第2章 微处理器结构(1)
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取指 执行 取指 执行 ... ... 取指 执行
时间坐标
8086/8088微处理器:
BIU和EU分开，取指和执行可以重迭， 大大减少了等待取指所需的时间，提高CPU的 利用率。
指令队列缓冲器：
8086的指令队列为6个字节。在EU执行指令的同时，BIU 从内存中取下面1条或几条指令，取来的指令就依次放在指令
用来存放识别当前堆栈段基地址。
ES —— Extra Segment Register附加段寄存器， 用来存放识别当前附加段基地址。
3、控制寄存器
控制寄存器：IP 、FR
IP —Instruction Pointer 指令指针寄存器 用来存储代码段中的偏移地址; 程序运行过程中IP始终指向下一次要取出的指令偏移地址。 FR —Flag Register 标志寄存器
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧
§2.1 微型计算机系统的组成
微型计算机系统
微处理器
微型计算 机
运算器 控制器
寄存器组 内存储器 输入输出 接口电路 外部设备 软件 总线
微处理器(CPU)、微型计算机(主机) 与微型计算机系统三
者的关系：
ALU 微处理器 微型计算机 累加器、寄存器 控制器 系 统 总 线 ： AB、 CB、 DB I/O接 口 ： 串 /并 行 接 口 等 微机系统 存 贮 器 ： ROM、 RAM 系 统 软 件 ： OS、 汇 编 、 编 译 等 外 设 ： 打 印 机 、 键 盘 、 CRT等
CPU的基本性能指标：
1、主频
主频单位MHZ(兆赫兹) 指令执行单位(MIPS:每秒运行多少百万条指令) 2、存储容量 3、字长 字长是指微处理器内部一次能够并行处理二进制代码的位数。 字长与微处理器内部寄存器以及CPU内部总线宽度是一致的,字长越长, 所表示的数据精度就越高,一次能够同时处理的信息量就越大. 4、外部设备的扩展能力 5、软件配置能力
例：MOV CX , 200H
AGAIN:
……
…… LOOP AGAIN ；（CX)-1(CX),结果0转AGAIN
DX——Data可以作为数据寄存器使用。
一般在双字长乘除法运算时，把DX和AX组合在一起存放一个双 字长(32位)数，DX用来存放高16位;对某些I/O操作DX可用来存放I/O的端口 地址。
外设：打印机、键盘、显示器等等。
§2.2 8086CPU的功能结构
一、8086CPU的内部结构
8086CPU是典型的16位微处理器，它具有16位的
内部数据总线和16位的外部数据总线。
8086CPU的内部结构框图如下所示。
8086CPU内部结构框图
从大的结构和功能上讲，8086可分为两个部分，即 执行单元(EU，Execution Unit)
⑥OF（Overflow Flag）溢出标志（一般指补码溢出）
OF=1：在运算过程中，如操作数超过了机器表示的范围称为溢出。 OF=0：在运算过程中，如操作数未超过了机器能表示的范围称为不溢出。
字节允许范围 -128—+127， 字运算范围 -32768—+32767 。
控制标志:
对控制标志位进行设置后,对其后的操作起控制作用。 控制标志位包括3位: DF 、TF、IF。 方向标志 DF、中断标志IF、跟踪（陷阱）标志TF。 ① DF(Direction Flag)方向标志位
IF的状态对不可屏蔽中断和内部软中断没有影响。
③ TF(Trap Flag)跟踪(陷阱)标志位
TF=1 ,每执行一条指令后，自动产生一次内部中断，使CPU处于单步执行 指令工作方式，便于进行程序调试，用户能检查程序。 TF=0, CPU正常工作，不产生陷阱。
总结：
•
控制信息:
由系统程序或用户程序根据需要用指令来设置的。
指令在指令队列中排队；
在一条指令执行完成后,就可以立即执行下一条指令，减少 CPU为取指令而等待的时间，提高CPU的利用率和整个运行速度。
BIU： EU：
取指
取指
取指
取指
得到数据
等待
执行
