微机原理与接口技术(二)

第二章 8088/8086微处理器

特点：

采用并行流水线工作方式——通过设置指令预取队列实现
对内存空间实行分段管理——将内存分为4个阶段并设置地址段寄存器，以实现对1MB空间的寻址
支持协处理器

8088/8086 CPU的两种工作模式

8088/8086CPU可工作于两种模式下：最小模式、最大模式
最小模式为单处理器模式，所有控制信号由微处理器产生
最大模式为多处理器模式，部分控制信号由外部总线控制器产生
- 用于包含协处理器的情况下

最小模式下的总线连接示意图

见图14

最大模式下的总线连接示意图

见图15

两种工作模式的选中方式

8088是工作在最小还是最大模式由MN/MX引线的状态决定。(MX有上横杠，表示低电平有效)
- MN/MX-0——工作于最大模式
- MN/MX-1——工作于最小模式

8088的主要引线及内部结构

8088 CPU最小模式下的主要引脚信号

8088最小模式下的主要引脚信号→4组
- 完成一次访问内存或接口所需要的主要信号
- 与外部同步控制信号
- 中断请求和响应信号
- 总线保持和影响信号

见图10

微处理器读取一条指令的控制过程

发出读取数据所在的目标地址（地址信号）
- 内存储器单元地址
- I/O接口地址
发出读控制信号（控制信号）
送出传输的数据（数据信号）

8088 CPU最小模式下的主要引脚信号

地址线和数据线：
- AD₀—AD₇：低8位地址和低8位数据信号分时复用。在传送地址信号时为单向，传送数据信号时为双向。
- A₁₆—A₁₉：高4位地址信号，与状态信号分时复用。
- A₈—A₁₅：8位地址信号

20位地址信号→可产生2²⁰=1M个编码

8位数据信号→可同时传输8bit二进制码

主要控制信号
- #WR：写信号
- #RD：读信号
- IO/#M：为“0”表示访问内存，为“1”表示访问接口
- #DEN：低电平有效时，允许进行读/写操作
- DT/#R：数据收发器的传送方向控制
- ALE：地址锁存信号
- RESET：复位信号

例：当#WR=1，#RD=0，IO/#M=0时，表示CPU当前正在进行读存储器操作

READY信号

见图16

中断请求和相应信号
- INTR：可屏蔽中断请求输入端
- NMI：非屏蔽中断请求输入端
- INTA：中断响应输出端（INTA有上横杠，表示低电平有效）
总线保持信号
- HOLD：总线保持请求信号输入端。当CPU以外的其他设备要求占用总线时，通过该引脚向CPU发出请求。
- HLDA：总线保持响应信号输出端。CPU对HOLD信号的响应信号。

8088和8086CPU引线功能比较

数据总线宽度不同
- 8088的外部总线宽度是8位，8086为16位。
访问存储器和输入输出控制信号含义不同
- 8088——IO/M=0表示访问内存
- 8086——IO/M=1表示访问内存
其他部分引线功能的区别

8088内部结构

微处理器：运算器、控制器、寄存器

逻辑上分为：执行单元(EU)、总线接口单元(BIU)

见图17

执行单元

构成：运算器、8个通用寄存器、1个标志寄存器、EU部分控制电路
功能：指令译码、指令执行、暂存中间运算结果、保存运算结果特征

总线接口单元

功能：

从内存中取指令到指令预取队列
- 指令预取队列是并行流水线工作的基础
负责与内存或输入/输出接口之间的数据传送
在执行转移程序时，BIU使指令预取队列复位，从指定的新地址取指令，并立即传给执行单元执行

结论

指令预取队列的存在使EU和BIU两个部分可同时进行工作（实现了指令的并行执行）
- 提高了CPU的效率
- 降低了对存储器存取速度的要求

8088内部寄存器

内部寄存器的类型

含14个16位寄存器，按功能可分为三类
- 8个通用寄存器
- 4个段寄存器
- 2个控制寄存器

深入理解：每个寄存器中数据的含义

一、通用寄存器

数据寄存器（AX，BX，CX，DX）
地址指针寄存器（SP，BP）
变址寄存器（SI，DI）

数据寄存器

8088/8086焊4个16位数据寄存器，他们又可分为8个8位寄存器，即：
- AX→AH，AL
- BX→BH，BL
- CX→CH，CL
- DX→DH，DL

数据寄存器特有的习惯用法：

AX：累加器
- 所有I/O指令都通过AX与接口传送信息，中间运算结果也多放于AX中
BX：基址寄存器
- 在间接寻址中用于存放基地址
CX：计数寄存器
- 用于在循环或串操作指令中存放计数值
DX：数据寄存器
- 在间接寻址的I/O指令中存放I/O端口地址；在32位乘除法运算时，存放高16位数

