80X86微处理器解析

微机系统原理与接口技术
数据寄存器特有的习惯用法
AX：累加器。所有I/O指令都通过AX与接口传送 信息，中间运算结果也多放于AX中；
BX：基址寄存器。在间接寻址中用于存放偏移地址；
CX：计数寄存器。用于在循环或串操作指令 中存放计数值； DX：数据寄存器。在间接寻址的I/O指令中存放 I/O端口地址；在32位乘除法运算时，存放 高16位数或余数。
微机系统原理与接口技术
1971年
1972年 1974年 1976年 1978年 1982年 1985年 10月 1989年4月 1993.3.22 1995.11.8 1997年 1999.2.26 1999.2.24 2000.11.24
Intel 4004
Intel 8008 Intel 8080 MC6800 Z80 Intel 8086 Intel 80286 80386 80486 Pentium Pentium Ⅱ Pentium Ⅲ Pentium 4
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2.16 位指令指针寄存器 — IP
指出当前指令在程序代码段中的16位偏移量。 8 位模型机中的程序计数器 PC
因为：地址总线 AB = 8 bit 程序计数器 PC = 8 bit
所以：PC 指向代码存储器单元的 实际地址
16 位8086CPU中的指令指针寄存器 IP
0 年 1973 1978 1982 1985 1989 1993 1995 1997 1999 2000
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CPU性能每18个月增加一倍
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二、8086CPU内部功能结构
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通用寄存器
AX BX CX DX AH BH CH DH AL BL CL DL 执 行 部 件 EU
• 16 位寄存器组（9个）
8个16位寄存器 AX, BX, CX, DX, BP, SP, DI,SI
1个16位标志寄存器 Flag
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三、8086CPU寄存器结构
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寄存器类型
15 8 7 0 AX AH AL 累加器 BX BH BL 基址寄存器 CX CH CL 计数寄存器 DX DH DL 数据寄存器 SP 堆栈指针 BP 基址指针 SI 源变址指针 DI 目的变址指针 IP 指令指针 FLAG 标志寄存器 CS 代码段寄存器 DS 数据段寄存器 SS 堆栈段寄存器 ES 附加段寄存器
4位
8位 8位 8位 8位 16位 16位 32位 32位 32位 32位 32位 32位
2300
3500 6000 6800 10000 29000 13.4万 27.5万 120万 310万 550万 700万 2800万 2130万 4200万
108KHz 每秒6万次
基本指令周期为20～50μs 2MHz 2.5MHz
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指令队列缓冲器的流水线管理（p37）
在一条指令的执行过程中可以取出下一条（或多条）指令 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
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6.总线逻辑控制器
问: 该存储器单元的实际地址 PA 为多少？
PA = 段基址 ← 4 + 偏移地址 = 2F86H ← 4 + 2A36H = 2F860H + 2A36H = 32296H
注：存储单元的物理地址值唯一，而逻辑地址可变。
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4.指令队列缓冲器
8086为6字节，为先进先出结构。流水线工作原理：
输出
20 位 实际地址（物理地址）
公式
实际地址 = 段基地址 * 16 + 段内偏移地址 实际地址 = 段基地址 ← 4 + 段内偏移地址
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实际地址生成过程
16位
参考图2-4 CS
CS左移4位
20位 IP
+
20位
地址加法器
物理地址
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例: 段基址为2F86H，偏移地址为2A36H
此为编程结构：
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BIU、EU的功能

总线接口部件 BIU —— 负责与CPU外部传送指 令代码或数据（取指、存取数据） 执行部件 EU —— 负责指令的执行（指令译码、 执行指令）

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接口部件 —— BIU
1. 2. 3. 4. 5. 6.
4个段寄存器— CS、DS、ES、SS (16 位) 指令指针寄存器 — IP （16 位） 指令队列缓冲器 — 6字节 地址加法器 ——20位 内部暂存器 ——16位 总线逻辑控制器
作用：以逻辑控制方式实现总线上的信息传送。 如，信息分时传送
数据线/地址线复用技术
CPU 芯片的数据线和地址线为同线引出
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执行部件 —— EU
• 16 位运算器 （ALU）
算术及逻辑运算
16 位偏移地址运算
• 8 位控制单元（EU控制器）
从BIU的指令队列中取指令 注: 未经总线读取指令 对指令进行译码并产生不同的控制信号
5MHz／基本指令周期0.5 μs
基本指令周期0.2 μs 16-33MHz／3-4 MIPS 33-120MHz /41-54 MIPS 75-133M Hz 0.6 μm 200MHz/400 MIPS 266MHz/400 MIPS 450MHz 450MHz 1.4GHz 0.25 μm 0.18 μm
• 80386CPU AB = 32 访存空间 = 232 = 4G
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多处理器系统
微处理器 ＋ 协处理器。
• •
微处理器完成系统的主要功能 协处理器完成系统的特殊功能
微处理器芯片 8086 浮点协处理协处理器芯片 8087
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指令作业方式
取指令与执行指令的时间分配。 • 取指令与执行指令分时进行 传统 8 位 CPU 工作方式 • 取指令与执行指令同时进行
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2. 专用地址寄存器
• 用于存放存储器段内偏移地址
问题：1MB地址空间最多可划分为多少个逻辑段？ 最少可划分为多少个逻辑段？
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1.段寄存器 CS、DS、ES、SS
段寄存器：存放段首存储单元地址值的高 16 位， 称段基址。 代码段 数据段 附加段 堆栈段
存放指令代码
存放操作的数据 存放操作的数据
存放暂时不用但需保存的数据。
时钟周期：计算机中时间的最小单位。
百度文库 微机系统原理与接口技术
访问内存储器空间
CPU 能访问的内存储空间容量，与地址 总线宽度有关。 • Z80CPU AB = 16 访存空间 = 216 = 64K
• 8086CPU
AB = 20 访存空间 = 220 = 1M
• 80286CPU AB = 24 访存空间 = 224 = 16M
当指令队列为空，EU等待BIU取值。 指令队列不为空（只要有一条指令），EU和 BIU独立工作。 指令队列满EU无访问要求，BIU进入空闲状态。
当指令队列出现两个空字节，BIU又会自动执行 取指操作，直到填满为止。
若EU要对存储器单元、I/O端口存取数据，BIU 完成当前取指操作后再响应；EU执行跳转指令， 则指令队列被自动清空。
—— AX、BX、CX、DX —— SP、BP、SI、DI —— CS、DS、ES、SS —— IP —— Flag
注：均为 16 位寄存器，共 14 个
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1. 通用数据寄存器
• 16 位通用数据寄存器（4个）
AX BX CX DX
• 8 位通用数据寄存器（8个）
AH BH CH DH AL BL CL DL 注：为了满足兼容性，可 8 位、16 位使用
暂存器
ALU
标志寄存器
图2-1
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8086 CPU 内部结构
8086CPU从功能上可分为下面两个部分

