Intel-8088/8086微处理器

8086微处理器也被称为x86，开创了X86架构时代，同时也成就了英特尔、AMD、微软等国际企业。

简介

前言历史

1972年4月，由霍夫与费金研制的世界上最早的8位微处理器英特尔8008（8位）芯片问世。在13.8平方毫米的芯片上做出了能执行45种指令的中央处理器，它能同时对8个二进制数字进行传送和运算。

1973年8月，霍夫等人又研制出英特尔8080型微处理器，它的运算速度比4004型要快20倍。研制8080型芯片最初只是为了对8008型芯片进行改进，但当时速度较快的新型MOS金属氧化物半导体电路出现了，霍夫和费金把MOS电路应用到8080型芯片上，一举成功，成为第二代微处理器，它是有史以来最为成功的微处理器之一。

8080（8位）的华服之下，更是金玉其中：集成6000只晶体管，几乎是4004的三倍，每秒运算29万次，拥有16位地址总线和八位数据总线，包含7个八位寄存器，支持16位内存，同时它也包含一些输入输出端口，这也是一个相当成功的设计，有效解决了外部设备在内存寻址能力不足的问题。

与第一代微处理器相比，集成度提高了1～4倍，运算速度提高了近20倍，指令系统相对比较完善，已具备典型的计算机体系结构及中断、直接存储器存取等功能。

摩尔/钟摆定律

1、摩尔定律，听起来应该是一个叫“摩尔”的人提出来的理论。摩尔，这个名字听起有些耳熟，没错，这个摩尔就是戈登·摩尔，英特尔公司创始人之一。
1965年戈登·摩尔在《电子学》杂志（Electronics Magazine）第114页发表了影响科技业至今的摩尔定律：

• 1、集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18个月就翻一番。
• 2、微处理器的性能每隔18个月提高一倍，而价格下降二分之一。
• 3、用一个美元所能买到的电脑性能，每隔18个月翻两番。

2、与摩尔定律齐名的，还有著名的英特尔钟摆策略：

• 在奇数年，英特尔将会推出新的工艺；（制程工艺：芯片制造工艺在1995年以后，从500纳米、350纳米、250纳米、180纳米、150纳米、130纳米、90纳米、65纳米、45纳米、32纳米、28纳米、22纳米、14纳米、10纳米、7纳米，一直发展到未来的5纳米。）
• 在偶数年，英特尔则会推出新的架构（处理器架构：是CPU厂商给属于同一系列的CPU产品定的一个规范，目的是为了区分不同类型CPU的重要标示。Intel系列CPU产品常见的架构有Socket 423、Socket 478、Socket 775、Socket1366、Socket1156、Socket1155、Socket1150和Socket2011）。

英特尔钟摆策略Tick-Tock（工艺年-构架年）是英特尔的芯片技术发展的战略模式。这样在制造工艺和核心架构的两条提升道路上，总是交替进行，一方面避免了同时革新可能带来的失败风险，同时持续的发展也可以降低研发的周期，并可以对市场造成持续的刺激，并最终提升产品的竞争力。Tick指每隔两年的奇数年推出更小、更先进工艺的处理器；Tock指每隔两年的偶数年推出新架构的处理器。

X86

x86架构于1978年推出的Intel 8086中央处理器中首度出现，它是微处理器执行的计算机语言指令集，指一个 Intel 通用计算机系列的标准编号缩写，也标识一套通用的计算机指令集合。简单地说，x86是由Intel推出的一种复杂指令集，用于控制芯片的运行的程序。

x86的历史

1971 年，英特尔为一家日本计算器厂商制造了英特尔历史上的第一块处理器——4位的4004。很快，在1975年，英特尔又推出了8位处理器8008和8080。
3年以后，16位的8086初次登场。在上世纪80年代初，IBM选择了8086的衍生产品8088作为IBM PC的处理器。

x86或80x86是英特尔Intel首先开发制造的一种微处理器体系结构的泛称。该系列较早期的处理器名称是以数字来表示，并以“86”作为结尾，包括Intel 8086、80186、80286、80386以及80486，因此其架构被称为“x86”。由于数字并不能作为注册商标，因此Intel及其竞争者均在新一代处理器使用可注册的名称，如Pentium。现时Intel把x86-32称为IA-32，全名为“Intel Architecture, 32-bit”。

“X86”是Intel和其他几家公司处理器所支持的一组机器指令集，它大致确定了芯片的使用规范。从8086到80186、80286、80386、80486，再到后来的奔腾系列以及现在的多核技术，都是使用一脉相承的x86指令集，既不断扩展又向后兼容。

