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1、微处理器（微处理器（CPUCPU）;CPUCPU的内部和外部结构的内部和外部结构;微处理器级总线的概念；微处理器级总线的概念；CPUCPU的功能结构的功能结构;80868086寄存器结构寄存器结构;存储器组织与分段、存储器组织与分段、I/OI/O端口地址空间端口地址空间;本本 章章 重重 点点 难难 点点1本教案内容本教案内容第第2 2章章 8086CPU8086CPU结构与功能结构与功能1.1.微处理器的外部结构微处理器的外部结构2.2.微处理器的内部结构微处理器的内部结构3.3.微处理器的功能结构微处理器的功能结构4.4.微处理器的寄存器组织微处理器的寄存器组织5.5.微处理器的存储器和微
2、处理器的存储器和I/OI/O组成组成2内部结构内部结构 微处理器的总线结构。微处理器的总线结构。外部结构外部结构 微处理器的一般结构微处理器的一般结构 32.1 微处理器的外部结构微处理器的外部结构8086 CPU8086 CPU片有片有4040个管脚，微处理器通过这个管脚，微处理器通过这些引脚与外部的逻辑部件连接，完成信些引脚与外部的逻辑部件连接，完成信息的交换。息的交换。CPUCPU的这些引脚信号称为微的这些引脚信号称为微处理器级的总线，它应该能够完成下列处理器级的总线，它应该能够完成下列功能：功能：1.1.与存储器之间交换信息与存储器之间交换信息(指令及数据指令及数据)；2.2.与与I/
3、OI/O设备之间交换信息；设备之间交换信息；3.3.能输入和输出必要的信号。能输入和输出必要的信号。4微处理器的外部结构如图2.1所示5按功能分，这些总线可以分为三种：按功能分，这些总线可以分为三种：（1 1）传送信息（指令或数据）的数据总线）传送信息（指令或数据）的数据总线 （DataData BusBus）（2 2）指指示示欲欲传传信信息息的的来来源源或或目目的的地地址址的的地地址址总总线线 （AddressAddress BusBus）（3 3）管理总线上活动的控制总线管理总线上活动的控制总线 （ControlControl BusBus）2.1 2.1 微处理器的外部结构微处理器的外部
4、结构6 CPUCPU通通过过地地址址总总线线输输出出地地址址码码来来选选择择某某一一存存储单元或某一称为储单元或某一称为I/OI/O端口的寄存器，端口的寄存器，是单向的是单向的。地址码的位数决定了地址空间的大小地址码的位数决定了地址空间的大小。n n位地址总线可有位地址总线可有 个地址（个地址（0 -10 -1）。）。1616位地址总线位地址总线 6553665536（64KB64KB）2020位地址总线位地址总线 1MB1MB3232位地址总线位地址总线 4GB4GB.地址总线：地址总线：2.1 2.1 微处理器的外部结构微处理器的外部结构78086/80888086/8088地址总线地址总
5、线 2020位位存储器地址总线存储器地址总线2020位，位，地址空间地址空间 1MB1MBI/OI/O地址总线地址总线1616位位（低低1616位）位）地址空间地址空间 64KB64KB2.1 2.1 微处理器的外部结构微处理器的外部结构8.数据总线：数据总线：用于用于CPUCPU和存储器或和存储器或I/OI/O接口之间传送数据，接口之间传送数据，是是双向的双向的。微处理器数据总线的条数决定微处理器数据总线的条数决定CPUCPU和存储器或和存储器或I/OI/O设备一次能交换数据的位数，是区分微处理器设备一次能交换数据的位数，是区分微处理器是多少位的依据。是多少位的依据。8086 8086 CP
