第三章80X86微型处理器及其系统结构

80X86微型处理器及其系统结构
学习目的:
了解三总线及堆栈的工作原理。

掌握微处理器的一般结构、算逻部件ALU、寄存器结构、控制部件。

重点掌握Intel 8086微处理器的结构。

堆栈
1. 堆栈的定义
用作数据暂时存储的一组寄存器或存储单元称为堆栈。

堆栈中数据按“后进先出”的结构方式进行处理，即新入栈的依次堆放在原来数据之上，存放信息的最后一个单元叫做栈顶，用堆栈指针SP(Stack Pointer)指示。

堆栈操作有两种：压入(PUSH)和弹出(POP)，而SP始终指向堆栈栈顶的新位置。

2. 堆栈编址结构的两种形式
(1) 向上生成
该结构中，每压入一个数据，堆栈指示器SP按增量修改，每弹出一个数据，SP按减量修改。

(2) 向下生成
该结构中，每压入一个数据，SP按减量修改，每弹出一个数据，SP按增量修改
3. 构成堆栈的两种形式
一种是使用微处理器内部的一组寄存器作为堆栈。

优点：访问速度快。

缺点：寄存器数量有限。

一种形式是在随机存储器RAM中开辟一个区间供堆栈使用，较为普遍；若编址采用向下生成，其堆栈操作如下图所示。

由上图中可以看出，出栈操作并不会从堆栈中去掉信息，也不擦除它们，只是因SP 的自动修改而改变了堆栈的栈顶。

堆栈主要用于中断控制，子程序调用以及数据暂时存储。

3.2 微处理器的一般结构
传统的微处理器结构由算术逻辑部件ALU ，控制电路及寄存器阵列三大部分组成，如下图所示。

一、算术逻辑部件ALU (Arithmetic Logic Unit)
ALU是执行算术运算、逻辑运算及移位的装置。

ALU有两个输入端，一个与累加器相连，另一端与暂存器相连，用于存放参加运算的两个数。

ALU的输出端也有两个，一端将操作结果送回到内部总线再送回累加器，另一端用于输出表示操作结果特征的标志信息。

二、寄存器阵列
一般包括通用寄存器、累加器、标志寄存器、专用寄存器等。

寄存器的使用提升了计算机的功能和程序设计的灵活性。

1. 通用寄存器组
可用于存放数据和地址，有8bit和16bit等，CPU可直接处理这些信息，减少了访问存储器的次数，节省访问内存时间。

2. 累加器
也是数据寄存器，与ALU一起完成各种算术或逻辑运算，运算前作为ALU的一个输入，运算后常用于保存结果。

CPU对I/O接口电路的读出或写入一般也是通过累加器进行的。

3. 标志寄存器
在算术或逻辑运算时，为了保存可能发生的进位、溢出、符号、全零及奇偶性等状态的变化，微处理器设置标志寄存器。

其所存的状态将可作为一种条件，常用于判断是否控制程序转移。

4. 专用寄存器
(1) 程序计数器PC (Program Counter)
它是指令地址寄存器，其内容指出了现行指令在存储器中的存放地址。

注：当按PC的内容从存储器中取出指令时，PC的内容自动加1。

对单字节指令而言，则PC指向了下一条指令所在的地址。

对多字节指令，则每取一个字节，PC自动加1，当取出最后一个指令字节时，PC仍指向下
一条指令地址。

(2) 堆栈指示器SP (Stack Pointer)
用于确定堆栈在内存中的具体位置。

SP总是指向栈顶。

(3) 变址寄存器
用于变址寻址，也可作通用寄存器。

三、控制部件
是整个系统按时序协调操作的功能部件，包括IR、ID定时及产生各种控制信号的控制逻辑单元组成。

根据上述结构，微处理器执行一条指令的简要过程，如下图所示。

微处理器执行一条指令的简要过程
图中取指令包含以下几个步骤：
(1) PC将指令地址经地址缓冲器送到CPU外部地址总线，然后送到存储器进行地址译码。

(2) PC+1→P C，同时CPU发出“存储器读”。

信号，访问存储器中某一单元。

(3) 经过几百ns，在外部数据总线上出现指令的第一个字节，即操作码，经由CPU内部数据缓冲器→内部总线→指令寄存器。

(4) 对于多字节指令，控制部件还会发出取第二、第三等字节的信号，每次PC+1→PC
3.4 Intel 8086微处理器
8086是Intel系列的16bit微处理器，属第三代。

