16位微处理器8086

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8086结构图

执行单元(EU－Execution Unit)

负责指令的译码和执行。

4个16位数据寄存器（AX、BX、CX、DX）

AX和AL可用作累加操作，因此又称作累加器

4个16位地址指针寄存器：通常用于存放操作数偏移地址

  1. SP (Stack Pointer)—堆栈指针寄存器，指示堆栈段栈顶位置
  2. BP (Base Pointer)—基址指针寄存器，指示堆栈段数据区基址
  3. SI (Source Index)—源变址寄存器，指示数据段源串地址
  4. DI(Destination Index)—目的变址寄存器，指示扩展段目的串地址

标志寄存器 FLAG

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  • 状态标志

    1. CF（Carry Flag）进(借)位标志，加法运算最高位产生进位或减法运算最高位产生借位，表示无符号数运算产生溢出，CF置1，否则置0
    2. AF（Auxiliary Carry Flag）辅助进位标志，加法运算时第3位往第4位有进位，或减法运算时第3位往第4位有借位，则AF置1，否则置0
    3. ZF (Zero Flag）零标志, 若当前运算结果为零, 则ZF置1,否则置0
    4. SF（Sign Flag）符号标志，与运算结果最高位相同，若为负数，则SF置1，否则置0，SF指示了当前运算结果是正还是负
    5. OF（Overflow Flag）溢出标志，有符号数算术运算结果溢出，则OF置1，否则置0
    6. PF（Parity Flag）奇偶标志，运算结果低8位所含1个数为偶数则PF置1，否则置0

  • 控制标志

    1. DF（Direction Flag）方向标志
      DF=1，串操作时，地址不断递减；DF=0，串操作时，地址不断递增
    2. IF（Interrupt enable Flag）中断允许标志
      IF=1，CPU允许接收可屏蔽中断请求，即开中断；IF=0，则关中断
    3. TF（Trap Flag）跟踪标志，又称单步标志
      TF=1，CPU为单步工作方式，每执行完一条指令产生一次软件中断

总线接口单元（BIU－Bus Interface Unit）

与系统总线连接，实现与存储器、I/O口之间的数据传送。

4个16位段地址寄存器

  1. CS (Code Segment)——代码段寄存器，代码段存放代码
  2. DS (Data Segment）——数据段寄存器，数据段存放数据
  3. SS (Stack Segment)——堆栈段寄存器，堆栈段用作堆栈操作
  4. ES (Extra Segment)——扩展段寄存器，扩展段存放数据

8086对存储器采用分段管理，4个段寄存器分别存放4个当前段的起始地址，又称作段基址寄存器。

指令指针寄存器IP (Instruction Pointer)

16位IP存放当前代码段(CS)所要取出的下一条指令的偏移地址

地址加法器∑

8086用20位地址线寻址1MB内存空间，但其内部寄存器是16位的，因此需要用地址加法器∑根据16位寄存器的值计算出20位物理地址

指令缓冲队列

8086执行指令的同时，会从内存取1条或几条指令，取来的指令就存放在指令队列中

暂存器

用于与EU通信的内部寄存器

总线控制电路

负责总线操作控制

存储器和I/O管理

逻辑地址形式为 段地址 : 偏移地址

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段超越

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8086 I/O编址

8086对I/O端口操作，需要专门的IN、OUT指令，并且只能通过累加器（AX/AL）来完成
例： IN AL, 80H

8086系统中，存储器和I/O端口分别独立编址

存储器的地址范围是00000H – 0FFFFFH
I/O端口的地址范围是0000H – 0FFFFH

8086引脚信号和工作模式

最小模式：系统中只有一个处理器;$MN/\overline{MX}$为高电平
最大模式：系统中包括两个或多个处理器;$MN/\overline{MX}$为低电平
8086 CPU为40pin双列直插（DIP)封装。

8086最小模式下引脚信号和功能

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总线信号

  1. AD0～AD15: 地址/数据复用引脚，双向工作
    分时传送16位数据和地址的低16位，由ALE锁存地址信息
  2. A16～A19（S3～S6）: 地址/状态复用引脚，输出
    分时输出地址的高4位和CPU当前状态，地址信息由ALE锁存
  3. $\overline{BHE}/S7$: 高8位数据总线允许/状态复用引脚，输出
    低电平有效，表示高8位数据线D15～D8上数据有效
  4. ALE: 地址锁存允许信号输出
    高电平有效，表示总线上的信息是地址信息。

总线控制信号

  1. HOLD: 总线保持请求信号输入
    高电平有效，表示其他模块（如DMA)申请占用总线
  2. HLDA: 总线保持响应信号输出
    高电平有效，表示CPU已让出总线

系统控制信号

  1. $M/\overline{IO}$: 存储器/输入输出选择信号，输出，高电平表示CPU访问存储器，低电平表示CPU访问I/O端口
  2. $\overline{RD}$: 读信号输出，低电平有效，表示CPU从存储器或I/O口读入信息
  3. $\overline{WR}$: 写信号输出，低电平有效，表示CPU向存储器或I/O口输出数据
  4. $DT/\overline{R}$: 数据收发信号输出，高电平表示CPU正在发送数据，低电平表示CPU接收数据
  5. $\overline{DEN}$: 数据允许信号输出，低电平有效，表示CPU当前准备发送或接收一个数据

中断控制信号

  1. INTR: 可屏蔽中断请求信号输入，高电平有效，表示外部向CPU提出中断申请
  2. $\overline{INTA}$: 中断响应信号输出，低电平有效，表示CPU响应外设中断请求
  3. NMI: 非屏蔽中断请求信号输入，上升沿有效。表示外部有非屏蔽中断申请。非屏蔽中断不受软件控制，CPU必须响应

