【微机原理笔记】第 2 章 - 微处理器与总线

微机原理笔记 - 主页

第 2 章 微处理器与总线

1. 微处理器概述

（1）程序的执行过程

• CPU 的功能：取指令、翻译、取操作数、执行和保存结果。
  • 内存的重要性：执行操作的来源
  • 自动运行的核心：程序控制寄存器 IP
  • 总线的宽度：对计算机的速度有影响

（2）微处理器（CPU）的基本组成：运算器、控制器和寄存器。

（3）8066 和 8088 的区别

• 8086 总线宽度为 16 位，8088 总线宽度为 8 位（数据总线）。

2. 8088微处理器

（1）8086 / 8088 CPU的内部结构 （考点）

• 执行单元 EU

  • 基本构成： 算数逻辑单元（ALU）、8 个通用寄存器、1 个标志寄存器和 EU 控制电路。
  • 功能：翻译、执行并临时保存结果。

• 总线接口单元 BIU

  • 基本构成： 20 位的地址加法器、5 个专用寄存器、1 个指令队列和总线接口控制电路。
  • 功能：取指令、取操作数并保存结果。

  流水线的功能 （考点）：

  【区别】8086 是 6 个字节，8088 是 4 个字节。

  1、两个以上字节空，自动启动取指令（取指令为 FIFO 即先进先出结构）。

  2、EU 不和外界打交道，只在指令队列取指令。

  3、预取指令队列（指令队列不是固定的），有跳转指令时会更新。

（2）8086 CPU 的寄存器结构

• 8086 CPU 内部有 14 个 16 位寄存器：通用寄存器（8）、段寄存器（4）和控制寄存器（2）。

  • 通用寄存器

    AX	BX	CX	DX
    累加器	基址寄存器	计数器	数据寄存器

    SI	DI	SP	BP
    源寄存器	目的寄存器	堆栈指针	基址指针

  • 专用寄存器

    CS	DS	SS	ES	IP	FR
    代码段	数据段	堆栈段	扩展段	指令指针	标志位寄存器

• 标志寄存器 FR： 16 位只用其中 9 位，包括 6 个状态标志和 3 个控制标志。

状态标志位： CF 、PF 、AF 、ZF 、SF 、OF

• OF： 溢出标志位。当算数运算超出带符号数的范围，即溢出时 OF = 1 ，否则 OF = 0 。
• SF： 符号标志位。当运算结果的最高位为 1 时即负数。
• ZF： 零标志位。当运算结果为零时 ZF = 1 ，否则 ZF = 0 。
• AF： 辅助进位标志。在加（减）法操作中，如果 D₃ 向 D₄ 有进位（借位），则 AF = 1，否则 AF = 0。
• PF： 奇偶标志位。当运算结果的低 8 位中 1 的个数为偶数时 PF = 1 ，为奇数时 PF = 0 。
• CF： 进位标志。当进行加（减）运算时，若最高位向前有进（错）位，则 CF = 1 ，否则 CF = 0 。

控制标志位： TF 、IF 、DF

标志位记忆方法（一般不用 TF）：

奥（OF）迪（DF / IF）死（SF）砸（ZF）P（PF）C（CF）

一般考试会考 O S Z A P C 的状态：

eg.

上面操作完后的标志位状态为：

• OF(1)： 带符号数的最高位由 0 变为 1 即从正变成负，所以溢出了。
• SF(1)： 运算结果最高位为 1 即负数。
• ZA(0)： 结果不为零。
• AF(1)： D₃ 到 D₄ 有进位情况。
• PF(1)： 低 8 位中 1 的个数为 4 即偶数。
• CF(0)： 最高位没有进位，如果是带符号数就有进位了。

（3）改标志位

CLI/STI： 改 IF

CLD/STD： 改 DF

CLC/STC： 改 CF

3. 8088 系统的存储器

（1）编码数

位数	8	16	20
码数	256 (28)	65536 (216)	1024K (210 * 210 = 1M)

（2）储存器的配置

• 8086 / 8088 特点：1 M 内存 ，地址范围为 00000H - FFFFFH 。

• 默认为高地址高字节，即小端模式。

  大端法： 最高有效字节放在低地址。

  小端法： 最低有效字节放在低地址。

  字节顺序依赖于机器的类型，小端法一般用的较多，下列是一个十六进制值为 0x1234567 的例子：

• 地址总线 16 位，内存空间为 64 KB ；地址总线 20 位，内存空间为 2²⁰ 个单元，即 1 MB 。

地址段的首地址，最后一位为 0H 。

段首址： 段的首地址，最后一位为 0H 。

段基址： 段首址的最高 4 位 H 。

段首址和段基址是等价的。

逻辑地址 = 段基址 ： 偏移地址

物理地址（考点） = 段基址 × 16 + 段内偏移 = 段首址 + 偏移地址

eg. 逻辑地址 3A00H : 12FBH 对应的物理地址是 3BFBH 。

最小段为 16 B（例如 XXX10H 和 XXX20H 之间就相差了 16 B），**最大段 **为 64 KB ，并且段是可以重叠的，故逻辑地址不唯一。

注意：

（1）64 KB = 2⁶ KB = 2¹⁶ B（16 位有 16 个二进制数表示，其中最小为0000 0000 0000 0000,最大为1111 1111 1111 1111）