8086有16bit数据总线和20bit地址线，可寻址1M空间。

8086采用单一+5V电源和单相时钟，频率为5MHZ。

一、8086CPU结构
1. 总体功能结构
8086从功能结构来讲，分为两大部分，即总线接口部件BIU(Bus Interface Unit )和执行部件EU(Execution Unit)。

(1) BIU部件
由段寄存器、指令指针、地址加法器、指令队列缓冲器和控制电路等部分组成。

BIU负责与存储器、I/O接口电路传送信息。

BIU负责从指定内存单元取出指令，送到指令队列缓冲器中排队。

指令队列缓冲器是一个6个字节的RAM存储器(8088为4个字节)，队列中最多可同时存放6个字节的指令，取来的指令是按字节顺序存放的。

当队列中有两个以上的指令字节空的时候，BIU会自动地执行总线操作，继续取指令。

在执行指令时，如要取操作数，则也由BIU从内存或I/O接口指定区域取出，送给EU部件去执行。

(2) EU部件
由ALU、通用寄存器、标志寄存器和控制电路组成，负责指令的执行。

ALU、寄存器和数据传输通路均是16bit的。

EU从BIU中的指令队列缓冲器中取得指令和数据。

当指令要求将数据写到存储器和I/O电路，或需从存储器和I/O电路中读取数据时，EU向BIU发出请求，BIU自动完成这些操作。

若执行的是一条转移指令，则存放在指令队列缓冲器中的指令就没有用了，应到新的地址单元去取出。

BIU新取出的第一条指令将直接送到EU中去执行，随后重新填充指令队列缓冲器。

(3) 8086与传统微处理器指令执行过程比较
传统微处理器的执行方式
传统微处理器取指与执行串行进行，CPU的工作效率低。

8086的指令执行方式
8086CPU取指与执行并行进行，大大减少了等待取指令所需时间，提高了CPU的工作效率。

2. 寄存器结构
(1) 通用寄存器
8个16bit通用寄存器。

AX，BX，CX，DX 4个16bit的通用数据寄存器，它们的高8bit AH，BH，CH，DH与低8bit AL，BL，CL，DL又可分别看成8个8bit的寄存器。

SP—堆栈指针，存放堆栈栈顶的现行地址，与SS堆栈段寄存器一起方可确定堆栈的实际地址。

BP—基址指针
SI—源变址寄存器
DI—目的变址寄存器
(2) 控制寄存器
IP (Instruction Pointer) 指令指针与PC类似，但有区别：
a. PC是指向下一条即将要执行的指令，而IP一般是指向下一次要取出的指令。

b. 在8086中IP要与CS代码段寄存器的内容一起，才能得到指令的实际地址。

FLAG(标志寄存器)为16bit，其中9位有定义。

a. 6个状态标志位，即CF 、PF 、AF 、ZF 、SF 和 OF 。

进位标志CF(Carry Flag)：
当结果的最高位(字节－D 7，字－D 15)产生进位(加法运算)或借位(减法运算)时，CF=1，否则CF=0,移位和循环指令也影响CF 。

奇偶标志位PF(Parity Flag)：
若结果中“1” 的个数为偶数，则PF=1，否则PF=0。

辅助进位标志AF(Auxitiary Carry Flag)：
在低半字节向高半字节有进位或借位时AF=1，否则AF=0。

零标志ZF(Zero Flag)：
当运算结果为0时ZF=1，否则ZF=0。

符号标志SF(Sign Flag)：
SF 等于最高位，对于带符号数，最高位为符号位，SF=1运算结果为负，SF=0为正。

溢出标志OF(Overflow Flag)：
带符号数运算结果超出其表达范围时（字节数：-128～+127，字类型数：-32768～+32767）， OF=1，否则 OF=0。

