8086 CPU的工作模式
• 最小工作模式用于单机系统，系统中所有总线控制信号全 部由8086直接提供，因此系统中的总线控制电路可减到最 少；最大工作模式用于多处理机系统，8086 CPU作为主处 理器，其它的处理器为协处理器，协助主处理器工作。在 最大工作模式下，系统所需要的控制信号均由总线控制器 8288提供。 8086最小模式下的总线控制信号由CPU直接产 生，用于总线控制的信号是HOLD（总线请求信号，输入 ）、HLDA（总线响应信号，输出）。 • 8086具体工作在最大模式还是最小模式，完全由硬件连接 决定。当将CPU的第33号引脚MN/ 接＋5V时，8086工作 在最小模式，当MN/ 接地时，8086工作在最大模式。
8086 CPU引脚及功能
8086系统时钟与指令周期
• 每条指令的解释执行过程包括取指令和执行指令两个步骤， CPU取一条指令并执行这条指令，都要完成一系列的操作， 这一系列操作所需要的时间通常叫做一个指令周期。由于各 种指令的操作功能不同，因此各种指令的指令周期是不尽相 同的。对应指令执行的三个阶段，指令周期一般分为：取指 周期、取操作数周期和执行周期三个部分。 （1）取指周期 • 取指周期是取出某条指令所需的时间。在取指周期中CPU主 要完成两个操作：1）按程序计数器PC的内容取指令；2）形 成后继指令的地址。 取指周期 = （指令的长度 / 存储字的长度）× 主存的读/写周 期
8086寄存器结构
通用寄存器
• 数据寄存器 数据寄存器包括AX、BX、CX、DX等4个16位寄存器， 主要用来保存算术、逻辑运算的操作数、中间结果和地址 。它们既可以作为16位寄存器使用，也可以将每个寄存器 高字节和低字节分开作为两个独立的8位寄存器使用。而8 位寄存器（AL、BL、CL、DL、AH、BH、CH、DH）只 能用于存放数据。 • 地址指针和变址寄存器 地址指针和变址寄存器组包括堆栈指针 SP、堆栈基址寄 存器 指针BP以及变址寄存器 指针SI和DI等4个16位寄存器 。它们主要是用来存放或指示操作数的偏移地址。
时钟及时钟发生器
• 8086 CPU由外部的一片8284芯片提供主频为5MHZ的时钟信 号。8284A是Intel公司专为8086设计的时钟信号发生器，能 产生8086所需的系统时钟信号（主频），可采用石英晶体或 TTL脉冲发生器作振荡源。8284A除提供恒定时钟信号外， 还对外界输入的就绪信号RDY和复位信号RES进行同步。 • 根据不同的振荡源，8284A有两种不同的连接方法：一种是 用脉冲发生器作振荡源，此时，将脉冲发生器的输出端与 8284A的EFI端相连，并且8284A的 F / C 端接高电平；另一 种方法是用晶体振荡器作为振荡源，此时，将晶体振荡器 接在8284A的X1和X2两端，并且8284A的 F / C 接低电平（ 地）。
BIU和EU的动作管理
• 取指令 BIU从内存取指令，并送到指令队列。取指令时的地址由 代码段寄存器CS中的16位段基址的最低位后补4个0，再与 指令指针IP中的16位偏移地址在地址加法器中相加得到20 位物理地址。然后通过总线控制逻辑发出存储器读命令， 从而启动存储器，从存储器中取出指令并送入指令队列供 EU执行。
BIU和EU的动作管理
• 取操作数或存结果 在EU执行指令过程中需要取操作数或存结果时，先向BIU 发出请求，并提供操作数的有效地址，BIU将根据EU的请 求和提供的有效地址，形成20位的物理地址并执行一个总 线周期去访问存储器或I/O端口，从指定存储单元或I/O端 口取出操作数送交EU使用或将结果存入指定的存储单元 或I/O端口。如果BIU已准备好取指令同时又收到EU的申 请，BIU先完成取指令的操作，然后进行操作数的读写。 当EU执行转移、调用和返回指令时，BIU先自动清除指令 队列，再按EU提供的新地址取指令。BIU新取得的第一条 指令将直接送到EU中去执行。然后，BIU将随后取得的指 令重新填入指令队列。
