第二章 8086系统结构,由于制造工艺的原因，微处理器的结构受到几个方 面的限制： 1. 引脚数限制 2. 芯片面积限制 3. 器件速率限制由于上述限制，使16位微处理器基本结构具有如下 特点：,2. 单总线、累加器结构 3. 可控三态电路 4. 总线分时复用,1. 引脚功能复用,Intel 8086 CPU是16位微处理器，外型为双列直 插式，有40个引脚。8086型微处理器的时钟频率为5 MHz；它有16根数据线和20根地址线，直接寻址空间 为220Byte，即为1MB。,8088 CPU内部结构与8086基本相同，但对外数 据总线只有8根，称为准16位微处理器。,2-1 8086 CPU结构,微型计算机工作时，总是先存储器中取指令，需要的话再取操作数，然后执行指令，送结果。8086CPU由总线接口部件BIU和指令执行部件EU组成，BIU和EU是并行工作的。总线接口部件BIU完成取指令，读操作数、送结果，所有与外部的操作由其完成。而指令执行部件EU从BIU的指令队列中取出指令，并且读出指令，不必直接访问存储器或I/O端口。,一、8086 CPU的内部结构,1. 总线接口部件BIU（Bus Interface Unit）总线接口部件BIU是8086 CPU与外部（存储器 和I/O端口）的接口，它提供了16位双向数据总线和 20位地址总线，完成所有外部总线操作。BIU具有下列功能：地址形成、取指令、指令 排队、读/写操作数和总线控制。它由下列各部分组 成：,（1）4个16位段地址寄存器,（2）16位指令指针寄存器IP：存放下一条要执行指令的偏移地址。,（3）20位物理地址加法器：将16位逻辑地址变换成20位物理地址，实际上完成加法操作。,（4）6字节指令队列：预放6个字节的指令代码。,（5）总线控制逻辑：发出总线控制信号。,2. 指令执行部件EU（Execution Unit）指令执行部件EU完成指令译码和执行指令。它由下列各部分组成：,（1）算术逻辑运算单元ALU：完成8位或16位的二进制运算，16位暂存器可暂存参加运算的操作数。,（2）标志寄存器PSW：存放ALU运算结果特征。,（3）寄存器组 。,（4）EU控制器：取指令控制和时序控制部件。,3. 8086 CPU的工作过程,二、寄存器结构,寄存器结构在计算机中起了重要的作用，它的 存取速度比存储器快得多，这样可以相当于存储单 元，用来存放运算过程中所需要的操作数地址、操 作数及中间结果。8086微处理器内部包含有4组16位 寄存器，它们分别是通用寄存器组，指针和变址寄 存器，段寄存器，指令指针及标志位寄存器。,1. 通用寄存器组（特殊用途见书表2-1）8086/8088 CPU在指令执行部件EU中有4个16 位通用寄存器，它们是AX，BX，CX，和DX，用 以存放16位数据或地址。也可分为8个8位寄存器来 使用，低8位是AL、BL、CL和DL，高8位为AH、 BH、CH和DH，只能存放8位数据，不能存放地址。,2. 指针和变址寄存器8086/8088 CPU中，有一组4个16位寄存器，它们 是基址指针寄存器BP，堆栈指针寄存器SP，源变址寄 存器SI，目的变址寄存器DI。这组寄存器存放的内容 是某一段内地址偏移量，用来形成操作数地址，主要 在堆栈操作和变址运算中使用。,3. 段寄存器,8086/8088 CPU可直接寻址1MB的存储器空间， 直接寻址需要20根地址线，而所有的内部寄存器都是 16位的，只能直接寻址64KB，因此采用分段技术来解 决。将1MB的存储器空间分成若干个逻辑段，每段最 长64KB，这些逻辑段在整个存储空间中可浮动。4个 段寄存器给出相应逻辑段的首地址，称为“段基址”。,例2-1 若当前SS=3500H，SP=4000H，说明堆栈段在 存储器中的20位物理地址。,解：物理地址SS*16+SP=39000H,4. 