第二章典型微处理
第二章微处理器CPU
第2章 微处理器 【内容提要】 微处理器是微型计算机中的核心芯片，是微机的心脏，是微机的运算中心和控制中心。8086CPU是美国Intel公司1987年推出的一种高性能的16位微处理器，主要用于构成早期的IBM PC/XT微型计算机，尽管CPU发展经历了80286、80386、80486及奔腾CPU，性能有很大的提高，但它们都和8086CPU属于同一系列机，8086CPU指令系统所提供的指令编制的程序在以上86系列CPU上都可以正确运行，所以，通过本章通过微处理器基本概念的介绍并通过8086CPU的基本组成、引脚功能、工作方式、存贮器管理及与总线连接方法的学习，使我们基本掌握微处理器基本组成和工作原理，这对于我们掌握微机系统基本工作原理具有很大的帮助。 【重点难点提示】本章的重点是掌握8086 CPU功能结构中的通用寄存器、指针及变址寄存器、标志寄存器、段寄存器的名称和用途，理解和应用存贮器地址的分段表示法及其物理地址的计算；掌握最大模式工作和最小模式工作的异同点，并通过在这两种工作模式下8086 CPU与总线的连接方法的学习，使我们对微处理器在整个微机系统中的地位和作用以及CPU的工作原理有了进一步的理解和掌握。本章的难点一是微处理器的基本组成和工作原理；二是理解8086CPU这些引脚信号的作用以及它们之间如何协同工作。
§ 2.1微处理器概述
2.1.1微处理器概念 微处理器即中央处理单元（Center process unit）,简称CPU，是计算机硬件中的一个具有运算能力和控制功能的，由算术逻辑单元、控制器、数据通路及若干寄存器组成，并采用大规模集成电路技术把其集成在一个芯片构成的核心部件。
2.1.2微处理器在计算机中的地位和作用 微处理器是计算机的核心部件，是整个计算机系统的运算中心和控制中心。CPU不仅能完成整个计算机的所有计算任务，而且，计算机中其它各个部件也是由CPU控制下完成各自工作的。 CPU是微机中的主要部件，微机的性能主要取决于CPU的性能。在微机发展的历程中，主要是由于CPU的不断更新换代带动了整体的发展，CPU的性能对微机的整体性能产生决定的影响。对于一台个人计算机，通常我们主要依据其CPU的型号来判断是第几代产品， 此外，微机的型号也常用CPU的型号来描述的。如286机、386机、486机等。所有这些，都取决于CPU在整个计算机中的地位和作用。
第二章 8086微处理器
考点一：掌握8086/8088CPU的功能构成及流水线技术，理解流水线管理规则。
考点二：掌握8086/8088CPU寄存器的组成及其应用。
考点三：理解8086/8088CPU的内存分配，掌握实地址模式下的存储器地址变换方法。
考点四：掌握8086/8088CPU的引脚构成，理解其引脚复用的特性。
2.18086/8088CPU的功能构成1、8086/8088是Inter公司的第三代位处理器芯片。
其特点：（1）具有20条地址总线，直接寻址能力为1MB。
（2）8086有16条数据总线，为16位微处理器；8088有8条数据总线，为准16位微处理器。
（3）片内总线和ALU均为16位，可进行8位和16位操作。
（4）8086/8088片内均由两个独立的裸机单元组成，即总线接口单元（BIU）和执行单元（EU）2、总线接口单元BIU（1）组成部件14个16位段寄存器（CS、DS、SS、ES）；216位指令偏移地址寄存器（IP）；3指令队列寄存器（8086CPU:6字节；8088CPU：4字节）；4形成20位物理地址的加法器5与EU通讯的内部寄存器；6总线控制逻辑；（2）功能：实现CPU与存储器或I/O口之间的数据传送1自动按CS值和IP值组成20位实际地址的存储器中去取指令，一次取两个字节指令存放到指令队列中。
2由EU从指令队列中取指令，并根据EU请求，BIU将20位操作地址传送给存储器；3取来操作数经总线控制逻辑传送到内部EU数据总线，由EU完成内部操作；4操作结果：若EU提出请求，则由BIU负责产生20位实际目的地址，将结果存入存储器里；3、执行单元EU（1）组成部分：116位算术逻辑单元（ALU）；216位状态标志寄存器FLAG；38个16位通用寄存器组（AX,BX,CX,DX,SP,BP,SI,DI）;416位数据暂存器；5EU控制电路；（2）功能：1从BIU指令队列中取指令；2由EU控制电路对指令进行译码分析，指出操作性质及对象；3在EU中计算出操作数的16位地址偏移量送给BIU，由BIU的加法器形成20位绝对地址；4将取来的操作数经系统数据总线送ALU进行制定的操作；5运算结果经内部总线送到指定位置；4、EU和BIU单元执行过程中，应该满足的规则（1）当指令队列寄存器中无指令时，EU处于等待状态；（2）当指令队列中存满指令，而EU又没有访问存储器或I/O端口的需要，则BIU进入空闲状态；（3）当指令队列中有两个空闲字节，则BIU自动执行取指令的总线周期；（4）在EU执行指令时，需要访问存储器或I/O端口，如果这时BIU正在取指令，则应等待BIU 