第 4章 16 位微处理器

4.1 16 位微处理器概述微处理器 (microprocessor) 是微型计算机的运算及控制部件，也称为中央处理单元 (CPU) 。通常微处理器由算术逻辑部件 (ALU) 、控制部件、寄存器组和片内总线等组成。见下图。

第 4章 16 位微处理器

内部数据总线

控制总线

数据总线

地址总线

暂存器 累加器

ALU

标志寄存器

指令寄存

指令译码

时序和

控制逻辑

通 用寄存器组

地 址寄存器组

地址总线控制数据总线控制

4.1 16 位微处理器概述1971 年， Intel 公司设计了世界上第一个微处理器芯片 Intel4004，开创了一个全新的计算机时代。微处理器经历了许多代，集成度越来越高，功能越来越强，性能越来越高。第 1代： 4位和低档 8位微机

4004→4040→8008第 2代：中高档 8位微机

Z80 、 I8085 、 M6800 ， Apple-II微机第 3代： 16 位微机

8086→8088→80286 ， IBM PC系列机第 4代： 32 位微机

80386→80486→Pentium→Pentium II →Pentium III →Pentium 432 位 PC 机、 Macintosh 机、 PS/2 机

第 5代： 64 位微机Itanium、 64位 RISC 微处理器芯片微机服务器、工程工作站、图形工作站

第 4章 16 位微处理器

第 4章 16 位微处理器Intel4004 和采用 4004 的计算器

IBM PC 系列机

8088CPU

IBM PC 机

IBM PC/AT 机

IBM PC/XT 机

英特尔微处理器芯片

80386

Pentium

Pentium 4

4.1 16 位微处理器概述本章介绍 16位微处理器 8086/8088 的内部结构和工作原理。8086 和 8088 CPU 的内部基本相同，但它们的外部性能是有区别的。 8086 是 16 位数据总线，而 8088 是 8位数据总线，在处理一个 16位数据字时， 8088 需要两步操作，而 8086 只需要一步。8086 和 8088 CPU 的内部都采用 16位字进行操作及存储器寻址，两者的软件完全兼容，程序的执行也完全相同。然而，由于 8088 要比 8086 有较多的外部存储操作，所以，对于相同的程序，它将执行得较慢。这两种微处理器都采用相同的 40脚双列直插式 (DIP) 封装。4.2 8086/8088 CPU 的结构8086/8088 CPU 从功能上可分为两部分，即总线接口部件 BIU(bus interface unit, 缩写为 BIU) 和执行部件 EU(execution unit, 缩写为 EU). 8086/8088 CPU 的内部结构如下图所示：

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8088 的内部结构

1 2 3 4

内部暂存器 IP ES

SS DS CS

输入 / 输出控制电路

外部总线

执行部分控制电路

∑

ALU

标志寄存器

AH AL BH BLCH CL

DH DL SP BP SI DI

通用寄存器

地址加法器

指令队列

执行部件 （ EU) 总线接口部件 （ BIU)

16 位

20 位

8 位

8 位

第 4章 16 位微处理器4.2.1 执行部件执行部件 EU的功能就是负责指令的执行，对指令进行译码，并利用内部的寄存器和 ALU 对数据进行所需的处理。执行部件 EU有下列部分组成：•4 个通用寄存器，即 AX BX CX DX;•4 个专用寄存器，即基数指针寄存器 BP、堆栈指针寄存器 SP、源变址寄存器 SI、目的变址寄存器 DI;•标志寄存器；•算术逻辑单元。说明：•4 个通用寄存器既可以作为 16位寄存器使用，也可以作为 8位寄存器使用。•AX 寄存器也称为累加器。许多指令都是利用累加器来执行的。•算术逻辑部件主要是加法器，绝大部分指令的执行都是由加法器完成的。•标志寄存器共有 16位，其中 7位未用，格式如下表所示，各位的含义见课本 75页表4-1

第 4章 16 位微处理器根据功能， 8086/8088 的标志可以分为两类：一类叫状态标志，另一类叫控制标志。状态标志表示前面的操作执行后， ALU 处于何种状态，该状态会影响后面的操作；控制标志是人为设置的，指令系统中有专门的指令用于控制标志的设置和清除，每个控制标志都对某一特定的功能起控制作用。状态标志有 6个，即 SF、 ZF、 PF、 CF、 AF、 OF。•SF：符号标志，和运算结果的最高位相同，表示运算结果是正还是负。•ZF：零标志，表示当前的运算结果是否为零，是则为 1，否则为 0。•PF：奇 /偶标志，如运算结果低 8位中所含的 1的个数为偶数，则为 1，否则 0•CF：进位标志，当执行一个加法运算使最高位产生进位时，或者执行一个减法运算引起最高位产生借位时， CF为 1，此外，循环指令也会影响这一标志。•AF：辅助进位标志，如果当进行加法运算时，第三位向第四位进位，或者进行减法运算时，第三位从第四位借位，则 AF为 1。辅助进位标志一般在 BCD码运算中作为是否进行十进制调整的判断依据。•OF：溢出标志，运算结果产生溢出则为 1，否则为 0。例题：

