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第二章 微处理器与系统结构-1

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第2章 ARM体系结构

第2章 ARM体系结构


• 控制位
–
程序状态寄存器PSR（Program Status Register）的最低8位I、F、T和 M[4：0]用作控制位。当异常出现时改变控制位。处理器在特权模式 下时也可由软件改变。
• 中断禁止位 I：置1，则禁止IRQ中断； F：置1，则禁止FIQ中断。 • T位 T=0 指示ARM执行； T=1 指示Thumb执行。 • 模式控制位 M4、M3、M2、Ml和M0（M[4:0]）是模式位，决定处理器 的工作模式，如表2.3.1所列。
6 （最低）
6 5
数据中止
IRQ （外部中断请求） FIQ （快速中断请求）
中止（数据）
IRQ FIQ
中止模式
IRQ FIQ
0x0000,0010
0x0000,0018 0x0000,001C
2
4 3
2.4.2 异常类型的含义
（1）复位
• • 处理器的复位电平有效时，产生复位异常 当ARM处理器或协处理器遇到不能处理的指令时，产生未定义指令异常
2.4 ARM微处理器的异常处理
• 异常：在一个正常的程序流程执行过程中，由内 部或外部源产生的一个事件使正常的程序产生暂 时的停止，称之为异常。
2.4.1 ARM体系结构的异常类型
• ARM体系结构支持7种类型的异常
• 异常出现后，强制从异常类型对应的固定存储器地址开始 执行程序。这些固定的地址称为异常向量（Exception Vectors）。
M[4:0]模式控制位
M[4： 0] 10000 10001 10010 10011 10111
处理器工作 模式 用户模式 FIQ模式 IRQ模式 管理模式 中止模式
可访问的寄存器 PC，CPSR，R14～R0 PC，R7～R0，CPSR, SPSR_fiq，R14_fiq～ R8_fiq PC，R12～R0，CPSR, SPSR_irq，R14_irq， R13_irq PC，R12～R0, CPSR, SPSR_svc，R14_svc， R13_svc PC，R12～R0, CPSR, SPSR_abt，R14_abt， R13_abt
单片机课件第二章 ARM体系结构

单片机课件第二章 ARM体系结构


2.5
ARM微处理器指令系统
2.5.1 基本寻址方式
寻址方式是根据指令中给出的地址码字段来实现寻找真实操作数地 址的方式，ARM处理器有9 种基本寻址方式。
1.寄存器寻址
操作数的值在寄存器中，指令中的地址码字段给出的是寄存器编 号，指令执行时直接取出寄存器值操作。
例如指令： MOV R1,R2 SUB R0,R1,R2
11111
系统模式
PC，R14～R0，CPSR（ARM v4及以上版本）
并非所有的模式位组合都能定义一种有效的处理器模式。其他组合的 结果不可预知。
2.2 ARM微处理器的寄存器结构
2.2.4 Thumb状态的寄存器集
2.2 ARM微处理器的寄存器结构
2.2.4 Thumb状态的寄存器集
Thumb 状态的寄存器在ARM 状态的寄存器上的映射


在Thumb状态下，程序计数器PC（Program Counter）使用位[1]选 择另一个半字。ARM处理器在两种工作状态之间可以切换。
Thumb状态：当操作数PSR控制位T为1时，执行BX指令进入Thumb 状态。如果处理器在Thumb状态进入异常，则当异常处理（IRQ、 FIQ、Undef、Abort和SWI）返回时，自动转换到Thumb状态。（异 常都是在ARM 状态中执行） ARM状态：当操作数PSR控制位T为0时，执行BX指令进入ARM状态 ；处理器发生异常（IRQ、FIQ、Reset、Undef、Abort和SWI）。在 此情况下，把PC内容复制到异常模式的链接寄存器中，并且异常处 理将从异常向量地址开始。
sys（系统模式）：运行具有特权的操作系统任务。

