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微型计算机原理及应用学习笔记 8086微处理器的内

整理编辑: 山东自考网

发布时间:2018-05-23 12:28:39

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一、总线结构
一个微型计算机的结构图如图2-l所示。它由微处理器、内存储器和I/O接口电路组成,采用总线结构来实现同外部世界的信息传送。总线是微处理器、内存储器和I/O 接口之间相互交换信息的公共通路。总线由数据总线、地址总线和控制总线组成。数据总线是双向总线。地址总线是单向总线,只能从微处理器向外传送。控制总线是微处理器向内存储器和I/O接口传送命令信号以及外界向微处理器传送状态信号等信息的通路。
从图2-1可见,总线是微型计算机各组成部分之间信息传输的公共通路,总线结构也影响到微处理器的内部结构。

图2-1  微型计算机结构图
二、执行部件和总线接口部件
在8位微处理器中,取指令,分析操作码,读操作数(如指令需要),执行指令,写结果等步骤大部分是一个接一个串行地完成的。为了提高程序的执行速度,充分利用总线,8086微处理器被设计为两个独立的功能部件:执行部件和总线接口部件,如图2-2所示。
 
图2-2  8086微处理器的基本框图
(一)总线接口部件BIU(Bus Interface Unit)
总线接口部件由段寄存器、指令指针、地址形成逻辑、总线控制逻辑和指令队列等组成。BIU负责从内存指定区域取出指令送到指令队列中排队,执行指令时所需要的操作数(内存操作数和I/O操作数)也由BIU从相应的内存区域或 I/O 端口取出,传送给执行部件EU。指令执行的结果如果需要存入内存的话,也由BIU 写入相应的内存区域。总之,BIU同外部总线连接为EU完成所有的总线操作,并形成20位的内存物理地址。                                                                             
(二)执行部件 EU(Execution Unit)
执行部件由通用寄存器、标志寄存器,算术逻辑部件(ALU)和EU控制系统等组成。EU从BIU的指令队列中获得指令,然后执行该指令,完成指令所规定的操作。EU用来对寄存器内容和指令操作数进行算术和逻辑运算,以及进行内存有效地址的计算。EU负责全部指令的执行,向BIU提供数据和所需访问的内存或 I/O 端口的地址,并对通用寄存器、标志寄存器和指令操作数进行管理。
由于EU和BIU这两个功能部件能相互独立地工作,并在大多数情况下,能使大部分的取指令和执行指令重叠进行,大大减少等待取指令所需的时间,提高了微处理器的利用率和整个系统的执行速度。这种取指令和执行指令的重叠过程如图2-3所示。
 
 
 
 
 
 
  
图2-3  取指令和执行指令的重叠进行
(三)8088与8086的区别
Intel8088微处理器内部采用16位结构,实质上与8086基本上是相同的,其内部的功能部件EU与8086一样,而BIU略有区别。第一,8086的指令队列是6字节长,而8088的指令队列为4字节长;第二,8086是真正的16位机,同BIU相连的8086总线中数据总线是16位总线,而8088是准16位,同BIU相连的8088总线中数据总线为8位总线。
三、8086的编程结构
对8086的程序员而言 掌握其编程结构——寄存器结构是至关重要的。在8086微处理器中可供程序员使用的有14个16位寄存器如图2.4所示(标志寄存器见图2-5)。这14个寄存器按其用途还分为通用寄存器、指令指针、标志寄存器和段寄存器四类。
 
