微机原理与接口技术学习笔记 8086微处理器的结构

2.1.1 8086的结构特点

    微处理器执行一段程序通常是通过重复执行如下步骤来完成的，即：

    （1）从内存储器中取出一条指令，分析指令操作码；

    （2）读出一个操作数（如果指令需要操作数）；

    （3）执行指令；

    （4）将结果写人内存储器（如果指令需要）。

    在8位微处理器中，上述步骤大部分是一个接一个串行地完成的。微处理器在取操作码、取操作数和存储操作数时要占用总线，而分析操作码和执行指令时不占用总线。由于微处理器以串行方式工作，在执行指令的过程中，总线会出现空闲时间，指令执行时间就较长。为了提高程序的执行速度，充分使用总线，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2-1所示。

    1.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，并计算形成20位的内存物理地址。

    2．执行部件 EU（Execution Unit）

    执行部件由通用寄存器、标志寄存器、运算器（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。

 

 

        图2-1  8086微处理器的基本框图

     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。这样EU执行的是BfU在前一时刻取出的指令，与此同时，BIU又在取出EU在下一时刻要执行的指令。所以，在大多数情况下，取指令所需的时间“消失”了（隐含在上一指令的执行之中）。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2-2所示。

 

        图2-2  取指令和执行指令的重叠进行

    3.8088与8086的区别

    Inte1 8088微处理器内部采用16位结构，实质上与 8086基本上是相同的，其内部的两个功能部件中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位机，同BIU相连的8088总线中数据总线为8位总线。

 

            2.1.2 8086的寄存器结构

    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2-3所示。

 

        图2-3  8086的内部寄存器

    这14个寄存器按其用途可分为通用寄存器、指令指针、标志寄存器和段寄存器四类。

    1.通用寄存器

    有8个通用寄存器，可分为两组，即：（1）数据寄存器。数据寄存器有4个，包括累加器AX（Accumulator）、基址寄存器BX（Base）、计数寄存器CX（count）和数据寄存器DX（Data）。数据寄存器的特点是，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），这两组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。

    数据寄存器可以用来存放8位或16位的二进制操作数，这些操作数可以是参加操作的数据、操作的中间结果，也可以是操作数的地址。大多数算术和逻辑运算指令都可以使用这些数据寄存器。

    （2）指针寄存器和变址寄存器。另外4个通用寄存器是：堆栈指针SP（Stack Pointer），基址指针BP（Base Pointer）、源变址寄存SI(Source Index)和目的变址寄存器DI（Destination Index）。这4个16位寄存器只能按16位进行存取操作，主要用来形成操作数的地址，用于堆栈操作和变址运算中计算操作数的有效地址。其中SP、BP用于堆栈操作，SP用来确定堆栈在内存中的地址，BP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。

    在8086的指令系统中，许多情况下，一条指令只能用一个特定的寄存器或寄存器组来完成其功能，对某些用来完成特定操作的8086指令，上述通用寄存器具有一些隐含用法，如表2-1所示。

           表2-1 通用寄存器的隐含用法

寄存器	操       作
AX	在字乘/字除指令中用作累加器 在字I/O操作时作为数据寄存器
AH 前一单元fix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />AL	字节乘、字节除 在LAHF指令中用作目的寄存器 在字节乘、字节除指令中用作累加器 在字节中I/O操作时作为数据寄存器 BCD、ASCII码数据运算时作累加器 在XLAT指令中作累加器
BX	间接寻址时，作为地址寄存器和基址寄存器 在XLAT指令中用作基址寄存器
CX	串操作时的循环次数计数器 循环操作时的循环次数计数器
CL	在循环移位和移位操作时用作环移和移位次数的计数寄存器
DX	字乘、字除指令中用作辅助寄存器 I/O指令间接寻址时作端口地址寄存器
SP	堆栈指针
SI	间接寻址时，作为地址寄存器和变址寄存器 串操作时的源变址寄存器
DI	间接寻址时，作为地址寄存器和变址寄存器 串操作时的目的变址寄存器

2．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。

    3．标志寄存器 FR（Flag Register）

    8086有一个16位的标志寄存器FR，如图2-4所示。

OF

DF

IF

TF

SF

ZF

AF

PF

CF

图2-4 8086的标志寄存器

    在16位的标志寄存器FR中有意义的有9位，其中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’。CF主要用于加、减法运算，移位和环移指令也会改变CF值。

    ②奇偶（校验）标志PF（Parity Flag）。反映操作结果低8位中“1”的个数的情况，若为偶数，PF置“1”，主要在数据通信中用来检查数据传送有无出错。

    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的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（Overflow 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。不同指令对状态标志的影响不一样，有些指令不影响状态标志。另外，进位标志CF可由指令设置。

    （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，对宇操作为加2或减

2），由DF决定地址是递增还是递减。若DF＝“1”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IF（Interrupt Fnable 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，可以借助中断服务程序来检查每条指令的执行情况；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。

 

    4.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字节内在空间分为称作“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。

 

    2.1.3  8086系统中的存储器组织及物理地址的形成

 

    1.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，如图2-5所示。

 

 

     图2-5 “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，将在第三章中讨论。

    2．存储器分段

    （1）为什么要分段。因为8086微处理器内部数指通路和寄存器皆为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。每段第一个字节的位置称为“段起始地址”，可由软件指定。对段起始地址的要求是：必须能被16整除（起始地址为XXXX0H）。段寄存器中存放了与段起始地址有关的16位“段基值”（Segment Base Value），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。若程序超过64K字节，则必须通过给段寄存器重新送新值，把超出部分转到新段中。注意，几个段可以相互重叠，也可指向同一个64K字节空间。

    （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。

    ②8086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）——该存使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位的“段内偏移量”（又称“偏移地址”）而生成的，如图2-6所示。

 

 

          图2-6 物理地址的形成

    a.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；

    b.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；

    c.当涉及一个操作数（存储器操作数）时，8086会自动选择DS值为段基值（若以BP为基地址，则SS为段基值），再加上16位偏移量形成物理地址，这16位偏移量可以来自：

     *指令中提供的直接地址——16位的位移量；

     *某一个16位地址寄存器之值；

     *指令中的位移量加上16位地址寄存器之值。

    d.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

操作类型	隐含的段基值	可替换的段基值	偏移地址
取指令	CS	无	IP
堆栈操作	SS	无	SP
BP用作基地址寄存器	SS	CS、DS、ES	EA
通用数据读写	DS	CS、ES、SS	EA
字符串操作（源地址）	DS	CS、ES、SS	SI
字符串操作（目的地址）	ES	无	DI

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