und（未定义指令中止模式）：当未定义的指令执行时进入该 模式，可用于支持硬件协处理器的软件仿真。
《微处理器系统结构与嵌入式系统设计》课程教案

《微处理器系统结构与嵌入式系统设计》课程教案

《微处理器系统结构与嵌入式系统设计》课程教案第一章：微处理器概述1.1 微处理器的定义与发展历程1.2 微处理器的组成与工作原理1.3 微处理器的性能指标1.4 嵌入式系统与微处理器的关系第二章：微处理器指令系统2.1 指令系统的基本概念2.2 常见的指令类型及其功能2.3 指令的寻址方式2.4 指令执行过程第三章：微处理器存储系统3.1 存储器的分类与特点3.2 内存管理单元（MMU）3.3 存储器层次结构与缓存技术3.4 存储系统的性能优化第四章：微处理器输入/输出系统4.1 I/O 接口的基本概念与分类4.2 常见的I/O 接口技术4.3 直接内存访问（DMA）4.4 interrupt 与事件处理第五章：嵌入式系统设计概述5.1 嵌入式系统的设计流程5.2 嵌入式处理器选型与评估5.3 嵌入式系统硬件设计5.4 嵌入式系统软件设计第六章：嵌入式处理器架构与特性6.1 嵌入式处理器的基本架构6.2 嵌入式处理器的分类与特性6.3 嵌入式处理器的发展趋势6.4 嵌入式处理器选型considerations 第七章：数字逻辑设计基础7.1 数字逻辑电路的基本概念7.2 逻辑门与逻辑函数7.3 组合逻辑电路与触发器7.4 微处理器内部的数字逻辑设计第八章：微处理器系统设计与验证8.1 微处理器系统设计流程8.2 硬件描述语言（HDL）与数字逻辑设计8.3 微处理器系统仿真与验证8.4 设计实例与分析第九章：嵌入式系统软件开发9.1 嵌入式软件的基本概念9.2 嵌入式操作系统与中间件9.3 嵌入式软件开发工具与环境9.4 嵌入式软件编程实践第十章：嵌入式系统应用案例分析10.1 嵌入式系统在工业控制中的应用10.2 嵌入式系统在消费电子中的应用10.3 嵌入式系统在医疗设备中的应用10.4 嵌入式系统在其他领域的应用案例分析第十一章：嵌入式系统与物联网11.1 物联网基本概念与架构11.2 嵌入式系统在物联网中的应用11.3 物联网设备的硬件与软件设计11.4 物联网安全与隐私保护第十二章：实时操作系统（RTOS）12.1 实时操作系统的基本概念12.2 RTOS的核心组件与特性12.3 常见的实时操作系统及其比较12.4 实时操作系统在嵌入式系统中的应用第十三章：嵌入式系统功耗管理13.1 嵌入式系统功耗概述13.2 低功耗设计技术13.3 动态电压与频率调整（DVFS）13.4 嵌入式系统的电源管理方案第十四章：嵌入式系统可靠性设计14.1 嵌入式系统可靠性概述14.2 故障模型与故障分析14.3 冗余设计技术与容错策略14.4 嵌入式系统可靠性评估与测试第十五章：现代嵌入式系统设计实践15.1 现代嵌入式系统设计挑战15.2 多核处理器与并行处理15.3 系统级芯片（SoC）设计与集成15.4 嵌入式系统设计的未来趋势重点和难点解析第一章：微处理器概述重点：微处理器的定义、发展历程、组成、工作原理、性能指标。

微机原理课件第二章 8086系统结构

微机原理课件第二章 8086系统结构


但指令周期不一定都大于总线周期，如MOV AX，BX
操作都在CPU内部的寄存器，只要内部总线即可完成，不 需要通过系统总线访问存储器和I/O接口。
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• 8086CPU的典型总线时序，充分体现了总 线是严格地按分时复用的原则进行工作的。 即：在一个总线周期内，首先利用总线传 送地址信息，然后再利用同一总线传送数 据信息。这样减少了CPU芯片的引脚和外 部总线的数目。
• 执行部件（EU）
• 功能：负责译码和执行指令。
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• 联系BIU和EU的纽带为流水指令队列
• 队列是一种数据结构，工作方式为先进先出。写入的指令 只能存放在队列尾，读出的指令是队列头存放的指令。
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•BIU和EU的动作协调原则 BIU和EU按以下流水线技术原则协调工作，共同完成所 要求的任务： ①每当8086的指令队列中有空字节，BIU就会自动把下 一条指令取到指令队列中。 ②每当EU准备执行一条指令时，它会从BIU部件的指令 队列前部取出指令的代码，然后译码、执行指令。在执 行指令的过程中，如果必须访问存储器或者I／O端口， 那么EU就会请求BIU，完成访问内存或者I／O端口的操 作； ③当指令队列已满，且EU又没有总线访问请求时，BIU 便进入空闲状态。（BIU等待，总线空操作） ④开机或重启时，指令队列被清空；或在执行转移指令、 调用指令和返回指令时，由于待执行指令的顺序发生了 变化，则指令队列中已经装入的字节被自动消除，BIU会 接着往指令队列装入转向的另一程序段中的指令代码。 （EU等待）
•CF（Carry Flag）—进位标志位，做加法时最高位出现进位或 做减法时最高位出现借位，该位置1，反之为0。
第二章 8086微处理器

第二章 8086微处理器

第二章8086/8088微处理器及其系统结构内容提要：1．8086微处理器结构：CPU内部结构：总线接口部件BIU，执行部件EU；CPU寄存器结构：通用寄存器，段寄存器，标志寄存器，指令指针寄存器；CPU引脚及其功能：公用引脚，最小模式控制信号引脚，最大模式控制信号引脚。

2．8086微机系统存储器结构：存储器地址空间与数据存储格式；存储器组成；存储器分段。

3．8086微机系统I/O结构4．8086最小/最大模式系统总线的形成5．8086CPU时序6．最小模式系统中8086CPU的读/写总线周期7．微处理器的发展学习目标1．掌握CPU寄存器结构、作用、CPU引脚功能、存储器分段与物理地址形成、最小/最大模式的概念和系统组建、系统总线形成；2．理解存储器读/写时序；3．了解微处理器的发展。

难点：1．引脚功能，最小/最大模式系统形成；2．存储器读/写时序。

学时：8问题：为什么选择8088/8086？•简单、容易理解掌握•与目前流行的P3、P4向下兼容，形成x86体系•16位CPU目前仍在大量应用思考题1、比较8086CPU与8086CPU的异同之处。

2、8086CPU从功能上分为几部分?各部分由什么组成?各部分的功能是什么?3、CPU的运算功能是由ALU实现的，8086CPU中有几个ALU?是多少位的ALU?起什么作用?4、8086CPU有哪些寄存器?各有什么用途?标志寄存器的各标志位在什么情况下置位?5、8086CPU内哪些寄存器可以和I/O端口打交道，它们各有什么作用?6、8086系统中的物理地址是如何得到的?假如CS=2400H，IP=2l00H，其物理地址是多少?思考题1.从时序的观点分析8088完成一次存储器读操作的过程？2.什么是8088的最大、最小模式？3.在最小模式中，8088如何产生其三总线？4.在最大模式中，为什么要使用总线控制器？思考题1.试述最小模式下读/写总线周期的主要区别。

