8086CPU的结构与功能

CPU结构与功能

不管什么型号的CPU，其内部均有这四大部件

  1. ALU：算术逻辑单元
  2. 工作寄存器：分为数据寄存器和地址寄存器

工作寄存器的目的是为了提高运算速度，希望参与运算的数据不从外部存储器去取数据，而是在CPU内部取，所以要有能暂存少量数据的寄存器。

数据寄存器是专门存放数据的，地址寄存器是专门存放地址，进行间接寻址方式，但当地址寄存器不提供地址时，也可以用来暂存数据。

  1. 控制器：中央指挥机关
  2. I/O控制逻辑电路

8086架构图 8086结构详解_堆栈

一般CPU执行存储器（按字节组织）里面指令过程如下：

  1. CPU通过控制器部件里面的程序计数器（PC）给外部存储器的地址引脚输出地址（通过地址总线AB），同时CPU给存储器发送读操作命令；
  2. 在读操作下，就把这个地址单元的指令代码通过数据总线（DB），取回来放在指令寄存器里面（IR），注意此时因为指令没有执行完，所以PC还不能去往下一条指令，IR没有地方放数据。
  3. 指令译码器（ID）不断检测指令寄存器有没有数据，有的话就把指令取走放在ID里面，取来的指令就被ID译码分析，就知道这个指令希望CPU做什么，怎么做；
  4. ID通知控制逻辑部件，在相应的控制引脚发出相应的有效命令（读，写等）；
  5. 此条指令执行完，IR为空，PC自动增加到下一条指令的地址，执行下一条指令流程。如果指令为n字节，PC自动增n。

    因为在取指令时候，不能执行指令，在执行指令时候，不能取指令，因此这种架构CPU是取指令->执行指令->取指令...这样循环下去。CPU执行效率不高。

堆栈

由先进后出原则组织的存储器区域，称为堆栈。

单片机应用中，堆栈是个特殊存储区，堆栈属于RAM空间的一部分，堆栈用于函数调用、中断切换时保存和恢复现场数据（临时数据）。

对于8006 CPU而言，堆栈操作是按字操作。

堆栈单元的地址指针由堆栈指针寄存器SP的内容提供。

堆栈操作中两个最重要的是PUSH（入栈）和POP（出栈）。

入栈举例：

执行指令

PUSH AX
PUSH BX

AX是8086里面一个16位寄存器，

初始化后，SP指向栈底加1的地址。

PUSH AX这条指令完成的功能分为2部分：

  1. 先把SP的内容减2，再放回SP，SP=SP-2，此时SP指向栈底减1地址。空出了一个字单元。
  2. 将AX的低8位放在低地址单元，高8位放在高地址单元

    需要注意的是：栈顶是活动的。执行完PUSH AX后，AL所在单元就是栈顶。再执行 PUSH BX，BL所在单元就是栈顶，而栈底是固定的。
    可以看出，栈底在高地址，栈顶在低地址。
    当SP指针超出堆栈区时，称为堆栈操作溢出。溢出的话，会造成死机。堆栈区大小需要根据实际程序定义，工程设计应该留出30%的富余量。