完成取指令周期，然后BIU进入存储器和I/O端口访问周期；（5）在EU执行转移，子程序调用或返回等指令时，自动清除指令队列的内容。
第二章 微处理器
微处理器
1
主要内容
微处理器的一般结构；
8086微处理器的组成、引脚功能； 8086的内部寄存器和标志位； 8086的存储器组织； 实模式和保护模式的存储器寻址；
80X86系列微处理器的结构特点。
2
微型计算机的概念结构
地址总线 AB
C P U
存 储 器
I/O 接 口
输 入 设 备
4
1011 0000 0000 0101 0000 0100 0000 1000 1111 0100
数据寄存器DR
1011 0000 锁存数据 数据总线
⑥
MOV A, 5 ADD A, 8 HLT
9
⑤ 读写命令
读写控制电路
§2.3.1 8086微处理器
主要内容：
8086外部引线及功能； 8086的内部结构和特点；
③此信号与M/IO信号共同构成存储
器写控制信号，将数据写入存储器
32
工作时序
2. ① ②
读写总线周期工作原理
在一个总线周期，先利用总线传送地址
地址锁存后，再利用同一总线传送数据
33
工作时序
2. ① ②
读总线周期工作步骤
T1 期间，BIU将地址送上总线
T2 ，将总线置为高阻缓冲状态，以使CPU
有时间从输出地址方式转换为输入数据方
8
指令执行过程(取指/译码/执 行)
输出指 置初值 令地址
①
②
时序控制信号（控制命令）
③ +1
输出
时序逻辑电路
加法器 累加器A
锁存
指令译码器ID 指令寄存器IR
指令译码 ⑧ 锁存指令 ⑦
第2章 16位微处理器8086
计算机原理讲义
执行单元EU
4) 标志寄存器 FLAG
6位状态标志，3位控制标志IF、DF、TF，剩下7位保留 位状态标志， 位控制标志IF、DF、TF，剩下7 IF 15 14 13 12 11 10 9 IF 8 7 6 5 4 AF 3 2 PF 1 0 CF
OF DF
TF SF ZF
Flag） 位标志， CF（Carry Flag）进(借)位标志，加法运算最高位产生进位或减法运算 最高位产生借位， 否则置0 最高位产生借位，则CF置1，否则置0 Flag）辅助进位标志，加法运算时第3位往第4 AF（Auxiliary Carry Flag）辅助进位标志，加法运算时第3位往第4位 有进位，或减法运算时第3位往第4位有借位， AF置 否则置0 有进位，或减法运算时第3位往第4位有借位，则AF置1，否则置0 Flag）零标志, 若当前运算结果为零, ZF置1,否则置 否则置0 ZF（Zero Flag）零标志, 若当前运算结果为零, 则ZF置1,否则置0 SF（ Flag）符号标志，与运算结果最高位相同，若为负数， SF（Sign Flag）符号标志，与运算结果最高位相同，若为负数，则SF 否则置0 SF指示了当前运算结果是正还是负 置1，否则置0，SF指示了当前运算结果是正还是负 Flag）溢出标志，有符号数算术运算结果溢出， OF置 OF（Overflow Flag）溢出标志，有符号数算术运算结果溢出，则OF置1， 否则置 否则置0 PF（Parity Flag）奇偶标志，运算结果低8位所含1的个数为偶数则PF Flag）奇偶标志，运算结果低8位所含1的个数为偶数则PF 置1，否则置0 否则置 计算机原理讲义
总线接口单元（BIU） 一. 总线接口单元（BIU） 1. 具体功能
第2章 微型计算机和微处理器的结构
2.1.1 微处理器（微处理机）
微处理器：是微型计算机的中央处理部件，是由一片 或几片大规模集成电路组成的中央处理器，一般也称 CPU（Center Process Unit）。其内部通常包括算术逻辑 部件，累加器、通用寄存器组，程序计数器，时序和控制 逻辑部件，内部总线等等。 2.1.2 存储器
存储结果 1
取指令 4
……
EU
……
译码 1
执行 1
译码 2
执行 2
……
