第1章 微处理器及其结构,1.1 微型计算机系统概述 1.2 16位微处理器及其结构 1.3 32位微处理器及其结构 1.4 64位微处理器 1.5 双核心微处理器,1.1 微型计算机系统概述,1.1.1 微机系统的组成 1.1.2 微机系统的性能指标 1.1.3 微型计算机的发展,1.1.1 微机系统的组成,图1-1 微型计算机的典型结构,图1-2 微型计算机系统的组成,1.1.2 微机系统的性能指标,1. 字长,字长，即CPU中运算器一次能处理的最大数据位数，它是反映微机系统数据处理能力的重要技术指标。,2. 运算速度,主频反映了CPU的速度，在同一类CPU中，频率越高，CPU的运算速度越快。主频的单位是GHz， 反映微机系统运算速度的另一个单位是MIPS，即每秒执行百万条指令数。,评价微处理器的性能最基本的评价指标:字长与运算速度,计算机的存储器系统主要分为内存储器和外存储器两种 。评价其性能的指标主要有：,1. 存储容量,2. 存取速度,1.1.3 微型计算机的发展,1. CPU发展几个里程碑 CPU种类： 4004 8080 8086 486 Pentium 14 Core 2 Duo CPU速度：10Mhz 4Ghz 数据宽度： 8位 16位 32位 64位 多 核 化：单核双核四核 加工工艺：130nm 90nm 65nm 集 成 度： ,集成度,集成度 4004：2300颗晶体管 8086：29,000颗晶体管 80386：27万5千颗晶体管 Pentium：310万颗晶体管 Pentium4：4200万颗晶体管 Core 2 Duo：2.91亿颗晶体管,2.8086/8088CPU,8086 CPU DB：真正的16位CPU，内外总线都是16位。 AB：有20位地址线，可直接寻址1MB空间。 8088 CPU 8086的改进型处理器，指令系统与8086系统兼容。 DB：准16位机，内总线为16位，外总线为8位。 AB：有20位地址线，可直接寻址1MB空间。,2. 8086/8088CPU,1.2 16位微处理器及结构,1.2.1 16位微处理器内部结构 1.2.2 16位微处理器的基本时序 1.2.3 16位微处理器的存储器组织,1.2.1 16位微处理器内部结构,1.BIU(Bus Interface Unit)：总线接口单元 （a）BIU的功能：负责CPU与存储器和I/O端口传送数据 从内存取指令送到指令队列； 配合执行部件从指定的内存单元或者外设端口中取数据，将数据传送给执行部件，或者把执行部件的操作结果传送到指定的内存单元或I/O端口中。 在取出指令的同时，从内存中取下一条或几条指令放在指令队列中。这样，CPU执行完一条指令，就可以立即执行下一条指令，而不象8位机那样让CPU轮番地进行取指令和执行指令，从而提高了CPU的效率。,（b）BIU的组成,（b）BIU的组成 4个16位段地址寄存器： 16位指令指针寄存器： 20位物理地址加法器： 6字节指令队列： 总线控制逻辑：,各部分介绍,4个16位段地址寄存器：指出了一个逻辑段在内存中的起始地址。 代码段寄存器：CS(code segment register) 数据段寄存器：DS(data segment register) 附加段寄存器：ES(extra segment register) 堆栈段寄存器：SS(stack segment register)；,2.EU(Execution Unit)：指令执行部件 （a）EU的功能 从指令队列中读指令， 完成指令的译码和执行。 （b）EU的组成 算术逻辑运算单元ALU： 4个通用的16位寄存器： 4个专用的16位寄存器： 标志寄存器PSW： EU控制器：,各部分介绍,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； 4个通用的16位寄存器： AX(accumulator)：又称为累加器 BX(base)：基址寄存器 CX(count)：计数器 DX(data) ：数据寄存器,4个专用的16位寄存器 SI(source index)：源变址寄存器 DI(destination index)：目的变址寄存器 SP(stack pointer)：堆栈指针寄存器 BP(base pointer)：基址指针寄存器 PSW(Processor Status Word)：标志寄存器FLAG 存放ALU运算结果的特征和程序控制标志； EU控制器：取指令控制和时序控制部件。,（c）EU工作过程,（c）EU的工作过程 EU从BIU的指令队列输出端取得指令，进行译码，根据指令要求向其内部各部件发出控制命令； 若执行指令需要访问存储器或I/O端口去取操作数，则EU将操作数的偏移地址通过内部的16位数据总线送给BIU； 等待BIU回送操作数，完成执行指令的功能。,ALU,ALU完成各种逻辑运算和算术运算。 运算的操作数可从存储器取得，也可从寄存器组取得，由16位暂存器暂存参加运算的操作数； 运算结果由内部总线送到EU的寄存器或BIU的内部寄存器； 如果需要写入存储器或I/O端口，则由BIU写入存储器或I/O端口。 根据运算后结果的特征改变标志寄存器PSW的状态，以供测试、判断及转移指令使用。,2.寄存器结构,2.寄存器结构 8086CPU内部包含有4组16位寄存器 （1）段寄存器组 （2）通用寄存器组 （3）指针和变址寄存器组 （4）指令指针及标志寄存器,（1）段寄存器组,（1）段寄存器组：包含CS、DS、ES、SS 代码段寄存器CS 数据段寄存器DS 附加段寄存器ES 堆栈段寄存器SS 段寄存器指出其对应段的首地址段基址。 段基址与段内偏移地址经运算形成20位物理地址。,（2）通用寄存器组,（2）通用寄存器组：包括AX、BX、CX、DX 用来保存算术或逻辑运算的操作数及中间运算结果。 它们既可以作为一个16位的寄存器使用，也可以分别作为两个8位的寄存器使用，分别是：AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH、DL。,（3）指针和变址寄存器组：包括SP、BP、SI、DI 这些寄存器存放的内容是某一段内地址的偏移量，主要在变址运算和堆栈操作中使用。 BP和SP称为指针寄存器，与堆栈段寄存器SS联用，进行对现行堆栈段的访问。 BP在间接寻址中使用，操作数在堆栈段中，由SS段寄存器与BP组合形成操作数地址，BP存放现行堆栈段中一个数据区的“基址”的偏移量，因此称BP为基址指针寄存器。 SP在堆栈操作中使用，堆栈操作指令PUSH和POP是从SP得到现行堆栈段的段内地址偏移量。SP始终指向栈顶。,例子,堆栈： 存储器一个连续区域。这个区域数据的存取原则为：后进先出（LIFO）从栈顶存取信息。一般存放暂时不用的信息。,栈底：堆栈的最低部,栈顶：最后放进的信息所在地址,栈底,SP始终指向栈顶,SP=FFFEH,栈顶,栈顶,栈顶,SS:,SI和DI称为变址寄存器，通常与数据段寄存器DS一起使用，为访问现行数据段提供段内地址偏移量。 在串操作指令中，SI、DI为隐含寻址，SI存放源操作数的段内地址偏移量，DI存放目的操作数的段内地址偏移量；SI与DS联用，而DI与ES联用。,例子,SI（源变址寄存器）：存放源数据串偏移地址 DI（目的变址寄存器）：存放目的数据串偏移地址,SI+1,DI+1,每传送一个字节数据，SI、DI的内容分别加自动1,SI+1,DI+1,指令：MOVSB,2、3组的 特殊用途表,（4）指令指针和标志寄存器,（4）指令指针及标志寄存器 （a）指令指针寄存器IP 指令指针寄存器IP用来存放将要执行的下一条指令在现行代码段中的偏移地址。 在程序运行过程中，BIU自动修改IP，因此IP始终指向将要执行的下一条指令在现行代码段中的偏移地址，它是用来控制指令序列的执行流程的。