微型计算机原理及应用学习笔记 8086微处理器的内

一、总线结构
一个微型计算机的结构图如图2－l所示。它由微处理器、内存储器和I/O接口电路组成，采用总线结构来实现同外部世界的信息传送。总线是微处理器、内存储器和I/O 接口之间相互交换信息的公共通路。总线由数据总线、地址总线和控制总线组成。数据总线是双向总线。地址总线是单向总线，只能从微处理器向外传送。控制总线是微处理器向内存储器和I/O接口传送命令信号以及外界向微处理器传送状态信号等信息的通路。
从图2－1可见，总线是微型计算机各组成部分之间信息传输的公共通路,总线结构也影响到微处理器的内部结构。

图2-1  微型计算机结构图
二、执行部件和总线接口部件
在8位微处理器中，取指令，分析操作码，读操作数（如指令需要），执行指令，写结果等步骤大部分是一个接一个串行地完成的。为了提高程序的执行速度，充分利用总线，8086微处理器被设计为两个独立的功能部件：执行部件和总线接口部件，如图2-2所示。
 
图2-2  8086微处理器的基本框图
（一）总线接口部件BIU（Bus Interface Unit）
总线接口部件由段寄存器、指令指针、地址形成逻辑、总线控制逻辑和指令队列等组成。BIU负责从内存指定区域取出指令送到指令队列中排队，执行指令时所需要的操作数（内存操作数和I/O操作数）也由BIU从相应的内存区域或 I/O 端口取出，传送给执行部件EU。指令执行的结果如果需要存入内存的话,也由BIU 写入相应的内存区域。总之，BIU同外部总线连接为EU完成所有的总线操作，并形成20位的内存物理地址。                                                                             
（二）执行部件 EU（Execution Unit）
执行部件由通用寄存器、标志寄存器，算术逻辑部件（ALU）和EU控制系统等组成。EU从BIU的指令队列中获得指令，然后执行该指令，完成指令所规定的操作。EU用来对寄存器内容和指令操作数进行算术和逻辑运算，以及进行内存有效地址的计算。EU负责全部指令的执行，向BIU提供数据和所需访问的内存或 I/O 端口的地址，并对通用寄存器、标志寄存器和指令操作数进行管理。
由于EU和BIU这两个功能部件能相互独立地工作，并在大多数情况下，能使大部分的取指令和执行指令重叠进行，大大减少等待取指令所需的时间，提高了微处理器的利用率和整个系统的执行速度。这种取指令和执行指令的重叠过程如图2-3所示。
 
 
 
 
 
 
  
图2-3  取指令和执行指令的重叠进行
（三）8088与8086的区别
Intel8088微处理器内部采用16位结构，实质上与8086基本上是相同的，其内部的功能部件EU与8086一样，而BIU略有区别。第一，8086的指令队列是6字节长，而8088的指令队列为4字节长；第二，8086是真正的16位机，同BIU相连的8086总线中数据总线是16位总线，而8088是准16位，同BIU相连的8088总线中数据总线为8位总线。
三、8086的编程结构
对8086的程序员而言 掌握其编程结构——寄存器结构是至关重要的。在8086微处理器中可供程序员使用的有14个16位寄存器如图2.4所示（标志寄存器见图2-5）。这14个寄存器按其用途还分为通用寄存器、指令指针、标志寄存器和段寄存器四类。
 