CPU控制信号

  1. RESET: 复位信号输入
    高电平有效，至少保持4个时钟周期的高电平。复位时CPU停止现行操作，开始复位，并进行初始化：标志寄存器FLAG、IP、DS、SS、ES及指令队列均清零，CS为FFFFH，复位结束时CPU从FFFF0H开始执行程序
  2. $MN/\overline{MX}$：最小模式/最大模式选择信号输入，高电平为最小模式
  3. READY：“准备好”信号输入，高电平有效，表示存储器或I/O口已准备就绪，可进行一次数据传输
  4. $\overline{TEST}$: 测试信号输入，低电平有效，有效时CPU退出WAIT指令；

其它信号

  1. CLK: 时钟信号，8086主频为4.77MHZ T=210ns；单相，占空比为1/3
  2. VCC,GND: 电源及地，+5V，满足TTL规范

8086最小模式下的总线连接

Intel 8282

把AD复用引脚连接到地址总线的8位地址锁存器。3片8282(功能同74LS373)A0～A19和$\overline{BHE}$，$ALE$为锁存信号。

Intel 8286

把AD复用引脚连接到数据总线的8位数据缓冲器。2片8286(功能同74LS245)做D15～D0的缓冲器，$DT/\overline{R}$做方向选择，$\overline{DEN}$为选通信号。

控制信号$M/\overline{IO}$、$\overline{RD}$和$\overline{WR}$

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中断控制信号INTR、$\overline{INTA}$、NMI

  1. INTR: 外部可屏蔽中断请求引脚，高电平有效
  2. $\overline{INTA}$: 中断响应信号，低电平有效
  3. NMI: 不可屏蔽中断请求引脚，上升沿有效

总线控制信号HOLD、HLDA

  1. HOLD：总线保持请求引脚,高电平有效
  2. HLDA：总线保持响应引脚，高电平有效
    HLDA控制8282的OE，当CPU总线保持响应时让出总线

8086操作和时序

1． 8086时钟电路与复位电路
8284为8086提供CLK时钟信号、 RESET复位信号和READY准备信号
8086/8088内部无时钟发生器，时钟由8284提供，频率为4.77MHz
输入RES经8284内部斯密特触发器整形，同步后产生RESET信号,给CPU复位
外界准备好信号输入到8284的RDY端，同步后产生READY信号给CPU

2． 8086/8088系统的复位操作和启动过程

  • CPU接到RESET信号，停止现有工作，进行复位操作：CS置FFFFH，IP置0，指令队列清空，其余寄存器清0
  • 从存储器FFFFH :0000H取第一条指令，一般在此处放一条跳转指令，跳转到ROM BIOS中的系统测试程序
  • 系统测试程序执行硬件自检(对CPU、RAM、ROM等硬件进行测试)，然后执行ROM BIOS中的初始引导程序
  • 初始引导程序再从磁盘0面0道1扇区装入引导程序，执行引导操作
  • 按引导程序的指令，顺序装入其他程序模块，完成操作系统的引导操作

注：在3、4步之间微机还会检查C0000H开始的扩展ROM空间中是否有程序，如果有，并且校验正确，则先执行这些程序

3． 8086总线周期

  • 时钟周期T（T状态）
    时钟脉冲的一个循环时间叫做一个时钟周期。每个时钟周期T又称为一个“状态”。它是CPU工作的最小时间单位，是计算机系统工作速度的重要标志。8086 CPU的F=4.77M，T=210ns
  • 总线周期
    CPU通过总线从存储器或I/O端口存取一个字或字节的时间称为总线周期。包括三类：存储器读写周期、I/O端口读写周期、中断响应周期
    一个基本总线周期包括4个状态：T1，T2，T3，T4
  • 指令周期
    执行一条指令所需要的时间称为指令周期。8086指令周期最短为2个时钟周期，最长为200个时钟周期

4． 8086总线操作时序（最小模式下存储器读周期）

  • T1状态
    置$M/\overline{IO}$为高电平，指示是从存储器读数据
    T1开始，ALE置高，8282输出跟随输入，T1上升沿，ALE置低,8282锁存20位地址
    $\overline{BHE}$也在T1状态锁存，指示T2、T3状态传送数据时，高8位是否有效
    置$DT/\overline{R}$为低，控制8286接收数据，置$\overline{DEN}$为高，让8286输出浮空

  • T2状态
    撤销地址信号，AD15～AD0处于高阻状态，为读入数据作准备
    A19/S6～A16/S3及$\overline{BHE}/S7$引脚输出状态信息S6～S3
    置$\overline{RD}$信号为低电平，输出读信号到存储器
    置$\overline{DEN}$为低电平，打开8286三态门，准备接收存储器输出的数据

  • T3状态
    存储器将数据送到数据总线，CPU通过AD15～AD0接收数据
    T3上升沿检测READY信号，若为高电平，则下一个为T4状态；否则插入等待周期Tw

  • T4状态
    T4开始，撤销$\overline{RD}$和$\overline{DEN}$信号，置为高电平无效，数据总线浮空
    T4上升沿撤销$DT/\overline{R}$信号
    CPU读取存储器数据的时间为 2T = 420ns （$\overline{RD}$或$\overline{DEN}$有效时间）

注：最小模式下I/O口读周期与存储器读周期类似，区别为读I/O口时，T1状态将置$M/\overline{IO}$为低电平，表示是对I/O口进行读