1、 主 编 :马争 副 主 编 :汪亚南 作 者 :石建国,师向群,孟庆元 电子制作:孟庆元,李佃宝本章重点：微计算机的基本结构和工作原理 微处理器、微计算机、微计算机系统的基本概念 微计算机系统的组成 单片微型计算机本章难点：微处理器、微计算机、微计算机系统的定义及区别 微计算机系统的组成及典型实例 嵌入式系统的组成1.1 微计算机的基本组成和工作原理 1.1.1 微计算机的基本组成 微型机将运算器和控制器集成在一块芯片上，该芯片被称为微处理器MPU（Micro Processing Unit），也就是我们习惯说的CPU（Central Processing Unit），是计算机结构的核心部分
2、。计算机的基本结构框图（1）运算器：是计算机对各种数据进行运算，对各种信息进行加工、处理的部件，因此，它是数据运算、加工和处理的中心。（2）存储器：是计算机存放各种数据、信息和执行程序的部件。存储器又分主存储器（又称内存）和辅助存储器（又称外存）。（3）输入设备：它给计算机输入各种原始信息，包括数据、文字、声音、图像和程序，并将它们转换成计算机能识别的二进制代码存入存储器中。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪，手写板及数码相机等。（4）输出设备：它将计算机中各种数据运算的结果，各种信息加工、处理的结果以人们可识别的信息形式输出。常用的输出设备有显示器、打印机等。输入、输出设备是人机交互的设备，
3、统称为外部设备，简称外设。（5）控制器：是计算机对以上各部件进行控制、指挥，以实现计算机运行过程自动化的部件。因此，它是计算机发布操作命令的控制中心和指挥系统。1.1.2 微计算机的工作原理 由上一节中图可见，计算机有两类信息在流动。一类是数据，用双线表示，包括原始数据、中间结果、最终结果及程序的指令信息；另一类是控制命令，用单线表示。不管是数据还是控制命令，它们都是用“0”和“1”表示的二进制信息。现在，以211211713这一简单的算术运算为例，展示一下计算机的工作过程。第一步：由输入设备将事先编制好的解题步骤（即程序）和原始数据（21，12，117和13）输入到存储器指定编号的地方（或称
4、单元）存放起来。并在存储器中划出存放中间结果和最终结果的单元。第二步：启动计算机从第一条指令开始执行程序。这包括下列操作：（1）把数据21从存储器中取到运算器（取数）；（2）把数据12从存储器中取到运算器，进行2112运算，并得到252（乘法）；（3）将252送到存储器中暂时存放（存数）；（4）把117从存储器中取到运算器（取数）；（5）把13从存储器中取到运算器，并进行11713运算，得到中间结果9（除法）；（6）将中间结果9送到存储器中暂时存放（存数）；（7）将两个中间结果先后取入运算器进行2529运算，得到最终结果243（减法）；（8）将243存入存储器中保存（存数）。第三步：将最终结果
5、243直接由运算器（或存储器）经输出设备输出。第四步：停机。1.2 微处理器、微计算机、微计算机系统1.2.1 微处理器（Microprocessor）微处理器就是把中央处理器CPU的复杂电路，包括运算器和控制器做在一片或几片大规模集成电路的半导体芯片上。把这种微缩的CPU大规模集成电路LSI（Large Scale Integration）称为微处理器（Microprocessor），简称MP、P或CPU。其职能是执行算术、逻辑运算和控制整个计算机自动地、协调地完成操作。微处理器的发展过程：第一代微处理器：1971年由Intel公司研制的4004微处理器(4位)和低档的8008微处理器(8位
6、)。其指令系统简单、速度慢，并且运算能力差。第二代微处理器：1973年，Intel8080、MC6800微处理器。指令系统比较完善，特别是在后期开始配备了CP/M操作系统。第三代微处理器：1978年，16位的Intel 8086，后来又研制出了Intel 8088及80286。第四代微处理器：1985年，32位的80386，它具有32位数据线和32位地址线。第五代微处理器：1993年，推出了全新一代的Pentium（奔腾，P5）微处理器。第六代微处理器：1995年，Intel推出32位微处理器P6，即Pentium pro(高能奔腾)。第七代微处理器：2000年，Intel推出非P6核心结构全