用表达式给出
⎩⎨
⎧⊕⊕=←←←←141515
6
77溢出C C C C OF (字节运算) (字运算)
例：① 2345H+3219H
CF=0 PF=0 AF=0 ZF=0 SF=0 OF=0 ② 6400H+7A3CH
CF=0 PF=1 AF=0 ZF=0 SF=1 OF=1
b. 3个控制标志位
追踪标志TF(Trace Flag)：
TF=1，处理器进入单步方式，以便调试，CPU 每执行一条指令自动产生一个内部中断以利于检查指令的执行情况；TF=0为连续工作方式。

中断允许标志IF(Interrupt-enable Flag)：IF=1，允许CPU 响应外部的可屏蔽中断请求；
IF=0则禁止响应。

IF 对外部非屏蔽中断及内部中断不起作用。

方向标志DF(Direction Flag)：
在串操作指令中，DF=0时，变址指针自动增量，DF=1时，则自动减量。

(3) 段寄存器
有4个16bit 的段寄存器
CS —代码段寄存器，用于定义代码段基地址，该段用于存放指令代码。

DS —数据段寄存器，用于定义数据段基地址，该段用于存放程序变量。

SS —堆栈段寄存器，用于定义堆栈段基地址，该段作堆栈区使用。

ES —附加数据段，用于定义附加段基地址,与DS 类似。

上述4个段在8086寻址的1MB 空间内，其位置不受限制，可连续排列、分隔排列、部分重叠甚致全部重叠。

二、引脚信号及功能
8086的两种工作模式
最小模式：即由8086组成的单处理器系统，所有的总线控制信号直接由8086直接产生，故系统中的总线控制逻辑电路被减到最少。

最大模式：即由8086组成的中等规模或者大型的系统。

包含两个或多个微处理器，8086为主处理器其它的为协处理器。

8086芯片的引脚图
8086采用双列直插式封装，有40个引脚(如右图所示)，但总线信号数量却大于40，故8086采用了分时复用技术，部分引脚传送两种总线信号
1. 最小模式下引脚信号及功能：
(1) 地址/数据总线AD15～AD0(双向、三态)
在一个总线周期的第一个时钟周期用于传送低16bit地址信息，并用地址锁存器锁存以免丢失，
其它时钟周期可用于传送数据信息，分时传送。

当8086执行中断响应周期、保持响应周期时，这些引脚处于高阻状态。

(2) 地址/状态信号线A19/S6～A16/S3(输出、三态)
在总线周期的第一个时钟周期(T1)用于输出地址信号的最高4bit并锁存。

其它时钟周期中用来输出状态信号S6～S3，其中：
S6—低电平，表示8086当前与总线相连。

S5—表示标志寄存器中“中断允许位”的状态(IF)
S4，S3的组合指出了分段情况。

如下表所示。

S4和S3的组合提供的分段信息表
当CPU处于“保持响应”状态时，A19/S6～A16/S3置为高阻状态。

若执行I/O指令，则由于8086只访问64K个端口，在T1周期这4个引脚为低电平。

(3) BHE/S7高8bit数据总线允许/状态线(输出, 三态)
在T1状态，8086在BHE/S7引脚输出BHE信号，表示高8bit数据总线D15～D8上的数据有效，与地址线A0一起产生存储器的选择逻辑信号。