（2）1 KB = 1024 字节也就是 Bytes(B) ，1 Byte = 8 bit

（3）64 KB = 65536 比特

（4）段寄存器的使用

• 代码段（程序段）—— CS : IP
• 数据段 —— DS : BX ，DI ，SI
• 堆栈段 —— SS : SP ，BP

eg. 若 CS = 8000H，则当前代码段可寻址的储存空间范围是 80000H ~ 8FFFFH 。

因为段基址 8000H 转换成段首址要乘以 16 即十六进制左移 1 位，得到 80000H 。又因为最大段为 64 KB 即 2¹⁶ B ，所以最大填满段首址的低 4 位即 8FFFFH 。

8086/8088 的启动单元：0FFFF0H

（5）堆栈 - 特殊储存区

SP 初值指向栈底，向上生成。

eg. 若已知 SS = 1000H ，SP = 2000H ，则堆栈的段首地址为 10000H ，栈顶地址（初值在栈底）为 12000H 。将数据 1234H 压入堆栈后，1234H 所在的内存单元的地址为 11FFEH 。

专门指令操作：

• PUSH： SP - 2

• POP： SP + 2

  SP 始终指向栈顶

对字操作： FIFO结构（先进后出）

4. 管脚和总线

（1）8088 总线

总线要包含片选信号，以及三态门装置。

储存单元是用地址访问的。

总线的分类：

• 地址总线： 20 条 —— 单向
• 数据总线： 16 条（8086）、8 条（8088）—— 双向
• 控制总线： #RD ，#WR ，IO/#M 至少 3 条（有些地方会写成等价的 4 条，#MEMR ，#MEMW ，#IOR ，#IOW）

8086 和 8088 的区别总结 （考点）：

（1）数据总线 8086 是 16 条，8088 是 8 条。

（2）流水线 8086 是 6 个字节，8088 是 4 个字节。

（3）8086 的 IO 高低电平相反，IO 是低电平，高电平是 M 即 #IO/M 。而 8088 是 IO/#M 。

（2）8088 的管脚功能

8088 的管脚解复用技术：

• 第一周期： ALE 下降沿所存地址信号形成稳定的地址总线。
• 第二周期： #DEN，DT/#R 控制形成稳定的数据总线。

主要控制状态线：

• IO/#M： 输出。指出当前访问存储器还是访问I/O。注意8086是M/#IO。
• #WR： 输出。写命令信号。
• #RD： 输出。读命令信号。
• ALE： 输出。高电平表示AB地址有效；此信号在T1状态有效。
• #DEN： 输出。低电平时表示DB上的数据有效。
• DT/#R： 输出。数据传送方向。
• READY ： 输入。准备就绪信号。由外部输入；用于解决CPU与慢速存储器或I/O电路的同步问题。

（3）最小系统

在最小系统中，还需加入：

• 8284（时钟发生器）： 1 片
• 8282（地址的锁存器）： 3 片
• 8286（数据的缓冲器即收发器）： 1 片（8088）/ 2 片（8086）

5. 8086/8088 CPU 工作时序

（1）基本概念

• 时钟周期： 若 8086/8088 的主频为 5 MHZ ，一个时钟周期为200 ns 。
• 总线周期（机器周期）： CPU 完成对储存器或 I/O 一次访问所需的时间。
• 指令周期： 执行一条指令需要的时间。
• 空闲周期（Ti）： 微处理器 BIU 空闲时，总线上插入的时间。
• 等待周期（Tw）： 总线周期内，储存器或 I/O 没有准备好数据时插入的时间。

（2）基本时序

典型的总线周期：一个总线周期一般由四个 T 组成。T1 ：输出地址，T2 及 T3：传送数据。

指令周期大概在两个微秒：10 * 200 ns = 2 us

• 存储器读时序

  • 第 1 周期： ALE 下降沿锁存地址。
  • 第 2 周期： #DEN ，#RD 有效。
  • 第 3 周期： 检测 ready 信号是否有效，若发现其为低，则在T3周期结束后，插入一个 Tw（等待周期） 状态。以后在每个 Tw 周期的前沿采样 READY 线，只有在发现它为高电平时，才在这个 Tw 结束后进入T4周期。
  • 第 4 周期： #DEN ,#RD 无效。

• 存储器写时序

  其写时序与读时序的区别是，写时序没有 ready 即没有等待周期，数据发出快。