8088/8086微处理器

8088/8086微处理器的编程结构

所谓微处理器的编程结构，即是在编程人员眼中看到的微处理器的软件结构模型。

基本性能指标

• 8086：16位微处理器；8088：准16位

• 采用高速运算性能的HMOS工艺制造，芯片上集成了2.9万只晶体管

• 使用单一的+5V电源，40条引脚双列直插式封装

• 时钟频率为5MHz10MHz，基本指令执行时间为0.3ms0.6ms

• 16根数据线和20根地址线，可寻址的地址空间达1MB

• 8088/8086可以和浮点运算器、I/O处理器或其他处理器组成多处理器系统，从而极大地提高了系统的数据吞吐能力和数据处理能力

8088/8086微处理器内部结构组成

8088-8086微处理器1

1. 执行部件EU

• 执行部件中包含一个16位的算术逻辑单元（ALU），8个16位的通用寄存器，一个16位的状态标志寄存器，一个数据暂存寄存器和执行部件的控制电路。

• 功能：从BIU的指令队列中取出指令代码，经指令译码器译码后执行指令所规定的全部功能。执行指令所得结果或执行指令所需的数据，都由EU向BIU发出命令，对存储器或I/O接口进行读/写操作。

1. 总线接口部件BIU

• 总线接口部件BIU内部设有四个16位段地址寄存器：代码段寄存器CS、数据段寄存器DS、堆栈段寄存器SS和附加段寄存器ES，一个16位指令指针寄存器IP，一个6字节指令队列缓冲器，20位地址加法器和总线控制电路。

• 主要功能：根据执行部件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。

8088/8086CPU的寄存器结构

8088/8086CPU中可供编程使用的有14个16位寄存器，按其用途可分为3类：通用寄存器、段寄存器、指针和标志寄存器

1. 通用寄存器

• 通用寄存器分为数据寄存器与指针和变址寄存器两组。

• 数据寄存器包括4个16位的寄存器AX、BX、CX和DX，一般用来存放16位数据，故称为数据寄存器。其中的每一个又可根据需要将高8位和8位分成独立的两个8位寄存器来使用，即AH、BH、CH、DH和AL、BL、CL、DL两组，用于存放8位数据，它们均可独立寻址、独立使用。