,IP的内容不能通过数据传送等指令来修改 当遇到中断指令或调用子程序指令时，系统将自动将现行IP地址压栈保护，同时调整IP内容使其指向子程序的入口地址（即首地址）； 当从子程序/中断服务程序返回时，堆栈保护的内容自动弹出到IP，使得主程序得以继续运行； 当遇到跳转指令时，则将新的跳转目标地址送入IP，改变了它的内容，实现了程序的转移。,（b）标志寄存器,（b）标志寄存器 标志寄存器，也叫程序状态字PSW（Program Status Word），用来存放运算结果的特征和程序控制标志。 PSW中一共定义了个有效位： 6个状态标志位：包括：OF、SF、 ZF、 AF、 PF和CF。 3个控制标志位：编程时设置，包括：DF、 IF和TF。,标志位的用法及含义,（1）状态标志位： CF 、 PF 、 AF、 ZF、 SF和OF,CF（ Carry Flag）：进位标志位。 反映最高有效位MSB（字为D15、字节为D7位）有无进位(加)或借位(减)，主要针对无符号运算。 若CF1，表示有进位或借位； 若CF= 0，表示无进位或借位 PF（Parity Flag）：奇偶校验标志位。 反映运算结果中低8位1的个数是否为偶数。 若PF1，表示运算结果低8位中有偶数个1； 若PF0，表示运算结果低8位中有奇数个1。,（1）状态标志位： CF 、 PF 、 AF、 ZF、 SF和OF,AF（Auxiliary Flag）：辅助进位/半进位标志位。 反映D3向D4有无进位(加)或借位(减)。主要用于BCD码运算后的调整。 若AF1，表示有进位或借位； 若AF0，表示无进位或借位。 ZF（ Zero Flag）：零标志位。 反映运算结果是否为全0。 若ZF1，则表示运算结果为全0（各位均为0）； 若ZF0，则表示运算结果非全0（各位不全为0）。,（1）状态标志位： CF 、 PF 、 AF、 ZF、 SF和OF,SF（Sign Flag）：符号标志位。 反映运算结果的最高有效位(MSB)为0/1；对有符号运算，反映运算结果的正/负。 若SF1，则表示最高有效位为1（或结果为负）； 若SF0，则表示最高有效位为0（或结果不为负）。 OF（Overflow Flag）：溢出标志位。 反映运算结果是否超出其所能表示的范围。 若OF1，则表示结果溢出； 若OF0，表示结果未溢出。,例子,1 0 0 1 1 0 1 0,0 1 0 1 1 0 0 1,1 0 1 1 1 1 1 1,1001 1010B1011 1111B？,CF=1,PF=1,AF=1,ZF=0,SF=0,控制标志位,OF=1,（2）控制标志位：DF、 IF和TF,DF（Direction Flag）：方向控制位。 在串操作中，若： 设置DF0，源和目的操作数的地址均向增址方向调整； 设置DF1，源和目的操作数的地址均向减址方向调整。 IF（Interrupt Enable Flag）：中断允许控制位。若： 设置IF1，则允许CPU响应可屏蔽中断（开中断）； 设置IF0，则不允许CPU响应可屏蔽中断（关中断）。,（2）控制标志位：DF、 IF和TF,TF（Trap Flag）：陷井控制位。 主要用于程序的单步执行，若： 设置TF1，则CPU每执行一条指令就产生一个单步中断，用户可以在中断服务中对当前指令的执行进行调试； 设置TF0，表示不设置陷井。,表1-2 PSW中标志位的符号表示,图1-3 8086 CPU的内部结构框图,1.2.1.3 8086/8088的引脚及功能,1.8086的引脚分类 封装形式：采用40条引线双列直插(DIP)封装。 总线信号：地址总线、数据总线、控制总线 专用信号：电源、地、时钟等。 为了减少引脚数量，部分引脚采用分时复用技术。,2 引脚功能,(1)AD15AD0（Address Data Bus） 16条地址/数据引脚，分时复用。 传送地址时三态输出，传送数据时三态双向