Intel 8086 CPU

一、8086概述

Intel8086拥有四个16位的通用寄存器，也能够当作八个8位寄存器来存取，以及四个16位索引寄存器（包含了堆栈指标）。资料寄存器通常由指令隐含地使用，针对暂存值需要复杂的寄存器配置。它提供64K8位元的输出输入（或32K16位元），以及固定的向量中断。大部分的指令只能够存取一个内存位址，所以其中一个操作数必须是一个寄存器。运算结果会储存在操作数中的一个寄存器。

Intel8086有四个内存区段（segment）寄存器，可以从索引寄存器来设定。区段寄存器可以让CPU利用特殊的方式存取1MB内存。8086把段地址左移4位然后把它加上偏移地址。大部分的人都认为这是一个很不好的设计，因为这样的结果是会让各分段有重叠。尽管这样对组合语言而言大部分被接受（也甚至有用），可以完全地控制分段，使在编程中使用指针（如C编程语言）变得困难。它导致指针的高效率表示变得困难，且有可能产生两个指向同一个地方的指针拥有不同的地址。更坏的是，这种方式产生要让内存扩充到大于1MB的困难。而8086的寻址方式改变让内存扩充较有效率。

8086处理器的时钟频率介于4.77MHz（在原先的IBMPC频率）和10MHz之间。8086没有包含浮点指令部分（FPU），但是可以通过外接数学辅助处理器来增强浮点计算能力。Intel8087是标准版本。

二、8086引脚图及功能

⑴AD15～AD0（addressdatabus）：地址/数据总线，双向，三态。

　　这是一组采用分时的方法传送地址或数据的复用引脚。根据不同时钟周期的要求，决定当前是传送要访问的存储单元或I/O端口的低16位地址，还是传送16位数据，或是处于高阻状态。

⑵A19/S6～A16/S3（address/status）：地址/状态信号，输出，三态。

　　这是采用分时的方法传送地址或状态的复用引脚。其中A19～A16为20位地址总线的高4位地址，S6～S3是状态信号。S6表示CPU与总线连接的情况，S5指示当前中断允许标志IF的状态。S4，S3的代码组合用来指明当前正在使用的段寄存器。S4，S3的代码组合及对应段寄存器的情况。

⑶BHE（低）/S7（bushighenable/status）：允许总线高8位数据传送/状态信号，输出，三态。

　　为总线高8位数据允许信号，当低电平有效时，表明在高8位数据总线D15～D8上传送1个字节的数据。S7为设备的状态信号。

⑷RD/（read）：读信号，输出，三态，低电平有效。

　　信号低电平有效时，表示CPU正在进行读存储器或读I/O端口的操作。

⑸READY（ready）：准备就绪信号，输入，高电平有效。

　　READY信号用来实现CPU与存储器或I/O端口之间的时序匹配。当READY信号高电平有效时，表示CPU要访问的存储器或I/O端口已经作好了输入/输出数据的准备工作，CPU可以进行读/写操作。当READY信号为低电平时，则表示存储器或I/O端口还未准备就绪，CPU需要插入若干个“TW状态”进行等待。

⑹INTR（interruptrequest）：可屏蔽中断请求信号，输入，高电平有效。

　　8086CPU在每条指令执行到最后一个时钟周期时，都要检测INTR引脚信号。INTR为高电平时，表明有I/O设备向CPU申请中断，若IF=1，CPU则会响应中断，停止当前的操作，为申请中断的I/O设备服务。

⑺TEST/（test）：等待测试控制信号，输入，低电平有效。

　　信号用来支持构成多处理器系统，实现8086CPU与协处理器之间同步协调的功能，只有当CPU执行WAIT指令时才使用。

⑻NMI（non-maskableinterrupt）：非屏蔽中断请求信号，输入，高电平有效。

　　当NMI引脚上有一个上升沿有效的触发信号时，表明CPU内部或I/O设备提出了非屏蔽的中断请求，CPU会在结束当前所执行的指令后，立即响应中断请求。

⑼RESET（reset）：复位信号，输入，高电平有效。

　　RESET信号有效时，CPU立即结束现行操作，处于复位状态，初始化所有的内部寄存器。复位后各内部寄存器的状态，当RESET信号由高电平变为低电平时，CPU从FFFF0H地址开始重新启动执行程序。