图2-4  8086的内部寄存器
（一）通用寄存器
8个通用寄存器，可分为‘数据寄存器’以及‘指针寄存器和变址寄存器’两组。
1. 数据寄存器
有4个：累加器AX（Accumulator）、基址寄存器BX（Base）、计数寄存器CX（Count）和数据寄存器DX（Data）。其特点是，这4个16位寄存器可分为高8位（AH、BH、CH和DH）与低8位（AL、BL、CL和DL），两组8位寄存器可分别寻址、独立操作。这样，可以将数据寄存器作为一个16位寄存器进行操作，也可用作两个8位寄存器。
2. 指针寄存器和变址寄存器
它们是：堆栈指针寄存器SP（Stack Pointer）、基址指针寄存器BP（Base Pointer）、源变址寄存器 SI（Source Index）和目的变址寄存器 DI（Destination Index）。这4个16位寄存器主要用来形成操作数的地址，其中SP、BP用于堆栈操作，SP用来确定欲读写堆栈的地址，BP用来存放在现行堆栈段的一个数据区的“基地址”。SI、DI用于变址操作，存放变址地址。这4个寄存器也可用作数据寄存器。
（二）指令指针IP（Instruction Pointer）
指令指针IP是一个16位专用寄存器，它指向当前需要取出的指令字节，当BIU从内存中取出一个指令字节后，IP就自动加1，指向下一指令字节。注意，IP指向的是指令地址的段内地址偏移量，又称偏移地址（Offset Address）或有效地址（EA，Effective Address）。
程序员不能对IP进行存取操作，程序中的转移指令、返回指令以及中断处理能对IP进行操作。
（三）标志寄存器FR（Flag Register）
8086有一个16位的标志寄存器FR，如图2-5所示。
图2-5  8086的标志寄存器
其中有意义的有9位， 6位是状态位，3位是控制位，简述如下。
1. 状态位
（1）进位标志CF（Carry Flag）。反映算术运算后，最高位（字节操作为D7位，字操作为D15位）出现进位（或借位）的情况，有则为“1”。
（2）奇偶（校验）标志 PF（Parity Flag）。反映操作结果中“l”的个数的情况，若为偶数，PF置“1”（注意，只考虑低8位）。
（3）辅助进位标志 AF（Auxiliary Carry Flag）。反映一个8位量（或 16位量的低位字节）的低4位向高位（即D3向D4）有无进位（或借位）的情况，有则置“1”，AF用于BCD码算术运算指令。
（4）零标志 ZF（Zero Flag）。反映运算结果是否为零的情况，结果为零，ZF置“1”。
（5）符号标志 SF（Sign Flag）。反映带符号数运算结果符号位的情况，结果为负数，SF置“1”，SF取值与运算结果的最高位（字节操作为D7，字操作为D15）取值一致。
（6）溢出标志OF（Over Flag）。反映带符号数（以二进制补码表示）运算结果是否超过机器所能表示的数值范围的情况，对字节运算为-128~＋127，对字运算为-32768~＋32767。若超过上述范围，称为“溢出”，OF置“1”。
注意：“溢出”与“进位”是两种不同的概念，某次运算结果有‘溢出’不一定有“进位”；反之有“进位”也不一定有“溢出”。
上述6个状态标志由执行部件EU设置，反映算术或逻辑运算结果的某些特征，这些状态标志常用来影响或控制某些后续指令（例如，条件转移指令、循环指令等）的执行。
2．控制位
（1）方向标志 DF（Direction Flag）。在进行字符串操作时，每执行一条串操作指令，对源或（与）目的操作数的地址要进行一次调整（对字节操作为加1或减1，对字操作为加2或减2），由DF决定地址是递增还是递减。若DF=“l” 为递减，即从高地址向低地址进行，DF“0”为递增。
（2）中断允许标志位IF（Interrupt Enable Flag）。表示系统是否允许响应外部的可屏蔽中断，若IF=1，表示允许响应。IF对不可屏蔽中断请求以及内部中断不起作用。
（3）陷阱标志位TF（Trap Flag）。当 TF=“1”时，微处理器每执行完一条指令便自动产生一个内部中断，转去执行一个中断服务程序，称为“单步工作方式”， 常用于程序的调试。
上述3个控制标志用来控制微处理器的某些操作，可以由指令来设置。
（四）段寄存器（SEGMENT  REGISTER）
在微机系统的内存中，通常存放着三类信息，即
（1）代码（指令）---指示微处理器执行何种操作；
（2）数据（字符、数值）---程序处理的对象；