6、UCPU的的数数据据总总线线是是1616条条，我我们们就就说说8086 8086 CPUCPU是是1616位微处理器。位微处理器。2.1 2.1 微处理器的外部结构微处理器的外部结构9.控制总线：控制总线：管理总线上的活动，用来传送自管理总线上的活动，用来传送自CPUCPU发出的发出的控制信息或外设送到控制信息或外设送到CPUCPU的状态信息，的状态信息，大部分大部分是是单向的，有一些是双向的单向的，有一些是双向的。2.1 2.1 微处理器的外部结构微处理器的外部结构102.2 微处理器的内部结构微处理器的内部结构 微处理器是组成计算机系统的核心部件，微处理器是组成计算机系统的核心部件，它具有
7、运算和控制的功能。具体地讲，它具有运算和控制的功能。具体地讲，CPU CPU 应具有下述基本功能应具有下述基本功能:111.1.进行算术和逻辑运算；进行算术和逻辑运算；2.2.具有接收存储器和具有接收存储器和I/OI/O接口来的数据和发送数据接口来的数据和发送数据给存储器和给存储器和I/OI/O接口的能力；接口的能力；3.3.可以暂存少量数据；可以暂存少量数据；4.4.能对指令进行寄存、译码并执行指令所规定的能对指令进行寄存、译码并执行指令所规定的操作；操作；5.5.能提供整个系统所需的定时和控制信号；能提供整个系统所需的定时和控制信号；6.6.可响应可响应I/OI/O设备发出的中断请求。设备
8、发出的中断请求。2.2 2.2 微处理器的内部结构微处理器的内部结构121.CPU1.CPU内部结构及各部分功能简介内部结构及各部分功能简介 典型的典型的 CPU CPU 内部结构如图内部结构如图3.1.13.1.1所示。所示。2.2 2.2 微处理器的内部结构微处理器的内部结构13I/O控制逻辑控制逻辑ALUALU控制器控制器工作寄存器工作寄存器CPUCPU程序计数器（程序计数器（PC）指令寄存器（指令寄存器（IR）指令译码器（指令译码器（ID）控控 制制 逻逻 辑辑 部部 件件堆栈指示器（堆栈指示器（SP）状态寄存器（状态寄存器（PSW）地址寄存器地址寄存器数据寄存器数据寄存器图图2.22
9、.2典型的典型的CPU内部结构如图内部结构如图2.2所示所示 14CPUCPU包括包括算术算术/逻辑运算单元逻辑运算单元(ALU)(ALU)控制器控制器工作寄存器组工作寄存器组I/O I/O 控制逻辑控制逻辑地址寄存器地址寄存器数据寄存器数据寄存器2.2 2.2 微处理器的内部结构微处理器的内部结构15 算术逻辑运算单元算术逻辑运算单元ALU ALU(Arithmetic/Logic Unit )：它是运算器的它是运算器的核心核心，几乎所有的算术运算，逻辑运算和移，几乎所有的算术运算，逻辑运算和移位操作都是由位操作都是由 ALU ALU 完成的。完成的。2.2 2.2 微处理器的内部结构微处理
10、器的内部结构16 工作寄存器：暂存用于寻址和计算工作寄存器：暂存用于寻址和计算过程的信息。工作寄存器分为两组：过程的信息。工作寄存器分为两组：数据寄数据寄存器组和地址寄存器存器组和地址寄存器。但有的寄存器兼有双。但有的寄存器兼有双重用途。数据寄存器用来暂存操作数和中间重用途。数据寄存器用来暂存操作数和中间运算结果。地址寄存器用于操作数的寻址。运算结果。地址寄存器用于操作数的寻址。2.2 2.2 微处理器的内部结构微处理器的内部结构17 控制器：它是控制器：它是CPUCPU的的“指挥中心指挥中心”，完成，完成指令的读入，寄存，译码和执行。从图指令的读入，寄存，译码和执行。从图（3.1.13.1.
