微机原理及应用 主讲 : 谢维成 http://xweicheng.ys168.com scxweicheng@yahoo.com.cn 西华大学电气信息学院 1
2 第 2 章微机的组成及微处理器的功能结构 2.1 微型计算机的组成 2.2 80X86 系列微处理器的功能结构
3 教学重点 80X86 系列微处理器的功能结构 80X86 的存储器分段管理方式
4 2.1 微型计算机的组成 AB 运算器 CB 输入 (CPU) 控制器 M 存储器 DB (I/O) 输出
5 地址总线 AB CPU 存储器 I/O 接口 输入设备 I/O 接口 输出设备 数据总线 DB 控制总线 CB
2.1 微型计算机的组成 2.1.1 微处理器 :(Microprocessor Unit, MPU) 8086/8088/80286CPU 数据总线为 16 位 ( 准 ) 80386/80486 CPU 数据总线为 32 位 Pentium 级微处理器数据总线为 64 位 2.1.2 存储器 :(Memory) 指内存储器, 用来存放程序 原始数据和运算的中间和最终结果 RAM(Random Access Memory) ROM(Read Only Memory) 6
2.1.3 输入输出设备及接口 (Input/Output) I/O 设备 : 外部设备 ; I/O 接口电路 ( I/O Interface ) : 8255A, 8253;8237;8251 等 7
8 2.1.4 总线 总线是计算机的部件与部件之间传输信息的公共通路, 它能分时地发送和接收各部件的信息 总线不仅仅是一组传输线, 它还包括与数据传输有关的控制逻辑 所以, 在一个计算机系统中, 总线应被看成一个独立的部件 总线是指传递信息的一组公用导线 总线是传送信息的公共通道 微机系统采用总线结构连接系统功能部件 总线信号可分成三组 地址总线 AB: 传送地址信息 ( 单向 ) 数据总线 DB: 传送数据信息 ( 双向 ) 控制总线 CB: 传送控制信息 ( 每根单向 / 双向 )
9 总线信号 地址总线 AB (Address Bus) 输出将要访问的内存单元或 I/O 端口的地址 地址线的多少决定了系统直接寻址存储器的范围 数据总线 DB (Data Bus) CPU 读操作时, 外部数据通过数据总线送往 CPU CPU 写操作时,CPU 数据通过数据总线送往外部 数据线的多少决定了一次能够传送数据的位数 控制总线 CB (Control Bus) 协调系统中各部件的操作, 包括以下信号 : 控制信息 ( 输出 ) 请求 ( 输入 ) 状态联络 ( 输入 / 出 ) 控制总线决定了系统总线的特点, 例如功能 适应性等
10 2.2 80X86 系列微处理器的功能结构 AB 运算器 CB 输入 (CPU) 控制器 M 存储器 DB (I/O) 输出
11 2. 2.1 8086/8088 及 80286 微处理器功能结构 8086/8088 以及 80186 80286 微处理属于 Intel 公司生产的第三代 16 位微处理器 1 8086/8088 微处理器的功能结构 (1)8086/8088CPU 的内部结构 (2) 指令流队列 (3) 标志寄存器 FLAGS (4) 寄存器阵列 (5) 堆栈及堆栈指示器 SP (6) 微型计算机的总线结构
外部总线控制电路 (1)8088 的功能结构 地址加法器 20 位 AH AL BH BL CH CL DH DL SP BP SI DI 通用寄存器 16 位 段寄存器 CS DS SS ES IP 内部暂存器 8 位 控制电路 ALU 8 位 1 2 3 4 指令队列 标志寄存器 12 执行部件 (EU) 总线接口部件 (BIU)
13 (2) 指令队列 ( 串行处理和流水线处理 ) 指令队列实际上是一个内部的存储器阵列, 8086/8088 指令队列最多能保存 6 个 /4 个指令字节
14 (3) 标志寄存器 (FLAGS) 标志寄存器为一个 16 位寄存器 这 9 个标志位分为两类 : 状态标志 :CF PF AF ZF SF OF 控制标志 :TF IF DF D14 D D 12 10 D D 8 6 4 D D2 D 0 OF DF IF TF SF ZF AF PF CF
15 (3) 标志寄存器 (FLAGS) 六个状态标志含义如下 : 1. 进位标志 CF(Carry Flag) 最高位产生进位或借位时, 则 CF=1, 否则 CF=0 2. 奇偶标志 PF (Parity Flag) 运算结果低 8 位中 1 的个数为偶, 则 PF=1, 否则 PF=0 3. 辅助进位标志 (Auxiliary Flag) 当 D3 向 D4 有进位或有借位时, 则 AF=1, 否则 AF=0 4. 零标志 ZF (Zero Flag) 运算的结果为零, 则 ZF=1, 否则 ZF=0 5. 符号标志 SF (Sign Flag) 运算的结果最高位为 1, 则 SF=1, 否则 SF=0