（3）堆栈信息---被保存的返回地址和中间结果。
在8086系统中，这三类信息通常分别存放在各自的内存区域中--8086存储系统中的不同存储段。
8086系统中把可直接寻址的1M 字节内存空间分为称作“段”的逻辑区域，每个段的物理长度为64K字节，而段的起始地址由称为“段寄存器”的4个16位寄存器决定，这4个段寄存器为：
（1）代码段寄存器CS（Code Segment），指向当前的代码段，指令由此段中取出；
（2）堆栈段寄存器 SS（Stack Segment），指向当前的堆栈段，堆栈操作的对象就是该段中存储单元的内容；
（3）数据段寄存器 DS（Data Segment），指向当前的数据段，通常用来存放程序变量（存储器操作数）；
（4）附加段寄存器 ES（Extra Segment），指向当前的附加段，通常也用来存放数据。
8086利用上述段寄存器的内容，通过适当转换可以访问这4个存储段--代码段、堆栈段、数据段和附加段。
四、8086系统中的存储器组织及物理地址的形成
（一）存储器组织
8086微处理器有20条地址线，可以配置1M字节（1048576字节）的内存储器，地址编号为00000H～FFFFFH。存储空间都按8位字节进行组织，每个存储单元存储一个字节数据，若存放“字”数据（16位），则存放在相邻两个存储单元中，高字节存放在高地址单元、低字节存放在低地址单元（W=BHBL），如图2-6所示。
                            图2-6    “字”数据存放情况
如果不考虑数据存取的速度，则指令、字节数据和字数据可以自由地存放在内存的任何字节地址中，而不必考虑 “对准”问题，因此代码可以紧凑地存放在存储器中，从而节省了存储空间。至于“对准”问题，将在第五章中讨论。
（二）存储器分段
 1.为什么要分段
因为8086微处理器内部数据通路和寄存器皆为 16位，内部 ALU只能进行16位运算，在程序中也只能使用16位地址，寻址范围局限在216＝65536（64K）字节，为了能寻址1M字节地址，所以要引入“分段”概念。
2.分段
8086程序把1M字节的存储空间看成为一组存储段，各段的功能由具体用途而定，分别为代码段、堆栈段、数据段和附加段。一个存储段是存储器的一个逻辑单位，其长度可达64K字节，每个段都由连续的存储单元构成，并是存储器中独立的、可分别寻址的单位。对段起始地址的要求是：最好能被16整除（起始地址为X X X X0H）。段寄存器中存放了与段起始地址有关的16位“段基值”（Segment Base），一旦 4个段寄存器的内容确定后，程序就可访问4个段中的任一存储单元。
3. 物理地址与逻辑地址
（1）在具有地址变换机构的计算机中，有两种存储器地址，一种是允许在程序中编排的地址--逻辑地址（Logical Address）；另一种是信息在存储器中实际存放的地址--物理地址（Physical Address）。在 8086系统中每个存储单元也有两种地址。
（2）8086系统中，8086微处理器与内存储器之间所有信息交换都要使用20位的物理地址。而在程序中所涉及的地址都是16位的逻辑地址。对给定的任一存储单元而言有两部分逻辑地址：“段基值”——决定该段第一个字节的位置； “段内偏移量”（Offset）--该存储单元相对于该段起始单元的距离。
“段基值”存放在段寄存器（CS、SS、DS和ES）中，而“段内偏移量”由SP、BP、SI 、DI、IP、BX以及上述寄存器的组合而形成。
（3）物理地址的生成。
存储单元的20位物理地址是通过将16位的“段基值”左移4位再加上16位 “段内偏移量 ”（又称 “偏移地址”）而生成的，如图2-7所示。
图2-7  物理地址的形成
1）当取指令时，8086会自动选择 CS值作为段基值，再加上由IP提供之偏移量形成物理地址；
2）当涉及堆栈操作时，8086会自动选择SS值作为段基值，再加上由SP提供之偏移量形成物理地址；
3）当涉及一个操作数（存储器操作数）时，8086会自动选择DS值作为段基值，再加上16位偏移量形成物理地址；这16位的位移量可以来自①指令中提供的直接地址——16位的位移量；②某一个16 地址寄存器之值2；③指令中的位移量加上16位地址寄存器之值。
 4）ES用于串操作指令中的数据块传送指令。
总之，8086系统中逻辑地址的来源可归纳如表2-2所示

表2-2                逻辑地址的来源

  注：EA （Effective Address）为有效地址，反映操作数的段内偏移地址。