⑽CLK（clock）：时钟信号，输入。

　　CLK为CPU提供基本的定时脉冲信号。8086CPU一般使用时钟发生器8284A来产生时钟信号，时钟频率为5MHz～8MHz，占空比为1:3。

⑾VCC电源输入引脚。

　　8086CPU采用单一+5V电源供电。

⑿GND：接地引脚。

⒀MN/MX/（minimum/maximum）：最小/最大模式输入控制信号。

　　引脚用来设置8086CPU的工作模式。当为高电平（接+5V）时，CPU工作在最小模式；当为低电平（接地）时，CPU工作在最大模式。

三、8086工作模式

1、最小模式

用于由8086单一微处理器构成的小系统。在这种方式下，由8086CPU直接产生小系统所需要的全部控制信号。器系统特点是：总线控制逻辑直接由8086CPU产生和控制。若有CPU以外的其他模块想占用总线，则可以向CPU提出请求，在CPU允许并响应的情况下，该模块才可以获得总线控制权，使用完后，又将总线控制权还给CPU。

当引脚接高电平时，CPU工作于最小模式。此时，引脚信号24～31的含义及其功能如下。

⑴M/IO/（memoryI/Oselect）：存储器、I/O端口选择控制信号。

　　信号指明当前CPU是选择访问存储器还是访问I/O端口。为高电平时，访问存储器，表示当前要进行CPU与存储器之间的数据传送。为低电平时，访问I/O端口，表示当前要进行CPU与I/O端口之间的数据传送。

⑵WR/（write）：写信号，输出，低电平有效。

　　信号有效时，表明CPU正在执行写总线周期，同时由信号决定是对存储器还是对I/O端口执行写操作。

⑶INTA/（interruptacknowledge）：可屏蔽中断响应信号，输出，低电平有效。

　　CPU通过信号对外设提出的可屏蔽中断请求做出响应。为低电平时，表示CPU已经响应外设的中断请求，即将执行中断服务程序。

⑷ALE（addresslockenable）：地址锁存允许信号，输出，高电平有效。

　　CPU利用ALE信号可以把AD15～AD0地址/数据、A19/S6～A16/S3地址/状态线上的地址信息锁存在地址锁存器中。

⑸DT/（datatransmitorreceive）：数据发送/接收信号，输出，三态。

　　DT/信号用来控制数据传送的方向。DT/为高电平时，CPU发送数据到存储器或I/O端口；DT/为低电平时，CPU接收来自存储器或I/O端口的数据。

⑹DEN/（dataenable）：数据允许控制信号，输出，三态，低电平有效。

　　信号用作总线收发器的选通控制信号。当为低电平时，表明CPU进行数据的读/写操作。

⑺HOLD（busholdrequest）：总线保持请求信号，输入，高电平有效。

　　在DMA数据传送方式中，由总线控制器8237A发出一个高电平有效的总线请求信号，通过HOLD引脚输入到CPU，请求CPU让出总线控制权。

⑻HLDA（holdacknowledge）：总线保持响应信号，输出，高电平有效。

　　HLDA是与HOLD配合使用的联络信号。在HLDA有效期间，HLDA引脚输出一个高电平有效的响应信号，同时总线将处于浮空状态，CPU让出对总线的控制权，将其交付给申请使用总线的8237A控制器使用，总线使用完后，会使HOLD信号变为低电平，CPU又重新获得对总线的控制权。

2、最大模式

用于实现多处理机系统，其中，8086CPU被称为主处理器，其他处理器被称为协处理器。在这种方式下，8086CPU不直接提供用于存储器或I/O读写的读写命令等控制信号，而是将当前要执行的传送操作类型编码为3个状态位输出，由总线控制器8288对状态信号进行译码产生相应控制信号。最大模式系统的特点是：总线控制逻辑由总线控制器8288产生和控制，即8288将主处理器的状态和信号转换成系统总线命令和控制信号。协处理器只是协助主处理器完成某些辅助工作，即被动的接受并执行来自主处理器的命令。和8086配套使用的协处理器有两个：一个是专用于数值计算的协处理器8087，另一个是专用于输入输出操作的协处理器8089。8087通过硬件实现高精度整数浮点数运算。8089有其自身的一套专门用于输入输出操作的命令系统，还可带局部存储器，可以直接为输入输出设备服务。增加协处理器，使得浮点运算和输入输出操作不再占用8086时间，从而大大提高了系统的运行效率。