指令指针寄存器IP8086/8088 CPU中设置了一个16位指令指针寄存 器IP，用来存放将要执行的下一条指令现行代码段中 的偏移地址。程序运行中，它由BIU自动将其修改， 使IP始终指向下一条将要执行的指令的地址，因此它 是用来控制指令序列的执行流程的，是一个重要的寄 存器。8086程序不能直接访问IP，但可以通过某些指 令修改IP的内容。,5. 标志寄存器PSW16位标志寄存器PSW用来存放运算结果的特征， 常用作后续条件转移指令的转移控制条件。其中7位没 有用，9个标志位分成两类：一类是状态标志，表示运 算后结果的状态特征，它影响后面的操作。状态标志 有6个：CF、PF、AF、ZF、SF和OF。另一类是控制 标志，用来控制CPU操作，控制标志有3个：TF、IF 和DF。,2-2 8086 CPU的引脚及其功能,8086/8088 CPU根据它的基本性能，应包括20条 地址线，16根数据线，加上控制信号，电源和地线， 芯片的引脚比较多。但由于制造工艺的限制，8086/ 8088 CPU芯片采用40条引脚的双列直插式封装，因 此部分引脚采用了分时复用的方式。另外8086/8088 CPU可以工作在两种工作模式：最小模式和最大模式。最小模式用于单机系统，系统中所需要的控制信号全部由8086直接提供。最大模式用于多处理机系统，系统中所需要的控制信号由总线控制器8288提供。这样，24脚31脚的8条引脚在两种工作模式中具有不同的功能。,一、8086/8088 CPU在最小模式中引脚定义,2-3 8086 存储器组织,一、存储器地址的分段1. 存储器地址的分段在存储器中是以字节为单位存储信息的，每个存 储单元有唯一的地址来确定。8086/8088系统有20根地 址线可寻址1MB字节的存储空间，即对存储器寻址要 20位物理地址，而8086为16位机，CPU内部寄存器只 有16位，可寻址64KB。因此8086系统把整个存储空间 分成许多逻辑段，每段容量不超过64KB。8086系统对 存储器的分段采用灵活的方法，允许各个逻辑段在整 个存储空间中浮动，这样在程序设计时可使程序保持 相对的完整性。段和段之间可以是连续的，也可以是 分开的或重叠的。,2. 物理地址的形成8086系统将段地址放在段寄存器中，称为“段基 址”。有4个段寄存器，分别位代码段寄存器CS，数据 段寄存器DS，附加段寄存器ES和堆栈段寄存器SS。段内“偏移地址”指出了从段地址开始的相对偏移 位置。它可以放在指令指针寄存器IP中，或16位通用 寄存器中，如何从16位段地址和16位偏移地址得到20 位地址呢？首先说明两个概念。逻辑地址：存储器的任一个逻辑地址由段基址和 偏移地址组成，都是无符号的16位二进制数，程序设 计时采用逻辑地址。物理地址：存储器的绝对地址，从00000H FFFFFH，是CPU访问存储器的实际寻址地址。物理 地址段基址16偏移地址。,3. 逻辑地址来源由于访问存储器的操作类型不同，BIU所使用的 逻辑地址来源也不同，取指令时，自动选择CS寄存器 值作段基址，偏移地址由IP来制定，计算出取指令的 物理地址。当堆栈操作时，段基址自动选择SS寄存器 值，偏移地址由SP来制定。当进行读/写存储器操作数 或访问变量时，则自动选择DS或ES寄存器值作为段基 址，此时，偏移地址要由指令所给定的寻址方式来决 定，可以是指令中包含的直接地址，可以是地址寄存 器中的值，也可以是地址寄存器的值加上指令中的偏 移量。注意的是当用BP作为基地址寻址时，段基址由 堆栈寄存器SS提供，偏移地址从BP中取得。,二、8086存储器的分体结构,8086系统中，1MB的存储空间分成两个存储体： 偶地址存储体和奇地址存储体，各为512KB，示意图 如图2-10所示：,当A0=0时，选择访问偶地址存储体，偶地址存储体与 数据总线低8位相连，从低8位数据总线读/写一个字节。 