【微机原理】8088/8086微处理器

  8086CPU是Intel系列的16位微处理器，他有16根数据线和20根地址线，所以可寻址的地址空间是2^20 = 1MB

  8088CPU是准16位微处理器，有20根地址线，它的内部寄存器、内部运算部件以及内部操作都是按16位设计的，但对外的数据总线只有8位，在处理一个16位数据时，8088需要两步操作，因而称8088是准十六位微处理器。（继8086之后推出）

8088一次只能拉一个字节，八位数据线，而8086既可以拉一个字节也可以拉两个字节（并行拉）。

一、8088/8086的功能结构

8088/8086CPU的内部结构从功能上分成两个单元。如图

  总线接口单元BIU(Bus Interface Unit)

  执行单元EU（Execution Unit）

  二个单元协同工作

流水线技术：两个功能部件并行工作，减少CPU为取指令而等待的时间，提高CPU的利用率和系统运行速度。

88/86两个单元的功能：

1.总线接口部件（BIU）

（1）功能：

• 从内存取指令送到指令队列
• CPU执行指令时，总线接口部件（BIU）要配合执行部件（EU）从指定的内存单元或者外设端口取数据，或将数据送到指定的内存单元或者外设的端口。

（2）组成：

• 4个段地址寄存器
  • CS：16位代码段寄存器
  • DS：16位数据段寄存器
  • ES：16位附加段寄存器
  • SS：16位堆栈段寄存器

• 16位指令指针寄存器：IP；
• 20位的地址加法器
• 4/6字节的指令队列缓冲器（8086为6个，8088是4个）
• I/O总线控制电路

（3）8086/8088的BIU指令队列和20位地址加法器的作用：

  指令队列（缓冲器）： 8086的指令队列缓冲器为6个字节，8088的指令队列缓冲器为4个字节。无论8086还是8088.都会在执行指令的同时，从内存中取下一条指令或者几条指令，取来的指令就放在指令队列缓冲器中。这样，一般情况下，CPU执行完一条指令就可以立即执行下一条指令，称为流水线技术，减少了CPU为取指令而等待的时间，从而提高了CPU的效率。

• 采用“先进先出”的原则
• 减少了CPU为取指令而等待的时间
• 降低了对存储器存取速度的要求。

BIU从存储器中读出指令送入指令队列，一旦指令队列中空出2个字节，BIU将自动进行读指令的操作以将填满指令队列，只要收到EU送来的操作数地址，BIU将立即形成这个操作数的物理地址，完成读/写操作。遇到转移类指令，BIU将指令队列中剩余的指令作废，重新从存储器新的单元地址取指令并送入指令队列。

  地址加法器：用来产生20位地址。上面已提到8086可用20位地址寻址1MB的内存空间，但8086内部所有的寄存器都是16位的，所以需要一个附加的机构来根据16位寄存器提供的信息计算出20位的物理地址，这个机构就是20位的地址加法器。

2.执行部件（EU）

（1）功能：

• 从指令队列中取出指令

• 对指令进行译码，发出相应的传送数据或算数运算的控制信号

• 接收由总线接口部件传送来的数据，或把数据传送到总线接口部件
• 进行算数运算

（2）组成：

• 4个通用寄存器：AX,BX,CX,DX。

   4个通用寄存器既可以作为16位寄存器用，也可以作为8位寄存器用。分别为：AH,AL,BH,BL,CH,CL,DH,DL。其中AX寄存器又称为累加器，8086指令系统中有许多指令通过累加器的动作来执行,AX为16位累加器，AL为8位累加器。

• 4个专用寄存器：BP、SP、SI、DI
  • 基质指针寄存器BP
  • 堆栈指针寄存器SP
  • 源变址寄存器SI
  • 目的变址寄存器DI

• 标志寄存器FR：
  • 标志寄存器共有16位，就用了9位，其中7位未用。
  • 其中6个标志位反映CPU指令运行后的运行状态信息，分别为SF、ZF、PF、CF、AF、OF。这些标志位用于根据指令执行后的操作结果进行判断转移。
  • 3个控制标志，分别为DF、IF和TF。控制标志可由编程员通过指令进行设置，有专门的指令对控制标志置0或置1。