当引脚接低电平时，CPU工作于最大模式。此时，引脚信号24～31的含义及其功能如下。

⑴S2，S1，S0（statussignals）：总线周期状态信号，输出，低电平有效。

⑵RQ/，GT/（request/grant）：总线请求允许信号输入/总线请求允许输出信号，双向，低电平有效。

　　该信号用以取代最小模式时的HOLD/HLDA两个信号的功能，是特意为多处理器系统而设计的。当系统中某一部件要求获得总线控制权时，就通过此信号线向8086CPU发出总线请求信号，若CPU响应总线请求，就通过同一引脚发回响应信号，允许总线请求，表明8086CPU已放弃对总线的控制权，将总线控制权交给提出总线请求的部件使用。RQ/GT0优先级高于RQ/GT1。

⑶LOCK/（lock）总线封锁信号，输出，低电平有效。

　　信号有效时，表示此时8086CPU不允许其他总线部件占用总线。

⑷QS1，QS0（queuestatus）：指令队列状态信号，输出。

　　QS1和QS0信号的组合可以指示总线接口部件BIU中指令队列的状态，以便其他处理器监视、跟踪指令队列的状态。

四、8086结构

总线接口单元（BIUbusinterfaceunit）

总线接口部件由下列各部分组成

⑴4个段地址寄存器：

　　CS（codesegment）——16位的代码段寄存器；

　　DS（datasegment）——16位的数据段寄存器；

　　ES（extrasegment）——16位的扩展段寄存器；

　　SS（stacksegment）——16位的堆栈段寄存器；

⑵16位的指令指针寄存器IP；

⑶20位的地址加法器；

⑷6字节的指令队列缓冲器。

执行单元

执行部件由下列几个部分组成：

⑴8个通用寄存器：即AX、BX、CX、DX，BP，SP，SI，DI；

其中，4个数据寄存器：AX、BX、CX、DX；

　　2个地址指针寄存器：BP（basepointer），SP（stackpointer）；

　　2个变址寄存器：SI（sourceindex），DI（destinationindex）［2］；

⑵标志寄存器FR（flagsregister）；

⑶算术逻辑单元ALU（arithmeticlogicunit）。

　　EU负责全部指令的执行，同时向BIU输出数据（操作结果），并对寄存器和标志寄存器进行管理。在ALU中进行16位运算，数据传送和处理均在EU控制下执行。

五、8086系统组成

8086是一种微处理器，再加上必须的支持芯片，如时钟发生器，地址锁存器，总线驱动器，存储器和I/O接口等，才能构成一台完整的微型计算机。根据外部设备的数量和系统复杂程度，8086可以选用两种系统构成模式，最小模式和最大模式。最小模式是单CPU系统，在这种系统中，8086的MN/MX引脚接高电平，系统全部的控制信号都直接由CPU提供。最大模式是多CPU系统，此时MN/MX引脚接低电平，必须通过8288总线控制器对CPU的状态信息进行译码才能产生系统必须的控制信号。

最小模式系统构成如图所示。这时8086的MN/MX引脚接至VCC，它直接产生存储器和I/O端口的读写命令，如IO/M，RD，WR，INTA，直接产生地址锁定信号ALE，控制数据收发器的控制信号DT/R，DEN.

1.地址锁存

8086的AD15~~AD0是地址/数据复用线，即CPU与存储器进行信息交换时，首先在T1状态，先由CPU送出访问存储单元的地址信息到AD15~~AD0上，随后又用在些线来传送数据所以在数据送上总线以前，必须先将地址锁存起来。可用8282或74LS373锁存8086的单向地址AD15~~AD0.图7-9中使用三片8282，这是因为8282只具有8位锁存功能，而8086具有20位地址和一根BHE信号。若系统存储器容量较小，使用不到20位地址信息，也可只用2片8282.图中OE端接地，使锁存器永远处于允许输出状态。引脚STB接8086的ALE输出。在总线周期T1状态，ALE上出现正脉冲，它的下降沿将8282输入端的地址信息存入锁存器，并由输出端送入地址总线。

