微机原理与接口技术第2章

第2章 中央处理器

本章介绍微型计算机的核心部件CPU,这一 部分的重点内容如下： 1、 8086/8088CPU的内部结构、外部引脚功能及 与其它部件的连接 (编程结构、功能结构、引脚功能与CPU子系统) 2、8086/8088CPU的总线周期时序 (最大/小模式下的总线读周期、总线写周期、中断 响应周期、总线请求和总操作授予时序等) 本章还将简要介绍如下的内容： 80186~Pentium4~超线程处理器和双核处理器的 发展和继继承。

2.1 8086/8088 CPU

1978年,Inter 公司推出了8086CPU,这是一种当时最先进 的高性能的16位的微处理器，为了适应市场，1981年Intel 在1981年推出准16位的微处理器8088CPU。

2.1.1 8086/8088 CPU的主要特征 8086和8088的不同之处 A. 8086 CPU内部的指令队列为6字节,而8088为4字节 的指令队列. B. 8086和8088CPU的内部数据总线宽度都为16位，但 8086对外的数据总线宽度是16位，而8088对外的数据总 线宽度是8位。

2. 8086/8088CPU的主要特征 8086/8088CPU是大规模集成电路芯片，其中包含有 29000多个晶体管。采用双列直插式封装，有40个外接引脚， 使用+5伏电压供电，CPU的时钟频率可采用5M、8M或者 10M。这是它在电子学方面的特征，从计算机科学方面来看， 它有如下的的功能特征： 1)指令系统较完备，有100多条基本指令。 2)*寻址方式灵活多样，指令的基本寻址方式有顺序寻址、 相对寻址2种，数据的基本寻址方式立即数寻址、寄存器寻 址、存储器寻址三种 3)使用20位地址线对存储器寻址，存储器的物理容量可达 1MB。

4)使用16位的地址线对I/O端口寻址，I/O端口数可达64KB。 5)片内数据总线都是16位的，8086的系统数据总线也是16 位，但8088的系统数据总线是8位的。 6)具有软件中断和硬件中断(可屏蔽中断、非屏蔽中断) 的处理能力，中断源可以多达256个(即中断号可以有256 个)。 7)*具有最大模式和最小模式这两种工作模式，在最大模式 下，允许系统中存在其它的处理器(控制器或称总线主模 块),在总线控制器8288的协助下，系统具有协调管理总线 的能力。 8)具有出让总线，配合DMA控制器的请求，由DMA控制器 控制总线，进行DMA传送的功能。 9)向下兼容8080/8085指令。

2.1.2 8086/8088的编程结构

这一部分内容我们已经学过了,这里略过。

2.1.3 8086/8088CPU的功能结构

*从8086/8088CPU的功能结构图可以看出,这个芯片 的内部按功能划分成执行单元(EU)和总线接口单 元(BIU)两个相对独立的部件。EU负责指令的执 行，BIU负责片内总线与系统总线之间信息(指令、 状态、数据)的传送控制。这

里需要指出的是，在 IBM/PCXT微机出现之前，所有计算机在执行指令 时的取指令和执行指令这两个步骤一定是串行执行 的，而8086/8088CPU中使用了指令队列技术之后， 才使EU和BIU有可能并行工作。(所以说：独立是 相对的，并行是部分的。)

1、*执行单元 执行单元中的部件主要由冯诺伊曼体系结构中 的运算器和控制器的主要部分构成。 运算器主要由算术逻辑运算单元ALU,暂存寄 存器A、B,标志寄存器F,8个通用寄存器AX、 BX、CX、DX、SP、BP、SI、DI。 (1)ALU 的核心是16位的全加器和16位逻辑与 移位寄存器所组成，其主要功能是执行各种算术 和逻辑运算并将结果送到指定的某一通用寄存器 中，同时它还要将运算中的一些状态反馈到标志 寄存器中。当然，它还要负责16位的有效地址的 运算。

(2)用寄存器组(略) (3)状态标志寄存器F(略) (4)EU控制器 EU控制器继承了传统计算机控制器的大部分 功能：指令译码、时序微操作控制信号的产生与发 布等，直接控制EU本身和CPU的其它部件完成指令 所规定的功能。(传统CPU的控制器控制CPU和计 算机的其它部件)

2. 总线接口单元BIU *微机在工作时，总是有许多信息需要在CPU和存储器及I/O 设备之间进行传输，如CPU需要到存储器取指令、数据， CPU需要将运算结果存储到存储器或传送到某外部设备等。 8086以前的微机对这些传输的控制信号全部来之于CPU内 的控制器。8086以后的微机对此作为改进，对CPU内部各 部件的控制信号直接来之于EU控制器，而对CPU外的存储 器，I/O接口的控制信号则来之于总线控制器。 *总线接口单元的功能是在“CPU与存储器、I/O接口电 路进行信息传输”时起控制作用。 当然通过后面章节的学习，我们还会知道，CPU在必 要的时候，还会将这个总线控制权出让给系统中的其它主控 设备。

前面已经说过，总线接口单元BIU的工作是控制指挥CPU和存储 器及I/O接口之间的信息交换工作。这些工作的各个细节是由BIU 中的几个电路实现的。 (1)地址加法器 ∑ 它将16位的段基值左移4位后与从16位的内部数总线送来的 偏移地址值相加后形成20位的物理地址送到地址总线，用于对存 储器的寻址。如果是计算的是指令地址，则16位的偏移地址一般 来之于IP寄存器。 BIU内部的4个段寄存器、一个IP指令指针寄存器的功能作 用这里就不再讲了。 (2)指令队列缓冲器(6或4字节) 这里一个先进先出的指令队列，用于保存从存储器中取出的 的若干条指令。*(这个部件不负责指令分析，这里存放的是未译 码的指令。) 由于总线部件

中安排了这个指令队列缓冲器，EU要执行指 令时，是从这个队列中取指令，而不必到存储器取指令，所以EU 在执行指令时，BIU 仍然可以利用总线到存储器取指令，这样就 实现了EU和BIU的并行工作，使计算机的工作效率得到成倍的提 升。但我们决不能因为这一点就说8086/8088是流水CPU。

2.1.4 流水线技术

2.1.5 8086/8088CPU的最大模式和最小模式1. 8086CPU的最小模式子系统

图2.1.5-1 8086CPU的最小模式子系统

*注意: MN/MX的接法, 这里接高电平, 若是最大模式系统,应接低电平,否则系统不能正确工作。

使用8086CPU构成一个最小模式子系统，需要有以 下的最基本的配套芯片： 1)8086CPU芯片 一片 2)8082(或74LS373)地址锁存器三片 3)8286(或74LS245)数据总线收发器 二片 4)8284时钟发生器 一片 5)数据存储器芯片 若干片 6)必要的输入输出设备接口电路

2、处于最大模式下的8086CPU子系统 所谓最大模式：即系统中除了8086这一个主 CPU外，还存在其它可以控制总线的从CPU,如： 8087(浮点运算器),8089IOP(通道处理器)等， 由于电路中有了多个的需要控制总线的设备，这就 要有一个总线控制器，INTER公司提供的8288总线 控制器，就是专为8086配套使用的芯片。 所以，当8086处于最大模式下，除了必须要 有最小模式下的那些基本配置外，电路中还必须要 有一片8288总线控制器，总线控制器有的时候是要 代替主CPU进行发号施令的。