第二章 微處理器與總線

2.1 微處理器概述

CPU是計算機系統(tǒng)的核心部件，主要有六項功能，評判CPU性能的指標(biāo)包括字長，意為CPU在單位時間內(nèi)一次處理的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)。CPU主要由運算器，控制器和寄存器組組成，寄存器組又可以視為運算器的一部分。

????????2.1.1? ?運算器

????????運算器由算術(shù)運算單元（ALU），通用或?qū)Ｓ眉拇嫫饕约皟?nèi)部總線組成

根據(jù)內(nèi)部總線數(shù)量分為單總線結(jié)構(gòu)運算器，雙總線結(jié)構(gòu)運算器以及三總線結(jié)構(gòu)運算器。

????????2.1.2 控制器

????????控制器的作用是控制程序的執(zhí)行，是整個系統(tǒng)的指揮中心，有以下幾項基本功能：

????????????????1）指令控制：指令在存儲器中是連續(xù)存放的，只有在碰到轉(zhuǎn)移類指令是才會改變?nèi)〕鲰樞颉?/p>

????????????????2）時序控制：一條指令的執(zhí)行時間稱為指令周期

? ? ? ? ? ? ? ? 3）操作控制：根據(jù)指令流程，確定在指令周期的各個節(jié)拍中藥產(chǎn)生的微操作控制信號，以有效地完成各條指令的 操作過程

? ? ? ? ? ? ? ? 除此之外，控制器還要對異常情況以及某些外部請求1處理能力，如出現(xiàn)運算溢出，中斷請求等。

? ? ? ? ? ? ? ? 控制器的內(nèi)部組成：

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [1]程序計數(shù)器：用來存放下一條要執(zhí)行的指令在存儲器中的地址

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [2]指令寄存器：用來存放從存儲器中取出來待執(zhí)行的指令

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [3]指令譯碼器：翻譯指令寄存器中的指令

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [4]時序控制部件：產(chǎn)生計算機工作中所需的各種時序信號

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [5]微操作控制部件：是控制器的主體，用于產(chǎn)生與各條指令相對應(yīng)的微操作。

2.2? ?8088/8086微處理器

? ? ? ? ? ? ? ? 在硬件結(jié)構(gòu)上，8088與存儲器和I/O接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐獠靠偩€寬度是8位。8086為16位。他們都有40根引線，都可以在5v電壓下運行。

? ? ? ? 2.2.1? ?8088/8086CPU的特點

? ? ? ? ? ? ? ? 1）8088/8086的指令流水線

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 在程序的的執(zhí)行過程中，CPU的執(zhí)行步驟：

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1.從存儲器中取出下一套指令

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2.指令譯碼

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3.如果指令需要，從存儲器中讀取操作數(shù)

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 4.執(zhí)行指令

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 5.將結(jié)果寫入存儲器

? ? ? ? ? ? ? ? 在8086/8088出現(xiàn)后，CPU將并行實現(xiàn)上述步驟。將其分配給兩個獨立的部件：

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 執(zhí)行單元（EU）和總線接口單元（BIU）

? ? ? ? ? ? ? ? 其中，EU負(fù)責(zé)分析指令和執(zhí)行指令，BIU負(fù)責(zé)取指令，去操作數(shù)和寫結(jié)果

? ? ? ? ? ? ? ? 2）內(nèi)存的分段管理技術(shù)

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 8086/8088采取了分段管理的方式，將內(nèi)存地址空間分為了多個邏輯段，每個邏輯段最大為64k個單元，每個單元的地址碼長度為16位，滿足其16位內(nèi)部結(jié)構(gòu)的要求。CPU內(nèi)部具有專門存放短地址的段寄存器和存放偏移地址的地址寄存器，將二者送入地址加法器合成后，就形成了指向內(nèi)存某一具體單元的地址（物理地址）

?3）支持多處理器系統(tǒng)

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 8086/8088具有最小和最大兩種工作模式以及內(nèi)置的多任務(wù)處理能力，可通過模式選擇引腳進(jìn)行選擇。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1.最小模式（單處理器模式）：系統(tǒng)控制總線的信號由CPU直接產(chǎn)生，且構(gòu)成的系統(tǒng)不能進(jìn)行DMA傳送

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2.最大模式（多處理器模式）：CPU能支持系統(tǒng)總線上的多個處理器，由總線控制器提供所有總線控制信號和命令信號

? ? ? ? 2.2.2? ?8088CPU的外部引腳及其功能

? ? ? ? ? ? ? ? 為了減少芯片的引線，8088的許多引腳具有雙重功能，采用分時復(fù)工的工作方式。

1）最小模式下的引腳

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [1]A19/S6－A16/S3：地址/狀態(tài)復(fù)用(輸出)? ? ?