出栈举例：

因为遵循先进后出原则，出栈先执行POP BX

  1. 把SP的16位内容做栈顶地址，从该地址单元读出一个字给BX
  2. SP指针自动增加2

然后再执行 POP AX

8086 CPU的内部结构

前面提到一般微处理器的内部结构，因为她存在效率低的问题，所以intel才研发出8086。

8086的内部结构：

8086架构图 8086结构详解_数据_02


指令队列寄存器类似前面的指令寄存器IR，不同的是，在8086中，指令队列寄存器相当于6个IR（6个字节）。

只要指令队列寄存器没放满，就可以继续取。

BIU主要负责，从外部存储器中取指令，并将取回的指令放在指令队列中。

EU主要负责从指令队列中获取指令，遵循先进先出原则，并对该指令译码分析，加以执行。

8086做到了取指令和执行指令的并行操作，大大提高了效率。这种并行操作到现在依旧存在。

8086 CPU的寄存器组织

8086 CPU共有14个16位的寄存器。

按功能分，可以分为3类。

一.通用寄存器

即EU部分的8个寄存器。

  1. 数据寄存器：AX、BX、CX、DX。

    在有数据运算时，目的操作数尽量选AX，这样运算比其他寄存器快。

BX常用来提供段内地址，来进行间接寻址。

DX在IO指令中，用来做IO地址寄存器。

  1. 地址指针

地址指针寄存器有2个：

  • SP-堆栈指针寄存器：用来指示堆栈区的段内偏移地址。
  • BP-地址指针寄存器：BP和BX的作用类似，但她默认的是堆栈段内的段内偏移地址，BX是数据段内的偏移地址。

举例

8086架构图 8086结构详解_8086架构图_03


执行指令

mov BX,0002H
mov BP,0002H
mov AL,34H
mov [BX],AL

指令将AL的内容写到数据段的地址0002H单元中。

而如果执行

mov [BP],AL

则是将AL的内容写到堆栈段的地址0002H单元中。

如果我们希望将BP提供的地址是给数据段写，则需要在前面加上段超越前缀 “DS：”，指明地址指向数据段，简称段前缀。即：

mov DS：[BP],AL
  1. 变址寄存器
    变址寄存器也有两个：
  • SI-源变址寄存器
  • DI-目标变址寄存器

这两个寄存器都可以当作地址寄存器，默认指向数据段。“变”来源于8086 CPU对字符串的操作。

举例：

8086架构图 8086结构详解_数据_04


我们想将字符串从源串搬到目的串。我们可以用MOV这种数据传送的方式，但8086为了提高效率，专门为字符串开辟了一种指令-字符串操作指令。除了传送外，还有其他的操作。在3.13小节。

源串必须定义在DS段，字符串的偏移首地址，必须由SI提供。

目的串必须定义在ES段，偏移首地址，必须由DI提供。

为了将源串搬到目的串，我们可以执行

MOVSB

“B”表示字节，一次搬一个字节。她没有源操作数和目标操作数。但是CPU知道源串和目的串的地址在哪里。如果从首地址开始搬，CPU搬完一个字节后，会将地址自动"变"，即加1。如果原来的指针是末地址，则会自动地减1。自动加减地址，就是“变址”的含义。

需要注意：变址只有在SI和DI当作字符串操作时候才变。

二.段寄存器

段寄存器有4个：

  1. CS-代码段寄存器，指明程序代码所在的逻辑段地址。
  2. DS-数据段寄存器
  3. ES-附加数据段寄存器
  4. SS-堆栈段寄存器

初始化时候，必须对DS、ES、SS初始化，指明我们定义的段地址。而CS用户不能初始化，由操作系统（编译器）完成。CS不能做目的操作数，只可以读，做源操作数。

三.控制寄存器

控制寄存器有2个

  1. IP-指令指针寄存器，用于提供程序代码区的偏移地址，等效于一般CPU的程序计数器PC。不能用作目标操作数。
  2. PSW-处理器状态字寄存器，一共设定了9个标志位，分为2类：1）状态标志，反映的是ALU运算后，结果的状态。2）控制表示，用来控制CPU的运行状态。

需要注意的是，对于CPU而言，外部的中断是可以屏蔽的，内部不可以屏蔽。

8086 CPU的存储器和I/O组织

一.存储器地址空间与数据存放格式

1.地址空间

8086 CPU有20根地址总线，\(A_{19}-A_{16},A_{15}-A_{10},A_{9}-A_{0}\),8086利用这20根地址线全部用来为存储器编址，所以8086能寻址的存储器地址空间为 \(2^{20}B=1MB\)

同时用低16条给外部I/O端口编址，所以8086能寻址的外部I/O地址空间为 \(2^{16}B=64KB\)