在其它时钟周期，输出为状态信号S7。

但8086芯片，S7未定义。

下面介绍引脚中的控制信号。

(4) MN/MX最小/最大模式控制信息
高电平— 8086处于最小模式。

低电平— 8086处于最大模式。

(5) RD读信号(输出，三态)
低电平有效。

表示将对内存或I/O端口读操作。

(6) M/IO，存储器/输入输出控制信息(输出，三态)
是区分CPU进行的存储器还是I/O访问，见下表。

RD与M/IO的组合及对应的操作表
(7) WR写信号(输出，三态)
低电平有效。

WR与M/IO的组合对应的操作如下表所示。

(8) ALE地址锁存允许信号(输出)
高电平有效，此信号在T1状态有效，为地址码锁存的选通信号，送地址锁存器。

(9) READY准备就绪信号(输入)
高电平有效，是从所寻址的存储器或I/O电路来的响应信号，用于解决CPU与慢速存储器或I/O电路的同步问题。

CPU在T3周期开始采样READY线，若为低电平，则T3之后插入T W 等待周期直到READY为高电平，进入T4完成数据传送。

(10) INTR可屏蔽中断请求信号(输入)
高电平有效，8086在每一个指令周期的最后一个T状态采样这条线，若IF=1，则8086在执行完当前指令即响应中断。

(11) INTA中断响应信号(输出，三态)
低电平有效，CPU响应外部可屏蔽中断请求以后，便发出中断响应信号，作为对中断请求的回答。

此信号在每一个中断响应周期的T2、T3和T W周期均有效，为中断矢量的读选通信号。

(12) NMI非屏蔽中断请求信号(输入)
边沿触发，该线上的中断请求信号不能用软件屏蔽，电平由低到高，便在当前指令结束后引起中断。

(13) RESET系统复位信号(输入)
高电平有效，8086要求此信号起码维持4个时钟周期，若初次加电复位，持续时间不小于50 s，RESET为高电平时，8086立即结束现行操作，进入内部复位状态，CPU各内部寄存器被设置为初值：CS=FFFFH，Flag、IP、DS、ES、SS及其它寄存器均初始化为0000H。

(14) DT/ R数据收发控制信号(输出、三态)
为增强数据总线的驱动能力，8086可外接驱动器8286，DT/R即为8086输出的数据到收发器8286的控制信号。

DT/R—高电平，8086输出的数据经8286送到数据总线；
DT/R—低电平，收发器8286则把数据总线上的数据传送到8086。

8086工作在DMA方式时，DT/R为高阻状态，在最小模式时因无8286而不起作用。

(15) DEN数据允许信号(输出，三态)
低电平有效，也是8086控制外接的数据收发器，低电平时开启收发器，传送数据有效；
高电平时，则禁止传送。

(16) HOLD保持请求信号(输入)
高电平有效。

系统中其他的总线主设备要获得对总线的控制权时，向8086发出高电平的HOLD信号，8086在每个时钟周期的上升沿对HOLD引脚信号进行检测，若为高电平，则在当前总线周期结束时，予以响应。

(17) HLDA保持响应信号(输出)
高电平有效。

当CPU响应保持请求HOLD时，便发出HLDA高电平的应答信号，从而将总线控制权让给发出保持请求的设备，直到该设备又将HOLD信号变为低电平，CPU才收回总线控制权，将HLDA信号置为低电平。

(18) TEST测试信号(输入)
低电平有效。

与WAIT等待指令结合使用，当CPU执行WAIT指令时，CPU处于空转状态进行等待直到检测到TEST信号有效时结束，CPU继续往下执行指令。

(19) CLK系统时钟输入信号
时钟信号为CPU和总线控制逻辑电路提供定时基准。

常用INTEL8284A时钟发生器提供CLK 信号。

工作在最小模式下8086的典型配置如右图所示。

2. 最大模式下引脚信号及功能
若将8086的MN/MX引脚接地便工作在最大模式。

此时仅24—31引脚信号与最小模式不同，如下表所示。

(1) QS1和QS0指令队列状态信号(输出)
两信号编码和对应的队列状态如下表所示。

QS1和QS0编码与队列状态表
这三个状态信号组成的编码表示了当前总线周期是何种操作周期，如下表所示。

(3) LOCK总线封锁信号(输出，三态)
低电平有效。

此信号有效时，系统中其他总线主部件不能占有总线。

此信号由前缀指令LOCK 使其有效，并保持到LOCK前缀后的一条指令执行完毕。

另外8086在两个中断响应脉冲之间，LOCK信号也自动变为有效电平，以防其它部件占有总线。

(4) RQ/GT1和RQ/GT0总线请求/允许信号(双向)
供CPU以外的两个处理器用以发出使用总线的请求信号和接收CPU对总线请求信号的回答信号，请求与允许信号在同引脚上传输，但方向相反。