第2章微型计算机系统的组成及工作原理

第2章微型计算机系统的组成及工作原理


2.5.6 ISA总线的定义与应用
2. ISA总线的信号线定义 ——98芯插槽，包括地址线、数据线、控制线、时钟和电源线 (1)地址线：SA019和LA1723 (2)数据线：SD015 (3)控制线：AEN、BALE、 IOR 和 IOW、 SMEMR和 SMEMW
MEMR 和 MEMW、 MEM CS16 和 I/O CS16 、SBHE
2.1.2 微机系统的软件配置
系统软件、工具软件、应用软件、用户应用程序
.3 微机系统中的信息流与信息链
1. 微机系统中信息流与信息链的构成 信息流：存储器中的数据、程序代码；接口寄存器中的I/O数据、 状态、I/O命令 信息链：信息流在系统中流动的路径； 包括物理(硬件)环节和逻辑(软件)环节 2. 微机系统中信息流与信息链 ——早期微机系统/现代微机系统中的信息链 3. 研究信息流与信息链的意义 ——通过信息流从整体上认识微机体系结构和组成微机系统的各 部件之间的关系
2.5.7 现代微机总线技术的新特点
3. 总线桥 (1) 总线桥 ——总线转换器和控制器，是两种不同总线间的总线接口 内部包含兼容协议及总线信号和数据缓冲电路；把一条总线映 射到另一条总线上 北桥：连接CPU总线和PCI总线的桥 南桥：连接PCI总线和本地总线(如ISA)的桥 (2) PCI总线芯片组 ——实现总线桥功能的一组大规模集成专用电路 保持主板结构不变前提下，改变这些芯片组的设计，即可适应 不同微处理器的要求 4. 多级总线结构中接口与总线的连接
2.4 I/O设备与I/O设备接口
2.4.1 I/O设备及其接口的作用
1. I/O设备的作用 2. I/O设备接口的作用——连接与转换
2.4.2 I/O设备的类型及设备的逻辑概念
微机原理-1

微机原理-1


第一章 微型计算机基础
5
由18000多只电子管组成，重30吨，功率15 第一台数字式电子计算机 ENIAC 千瓦，占地 170平方米。
第一章 微型计算机基础
6
EDVAC计算机： 1951年，冯·诺依曼（Von Neumann）与 莫尔小组合作研制了EDVAC （Electronic Discrete variable Automatic Computer)计算机 ，在这台计算机中确立了计算机的5个基本部 件：输入器（输人数据和程序）、存储器（存 放程序和数据）、控制器（控制程序的执行） 、运算器（完成数据的加工处理）和输出器（ 输出处理结果），并采用了二进制，程序存储 在计算机内部。 －－－－冯·诺依曼结构计算机 现代计算机大部分仍采用冯·诺依曼结构
第一章 微型计算机基础
24
存储单元地址：通常，存储器由多个存储单元组 成，微机赋予每个存储单元一个地址，CPU通过 这个地址与该单元进行数据传输。 存储容量：指整个存储器所能包含的字节单元或 位单元的数量。
第一章 微型计算机基础
常用的存储容量单位有： 位，即bit，简记作b; 字节（8个位），即Byte，简记作B; 千字节（210字节），记做KB，1KB=1024B 兆字节（220字节），记做MB，1MB=1024KB GB(230字节），1GB=1024MB TB(240字节），1TB=1024GB
第一章 微型计算机基础
3
第一章 计算机基础
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 绪论 数制及其转换 非数值信息的二进制表示 微型计算机的二进制数运算 带符号数的表示和运算
第一章 微型计算机基础
4
第一节 绪论
一、计算机的发展
ENIAC计算机： 1946年2月，美国物理学博士莫克利和电气 工程师埃克特领导的莫尔小组，为了给美国陆军 编制各种武器的弹道表，研制成出第一台数字式 电子计算机ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Calculator)。
微机原理课后习题解答

微机原理课后习题解答

微机原理习题第一章绪论习题与答案1. 把下列二进制数转换成十进制数、十六进制数及BCD码形式。

（1）10110010B =（2）01011101.101B =解：（1）10110010B = 178D = B2H = （0001 0111 1000）BCD （2）01011101.101B = 93.625D = 5D.AH= （1001 0011.0110 0010 0101）BCD2. 把下列十进制数转换成二进制数。

（1）100D =（2）1000D =（3）67.21D =解：（1） 100D = 01100100B（2） 1000D = 1111101000B（3）67.21D = 1000011.0011B3. 把下列十六进制数转换成十进制数、二进制数。

(1) 2B5H =(2) 4CD.A5H =解：（1）2B5H = 693D = 0010 1011 0101B（2）4CD.A5H = 1229.6445D = 0100 1100 1101.1010 0101 B4. 计算下列各式。

（1）A7H+B8H =（2）E4H-A6H =解：（1）A7H+B8H = 15FH（2）E4H-A6H = 3EH5. 写出下列十进制数的原码、反码和补码。

（1）+89（2）-37解：（1）[+89 ] 原码、反码和补码为: 01011001B（2）[-37] 原码= 10100101 B[-37] 反码= 11011010 B[-37] 补码= 11011011 B6．求下列用二进制补码表示的十进制数（1）（01001101）补=（2）（10110101）补=解：（1）（01001101）补= 77D（2）（10110101）补= -75D7．请用8位二进制数写出下列字符带奇校验的ASCII码。