• 算数逻辑单元ALU：它是16位的运算器，可用于8位或16位二进制算术和逻辑运算，也可按指令的寻址方式计算寻址存储器所需的16位偏移量。

• 数据暂存寄存器：它协助ALU完成运算，暂存参加运算的数据。

• EU控制电路：从总线接口的指令队列取出指令操作码，通过译码电路分析，发出相应的控制命令，控制ALU数据总线送到相应的寄存器。同时标志寄存器（PSW）根据运算结果改变状态。

8088/8086两个单元的协同功能：

1.BIU（总线接口单元）：负责CPU对主存和外设接口进行访问（取、送）

（1）从内存取指令送指令队列

（4）从内存或I/O接口取操作数

（7）从BIU送结果送到内存/外存

2.EU（执行部件）：负责指令的译码、执行和数据的运算

（2）从指令队列取指令送控制器：分析、译码。

（3）在运算器处理加工

（5）操作数送ALU，在ALU处理

（6）送结果到BIU

二、8088/8086的寄存器结构（14个）

  8088/8086微处理器包含8个通用寄存器（4个通用数据寄存器、4个指针和变址寄存器）、1个指令指针寄存器、4个段寄存器和1个标志寄存器。

1.通用寄存器

  88/86有8个通用的16位寄存器（在EU）。

• 数据寄存器：AX、BX、CX、DX
• 变址寄存器：SI、DI
• 指针寄存器：SP、BP

（1）数据寄存器

  通用数据寄存器包括4个16位的寄存器AX、BX、CX、DX，他们即可以作为16位寄存器使用，也可以分为两个8位寄存器使用，即高8位寄存器AH、BH、CH、DX的低8位寄存器AL、BL、CL、DL。这些寄存器既可以作为算术、逻辑运算的源操作数，向ALU提供参与运算的原始数据，也可以作为目标操作数，保存运算的中间结果或最后结果。

【注意】：8086/8088CPU的14个寄存器中除了这4个16位寄存器能分别当作两个8位寄存器来用之外，其他寄存器都不能这样使用。

• AX：累加器（Accumulator）：用该寄存器存放运算结果，可提高指令的执行速度。此外，所有的I/O指令都使用该寄存器与外设端口交换信息。
• BX：基址寄存器（Base address Register）：8086/8088CPU中有两个基址寄存器BX和BP。BX用来存放操作数在内存中数据段内的偏移地址，BP用来存放操作数在堆栈段内的偏移地址。
• CX：计数寄存器（Counter）：在设计循环程序时，使用该寄存器存放循环次数，可使程序指令简化，有利于提高程序的运行速度。
• DX：数据寄存器（Data register）：在寄存器间接寻址的I/O指令中存放I/O端口地址；在做双字长乘除法运算时，DX与AX一起存放一个双字长操作数，其中DX存放高16位数。

（2）指针及变址寄存器

指针及变址寄存器分为两个指针寄存器SP（stack pointer）、BP（base pointer）和两个变址寄存器SI（source index）、DI（destination index），这组寄存器通常用来存放存储器单元的16位偏移地址（即相对于段起始地址的距离，简称编译地址）

指针及变址寄存器都是16位，编码范围仅为 0000H~FFFFH。

指针寄存器

在进行堆栈操作的过程中，SP用来指示堆栈栈顶的偏移地址，称为堆栈指针；而BP则用来存放位于堆栈段中的一个数据区的“基址”的偏移量，称为基址指针。

• SP：堆栈指针（Stack Pointer）：在使用堆栈操作指令（PUSH 或 POP）对堆栈进行操作时，每执行一次进栈或出栈操作，系统会自动将SP的内容减2或加2，以使其始终指向栈顶。
• BP：基址指针（Base Pointer）：作为通用寄存器，它可以用来存放数据，但更经常更重要的用途是存放操作数在堆栈段内的偏移地址。

