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1、 QQ:25016434 2011秋 微機(jī)原理及接口技術(shù)Autumn 2011 Ch2-4 堆棧和寄存器 Stack and Register2022/8/141復(fù)習(xí)內(nèi)容第2章 8086CPU結(jié)構(gòu)與功能微處理器的外部結(jié)構(gòu)微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)微處理器的功能結(jié)構(gòu)微處理器的寄存器組織微處理器的存儲(chǔ)器和I/O組成微處理器(CPU);CPU的內(nèi)部和外部結(jié)構(gòu);微處理器級(jí)總線的概念;CPU的功能結(jié)構(gòu); 8086寄存器結(jié)構(gòu);存儲(chǔ)器組織與分段、I/O端口地址空間;第2章 8086CPU結(jié)構(gòu)與功能本 章 重 點(diǎn) 難 點(diǎn)本講重點(diǎn)堆棧的原理及用途臨時(shí)快速保存程序環(huán)境原理:LIFO后進(jìn)的先出-不同于存儲(chǔ)器,無(wú)需地址,只需
2、要一個(gè)指針物理地址向上增長(zhǎng)和向下增長(zhǎng)用于函數(shù)調(diào)用、中斷調(diào)用、任務(wù)切換等寄存器 一般用途和特殊用途Design hazard-free and race-free level-sensitive circuit elements 設(shè)計(jì)出無(wú)競(jìng)爭(zhēng)和險(xiǎn)象的電路Design digital systems that are reconfigurable for testing 設(shè)計(jì)出可重配可測(cè)試的數(shù)字系統(tǒng)Write correct synthesisable VHDL models 編寫(xiě)出可綜合的VHDL模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu) 微處理器的總線結(jié)構(gòu)。外部結(jié)構(gòu) 微處理器的一般結(jié)構(gòu)2.1 微處理器的外部結(jié)構(gòu)8086 C
3、PU片有40個(gè)管腳,微處理器通過(guò)這些引腳與外部的邏輯部件連接,完成信息的交換。CPU的這些引腳信號(hào)稱為微處理器級(jí)的總線,它應(yīng)該能夠完成下列功能:與存儲(chǔ)器之間交換信息(指令及數(shù)據(jù));與I/O設(shè)備之間交換信息;能輸入和輸出必要的信號(hào)。 微處理器的外部結(jié)構(gòu)如圖2.1所示按功能分,這些總線可以分為三種: (1)傳送信息(指令或數(shù)據(jù))的數(shù)據(jù)總線 (Data Bus) (2)指示欲傳信息的來(lái)源或目的地址的地址總線 (Address Bus) (3)管理總線上活動(dòng)的控制總線 (Control Bus)2.1 微處理器的外部結(jié)構(gòu) CPU通過(guò)地址總線輸出地址碼來(lái)選擇某一存儲(chǔ)單元或某一稱為I/O端口的寄存器,是單
4、向的。 地址碼的位數(shù)決定了地址空間的大小。n位地址總線可有 個(gè)地址(0 -1)。16位地址總線 65536(64KB)20位地址總線 1MB32位地址總線 4GB.地址總線:2.1 微處理器的外部結(jié)構(gòu)8086/8088地址總線 20位存儲(chǔ)器地址總線20位, 地址空間 1MBI/O地址總線16位(低16位) 地址空間 64KB2.1 微處理器的外部結(jié)構(gòu).數(shù)據(jù)總線: 用于CPU和存儲(chǔ)器或I/O接口之間傳送數(shù)據(jù),是雙向的。 微處理器數(shù)據(jù)總線的條數(shù)決定CPU和存儲(chǔ)器或I/O設(shè)備一次能交換數(shù)據(jù)的位數(shù),是區(qū)分微處理器是多少位的依據(jù)。 8086 CPU的數(shù)據(jù)總線是16條,我們就說(shuō)8086 CPU是16位微處
5、理器。2.1 微處理器的外部結(jié)構(gòu).控制總線: 管理總線上的活動(dòng),用來(lái)傳送自CPU發(fā)出的控制信息或外設(shè)送到CPU的狀態(tài)信息,大部分是單向的,有有一些是雙向的。2.1 微處理器的外部結(jié)構(gòu)2.2 微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 微處理器是組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心部件,它具有運(yùn)算和控制的功能。具體地講,CPU 應(yīng)具有下述基本功能:進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算; 具有接收存儲(chǔ)器和I/O接口來(lái)的數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)給存儲(chǔ)器和I/O接口的能力;可以暫存少量數(shù)據(jù);能對(duì)指令進(jìn)行寄存、譯碼并執(zhí)行指令所規(guī)定的操作;能提供整個(gè)系統(tǒng)所需的定時(shí)和控制信號(hào);可響應(yīng)I/O設(shè)備發(fā)出的中斷請(qǐng)求。2.2 微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)及各部分功能簡(jiǎn)介 典型