（1）C：1000011 （2）O：1001111（3）M：1001101 （4）P：1010000解：（1）C：0 1000011 （2）O：0 1001111（3）M：1 1001101 （4）P：1 10100008．请用8位二进制数写出下列字符带偶校验的ASCII码。

单片机CPU的内部结构

单片机CPU的内部结构

• 可用来选择最大模式或最小 模式工作。
• 最大模式：存储器与IO读写 信号由总线控制器产生，要 较多外围芯片。
• 最小模式：存储器与I/O读写 信号由CPU直接提供，外围 芯片较少。
联合使用。CPU每5个
10
时钟时钟周期检测一次
11
12
TEST信号，如高，继
13
续执行WAIT，否则， 跳过WAIT指令，执行
14 15 AD0 16
后续指令。
NMI 17 INTR 18
Intel 8088
33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 TEST
• 可用来支持实现多CPU 协同工作。
14
) DF：方向标志，用来控制串操作指令的执 行。
– DF=0则串操作指令的地址自动增量； – 若DF=1，则自动减量。
) IF：中断标志，用来控制对可屏蔽中断的响 应。
– IF=1, 则允许CPU响应可屏蔽中断； – IF=0，则CPU不能响应可屏蔽中断。
) TF：单步标志。
– 若TF=1，则CPU进入单步工作方式，即CPU每执 行一条指令就自动产生一次内部中断；
Intel 8088
40 39 A15 38 A16/S3 37 36 35 A19/S6 34 33 32
31
30 29 28 27 26 25 24 23
共20根地址线，寻址空间
19 20
21
为：220＝1M
22
21 22
1
40
数据总线
A14 2 3
39 A15 38 A16/S3
4
37
分时输出的AD0～AD7，
5第一节cpu的内部逻辑结构一cpu的组成和功能1cpu的组成cpu主要由运算器控制器寄存器组和片内总线等组成2cpu的功能1指令控制2操作控制3时序控制4执行指令5数据加工运算2eu20位地址ahalbhbl加法器biuchcldhdlspesbpds总线siss控制csipdi逻辑数据算逻部件执行部件控制123456标志寄存器系统指令队列8086微处理器的内部结构4具体的说地址加法器将段寄存器16位的内容左移4位然后与指令指针寄存器ip的内容相加得到20位的物理地址
微机原理与接口技术总复习

微机原理与接口技术总复习

微机原理与接⼝技术总复习微机原理与接⼝技术总复习第⼀部分：填空题第⼀章微机的基本知识1.1基本知识结构微机的构成（包括硬件：主机+外设；软件：操作系统+编译程序+汇编程序+诊断程序+数据库等）微机的⼯作原理和⼯作过程①⼯作原理（冯.诺依曼原理）②⼯作过程（取指令、分析指令、执⾏指令）③控制器的两个主要功能了解微机的主要技术指标数的原码、反码、补码的表⽰⽅法及补码的运算⼆、⼋、⼗、⼗六进制数的表⽰及其相互转换ASCII码、BCD码的表⽰⽅法及其运算、修正原则⽆符号数与符号数的运算及其对标志位的影响1.2相关习题1.对于⼆进制数0110 1001B，⽤⼗进制数表⽰时为：105D；⽤⼗六进制数表⽰时为：69H。

BCD2.设机器字长为8位，最⾼位是符号位。

则⼗进制数–11所对应的原码为：10001011B。

3.已知某数的原码是10110110B，则其反码是11001001B ；补码是11001010B 。

4.⼀个8位⼆进制数⽤补码⽅式表⽰的有符号数的范围是-128~+127 。

第⼆章微处理器与系统结构2.1基本知识结构掌握8086CPU的内部结构与主要引脚信号功能1、内部结构（BIU与EU）组成与功能2、主要引脚信号AD0~AD15, A16/S3~A19/S6,（地址锁存的必要性）BHE, NMI, INTR, INTA, HOLD, HLDA, RESET,READY, ALE, DEN，LOCK，RD，WR，M/IO。

熟悉8086 CPU 内部寄存器阵列了解8086最⼤组态与最⼩组态的区别熟悉存储器物理地址的⽣成及存储器组织20位地址如何⽣成；存储器是如何组织的，字节、字、字符串在内存中是如何存放的。

熟悉CPU中的标志寄存器及堆栈6个状态标志+3个控制标志；堆栈定义、堆栈组成及操作，为什么要设置堆栈？熟悉系统的输⼊/输出结构和基本总线周期（会画读、写周期基本时序图）2.2相关习题1.8086 CPU从功能上分为EU 和BIU 两部分。

微计算机原理(第2版)第二章课后习题答案 潘名莲 马争 丁庆生 编著

微计算机原理(第2版)第二章课后习题答案 潘名莲 马争 丁庆生 编著

第二章IA-32结构微处理器及其体系结构2-1 请将左边的术语和右边的含义联系起来，在括号中填入右边的代号字母：1.字长（i）a. 指由8个二进制位组成的通用基本单元。

2.字节（a）b. 是CPU指令执行时间的刻度。

3.指令（h）c. μPS所能访问的存储单元数，与CPU地址总线条数有关4.基本指令执行时间（g）d. 唯一能代表存储空间每个字节单元的地址，用五位16进制数表示。