0010 0011 0100 01010011 0010 0001 10010101 0101 0101 1110

0101 0100 0011 10010100 0101 0110 10101001 1001 1010 0011

SF=0,ZF=0,PF=0,CF=0,AF=0,OF=0

SF=1,ZF=0,PF=1,CF=0,AF=1,OF=1

+ +

第 4章 16 位微处理器控制标志有 3个，即 DF、 IF、 TF。•DF：方向标志，控制串操作指令。如果 DF=0 ，则串操作过程中地址会不断增值；如果 DF=1 ，则串操作过程中地址会不断减值；•IF：中断标志，控制可屏蔽中断。如果 IF=0 ，则 CPU不能对可屏蔽中断请求作出响应；如果 IF=1 ，则 CPU 可以响应可屏蔽中断请求。•TF：跟踪标志，如果 TF=1 ，则 CPU按跟踪方式执行指令。这些控制标志一旦设置之后，便对后面的操作产生控制作用。4.2.2 总线接口部件 BIU总线接口部件的功能是负责与存储器、 I/O 端口传送数据。具体讲，总线接口部件要从内存取指令送到指令队列； CPU 执行指令时，总线接口部件要配合执行部件从指定的内存单元或外设端口中取数据，将数据传送给执行部件，或者把执行部件的操作结果传送到指定的内存单元或外设端口中。总线接口部件由下列个部分组成：•4 个段地址寄存器，即 CS、 DS 、 ES 、 SS ；•16 位的指令指针寄存器 IP;•20 位的地址加法器；•6 字节的指令队列；

第 4章 16 位微处理器说明：•8086 的指令队列为 6个字节， 8088 的指令队列为 4个字节。取指过程和指令执行过程重叠进行。•地址加法器用来根据 16位寄存器提供的信息计算出 20 位的物理地址。 8086可用 20 位地址寻址 1M字节的内存空间。总线接口部件和执行部件的动作管理：•每当 8086 的指令队列中有 2个空字节或 8088 的指令队列中有 1个空字节时，总线接口部件就会自动把指令取到指令队列中。•每当执行部件准备执行一条指令时，它会从总线接口部件的指令队列前部取出指令的代码，然后用几个时钟周期去执行指令。在执行指令的过程中，如果必须访问存储器或者 I/O设备，那么 EU 就会请求 BIU 进入总线周期去完成访问存储器或者 I/O设备的操作；如果此时 BIU正好处于空闲状态，就会立即响应 EU 的总线请求，如果此时 BIU正在进行取指令操作，那么 BIU首先完成取指令操作，然后再去响应 EU发出的访问总线的请求。•当指令队列已满，而且 EU 对 BIU又没有总线访问请求时， BIU便进入空闲状态•在执行转移指令、调用指令和返回指令时，下面要执行的指令就不是顺序排列的那条指令了，这时指令队列中已经装入的字节就没有用了。此时，指令队列中的原有内容被自动清除， BIU会接着往指令队列中装入另一个程序段中的指令。

第 4章 16 位微处理器4.2.3 存储器结构8086/8088系统中存储器按字节编址，可寻址的存储器空间为 1MB 。

第 4章 16 位微处理器4.2.3 存储器结构存储器的分段：8086/8088系统把 1M 存储空间分成若干个逻辑段，每个逻辑段容量≤ 64KB。逻辑段可以在存储空间中浮动，段与段之间可以重叠。16 字节的存储空间称为 1节，要求各个逻辑段从节的整数边界开始，即段首地址低 4位是 0，因此就把段首地址的高 16位称为“段基址”，存放在段寄存器中，段内的“偏移地址” 放在 IP或 SP 中。存储器中的逻辑地址和物理地址：逻辑地址：由段基址和偏移地址构成， 16位。物理地址：实际地址、绝对地址， 20位。程序用逻辑地址编址，而不是用物理地址。逻辑地址到物理地址的转换 ( 由 BIU 中的地址加法器实现 ) ：

物理地址 = 段基址×16+ 段内偏移地址例如： CS=2000H,IP=2200H,则物理地址 =22200H4 个段寄存器分别指向 4 个现行可寻址的分段的起始字节单元。一般指令程序存放在代码段中，段地址来源于代码段寄存器，偏移地址来源于指令指针 IP。当涉及到一个堆栈操作时，段地址寄存器为 SS，偏移地址来源于栈指针寄存器 SP。当涉及到一个操作数时，则 DS或 ES 作为段寄存器，而偏移地址为 16位偏移量，该偏移量取决于指令的寻址方式。

8088 的指令执行过程

习题一、填空题1 、 8086/8088CPU 内部结构按功能分为两部分，即 和 。2 、 CPU 中的总线接口部件 BIU ，根据执行部件 EU 的要求，完成与 或 的数据传送。3 、 8086 中的 BIU 由 个 位段寄存器、一个 位指令指针、 字节指令队列、 位地址加法器和 控制电路组成。4、 8086/8088 的执行部件 EU由 个通用寄存器、 个专用寄存器、一个标志寄存器和 等构成。5、根据功能不同， 8086 的标志位可分为 标志和 标志。6 、物理地址是指实际的 位主存单元地址，每个存储单元对应唯一的物理地址，其范围是————。7、 8086/8088 的状态标志有 个，控制标志有 个。

二、是非判断题

1 、 8086/8088 标志寄存器共有 16位，每一位都有含义。（ ）

2 、 8086/8088 的逻辑段不允许段的重叠和交叉。（ ）

3 、 8086/8088 的数据总线都是 16位。（ ）

4 、执行转移、调用和返回指令时，指令队列中的原内容不会被清除。（ ）

5 、 8086与 8088 在软件上不一定完全兼容。（ ）