8086

微型计算机组成结构图

8086是16位的微处理器、16位数据线、20位地址线、寻址2^20个字节=1MB
利用第16位的地址总线来进行I/O端口寻址，可寻址64K个I/O端口；

中断功能强，可处理内部软件中断和外部中断，中断源可达256个；

CPU的内部逻辑结构

1、总线接口部件（BIU）

总线接口部件负责与存储器、输入输出端口传送数据。

组成部分：

• 专用寄存器组
  段地址寄存器（CS、DS、ES、SS和指令指针寄存器IP均为16位）
• 地址加法器
  8086在寻址1M字节地址空间是需要20位的地址，地址加法器把两个16位的地址加为一个20位的地址（段地址左移4位+16位IP地址=20位物理地址）
• 6字节的指令队列
  总线接口部件从内存中取来的指令放在一个缓冲区中，这个缓冲区叫指令队列，执行部件在执行指令过程中从指令队列取指令执行
• 输入输出控制电路
  将8086CPU的片内总线与系统总线相连，是8086CPU与外部交换数据的必经之路

2、执行段元（EU）

执行部件负责执行指令，通常从指令队列中取得等待执行的指令

组成部分：

• 算术逻辑单元ALU
  完成各种运算
• 标志寄存器FR
  用来保存ALU运算结果的一些特征信息
• 通用寄存器组
  数据寄存器（AX、BX、CX 、DX），寄存器（BP、SP、SI、DI均为16位）
• 执行部件控制电路

3、寄存器组

如图就是8086的寄存器

BIU和EU可以并行工作，提高CPU的工作效率
1、BIU监视指令队列，当指令队列中有2个空字节时，就自动把指令取到队列中
2、EU执行指令时，从指令队列头部取指令，然后执行，如需访问存储器，则EU向BIU发出请求，由BIU访问存储器
3、在执行转移、调用、返回指令时，需要改变队列中的指令，要等待新指令装入队列中，EU才继续执行指令

CPU外部结构

8086/8088CPU芯片都是40引脚的双列直插式封装，部分引脚采用分时复用的方式
8086/8088CPU可有两种工作模式：最大模式和最小模式

1、最小模式

用于由8086单一微处理器构成的小系统。在这种方式下，由8086CPU直接产生小系统所需要的全部控制信号。器系统特点是：总线控制逻辑直接由8086CPU产生和控制。若有CPU以外的其他模块想占用总线，则可以向CPU提出请求，在CPU允许并响应的情况下，该模块才可以获得总线控制权，使用完后，又将总线控制权还给CPU。

2、最大模式

用于实现多处理机系统，其中，8086CPU被称为主处理器，其他处理器被称为协处理器。在这种方式下，8086CPU不直接提供用于存储器或I/O读写的读写命令等控制信号，而是将当前要执行的传送操作类型编码为3个状态位输出，由总线控制器8288对状态信号进行译码产生相应控制信号。最大模式系统的特点是：总线控制逻辑由总线控制器8288产生和控制，即8288将主处理器的状态和信号转换成系统总线命令和控制信号。协处理器只是协助主处理器完成某些辅助工作，即被动的接受并执行来自主处理器的命令。和8086配套使用的协处理器有两个：一个是专用于数值计算的协处理器8087，另一个是专用于输入输出操作的协处理器8089。8087通过硬件实现高精度整数浮点数运算。8089有其自身的一套专门用于输入输出操作的命令系统，还可带局部存储器，可以直接为输入输出设备服务。增加协处理器，使得浮点运算和输入输出操作不再占用8086时间，从而大大提高了系统的运行效率。

8086CPU引脚定义

1、AD15～AD0（addressdatabus）：地址/数据总线，双向，三态。

这是一组采用分时的方法传送地址或数据的复用引脚。根据不同时钟周期的要求，决定当前是传送要访问的存储单元或I/O端口的低16位地址，还是传送16位数据，或是处于高阻状态。

2、A19/S6～A16/S3（address/status）：地址/状态信号，输出，三态。

这是采用分时的方法传送地址或状态的复用引脚。其中A19～A16为20位地址总线的高4位地址，S6～S3是状态信号。S6表示CPU与总线连接的情况，S5指示当前中断允许标志IF的状态。S4，S3的代码组合用来指明当前正在使用的段寄存器。S4，S3的代码组合及对应段寄存器的情况。

