【个人回顾】西安电子科技大学-周佳社-微机原理与接口设计-2

本文主要是介绍【个人回顾】西安电子科技大学-周佳社-微机原理与接口设计-2，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

写在开头：本文不以分享为目的，只是记录自己课程学习过程中觉得重要的部分知识点或者知识体系，以及可能存在的没有解决的问题，欢迎大家来进行交流和指正，其中ps部分为个人将其他学科与其构建联系的个人理解，因此也欢迎您能花费一部分时间帮我进行查漏补缺或者进行指点，学生拜谢。Orz

·本章内容同步于学习通课程微机原理与接口设计8086CPU中的结构与功能（一）至（十一），包括课后习题中本人错误点的回顾，将放在最后。因为视频中并未出现老师布置的课后习题，因此所有都做了。

2.1微处理器的外部结构（宏观）

微处理器的外部结构表现为数量有限的输入输出引脚，进而构成微处理器级总线。微处理器的封装方式主要有两种，分别是双列直插式和扁平式，目前的微处理器扁平式的较多，而本书中主要研究的8086系列CPU为双列直插式封装。8086为16位寄存器，16位的原因是寄存器和ALU是16位的。在8086CPU中，一共有20根地址总线，其中有16根复用为地址总线A0~A15。地址总线的作用是CPU用来给外部存储器提供地址，因为计算机中的存储器是按字节组织的，因此20根外部总线可以提供 $2^{20}B=1MB$ 个可寻址的外部存储器空间。同时16根内部总线为外部I/O提供 $2^{16}B=64KB$ 个可寻址的I/O空间，通过 $M/\overline{IO}$ 引脚的状态来判断寻址对象。

微处理器中存在着一定的端口，端口实际上就是一个寄存器，可以实现CPU与设备间的信息交换。如I/O端口即为一个传递信息的通道。一个I/O端口至少要占用一个I/O（端口）地址，这些地址是上文提到的64KB地址中的一个。在电路设计过程中，设计输入端口器件要具备三态功能，使不发生总线竞争。总线竞争会产生很严重的后果，轻则系统瘫痪，重则处理器短路。同时，输入端口必须具备锁存功能，使设备响应时能够解放CPU。我们注意到，在CPU未发送数据时，输出端口并非没有数据而是存在一定的无效数据。

在给端口编码时，有统一编码和独立编码两种方式。

统一编码要求当一个地址码给存储器单元编码时，该地址码就不可以给I/O进行编码了。反之亦然。51类型的处理器广泛应用统一编码的格式。统一编码的优点：因为将I/O端口视为存储器单元进行操作，因此对存储器进行读写的所有操作同样适用于I/O端口。因此程序设计简单，编写灵活。统一编码的缺点：浪费了存储器的地址空间，没有专用的I/O操作指令。

独立编码是8086系列微处理器使用的编码方式。独立编码的优点是节约了存储器的地址空间，缺点是指令记忆复杂，I/O程序设计不够灵活。

寻址方式有两种，分别是直接寻址和间接寻址。寻址方式越多，程序就会越灵活。

2.2微处理器的内部结构

本章节的要求是了解微处理器的工作原理，逐步掌握汇编语言程序设计编程模型。

微处理器内部存在四大部件，分别是①算术逻辑单元ALU，②工作寄存器——分为数据寄存器和地址寄存器，其中地址寄存器可以充当数据寄存器进行暂存操作。③充当中央指挥机关的控制器，可以取指令给指令寄存器并进行译码和分析，④I/O控制逻辑。

控制器的控制流程为程序计数器通过AB取指令，指令通过DB传输到指令寄存器中，再进入指令译码器中，最后通过控制逻辑部件实现相应的功能。同时地址➕2再次取指令，循环往复。

在存取指令过程中，我们往往会使用堆栈操作。堆栈指的是由先进后出原则组织的一段存储器区域（Ps.针对先进后出原则，我们可以将之看做弹夹，先塞入的子弹会被压在下层，然后在射击或者弹出时后被弹出。）。对于这样的堆栈区域，我们用栈顶和栈底来圈定堆栈的范围。栈底即入栈单元的地址，栈顶为PUSH后SD处指向的位置。我们需要注意的是栈底是固定的，而栈顶会随着数据的压入活动。

对于8086而言，堆栈必须按字操作。堆栈单元地址由堆栈指针SP提供，指向栈底➕1单元的地址。在进行堆栈操作时，如果SP超过范围，会导致堆栈溢出。此时会造成系统死机。因此在定义堆栈区域的时候，除了按要求定义以外，还应同时留出30%富余量，有便于程序的更新与维护。

操作解释：入栈时 PUSH AX ；①sp→sp-2；②两个字节按规则入栈。

出栈时 POP AX；①把sp指针内容指向栈顶地址，弹出两个字节内容给目的操作数。②sp→sp+2

为了防止堆栈溢出，push 和 pop 的数量应配对。

2.3 8086/8088的内部结构

8086/8088微处理器内部可以分为两大部分，分别是①总线接口单元BIU和②执行单元EU。在BIU中有四个段寄存器分别为①代码段寄存器CS（存放代码段段基址）②数据段寄存器DS（存放数据段段基址）③附加数据段寄存器ES（存放数据段的段基址）和④堆栈段段基址SS（指明堆栈段所在位置）。同时BIU内部还存在指令指针寄存器IP（等效于PC，他提供所在段内的地址）。