5.指令周期（j）e. CPU执行访问存储器或I/O操作一次所花的时间。

6.时钟周期（b）f. 由段基址和偏移地址组成，均用四位16进制数表示。

7.总线周期（e）g. 指寄存器执行加法指令所花的时间。

8.Cache （k）h. 完成操作的指令。

9.虚拟存储器（l）i.指μP在交换，加工，存放信息时信息位的最基本长度。

10.访存空间（c）j. 各条指令执行所花时间，不同指令不一。

11.实际地址（d）k. 为缓解CPU与主存储器间交换数据的速度瓶颈而建立的高速缓冲存储器。

12.逻辑地址（f）l. CPU执行程序时看到的一个速度接近内存却具有外存容量的假想存储器2-2 下面列出计算机中常用的一些单位，试指出其用途和代表的含义。

例：页面。

用来表示存储器容量的一种单位，1页面=256B（字节）（1）MIPS （2）KB （3）MB （4）GB （5）TB解：（1）MIPS 百万条指令每秒，用来表示计算机运算速度的一种单位。

（2）KB 千字节，用来表示存储器容量的一种单位，1KB=210B（3）MB 兆字节，用来表示存储器容量的一种单位，1MB=220B（4）GB 吉字节，用来表示存储器容量的一种单位，1GB=230B（5）TB 太字节，用来表示存储器容量的一种单位，1TB=240B2-3 在下列各项中，选出8086的EU和BIU的组成部件，将所选部件的编号填写与后：EU BIU1. 地址部件AU2. 段界检查器3. ALU4. 20位地址产生器∑5. 20位物理地址加法器6. 指令队列7.状态标志寄存器8. 总线控制逻辑9. 控制单元10.段寄存器组11. 指令指针12. 通用寄存器组解：EU 3、7、9、12 BIU 1、2、4、5、6、8、10、112-4 试将左边的标志和右边的功能联系起来。

微处理器与系统结构PPT详细讲解


•29 •HLDA* •28 •WR*
有效，三态)
•27 •M/IO* 测试信号(输入、低电
•26 •DT/R* •25 •DEN*
平有效)
•24 •23 •22
•ALE* •INTA* •TEST
READY 准备就绪(输入 、高电平有效)
•21 •READY
•RESET
状态信号指示当前使用段
一、8086通用引脚信号
•1
•40 •VCC
•2
•39 •AD15 INTR可屏蔽中断请求
•3 •4
•38 •A16/S3 •37 •A17/S4
信号(输入、高有效)
•5 •6
•36 •35
•A18/S5 •A19/S6
NMI非屏蔽中断请求(
•7 •8
•34 •BHE/S7 •33 •MN/M
输入，上升沿触发)
•GND •AD14 •AD13 •AD12 •AD11 •AD10 •AD9 •AD8 •AD7 •AD6 •AD5 •AD4 •AD3 •AD2 •AD1 •AD0 •NMI •INTR •CLK •GND
二、8086最小模式引脚信号
M/ 存储器/IO控制信号
•1 •2 •3
•40 •39 •38
微处理器与系统结构PPT详 细讲解
第二章学习要点
重点掌握内容： 1．微处理器的基本结构。 2．Intel 8086微处理器的基本结构，包括： 功能结构、寄存器结构和总线结构。 3．Intel 8086微处理器系统的组成： 控制核心单元＋存储器组织＋I/O端口组织 4．Intel 8086微处理器在最小模式下的典型总线 操作和时序。 5．几个重要概念：时钟周期，总线周期，指令周期。

微处理器的体系结构


兼容性
针对系列计算机 要求所有机种间能够保持向上兼容和向后兼容 向上兼容：为某个档次机种编制的软件能够不加修 改地运行在比它高档的机种上 向后兼容：为某个时期生产的机种编制的软件能够 不加修改地运行在它之后生产的机种上 Pentium微处理器的运行模式：实模式、保护模式
兼容性 针对（软件）体系结构，非硬件实现
1000：1234 0100：ABCD
计算机体系结构是程序员所看到的系统的一些属性： 概念性的结构和功能上的表现，这些属性既不同于数 据流和控制的组织，也不同于逻辑设计和物理实现。
Amdahl,1964
计算机体系结构是连接硬件和软件的一门学科，它研 究的内容不但涉及计算机硬件，也涉及计算机软件。
计算机体系结构与计算机组成
区别在于关心的问题不同： •计算机体系结构关心的是怎样合理地进行软硬 件功能分配，为软件人员提供适用的计算机 •计算机组成关心的是怎样合理地实现分配给硬 件的功能和指标，提高性能价格比
第二章 Pentium微处理器的体系结构
2.1 计算机体系结构的含义 2.2 Pentium微处理器的内部结构 2.3 实模式软件体系结构 2.4 保护模式软件体系结构 2.5 浮点部件软件体系结构
2.1 计算机体系结构的含义
计算机体系结构 = computer architecture (计算机系统结构)
简单指令：完全由硬件执行而无需任何微码控制， 在一个时钟周期内执行的指令
•mov reg, reg/mem/imm •mov mem,reg/imm •alu reg, reg/mem/imm •alu mem, reg/imm •inc reg/mem •dec reg/mem •push reg/mem •pop reg •lea reg, mem •jmp/call/jcc near •nop

