微机原理 第二章：微处理器及其体系结构

微机原理
专业课
发布日期:   2020-12-16
更新日期:   2021-09-19
文章字数:   2.3k
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微机原理 第二章：微处理器及其体系结构

2.1 微处理器的主要性能指标

字长

计算机一次所能处理的数据的位数（8位机、16位机）

  • 字长决定了PC机的运算能力和运算精度；
  • 字长由CPU数据总线的条数决定；
  • 字长决定了通用寄存器、运算器和内部缓冲器的位数。

运算速度

  • 基本指令的执行时间；
  • CPU主频的大小决定的运算速度的大小。

访存空间

  • 微处理器所能访问的存储单元数（存储容量）；
  • 存储单元数由地址总线条数决定。

2.2 8086微处理器

2.2.1 8086内部结构

8086CPU内部从功能上看有两个独立的工作部件：

这样可以使取指令和执行指令同时进行，提高运算速度。

①. 执行部件EU（Execution Unit）：
作用：负责指令的执行，不与外部总线打交道。

②. 总线接口部件BIU（Bus Interface Unit）
作用：和总线打交道，根据EU的请求，执行CPU对存储器或I/O接口的总线操作，完成数据传送。

8086CPU内部功能结构框图

2.2.2 8086寄存器结构

（13个16位寄存器，1个16位状态标志寄存器）

允许各逻辑段在整个存储空间浮动，段与段之间可以是连续的，也可以是分开的或重叠的

8个通用寄存器

数据寄存器

数据寄存器特有的习惯用法：

AX（Accumulator）

①. 在I/O指令中：

输入指令：
长格式：IN AX,PORT；短格式：IN AX,DX

输出指令：
长格式：OUT PORT,AX；短格式：OUT DX,AX

②. 在乘法类指令MUL和IMUL中：

MUL  BL    ;AL中和BL中的8位数相乘，乘积放在AX中
IMUL BX    ;AX与BX中的16位带符号数相乘，结果放在DX和AX中

③. 在除法指令中，除数为8位时，被除数固定放在AX中；除数为16位时，被除数的低位固定放在AX中（高位DX），商放在AX中；

DIV CL    ;被除数放在AX中
IDIV CX    ;被除数放在DX、AX中

AH

①. 在DOS功能调用中，将功能号置给AH

MOV AH,4CH
INT 21H    ;返回DOS

②. 在除法指令中，除数是8位时，运算得到的余数在AH中

DIV CL    ;实现(AX)/(CL),所得商在AL中,余数在AH中

AL

①. 在I/O指令中：

输入指令：
长格式：IN AL,PORT；短格式：IN AL,DX
输出指令：
长格式：OUT PORT,AL；短格式：OUT DX,AL

②. 在加法调整指令DAA和AAA中，加数的和必须放在AL中才能进行调整；

③. 在乘法指令中，如果是两个8位数相乘，一个操作数隐含在固定的AL中；

MUL  BL    ;AL中和BL中的8位数相乘，乘积放在AX中

④. 在除法指令中，除数是8位时，运算得到的商在AL中

DIV CL    ;实现(AX)/(CL),所得商在AL中,余数在AH中

⑤. DOS功能键盘输入一个字符，送入的字符放在AL中

串搜索指令、存字符串指令、取字符串指令都是默认的要处理的数据所在位置为AL（AX）。

BX（Base）

①. 进行存储器时，作为基址寄存器。

CX（Count）

①. 串操作时，存放重复前缀的循环次数

    MOV CX,100
REP MOVS AREA2,AREA1    ;重复传送直到(CX)=0为止

②. 在循环控制指令中，必须以CX作为计数器

LOOP GOON
相当于：
DEC CX
JNZ GOON

CL

①. 在移位和循环移位指令中，存放执行一次指令移动的位数n：

SAL AX,CL    ;将AX中的内容左移n位，n是CL中的内容
ROR BYTE PTR[DI],CL    ;(CL)=8,则(DI)所指内存的内容不含进位右移8位

