 控制
地址线
内部数据总线
数据 总线 控制
数据总线
暂存器
累加器
标志寄存器
ALU
2.1.2 8088/8086的功能结构
8088的内部结构从功能分成两个单元
总线接口单元BIU——管理8088与系统总线 的接口，负责CPU对存储器和外设进行访问
执行单元EU——负责指令的译码、执行和数 据的运算
两个单元相互独立，分别完成各自操作 两个单元可以并行执行，实现指令取指和
执行的流水线操作
第2章 微处理器指令系统
教学重点
8088/8086内部结构 8088/8086汇编语言寻址方式
2.1.1 微处理器的基本结构
指
指
时序
令 寄
令
译1.
算控和制术逻辑单元（控制运总线算器）
存
码
逻辑
2. 寄存器组
指令处理单元（控制器） 通 用
地址
寄存器组 3. 寄存器组
地址 总线 控制
地址线
内部数据总线
数据 总线 控制
数据总线
暂存器
累加器
标志寄存器
ALU
2.1.2 8088/8086的功能结构
8088的内部结构从功能分成两个单元
总线接口单元BIU——管理8088与系统总线 的接口，负责CPU对存储器和外设进行访问
执行单元EU——负责指令的译码、执行和数 据的运算
两个单元相互独立，分别完成各自操作 两个单元可以并行执行，实现指令取指和
执行的流水线操作
微机原理 第02章微处理器指令系统 ppt课件
总线接口单元 （BIU）
指令预取
取指令1
执行指令1 取指令2
执行指令2 取指令3
执行指令3
8086/8088的寄存器结构
•通用寄存器 AX、BX、CX、DX、SI、DI、BP、SP
•指令指针 IP •标志寄存器 FLAGS •段寄存器 CS、SS、DS、ES
参见：图2-3（P19）
16位通用寄存器
• 运算结果为0时，ZF置1，否则ZF置0。
01101000B + 01000000B
10101000B ZF=0
00010000B + 11110000B
00000000B ZF=1
符号标志SF(Sign Flag)
• 运算结果的最高位为1时，SF置1，否则SF置0。
00101000B + 01000000B
8088CPU结构图
AH AL 通 BH BL 用 CH CL
(图2-2) 数据寄存器
寄 DH DL
存
SP
器
BP
地址寄存器
DI
SI
运算寄存器 ALU 标志
执行部分 控制电路
执行单元 （EU）
20位
地址译码 8位
CS
DS
SS
ES
总线
IP
控制
逻辑
内部寄存器 电路
外
总
线
12 3 4
指令队列缓冲器 4个字节
1-低8位有偶数个1 0-低8位有奇数个1
AF
PF CF
溢 出 标 志
1-有溢出 0-无溢出
方中单 符 零 半
向断步 号 标 进
标允中 标 志 借
志许断 志
位
计算机硬件技术基础 微型计算机原理与接口技术 微处理器和指令系统 第2章 第一次课
零
奇
溢
偶
出
符
号
半
借位等。
进
位
2.2 8086/8088微处理器
8086/8088的标志寄存器----控制标志
微型计算机原理与接口技术
跟踪标志TF (Trap flag)：运行状态。 CPU单步运行，TF=1 CPU正常运行 ，TF=0
中断允许标志IF (Interruption Enable flag)：控制可屏 蔽中断。 CPU接收外部中断，IF=1 CPU不接受外部中断，IF=0
2.2 8086/8088微处理器
8086/8088的标志寄存器-----状态标志
微型计算机原理与接口技术
零标志ZF (zero flag)：运算结果是否为零。 结果为0，ZF=1 结果不为0 ，ZF=0
符号标志SF (sign flag)：操作结果的符号，它等同于操作 的最高位D7（或D15）。 操作结果为负，SF=1 操作结果为正，SF=0
器 DX DH
AL 累加器 BL 基址寄存器 CL 计数器 DL 存IO端口地址
(8088) 6个字节(8086)
专
SP
堆栈指针寄存器（Stack Pointer）
用
BP
基址指针寄存器（Base Pointer）
寄 存
SI
源变址寄存器（Source Index）
器
DI
目的变址寄存器（Destination Index）
0100 0111 0110 1010