（b）流水处理
如图： 8086/8088 CPU 由于指令执行部件EU和总线接口 部件BIU相互独立，可并行操作，进行流水线处理。若一条指 令执行过程中不需要从存储器取操作数和向存储器存储结果， 即不占CPU总线时间，总线接口部件便可对下一条要执行的指 令预取。可见。采用流水线技术提高了指令执行速度。
2.2.3 8086/8088微处理器的功能结构 从功能上来看，8086/8088 CPU可分为两部分，即总线接 口部件BIU（Bus Interface Unit）和执行部件EU（Execution Unit）。
图2.3 8086/8088CPU内部功能结构图
(1) 执行部件（EU）
功能：负责指令的执行。(主要进行8位及16位的各种运算) 组成：①ALU(算术逻辑单元)； ②通用寄存器组； ③标志寄存器（ FLAGS ）。 ①通用寄存器（AX、BX、CX、DX） 8086 有4个16位的通用寄存器（AX、BX、CX、DX）， 可以存放16位的操作数，也可分为8个8位的寄存器（AL、AH； BL、BH；CL、CH；DL、DH）来使用。其中AX称为累加器， BX称为基址寄存器，CX称为计数寄存器，DX称为数据寄存 器。这些寄存器在具体使用上有一定的差别，如表2-1所示。
第二章 微处理器
8086CPU的引脚 的引脚——控制总线 的引脚 控制总线
微 机 原 理 汇 编 接 口 技 术
BHE/S7
高8位数据允许/状态
ALE
地址锁存允许
MN/MX
最小/最大模式
DEN
数据允许
RD
读选通
DT/R
数据发送/接收
WR
写选通
READY
准备就绪
第 14 页
8086CPU的引脚 的引脚——控制总线 的引脚 控制总线
第 34 页
堆栈操作
微 机 原 理 汇 编 接 口 技 术
堆栈是按照“先进后出”原则组织的存储区域， 堆栈是按照“先进后出”原则组织的存储区域，堆栈的大小最大为 64KB 堆栈由堆栈段寄存器SS和堆栈指针寄存器 来寻址 堆栈由堆栈段寄存器 和堆栈指针寄存器SP来寻址，SS给出堆栈 和堆栈指针寄存器 来寻址， 给出堆栈 段的段基址， 指向当前栈顶 指向当前栈顶——段基址到栈顶的偏移量 段的段基址，SP指向当前栈顶 段基址到栈顶的偏移量 栈底为堆栈空间的高地址单元，栈顶为低地址单元。 栈底为堆栈空间的高地址单元，栈顶为低地址单元。 堆栈操作以字为单位。 堆栈操作以字为单位。 数据进栈，栈顶向低地址方向浮动，高位字节存入高地址单元， 数据进栈， 数据进栈 栈顶向低地址方向浮动，高位字节存入高地址单元， 低位字节存入低地址单元 数据出栈，栈顶向高地址方向浮动，低位字节弹到目的操作数 数据出栈， 数据出栈 栈顶向高地址方向浮动， 的低位， 的低位，高位字节弹到目的操作数的高位
外部8位数据总线 4 4字节指令队列 IO/M 准十六位CPU
8086
外部16位数据总线 6 6字节指令队列 M/IO 十六位CPU
第 16 页
第二章微处理器PPT课件
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2.2 CUP的工作模式和引脚信号
8086有40个个引脚，采用 双列直.8086有40插式封装， 引脚信号的分布如图所示。 8086引脚信号分为三类，即基 本引脚信号、最小工作模式信 号和最大工作模式信号。
GND A D 14 A D 13 A D 12 A D 11 A D 10 AD9 AD8 AD7 AD6 AD5 AD4 AD3 AD2 AD1 AD0 NM I IN T R CLK GND
1
40
2
39
3
38
4
37
5
36
6
35
7
34
8 9
88008866
33 32
10
31
11
30
12
29
13
28
14
27
15
26
16
25
17
24
18
23
19
22
20
21
VCC（ 5V）
A D 15
A 16/S 3
A 17/S 4 A 18/S 5
A 19/S 6
B H E /S 7
M N /M X RD H O L D （ R Q /G T 0） H L D A （ R Q /G T 1） W R （ LOCK） M /IO （ S 2） D T /R （ S 1） D EN （ S0） A LE （ Q S0） IN T A （ Q S 1）
1
0
从偶地址读/写一个字节
AD7~AD0
一个总线周期
0
1
从奇地址读/写一个字节
AD15~AD8
一个总线周期
1
1