微机原理第二章8086微处理器

▪ 表面上看来，微处理器的外部就是数量有限的输入输出 引脚。但是，正是依靠这些引脚与其它逻辑部件相连接， 才能组成多种型号的微型计算机系统。
▪ 这些引脚就是微处理器级总线。微处理器通过微处理器 级总线沟通与外部部件和设备之间的联系。这些总线及 其信号必须完成以下功能：
▪ （1）和存储器之间交换信息； ▪ （2）和I/O设备之间交换信息； ▪ （3）为了系统工作而接收和输出必要的信号，如输入
▪ 时钟信号输入端。19 CLK（输入） ▪ 8086和8088为5MHz。 ▪ 8086/8088的CLK信号必须由8284A时钟发生器产生。 ▪ 微处理器是在统一的时钟信号CLK控制下，按节拍进行
工作的。
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8086/8088微处理器——微处理器的引脚功能
▪ 工作方式控制线 33
指令执行示例
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第二章：8086/8088微处理器
1. 微处理器ห้องสมุดไป่ตู้结构 2. 微处理器的内部寄存器 3. 微处理器的引脚功能 4. 微处理器的存储器组织 5. 最大模式和最小模式 6. 微处理器的时序
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▪ 存储器分段
▪ 由于CPU内部的寄存器都是16位的，为了
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第二章：8086/8088微处理器
1. 微处理器的结构 2. 微处理器的内部寄存器 3. 微处理器的引脚功能 4. 微处理器的存储器组织 5. 最大模式和最小模式 6. 微处理器的时序
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8086/8088微处理器——微处理器的引脚功能
▪ 一、微处理器的外部结构
时钟脉冲、复位信号、电源和接地等。

第2章 微型计算机和微处理器的结构


2.1.1 微处理器（微处理机）
微处理器：是微型计算机的中央处理部件，是由一片 或几片大规模集成电路组成的中央处理器，一般也称 CPU（Center Process Unit）。其内部通常包括算术逻辑 部件，累加器、通用寄存器组，程序计数器，时序和控制 逻辑部件，内部总线等等。 2.1.2 存储器
存储结果 1
取指令 4
……
EU
……
译码 1
执行 1
译码 2
执行 2
……
（b）流水处理
如图： 8086/8088 CPU 由于指令执行部件EU和总线接口 部件BIU相互独立，可并行操作，进行流水线处理。若一条指 令执行过程中不需要从存储器取操作数和向存储器存储结果， 即不占CPU总线时间，总线接口部件便可对下一条要执行的指 令预取。可见。采用流水线技术提高了指令执行速度。
2.2.3 8086/8088微处理器的功能结构 从功能上来看，8086/8088 CPU可分为两部分，即总线接 口部件BIU（Bus Interface Unit）和执行部件EU（Execution Unit）。
图2.3 8086/8088CPU内部功能结构图
(1) 执行部件（EU）
功能：负责指令的执行。(主要进行8位及16位的各种运算) 组成：①ALU(算术逻辑单元)； ②通用寄存器组； ③标志寄存器（ FLAGS ）。 ①通用寄存器（AX、BX、CX、DX） 8086 有4个16位的通用寄存器（AX、BX、CX、DX）， 可以存放16位的操作数，也可分为8个8位的寄存器（AL、AH； BL、BH；CL、CH；DL、DH）来使用。其中AX称为累加器， BX称为基址寄存器，CX称为计数寄存器，DX称为数据寄存 器。这些寄存器在具体使用上有一定的差别，如表2-1所示。

第二章 8086 8088微处理器

（一）、 总线接口单元BIU
1、指令队列缓冲器 2、地址加法器和段寄存器
3、 16位的指令指针寄存器IP
IP中存放的是BIU要取的下一条指令（字 节）的偏移地址，BIU取过后，IP自动加1。 与IP相配的段寄存器是代码段寄存器CS。
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第一节 8086/8088 微处理器的结构 一、8086/8088的内部结构
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（一）最小工作模式
在最小工作模式，8086/8088 第24～31引脚的含义： 5、M/IO存储器/输入，输出控 制信号，输出。 为1时与存储器数椐传送； 为0时输入，输出接口进 行数据传送。T1～T4有效
6、WR写信号，输出。 在总线周期的T2～T4状态 输出低电平。 7、HOLD总线保持请求信号， 输入。其它主模块要求占用总线 时通过HOLD向CPU发高电平请 求。若“允许”，CPU在T4状态 从HLDA发出高电平后，就得到 总线控制权。
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第二章 8086/8088微处理器
第一节 8086/8088 微处理器的结构 一、8086/8088的内部结构
从功能上，8086分为两部分：
1、 总线接口单元BIU (Bus Interface Unit)。 2、执行单元EU (Execution Unit)。 说明：这两个单元在CPU内部担负着不同的任务。 两个单元并行地工作，能使大部分取指令操作与执 行指令操作重叠的进行 （即所谓“流水线”结构）。
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第一节8086/8088的微处理器结构
三、8086/8088的引脚信号和功能 （一）地址/数椐总线
AD15～AD0（复用的）
总线周期的状态 T1：输出地址； T2：浮置成高阻； T3：输入/输出数椐；