执行
执行
执行
对于8080与8085及较早的8位微处理器:
程序执行由取指令和执行指令的循环来完成的，每条指令 执行完后CPU必须等待到下条指令取出来后才能执行。
1、通用寄存器
（1）数据寄存器 AX、BX、CX、DX 作为通用寄存器。
用来暂存计算过程中所用到的操作数，结果或其它信息。
访问形式:可以用16位的访问;或者可以用字节（8位）形式访问。
它们的高8位记作 : 它们的低8位记作 : AH 、BH 、CH 、DH 。 AL 、BL 、CL 、DL 。
AX——（Accumulator）作为累加器。
① CF（Carry Flag）进位标志 CF=1：记录运算时从最高有效位产生进位值。 CF=0：记录运算时从最高有效位不产生进值。 ② PF（Parity Flag）奇偶标志
PF=1:
PF=0:
结果操作数低8位中有偶数个1。
结果操作数低8位中有奇数个1。
用来为机器中传送信息时可能产生的代码出现情况提供检验 条件。
第二章
微型计算机的组成及微处理器结构
教学目的及要求
掌握微型计算机系统的组成及主要技术性能指标 掌握8086CPU的功能结构； 掌握状态标志和控制标志的意义； 掌握8086CPU的存储器组织及存储器管理； 掌握逻辑地址和物理地址； 理解8086的地址数据引脚和读写控制引脚； 掌握最小工作模式的典型配置； 理解并掌握总线的时序
例：MUL BX ; (AX)(BX)(DX)(AX)
（2）指针寄存器（SP、BP ）
SP（stack pointer）——堆栈指针寄存器
用来指示栈顶的偏移地址, 必须与SS段寄存器联合使用确 定实际地址。
BP（base pointer）——基址指针寄存器 可以与SS寄存器联合使用来确定堆栈段中某一存储器单 元地址。
2、段寄存器
段寄存器: 4个16位段寄存器CS、DS、SS、ES。 用来识别当前可寻址的四个段，不可互换使用。
CS —— Code Segment Register 代码段寄存器
用来存放当前代码段基地址（程序一般放在代码段）。 DS —— Data Segment Register数据段寄存器 用来存放当前数据段寄存器基地址。 SS —— Stack Segment Register堆栈段寄存器，
DF=1,每次串处理操作后使变址寄存器SI和DI减量，使串处理从高地址向 低地址方向处理。
DF=0,每次串处理操作后使变址寄存器SI和DI增量,使串处理从低地址向
高地址方向处理。
DF方向标志位是在串处理指令中控制处理信息的方向用的。
② IF(Interupt Flag)中断标志 位
IF=1, 允许外部可屏蔽中断。CPU可以响应可屏蔽中断请求。 IF=0, 关闭中断。CPU禁止响应可屏蔽中断请求。
总线接口单元(BIU，Bus Interface Unit)
通用寄存器组
算数逻辑运算单元ALU
执行指令
EU
8086CPU
标志寄存器FR EU控制器
地址加法器
BIU
专用寄存器组 指令流队列 总线控制电路
访问存储器或I/O端口 读取指令或操作数 存放操作数或运算结果
EU和BIU是两个相互独立的部分，可并行操作，从而使8086 取指部分与执行部分分开。 在一条指令的执行过程中可以取出下一条（或多条）指令，
由于BIU与EU是分开并独立工作的，因此，在一 般情况下，CPU 执行完1条指令后就可以立即执行下1 条指令，而不需要像以往8位CPU那样重复地进行先取
指令和后执行指令的串行操作。16位CPU这种并行重
叠操作的特点，提高了总线的信息传输效率和整个系 统的执行速度。
二、8086CPU的寄存器结构
内部结构？
二、微型计算机
微型计算机由CPU、存储器、输入输出接口电路和系 统总线构成。
1 、内部存储器：按照读写方式的不同，分为 ROM 和
RAM两种类型；
2 、输入 / 输出接口电路是外围设备与微型计算机之间 的连接电路，在两者之间进行信息交换的过程中，起 暂存、缓冲、类型变换及时序匹配的作用； 3、总线是CPU与其它各功能部件之间进行信息传输的
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