7、新的32位微处理器Pntium 4。第八代微处理器：2006年，Intel处理器全面转向基于Pentium M而非Pentium 4的新一代架构。1.2.2 微计算机（Microcomputer）所谓微计算机就是以微处理器为核心，配上大规模集成电路的RAM，只读ROM，I/O接口以及相应的辅助电路而构成的微型化的计算机主机装置，简称MC或C。这些大规模集成电路芯片被组装在一块印制板上，即微计算机主板。1.2.3 微处理器系统（Microprocessing System）以微处理器为核心构成的专用系统为微处理器系统（MicroProcessing System），简称MPS或PS。典型的微处理
8、器系统框图1.2.4 微计算机系统（Microcomputer System）在微计算机主机上配上各种外设和各种软件就构成微计算机系统。1.3 微计算机系统的组成 微计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成。1.3.1 硬件系统硬件系统是微计算机系统硬设备的总称，是微机工作的物质基础，是实体部分。构成微计算机的包括大规模集成电路的各个部件：CPU，ROM，RAM，和I/O接口电路等将在本书后面各章讲述，并从计算机组成原理出发，根据其外部引脚特性和连接的原则、方法将它们围绕CPU核心构成实用系统。1.3.2 软件系统 软件系统是微计算机为了方便用户使用和充分发挥微计算机硬件效能所必备的各种程序的
9、总称。这些程序或存在于内存储器中，或存放在外存储器中。1.3.3 微计算机系统结构的特殊性.软件的固化 微计算机中，在大规模集成电路技术的支持下，出现了各种半导体固定存储器，如ROM，PROM，EPROM，EEPROM，Flash，Memory，将软件固化于这样的硬件中，称这类器件为固件（Firmware）。.总线结构 任何一种微计算机、微处理器系统的核心都是CPU。CPU通过总线（BUS）和其他组成部件进行连接来实现其核心作用。所有的地址信号、数据信号和控制信号都经由总线进行传输。微计算机系统内的总线可归为4级:（1）片内总线：又称芯片内部总线，位于CPU芯片内部，用来实现CPU内部各功能单
10、元电路之间的相互连接和信号的相互传递。（2）片总线：又称元件级总线，是微机主板上以CPU为核心，芯片与芯片间连接的总线。（3）内总线：通常又称为微机系统总线，用来实现计算机系统中的插件板与插件板间的连接。各种微计算机系统中都有自己的系统总线，如IBM PC微机的PC总线，IBM PC/XT微机的ISA总线，80386/80486微机的EISA总线以及Pentium微机的PCI，AGP总线等。（4）外总线：又称通信总线，用于系统之间的连接，完成系统与系统间的通信。例如，微机系统与微机系统、微机系统与测量仪器之间、微机系统与其他电子设备系统之间、微机系统与多媒体设备之间的通信。如RS-232C，I
11、EEE-488，CAMAC和USB等。1.4 微计算机实例1.4.1 IBM PC/XT 微计算机 IBM PC/XT微机是世界最大商务机器公司IBM选用Intel公司的CPU和Microsoft公司的MS-DOS操作系统组建的个人计算机，它曾是20世纪80年代末，90年代初应用最广泛的一种微机，作为里程碑载入史册。IBM PC XT/AT系统主板上的电源共有4种：5V，12V。系统主板可划分为以下5个功能子系统。（1）CPU处理器子系统CPU：Intel 8088/80286。（2）ROM子系统 系统板上提供60KB的ROM空间，实际安装了一片32K8位和一片8K8位共40KB的ROM芯片。
12、40KB的ROM中固化了系统的BIOS和BASIC的解释程序。（3）RAM子系统 采用动态DRAM。最初的IBM PC机上提供2个128K8位的RAM区，其余的空间可由扩展槽扩展。IBM PC/AT机主板上多数已安装640KB RAM，甚至1MB的RAM。（4）系统主板上的I/O芯片和I/O接口子系统 I/O芯片有：DMA控制器8237A-5。这是一片可以管理4个DMA通道，实现CPU不干预I/O设备和存贮器之间直接进行高速数据传送的大规模集成电路芯片。定时器/计数器8253-5。这是一片含3个通道的16位的定时/计数电路。并行接口8255A-5。这是一片含3个8位I/O并行端口的芯片。中断控