• 指针和变址寄存器包括指针寄存器SP、BP和变址寄存器SI、DI，都是16位寄存器, ，一般用来存放地址的偏移量。

• 这8个16位通用寄存器都具有通用性，从而提高了指令系统的灵活性。

1. 控制寄存器

• 指令指针寄存器IP ：是一个16位的寄存器， 存放EU要执行的下一条指令的偏移地址，用以控制程序中指令的执行顺序，实现对代码段指令的跟踪 。

• 标志寄存器PSW ：是一个16位的寄存器，共9个标志，其中6个用作状态标志，3个用作控制标志。

  • 状态标志反映微处理器的工作状态，如执行加法运算时是否产生进位，执行减法运算时是否产生借位，运算结果是否为零等；

  • 控制标志对微处理器的运行起特定的控制作用，如以单步方式运行还是以连续方式运行，在程序执行过程中是否允许响应外部中断请求等。

1. 段寄存器

• 8086CPU共有4个16位的段寄存器，用来存放每一个逻辑段的段起始地址。

  • 代码段寄存器CS

  • 数据段寄存器DS

  • 堆栈段寄存器SS

  • 附加段寄存器ES

8086/8088标志寄存器的格式及各位的功能 六个状态标志的功能

1. 进位标志CF(Carry Flag)：

• 当执行算术运算指令时，其结果的最高位有进位或借位时将CF置1；否则将CF置0。

1. 奇偶标志PF(Parity Flag)：

• 该标志位反映操作结果中“1”的个数情况，若为偶数个“1”，则将PF置“1”；若为奇数个“1”，则将PF置“0”。

1. 辅助进位标志AF(Auxiliary carry Flag)：

• 也称“半进位”标志。AF＝1，表示本次运算的低4位中的最高位有进位(加法运算时)或有借位(减法运算时)。

• AF一般用于BCD运算中是否进行十进制调整的依据。十进制调整指令DAA和DAS测试这个标志位。

1. 零标志ZF(Zero Flag)：

• 反映运算结果是否为零。若结果为零，则ZF＝1；若结果不为零，则ZF＝0。

1. 符号标志SF(Sign Flag)：

• 反映带符号数(以二进制补码表示)运算结果符号位的情况。

• 若结果为负数，则SF＝1；若结果为正数，则SF＝0。

• SF的取值总是与运算结果的最高位(字节操作为D7，字操作为D15，双字操作为D31)取值一致。

1. 溢出标志OF(Overflow Flag)：

• 反映有符号数运算结果是否发生溢出。若发生溢出，则OF＝1；否则，OF＝0。

• 所谓溢出，是指运算结果超出了计算装置所能表示的数值范围。

8088/8086的存储器组织

存储器地址空间

• 存储器的地址空间为1M字节单元，其地址范围为00000H～FFFFFH。

• 存储器地址空间被分为通用和专用两种存储区。

• 从地址00000H～003FFH这第一个1024个字节单元是专用的。这个存储区为中断向量表区，专门用来存放256个中断服务程序的入口地址(也称中断向量)，每个入口地址占4个字节单元。

• 从地址FFFF0H～FFFFFH这16个字节单元保留给系统的初始化代码。

• 当处理器加电或复位(Reset)时，CPU执行的第一条指令就是起始于地址FFFF0H的。

• 通常是在FFFF0H处存放一条无条件转移指令，以转移到系统程序的入口处。

• 通用区域用来存储一般的程序指令和数据。它的地址范围为00400H～FFFEFH。

存储器分段机制

采用存储器“分段”技术原因： CPU需输出20位地址信息才能实现对1M字节单元存储空间的寻址。但实模式下CPU中所使用的寄存器均是16位的，内部ALU也只能进行16位运算，其寻址范围局限在 216＝65536(64K)字节单元。为了实现对1M字节单元的寻址，8086系统采用了存储器分段技术。

具体做法是，将1M字节的存储空间分成许多逻辑段，每段最长64K字节单元，可以用16位地址码进行寻址。每个逻辑段在实际存储空间中的位置是可以浮动的,其起始地址的低4位必须是0。段寄存器中存放的是段起始地址的高16位，称之为“段地址” 。“偏移量”(offset)也称偏移地址，它是所访问的存储单元距段的起始地址之间的字节距离。段地址和偏移地址均是16位的。

物理地址与逻辑地址 在有地址变换机构的计算机系统中，每个存储单元可以看成具有两种地址：物理地址和逻辑地址。

• 物理地址是信息在存储器中实际存放的地址，它是CPU访问存储器时实际输出的地址。

  • CPU对存储器进行读写操作时所使用的就是这样的物理地址。

• 逻辑地址是编程时所使用的地址。

  • 换句话说,程序设计时所涉及的地址是逻辑地址而不是物理地址。

  • 编程时不需要知道产生的代码或数据在存储器中的具体物理位置。这样可以简化存储资源的动态管理。

  • 在8086微机系统中，逻辑地址由“段地址”和“偏移地址”两部分构成，“段地址”和“偏移地址”均是16位的。

逻辑地址转换为物理地址计算公式：物理地址＝段地址×10H+偏移地址。

四种类型的段：代码段，数据段，附加数据段，堆栈段。

• CS – 代码段寄存器，保存代码段段地址

• DS – 数据段寄存器，保存数据段段地址

• ES – 附加数据段寄存器，保存附加数据段段地址

• SS – 堆栈段寄存器，保存堆栈段段地址

需注意的是，每个存储单元有惟一的物理地址，但该存储单元的“段地址”和“偏移地址”是相对的。换句话说，同一个物理地址与多个逻辑地址相对应。

堆栈

堆栈定义：堆栈是存储器中的一个特定的存储区，它的一端(栈底) 是固定的，另一端(栈顶)是浮动的，信息的存入和取出都只能在浮动的一端进行，并且遵循后进先出(Last In First Out)的原则。