ຫໍສະໝຸດ Baidu
1
1
1
0
标志:
最高位没有进位
低8位中1的个数为奇数个 第三位向第四位无进位
∴ CF=0
∴ PF=0； ∴ AF=0；
运算结果本身≠0
运算结果最高位为0
∴ ZF=0
∴ SF=0；
次高位向最高位没有进位 ，最高位向前没有进位 ∴OF=0。
三、存储器结构
1、数据在存储器中的存储情况
•
状态信息:
由中央处理器，根据计算结果自动设置的，机器提供
了设置状态信息指令，必要时，程序员可以用这些指令来建 立状态信息。
例1：执行两个数的加法，分析对标志位的影响。
0 + 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1
③
AF（Auxiliary Carry Flag）辅助进位标志
AF=1：记录运算时第3位（半个字节）产生进位值。 AF=0：记录运算时第3位（半个字节）不产生进位值。
④
ZF（Zero Flag）零标志 ZF=1：运算结果为0。
ZF=0：运算结果不为0。
⑤SF（Sign Flag）符号标志 SF=1：记录运算结果的符号为负。 SF=0：记录运算结果的符号为正。
队列中。它们采用 “先进先出”的原则，按顺序存放，并按
顺序取到 EU 中去执行。
其操作将遵循下列原则：
（1）取指时，每当指令队列缓冲器中存满1条指令后，EU就立即开始执
行。 （2）指令队列缓冲器中只要空出2个指令字节时，BIU便自动执行取指操
作，直到填满为止。
（3）在EU执行指令的过程中，指令需要对存储器或I／O设备存取数据时， BIU将在执行完现行取指的存储器周期后的下一个存储器周期，对指定的 内存单元或I／O设备进行存取操作，交换的数据经BIU由EU进行处理。 （4）当 EU执行完转移、调用和返回指令时，则要清除指令队列缓冲器， 并要求BIU从新的地址重新开始取指令，新取的第1条指令将直接经指令 队列送到EU 去执行，随后取来的指令将填人指令队列缓冲器。
数据在存储器中按字节为单位进行存储，即将存储 器空间按字节地址号顺序排列，称为按字节编址。
8086CPU共有20根地址线，故能寻址1M的存储空间。 即寻址范围为0~ 220 -1 ，习惯上用十六进制表示，即为： 00000H~FFFFFH。
通道，按所传送信息的不同类型，可分为：
地址总线AB：传送地址信息 数据总线DB ：传送数据信息
控制总线CB ：传送控制信息
三、微型计算机系统
以微型计算机为主体，配上系统软件和外设之后，就 成了微型计算机系统。
系统软件：是使用、管理计算机本身的软件。 软件 应用软件：是为解决某个实际问题而编制的程序。
一、 微处理器
CPU在内部结构上包含下面这些部分：
· 算术逻辑部件；
· 累加器和通用寄存器组； · 程序计数器(指令指针)、指令寄存器和译码器； · 时序和控制部件。
CPU功能：
· 可以进行算术和逻辑运算 · 可保存较少量数据 · 能对指令进行译码并执行规定的动作 · 能和存储器、外设交换数据 · 提供整个系统所需要的定时和控制 · 可以响应其他部件发来的中断请求
由状态标志、控制标志构成。只用了其中9位,
6位状态标志 ,
15 10 9 8
3位控制标志。
7 6 5 4 AF 2 PF 0 CF
OF DF IF TF SF ZF
状态标志:
用来记录程序中运行结果的状态信息作为后续条件转移指令 的转移控制条件。
状态标志包括6位：CF 、 PF 、 AF 、 ZF 、 SF 、 OF 。
它是算术运算的主要寄存器，所有I/O指令都使用这一寄存器与外 部设备交换数据。
例：IN
AL, 20H
OUT 30H ,AX
BX—— Base 用作基址寄存器使用。
在计算内存储器地址时，经常用来存放基址。
例：MOV AX, [BX+03H]
CX——Count可以作计数寄存器使用。
在循环LOOP指令和串处理指令中用作隐含计数器。
（3）变址寄存器(SI 、 DI) SI——Source Index Register 源变址寄存器。 DI——Destination Index 目的变址寄存器。
使用场合：常用于变址寻址。
