第2章 微处理器结构

2.微处理器结构

2.1 微处理器的发展概况

2.1.1 发展历史

第一代：1971年开始，4位微处理器和低档8位微处理器

第二代：1973年开始，8位微处理器

第三代：1978年开始，16位微处理器

第四代：1981年开始，32位微处理器

2.2 微处理器的功能结构

2.2.1 微处理器结构组成

①运算器：包括算术逻辑单元（ALU)。 对数据进行算术和逻辑运算，运算结果的特征储存在标志寄存器中。

②控制器：包括指令寄存器、指令译码器、定时和控制电路。 根据指令译码结果，以一定时序发出译码信号，用来控制指令的执行。

③寄存器阵列：包括一组通用寄存器和专用寄存器。 通用寄存器——临时存放参与运算的数据；专用寄存器——通常有指令指针IP（或程序计数器PC）和堆栈指针SP。

三者的联系

这三部分之间的信息交换通过总线架构来实现。
总线：各组件之间信息传输的公告通路。这里的总线称为“内部总线”（或“片内总线”）。用户无法直接控制内部总线的工作

2.2.2 Inter 8086 微处理器功能结构

2.2.2.1 8086CPU内部结构

总线接口单元（BIU）：

存储器和I/O设备之间的接口部件，负责对全部引脚的操作。
16位双向数据总线、20位地址总线、若干条控制总线

具体任务：负责从内存单元取出指令，并将它们送到指令队列缓冲器暂存。

CPU执行指令时，总线单元要配合执行单元，从指定的内存单元或I/O端口取出数据传送给执行单元，或者把执行单元的处理结构传送到指定的内存单元或I/O接口。

组成：20位地址加法器、4个段寄存器、16位指令指针IP、指令队列缓冲器和总线控制逻辑电路。

地址加法器： 16位的寄存器实现20位的地址寻址——由地址加法器将有关段寄存器的内容（段的起始地址）左移4位后，与偏移地址相加，形成20位的物理地址。

16位的指令指针IP:(Instruction Pointer) 用来存放下一条要执行指令在代码中的偏移地址，且与CS相结合，才能形成指向指令存放单元的物理地址。

指令缓冲队列： 在EU执行指令，且不需占用总线时，BIU会自动进行预取指令操作，将所取得的指令按先后次序存入一个6字节的指令队列寄存器，该队列寄存器按“先进先出”的方式工作，并按顺序取到EU中执行。

总线控制逻辑电路： 将8086 CPU的内部总线和外部总线相连，是8086 CPU与内存单元或I/O端口进行数据交换的必经之路。
包括16位数据总线、20位地址总线和若干条控制总线。

执行单元EU：

包含1个16位的运算器ALU、8个16位的寄存器、1个16位标志寄存器FLAGS、1个数据暂存寄存器和执行单元的控制电路

算术逻辑运算单元(ALU)： 它是1个16位的运算器，可用于8位、16位二进制算术和逻辑运算，也可按指令的寻址方式计算寻址存储器所需的16位偏移量。

标志寄存器(FLAGS)： 它是1个16位的寄存器，用来反映CPU运算的状态特征和存放某些控制标志。

运算暂存器： 它协助ALU完成运算，暂存参加运算的数据。

通用寄存器组： 包括4个16位的数据寄存器AX、BX、CX、DX和4个16位指针与变址寄存器SP、BP与SI、DI。

EU控制电路： 负责从BIU的指令队列缓冲器中取指令，并对指令译码，根据指令要求向EU内部各部件发出控制命令，以完成各条指令规定的功能。

EU对指令的执行是从取指令操作码开始的

如果是运算操作，操作数据经过运算暂存器送入ALU，运算结果经过ALU数据总线送到相应寄存器，同时标志寄存器FLAGS根据运算结果改变状态。

2.2.2.2 8086CPU内部寄存器

包括14个16位寄存器

通用寄存器

称数据寄存器，既可作为16位数据寄存器使用，也可作为两个8位数据寄存器使用。当用作16位时，称为AX、BX、CX、DX。当用作8位时，AH、BH、CH、DH存放高字节，AL、BL、CL、DL存放低字节，并且可独立寻址。

段寄存器

对物理地址的计算是在BIU中进行的，它先将段地址左移4位，然后与16位的偏移值相加。

段寄存器共有4个(CS、DS、SS、ES)。

CS（代码段寄存器）： 当前使用的指令代码可以从该段寄存器指定的存储器段中取得，相应的偏移值则由IP提供。
SS（堆栈段寄存器）： 指定当前堆栈的起始地址。
DS（数据段寄存器）： 指示当前程序使用的数据所存放段的起始地址。
ES（附加段寄存器）： 指出当前程序使用附加段地址的起始位置，该段一般用来存放原始数据或运算结果。