其中RQ/GT0优先级较高。

下图给出了8086在最大模式下的典型配置。

8086在最大模式下的典型配置
由图可以看出：8086在最大与最小模式下的主要区别是增加了一个8288总线控制器。

8288接受8086CPU的状态信号S2、S1和S0，经过变换和组合，由8288发出对存储器和I/O 端口的读/写信号，对锁存器8282及对总线收发器8286的控制信号。

3.5 8086存储器管理
8086采用分段管理的办法实现对1MB存储空间的管理(物理地址00000H～FFFFFH)，16bit的段寄存器存放了该段的段首址，那么它是怎样产生20bit的物理地址的呢？
我们通常采用在地址编号能被16整除的地方开始分段，此时地址的低4bit均为0，这时段寄存器只用来存放高16bit即可，以下有几个概念。

逻辑地址(Logical Address) ：是一对地址，包含段寄存器的内容和段内偏移量，如某条指令的逻辑地址可表达为：CS : IP。

段内偏移量EA (Effective Address)：是指某存储单元离开该段段首址的字节数。

物理地址PA (Physical Address):是指某个存储单元实际的20bit的地址，又称绝对地址。

由上面的定义可知：
物理地址PA=对应段寄存器×10H十段内偏移量EA。

物理地址的形成如下图所示。

当取指令时，自动选择的段寄存器是CS，再加上IP所决定的16位偏移量，得到要取出指令具体的物理地址：
例如：若CS=FFFFH，IP=0000H，则指令所在存储单元的物理地址为：
PA= (CS) ×10H + IP = FFFF0H
当涉及到取一个堆栈操作时，自动选择的段寄存器是SS，再加上SP所决定的16位偏移量，得到堆栈操作所需要的20位物理地址。

当涉及到取一个操作数时，自动选择DS寄存器或ES附加段寄存器，再加上16位偏移量，得到操作数的20位物理地址。

16位偏移量取决于指令的寻址方式。

如下图所示：
现代微机系统组成结构
当前微机主要有x86系列和APPLE的Power系列，无论哪个系列，从基本配置的角度，微机由主板和各类I/O接口卡组成。

主板上主要有CPU、存储器、系统芯片和I/O接口插槽，这些部件均采用总线相连接。

1、x86系列微机的系统基本结构
用于连接传统设备，如键盘，鼠标，串口，并口，硬盘等
2. Power Mac G5的基本结构
Intel微处理器家族发展概述
Intel G965高速芯片组简介
82G965 (G)MCH芯片
具有36位系统总线，533/800/1066MT/s传送速率的FSB
集成了一个系统存储器DDR2控制器，支持单通道或双通道DDR2内存
集成图形控制器
集成了一个16通道（×16）的PCI Express端口来连接PCI Express图形卡。

提供对改进的扫描模拟监视器和两个SDVO（Serial Digital Video Out，串行数字视频输出）端口的接口，拥有驱动高级数字显示卡或媒体扩展卡的能力。

具有APIC缓冲管理
支持ICH8芯片的桥电路
ICH8芯片概述
•支持PCI2.3规范
•提供6个PCI-Express根端口，支持PCI Express基本规范1.1。

•集成了千兆以太网（Gigabit Ethernet）控制器
•集成了SATA控制器，数据传输率达到3.0Gb/s(300MB/s)。

•集成了USB控制器，符合USB1.1/USB2.0规范
•集成了Intel®高清晰音频控制器
•集成了中断控制器（含两个级联的82C59）
•基于82C54的时钟
•拥有256字节电池供电的CMOS SRAM，硬件实现世纪变换
•有两个级联的8237DMA控制器，支持PC/PCI和LPC DMA
•允许连接像Super I/O那样的传统的ISA总线设备
现代微机发展的特点：
主板总线结构发生改变
- 总线带宽增大
- 总线发展串行化趋势明显
串行化的SATA, PCI Express, USB, SAS( Serial Attached SCSI ) 正在逐渐替代相应的并行总线
微处理器性能不断增强
微处理器支持芯片被高度集成
微机主板结构发生很大变化
保持向上兼容性。