《微处理器系统结构与嵌入式系统设计》课程教案

《微处理器系统结构与嵌入式系统设计》课程教案第一章：微处理器概述1.1 微处理器的定义与发展历程1.2 微处理器的组成与工作原理1.3 微处理器的性能指标与分类1.4 嵌入式系统与微处理器的关系第二章：微处理器指令系统2.1 指令系统的基本概念2.2 常见指令分类与功能2.3 指令执行过程与地址计算2.4 汇编语言与指令编码第三章：微处理器存储系统3.1 存储器概述与分类3.2 随机存储器（RAM）与只读存储器（ROM）3.3 存储器层次结构与cache 缓存3.4 虚拟存储器与内存管理第四章：输入/输出系统4.1 I/O 系统概述与分类4.2 程序控制I/O 与中断驱动I/O4.3 DMA 传输与I/O 端口映射4.4 嵌入式系统中的I/O 接口设计第五章：嵌入式系统设计与实践5.1 嵌入式系统设计流程与方法5.2 嵌入式处理器选型与系统架构设计5.3 嵌入式系统软件设计与开发5.4 嵌入式系统硬件设计与实现第六章：嵌入式系统硬件平台设计6.1 嵌入式系统硬件设计基础6.2 处理器选型与评估6.3 硬件系统架构设计6.4 硬件电路设计与仿真第七章：嵌入式操作系统原理与应用7.1 嵌入式操作系统概述7.2 嵌入式操作系统核心组件7.3 嵌入式操作系统实例分析7.4 嵌入式操作系统应用与开发第八章：嵌入式系统软件开发8.1 嵌入式软件开发概述8.2 嵌入式软件开发工具与方法8.3 嵌入式软件编程实践8.4 嵌入式软件测试与优化第九章：嵌入式系统应用案例分析9.1 嵌入式系统在工业控制中的应用9.2 嵌入式系统在医疗设备中的应用9.3 嵌入式系统在智能家居中的应用9.4 嵌入式系统在物联网中的应用第十章：未来嵌入式系统发展趋势10.1 嵌入式系统技术发展趋势10.2 嵌入式系统在各领域的应用拓展10.3 我国嵌入式系统产业现状与展望10.4 嵌入式系统教育与人才培养重点和难点解析一、微处理器概述难点解析：微处理器的发展历程需要记忆各个重要的时间节点和对应的处理器；组成与工作原理涉及到硬件组成和指令执行过程的理解；性能指标与分类需要理解如何评估处理器的性能以及不同类型处理器的应用场景。