地址指针与变址寄存器

地址指针与变址寄存器都是16位寄存器，一般用来存放地址的偏移量(即相对于段起始地址的距离)。

堆栈指针SP用以指出在堆栈段中当前栈顶的地址。入栈(PUSH)和出栈(POP)指令由SP给出栈顶的偏移地址。
基址指针BP指出要处理的数据在堆栈段中的基地址，故称为基址指针寄存器。
变址寄存器SI和DI用来存放当前数据段中某个单元的偏移量。

指令指针与标志寄存器

正常运行时，指令指针IP中存放的是BIU要取的下一条指令的偏移地址。
它具有自动加1功能，每当执行一次取指令操作时，它将自动加1，使它指向要取的下一内存单元，每取一个字节后IP内容加1，而取一个字后IP内容则加2。

标志寄存器FLAGS是16位的寄存器，8086共使用了9个有效位。6位是状态标志位，3位为控制标志位。

6个状态标志位

CF(Carry Flag)——进位标志位。当执行一个加法(或减法)运算，使最高位产生进位(或借位)时，CF为1；否则为0。
PF(Parity Flag)——奇偶标志位。该标志位反映运算结果中1的个数是偶数还是奇数。当指令执行结果的低8位中含有偶数个1时，PF=1；否则PF=0。
AF(Auxiliary carry Flag)——辅助进位标志位。当执行一个加法(或减法)运算，使结果的低4位向高4位有进位(或借位)时，AF=1；否则AF=0。
ZF(Zero Flag)——零标志位。若当前的运算结果为零，ZF=1；否则ZF=0。
SF(Sign Flag)——符号标志位。它和运算结果的最高位相同。
OF(Overflow Flag)——溢出标志位。当补码运算有溢出时，OF=1；否则OF=0。

3个控制标志位

DF(Direction Flag)——方向标志位。它用以指定字符串处理时的方向，当该位置“1”时，字符串以递减顺序处理，即地址以从高到低顺序递减。反之，则以递增顺序处理。
IF(Interrupt enable Flag)——中断允许标志位。它用来控制8086是否允许接收外部中断请求。若IF=1，8086能响应外部中断，反之则不响应外部中断。
IF的状态不影响非屏蔽中断请求(NMI)和CPU内部中断请求。
TF(Trap Flag)——跟踪标志位。它是为调试程序而设定的陷阱控制位。当该位置“1”时，8086 CPU处于单步状态，此时CPU每执行完一条指令就自动产生一次内部中断。当该位复位后，CPU恢复正常工作。

2.2.2.3 8086CPU的存储器和内存端口

8086 CPU能寻址1 MB的存储单元，在此存储空间中是以8位为一个字节顺序排序存放的。
每一字节用惟一的一个地址码标识，地址码是一个不带符号的整数，其地址范围为0～220－1，但习惯用十六进制数表示，即00000H～FFFFFH。
将存储器空间按字节地址号顺序排列的方式称==“字节编址”==。
规定字的高8位字节存放在高地址单元，字的低8位字节存放在低地址单元。
低位字节的地址作为这个字的地址。

一个字数据总是位于偶地址，即偶地址对应低位字节，奇地址对应高位字节，符合这种规则存放的字数据称为 “规则字” 。

存储器的分段结构和物理地址的形成

将1 MB的存储空间分成若干个逻辑段，而4个当前逻辑段的基地址设置在CPU内的4个段寄存器中，即代码段寄存器CS、数据段寄存器DS、堆栈段寄存器SS和附加段寄存器ES。

逻辑地址是程序使用的地址。
物理地址是指CPU和存储器进行数据交换时实际所使用的地址。由两部分组成：段基址(段起始地址高16位)和偏移地址。
前者由段寄存器给出，后者是指存储单元所在的位置离段起始地址的偏移距离。当CPU寻址某个存储单元时，先将段寄存器的内容左移4位，然后加上指令中提供的16位偏移地址而形成20位物理地址。
在取指令时，CPU自动选择代码段寄存器CS，左移4位后，加上指令提供的16位偏移地址，计算出要取指令的物理地址。
堆栈操作时，CPU自动选择堆栈段寄存器SS，将其内容左移4位后，加上指令提供的16位偏移地址，计算出栈顶单元的物理地址。
每当存取操作数时，CPU会自动选择数据段寄存器(或附加段寄存器ES)，将段基值左移4位后加上16位偏移地址，得到操作数在内存的物理地址。

8086的I/O端口

每个I/O接口都有一个端口或几个端口。在微机系统中给每个端口分配一个地址，称为端口地址。
8086 CPU利用地址总线的低16位作为对8位I/O端口的寻址线，8086系统访问的8位I/O端口最多有==65 536(64 KB)==个。
为便于数据总线的负载相平衡，接在高8位和低8位上的设备数目最好相等。