执行部件 —— EU（Exceution Unit） 总线接口部件 —— BIU（Bus Interface Unit）
指从程序员和使用者的角度来看的结构。这种结构与 CPU内部的物理结构和实际布局是有区别的。
微处理器的性能指标及发展
8086CPU内部功能结构
8086CPU 寄存器结构
8086CPU存储器组织
8086CPU引脚信号及工作模式
微机系统原理与接口技术
一、微处理器的性能指标及发展
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微处理器的性能指标

字长
运算速度
访问内存储器空间 多处理器系统 指令作业方式 芯片制造工艺
因为：地址总线 AB = 20 bit 指令指针寄存器 IP = 16 bit 所以：IP 指向存储器单元的 偏移地址 注： IP在程序运行中自动修正，程序不能直接对IP进行 存取。
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3.20位地址加法器
输入 段寄存器中的 16 位段基地址（逻辑地址） 内总线中来的 16 位段内偏移地址（逻辑地址）
80X86 CPU 工作方式（流水线管理）
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芯片制造工艺
工艺的改进带来更高的芯片集成度。
集成度从早期的每片数千个晶体管数量级 到近期的每片数百万个晶体管数量级。 线条宽度从微米级到纳米级。 主频从数兆赫兹到数千兆赫兹。
微处理器发展
第 一 代
第 二 代 第 三 代 第 四 代 第 五 代 第 六 代 第 七 代
微机系统原理与接口技术
第二章：80x86微处理器 掌握：8086微处理器内部结构 掌握：8086寄存器功能 （寄存器的默认用法、标志寄存器） 掌握：8086的存储器组织结构 （物理地址的确定） 掌握：8086引脚信号和工作模式 （最大、最小模式的差别）
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第二章： 80x86微处理器
Pentium pro 32位
AMD-K6-Ⅲ 32位
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微处理器芯片晶体管数目每两年增加一倍
万晶体管
4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
0.49 2.9 13.4 27.5 310 120 550 700 2800 4200
运算速度
计算机完成操作的时间指标。 • 用指令执行时间测量（单位μ s ） • 用每秒执行指令数测量（单位MIPS） • 提高速度的方法
提高 CPU 主频 增加数据线条数
取指令和执行指令时间重叠
双 CPU
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主频：也叫做时钟频率，用来表示微处理 器的运行速度，主频越高表明微处理器 运行越快，主频的单位是MHz。
SP BP DI SI
总 线 接 口 部 件 BIU
地址加法器
20位地 址总线 16 位 数 据 总 线
总
8086
8086CPU 内 部 结 构 图
CS DS SS ES
IP 暂存器
线 控 制 逻 辑
总 线
内部总线16位 E 指令队列 U 控 8位队 1 2 3 4 5 6 制 列总线 8086 器
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字长
CPU 并行处理数据的位数，与数据 总线的宽度有关。 • 决定了 CPU 表示数据的精度 • 提高了CPU 的相对运行速度 • 典型 CPU 字长
8088 —— 8bit
8086
80386
—— 16bit
—— 32bit
Pentium —— 32bit 64bit
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通用（数据）寄存器
专用（地址）寄存器 （地址指针及变址寄存器） 控制寄存器 段寄存器
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寄存器使用特点
• 在指令助记符中 寄存器用名定义
• 在程序设计中 寄存器用名访问
注：存储器、I/O 使用特点为用地址访问
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寄存器分类
• 通用数据寄存器
• • • • 专用地址寄存器 段寄存器 指令指针寄存器 标志寄存器
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1.段寄存器 CS、DS、ES、SS
作用
用于存放存储器相应逻辑段的段基地址
存储器为什么要分段？
解决16位寄存器和20根地址线之间的矛盾。
如何分段？
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根据需要把1MB地址空间划分为若干逻辑段。每个 逻辑段必须满足： 逻辑段的起始地址必须是16（10H）的整数倍，因 为段寄存器长为16位； 逻辑段的最大长度为64K，因为指针寄存器（存放 段内偏移地址）长为16位。