变址寄存器

  SI、DI用来存放当前数据所在存储单元的偏移地址。在串操作指令中，SI用来存放源操作数地址的偏移量，称为源变址寄存器，DI用来存放目标操作数地址的偏移量，称为目标变址寄存器。

• SI：源地址寄存器（Source Index）
• DI：目的地址寄存器（Destination Index）

  这两个寄存器通常用在字符串操作时存放操作数的偏移地址，其中SI存放源串在数据段内的偏移地址，DI存放目的串在附加数据段内的偏移地址。

2.段寄存器（在BIU）

  在8086CPU中有4个16位的段寄存器。这些寄存器指令了一个特定的现行段，用来存放各段的段基址。

  8086/8088CPU中，内存空间是1MB（20位地址线），但寄存器只有16位，因此1MB被分成若干逻辑段，最长是64KB（因为8088/8086中寄存器是16位的）。这些逻辑段是动态的。

• CS：代码段寄存器（Code Segment）
• SS：堆栈段寄存器（Stack Segment）
• DS：数据段寄存器（Data Segment）
• ES：附加段寄存器（Extra Segment）（在串指令中，目的操作数指明必须在现行附加段中）

当用户用指令设定了他们的初值后，实际上已经确定了一个64KB的存储区段。

其中代码段寄存器CS用来存放当前使用的代码段的段基址，用户变址的程序必须存放在代码段中，CPU将会依次从代码段中取出指令代码并执行。

数据段寄存器DS用来存放当前使用的数据段的段基址，程序运行所需的原始数据以及运算的结果应存放在数据段中。

附加段寄存器ES用来存放当前使用的附加段的段基址，它通常也用来存放数据，但在数据串操作时，用来存放目标数据串（此时DS用来存放源数据串）。

堆栈段寄存器SS用来存放当前使用的堆栈段的段基址，所有的堆栈操作的数据均保存在这个段中。

3.指令指针寄存器（IP）

  IP为16位指令指针，IP的内容总是指向BIU将要取的下一条指令代码的16位偏移地址。当取出1个字节指令代码后，IP自动加1并指向下一条指令代码的偏移地址。它的内容是由BIU来修改的，用户不能通过指令预置或修改IP的内容，但有些指令的执行可以修改它的内容，也可以将其内容压入堆栈或由堆栈中弹出。

 IP：指令指针寄存器（Intsruction Pointer）

IP寄存器是一个专用寄存器（CPU专用）

由CS（代码段寄存器）：IP（指令指针寄存器）确定 下一条指令的地址。

4.标志寄存器FR（在EU中）

  8086CPU中有一个16位的状态标志寄存器FR（flag registr），用来存放下一条要读取的指令在代码段内的偏移地址。用户程序不能直接访问IP。但是只使用了9位。其中6位为状态标志位，用来反映算数运算或逻辑运算结果的状态；3位为控制位，用来控制CPU的操作。

 这种特殊的寄存器在8086CPU中，被称为标志寄存器flag。8086CPU的标志寄存器有16位，其中存储的信息通常又被称为程序状态字（PSW）。

（1）状态标志位

溢出标志的概念

• 研究处理器内部以补码表示有符号数
• 8位整数范围是：-128~+127
• 16位整数范围是：-32768~+32767
• 如果运算结果超出这个范围，就产生了溢出
• 有溢出，说明有符号数的运算结果不正确

溢出判断规则：

• 真值超范围
• 同号相加（异号相减）：正 + 正 —> 负   负 + 负 -> 正
• 双进位

注意：默认运算是补码的运算，一定要变成真值再运算。（补码变成原码的方式是：正数的补码与原码一致，负数的补码：符号位不变，其他位按位取反加1）

溢出和进位的区别

• OF（溢出）和CF（进位）：意义不同
• 溢出标志：表示有符号数运算结果是否超出范围，运算结果已经不正确
• 进位标志：标志无符号数运算结果是否超出范围，运算结果仍然正确

（2）三位控制位

控制标志位有三个，用于控制CPU的操作，由程序设置或清除。