13、制器8259A。这是一片可允许8级中断源输入的中断优先权管理电路。I/O接口电路有：串行键盘接口、扬声器接口。（5）总线扩展槽 在PC XT机主板后部有8个平行槽J1J8（即PC总线），均为62芯印制插座；在PC AT机主板上除J1J8外，还配有5个36芯插槽J10J14和J16，为36芯印制插座。这种62芯36芯总线构成了工业标准总线ISA（Industry Standard Architecture）。1.4.2 Pentium 4（奔腾4）微计算机系统 当Intel公司2000年11月推出Pentium 4微处理器芯片后，世界著名IT厂商IBM，DEC，Compaq，HP，联想等相继组建
14、了“Intel inside Pentium 4”微计算机。INTEL公司采用X38芯片组的主板（1）CPU及其插座：Intel DX38BT主板支持的64位CPU是775管脚的LGA封装芯片，如图所示。CPU是不包括在主板购置的另外构件。该主板支持Intel的Pentium D和Core2系列双核甚至是四核处理器。RAM芯片 BIOS采用Flash ROM，具有闪速和电可擦写的功能。用户通过运行加载BIOS软件按照该主板的BIOS支持即插即用（Plug&Play），可以自动侦测主板上外围设备和扩展卡，具有Crash Free BIOS（刷不死技术）。DX38BT主板采用串行外围接口Flash
15、（Serial Peripheral Interface Flash Memory），大小为16M。INTEL公司采用X38芯片组主板布局图1.5单片微型计算机 单片微型计算机是把中央处理器、存储器和输入输出接口电路集成在一个芯片上，虽然只是一个芯片但从组成和功能上看，它已具有了计算机的性能，已构成单芯片的微型计算机（SCMC），简称单片机。为了强调其控制属性也可称为微控制器（MCU），此种称呼在国际上更为通用。1.5.1 单片机的特点（1）高集成度，高可靠性，体积小（2）控制功能强（3）低电压，低功耗，便于生产便携式产品（4）外部总线丰富，易扩展。（5）优异的性能价格比 单片机的性能优异，而
16、其价格较为低廉，故其性能价格比极高。1.5.2 单片机系统 单片机通常是指芯片本身，它只是一个芯片，而单片机系统是为实现某一控制应用的需要，由用户设计的围绕单片机芯片并扩展其它外围电路而组建的计算机应用系统，在该系统中，单片机处于核心地位是构成单片机系统的硬件和软件基础。1.5.3 嵌入式计算机系统 1嵌入式系统的概念 通用型（非嵌入式）计算机系统主要满足传统的海量、高速数值处理，兼顾控制功能；嵌入式计算机系统则为实现完全不同的要求，主要满足测控对象的控制功能，兼顾数值处理。要求对控制对象实时控制、高可靠性。嵌入式计算机系统在应用时是面对测控对象，嵌入到工控应用系统中（以嵌入的方式进行使用）。
17、为了强调其“嵌入”的特点，将这类系统统称为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统。2嵌入式计算机系统的组成 与微机系统类似，嵌入式系统的构架可以分成四个部分（如图所示），处理器、存储器、输入/输出（I/O）和软件。（1）嵌入式系统的硬件 从硬件方面来讲，嵌入式处理器是构成系统的核心部件，嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核心的部分。它可分为四类：嵌入式微控制器（MCU）、嵌入式DSP微处理器（DSP）、嵌入式微处理器（MPU）以及嵌入式片上系统（System on chip）。（2）嵌入式系统的软件 由于嵌入式计算机的应用领域极其广泛，用户的需求各不相同，因此其规模大小相差很多，所配制的软件系统也有
18、很大不同，主要可以依据操作系统的类型划分。对于较大规模的嵌入式系统通常配置实时多任务操作系统；对于规模较小或者较简单的嵌入式系统，用户可以开发一个简单的实时监控程序。在最简单的嵌入式系统中，则完全由用户程序直接进行管理和控制。1.5.4 单片机的应用 目前单片机渗透到日常生活中的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。单片机应用广泛，大致可分为如下几个范畴：1.在智能仪器仪表上的应用 2.在工业控制中的应用 3.在家用电器中的应用 4.在计算机网络和通信领域中的应用 5.在医用设备领域中的应用 此外，单片机在工商、科研、教育、国防、航空航天等领域都有着十分广泛的用途。第2章 80X86