(3) 标志寄存器 (FLAGS) 6. 溢出标志 OF(Overflow Flag) 算术运算中, 补码运算结果超出了带符号数的表示范围, 即 : 对字节运算, 结果超出 -128~+127 对字运算, 结果超出 -32768~+32767 则 OF=1, 否则 OF=0 16
17 (3) 标志寄存器 (FLAGS) 例 1: MOV AL,4FH 0100 1111 ADD AL,31H + 0011 0001 1000 0000 对标志影响则为 : CF=0,PF=0,AF=1,ZF=0,SF=1,OF=1 CF:D7 未产生进位 ; PF:1 的个数为奇 ; AF:D3 有进位 ; ZF: 结果非零 ; SF: 最高位为 1; OF: 结果为 128
18 (3) 标志寄存器 (FLAGS) 例 2: MOV AL,4BH OR AL,31H 其运算为 : 0100 1011 0011 0001 0111 1011 OR OF CF AF SF ZF PF 0 0 置 0 不定 有影响 故 SF=0,ZF=0,PF=1, 而 OF=CF=0
(3) 标志寄存器 (FLAGS) 控制标志有三个 : 7. 跟踪标志 TF(Trap Flag) 若 TF=1, 则 CPU 按单步方式执行指令, 以便于调试. 8. 中断允许标志 IF (Interrupt Flag) 如果 IF=1, 允许 CPU 接收外部的可屏蔽中断请求 若 IF=0, 则不允许接收. 9. 方向标志 DF(Direction Flag) 如果 DF=1, 使串操作指令按自动减量修改地址 若 DF=0, 则按自动增量修改地址 19
P42 周明德 : 3 版 P35; (4) 寄存器阵列 (Register) AH BH CH DH SI DI 源变址寄存器 Source Index 目的变址寄存器 4 版 P53; Destination Index BP SP DS ES SS CS AL BL CL DL AX 累加器 Accumulator BX 基数寄存器 Base CX 计数寄存器 Count DX 数据寄存器 Data 基址指针寄存器 Base Point 堆栈指针寄存器 Stack Point 变址寄存器 指针寄存器 数据段寄存器 Data Segment 附加段寄存器 Extra Segment 堆栈段寄存器 Stack Segment 代码段寄存器 Code Segment 数据寄存器 通用寄存器 段寄存器 20 IP PSW 指令指针寄存器 Instruction Pointer 状态标志寄存器 Processor Status Word 控制寄存器
21 (5) 堆栈及堆栈指示器 SP 堆栈是一组寄存器和一个存储区, 用来存放调用子程序或响应中断时的主程序断点地址及其他寄存器的内容
(6) 微型计算机的总线结构 8086/8088CPU 内部采用单总线结构 所有寄存器和 ALU 都接到同一总线上, 数据可以在任何两个寄存器之间或任一寄存器和 ALU 之间传送 当数据经内部总线送入被选寄存器或从被选寄存器取出时, 由多路转换器选通 优点是经济且节约硅片面积, 缺点是操作速度慢, 多总线结构相反 22
2.2.2 8086/8088 的存储器组织及其寻址 1 数据在存储器中的存储情况 数据在内存中以字节为单位进行存储, 8086/8088CPU 有 20 根地址线, 能寻址 1M(2 20 个字节 ) 的存储空间 地址表示 :00000H-FFFFFH 8086/8088CPU 的一个变量可以是一个字节 一个字或一个双字, 根据地址进行操作 8086/8088 中规定 : 字的高 8 位字节存放在高地址, 字的低 8 位字节存放在低地址 ( 高对高, 低对低 ) 23
24 2 存储器的分段结构和物理地址的形成 数据线 DB C P U 地址线 AB n 根 地址译码器 地址 00...0000 地址 00...0001 地址 00...0010 地址 00...0011 11001100 00110011 10101010 11110000 控制线 CB 地址 11 1111 10001000
25 2 存储器的分段结构和物理地址的形成 (1) 存储器的分段结构 8086/8088CPU 有 20 根地址线, 能寻址 1M (2 20 个字节 ), 每个存储单元的地址信号均为 20 位二进制码, 称为物理地址 8086/8088CPU 的内存储器采用分段结构将 1 M 内存空间分为若干段, 每个段最多为 64KB, 段的起始地址 : 最低四位为 0, 高 16 为为段寄存器内容 ( 段基址 :CS DS ES SS), 段内存储单元的地址可以用相对于段首位的 16 位偏移量来表示, 这样表示的地址称为逻辑地址 例如逻辑地址, C018:FE7F
