80x86/ Pentium微机原理及接口技术

1. 计算机基础... 1

1.1常用术语... 1

1.2计算机中数与编码的表示方法... 1

1.2.1进制表示及进制转换... 1

1.2.2有符号数表示... 1

1.2.3编码表示... 2

2. 80x86及Pentium微处理器... 2

2.1 8086/8088微处理器的内部结构与工作原理... 2

2.1.1执行单元EU.. 3

2.1.2总线接口单元BIU.. 4

2.2 8086/8088的内部寄存器... 5

80x86/ Pentium微机原理及接口技术

1. 计算机基础

1.1常用术语

(1) 位(bit)：每一位只有两种状态0或1。计算机能表示的最小数据单位。

(2) 字节(Byte)：8位二进制数为一个字节。计算机基本存储单元内容用字节表示。

(3) 字(Word)：PC常将2个字节定义为一个字，一个字为16位二进制数。微处理器内部数据传输、处理基本单位。

(4) 指令：由0和1组成的代码。让微处理器进行某种操作的命令。

(5) 指令系统：一台计算机能识别的全部指令。

(6) 程序：为了使计算机完成某种工作而编制的一系列指令。

(7) 存储器：存储数据和程序。可以把存储器看成很多存储单元，每个存储单元存8位二进制编码(1字节)。存储单元编号称为存储地址。

(8) 存储容量单位：1B=8bit；1KB=1024B=1024×8bit；1MB=1024KB；

1.2计算机中数与编码的表示方法

1.2.1进制表示及进制转换

(1) 10进制数：123.45D=1×10²+2×10¹+3×10⁰+4×10^-1+5×10^-2

(2) 2进制数：1010.101B=1×2³+0×2²+1×2¹+0×2⁰+1×2^-1+0×2^-2+1×2^-3=10.875D

(3) 16进制数：A2.F3H=10×16¹+2×16⁰+15×16^-1+3×16^-2=163.03125D

(4) 10进制转2进制：整数部分除2取余，直到商为0。余数从下往上写。小数部分乘2取整，直到满足精度要求。整数从上往下写。

(5) 2进制转16进制：从右到左每4位转换成对应的16进制数。10-15用A-F表示。

1.2.2有符号数表示

问题：计算机是如何处理有符号数的?

将符号数值化，2进制数最高位定义为符号位，0表示+，1表示-。

(1) 真值：现实中的数字（2进制）必须有+/-。

(2) 原码：最高位为符号位（0表示+，1表示-），其余位均为数值位的二进制数。

(3) 反码：正数反码和原码相同，负数反码=原码符号位不变，其他各位取反。

(4) 补码：正数补码和原码相同，负数补码=原码中符号位不变，其他各位取反后+1。

(5) 运算规则：[X]_原=[[X]_补]_补；[X]_原=[[X]_反]_反；[X±Y]_补=[X]_补±[Y]_补=[X]_补+[±Y]_补

1.2.3编码表示

(1) 非压缩型BCD码：1个字节表示1位10进制数，高4位清0。00000001 00000001表示11

(2) 压缩性BCD码：1个字节表示2位10进制数。00010001表示11

(3) ASCII码：用7位2进制数对字符进行编码，共有2⁷=128个字符。

2. 80x86及Pentium微处理器

2.1 8086/8088微处理器的内部结构与工作原理

图2-1 8086/8088CPU内部结构图

8086/8088微处理器内部分为执行单元EU和总线接口单元BIU两部分。

执行单元负责完成指令的执行工作，总线接口单元负责完成预取指令和数据传输工作。可以实现流水作业，在执行指令的同时取下一条指令。

2.1.1执行单元EU

EU包括：1个运算器，8个16位通用寄存器（4个数据寄存器，4个指针寄存器），1个16位标志寄存器FR，16位内部数据总线等。

(1) 运算器：完成8位或16位运算工作。

(2) 16位内部数据总线：用于微处理器内部各部分间数据传送，位数决定了微处理器的位数。

(3) 4个数据寄存器：AX、BX、CX、DX，存放参与运算的数据或运算结果。每一个数据寄存器都是16位，可以将高低8位作为2个独立的8位寄存器使用。高8位分别为AH、BH、CH、DH，低8位分别为AL、BL、CL、DL。