19、微处理器 主 编 :马争 副 主 编 :汪亚南 作 者 :石建国,师向群,孟庆元 电子制作:孟庆元,李佃宝本章重点：掌握CPU内部寄存器的结构与功能，了解CPU引脚功能；了解最小/最大模式的概念和系统组建，了解系统总线形成；理解CPU总线读/写时序。本章难点：8086/8088CPU引脚功能；最小/最大模式；CPU总线读/写时序。21 微处理器的性能指标和技术特点 2.1.1 微处理器的主要性能指标1、主频 主频也叫时钟频率，单位是MHz，用来表示CPU的运算速度。CPU的主频外频倍频系数。2、外频 外频是CPU的基准频率，单位也是MHz。CPU的外频决定着整块主板的运行速度。在台式机中，所说
20、的超频，都是超CPU的外频，一般情况下，CPU的倍频都是被锁住的。3、倍频系数 倍频系数是指CPU主频与外频之间的相对比例关系。4、位和字长 位：在数字电路和计算机技术中采用二进制，代码只有“0”和“1”，其中无论是“0”或是“1”在CPU中都是一“位”。字长：计算机技术中对CPU在单位时间内（同一时间）能一次处理的二进制数的位数叫字长。5、高速缓存Cache 高速缓存大小也是CPU的重要指标之一，而且缓存的结构和大小对CPU速度的影响非常大。6、CPU内核电压和I/O工作电压 从586CPU开始，CPU的工作电压分为内核电压和I/O电压两种，通常CPU的核心电压小于等于I/O电压。7、指令集
21、和扩展指令集 CPU依靠指令来计算和控制系统，每款CPU在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。指令的强弱也是CPU的重要指标，指令集是提高微处理器效率的最有效工具之一。2.1.2 新一代微处理器的技术特点1、超流水线和超标量技术 流水线是Intel首次在486芯片中开始使用的。流水线的工作方式就象工业生产上的装配流水线。超流水线是通过细化流水、提高主频，使得在一个机器周期内完成一个甚至多个操作，其实质是以时间换取空间。超标量是通过内置多条流水线来同时执行多个处理器，其实质是以空间换取时间。2、独立的指令cache和数据cache 80486片内有8KB的Cache，而Pentiu
22、m有2个8KB的Cache，指令和数据各使用一个Cache，使Pentium的性能大大超过80486微处理器。3、重新设计的浮点运算单元 Pentium的浮点单元在80486的基础上进行了彻底的改进，每个时钟周期能完成一个或两个浮点运算。4、分支预测 循环操作在软件设计中使用十分普通，而且每次在循环中对循环条件的判断占用了大量的CPU时间，为此，Pentium提供一个称为分支目标缓冲器BTB（BranchTargetBuffer）的小Cache来动态地预测程序分支，提高循环程序运行速度。2.2 8086/8088微处理器内部结构 2.2.1 8086/8088微处理器的内部结构 8086CPU
23、的内部结构从功能上讲，由两个独立的逻辑单元组成，即执行单元EU和总线接口单元BIU。1执行单元EU 执行单元EU中的各部件通过一个16位的算术逻辑单元（ALU）总线连接在一起，在内部实现快速数据传输。8086CPU的内部结构框图 2总线接口单元BIU 总线接口单元BIU的功能是根据执行单元EU的请求，负责完成CPU与存储器或I/O设备之间的数据传送。3执行部件EU和总线接口部件BIU的动作管理 由于总线接口单元BIU和执行单元EU两部分是按流水线方式并行工作的，在EU执行指令的过程中，BIU可以取出多条指令，放进指令流队列中排队。这样，当EU执行完一条指令后，就可以立即执行下一条指令，从而减少
24、了CPU为取指令而等待的时间，提高了运算速度。2.2.3 8086/8088CPU内部寄存器 8086/8088CPU内部有14个16位寄存器，为了便于说明，一般又把它们分为3个组。8086/8088CPU的寄存器结构 1通用寄存器 通用寄存器可分为两组：数据寄存器和地址指针与变址寄存器。（1）数据寄存器 AXAH（高）、AL（低）累加器ADD BXBH（高）、BL（低）基址寄存器BASE CXCH（高）、CL（低）计数器COUNT DXDH（高）、DL（低）数据寄存器DATA（2）地址指针和变址寄存器 这组寄存器在功能上的共同点是，在对存储器操作数据寻址时，用于形成20位物理地址码的组成部分
25、。BP-基数指针寄存器 SP（Stack Pointer）堆栈指针和BP（Base Pointer）基址指针，通常用来作为16位地址指针。SI（Source Index）和DI（Destination Index）变址寄存器用来存放段内偏移地址的全部或一部分。2段寄存器 CS-16位的代码段寄存器 DS-16位的数据段寄存器 ES-16位的附加（扩展）段寄存器 SS-16位的堆栈段寄存器3控制寄存器（1）指令指针IP 相当于程序计数器PC，用于控制程序中指令的执行顺序。一般情况下，每取一次指令码，IP就自动加1，从而保证指令的顺序执行。IP实际上是指令机器码存放单元的地址指针，IP的内容可以被