2.双向数据总线驱动器

CPU可以直接将数据发送到数据总线上。而无需锁存。为了增加总线负载能力，CPU数据总线一般要加上驱动器，且要求双向驱动器，一般采用8位双向驱动器8286或74LS245.由于8086数据总线是16位的，所以要用2片8286.8286的Ai引脚接CPU的ADi，其Di引脚接到系统数据总线D1上，并将8086的DT/R接8286的T引脚，当DT/R为高电平時，数据从CPU发送到数据总线上.DT/R为低电平時，CPU从数据总线上接收数据.8286的OE脚接8086的DEN脚。当8086的DEN为低电平时，才允许数据输入或输出。

3.时钟发生器/驱动器

8086所需时钟脉冲CLK由8284提供.8284输出时钟CLK的频率，取决X1，X2跨接石英晶体的频率。除此以外，8284还向8086提供定时和宽度符合要求的RESET复位信号及符合要求的READY信号。

4.存储器部件

8086能直接寻址1MB存储空间。这个存储空间分为两个512KB存储体。一个存储體由奇地址单元组成，用于存储16数据的高字节，另一个存储体由偶地址单元组成，用于存储16位数据低字节。前者称为奇地址存储器，后者称为偶地址存储体。偶地址存储体的8位数据总线接CPU的数据总线D7~~D0，而奇地址存储体8位数据线接数据总线D15~~D8.地址线A19~~A1同时接到两个存储体，而A0作为偶地址选中信号即A0=0时，选中偶存储体.BHE作为奇地址片选信号，BHE=0时选中奇存储体。所以两个存储体可以同时读出或写入，也可单独选中一个存储体。

5.I/O端口

一个完整的微机系统必须有I/O设备.I/O设备都有端口地址号.CPU通过地址总线发出端口地址，经过端口地址译码器输出，送到端口的片选引脚而选定指定的端口.8086根据执行命令是访问存储器指令还是输入输出指令，来使M/IO控制信号是高电平或是低电平，以区分地址总线上的地址是访问存储器还是访问外设.

六、8086的内存管理

8086CPU有20为地址线，那么它能寻址的范围2²⁰B=1048576B=1024KB=1MB。但是在CPU内部的总线是十六位的，它是如何管理1M的空间的呢？秘密在BIU区域存在一个地址加法器，地址线经过这个加法器之后从16位变成了20位。那么这个过程是如何实现的呢？
CPU内部的数据总线和段寄存器都是16位的，用它们做地址寄存器只能寻址64KB单元，但是8086的实际物理地址有1MB，如何解决这个问题呢？采用分段技术。什么是分段技术？将1MB的内存空间分成若干段，每一段的第一个地址称为段首址，并且用段首址来表示这一段的内存地址。段首址必须要能被16整除，为什么呢？这样的话，段首址就可以用16位来保存，低4位全部为零，高16位可放在段寄存器中。
介绍几个概念：
逻辑地址：逻辑地址是一对，包括段首址和偏移地址，如代码段表示为CS：IP。
偏移地址：相对于段首址的偏移量，放在 IP 寄存器里面。
物理地址：实际的内存地址，用20bit表示。
段首址用段寄存器来表示，包括CS（代码段）、DS（数据段）、SS（堆栈段）和ES（附加段）。偏移地址用 IP 来表示。如上图所示。
举个例子：如果一个内存地址（物理地址）为：2304AH，段首址为2304H。那么逻辑地址为：2304H：000AH。这一段内存的实际长度可以用偏移量表示，大小为0000H ~ FFFFH，也就是64KB。

那么逻辑地址是如何变成物理地址呢？这也就是前言中提到的问题。公式如下：
物理地址 = 对应寄存器 * 10H + 段内偏移量

还是刚刚那个例子，2304H * 10H = 23040H
23040H + 0000AH = 2304AH
结论

地址加法器就是进行这样一个运算：物理地址 = 对应寄存器 * 10H + 段内偏移量
对应寄存器指的是：CS、DS、SS、ES 寄存器里面的值，段内偏移量指的是IP寄存器里面的值。如此16的CPU可以寻址1MB的内存空间。