• 一般与DS联用，用来确定数据段中某一存储单元的地址，
SI 、DI具有自动增量和自动减量功能. 例：MOV AX, [SI]
时间坐标
8086/8088微处理器:
BIU和EU分开，取指和执行可以重迭， 大大减少了等待取指所需的时间，提高CPU的 利用率。
指令队列缓冲器：
8086的指令队列为6个字节。在EU执行指令的同时，BIU 从内存中取下面1条或几条指令，取来的指令就依次放在指令
用来存放识别当前堆栈段基地址。
ES —— Extra Segment Register附加段寄存器， 用来存放识别当前附加段基地址。
3、控制寄存器
控制寄存器：IP 、FR
IP —Instruction Pointer 指令指针寄存器 用来存储代码段中的偏移地址; 程序运行过程中IP始终指向下一次要取出的指令偏移地址。 FR —Flag Register 标志寄存器
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧
§2.1 微型计算机系统的组成
微型计算机系统
微处理器
微型计算 机
运算器 控制器
寄存器组 内存储器 输入输出 接口电路 外部设备 软件 总线
微处理器(CPU)、微型计算机(主机) 与微型计算机系统三
者的关系：
ALU 微处理器 微型计算机 累加器、寄存器 控制器 系 统 总 线 ： AB、 CB、 DB I/O接 口 ： 串 /并 行 接 口 等 微机系统 存 贮 器 ： ROM、 RAM 系 统 软 件 ： OS、 汇 编 、 编 译 等 外 设 ： 打 印 机 、 键 盘 、 CRT等
CPU的基本性能指标：
1、主频
主频单位MHZ(兆赫兹) 指令执行单位(MIPS:每秒运行多少百万条指令) 2、存储容量 3、字长 字长是指微处理器内部一次能够并行处理二进制代码的位数。 字长与微处理器内部寄存器以及CPU内部总线宽度是一致的,字长越长, 所表示的数据精度就越高,一次能够同时处理的信息量就越大. 4、外部设备的扩展能力 5、软件配置能力
例：MOV CX , 200H
AGAIN:
……
…… LOOP AGAIN ；（CX)-1(CX),结果0转AGAIN
DX——Data可以作为数据寄存器使用。
一般在双字长乘除法运算时，把DX和AX组合在一起存放一个双 字长(32位)数，DX用来存放高16位;对某些I/O操作DX可用来存放I/O的端口 地址。
外设：打印机、键盘、显示器等等。
§2.2 8086CPU的功能结构
一、8086CPU的内部结构
8086CPU是典型的16位微处理器，它具有16位的
内部数据总线和16位的外部数据总线。
8086CPU的内部结构框图如下所示。
8086CPU内部结构框图
从大的结构和功能上讲，8086可分为两个部分，即 执行单元(EU，Execution Unit)
⑥OF（Overflow Flag）溢出标志（一般指补码溢出）
OF=1：在运算过程中，如操作数超过了机器表示的范围称为溢出。 OF=0：在运算过程中，如操作数未超过了机器能表示的范围称为不溢出。
字节允许范围 -128—+127， 字运算范围 -32768—+32767 。
控制标志:
对控制标志位进行设置后,对其后的操作起控制作用。 控制标志位包括3位: DF 、TF、IF。 方向标志 DF、中断标志IF、跟踪（陷阱）标志TF。 ① DF(Direction Flag)方向标志位
IF的状态对不可屏蔽中断和内部软中断没有影响。
③ TF(Trap Flag)跟踪(陷阱)标志位
TF=1 ,每执行一条指令后，自动产生一次内部中断，使CPU处于单步执行 指令工作方式，便于进行程序调试，用户能检查程序。 TF=0, CPU正常工作，不产生陷阱。
总结：
•
控制信息:
由系统程序或用户程序根据需要用指令来设置的。
指令在指令队列中排队；
在一条指令执行完成后,就可以立即执行下一条指令，减少 CPU为取指令而等待的时间，提高CPU的利用率和整个运行速度。
BIU： EU：
取指
取指
取指
取指
得到数据
等待
执行
执行
执行
执行
对于8080与8085及较早的8位微处理器:
程序执行由取指令和执行指令的循环来完成的，每条指令 执行完后CPU必须等待到下条指令取出来后才能执行。
1、通用寄存器
（1）数据寄存器 AX、BX、CX、DX 作为通用寄存器。
用来暂存计算过程中所用到的操作数，结果或其它信息。
访问形式:可以用16位的访问;或者可以用字节（8位）形式访问。
它们的高8位记作 : 它们的低8位记作 : AH 、BH 、CH 、DH 。 AL 、BL 、CL 、DL 。
AX——（Accumulator）作为累加器。
① CF（Carry Flag）进位标志 CF=1：记录运算时从最高有效位产生进位值。 CF=0：记录运算时从最高有效位不产生进值。 ② PF（Parity Flag）奇偶标志
PF=1:
PF=0:
结果操作数低8位中有偶数个1。
结果操作数低8位中有奇数个1。
用来为机器中传送信息时可能产生的代码出现情况提供检验 条件。
第二章
微型计算机的组成及微处理器结构
教学目的及要求
掌握微型计算机系统的组成及主要技术性能指标 掌握8086CPU的功能结构； 掌握状态标志和控制标志的意义； 掌握8086CPU的存储器组织及存储器管理； 掌握逻辑地址和物理地址； 理解8086的地址数据引脚和读写控制引脚； 掌握最小工作模式的典型配置； 理解并掌握总线的时序
例：MUL BX ; (AX)(BX)(DX)(AX)
（2）指针寄存器（SP、BP ）
SP（stack pointer）——堆栈指针寄存器
用来指示栈顶的偏移地址, 必须与SS段寄存器联合使用确 定实际地址。
BP（base pointer）——基址指针寄存器 可以与SS寄存器联合使用来确定堆栈段中某一存储器单 元地址。
2、段寄存器
段寄存器: 4个16位段寄存器CS、DS、SS、ES。 用来识别当前可寻址的四个段，不可互换使用。
CS —— Code Segment Register 代码段寄存器
用来存放当前代码段基地址（程序一般放在代码段）。 DS —— Data Segment Register数据段寄存器 用来存放当前数据段寄存器基地址。 SS —— Stack Segment Register堆栈段寄存器，
DF=1,每次串处理操作后使变址寄存器SI和DI减量，使串处理从高地址向 低地址方向处理。
DF=0,每次串处理操作后使变址寄存器SI和DI增量,使串处理从低地址向
高地址方向处理。
DF方向标志位是在串处理指令中控制处理信息的方向用的。
② IF(Interupt Flag)中断标志 位
IF=1, 允许外部可屏蔽中断。CPU可以响应可屏蔽中断请求。 IF=0, 关闭中断。CPU禁止响应可屏蔽中断请求。
总线接口单元(BIU，Bus Interface Unit)
通用寄存器组
算数逻辑运算单元ALU
执行指令
EU
8086CPU
标志寄存器FR EU控制器
地址加法器
BIU
专用寄存器组 指令流队列 总线控制电路
访问存储器或I/O端口 读取指令或操作数 存放操作数或运算结果
EU和BIU是两个相互独立的部分，可并行操作，从而使8086 取指部分与执行部分分开。 在一条指令的执行过程中可以取出下一条（或多条）指令，
由于BIU与EU是分开并独立工作的，因此，在一 般情况下，CPU 执行完1条指令后就可以立即执行下1 条指令，而不需要像以往8位CPU那样重复地进行先取
指令和后执行指令的串行操作。16位CPU这种并行重
叠操作的特点，提高了总线的信息传输效率和整个系 统的执行速度。
二、8086CPU的寄存器结构
内部结构？
二、微型计算机
微型计算机由CPU、存储器、输入输出接口电路和系 统总线构成。
1 、内部存储器：按照读写方式的不同，分为 ROM 和
RAM两种类型；
2 、输入 / 输出接口电路是外围设备与微型计算机之间 的连接电路，在两者之间进行信息交换的过程中，起 暂存、缓冲、类型变换及时序匹配的作用； 3、总线是CPU与其它各功能部件之间进行信息传输的
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标志:
最高位没有进位
低8位中1的个数为奇数个 第三位向第四位无进位