6、的 CPU 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.1.1所示。 2.2 微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)I/O控制邏輯ALU控制器工作寄存器CPU程序計(jì)數(shù)器(PC)指令寄存器(IR)指令譯碼器(ID)控 制 邏 輯 部 件堆棧指示器(SP)狀態(tài)寄存器(PSW)地址寄存器數(shù)據(jù)寄存器圖2.2典型的CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.2所示 CPU包括算術(shù)/邏輯運(yùn)算單元(ALU)控制器工作寄存器組I/O 控制邏輯地址寄存器數(shù)據(jù)寄存器2.2 微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU (Arithmetic/Logic Unit ):它是運(yùn)算器的核心,幾乎所有的算術(shù)運(yùn)算,邏輯運(yùn)算和移位操作都是由 ALU 完成的。2.2 微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 工作寄存器
7、:暫存用于尋址和計(jì)算過(guò)程的信息。工作寄存器分為兩組:數(shù)據(jù)寄存器組和地址寄存器。但有的寄存器兼有雙重用途。數(shù)據(jù)寄存器用來(lái)暫存操作數(shù)和中間運(yùn)算結(jié)果。地址寄存器用于操作數(shù)的尋址。2.2 微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 控制器:它是CPU的“指揮中心”,完成指令的讀入,寄存,譯碼和執(zhí)行。從圖(3.1.1)中可以看出,一般微處理器中的控制器由6部分組成:程序計(jì)數(shù)器(PC:Program Counter )指令寄存器(IR:Instruction Register)指令譯碼器(ID:Instruction Decoder )控制邏輯部件 處理機(jī)狀態(tài)字PSW(Processor State Word )堆棧指示器(SP
8、) Stack Pointer 2.2 微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 用于保存下一條要執(zhí)行的指令的地址,即由它提供一個(gè)存儲(chǔ)器地址,按此地址從對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)器單元取出的內(nèi)容,就是要執(zhí)行的指令。一般指令是順序存放在存儲(chǔ)器內(nèi)的,所以程序計(jì)數(shù)器也叫指令地址計(jì)數(shù)器。由此可見(jiàn),在程序執(zhí)行過(guò)程中要實(shí)現(xiàn)程序的轉(zhuǎn)移,就要改變程序計(jì)數(shù)器 PC 的內(nèi)容。程序計(jì)數(shù)器(PC)2.2 微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 保存從存儲(chǔ)器中讀入的當(dāng)前要執(zhí)行的指令。指令寄存器(IR)指令譯碼器(ID) 對(duì)指令寄存器中保存的指令進(jìn)行譯碼分析??刂七壿嫴考?根據(jù)ID對(duì)指令的譯碼分析,發(fā)出相應(yīng)的一系列的節(jié)拍脈沖和電位(控制信號(hào)),去完成指令的所有操作。2.2 微處理
9、器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)處理器狀態(tài)字(PSW) 暫存處理器當(dāng)前的狀態(tài)。PSW中的各位用來(lái)指示諸如算術(shù)運(yùn)算結(jié)果的正/負(fù),是否為零,是否有進(jìn)位或借位,是否溢出等標(biāo)志。條件轉(zhuǎn)移指令將根據(jù) PSW 中的某一位的狀態(tài)決定程序是否轉(zhuǎn)移。堆棧指示器(SP) 是在對(duì)按后進(jìn)先出原則組織的稱為堆棧的專用存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行操作時(shí)提供地址的。堆棧用于子程序調(diào)用時(shí)保存返回地址和工作寄存器的內(nèi)容。2.2 微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 包括 CPU 中與輸入/輸出操作有關(guān)的邏輯。其作用是處理輸入/輸出操作。 I/O控制邏輯2.2 微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 8086/8088是Intel公司生產(chǎn)的第三代微處理器芯片。其特點(diǎn)如下: 具有20條地址線,直接尋址能力
10、達(dá)1MB。8086有16條數(shù)據(jù)線,為16位微處理器。8088有8條數(shù)據(jù)線,為準(zhǔn)16位微處理器。片內(nèi)總線和ALU均為16位,可進(jìn)行8位和16位操作。 2.3 微處理器的功能結(jié)構(gòu)8086/8088均采用全新結(jié)構(gòu),片內(nèi)均由兩個(gè)獨(dú)立的邏輯單元組成: 8086/8088CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.3所示 執(zhí)行單元(EU)總線接口單元(BIU)2.3 微處理器的功能結(jié)構(gòu)總線控制電路EU控制器標(biāo) 志暫存器通用寄存器ALU數(shù)據(jù)總線地址總線數(shù)據(jù)總線執(zhí)行單元(EU)總線接口單元(BIU)(16位)(20位)(8 位)(16位)16位ALUS SD SE SI PC S內(nèi)部寄存器B HB LA HA LD HD LS P