微处理器原理与应用
8086微处理器系统结构
主讲：王鹏伟 章节：1 ~ 4章 学时：21学时 Email：wangpw@
8086 CPU结构
• 8086 CPU是Intel系列的16位微处理器，它采用HMOS工艺 制造，双列直插，有40个引脚。8086 CPU的电源为单一的 5V，主时钟频率为5MHz～10MHz。它的外部数据总线为 16位，地址线为20根。因为可用20位地址，所以可寻址的 地址空间达1MB。 • 8086 CPU内部采用了并行流水线结构，可以提高CPU的利 用率和处理速度。8086 CPU被设计为支持多处理器系统， 因此能方便地与数值协处理器8087或其他协处理器相连， 构成多处理器系统，从而提高系统的数据处理能力
执行部件EU
• 算术逻辑单元ALU: ALU完成16位或8位的二进制数的算术逻 辑运算，绝大部分指令的执行都由ALU完成。在运算时数据 先传送至16位的暂存寄存器中，经ALU处理后，运算结果可 通过内部总线送入通用寄存器或由BIU存入存储器。 • 标志寄存器FR：它用来反映CPU最近一次运算结果的状态特 征或存放控制标志。FR为16位，其中7位未用。 • 通用寄存器组：它包括4个数据寄存器AX、BX、CX、DX， 其中AX又称累加器，4个专用寄存器，即基址指示器BP、堆 栈指示器SP、源变址寄存器SI和目的变址寄存器DI。 • EU控制器：它接收从BIU中指令队列取来的指令，经过指令 译码形成各种定时控制信号，向EU内各功能部件发送相应的 控制命令，以完成每条指令所规定的操作。
地址指针和变址寄存器
• 堆栈指针SP中存放的是当前堆栈段中栈顶的偏移地址。堆栈操作指令 PUSH和POP就是从SP中得到操作数的段内偏移地址的。 • BP是访问堆栈时的基址寄存器。BP中存放的是堆栈中某一存储单元 的偏移地址，SP、BP通常和SS联用。 • SI和DI称为变址寄存器。它们通常与DS联用，为程序访问当前数据段 提供操作数的段内偏移地址。SI和DI除作为一般的变址寄存器外，在 串操作指令中SI规定用作存放源操作数(即源串)的偏移地址，称为源 变址寄存器；DI规定用作存放目的操作数(目的串)的偏移地址，故称 之为目的变址寄存器，二者不能混用。由于串操作指令规定源字符串 必须位于当前数据段DS中，目的串必须位于附加段ES中，所以SI和 DI中的内容分别是当前数据段和当前附加段中某一存储单元的偏移地 址。 • 当SI、DI和BP不作指示器和变址寄存器使用时，也可将它们当作一般 数据寄存器使用，存放操作数或运算结果。
8086物理地址的形成
8086物理地址的形成
• 对于取指操作，是将当前CS中的内容左移4位(相当乘16) 再加上IP的内容，形成20位指令地址；存取数据操作，是 将当前数据段寄存器DS中的段基址左移4位，再与16位偏 移地址EA相加，形成20位的物理地址；对于压栈和弹栈 操作，是将当前堆栈段寄存器SS中的段基址左移4位，再 与SP相加，形成20位的物理地址；在对目的串操作时，是 以当前附加段寄存器ES中的段基址左移4位，再与DI相加 以形成20位的物理地址。 • 8086还允许部分改变基本段约定，如存取数据的基本段为 数据段，但可临时改变为代码段、或附加段、或堆栈段， 即数据不仅可在数据段，还可在代码段、附加段和堆栈段 中。这种情况称为段超越。
8086 CPU中通用寄存器的特殊用途和隐含性质
8086物理地址的形成