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DS ES SS CS IP
BIU
地 址 加 法 器
AB
DX
DB 数据暂存器 指 令 队 列 总线 接口 CB 控制 电路
运 算 器
指令译码器 PSW 标志寄存器 执行部件 控制电路
并行: 图2.7
EU
总线接口部件BIU
• 主要功能 • 负责与存储器、I/O设备之间传递信息(指令和数据) • 具体完成： • (1)从内存取指令，送到指令队列，并管理指令队列; • (2)读数据：配合执行部件从指定的内存单元 • 或I/O端口取数据; • ( 3)写数据：将执行部件的运算结果送到 • 指定的内存单元或I/O端口。
• 时钟周期T 机器周期M 指令周期IC
指令周期 M1 T1 T2 T3 M2 T1 T2 T3 T4 Mn T1 T2 T3
微操作控制部件
• 功能：根据指令产生计算机各部件所需要 的控制信号
方式 组合逻辑控 制 微程序控制 可编程序逻 辑阵列PLA 特点 优点 缺点 改动困难 速度较慢
用硬件电路实现 速度快 ROM中的微指令 便于修改
用来指示栈顶的偏移地址, 必须与SS段寄存器联合使用确定实际地址。 堆栈和指针如下页图所示。
BP（base pointer）——基址指针寄存器
可以与SS寄存器联合使用来确定堆栈段中某一存储器单元地址。
设: ( SS)=3F00H,(SP)=0100H堆栈和指针如下图：
堆栈是内存开辟的一个特殊数据区，一端固定，一端浮动， 严格按照后进先出的工作原则。
1. 总线接口部件BIU （Bus Interface Unit) → 运输部门 负责取指令，读、写 2. 执行部件EU (Execute Unit) → 加工部门 负责指令的执行 3. 工作方式 串行:图2.6
寄存器组 AH AL BH BL CH CL DH DL
SI DI BP SP
AX BX CX
通用寄存器
8086 的寄存 器组
SI DI BP
SP
DS ES SS CS IP PSW
数据段寄存器 Data Segment 附加段寄存器 Extra Segment 堆栈段寄存器 Stack Segment 段寄存器 代码段寄存器 Code Segment 指令指针寄存器 Instruction Pointer 状态标志寄存器 Processor Status Word
– 数据总线缓冲寄存器DBUF – 地址总线缓冲寄存器ABUF
第二节 Intel 8086微处理器
• 特点
– 16位：内部总线、寄存器、运算部件 – 双列直插式 – 5MHz – 20条地址线：1M寻址空间
Intel 8086
8086 : 对外有16根数据线，20根地址线 可寻址的内存单元数 220 = 1M
FFFFFH
段
00000H 00001H 0FFFFH
...
...
23450H 23460H
• 段：64K字节 • 从节开始 • • • • • 34567 3:4567 34:567 345:67 3456:7
...
3344FH 33450H 34567H ... 4344FH
... ...
...
用来识别当前堆栈段。
ES——Extra Segment Register附加段寄存器， 用来识别当前附加段。
段寄存器的初始值
CS CS
代码段：64K
DS DS
数据段：64K
SS
64K
SS
堆栈段：64K
2、通用寄存器
AX、BX、CX、DX 作为通用寄存器。
用来暂存计算过程中所用到的操作数，结果或其它信息。 访问形式:可以用16位的访问; 或者可以用字节（8位）形式访问, 它们的高8位记作 : AH 、 BH 、 CH 、 DH 。 它们的低8位记作 : AL 、BL 、CL 、DL 。
BIU的构成
• 4个16位段寄存器：
– CS，DS，ES，SS
8086 结构
寄存器组 AH AL BH BL CH CL DH DL SI DI BP SP AX BX CX DX DS ES SS CS IP
BIU
地 址 加 法 器
• 16位IP指令指针寄存器 • 20位 地址加法器 • 指令队列
例： MUL BX ; (AX)(BX)(DX)(AX)
例:
IN
AL , DX
2.地址指针与变址寄存器：
SP、BP、SI、DI 四个16位寄存器。 以字为单位在运算过程中存放操作数， 经常用以在段内寻址时提供偏移地址。
地址指针寄存器(SP 、 BP )
SP（stack pointer）——堆栈指针寄存器
CPU
片外总线
• 片外总线：在CPU和各外部部件之间传送信息的总线，系统总线，三 总线结构
– 数据总线：DB(Data Bus) – 地址总线：AB(Adress Bus) – 控制总线：CB(Control Bus)
• 单总线结构，分时使用
– 发送：同一时刻只允许一个部件发送数据 – 接收：不限 控制总线
SI——Source Index Register 源变址寄存器 DI——Destination Index 目的变址寄存器
使用场合：常用于变址寻址。 • 一般与DS联用，用来确定数据段中某一存储单元的地址， SI , DI具有自动增量和自动减量功能.
例：
MOV AX, [SI]
•
在串处理指令中，SI、DI作为隐含的源变址和目的变址寄 存器分别达到在数据段和附加段中寻址的目的。 执行示意图如右图。
– 当BIU有2个或2个以上的字节空间，而且EU没 有向BIU请求读或写数据时 – 空闲状态 – 取指令优先：取指令的优先级高于读写操作数
• 取指令
– 队列输出端指针 – 队列输入端指针
读取指令的过程
1 2 3 4 5 6
取走一字 节的指令
1
2
3
4
5 6
输出指针
输入指针
输出指针
输入指针
填充2字节 的指令
数据总线 (SS)=3F00H 3F000H ...... (SP)=60H ...... A19~A0 FFFFFH A19~10 地址总线 a1 a0 栈底 3F0FFH 3F060H
00000H
D7~D0 1 M X 8位存储体
8086系统存储器与总线连接
堆栈和指针
• 变址寄存器(SI 、 DI)
通过程序来设计 兼顾以上两种的优点 组合逻辑
总线
• 总线是计算机各部 件间传递信息的公 共通路。 • 片内总线
– 在微处理器内部各单 元间传递信息的总线 – 单总线/双总线/多总 线
存储器 运 运 算 算 器 器 和
被加数 寄 存 器 组
加数
控制器
被加数
输出
输入 进位
运 运 算 算 器 器
寄 存 加数 器 组 和
• 主要功能 • 指令的译码和指令的执 行(包括算术、逻辑运算， 控制命令等)。 • 构成部分： • 8个16位寄存器：
AX、BX、CX、DX SP、BP、DI、SI
寄存器组 AH AL BH BL CH CL DH DL SI DI BP SP AX BX CX DX DS ES SS CS IP
AX——（Accumulator）作为累加器。 它是算术运算的主要寄存器， 所有I/O指令都使用这一寄存器与外部设备交换数据。 例： IN OUT AL , 20H 30H , AX
BX——Base用作基址寄存器使用。 在计算内存储器地址时，经常用来存放基址。
例：
MOV
AX, [BX+03H]
CX——Count可以作计数寄存器使用。 在循环LOOP指令和串处理指令中用作隐含计数器。
1、段寄存器
段寄存器: 4个16位段寄存器CS、DS、SS、ES。 用来识别当前可寻址的四个段，不可互换的使用。
CS——Code Segment Register 代码段寄存器
用来识别当前代码段（程序一般放在代码段）。 DS——Data Segment Register数据段寄存器 用来识别当前数据段寄存器。 SS——Stack Segment Register堆栈段寄存器，
控制寄存器
节
00000H 00001H
第0节 16个单元
0000FH 00010H 00011H
• 内存大小：1M字节 • 00000-FFFFF • 节：16个字节
第1节 16个单元
0001FH 00020H 00021H
第2节 16个单元
0002FH
...
FFFF0H FFFF1H
... 第65535节 16个单元
十进制调整
运 运 算 算 器 器
PSW 标志 进位 标志寄存器 寄存器
加数 和
控制器
地址总线
数据总线
指令部件
指令寄存器IR
程序计数器PC
指令译码器ID
取指令
外部命令 操作控制器 时序发生器
分析指令 执行指令
内部命令
时序部件
• 时钟系统
– 脉冲源： 2.5G主频的CPU，时钟周期是多少？ – 时钟启停逻辑
BIU
地 址 加 法 器
数据暂存器
指 令 队 列
• • • •
标志寄存器PSW 算术逻辑运算部件ALU 指令译码器 控制部件
运 算 器
总线 接口 控制 电路
指令译码器
EU
PSW标志 寄存器
执行部件控制电路
AH BH CH DH
AL BL CL DL
AX 累加器Accumulator BX 基数寄存器 Base CX 计数寄存器 Count DX 数据寄存器 Data 源变址寄存器 Source Index 目的变址寄存器 Destination Index 基址指针寄存器 Base Point 堆栈指针寄存器 Stack Point 变 址 寄存器 指 针 寄存器