11、1）中可以看出，一般微处理器中的控制）中可以看出，一般微处理器中的控制器由器由6 6部分组成：部分组成：程序计数器程序计数器(PC:PC:Program Counter)指令寄存器指令寄存器(IRIR:Instruction Register)指令译码器指令译码器(ID(ID：Instruction Decoder)控制逻辑部件控制逻辑部件 处理机状态字处理机状态字PSWPSW（Processor State Word)堆栈指示器堆栈指示器(SP)(SP)Stack Pointer 2.2 2.2 微处理器的内部结构微处理器的内部结构18 用用于于保保存存下下一一条条要要执执行行的的指指令令的
12、的地地址址，即即由由它它提提供供一一个个存存储储器器地地址址，按按此此地地址址从从对对应应存存储储器器单单元元取取出出的的内内容容，就就是是要要执执行行的的指指令令。一一般般指指令令是是顺顺序序存存放放在在存存储储器器内内的的，所所以以程程序序计计数数器器也也叫叫指指令令地地址址计计数数器器。由由此此可可见见，在在程程序序执执行行过过程程中中要要实实现现程程序序的的转转移移，就就要要改改变变程程序序计计数数器器 PC PC 的的内容。内容。程序计数器（程序计数器（PC）2.2 2.2 微处理器的内部结构微处理器的内部结构19 保存从存储器中读入的当前要执行的指令。保存从存储器中读入的当前要执行
13、的指令。指令寄存器（指令寄存器（IR）指令译码器（指令译码器（ID）对指令寄存器中保存的指令进行译码分析。对指令寄存器中保存的指令进行译码分析。控制逻辑部件控制逻辑部件 根根据据ID对对指指令令的的译译码码分分析析，发发出出相相应应的的一一系系列列的的节节拍拍脉脉冲冲和和电电位位（控控制制信信号号），去去完完成成指指令令的所有操作的所有操作。2.2 2.2 微处理器的内部结构微处理器的内部结构20处理器状态字（处理器状态字（PSW）暂存处理器当前的状态。暂存处理器当前的状态。PSWPSW中的各位用来指中的各位用来指示诸如算术运算结果的正示诸如算术运算结果的正/负，是否为零，是否有负，是否为零，
14、是否有进位或借位，是否溢出等标志。条件转移指令将进位或借位，是否溢出等标志。条件转移指令将根据根据 PSW PSW 中的某一位的状态决定程序是否转移。中的某一位的状态决定程序是否转移。堆栈指示器（堆栈指示器（SP）是在对按后进先出原则组织的称为堆栈的专用存是在对按后进先出原则组织的称为堆栈的专用存储区进行操作时提供地址的。堆栈用于子程序调用时储区进行操作时提供地址的。堆栈用于子程序调用时保存返回地址和工作寄存器的内容。保存返回地址和工作寄存器的内容。2.2 2.2 微处理器的内部结构微处理器的内部结构21 包括包括 CPU CPU 中与输入中与输入/输出操作有关的逻辑。输出操作有关的逻辑。其作
15、用是处理输入其作用是处理输入/输出操作。输出操作。I/OI/O控制逻辑控制逻辑2.2 2.2 微处理器的内部结构微处理器的内部结构22 8086/80888086/8088是是IntelIntel公司生产的第三代微处理公司生产的第三代微处理器芯片。其特点如下：器芯片。其特点如下：具有具有2020条地址线，直接寻址能力达条地址线，直接寻址能力达1MB1MB。80868086有有1616条数据线，为条数据线，为1616位微处理器。位微处理器。80888088有有8 8条数据线，为准条数据线，为准1616位微处理器。位微处理器。片内总线和片内总线和ALUALU均为均为1616位，可进行位，可进行8
16、8位和位和1616位位操作。操作。2.3 2.3 微处理器的功能结构微处理器的功能结构238086/80888086/8088均采用全新结构，片内均由两个独均采用全新结构，片内均由两个独立的逻辑单元组成：立的逻辑单元组成：8086/8088CPU8086/8088CPU内部结构如图内部结构如图2.32.3所示所示 执行单元执行单元(EU)(EU)总线接口单元总线接口单元(BIU)(BIU)2.3 2.3 微处理器的功能结构微处理器的功能结构24总线总线控制控制电路电路EU控制器控制器标标 志志暂存器暂存器通通用用寄寄存存器器ALUALU数据总线数据总线地址总线地址总线数据总线数据总线执行单元（