26、转移类指令强迫改写。（2）标志寄存器FLAGS 8086/8088CPU设立了一个16位的标志寄存器，共9个标志。其中6个是状态标志，3个是控制标志。CF（CarryFlag）进位标志。如果作加法时最高位（对字节操作是D7位，对字操作是D15位）产生进位或作减法时高位产生借位，则CF1，否则CF0。PF（ParityFlag）奇偶标志。如果操作结果的低8位中含有偶数个1，则PF1，否则PF0。AF（AuxiliaryCarryFlag）辅助进位标志。如果在作加法时D3位向D4位的进位，则AF1，否则AF0。这个标志用于实现BCD码算术运算结果的调整。ZF（ZeroFlag）全零标志。如果运算结
27、果各位都为零，则ZF1，否则ZF0。SF（SignFlag）符号标志。它总是和结果的最高位（字节操作时是D7，字操作时是D15）相同。因为在补码运算时最高位是符号位，所以运算结果为负时，SF1，否则SF0。OF（OverflowFlag）溢出标志。当进行带符号的补码运算时，算术运算的结果超出了机器所能表达的带符号数的范围，就会产生溢出，这时溢出标志位OF1；若OF0，表示运算结果无溢出发生。控制标志是一种用于控制CPU工作方式或工作状态的标志。DF（DirectionFlag）方向标志。方向标志DF用于控制字符串操作指令的步进方向，当DF1时，字符串操作指令将从高地址到低地址的方向对字符串进行
28、处理；若DF0时，则相反。IF（InterruptEnableFlag）中断允许标志。它是控制可屏蔽中断的标志，若IF1，表示允许CPU接受外部从INTR引线上发来的可屏蔽中断请求信号；若IF0，则禁止。IF的状态不影响非屏蔽中断（NMI）请求，也不影响CPU响应内部的中断请求。TF（TrapFlag）陷阱标志或单步操作标志 陷阱标志是为了调试程序而设置的。若TF1，则使8086/8088CPU处于单步工作方式；当TF0时，CPU正常执行程序。23 8086/8088CPU的外部引脚及功能 231 8086/8088CPU的外部引脚 8086/8088CPU均采用双列直插式的封装形式，具有40
29、条引脚。8086/8088外部引脚图232 8086/8088CPU的工作模式 8086/8088CPU有两种工作方式：最大模式（MX）和最小模式（MN）。最小模式适用于单微处理器组成的小系统，系统中只有一个CPU；最大模式适用于多微处理组成的大系统，系统中含有2个或2个以上的CUP，其中一个主处理器，其它为协处理器。1地址数据总线AD15AD0（双向、三态）这是分时复用的存储器或IO端口和数据总线。传送地址时三态输出，传送数据时可双向三态输入输出。2地址状态线A19S6A16S3（输出、三态）这些引线也是采用多路开关的分时输出，在存储器操作的总线周期的第一个时钟周期（T1状态）时，输出20位
30、地址的高4位（A16A19），而在其他的时钟周期，输出状态信号。S3和S4表示正在使用的是哪个段寄存器,S5指示IF的当前状态，S6则输出低电平（0），以表示8086/8088当前连在总线上。3控制总线（1）总线高字节允许状态，BHES7（输出、三态）在总线周期的第一个时钟周期，输出总线高字节允许信号BHE，其余时钟周期，输出状态S7，但目前S7并没能定义。若BHE1，表示数据传送只在AD0AD7上进行。对于8088，不需要BHE信号。该引脚表示SS0，它在最小模式中表示状态，而在最大模式时它始终为高电平（1）。（2）读控制信号线（输出、三态）当RD有效（低电平时），表示CPU正在进行读存储器
31、或读IO端口的操作。到底是对内存单元还是对IO端口读取数据，取决于MIO（8086）或IOM（/8088）信号。（3）准备好信号READY（输入）它是由被访问存储器或IO端口发来的响应信号。当READY1时，表示所寻址的存储单元或IO端口已准备就绪，马上就可以进行一次数据传送；当READY0时，表示所寻址的存储单元或IO端口尚未准备就绪，要求CPU自动插入一个或几个TW等待状态，直到READY线出现高电平才进行数据传送。（4）等待测试信号TEST（输入）这个测试信号是由WAIT指令来检查的。当CPU执行WAIT指令时，每隔5个时钟周期对该线的输入进行一次测试；若TEST1时，CPU停止取下一条