AX：累加器。

BX：基址寄存器。

CX：计数寄存器。

DX：数据寄存器。

(4) 4个指针寄存器：

SP：堆栈指针寄存器。

BP：基址指针寄存器。

SI：源变址寄存器。

DI：目标变址寄存器。

(5) 标志寄存器FR（状态控制寄存器）：

反应运算结果的状态或控制某种状态。

图2-2标志寄存器FR

16位FR中有9位有效位；

6位为状态位：

CF：进位状态位

AF：辅助进位状态位

SF：符号状态位

PF：奇偶状态位

ZF：零状态位

OF：溢出状态位

3位为控制位：

IF：中断允许标志

DF：方向标志

TF：陷阱标志，用于单步操作

2.1.2总线接口单元BIU

BIU包括：1个20位地址加法器，4个16位段寄存器，1个16位指令指针寄存器IP，1个4/6字节指令队列和总线控制逻辑等。

(1) 4个段寄存器：存放当前段的16位段基值。微处理器要访问某个单元，必须将该单元所在段的段基值存到段寄存器里，使其成为当前段。

CS：代码段寄存器，常用于存程序代码段的段基址，只能读出，不能通过指令赋值。

SS：堆栈段寄存器

DS：数据段寄存器

ES：附加数据段寄存器

(2) 指令指针寄存器IP：存放指令的偏移地址。

专为微处理器使用，不能通过指令进行访问。

当微处理器从代码段CS和指令指针寄存器IP所决定的内存单元中取出一个字节或一个字指令代码后，IP自动加1或加2，指向下字节或字的指令代码。

(3) 指令队列：与CPU速度匹配的高速缓存器，用以支持流水线工作。

(4) 20位地址加法器：通过20位地址加法器可自动完成由16位描述的逻辑地址转换成20位的物理地址。

逻辑地址：8086/8088微处理器采用存储器分段描述方法，将整个存储区划分成很多段，每个存储单元均处于某个段中，每个单元可以用两个参数描述：段基址、偏移量，指令中书写格式为段基址：偏移量，称为逻辑地址。

物理地址：16位段寄存器里面的段基值左移4位（乘以16），再与16位偏移量相加，形成20位物理地址。

8086/8088微处理器有20根外部地址线，但内部总线、内部寄存器只有16位，通过20位地址加法器，将逻辑地址变成物理地址，从而描述存储器单元的20位地址。

2.2 8086/8088的内部寄存器

一共有14个16位寄存器：

4个段寄存器：存放当前段的16位段基值。微处理器要访问某个单元，必须将该单元所在段的段基值存到段寄存器里，使其成为当前段。

4个数据寄存器：AX、BX、CX、DX，存放参与运算的数据或运算结果。每一个数据寄存器都是16位，可以将高低8位作为2个独立的8位寄存器使用。

4个指针寄存器：SP：堆栈指针寄存器。BP：基址指针寄存器。SI：源变址寄存器。DI：目标变址寄存器。

1个指令指针寄存器IP：存放指令的偏移地址。

1个标志寄存器FR（状态控制寄存器）：反应运算结果的状态或控制某种状态。

2.3工作模式与引脚

图2-3 8086/8088引脚分配

引脚分配图说明：内部标注的引脚是8088与8086定义不同的引脚。括号内为最大工作模式下的引脚定义。

8086和8088CPU主要特点：

	8088	8086
相同点	内部数据总线为16位，寄存器和指令系统完全兼容
不同点	外部数据总线为8位	外部数据总线为16位
	指令队列缓存器为4字节	指令队列缓存器为6字节
	无控制线	有控制线
	存储器和IO选择控制线为/M	存储器和IO选择控制线为M/

(1) 最小工作模式：构成单位处理器的简单系统，全部信号线均由8086/8088CPU提供，引脚MN/接+5V。

(2) 最大工作模式：构成多处理器的复杂系统。系统中除有一个主微处理器8086/8088外，还有两个协处理器：8087(用于数值运算处理)，8089(用于输入输出设备服务)，部分控制信号线是由8288总线控制器提供的，引脚MN/接地。

(3) 8086/8088为40引脚双列直插式DIP芯片。部分引脚采用复用技术，包括分时复用(某一时刻提供一种信息，另一些时刻提供另外一些信息)，分状态复用(输入输出定义不同、高电平低电平定义不同、不同模式下定义不同)等。

主要引脚：

AD₀~AD₁₅：地址/数据分时复用线

A₁₆/S₃~A₁₉/S₆：地址/状态分时复用线

MN/：最小工作模式/最大工作模式控制信号

ALE：地址锁存允许信号，三态输出线。

：高8位数据总线允许/状态分时复用线，三态输出。

RESET：复位信号，输入线，高电平有效。使处理器马上结束当前操作，对处理器内部寄存器进行初始化。复位后除了内部寄存器CS=FFFFH，其他寄存器及指令队列均被清零。

$\overline{RD}$ ：读控制信号，三态输出线，低电平有效。

$\overline{WR}$ ：写控制信号，三态输出线，低电平有效。

M/ $\overline{IO}$ ：存储器/IO接口控制线，三态输出。高电平表示CPU与存储器进行数据传输，此时由20位地址线状态确定数据在存储器中的位置。低电平表示CPU与I/O接口进行数据传输，此时只有16位地址线有效。

$\overline{RD}$ 、 $\overline{WR}$ 、M/ $\overline{IO}$ 的不同组合可产生CPU对存储器单元或I/O接口进行读或写的控制信号。

图2-4 8086/8088对存储器或I/O操作信号

2.4存储器组织

2.4.1实模式下存储器组织

(1) 所有数据以字节形式存放在存储单元中，每一个单元均占一个地址，任何两个相邻字节构成一个字，占两个地址。80x86用地址值较小的那个字节单元地址作为这个字单元地址。