图2-4  8086的内部寄存器
(一)通用寄存器
8个通用寄存器,可分为‘数据寄存器’以及‘指针寄存器和变址寄存器’两组。
1. 数据寄存器
有4个:累加器AX(Accumulator)、基址寄存器BX(Base)、计数寄存器CX(Count)和数据寄存器DX(Data)。其特点是,这4个16位寄存器可分为高8位(AH、BH、CH和DH)与低8位(AL、BL、CL和DL),两组8位寄存器可分别寻址、独立操作。这样,可以将数据寄存器作为一个16位寄存器进行操作,也可用作两个8位寄存器。
2. 指针寄存器和变址寄存器
它们是:堆栈指针寄存器SP(Stack Pointer)、基址指针寄存器BP(Base Pointer)、源变址寄存器 SI(Source Index)和目的变址寄存器 DI(Destination Index)。这4个16位寄存器主要用来形成操作数的地址,其中SP、BP用于堆栈操作,SP用来确定欲读写堆栈的地址,BP用来存放在现行堆栈段的一个数据区的“基地址”。SI、DI用于变址操作,存放变址地址。这4个寄存器也可用作数据寄存器。
(二)指令指针IP(Instruction Pointer)
指令指针IP是一个16位专用寄存器,它指向当前需要取出的指令字节,当BIU从内存中取出一个指令字节后,IP就自动加1,指向下一指令字节。注意,IP指向的是指令地址的段内地址偏移量,又称偏移地址(Offset Address)或有效地址(EA,Effective Address)。
程序员不能对IP进行存取操作,程序中的转移指令、返回指令以及中断处理能对IP进行操作。
(三)标志寄存器FR(Flag Register)
8086有一个16位的标志寄存器FR,如图2-5所示。
图2-5  8086的标志寄存器
其中有意义的有9位, 6位是状态位,3位是控制位,简述如下。
1. 状态位
(1)进位标志CF(Carry Flag)。反映算术运算后,最高位(字节操作为D7位,字操作为D15位)出现进位(或借位)的情况,有则为“1”。
(2)奇偶(校验)标志 PF(Parity Flag)。反映操作结果中“l”的个数的情况,若为偶数,PF置“1”(注意,只考虑低8位)。
(3)辅助进位标志 AF(Auxiliary Carry Flag)。反映一个8位量(或 16位量的低位字节)的低4位向高位(即D3向D4)有无进位(或借位)的情况,有则置“1”,AF用于BCD码算术运算指令。
(4)零标志 ZF(Zero Flag)。反映运算结果是否为零的情况,结果为零,ZF置“1”。
(5)符号标志 SF(Sign Flag)。反映带符号数运算结果符号位的情况,结果为负数,SF置“1”,SF取值与运算结果的最高位(字节操作为D7,字操作为D15)取值一致。
(6)溢出标志OF(Over Flag)。反映带符号数(以二进制补码表示)运算结果是否超过机器所能表示的数值范围的情况,对字节运算为-128~+127,对字运算为-32768~+32767。若超过上述范围,称为“溢出”,OF置“1”。
注意:“溢出”与“进位”是两种不同的概念,某次运算结果有‘溢出’不一定有“进位”;反之有“进位”也不一定有“溢出”。
上述6个状态标志由执行部件EU设置,反映算术或逻辑运算结果的某些特征,这些状态标志常用来影响或控制某些后续指令(例如,条件转移指令、循环指令等)的执行。
2.控制位
(1)方向标志 DF(Direction Flag)。在进行字符串操作时,每执行一条串操作指令,对源或(与)目的操作数的地址要进行一次调整(对字节操作为加1或减1,对字操作为加2或减2),由DF决定地址是递增还是递减。若DF=“l” 为递减,即从高地址向低地址进行,DF“0”为递增。
(2)中断允许标志位IF(Interrupt Enable Flag)。表示系统是否允许响应外部的可屏蔽中断,若IF=1,表示允许响应。IF对不可屏蔽中断请求以及内部中断不起作用。
(3)陷阱标志位TF(Trap Flag)。当 TF=“1”时,微处理器每执行完一条指令便自动产生一个内部中断,转去执行一个中断服务程序,称为“单步工作方式”, 常用于程序的调试。
上述3个控制标志用来控制微处理器的某些操作,可以由指令来设置。
(四)段寄存器(SEGMENT  REGISTER)
在微机系统的内存中,通常存放着三类信息,即
(1)代码(指令)---指示微处理器执行何种操作;
(2)数据(字符、数值)---程序处理的对象;
(3)堆栈信息---被保存的返回地址和中间结果。
在8086系统中,这三类信息通常分别存放在各自的内存区域中--8086存储系统中的不同存储段。
8086系统中把可直接寻址的1M 字节内存空间分为称作“段”的逻辑区域,每个段的物理长度为64K字节,而段的起始地址由称为“段寄存器”的4个16位寄存器决定,这4个段寄存器为:
(1)代码段寄存器CS(Code Segment),指向当前的代码段,指令由此段中取出;
(2)堆栈段寄存器 SS(Stack Segment),指向当前的堆栈段,堆栈操作的对象就是该段中存储单元的内容;
(3)数据段寄存器 DS(Data Segment),指向当前的数据段,通常用来存放程序变量(存储器操作数);
(4)附加段寄存器 ES(Extra Segment),指向当前的附加段,通常也用来存放数据。
8086利用上述段寄存器的内容,通过适当转换可以访问这4个存储段--代码段、堆栈段、数据段和附加段。
四、8086系统中的存储器组织及物理地址的形成
(一)存储器组织
8086微处理器有20条地址线,可以配置1M字节(1048576字节)的内存储器,地址编号为00000H~FFFFFH。存储空间都按8位字节进行组织,每个存储单元存储一个字节数据,若存放“字”数据(16位),则存放在相邻两个存储单元中,高字节存放在高地址单元、低字节存放在低地址单元(W=BHBL),如图2-6所示。
                            图2-6    “字”数据存放情况
如果不考虑数据存取的速度,则指令、字节数据和字数据可以自由地存放在内存的任何字节地址中,而不必考虑 “对准”问题,因此代码可以紧凑地存放在存储器中,从而节省了存储空间。至于“对准”问题,将在第五章中讨论。
(二)存储器分段
 1.为什么要分段
因为8086微处理器内部数据通路和寄存器皆为 16位,内部 ALU只能进行16位运算,在程序中也只能使用16位地址,寻址范围局限在216=65536(64K)字节,为了能寻址1M字节地址,所以要引入“分段”概念。
2.分段
8086程序把1M字节的存储空间看成为一组存储段,各段的功能由具体用途而定,分别为代码段、堆栈段、数据段和附加段。一个存储段是存储器的一个逻辑单位,其长度可达64K字节,每个段都由连续的存储单元构成,并是存储器中独立的、可分别寻址的单位。对段起始地址的要求是:最好能被16整除(起始地址为X X X X0H)。段寄存器中存放了与段起始地址有关的16位“段基值”(Segment Base),一旦 4个段寄存器的内容确定后,程序就可访问4个段中的任一存储单元。
3. 物理地址与逻辑地址
(1)在具有地址变换机构的计算机中,有两种存储器地址,一种是允许在程序中编排的地址--逻辑地址(Logical Address);另一种是信息在存储器中实际存放的地址--物理地址(Physical Address)。在 8086系统中每个存储单元也有两种地址。
(2)8086系统中,8086微处理器与内存储器之间所有信息交换都要使用20位的物理地址。而在程序中所涉及的地址都是16位的逻辑地址。对给定的任一存储单元而言有两部分逻辑地址:“段基值”——决定该段第一个字节的位置; “段内偏移量”(Offset)--该存储单元相对于该段起始单元的距离。
“段基值”存放在段寄存器(CS、SS、DS和ES)中,而“段内偏移量”由SP、BP、SI 、DI、IP、BX以及上述寄存器的组合而形成。
(3)物理地址的生成。
存储单元的20位物理地址是通过将16位的“段基值”左移4位再加上16位 “段内偏移量 ”(又称 “偏移地址”)而生成的,如图2-7所示。
图2-7  物理地址的形成
1)当取指令时,8086会自动选择 CS值作为段基值,再加上由IP提供之偏移量形成物理地址;
2)当涉及堆栈操作时,8086会自动选择SS值作为段基值,再加上由SP提供之偏移量形成物理地址;
3)当涉及一个操作数(存储器操作数)时,8086会自动选择DS值作为段基值,再加上16位偏移量形成物理地址;这16位的位移量可以来自①指令中提供的直接地址——16位的位移量;②某一个16 地址寄存器之值2;③指令中的位移量加上16位地址寄存器之值。
 4)ES用于串操作指令中的数据块传送指令。
总之,8086系统中逻辑地址的来源可归纳如表2-2所示

2-2                逻辑地址的来源

操作类型

隐含的段基值

可替换的段基值

偏移地址

取指令

CS

IP

堆栈操作

SS

SP

BP用作基地址寄存器

SS

CS、DS、ES

EA

通用数据读写

DS

CS、ES、SS

EA

字符串操作(源地址)

DS

CS、ES、SS

SI

字符串操作(目的地址)

ES

 

DI

  注:EA (Effective Address)为有效地址,反映操作数的段内偏移地址。


 

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