地址指针寄存器

SP：堆栈指针寄存器，其内容位栈顶的偏移地址
BP：基址指针寄存器，常用于在访问内存时存放内存单元的偏移地址

BX与BP在应用上的区别

作为通用寄存器，二者均可用于存放数据
作为基址寄存器，用BX表示所寻找的数据在数据段；用BP则表示数据在堆栈段

变址寄存器

SI：源变址寄存器
DI：目标变址寄存器
变址寄存器在指令中常用于存放数据在内存中的地址

二、控制寄存器

IP：指令指针寄存器，其内容为下一条要取的指令的偏移地址
FLAGS：标志寄存器，存放运算结果的特征
- 6个状态标志位（CF，SF，AF，PF，OF，ZF）
- 3个控制标志位（IF，TF，DF）

状态标志位

CF（Carry Flag）
- 进位标志位。加（减）法运算时，若最高位有进（错）位则，CF=1
OF（Overflow Flag）
- 溢出标志位。当算数运算的结果超出了有符号数的可表达范围时，OF=1
ZF（Zero Flag）
- 零标志位。当运算结果为零时，ZF=1
SF（Sign Flag）
- 符号标志位。当运算结果的最高位为1时，SF=1
PF（Parity Flag）
- 奇偶标志位。运算结果的低8位中“1”的个数为偶数时PF=1
AF（Auxiliary Carry Flag）
- 辅助进位标志位。加(减)操作中，若Bit3向Bit4有进位（借位），AF=1

控制标志位

TF（Trap Flag）
- 陷井标志位，也叫跟踪标志位。TF=1时，使CPU处于单步执行指令的工作方式
IF（Interrupt Enable Flag）
- 中断允许标志位。IF=1使CPU可以响应可屏蔽中断请求
DF（Direction Flag）
- 方位标志位。在数据串操作时确定操作的方向

三、段寄存器

作用：用于存放相应逻辑段的段基地址
8088/8086内存中逻辑段的类型
- 代码段→存放指令代码
- 数据段→存放操作的数据
- 附加段→存放操作的数据
- 堆栈段→存放暂时不用但需保存的数据

段寄存器

CS：代码段寄存器，存放代码段的段基地址
DS：数据段寄存器，存放数据段的段基地址
ES：附加段寄存器，存放数据段的段基地址
SS：堆栈段寄存器，存放堆栈段的段基地址

段寄存器的值表明相应逻辑段在内存中的位置

实模式下的存储器寻址

内存储器管理

8088CPU是16位体系结构的微处理器
可以同时处理（产生）16位二进制码
- 可以产生64K个编码，直接管理64K个内存单元
8088CPU需要管理1MB内存（使用内存分段管理方式实现）
- 需要能够产生1M个地址编码

内存地址变换

欲实现对1MB内存空间的正确访问，每个内存单元在整个内存空间中必须具备唯一地址→物理地址
将直接产生的16位编码变换为20位物理地址即为内存地址变换

一、内存单元的编址

内存每个单元的地址在逻辑上由两部分组成：
- 段(基)地址：指示存储单元在整个内存空间中处于哪个区域(段)
- 段内地址(相对地址/偏移地址)：指示存储单元在段中的相对位置(与段中第一个单元的距离)
  - 8088为16位结构，所以段地址和偏移地址均为16位（也就是共32位）
段基地址：决定存储单元在内存中的位置
相对地址(偏移地址)：该存储单元相对段内第一个单元的距离
逻辑段的起始地址称为段首，由偏移地址的定义得：段首的偏移地址=0
物理地址：内存单元在整个内存空间中的唯一地址（20位）

见图18、19

二、实地址下的存储器地址变换

内存物理地址由段基地址和偏移地址组成
物理地址=段基地址×16+偏移地址

三、段寄存器

作用：用于存放相应逻辑段的段基地址
8086/8088内存中逻辑段的类型
- 代码段→存放指令代码
- 数据段→存放操作的数据
- 附加段→存放操作的数据
- 堆栈段→存放暂时不用但需保存的数据
8086/8088内存中每类逻辑段的数量
- 最多为64k个

段寄存器

CS：代码段寄存器，存放代码段的段基地址
DS：数据段寄存器，存放数据段的段基地址
ES：附加段寄存器，存放数据段的段基地址
SS：堆栈段寄存器，存放堆栈段的段基地址

例1：

设某操作数存放在数据段，DS=250AH，数据所在单元的偏移地址=0204H
则该操作数所在单元的物理地址为：
- 250AH×16+0204H=252A4H

例2：

设：DS=2500H，某单元的偏移地址=00A0H，则有：

见图20

逻辑段与逻辑地址

内存的分段是逻辑分段，不是物理段。各个逻辑段在地址上可以不相连，可以部分重合，也可以完全重合。
每个内存单元具有唯一物理地址，但可能具有多个逻辑地址。即：
- 一个内存单元可以同时处于两个逻辑段
- 一个内存单元可以在不同时刻属于相同（或不同）类型的段
- 一个内存单元在同一个时刻可以属于不同类型的段

例3：