17、执行单元（EUEU）总线接口单元（总线接口单元（BIUBIU）（16位）位）（20位）位）（8 位）位）（16位）位）16位位ALUS SD SE SI PC S内部寄存器内部寄存器B HB LA HA LD HD LS PB PC LC HD IS I8 80 08 86 6总总线线物理物理地址地址形成形成逻辑逻辑21364 5AXBXDXCX25段寄存器（段寄存器（CSCS，DSDS，ESES，SSSS）一一.总线接口单元（总线接口单元（BIUBIU）总线控制电路总线控制电路 地址形成逻辑地址形成逻辑8088CPU8088CPU：4 4字节字节8086CPU8086CPU：6 6字节字节指
18、令队列寄存器：指令队列寄存器：指令指针寄存器（指令指针寄存器（IPIP）（先先进进先先出出）2.3 2.3 微处理器的功能结构微处理器的功能结构26 BIUBIU主要负责从存贮器指定区域取出指主要负责从存贮器指定区域取出指令并将取出的指令送指令队列寄存器中排令并将取出的指令送指令队列寄存器中排队队，当，当EUEU执行的指令需要和外部存贮器或执行的指令需要和外部存贮器或者者I/OI/O端口之间进行数据传送时，端口之间进行数据传送时，BIUBIU就停就停止取指令，为止取指令，为EUEU服务，完成这次总线操作；服务，完成这次总线操作；或者当指令队列满时，或者当指令队列满时，BIUBIU也停止取指令的
19、也停止取指令的操作。操作。2.3 2.3 微处理器的功能结构微处理器的功能结构27二二.执行单元（执行单元（EUEU）通用寄存器（通用寄存器（8 8个）个）EUEU控制器控制器算术算术/逻辑运算单元（逻辑运算单元（ALUALU）标志寄存器（标志寄存器（FLAGFLAG）(即即PSW)PSW)由由组成。组成。EUEU主要负责从指令队列寄存器中获取指令，主要负责从指令队列寄存器中获取指令，并对指令加以执行，完成指令所规定的操作并对指令加以执行，完成指令所规定的操作。同。同时也负责算术时也负责算术/逻辑运算以及进行内存有效地址的逻辑运算以及进行内存有效地址的计算等。计算等。2.3 2.3 微处理器的
20、功能结构微处理器的功能结构28CPUCPU程序执行过程：程序执行过程：2.3 2.3 微处理器的功能结构微处理器的功能结构t 忙忙 忙忙 忙忙 忙忙 忙忙取指令取指令1 取指令取指令2 取指令取指令3 取指令取指令4 取指令取指令5 执行执行1 执行执行2 执行执行3 执行执行4 执行执行5tt图图2.4 8086/8088CPU2.4 8086/8088CPU执行程序的过程执行程序的过程EUBIU状态状态29下一下一节：寄存器组织节：寄存器组织 2.3 2.3 微处理器的功能结构微处理器的功能结构EUEU和和BIUBIU单元执行过程中，应该满足规则：单元执行过程中，应该满足规则：1.1.当指
21、令队列寄存器中无指令时，当指令队列寄存器中无指令时，EUEU处于等待状态；处于等待状态；2.2.当指令队列中存满指令，而当指令队列中存满指令，而EUEU又没有访问存储器和又没有访问存储器和I/OI/O端口的需端口的需要，则要，则BIUBIU进入空闲状态；进入空闲状态；3.3.当指令队列中有两个空闲字节，则当指令队列中有两个空闲字节，则BIUBIU自动执行取指令的总线周自动执行取指令的总线周期；期；4.4.在在EUEU执行指令时，需要访问存储器或执行指令时，需要访问存储器或I/OI/O端口，如果这时端口，如果这时BIUBIU正在正在取指令，则应等待取指令，则应等待BIUBIU完成取指令周期，然后完成取指令周期，然后BIUBIU进入存储器和进入存储器和I/OI/O端口访问周期；端口访问周期；5.5.在在EUEU执行转移、子程序调用或返回等指令时，自动清除指令队列执行转移、子程序调用或返回等指令时，自动清除指令队列的内容。的内容。30