11、B PC LC HD IS I8086總線物理地址形成邏輯213645AXBXDXCX段寄存器(CS,DS,ES,SS)一.總線接口單元(BIU) 總線控制邏輯 地址形成邏輯8088CPU:4字節(jié)8086CPU:6字節(jié)指令隊(duì)列寄存器: 指令指針寄存器(IP)(先進(jìn)先出)2.3 微處理器的功能結(jié)構(gòu) BIU主要負(fù)責(zé)從存貯器指定區(qū)域取出指令并將取出的指令送指令隊(duì)列寄存器中排隊(duì),當(dāng)EU執(zhí)行的指令需要和外部存貯器或者I/O端口之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí),BIU就停止取指令,為EU服務(wù),完成這次總線操作;或者當(dāng)指令隊(duì)列滿時(shí),BIU也停止取指令的操作。2.3 微處理器的功能結(jié)構(gòu)二.執(zhí)行單元(EU)通用寄存器(8個(gè))
12、 EU控制器算術(shù)/邏輯運(yùn)算單元(ALU) 標(biāo)志寄存器(FLAG)(即PSW)由組成。 EU主要負(fù)責(zé)從指令隊(duì)列寄存器中獲取指令,并對(duì)指令加以執(zhí)行,完成指令所規(guī)定的操作。同時(shí)也負(fù)責(zé)算術(shù)/邏輯運(yùn)算以及進(jìn)行內(nèi)存有效地址的計(jì)算等。 2.3 微處理器的功能結(jié)構(gòu)CPU程序執(zhí)行過(guò)程:t 忙 忙 忙 忙 忙取指令1 取指令2 取指令3 取指令4 取指令5 執(zhí)行1 執(zhí)行2 執(zhí)行3 執(zhí)行4 執(zhí)行5tt圖2.4 8086/8088CPU執(zhí)行程序的過(guò)程2.3 微處理器的功能結(jié)構(gòu)下一節(jié):寄存器組織 2.3 微處理器的功能結(jié)構(gòu)EU和BIU單元執(zhí)行過(guò)程中,應(yīng)該滿足規(guī)則:當(dāng)指令隊(duì)列寄存器中無(wú)指令時(shí),EU處于等待狀態(tài);當(dāng)指令隊(duì)列
13、中存滿指令,而EU又沒(méi)有訪問(wèn)存儲(chǔ)器和I/O端口的需要,則BIU進(jìn)入空閑狀態(tài);當(dāng)指令隊(duì)列中有兩個(gè)空閑字節(jié),則BIU自動(dòng)執(zhí)行取指令的總線周期;在EU執(zhí)行指令時(shí),需要訪問(wèn)存儲(chǔ)器或I/O端口,如果這時(shí)BIU正在取指令,則應(yīng)等待BIU完成取指令周期,然后BIU進(jìn)入存儲(chǔ)器和I/O端口訪問(wèn)周期;在EU執(zhí)行轉(zhuǎn)移、子程序調(diào)用或返回等指令時(shí),自動(dòng)清除指令隊(duì)列的內(nèi)容。2.28086系統(tǒng)的儲(chǔ)存器組織一、8086存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) 8086系統(tǒng)中的存儲(chǔ)器是一個(gè)最多1M個(gè)8位數(shù)量的字節(jié)序列,即可尋址的存儲(chǔ)空間為1M字節(jié),系統(tǒng)為每個(gè)字節(jié)分配一個(gè)20位的物理地址(對(duì)應(yīng)16進(jìn)制的地址范圍從00000HFFFFFH)。 00000H00
14、001H0000FHFFFFFH(一)、數(shù)據(jù)在內(nèi)存的位置字節(jié)、字、雙字及其地址(二)、8086CPU對(duì)字/字節(jié)的讀操作16位讀從偶地址讀二、8086存儲(chǔ)器的分體結(jié)構(gòu) 8086系統(tǒng)中,存儲(chǔ)器是分體結(jié)構(gòu),1M字節(jié)的存儲(chǔ)空間分成兩個(gè)512K字節(jié)的存儲(chǔ)體。 一個(gè)是偶數(shù)地址存儲(chǔ)體,一個(gè)是奇數(shù)地址存儲(chǔ)體,兩個(gè)存儲(chǔ)體采用字節(jié)交叉編址方式 D0D7D8D1500000H00002H00004HFFFFEH00001H00003H00004HFFFFFH三、存儲(chǔ)器的分段為什么分段8086存儲(chǔ)器分4個(gè)段段基地址與段寄存器 偏移地址的產(chǎn)生邏輯地址、物理地址 段基地址和偏移地址組成了邏輯地址 格式為:段基地址:偏移地址 60002H00H12H60000H0 0 0 0段基地址(16位)段首地址 物理地址=段基地址16+偏移地址物理地址的形成 015段內(nèi)偏移地址段寄存器19400000段地址左移4位20位物理地址1905 8086分段的好處1、解決了16位地址寄存器對(duì)20位物理地址的尋址問(wèn)題2、實(shí)現(xiàn)了程序代碼的浮動(dòng)裝配8086復(fù)位后程序運(yùn)行的起始地址段寄存器使用約定四、堆棧段的使用 所謂堆棧是在存儲(chǔ)器中開(kāi)辟一個(gè)區(qū)域,用來(lái)存放需要暫時(shí)保存的數(shù)據(jù),其工作方式是“先進(jìn)后出”或“后進(jìn)先出”的方式。 8086系統(tǒng)中的堆棧段是由段定義語(yǔ)句
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