微型处理器基本结构说明

1.微型处理器的结构：

 

8086中央处理单元（CPU）是第三代微处理器，是Intel x86系列微处理器中的第一代产品。它是典型的16位微处理器，采用HMOS工艺，芯片内部包含有29000多个晶体管。它具有16位数据线和20位地址线，寻址空间为1M bytes。8086由单一+5V电源供电，时钟频率5～10MHz。从功能上看，8086 CPU分为执行单元（EU）和总线接口单元（BIU）两部分。EU和BIU协同工作，形成指令级的流水线。

2.EU与BIU

(1)、BIU的结构和功能
　　概括地讲，EU负责执行指令，BIU负责与存储器或I/O接口交互数据。CPU通过BIU从存储器读取指令或操作数，送往EU执行。再通过BIU将EU执行指令的结果传送到存贮器或者和I/O端口交换数据。

BIU的功能:

BIU为EU完成全部的总线操作，根据EU的命令控制数据在CPU和存储器或I/O接口之间传送。以存储器访问为例，BIU的操作过程是这样的，BIU首先将要访问存储器的逻辑地址转换成物理地址，再从（往）物理地址对应的存储器单元读取（写入）数据；如果是读取指令，BIU从物理地址取到指令后将指令送入指令队列

BIU的组成:

• 段寄存器（均为16位）
　CS：代码段寄存器，存放程序段地址；
　DS：数据段寄存器，存放数据段地址；
　ES：扩展段寄存器，存放辅助数据段地址；
　SS：堆栈段寄存器，存放堆栈段地址。

为什么要分段??

8086有20位地址线，具有1M空间的寻址能力。但是8086是16位微处理器，其内部寄存器均为16位，那么如何用16位寄存器提供的信息来实现1M空间的存储器寻址呢？为了解决这个问题，8086采用了将存储器分段的技术。段地址由段寄存器给出，段寄存器内容左移4位得到20位的地址，就是该存储器段的起始地址。存储器每段的最大长度为64K，（因为16位寄存器表示的最大量为64K）因此段内的存储地址相对于该段起始地址的最大偏移为64K.

• 指令指针寄存器（16位）
　IP寄存器用于存放程序段的偏移量。
• 地址加法器（20位）
　地址加法器用于根据逻辑地址计算20位物理地址。
• 6字节的指令队列
　指令队列可存放多条指令，用于指令预取。

解决8086执行指令的速度要比CPU芯片外部的数据访问快很多倍的问题;
• 总线控制电路
　总线控制电路实现总线的控制逻辑，产生相应的控制信号。

 

 

BIU功能的实现:

举个例子:

CS是代码段的段寄存器。一条指令的物理地址就是根据代码段寄存器CS内容和指令指针寄存器IP的内容得到的。具体计算是通过地址加法器进行的，地址加法器将段寄存器的内容左移4位（乘以16），然后再与IP的内容相加。得到指令的物理地址。例如：
　　设CS＝ED00H，IP=0020H，计算物理地址时，先将CS左移4位，即得到ED00 0H，再与IP内容相加，即ED00 0H + 0020H = ED020H，ED020H就是该指令的物理地址。
　　然后，由总线控制逻辑驱动地址信号和控制信号，读取ED020H单元的指令。取到指令以后，送入指令队列的队尾，备EU执行。EU总是从指令队列的队首得到指令。BIU在EU执行指令的同时，不断从存储器顺序读取一条或多条指令，陆续将指令队列添满。这样，EU就可以连续执行指令，实现指令级的流水作业。

(2)、EU的结构和功能

执行单元EU从BIU的指令队列得到指令以后，完成对指令的译码、执行并回写结果。当EU需要操作数时，便申请BIU访问存储器并向BIU提供段偏移地址。此外它还具有管理寄存器等功能

EU的组成:

• 通用寄存器（16 bit）
　AX：用作累加器；
　BX：一般用作基址寄存器；
　CX：常常作为计数器；
　DX：多用作辅助累加器
　AX、BX、CX和DX都是16位寄存器，可是它们都可以分别作为2个8位寄存器使用。
• 专用寄存器（16 bit）
　BP：基数指针寄存器
　SP：堆栈指针寄存器
　SI：源变址寄存器
　DI：目的变址寄存器
• 标志寄存器Flag（16 bit）

• 算术逻辑单元ALU
• 执行单元的控制电路

标志寄存器的作用:

(3)、BIU与EU之间的关系

操作流程:

• BIU中的指令队列有2个或2个以上字节为空时，BIU自动启动总线周期，从存储单元取出指令。填充指令队列。直至将指令队列填满，BIU才进入空闲状态。

• EU每执行完一条指令，从BIU指令队列的队首取指令。系统初始化后，指令队列为空，EU需要等待BIU从内存取指填充指令队列。

• EU从指令队列取得指令后，译码并执行指令。若该指令需要取操作数或存操作结果，也就是说需要访问存储器或者I/O时，EU向BIU发出访问总线的请求。

• 当BIU接到EU申请总线的请求，若BIU正忙（正在执行取指令的总线周期），则必须等待BIU执行完当前的总线周期，方能响应EU请求；若BIU空闲，则立即执行EU申请总线的请求。

• EU执行转移、调用和返回指令时，若下一条指令不在指令队列中，则队列中的指令被自动清除，BIU根据转移、调用和返回指令指示的目标地址重新取出指令并填充指令队列。

形成流水线结构：

在8086中，指令的提取和执行是分别由总线接口部件和执行部件完成的，它们各行其责又相互配合。它们之间形成指令级的流水线，使得8086CPU可以在执行指令的同时进行读取指令的操作。执行部件从指令队列中取得指令的过程是数据在CPU内部寄存器之间传送的过程，所花费的时间远远小于总线访问的时间。一般情况下，EU可以不断地从指令队列中取得指令并执行指令，与BIU从对存储器的访问并行执行

3.总线周期

时钟周期或状态周期：8086CPU内部的逻辑操作以及与外部存储器和I/O交换数据进行的总线操作全部由CPU的时钟来定时的。CPU的基本定时单位称为时钟周期或者状态周期。假设8086的主频为10MHz，一个时钟周期为100ns。

总线周期：CPU为了读取指令或传送数据，需要通过总线接口部件BIU与存储器或I/O接口进行信息交互，执行对总线的操作。进行一次数据传送的总线操作定义为一个总线周期。
　　典型的总线周期通常由4个时钟（状态）周期T₁、T₂、T₃和T₄组成。
　　T₁为地址周期。CPU通过地址/数据（或地址/状态）复用总线发出地址信息，指示要寻址的存储器单元或者I/O的地址。

         T₂为缓冲周期。例如，在总线读周期，CPU在T₂撤销低16位地址信号，使该组信号线浮空，准备接收存储器或I/O的数据。
　　T₃为数据周期。数据出现在复用总线的低16位上。
　　T₄总线周期结束。

空闲周期：
　　系统总线处在空闲状态，此时，执行空闲周期T₁。