32、指令而进入等待，重复执行WAIT指令，直至TEST0。（5）可屏蔽中断请求信号INTR（输入）若IF1（即中断未被屏蔽）时，则CPU响应中断，并且CPU通过执行中断响应周期转去执行中断服务程序；若IF0则中断被屏蔽。（6）非屏蔽中断请求信号NMI（输入）（7）复位信号RESET（输入）复位信号RESET将使8086/8088CPU立即结束它的当前操作。CPU要求复位信号至少要保持高电平4个时钟周期，才能结束它正在进行的操作。（8）系统时钟CLK（输入）它为微处理器提供基本的定时脉冲。（9）最小最大模式信号MNMX（输入）当MNMX引脚接5V时，则CPU工作于最小模式；若该引脚接地时，则CPU工
33、作于最大模式。（10）其他控制信号（2431）引脚 这些控制线的性能将根据控制线MNMX所处的状态而确定。4、电源线VCC和地线GND 电源线VCC接入的电压为5V10，有两条地线GND，均应接地。233 8086CPU与8088CPU的区别 8086是16位数据总线，而8088是8位数据总线，在处理一个16位数据时，8088需要二步操作而8086只需要一步操作；引脚功能有所不同，8086的M/IO高电平为存储器操作，低电平为外设IO操作，8088则正好相反；由于8088只有8位数据线，因此没有BHE引脚。24 8086/8088CPU系统结构241 8086/8088CPU的总线周期 1总线
34、周期通常把8086/8088CPU经外部总线对存储器或IO端口进行一次数据的输入或输出过程，称为总线操作。而把执行该操作所需要的时间，称为总线周期或总线操作周期。8086/8088CPU的总线周期至少由4个时钟周期组成。8086/8088的总线周期 2空闲状态TI（IdleState）在两个总线周期之间，存在着BIU不执行任何操作的时钟周期，这些不起作用的时钟周期称为空闲状态，3等待状态TW（WaitState）242 8086/8088CPU最小模式时的系统结构最小模式时的系统结构 18086/8088CPU最小模式时的引脚功能 所谓最小模式，就是在系统中只有8086/8088一个CPU，而
35、所有的总线控制信号都由CPU直接产生，因此系统中的总线控制电路被减到最少。在最小模式下的各引脚定义如下：INTA：中断响应信号 ALE：地址锁存允许信号 DEN：数据允许信号 DT/R：数据收发信号 M/IO：存储器/输入输出控制信号 WR：写信号 HOLD：总线保持请求信号 HLDA：总线保持响应信号 28086/8088最小模式下连接的特点 （1）MN/MX端接+5V，决定了8086/8088工作在最小模式。（2）有一片时钟发生器8284A，作为时钟发生器。（3）有三片8282或74LS373，用来作为地址锁存器。（4）当系统中所连接的存储器和外设比较多时，需要增加系统数据总线的驱动能力，
36、这时，要用两片8286/8287作为总线收发器。38086/8088CPU最小模式时系统的总线结构 当把8086/8088的33脚MN/MX接+5V时，8086/8088CPU就处于最小工作方式了。8086CPU最小模式时的系统配置示意图 243 8086/8088最大模式时的系统结构 而最大模式是相对最小模式而言的，此时系统中有两个或多个微处理器，其中有一个是主处理器8086/8088，其它的处理器称为协处理器，它们协助主处理器工作。18086/8088最大模式时的引脚功能 最大模式时,8086/8088 CPU不直接提供用于存储器或IO端口读写命令等控制信号，而是将当前要执行的总线操作类型
37、编码为3个状态位（S0、S1、S2）输出，由总线控制器8288CPU对3个状态位信息进行译码，产生相应的控制信号。而2431控制引脚的其余引脚提供8086/8088CPU最大模式时系统所需的其他信息。2最大模式下的连接特点（1）最大模式下多了8288总线控制器。（2）在最大模式系统中，一般还会有中断优先级管理部件。38086/8088CPU最大模式时系统总线结构 如果将8086/8088的MN/MX接地，CPU就工作在最大模式了。在最大的模式系统中需要总线控制器来产生总线控制信号，因为最大模式系统包含有多个处理器，各个处理器之间需要共享总线，就必须解决主处理器和协处理器之间的协调工作问题。总线