1001 1011 1010 0011
结果有：SF=1 ZF=0 PF=1 AF=1 CF=0 OF=1
标志寄存器 例如两数相加：
0101 0100 + 0100 0111
微处理器和指令系统
总线接口部件（BIU） 总线接口单元(BIU) 20位地址总线 地址加法器 段 寄 存 器 CS DS SS ES IP 16 位 数 据 线
总线 总线 控制 控制 逻辑
通 用 寄 存 器 组
外 20位地址总线 部 16位数据总线 总 控制总线 控制总线 线
控制信号 控制信号 … EU 控制器 控制器
主要引线（最小模式下）
8088是工作在最小还是最大模式由MN/MX 端状态决定：MN/MX=0时工作于最大模 式，反之工作于最小模式。 数据信号线(DB)与地址信号线(AB)：
AD7～AD0：三态，地址/数据复用线。ALE有效时为地 址的低8位。地址信号有效时为输出，传送 数据信号时为双向。 A19～A16：三态，输出。高4位地址信号，与状态信号 S6-S3分时复用。 A15～A8 ：三态，输出。输出8位地址信号。
变址寄存器
SI：源变址寄存器 DI：目标变址寄存器 变址寄存器常用于指令的间接寻址 或变址寻址。特别是在串操作指令 中，用SI存放源操作数的偏移地 址，而用DI存放目标操作数的偏移 地址。
段寄存器
用于存放逻辑段的段基地址(逻辑段的概念后面
将要介绍)
CS：代码段寄存器
代码段用于存放指令代码
DS：数据段寄存器 ES：附加段寄存器
2.1 微处理器
概述 8088CPU外部引线及功能； 8088CPU的内部结构和特点； 各内部寄存器的功能； 8088的工作时序。 8088系统总线
一、概述
8088、8086基本类似
16位CPU、AB宽度20位
差别：
指令预取队列：8088为4字节，8086为6字节 数据总线引脚：8088有8根，8086有16根
BUS
忙碌 忙碌 忙碌 忙碌 1）CPU执行指令时总线处于空闲状态 2）CPU访问存储器(存取数据或指令)时要等待总线操作 的完成 缺点：CPU无法全速运行 解决：总线空闲时预取指令，使CPU需要指令时能立刻得 到
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EU 控制电路
指令队列
123456
8位 8088
8086
总线接口单元(BIU)
总线 8086/8088 控制电路
外部总线
8086 CPU内部指令执行流程
1. 段寄存器CS 程序指针寄存器IP 内容经过地址加法器形成20 位地址； 2. 由CPU内部地址总线AB ， 经过总线地址控制电路， 向外部总线发
法器，形成数据保存地址，并送到外部总线。CPU 发写总线操作命 令，将暂存器的内容， 通过总线， 写到指定内存单元。
2.指令流水线
指令队列的存在使EU和BIU并行工作,取指令和分析、 执行指令操作可重叠进行，形成了两级指令流水线结构， 减少了CPU等待时间，提高了CPU的利用率，加快了整 机运行速度，降低了对存储器存取速度的要求。
读取指令的的控制信号， 外部总线开始总线操作； 3. 读取指令送入到指令队列中， 等待执行； 4. EU单元从队列中取一条指令到EU控制电路，译码指令需要做的系列
操作，包括寄存器的内容送累加器； 5. 操作结果经过内部数据总线， 存放到寄存器或内部暂存器，同时置
FR； 6. 根据DS寄存器的内容，及指令寻址方式产生的偏移量，经过地址加
为了避免出现以上情形的发生，所采取的措施称作ห้องสมุดไป่ตู้保护”。
保护方式：CPU可访问的物理 存储空间为232= 4GB；程序 可用的虚拟地址空间为 246=64TB。段长度在启动页 功能时是4GB，不启动页功能 时 是 1 MB。 可 支 持 多 用 户 和 单用户的多任务操作,并对各 任务提供了多方面的保护机制。
第二章 微处理器和指令系统
2011.9.26
2.1.1 8086/8088 微处理器
8086是1978年推出的全16位微处理器, 8088是1978年推出 的准16位微处理器。二者除外数据总线位数（8086为16位， 8088为8位）及与此相关的部分逻辑稍有差别外,内部结构 和基本性能相同,指令系统完全兼容。