• 8086 CPU可直接寻址lMB的内存空间。直接寻址时需要20 位地址码，而所有的内部寄存器，包括段寄存器，都是16 位的，用它们作地址寄存器，只能直接寻址64KB单元。 因此，在8086 CPU中采用了存储空间分段技术来解决这一 矛盾。将lMB的存储空间分成若干个逻辑段，每段最大长 度为64KB。这些逻辑段可在整个lMB存储空间内浮动，但 是段的起始地址必须能被16整除。这样对于20位的段起始 地址，其低4位为0，可暂时先忽略，而只有高16位是有效 数字，可存放于16位的寄存器中。在形成20位物理地址时 ，段寄存器中的16位数会自动左移4位，然后与16位偏移 量相加 。
隐含寻址
• 8个16位通用寄存器在一般情况下都具有通用性。但是， 为了缩短指令代码的长度，某些通用寄存器又规定了专门 的用途。隐含寻址就是在指令中隐含地使用了一些通用寄 存器，而这些通用寄存器不直接在指令中表现出来 。 • 例如，在字符串处理指令中约定必须用CX作为计数器存 放串的长度。这样指令中就不必给出CX寄存器名，缩短 了指令长度，简化了指令的书写形式，这种使用方法称为 “隐含寻址”。
总线接口部件BIU
• 偏移地址表示离段起始地址之间的距离，用字节数表示。 如偏移地址=0064H,表示该地址距离段起始地址有100个字 节，偏移地址为0就表示该地址为段起始地址。 • 由段基址（段寄存器的内容）和偏移地址两部分构成了存 储器的逻辑地址，如CS:IP=3000:2000H， CS:IP=0200:1020H等，都是逻辑地址。 • 20位物理地址加法器：加法器用于将逻辑地址变换成读／ 写存储器所需的20位物理地址，即完成地址加法操作。方 法是将某一段寄存器的内容（代表段基址）左移4位（相 当乘16）再加上16位偏移地址以形成20位物理地址。 • 6字节的指令队列：当执行单元EU正在执行指令中，且不 需要占用总线时，BIU会自动进行预取下一条或几条指令 的操作，并按先后次序存入指令队列中排队，由EU按顺 序取来执行。 • 总线控制逻辑：总线控制逻辑用于产生并发出总线控制信 号，以实现对存储器和输入输出端口的读／写控制。
8086处理器的结构
• 控制器用来控制程序和数据的输入/输出，以及各部件之 间的协调运行，运算器用来进行算术运算和逻辑运算，并 保存中间运算结果，寄存器组则用来临时存放信息，其信 息或为要处理的数据，或为内存中获取某数据的地址。
Intel 8086的内部结构框图
总线接口部件BIU
• BIU是CPU与外部存储器及输入输出的接口，负责与存储 器和输入输出系统进行数据交换。 BIU由下列各部分组成： • 4个16位段地址寄存器，即代码段寄存器CS，数据段寄存 器DS，附加段寄存器ES和堆栈段寄存器SS，它们分别用 于存放当前代码段、数据段、附加段和堆栈段的段基址。 • 段基址表示20位段起始地址的高16位，段起始地址的低4 位固定是0。 • 16位指令指针IP：IP用于存放下一条要执行指令的有效地 址EA(即偏移地址)，IP的内容由BIU自动修改，通常是进 行加1修改。当执行转移指令、调用指令时，BI若干个CPU周期数来表示，CPU周期也称为 机器周期。由于CPU内部的操作速度较快，而CPU访问一次 内存所花的时间较长，因此通常用内存中读取一个指令字的 最短时间来规定CPU周期。也就是说，一条指令的取出阶段 （通常称为取指）需要一个CPU周期时间。而一个CPU周期 时间又包含有若干个时钟周期（通常称为节拍脉冲或T周期， 它是处理操作的最基本单位）。时钟周期是CPU的时间基准 ，由计算机的主时钟脉冲决定，执行每条指令和每个总线周 期的一系列操作都是在时钟脉冲的同步下进行的。这些时钟 周期的总和则规定了一个CPU周期的时间宽度。 • 在执行指令的过程中，CPU要占用系统总线访问内存或外部 设备，以便从内存或外设接口中读取指令或指令所需的操作 数。CPU占用一次系统总线，进行信息的输入输出所需要的 时间称为总线周期。