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? T1＿輸出地址高4位A16-A19；T2－T4及TW＿狀態(tài)信息S3-S6

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 在這些狀態(tài)信號里，S6恒等于0，S5表示中斷允許標(biāo)志位IF的狀態(tài)，S4,S3的組? ? ? ? ? ? ? ? ??????????????合表示了CPU正在使用的段寄存器

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [2]A8-A15：中8位地址信號，三態(tài)輸出

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [3]AD0-AD7：地址，數(shù)據(jù)分時復(fù)用的雙向信號線，三態(tài)。當(dāng)ALE=1時，

???????????????????????[10]READY：有效時表示存儲器或I/O設(shè)備已經(jīng)準(zhǔn)備好，

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? CPU可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。CPU在T3周期時采樣READY信號，若其無效，

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?則插入若干個等待周期Tw

? ? ? ? ? ? ? ?????????[11]INTR:可屏蔽中斷請求輸入信號，高電平有效。CPU在每條指令的最后一個

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?周期采樣該信號，已決定是否進(jìn)入中斷響應(yīng)周期

?? 2.2.3? ?8088/8086?CPU的功能結(jié)構(gòu)

? ? ? ? ? ? ? ? 1）8088/8086 CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

? ? ? ? ? ? ? ? 2）8088/8086 CPU的內(nèi)部寄存器

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? CPU內(nèi)部共有14個16位寄存器，分為通用寄存器（8個），段寄存器（4個）

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 控制寄存器（2個）

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1.通用寄存器

????????????????????????????????AX：累加器。所有I/O指令都通過AX與接口傳送信息，中間運算結(jié)果

????????????????????????????????????????也多放于AX中；
????????????????????????????????BX：基址寄存器。在間接尋址中用于存放基地址；
????????????????????????????????CX：計數(shù)寄存器。用于在循環(huán)或串操作指令中存放計數(shù)值；
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DX：數(shù)據(jù)寄存器。在間接尋址的I/O指令中存放I/O端口地址；

????????????????????????????????????????在32位乘除法運算時，存放高16位數(shù)。AX存放低16位。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [2]地址指針寄存器

????????????????????????????????????????SP：堆棧指針寄存器，其內(nèi)容為棧頂?shù)钠频刂罚?br>????????????????????????????????????????BP：基址指針寄存器，常用于在訪問內(nèi)存時存放內(nèi)存單元的偏移地址

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [3]變址寄存器?

????????????????????????????????????????SI：源變址寄存器
????????????????????????????????????????DI：目標(biāo)變址寄存器
????????????????????????????????????????變址寄存器在指令中常用于存放數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的地址

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2.段寄存器

????????????????????????????????CS（代碼段）指明代碼段的起始地址
????????????????????????????????SS（堆棧段）指明堆棧段的起始地址
????????????????????????????????DS（數(shù)據(jù)段）指明數(shù)據(jù)段的起始地址
????????????????????????????????ES（附加段）指明附加段的起始地址

????????????????????????????????存放相應(yīng)段的段基址的高16位。每個段寄存器用來確定一個邏輯段的

????????????????????????????????起始地址，每種邏輯段均有各自的用途。
????????????????????????????????它們要和BX、BP、SI、DI、IP配合形成存儲單元的物理地址。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3.控制寄存器

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? IP：指令指針寄存器，用以存放預(yù)取指令1偏移地址。CPU取指令時總是以

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? CS為段基址，以IP為段內(nèi)偏移地址

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [1]狀態(tài)標(biāo)志位

????????????????????????????????????????CF（Carry Flag）進(jìn)位標(biāo)志位。加(減)法運算時，若最高位

????????????????????????????????????????????????有進(jìn)(借)位則CF=1
????????????????????????????????????????OF（Overflow Flag）溢出標(biāo)志位。當(dāng)算術(shù)運算的結(jié)果

????????????????????????????????????????????????超出了有符號數(shù)的可表達(dá)范圍時，OF=1
????????????????????????????????????????ZF（Zero Flag）零標(biāo)志位。當(dāng)運算結(jié)果為零時ZF=1
????????????????????????????????????????SF（Sign Flag）符號標(biāo)志位。當(dāng)運算結(jié)果的最高位為1時，SF=1
????????????????????????????????????????PF（Parity Flag）奇偶標(biāo)志位。運算結(jié)果的低8位中“1”的個數(shù)

????????????????????????????????????????????????為偶數(shù)時PF=1,僅針對低8位
????????????????????????????????????????AF（Auxiliary Carry Flag）輔助進(jìn)位標(biāo)志位。加(減)操作中，

????????????????????????????????????????????????若Bit3向Bit4有進(jìn)位(借位)，AF=1,僅針對低8位

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [2]控制標(biāo)志位：

????????????????????????????????????????TF（Trap Flag）陷井標(biāo)志位，也叫跟蹤標(biāo)志位。TF=1時，

????????????????????????????????????????????????使CPU處于單步執(zhí)行指令的工作方式。
????????????????????????????????????????IF（Interrupt Enable Flag）中斷允許標(biāo)志位。IF=1使CPU可以

????????????????????????????????????????????????響應(yīng)可屏蔽中斷請求。
????????????????????????????????????????DF（Direction Flag）方向標(biāo)志位。在數(shù)據(jù)串操作時確定操作的方向

????????2.2.4? ?8088/8086 CPU 的存儲器組織

? ? ? ? ? ? ? ? 1）物理地址與邏輯地址

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 物理地址=段基址x16+段內(nèi)偏移

? ? ? ? ? ? ? ? 2）段寄存器的使用

? ? ? ? 2.2.5? ?CPU的工作時序

? ? ? ? ? ? ? ? 時序可分為兩種不同的粒度：時鐘周期，總線周期

????????????????每個時鐘脈沖的持續(xù)時間就稱為一個時鐘周期，通過總線進(jìn)行一次讀或?qū)戇^程稱為一個

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 總線周期。一個總線周期包括多個時鐘周期

? ? ? ? ? ? ? ? 讀：

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?????????????????寫：

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