8086微处理器的指令队列寄存器有6个字节，有6个指令寄存器。而8088微处理器中只有4个字节。

BIU主要负责从外部存储器中取指令，并将取回的指令放入到指令队列中。EU主要负责从指令队列中根据先进先出原则来获取指令，并对该指令加以执行。

对BIU而言

通常我们将编程时就会创造，编程时需要使用的寄存器称为通用寄存器。它可以组成80886汇编语言程序设计的编程模型。

2.4 8086CPU的寄存器组织

在8086微处理器中一共有14个寄存器。分别是8个通用寄存器，4个段寄存器和2个控制寄存器

1、通用寄存器

通用寄存器中包含四个数据寄存器，分别为AX—累加器，BX—基址寄存器，CX—计数器和DX—数据寄存器（在I/O中做地址寄存器）。两个地址指针寄存器，分别是SP—堆栈指针寄存器，指向段内16位偏移地址。和BP—地址指针寄存器，类似于BX，充当段基址寄存器。和2个变址寄存器。分别为SI—源变址寄存器和DI—目的变址寄存器。

2、段寄存器

段寄存器只有四个，即为上文提到的BIU中的四个寄存器。代码段寄存器CS、数据段寄存器DS、附加数据段寄存器ES、堆栈段段基址SS。其中 CS无法初始化，由处理器自行决定。DS、ES和SS在使用时要先进行初始化，指向定义逻辑段的段地址。

3、控制寄存器

指令指针寄存器IP为16位寄存器，用来提供CS的IP地址，等效于8位的PC，二者均不可以做目的操作数。

处理器状态字寄存器PSW为16位寄存器，但是实际有用的部分只有九位，并分为两类。一类为状态标志，如ZF、CF、PF、OF、SF和AF，反映ALU运算后结果的状态。另一类为控制标志，包括方向控制标志DF，中断允许标志IF和陷阱标志TF，用于控制CPU的运行状态。中断指某个特殊事件发生时，CPU转去从事此事件，事件完成后，CPU接着执行本身任务的过程。

2.5 8086CPU的存储器和I/O组织

1、存储器地址空间与数据存放格式

上文我们提到了，8086外部地址空间由20根地址总线决定，因此有 $2^{20}B=1MB$ 个可寻址的外部地址空间，I/O地址空间由16根地址总线决定，因此有 $2^{16}B=64KB$ 个可寻址的I/O地址空间。但是在IBM、PC机中，我们只用D0~D9给I/O分配地址。因此有 $2^{10}B=1KB$ 个可寻址的I/O地址空间。

在存储器中的数据存放格式主要有字节型、字形、双字型，部分情况下可能用到四字型，一般我们将一个字节存放在一个地质单元，存放时存放补码，上述各个类型均在DS段有定义。这里我们用汇编语言代码来理解

①字节型：一般我们用 DB 来充当字节型数据的伪指令。

②字型：一般我们用 DW 来充当字型数据的伪指令。当数据存储过程中，我们将低地址单元地址称为字的地址。当地址为奇数时称为奇地址，地址为偶数时称为偶地址。当字单元的地址为奇地址时我们称为对准了的字单元，为奇地址时称为未对准的字单元。当CPU在进行读写操作时，对对准了的字操作时只需要花费一个总线周期，对未对准的字操作时需要花费两个总线周期。因此地址定义时尽量在偶地址定义，以加快传输速度。

③双字型数据：一般我们用 DD 来充当双字型数据的伪指令。

2、存储器的分段和物理地址（PA）的行程

在学习该章节时，需要理解两个问题。

①为什么要分段？答：为了把20根地址总线可以寻址的1MB地址空间能够被16位寄存器寻址完。

②怎么分段？答：每个逻辑段最大为64KB，按需求进行分段，每个逻辑段的起始地址必须可以被16整除，因此最多可以分出64KB个段。

分段后，我们用逻辑地址来表示不同分段的某个可寻址单元，逻辑地址由段地址（通常用CS）和段内偏移地址（通常用IP）组成，不同的逻辑地址可能会指向相同的物理地址，因此物理地址唯一，逻辑地址不唯一。

3、物理地址（PA）的形成

物理地址的计算方式是物理地址=段基址*16+偏移地址，即PA=CS*16+IP。

计算流程为①BIU把CS的内容送至加法器。②加法器将CS内容*16.③BIU把IP内容送至加法器。④加法器对两个内容进行相加。⑤构成取指令所需要的PA。

数据传送操作为

MOV 【BX】，AX；（DS：（BX））←（AX）

堆栈的方式为①暂停总线。②BIU传送DS至加法器并*16.③EU传送BX至加法器④加法器对两个内容进行相加构成PA⑤将PA的值赋值给AX