38、控制器8288就是用来完成这种功能的。4总线控制器8288 最大模式系统与最小模式系统的主要区别是增加了总线控制器8288，使总线控制功能更加完善。最大模式时的系统配置示意图 25 8086的时序 251 8086CPU最小模式时的总线时序 1学习时序的目的 深入分析典型的操作时序其目的在于：（1）深入理解微处理机的内部操作原理；（2）有利于在编程序时适当选用指令，以缩短指令的存储空间和指令的执行时间；（3）有助于更好地解决CPU与存储器以及各种外设之间的时序配合问题；（4）当微型机用于实时控制时，必须估计CPU完成操作所需的时间，以便与控制过程相配合。典型的8086总线时序 28086CPU
39、最小模式时的总线周期时序 （1）写总线周期时序8086最小模式下的总线写操作时序（2）读总线周期时序 最小模式下的总线读操作时序（3）中断响应周期时序 典型的8086中断时序图 252 8086CPU最大模式时的总线时序 最大模式下的时序与最小模式有所不同，这里不再详述，只是与最小模式下的时序进行比较。1读总线周期与写总线周期时序与最小模式时的不同之处有3点：第一，用于8282锁存器入8286收发器的控制信号、读写控制信号和INTA信号在最大模式系统中均由8288总线控制器根据CPU输出的3个状态位S0、S1、S2产生；第二，最小模式系统下的MIO、RD和WR信号由存储器读命令MRDC，IO读
40、命令IORC，存储器写命令MWTC，先行存储定命令AMWC，IO写命令IOWC和先行IO写命令AIOWC代替；第三，8288输出的数据允许信号DEN的极性与最小模式下CPU产生的DEN相反，使用时经反相加到8286的OE端。2中断响应周期时序 在最大模式时，INTA由8288输出。在中断响应周期中，除了从第一个总线周期的T2到第二个总线周期的T2，在LOCK引脚上输出低电平信号外，其他均与最小模式时的中断响应周期时序一致。26 8086/8088的存储器组织 存储器的基本存储单元是一个二进制位（bit），每8位组成一个字节(Byte)，每相邻的2个字节可组成一个字（16位）。存储器以字节为单位
41、存储信息。为区别不同的字节存储单元，每个单元都被指定一个唯一的编号，称为该单元的物理地址（简称PA）。地址编号从0开始，按顺序加1，一般用十六进制数表示。因此PC机的内存是以字节单元为单位对内存进行编址。261 8086/8088的存储器地址空间 8086/8088地址线有20根，存储器的最大存储空间为1MB（220），因此存储器地址范围为00000HFFFFFH8086存储空间 1存储器分段与 8086存储空间 8086/8088 CPU的寄存器是16位，最大值为FFFF即64K，而8086/8088的内存最大可达1M，显然用一个寄存器不能寻找大于64K的地址，因此采用了段地址加偏移地址的寻
42、址方式CS：IP，这样最大寻址范围扩大到FFFFF，即1MB，从而满足了早期DOS操作系统的需要。分段方法：把1MB内存划分成若干个存储区域，每个区域称为一个逻辑段（每个段都在一个连续的存储区域内，容量最大64KB）。8086/8088规定每个段的段起始地址必须能被16整除，其特征是：20位段起始地址的最低4位为0（用16进制表示为0H）。2存储器单元物理地址的形式（1）存储单元地址 段基址：一个逻辑段的起始地址，形如XXXXH。偏移地址：段内一个存储单元到达段地址的距离（16位）。物理地址PA：存储单元的实际地址（20位）。段基址和偏移地址共同组成逻辑地址，即在程序指令中引用和操作的地址；物
43、理地址是在20位地址总线上产生的地址。（2）存储单元物理地址的计算 物理地址段基址10H偏移地址 指令单元地址CS10HIP 堆栈操作单元地址SS10HSP/BP 数据单元地址DS10H地址表达式 例：某单元的逻辑地址为4B09H：5678H，则该存储单元的物理地址为：物理地址（PA）=段基址10H+EA=4B09H10H+5678H=4B090H+5678H=50708H 一个存储单元，可以用不同的逻辑地址表示，但其物理地址是唯一的。2.5.3 8086/8088 CPU系统中的部分系统物理地址空间 1、部分系统专用存储空间 中断矢量区：00000H003FFH共1K字节，用以存放256种中
44、断类型的中断矢量，每个中断矢量占用4个字节，共2564=1024=1K 显示缓冲区：B0000HBOF9FH约4K字节，是单色显示器的显示缓冲区，存放文本方式下所显示字符的ASCII码及属性码；B8000HBBF3FH约16K字节，是彩色显示器的显示缓冲区，存放图形方式下屏幕显示象素的代码。启动区：FFFF0HFFFFFH共16个单元，用以存放一条无条件转移指令的代码，转移到系统的初始化部分。2、堆栈（1）堆栈的概念 堆栈（stack）是一种数据结构，它的特殊之处在于只能允许在链表的一端（称为栈顶，英文为top）进行添加和删除操作，因而按照后进先出（LIFO-Last In First Out
