(微机原理与接口技术)第2章CPU结构与功能.ppt

　　80X86微处理器系列是美国Intel公司从20世纪70年代开始研制的微处理器系列的总称。8086是Intel系列微处理器中具有代表性的高性能 16 位微处理器，后续推出的各种微处理器均保持与其兼容。8086 微处理器采用HMOS工艺技术制造，外型封装为双列直插式，有40个引脚。图2.1所示为一款8086处理器的实物图。80X86系列微处理器的主时钟频率有4.77 MHz、5 MHz、8 MHz和10 MHz几种。 　　8086微处理器内部采用16位数据通路和流水线结构，从而允许其在总线空闲时预取指令，使取指令与执行指令实现了并行操作。8086有20位地址线，可直接寻址的空间达1 MB。格式灵活、功能完善的指令系统不仅为程序设计带来方便，而且可对多种数据类型进行处理。8086支持多处理器系统，可方便地与协处理器8087和I/O处理器8089相连，组成多处理器系统，大大提高了系统的数据处理能力。本节将对8086微处理器的内部结构、最小系统、外围电路等内容进行介绍。 2.1.1 8086微处理器的内部结构　　Intel 8086微处理器属于第三代微处理器，具有20条地址线和16条数据总线，内部总线和ALU(Arithmetic Logic Unit)均为16位，可进行8位和16位操作，除去逻辑上多出8位地址线外，与8088完全相同。8086微处理器采用不同于第二代微处理器(8080、Z80)的一种全新结构形式，由两个独立的单元组成，一个称为总线端口单元(Bus Interface Unit，BIU)，另一个称为执行单元(Execution Unit，EU)，其功能框图如图2.2所示。图中，虚线右半部分是BIU，左半部分是EU。两者并行操作，提高了CPU的运行效率。 　　1. 执行单元(EU)　　EU的功能是执行指令，即负责全部指令的译码和执行，同时管理CPU内部的有关寄存器。EU由一个16位的算术逻辑运算单元(ALU)、16位的标志寄存器(实际仅用9位)、八个16位的寄存器以及数据暂存器和EU控制器等组成。　　1) 算术逻辑运算单元　　ALU是一个16位的运算器，可用于8位或16位二进制算术运算或逻辑运算，运算结果可通过片内总线送到通用寄存器或标志寄存器，还可经BIU写入存储器。16位的暂存器用来暂存参加运算的操作数。 　　2) 标志寄存器　　标志寄存器也叫程序状态字(PSW)寄存器，简称状态寄存器。标志寄存器的作用是存放ALU运算后的结果特征或机器运行状态，长16位，实际使用了9位。　　3) 通用寄存器组　　通用寄存器包含八个16位的寄存器，按功能分为两组。一组包括AX、BX、CX和DX四个寄存器，称为通用数据寄存器，用来存放操作数或地址。其中，AX又称为累加器。另一组包括DI、SI、SP和BP四个寄存器，每个寄存器分别有各自的专门用途，故称为专用寄存器。其中，SI称为源变址寄存器；DI称为目的变址寄存器；SP称为堆栈指示器，即堆栈指针；BP为对堆栈操作的基址指示器，BP 中存放的是堆栈段中某一存储单元的偏移地址。 　　4) ?EU控制器　　EU控制器的作用是从BIU的指令队列中取指令，并对指令进行译码，根据指令要求向EU内部各部件发出相应的控制命令，以完成每条指令所规定的功能。因此，它相当于传统计算机CPU中的控制器。EU的工作就是执行指令，并不直接与外部发生联系，而是从BIU的指令队列中源源不断地获取指令并执行，省去了访问存储器取指令的时间，提高了CPU的利用率和整个系统的运行速度。如果在指令执行过程中需要访问存储器或需要从I/O端口取操作数，则EU向BIU发出操作请求，并将访问地址(有效地址 EA)送给BIU，由BIU从外部取回操作数送给EU。 　　当遇到转移指令、调用指令和返回指令时，EU要等待BIU将指令队列中预取的指令清除，并按目标地址从存储器取出指令送入指令队列后，EU才能继续执行指令。这时，EU和BIU的并行操作显然要受到一定的影响，这是采用并行操作方式不可避免的，但只要转移指令、调用指令出现的概率不是很高，EU和BIU间既相互配合又相互独立工作的工作方式仍将大大提高CPU的工作效率。 　　2. 总线端口单元(BIU)　　BIU是8086微处理器在存储器和I/O设备之间的端口部件，负责对全部引脚的操作，即8086对存储器和I/O设备的所有操作都是由BIU完成的。所有对外部总线的操作都必须有正确的地址和适当的控制信号，BIU中的各部件主要是围绕这个目标设计的。BIU提供了16位双向数据总线、20位地址总线和若干条控制总线，其具体任务是：负责从内存单元中预取指令，并将其送到指令队列缓冲器暂存。 　　CPU执行指令时，BIU根据指令的寻址方式通过地址加法器形成指令在存储器中的物理地址，然后