例 在 DEBUG 下查看内存的存放情况 D:\>DEBUG ; 进入 DEBUG -E DS:0 Hello World! ; 向当前数据段填写入字符串 -D DS:0 ; 查看字符串在内存存放情况 1693:0000 48 65 6C 6C 6F 20 57 6F-72 6C 64 21 18 10 8A 03 Hello World!... 1693:0010 18 10 17 03 18 10 23 0E-01 01 01 00 02 FF FF FF...#... 1693:0020 FF FF FF FF FF FF FF FF-FF FF FF FF E7 0F 4E 01...N. 1693:0030 1F 14 14 00 18 00 93 16-FF FF FF FF 00 00 00 00... 1693:0040 07 0A 00 00 00 00 00 00-00 00 00 00 00 00 00 00... 1693:0050 CD 21 CB 00 00 00 00 00-00 00 00 00 00 20 20 20.!... 1693:0060 20 20 20 20 20 20 20 20-00 00 00 00 00 20 20 20... 1693:0070 20 20 20 20 20 20 20 20-00 00 00 00 00 00 00 00... -Q ; 退出 DEBUG 1693:0000 48 65 6C 6C 6F 20 57 6F-72 6C 64 21 18 10 8A 03 H e l l o W o r l d!.... 26
27 2 存储器的分段结构和物理地址的形成 (2) 物理地址的形成 : 物理地址 = 段地址 10H + 偏移地址 一个物理地址可对应多个逻辑地址 例 :10145H 可对应 10100+45, 也可对应 10140+05 对应前面提到的四个段寄存器 CS DS SS 和 ES, 有各自的用途 : 取指令码时用 CS+IP; 堆栈操作时用 SS+SP 地址 :1010H:0045H = 10145H 计算方法 : 段地址左移 4 位 + 偏移地址 = 物理地址 10100H + 0045H = 10145H 0001 0000 0001 0000 0000 0000 0000 0100 0101 0001 0000 0001 0100 0101
28 2 存储器的分段结构和物理地址的形成
2 存储器的分段结构和物理地址的形成 存储单元的地址和内容 : 0000H WORD [0002H]=2B46H 0001H WORD [2B46H]=7A9DH A 15 ~A 0 译码器 46H 2BH 9DH 0002H 0003H 2B46H 7AH 2B47H 间接地址 : WORD [[0002H]]=7A9DH 2B48H 2B49H 29
30 2 存储器的分段结构和物理地址的形成 存储器分段实例
31 3 按信息的分段存储及分段寻址 (1) 对程序区的访问 CS:IP (2) 对堆栈区的操作 SS:SP (3) 对数据区的访问 DS:BX 或 DS:SI 或 DS:DI (4) 对字符串的操作源数据区 :DS:SI 目的数据区 : ES:DI
32 2.2.3 8086/8088 的 I/0 地址空间 1 端口:CPU 与外部设备之间均需要通过 I/O 接口进行连接, 每个接口都有一个或几个端口 一个 I/O 端口对应接口电路内的一个寄存器或一组寄存器 2 端口地址:I/O 接口为每一个端口分配的地址号 3 8086/8088CPU 的 I/O 地址 : A15-A0 作为对 8 位 I/O 端口的寻址线, 可访问 64K(2 16 ) 个 8 位 I/O 端口 两个 I/O 地址相邻的 8 位 I/O 端口合成一个 16 位端口, 高地址存高位字节, 低地址存低位字节 例 : IN AL,40H IN AL,DX OUT DX,AL OUT 60H,AL
2.2.3 80386/80486CPU 的功能结构 ( 自学 ) 1 80386CPU 具有段页式存储管理部件, 四级保护机构, 并支持虚拟存储器 (1) 实际地址方式 (AD:20;DB:32 独立 ) (2) 虚拟地址保护方式 (3) 虚拟 8086 方式 2 80386CPU 的寄存器集和存储管理 (1)Register 32: EAX,EBX 等 (2) 段存储器及段描述符寄存器 33
第 2 章 教学要求 掌握计算机系统硬件结构 ; 掌握 8088CPU 内部结构, 特别是寄存器组织 ; 掌握 8086/8088CPU 的段式存储管理 ; 习题与思考题 ( 第 71-72 页 ) 1-7 34
参考文献 本课件根据本校教学大纲, 参考教材, 参考了国内多个大学的 微机原理及应用 课程的课件, 主要参考文献如下 : 1 钱晓捷, 郑州大学, 微机原理及应用 课件 2 陈涛, 河南工业大学, 微机原理及接口技术 ( 授课 80+ 实验 24) 课件 3 杨景常, 西华大学, 微机原理及应用 ( 授课 42+ 实验 10) 课件 4 作者不详, 计算机硬件技术 课件 5 姚燕南, 薛钧义主编, 微型计算机原理与接口技术, 高等教育出版社, 2004.11 6 Barry B.Brey, Intel 微处理器 - 从 8086 到 Pentium 系列体系结构 编程与接口技术 ( 第 5 版英文影印版 ), 高等教育出版社 7 周明德, 微型计算机系统原理及应用,( 第四版上册 ), 清华大学出版社, 2004.8 35