(2) 一个16位字中低8位数据存在较小地址单元中，高8位数据存在地址较高单元中。

图2-5单元地址的描述

2.4.2存储器分段管理

(1) 在软件中8086/8088对存储器采用分段描述的方法，将整个存储区划成很多段，每一段大小可各不相同，但均≤64KB。如下图2-6所示，各段之间可以紧密连接(a)，部分或完全重叠(c)，也可以不相关(b)。

图2-6 8086/8088内存分段管理

(2) 8086/8088所管理的存储器，所有数据以字节形式存放在存储单元中，每个单元均有一个唯一的20位地址，称为物理地址。每一个存储单元一定处于某个段中，且距该段的起始单元有一个偏移量，如下图2-7所示。指令中描述为段基值：偏移量，称为逻辑地址。通过20位地址加法器可自动完成由16位描述的逻辑地址转换成20位的物理地址。偏移量以字节数计算。

图2-7 物理地址和逻辑地址

(3) 8086/8088微处理器对每个存储单元的描述，一种是20位的物理地址，在地址总线上；一种是由两个16位参数描述的逻辑地址，在指令中。物理地址唯一，逻辑地址不唯一。

(4) 分段方法进行存储器组织的优点：可以使指令系统中大部分指令只涉及16位地址，减少了指令长度，提高运行程序的速度。8086存储空间高达1M，但在程序执行过程中，只在一个较小存储空间运行，段寄存器的值很少改变。

2.4.3奇偶存储器结构

8086有16个外部数据总线，为了使8086既可以传输8位数据，又可传输16位数据，8086的存储器采用奇偶两个存储体结构。两块存储体分别用和A₀控制，两存储体可同时传输数据，达到传输16位数据的目的，也可以只对某一块存储体传输8位数据。

在总线周期的T1时刻引脚输出为低电平时，表示当前高8位数据总线D₁₅~D₈上数据有效。A₀引脚输出低电平，则低8位数据线传送数据。

图2-8奇偶存储体结构

当操作字时，对于偶地址字，在一个读/写周期内，低8位数据线传送低字节，高8位数据线传送高字节，此时A₀=0、=0，如下图2-9中(3)所示。对于奇地址字必须由两个读/写周期完成，第1个周期低8位数据线空闲，高8位数据线传输数据的低字节，此时A₀=1、=0，第2个周期低8位数据线传送数据的高字节，高8位数据线空闲，此时A₀=0、=1，如下图2-9中(4)所示。

当操作字节时，若该字节地址为偶数，则在读/写操作周期中，低8位数据线传输数据，高8位数据线空闲，此时A₀=0、=1；若该字节地址为奇数，则在读/写操作周期中，高8位数据线传输数据，低8位数据线空闲，此时A₀=1、=0。

图2-9 8086存储器传输特点

2.5堆栈组织

(1) 8086/8088的堆栈组织：

堆栈是一个特定的存储区，在内存中开辟一块存储区，专门用来存数据，一端是固定的，一端是活动的，所有的信息存取都在活动的一端进行。栈指针始终指向堆栈的顶部，操作原则是后进先出。

8086/8088微机的堆栈是按字组织的，每次在堆栈中存取数据均是两个字节的操作，数据的高8位存于地址较高单元，低8位存于地址较低单元。

如图2-10所示，堆栈是由堆栈段寄存器SS指定的一段存储区，由SP作为栈指针指向栈顶，即指向存放数据的最小字地址单元。堆栈段可以有一个或多个，每一个堆栈的容量≤64，如果更换堆栈区，应重新设置SS，而且更换SS内容时要紧接着赋给SP新值。

图2-10 8086/8088堆栈组织

(2) 8086/8088的堆栈操作：栈区操作为16位数据操作且默认通过SS:SP访问。

设置栈区：使用栈区之前设置SS和SP的初值，栈区的容量(长度)。

进栈操作：PUSH src；进栈时指针SP先减2，再把1个字压入栈区。SP $\leftarrow$ SP-2、SS:[SP] $\leftarrow$ 低字节、SS:[SP+1] $\leftarrow$ 高字节。

出栈操作：POP dest；出栈时栈顶中的字先出栈，然后指针SP加2。低字节 $\leftarrow$ SS:[SP]、高字节 $\leftarrow$ SS:[SP+1] 、SP $\leftarrow$ SP+2。

(3) 堆栈操作用途：

堆栈可以作为缓冲器，暂存一些希望运行时不被破坏的参数；调用子程序或中断过程发生时，用堆栈保护断点及现场参数。在子程序返回或中断返回时弹出断点及现场参数，使主程序继续工作；可以利用堆栈实现数据交换。

2.6时序

图2-11时钟周期、总线周期、指令周期

处理器的周期状态可分为时钟周期、总线周期、指令周期。

(1) 时钟周期是两个脉冲信号的前沿之间的间隔，用T表示。取决于系统主频，是处理器完成一个微操作所需的时间，也是处理器的基本时间计量单位。

(2) 总线周期是处理器完成一个基本操作所用的时间。总线读或写操作的周期由4个时钟周期组成。总线周期包括：存储器写总线周期、存储器读总线周期、I/O接口写总线周期、I/O接口读总线周期、中断响应周期、DMA响应周期、复位周期等。

(3) 指令周期是处理器执行一条指令所需的时间。