8086是全16位微处理器，8088是准16位微处理器。二 者除了外数据总线位数及与此相关的部分逻辑稍有差别外， 内部结构和基本性能相同，指令系统完全兼容。
➢ 内部结构 ➢ 指令流水线 ➢ 存储器分段
2.1.1 8086/8088微处理器
1.内部结构
通用寄存器
AX AH AL
BX BH BL
CX CH CL
实模式操作方式只允许微处理器寻址第一个1MB存储器 空间;
当微处Pentium理器工作于实地址模式时，存储器的管 理方式与8086微处理器存储器的管理方式完全相同。
2.保护虚拟方式
通常在程序运行过程中，应防止以下情况的发生： ① 应用程序破坏系统程序。 ② 某一应用程序破坏了其他应用程序。 ③ 错误地把数据当作程序运行。
BIU 取指令1 取指令 取数据1 取指令3 存结果1 取指令4 取指令5
2
EU 等待 译码1
执行1
译码2 执行2 译码3
8086/8088的指令“流水”操作
3.存储器分段
8086物理地址（1M=220）
将1MB的物理存储空 间分成若干个逻辑段,每 段大小为64KB。
00000H 00001H 00002H 00003H
存储区的末地址＝DS×16＋偏移地址 ＝2100H×16＋FFFFH ＝30FFFH
2.2 Pentium微处理器
2.2.3 Pentium的四种工作方式
1. 实地址工作模式
最基本的工作方式。 8086/8088的实地址模式保持兼容。 微处Pentium理器的实地址模式具有更强的功能，增
加了寄存器，扩充了指令，可进行32位操作。
CPU复位 实实地地址址 使CR0的PE=1 方方式式 复位 或PE=0
系统管理方式：使设计 者实现高级管理功能， 如对电源的管理以及为 复位 操作系统和正在运行的 程序提供安全性。
DX DH DL
指针寄存器
SP BP
变址寄存器
DI SI
ALU DB
累加器 基址寄存器 计数寄存器 数据寄存器 堆栈指针 基址指针 目的变址 源变址
16位
20位 AB
地址加法器
∑
DB
CS DS SS ES IP
内部暂存器
8088:8位 8086:16位
指令指针
运算暂存器
ALU
标志寄存器
执行单元(EU)
逻逻辑辑地地址址在编程时采 用，由段基址和偏移地 址组成，两者均为16位。
20000H 20A00H
0A00H
内存
• 逻辑地址与物理地址的变换
逻辑地址与20位物理地址的变换关系： 物理地址=段基址×16+偏移地址
逻辑地址
15
0
15
0
段基址
左移四位
段基址 0000
偏移地址
地址 加法器
∑
19
0
20位物理地址
代码段 （64KB）
堆栈段 （64KB）
……
31000H 数据段与附加
数据段重叠 （64KB）
40FFFH
…
分段方式不唯 一，各段之间可 以连续、分离、 部分重叠或完全 重叠，这主要取 决于对各个段寄 存器的预置内容。
…
…
• 物理地址和逻辑地址
物物理理地地址址是1MB存储 空间中的某一单元地址， 用20位地址码表 示,CPU访问存储器时， 地址总线上送出的就是 物理地址。
【例】 若数据段寄存器DS＝2100H，试确定该存储区段物理地 址的范围。
一个逻辑段的最大容量为64KB； 第一个存储单元的偏移地址为0； 最后一个存储单元的偏移地址为FFFFH。 该数据区段由低至高相应存储单元的偏移地址为：
0000H～ FFFFH。
存储区的首地址＝ DS×16＋偏移地址 ＝ 2100H×16＋0000H＝21000H
内存
段的起始单元地址叫 段基址，存放在段寄存 器中。通过4个段寄存 器，CPU每次可同时对 4个段进行寻址。
30000H (段基址)
64KB
FFFFFH
• 存储器分段结构示例
…
CS 1000H SS 2000H DS 3100H ES 3100H
…
10000H
1FFFFH 20000H
2FFFFH
在8086/8088的设计中，引入了两个重要的结构概念： • 指令流水线 • 存储器分段
这两个概念在以后升级的Intel系列微处理器中一直被沿用和发展。 正是这两个概念的引入，使8086/8088比原来的8位MPU在运行速度、 处理能力和对存储空间的访问等性能方面有很大提高。
2.1 8086/8088微处理器