∴ CF=0
∴ PF=0； ∴ AF=0；
运算结果本身≠0
运算结果最高位为0
∴ ZF=0
∴ SF=0；
次高位向最高位没有进位 ，最高位向前没有进位 ∴OF=0。
三、存储器结构
1、数据在存储器中的存储情况
•
状态信息:
由中央处理器，根据计算结果自动设置的，机器提供
了设置状态信息指令，必要时，程序员可以用这些指令来建 立状态信息。
例1：执行两个数的加法，分析对标志位的影响。
0 + 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1
③
AF（Auxiliary Carry Flag）辅助进位标志
AF=1：记录运算时第3位（半个字节）产生进位值。 AF=0：记录运算时第3位（半个字节）不产生进位值。
④
ZF（Zero Flag）零标志 ZF=1：运算结果为0。
ZF=0：运算结果不为0。
⑤SF（Sign Flag）符号标志 SF=1：记录运算结果的符号为负。 SF=0：记录运算结果的符号为正。
队列中。它们采用 “先进先出”的原则，按顺序存放，并按
顺序取到 EU 中去执行。
其操作将遵循下列原则：
（1）取指时，每当指令队列缓冲器中存满1条指令后，EU就立即开始执
行。 （2）指令队列缓冲器中只要空出2个指令字节时，BIU便自动执行取指操
作，直到填满为止。
（3）在EU执行指令的过程中，指令需要对存储器或I／O设备存取数据时， BIU将在执行完现行取指的存储器周期后的下一个存储器周期，对指定的 内存单元或I／O设备进行存取操作，交换的数据经BIU由EU进行处理。 （4）当 EU执行完转移、调用和返回指令时，则要清除指令队列缓冲器， 并要求BIU从新的地址重新开始取指令，新取的第1条指令将直接经指令 队列送到EU 去执行，随后取来的指令将填人指令队列缓冲器。
数据在存储器中按字节为单位进行存储，即将存储 器空间按字节地址号顺序排列，称为按字节编址。
8086CPU共有20根地址线，故能寻址1M的存储空间。 即寻址范围为0~ 220 -1 ，习惯上用十六进制表示，即为： 00000H~FFFFFH。
通道，按所传送信息的不同类型，可分为：
地址总线AB：传送地址信息 数据总线DB ：传送数据信息
控制总线CB ：传送控制信息
三、微型计算机系统
以微型计算机为主体，配上系统软件和外设之后，就 成了微型计算机系统。
系统软件：是使用、管理计算机本身的软件。 软件 应用软件：是为解决某个实际问题而编制的程序。
一、 微处理器
CPU在内部结构上包含下面这些部分：
· 算术逻辑部件；
· 累加器和通用寄存器组； · 程序计数器(指令指针)、指令寄存器和译码器； · 时序和控制部件。
CPU功能：
· 可以进行算术和逻辑运算 · 可保存较少量数据 · 能对指令进行译码并执行规定的动作 · 能和存储器、外设交换数据 · 提供整个系统所需要的定时和控制 · 可以响应其他部件发来的中断请求
由状态标志、控制标志构成。只用了其中9位,
6位状态标志 ,
15 10 9 8
3位控制标志。
7 6 5 4 AF 2 PF 0 CF
OF DF IF TF SF ZF
状态标志:
用来记录程序中运行结果的状态信息作为后续条件转移指令 的转移控制条件。
状态标志包括6位：CF 、 PF 、 AF 、 ZF 、 SF 、 OF 。
它是算术运算的主要寄存器，所有I/O指令都使用这一寄存器与外 部设备交换数据。
例：IN
AL, 20H
OUT 30H ,AX
BX—— Base 用作基址寄存器使用。
在计算内存储器地址时，经常用来存放基址。
例：MOV AX, [BX+03H]
CX——Count可以作计数寄存器使用。
在循环LOOP指令和串处理指令中用作隐含计数器。
（3）变址寄存器(SI 、 DI) SI——Source Index Register 源变址寄存器。 DI——Destination Index 目的变址寄存器。
使用场合：常用于变址寻址。
• 一般与DS联用，用来确定数据段中某一存储单元的地址，
SI 、DI具有自动增量和自动减量功能. 例：MOV AX, [SI]