当 0时，选择访问奇地址存储体，奇地址存储体 与数据总线高8位相连，由高8位数据总线读/写一个字 节。当A0=0、 0时，访问两个存储体，读/写一 个字。A0和功能组合如表28。,存储器中存放的信息称为存储单元的内容，例如 存储单元10002H中的内容为22H，表示（10002H）= 22H。一个字在存储器中按相邻两个字节存放，存入 时以低位字节在低地址，高位字节在高地址的次序存 放，字单元的地址以低位地址表示。例（10002H）= 3322H，（10001H）2211H在内存中放的位置如下 图所示。,从中看出，一个字可以从偶地址开始存放，也可 以从奇地址开始存放，但8086 CPU访问存储器时，都 是以字为单位进行的，并从偶地址开始。若读/写一个 字节，只启动某个存储体，只有相应的8位数据在数据 总线上有效，即启动偶地址存储体，低8位数据线有效， 或启动奇地址存储体，高8位数据线有效，另外8位数 据被忽略了，图211(a)、（b）给出了示意图。,CPU读/写一个字时，若字单元地址从偶地址 开始，只需访问一次存储器，低位字节在偶地址单 元，高位字节在奇地址单元。若字单元地址从奇地 址开始，CPU要两次访问存储器，第一次取奇地址 上数据（偶地址8位数据被忽略），第二次取偶地址 上数据（奇地址8位数据被忽略），图211（c）、 （d）给出了示意图。因此为了加快程序运行速度， 编程时注意从存储器偶地址开始存放字数据，这种 存放方式也称“对准存放”。,三、堆栈的概念所谓堆栈是在存储器中开辟一个区域，用来存放 需要暂时保存的数据。堆栈段是由段定义语句在存储 器中定义的一个段，它可以在存储器1MB空间内浮动， 堆栈容量小于等于64KB。段基址由堆栈寄存器SS指定， 栈顶由堆栈指针SP指定，根据堆栈构成方式不同，堆 栈指针SP指向的可以是当前栈顶单元，也可以是栈顶 上的一个“空”单元，一般采用SP指向当前栈顶单元。 堆栈的地址增长方式一般是向上增长，栈底设在存储 器的高地址区，堆栈地址由高向低增长。,例2-3 若当前SS=C000H，SP=1000H，指出当前栈顶 在存储器中的位置。,堆栈的工作方式是“先进后出”，用入栈指令 PUSH和出栈指令POP可将数据压入堆栈或从堆栈中弹 出数据，栈顶指针SP的变化由CPU自动管理。堆栈以 字为单位进行操作，堆栈中的数据项以低字节在偶地 址，高字节在奇地址的次序存放。当执行PUSH指令时， CPU自动修改指针SP-2SP。使SP指向新栈顶，然后 将低位数据压入（SP）单元，高位数据压入（SP+1） 单元。当执行POP指令时，CPU先将当前栈顶SP（低 位数据）和SP+1（高位数据）中的内容弹出，然后再 修改指针，使SP+2SP，SP指向新栈顶。,例2-4 上例中若AX3322H，BX=1100H，CX=6655H， 执行指令PUSH AX，PUSH BX，再执行指令POP CX， 此时堆栈中内容发生什么变化，AX，BX，CX中的内 容是什么？,两点注意： （1）先进入的内容要后弹出，保证返回寄存器内容不发生错误。 （2）PUSH和POP的指令要成对，若不匹配的话，会造成返回主程序的地址出错。,根据使用目的不同，8086/8088系统可以有最小 模式和最大模式两种系统配置方式，两种方式的选 择不是由程序进行控制的，而是由硬件设定的。,2-4 8086 系统配置,最小模式：即单处理器系统，所有控制信号由CPU提供。 最大模式：即多处理器系统，控制信号由总线控制器提供 。,一、最小模式系统8086 CPU构成的最小模式系统的典型配置如图 2-14所示：,图2-14 8086最小模式系统配置,最小模式操作过程：,1. 读存储器操作过程,2. 读I/O端口操作过程,3. 写存储器操作过程 4. 写I/O端口操作过程,指令周期：执行一条指令所需的时间称为指令周期。不同指令的指令周期的长短是不同的，一个指令周期由几个总线周期组成。,2-5 8086 CPU时序,