DX（Data）

①. 在使用短格式I/O指令时，应先将端口地址赋给DX：

MOV DX,02F0H
IN  AX,DX  ;端口输入
MOV DX,02F1H
OUT DX,AX  ;端口输出

②. 在乘法指令中，若是字相乘，则结果的高位放在DX中；

MUL BX ;AX与BX中的16位带符号数相乘，结果放在DX和AX中

③. 在除法指令中，当除数是16位时，被除数的高位放在DX中（低位AX），余数放在DX中；

DIV CX    ;被除数放在DX、AX中

④. 在DOS功能中，字符串输入或输出时，字符串的首地址均存放在DS:DX中

DL

①. DOS功能中，输出字符的ASCII码要先存入DL中

MOV AH,02H
MOV DL,'X'
INT 21H

指针寄存器

SP（Stack Pointer）：堆栈指针寄存器，存放栈顶的偏移地址；
BP（Base Pointer）：基址指针寄存器，用于在访问内存时存放内存单元的偏移地址。

变址寄存器

SI（Source Index）：源变址寄存器，存放源操作数的偏移地址；
DI（Destination Index）：目标变址寄存器，存放目标操作数的偏移地址。

4个段寄存器

用于存放逻辑段的段基地址。

指令指针寄存器IP

16位

其内容为下一条要执行的指令的偏移地址，引导程序顺序执行。

程序员不能直接读写！！！

状态标志寄存器F

6个状态标志位：

①. 进位标志CF（Carry Flag）：若CF=1，则表示结果的最高位上产生了一个进位或借位;
②. 辅助进位标志AF（Auxiliary Carry Flag）：辅助位表示低4位有无进位或借位;
③. 奇偶标志PF（Parity Flag）：PF=1 运算结果1的个数为偶数；PF=0 运算结果1的个数为奇数;
④. 溢出标志OF（Overflow Flag）：对带符号数的算数运算是否产生了算术溢出;用$OF=Cs\bigoplus Cp=$（最高位是否有进位$\bigoplus$次高位是否有进位）来检验是否有溢出;
⑤. 零标志位ZF（Zero Flag）：ZF=1 运算结果为0；ZF=0 运算结果不为0;
⑥. 符号标志位SF（Sign Flag）：SF=1 负；SF=0 正。

CF可用来表示无符号位的溢出；OF用来表示有符号位的溢出。

3个控制标志位：

①. 方向标志DF（Direction Flag）：控制数据串操作指令的步进方向。DF=1 减址方；DF=0 增址方式;
②. 中断允许标志IF（Interrupt Enable Flag）：对可屏蔽中断：IF=1 开中断；IF=0 关中断;
③. 陷阱标志TF（Trap Flag）：TF=1 单步执行，以检查程序；TF=0 连续正常执行。

2.2.3 8086的存储器组织

8086CPU的内存地址空间为 1MB

8086的存储格式

实际地址和逻辑地址

逻辑地址：产生实际地址用到的两个地址（段首址：偏移地址）
实际地址：CPU和存储器进行数据交换时使用的地址

实际地址唯一，逻辑地址不唯一；一个实际地址可以对应多个逻辑地址。

堆栈

堆栈：在内存中开辟的暂时存放数值数据和地址数据的一段存储区（堆栈段），“先进后出“，16bit~64KB
8086堆栈操作：入栈PUSH和出栈POP，均为16字操作，在栈顶进行。
在堆栈中存取数据的地址由SS和SP规定：SS存放堆栈段首址，SP存放栈顶的偏移地址。

压栈是先压高字节，后压低字节。

2.2.5 8086时钟周期和总线周期

时钟周期：CPU的基本定时单位，由主频决定，是CPU的时间基准；
总线周期：CPU读或写一次存储器或I/O端口所需的时间；8086一个最基本的总线周期由4个时钟周期组成。

一个最基本的读或写周期包含4个T状态，有可能在T3和T4中间插入一个或几个等待状态Tw。

2.2.7 I/O端口组织

端口号（端口地址）：为每个I/O端口分配的地址，具有唯一性。

微机I/O端口有两种编址方式：
①. 统一编址（存储器映像编址的I/O）
I/O端口地址置于存储器空间中，和存储单元统一编址。
②. 独立编址
I/O和存储器使用同一地址，使用指令M/IO加以区分，地址利用率高，8086即为此种端口编址方式。

凡是设有专门输入指令IN和输出指令OUT的CPU对I/O端口都进行独立编址。

独立编址采用20条地址总线中的16条（A0-15）地址线对端口地址进行编址，端口地址不分段，所以不需要采用段寄存器。

8086端口地址仍为20位，高四位为0

文章作者: Mat Jenin
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