• 堆栈是一种后进先出型数据结构。

• 堆栈是插入和删除操作都只能在一端进行的线性表。

堆栈的用途：

• 堆栈主要用来暂时保存程序运行时的一些地址或数据信息。 例如，当CPU执行调用(Call)指令时，用堆栈保存程序的返回地址(亦称断点地址)；

• 在中断响应及中断处理时，通过堆栈“保存现场”和“恢复现场”；

• 有时也利用堆栈为子程序传递参数。

堆栈的结构：

• 堆栈是在存储器中实现的，并由堆栈段寄存器SS和堆栈指针寄存器SP来定位。

• SS寄存器中存放的是堆栈段的段基值，它确定了堆栈段的起始位置。

• SP寄存器中存放的是堆栈操作单元的偏移量，SP总是指向栈顶。

堆栈的操作特点：

• 8086管理的堆栈为16位宽(字宽)，堆栈操作指令(PUSH指令或POP指令)对堆栈的操作总是以字为单位进行。

• 8086对堆栈的操作是“向下生长的(下推式)”，可概括为： “压栈时， 先修改栈指针后压入数据”， “弹栈时， 先弹出数据后修改栈指针”。

• 堆栈为空， SP指向栈底； SP=0， SP指向栈顶，此时若对堆栈进行“写”操作，将产生“溢出”。

8088/8086的I/O组织

I/O接口的基本结构如下图所示 常见的I/O端口编址方式有两种:

1. 一种是I/O端口和存储器统一编址，也称存储器映像的I/O(MemoryMapped I/O)方式

• 优点：可以用访向存储器的指令来访问I/O端口，而访问存储器的指令功能比较强，不仅有一般的传送指令，还有算术、逻辑运算指令，以及各种移位、比较指令等，并且可以实现直接对I/O端口内的数据进行处理。

• 缺点：由于I/O端口占用了一部分存储器地址空间，因而使用户的存储地址空间相对减小；另外，由于利用访问存储器的指令来进行I/O操作，指令的长度通常比单独I/O指令要长，因而指令的执行时间也较长。

1. 另一种是I/O端口和存储器独立编址，也称I/O映像的I/O(I/O Mapped I/O)方式

• 优点：

  • 第一，I/O端口不占用存储器地址，故不会减少用户的存储器地址空间；

  • 第二，单独I/O指令的地址码较短，地址译码方便，I/O指令短，执行速度快；

  • 第三，采用单独的I/O指令，使程序中I/O操作和其他操作层次清晰，便于理解。

• 缺点：

  • 第一，单独I/O指令的功能有限，只能对端口数据进行输入/输出操作，不能直接进行移位、比较等其他操作；

  • 第二，由于采用了专用的I/O操作时序及I/O控制信号线，因而增加了微处理器本身控制逻辑的复杂性。

8088/8086的外部结构

8088-8086微处理器10

8088/8086 引脚定义的方法大致分为五类：

1. 每个引脚只传送一种信息。

2. 每个引脚电平的高低代表不同的信号。

3. 在两种不同的工作方式下有不同的名称和定义。

4. 分时复用，即在不同的时间可以传送不同的信息。

5. 输入和输出分别传送不同的信息。

最小工作方式

• 当33脚接+5V时，系统就处于最小工作方式。所谓最小工作方式，就是系统中只有8088/8086一个微处理器，是一个单微处理器系统。 在最小工作方式，总线控制信号都直接由8088/8086CPU产生，系统中的总线控制逻辑电路被减到最少。

最大工作方式

• 当33脚接地时，这时的系统处于最大工作方式。在最大方式系统中，总是包含有两个或多个微处理器，其中必有一个主处理器8086，其他的处理器称为协处理器 。在最大工作方式，总线控制信号主要由总线控制器8288形成。

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《IBM-PC汇编语言程序设计（第2版）》沈美明 温冬婵 著