2.数据存放格式

数据存放在存储器中，一般数据格式为：

  • 字节型数据：一个字节数据占用一个地址单元。

我们可以用“伪指令”定义字节型数据，“伪指令”不是告诉CPU做什么的，这是“指令”的工作。

伪指令是告诉汇编器（将汇编语言编译成机器语言）做什么，伪指令由汇编器解释。

DB-字节型数据伪指令 ，告诉汇编器定义一个字节数据。

假设我们在DS段一开始就定义了3个字节数据

DB 12H，12，-12

8086架构图 8086结构详解_寄存器_05

  • 字型数据

DW-字型数据定义伪指令，需要注意的是，存储器中一个字单元，低字节地址称为该字单元的地址。高字节地址不用说明。

如果字单元的地址是偶地址，则称该单元为“对准的字单元”，如果是奇地址，则称为“未对准的字单元”。CPU对对准的字单元操作，要快一倍。

这是因为，在8086 CPU中，有16根数据线，定义：对偶地址操作，走低8位数据线（D0 ~ D7）；对奇地址操作，走高8位数据线（D8 ~ D15）。所以假设执行对对准的字单元写，因为字单元地址是偶地址，并且要遵循高8位字节数据存放在高地址单元，低8位数据存放在低地址单元，所以16位数据在一个周期就可以一次传送完。而对未对准的字单元，则需要两个周期，第一个周期传送高8位数据，第二个周期传送低8位。

  • 双字型数据

DD-双字型数据定义伪指令

二.存储器的分段与物理地址的形成

1.为什么要分段？

因为在8086 CPU有20根地址线，能寻址 1MB 空间，但是CPU里面提供地址的寄存器只有16位，只能寻址 64KB地址空间，所以为了让1MB空间寻址完，必须把 1MB 分为许多的逻辑段来管理。

2.怎么分段？

因为地址寄存器都是16位的，所以一个逻辑段最大就是64KB，实际当中可以根据需求定义大小。

规定：逻辑段的起始地址必须能被16整除，所以1MB最多有64K个逻辑段。

定义：

存储器原来实际存在的地址称为物理地址。用“PA”表示。

一个逻辑段的起始地址称为“段基址”。

在一个逻辑段中，地址被分为两部分描述：一个16位段地址和一个16位段内的偏移地址。这样的描述方式我们称为“逻辑地址”。在实际应用当中我们用到的都是逻辑地址。

8086架构图 8086结构详解_堆栈_06


3.物理地址的形成

已知某物理单元的逻辑地址，我们可以通过换算得到物理地址：

PA=段地址*16H+段内偏移地址

将一个16进制数乘以16，相当于朝左移动一位。段内偏移地址又被称为段内有效地址。

由于段与段之间存在重叠的部分，因此同一个物理存储单元可以表示成不同的段地址和段内偏移地址。但是换算后的物理地址是唯一的。

举例

取指令的操作：

BIU把CS的内容送给加法器，加法器对该内容乘以16，BIU再把IP的内容送给加法器相加，得到取指令所在存储单元的20位物理地址，这20位物理地址通过地址产生与总线控制电路，送到外部的 A0~A20引脚。CS和IP的内容的产生和改变是由操作系统决定的，用户无法更改。

数据传送操作：

执行 MOV [BX],AX

EU通知BIU要进行写操作，BIU停止读指令操作，BIU把DS内容送给加法器乘以16，EU把BX的值沿内部数据总线送给BIU，BIU收到后再送给加法器相加，得到20位物理地址，然后EU再把AX的内容送到数据线，把20位物理地址送到地址线，同时给外部存储器发一个写命令，就把AX的内容写到该单元中。如果该存储单元是对准的，就花一个周期写完，未对准就花两个周期写完。

4.各类指令的地址信息

8086架构图 8086结构详解_数据_07