3、BHE（低）/S7（bushighenable/status）：允许总线高8位数据传送/状态信号，输出，三态。

为总线高8位数据允许信号，当低电平有效时，表明在高8位数据总线D15～D8上传送1个字节的数据。S7为设备的状态信号。

4、RD/（read）：读信号，输出，三态，低电平有效。

信号低电平有效时，表示CPU正在进行读存储器或读I/O端口的操作。

5、READY（ready）：准备就绪信号，输入，高电平有效。

READY信号用来实现CPU与存储器或I/O端口之间的时序匹配。当READY信号高电平有效时，表示CPU要访问的存储器或I/O端口已经作好了输入/输出数据的准备工作，CPU可以进行读/写操作。当READY信号为低电平时，则表示存储器或I/O端口还未准备就绪，CPU需要插入若干个“TW状态”进行等待。

6、INTR（interruptrequest）：可屏蔽中断请求信号，输入，高电平有效。

8086CPU在每条指令执行到最后一个时钟周期时，都要检测INTR引脚信号。INTR为高电平时，表明有I/O设备向CPU申请中断，若IF=1，CPU则会响应中断，停止当前的操作，为申请中断的I/O设备服务。

7、TEST/（test）：等待测试控制信号，输入，低电平有效。

信号用来支持构成多处理器系统，实现8086CPU与协处理器之间同步协调的功能，只有当CPU执行WAIT指令时才使用。

8、NMI（non-maskableinterrupt）：非屏蔽中断请求信号，输入，高电平有效。

当NMI引脚上有一个上升沿有效的触发信号时，表明CPU内部或I/O设备提出了非屏蔽的中断请求，CPU会在结束当前所执行的指令后，立即响应中断请求。

9、RESET（reset）：复位信号，输入，高电平有效。

RESET信号有效时，CPU立即结束现行操作，处于复位状态，初始化所有的内部寄存器。复位后各内部寄存器的状态，当RESET信号由高电平变为低电平时，CPU从FFFF0H地址开始重新启动执行程序。

10、CLK（clock）：时钟信号，输入。

CLK为CPU提供基本的定时脉冲信号。8086CPU一般使用时钟发生器8284A来产生时钟信号，时钟频率为5MHz～8MHz，占空比为1:3。

11、VCC电源输入引脚。

8086CPU采用单一+5V电源供电。

12、GND：接地引脚。

13、MN/MX/（minimum/maximum）：最小/最大模式输入控制信号。

引脚用来设置8086CPU的工作模式。当为高电平（接+5V）时，CPU工作在最小模式；当为低电平（接地）时，CPU工作在最大模式。

• 最小模式下

CPU工作于最小模式时使用的引脚信号，当引脚接高电平时，CPU工作于最小模式。此时，引脚信号24～31的含义及其功能如下：

1、M/IO/（memoryI/Oselect）：存储器、I/O端口选择控制信号。
信号指明当前CPU是选择访问存储器还是访问I/O端口。为高电平时，访问存储器，表示当前要进行CPU与存储器之间的数据传送。为低电平时，访问I/O端口，表示当前要进行CPU与I/O端口之间的数据传送。

2、WR/（write）：写信号，输出，低电平有效。

信号有效时，表明CPU正在执行写总线周期，同时由信号决定是对存储器还是对I/O端口执行写操作。

3、INTA/（interruptacknowledge）：可屏蔽中断响应信号，输出，低电平有效。

CPU通过信号对外设提出的可屏蔽中断请求做出响应。为低电平时，表示CPU已经响应外设的中断请求，即将执行中断服务程序。

4、ALE（addresslockenable）：地址锁存允许信号，输出，高电平有效。

CPU利用ALE信号可以把AD15～AD0地址/数据、A19/S6～A16/S3地址/状态线上的地址信息锁存在地址锁存器中。

5、DT/（datatransmitorreceive）：数据发送/接收信号，输出，三态。

DT/信号用来控制数据传送的方向。DT/为高电平时，CPU发送数据到存储器或I/O端口；DT/为低电平时，CPU接收来自存储器或I/O端口的数据。
6、DEN/（dataenable）：数据允许控制信号，输出，三态，低电平有效。

信号用作总线收发器的选通控制信号。当为低电平时，表明CPU进行数据的读/写操作。

7、HOLD（busholdrequest）：总线保持请求信号，输入，高电平有效。

在DMA数据传送方式中，由总线控制器8237A发出一个高电平有效的总线请求信号，通过HOLD引脚输入到CPU，请求CPU让出总线控制权。

8、HLDA（holdacknowledge）：总线保持响应信号，输出，高电平有效。

HLDA是与HOLD配合使用的联络信号。在HLDA有效期间，HLDA引脚输出一个高电平有效的响应信号，同时总线将处于浮空状态，CPU让出对总线的控制权，将其交付给申请使用总线的8237A控制器使用，总线使用完后，会使HOLD信号变为低电平，CPU又重新获得对总线的控制权。