45、）的原理工作。堆栈数据结构支持两种基本操作：压栈（push）和弹栈（pop）：压栈（入栈）PUSH：将对象或者数据压入栈中，更新栈顶指针，使其指向最后入栈的对象或数据。弹栈（出栈）POP：返回栈顶指向的对象或数据，并从栈中删除该对象或数据，更新栈顶。（2）堆栈的功能及工作过程 功能：保存断点地址和重要数据。工作过程：以8086汇编语言为例入栈操作：以PUSH AX为例 （SP-1）-高字节AH （SP-2）-低字节AL 出栈操作：以POP BX为例 低字节单元BL-（SP）高字节单元BH-（SP+1）SP-SP+227 8086/8088CPU的I/O组织I/O设备的组织方式一般有两种：统一编
46、址方式和独立编址方式。271 统一编址方式 统一编址方式，又称“存储器映射方式”。在这种编址方式下，I/O端口地址置于存储器空间中，在整个存储空间中划出一部分空间给外设端口，端口和存储单元统一编址。优点：这种方式无需专门的I/O指令，从而简化了指令系统的设计。缺点：端口占用存储器的地址空间，使存储器地址资源更加紧张，同时端口指令的长度增加，执行时间较长，端口地址译码器较复杂。272 独立编址方式 这种方式又称“I/O映射方式”。在这种方式下，I/O端口单独编址构成一个I/O空间，不占用存储器地址空间。优点：端口所需的地址线较少，地址译码器较简单，采用专用的I/O指令，端口操作指令执行时间少，指
47、令长度短。缺点：输入输出指令类别少，一般只能进行传送操作。273 8086/8088CPU的I/O组织 8086/8088 CPU共有20条地址线，采用独立编址的方式。由于只用地址总线的低16位A15A0来寻址端口地址，所以8086 CPU可以访问的I/O端口地址共有64KB，其地址为0000HFFFFH。第第3章章 80 x86指令系统指令系统 主 编 :马争 副 主 编 :汪亚南 作 者 :石建国,师向群,孟庆元 电子制作 :孟庆元,李佃宝 本章重点：80 x86系列CPU的各种寻址方式。80 x86指令系统的各种常用指令。本章难点：8086第第3章章80 x86指令系统指令系统80868
48、088CPU系统的地址寻址方式。80868088存储器寻址方式中有效地址EA的计算。80868088指令系统中各种常用指令的使用方法，指令间的区别及其隐含约定。3.1 8086/8088指令格式指令格式 3.1.1 操作码与地址码操作码与地址码80868088的指令格式3.1.2 单操作数、双操作数及多操作数单操作数、双操作数及多操作数1.单操作数 在一条指令中仅指明一个操作数。2.双操作数 在一条指令中同时指出两个操作数。3.多操作数 在一条指令中，同时指出二个以上操作数。80868088 CPU的指令中最短的指令为一个字节，称为单字节指令，这类指令只有操作码（1字节）而无操作数或者隐含操作
49、数。3.1.3 80868088的操作数的操作数 80868088的操作数分为以下几类：1.立即数 是指令中参与操作且紧跟在操作码后面的常数。立即数只能作为源操作数使用。2.寄存器操作数 (1)指令中要操作的数据存放在8个通用寄存器或者4个段寄存器中。(2)对于AX、BX、CX、DX可以当作8位寄存器使用，存放字节操作数或者作为16位寄存器使用，存放字操作数；(3)对于SI、DI、SP、BP，则只能存放字操作数；(4)对于CS、DS、ES和SS段寄存器用来存放当前操作数的段基址 3.存储器操作数 此类操作数存放在指定的存储单元中，若为字节操作数，则占用1个字节存储单元；若为字操作数，则占用2个
50、字节存储单元；若为双字操作数，则占用4个字节存储单元。4.IO端口操作数 指令中参与操作的数据来源于或者要传送到IO端口。3.2 80868088指令寻址方式指令寻址方式 寻找操作数（包括数据和地址）有各种方法，这些方法称为寻址方式。所谓寻址就是寻找操作数（数据寻址）或者操作数地址（地址寻址）。3.2.1 隐含寻址隐含寻址 有少数指令，操作数不在指令中出现，这种寻址方式称为隐含寻址。它用于对特定的寄存器实现特定的操作。例如DAA（十进制数加法调整）指令和DAS（十进制数减法调整）指令。3.2.2 立即寻址立即寻址 8位或16位的操作数直接包含在指令中，紧跟在操作码之后，作为指令的一部分。该操作