• 最大模式下

当引脚接低电平时，CPU工作于最大模式。此时，引脚信号24～31的含义及其功能如下：

1、S2，S1，S0（statussignals）：总线周期状态信号，输出，低电平有效。

2、RQ/，GT/（request/grant）：总线请求允许信号输入/总线请求允许输出信号，双向，低电平有效。

该信号用以取代最小模式时的HOLD/HLDA两个信号的功能，是特意为多处理器系统而设计的。当系统中某一部件要求获得总线控制权时，就通过此信号线向8086CPU发出总线请求信号，若CPU响应总线请求，就通过同一引脚发回响应信号，允许总线请求，表明8086CPU已放弃对总线的控制权，将总线控制权交给提出总线请求的部件使用。RQ/GT0优先级高于RQ/GT1。

3、LOCK/（lock）总线封锁信号，输出，低电平有效。

信号有效时，表示此时8086CPU不允许其他总线部件占用总线。

4、QS1，QS0（queuestatus）：指令队列状态信号，输出。

QS1和QS0信号的组合可以指示总线接口部件BIU中指令队列的状态，以便其他处理器监视、跟踪指令队列的状态。

8086系统组成

8086是一种微处理器，再加上必须的支持芯片，如时钟发生器，地址锁存器，总线驱动器，存储器和I/O接口等，才能构成一台完整的微型计算机。根据外部设备的数量和系统复杂程度，8086可以选用两种系统构成模式，最小模式和最大模式。最小模式是单CPU系统，在这种系统中，8086的MN/MX引脚接高电平，系统全部的控制信号都直接由CPU提供。最大模式是多CPU系统，此时MN/MX引脚接低电平，必须通过8288总线控制器对CPU的状态信息进行译码才能产生系统必须的控制信号。

1.地址锁存

8086的AD15AD0是地址/数据复用线，即CPU与存储器进行信息交换时，首先在T1状态，先由CPU送出访问存储单元的地址信息到AD15AD0上，随后又用在些线来传送数据所以在数据送上总线以前，必须先将地址锁存起来。可用8282或74LS373锁存8086的单向地址AD15~~AD0.图7-9中使用三片8282，这是因为8282只具有8位锁存功能，而8086具有20位地址和一根BHE信号。若系统存储器容量较小，使用不到20位地址信息，也可只用2片8282.图中OE端接地，使锁存器永远处于允许输出状态。引脚STB接8086的ALE输出。在总线周期T1状态，ALE上出现正脉冲，它的下降沿将8282输入端的地址信息存入锁存器，并由输出端送入地址总线。

2.双向数据总线驱动器

CPU可以直接将数据发送到数据总线上。而无需锁存。为了增加总线负载能力，CPU数据总线一般要加上驱动器，且要求双向驱动器，一般采用8位双向驱动器8286或74LS245.由于8086数据总线是16位的，所以要用2片8286.8286的Ai引脚接CPU的ADi，其Di引脚接到系统数据总线D1上，并将8086的DT/R接8286的T引脚，当DT/R为高电平時，数据从CPU发送到数据总线上.DT/R为低电平時，CPU从数据总线上接收数据.8286的OE脚接8086的DEN脚。当8086的DEN为低电平时，才允许数据输入或输出。

3.时钟发生器/驱动器

8086所需时钟脉冲CLK由8284提供.8284输出时钟CLK的频率，取决X1，X2跨接石英晶体的频率。除此以外，8284还向8086提供定时和宽度符合要求的RESET复位信号及符合要求的READY信号。

4.存储器部件

8086能直接寻址1MB存储空间。这个存储空间分为两个512KB存储体。一个存储體由奇地址单元组成，用于存储16数据的高字节，另一个存储体由偶地址单元组成，用于存储16位数据低字节。前者称为奇地址存储器，后者称为偶地址存储体。偶地址存储体的8位数据总线接CPU的数据总线D7D0，而奇地址存储体8位数据线接数据总线D15D8.地址线A19~~A1同时接到两个存储体，而A0作为偶地址选中信号即A0=0时，选中偶存储体.BHE作为奇地址片选信号，BHE=0时选中奇存储体。所以两个存储体可以同时读出或写入，也可单独选中一个存储体。

5.I/O端口

一个完整的微机系统必须有I/O设备.I/O设备都有端口地址号.CPU通过地址总线发出端口地址，经过端口地址译码器输出，送到端口的片选引脚而选定指定的端口.8086根据执行命令是访问存储器指令还是输入输出指令，来使M/IO控制信号是高电平或是低电平，以区分地址总线上的地址是访问存储器还是访问外设.