概述：

8086CPU（CISC）曾是使用广泛的16 位微处理器。80386 和80486（采用了突发总线方式）及目前流行的Pentium系列都是从8086 发展而来的，称为80x86 系列（首次采用了RISC技术，可以在一个时钟周期内执行一条指令）。8086 是由Intel公司设计生产的，x86架构的鼻祖，具有 40 个引脚的双列直插式封装芯片，内外数据总线都为 16 位，地址总线为 20 位，直接寻址为 1 MB 。最早用于 IBMPC 中的 8088 CPU , 其内部结构与 8086 基本相同，只是 8088 只有 8 条外部数据总线，因此也称为准 16 位微处理器。

80486CPU 是一种全 32 位体系结构的处理机。芯片中包括存储管理部件（MMU )、浮点运算部件（FPU ) 和8 K B 的高速缓存（Cache)。采用80486CPU 组成的微机系统可工作于三种模式：实模式、保护模式和虚拟8086 模式。80486CPU 内部采用了精简指令技术（Reduced Instruction SetComputer, RISC ) , 降低了执行指令的时钟数，达到1.2条指令/时钟。另外，CPU 与内部的 FPU 以及 CPU 与内部的 Cache 之间都采用高速总线传输数据，使得该系统处理速率大大提高。80486 把分段技术和分页技术有机地结合在一起，为存储器管理提供4 级保护。

Pentium微处理机除具有8 0 4 8 6 微处理机的三种工作模式外，还有一种独具特色的系统管理模式（主要包括电源管理），为操作系统和正在运行的程序提供安全管理。

8086 CPU 的内部结构

在这里插入图片描述

EU、BIU

采用执行部件和总线接口并行的流水线结构，可以提高CPU的利用率和处理速度
两部分部件
1. EU（execution unit）执行单元
  - 功能：负责指令的执行
  - 组成部分
  1. 算术逻辑单元（ALU）
    完成8位或16位的二进制数的算术逻辑运算，绝大部分指令的执行都由ALU完成，运算结果通过内部总线送到通用寄存器组或 BIU 的内部寄存器中，等待写入存储器。在运算时，数据先传送至16位的暂存寄存器中，暂存寄存器用来暂存参加运算的操作数，经 ALU 运算后的结果置入 FR (标志寄存器）中保存。
  2. 标志寄存器（FR）——控制寄存器
    
    用来反映CPU最近一次运算结果的状态特征或存放控制标志，16位，其中有7位未用
    
    分为两类：
    - 6位运算结果状态标志
      
      用来表示运算结果的特征，为CF 、PF 、AF 、ZF 、SF 和OF ;
      
      CF (Carry Flag ) —— 进位/借位标志位
      
      表示本次运算中最高位（对字操作是 $D_{15}$ 、对字节操作是 $D_7$ ) 有进位（加法运算时）或有借位（减法运算时）。当有进位或借位时，CF=1, 否则 CF=0。执行循环移位指令时也会影响此标志
      
      CF 标志可以通过STC 指令置位，通过CLC 指令复位（清除进位标志），还可通过CMC 指令将当前CF 标志取反。
      
      PF (Parity Flag) —— 奇偶校验标志位
      
      PF = 1 , 表示本次运算结果中有偶数个“1”； PF = 0 , 表示本次运算结果中有奇数个“1”。
      
      AF(Auxiliary Carry Flag) —— 辅助进位标志位
      
      AF = 1 , 表示运算结果的 8 位数据中，低 4 位向高 4 位有进位（加法运算时）或有借位（减法运算时），这个标志位只在十进制数运算中有用。
      
      ZF (Zero Flag) —— 零标志位
      
      ZF = 1 , 表示本次运算结果为零；ZF = 0 , 运算结果非零。
      
      SF (Sign Flag) —— 符号标志位
      
      SF = 1 , 表示本次运算结果的最高位( $D_{15}$ 或 $D_7$ ) 为 “1” ，否则 SF = 0 。
      
      OF (Overflow Flag) —— 溢出标志位
      
      表示本次算术运算结果产生溢出，否则 OF = 0
      
      所谓溢出，就是字节运算的结果超出了范围 $- 128 〜 + 127$ , 或者字运算超出了范围 $- 32768 〜 32767$ 。在加法运算时，当次高位向最高位有进位，而最高位又没有向前进位时，便产生溢出，于是 OF = 1 ; 或者，当次高位向最高位无进位，而最高位向前有进位时，同样产生溢出，于是 OF = 1 。在减法运算时，每当判断出最高位需要借位，而低位并不向最高位产生借位时，OF 置 1 ; 或者，每当判断出低位从最高位有借位，而最高位并不需要从更高位借位时，OF 置 1。计算机在进行算术运算时，判断是否溢出的一个简单方法是：运算结果是否合理。例如，当两个正数相加，和为负数时，OF = 1; 否则，OF = 0 。要说明的是，计算机在运算时会影响 OF 标志，但对编程者来说，该标志仅对带符号数有意义。
    - 3位状态控制标志
      
      用来控制 CPU 的操作，它们是 IF、DF 和 TF 。
      
      IF ( Interrupt Flag) —— 中断标志位
      
      IF = 1 , 表示允许CPU 响应可屏蔽中断。IF 标志可以通过 STI 指令置位，也可通过 CLI 指令
      复位。
      
      DF (Direction Flag ) —— 方向标志位
      
      在串操作指令中，DF = 0 , 表示串操作指令地址指针自动增量，即串操作的数据由低地址向高地址进行；DF = 1 , 表示地址指针自动减量，即串操作的数据是由高地址向低地址进行的。 DF 标志位可以通过 STD 指令置位，也可通过 CLD 指令复位。
      
      TF (Trap Flag ) —— 单步标志位（陷阱标志）
      
      TF = 1 , 表示控制CPU 进入单步工作方式。在这种工作方式下，PCU 每执行完一条指令就自动产生一次内部中断，这在程序调试过程中非常有用。对T F 标志的设定和清除没有专用指令，但可用编程间接达到目的。例如，可先将标志寄存器的内容推入堆找，再设法对标志寄存器的某一位（即T F 位）进行置1 或清零操作，再利用堆栈指令将修改后的数据送入标志寄存器中，这样就可以对该标志进行置位和清零。
  3. 通用寄存器
    - 四个数据寄存器
      
      通用寄存器既可用来存放 16 位的数据或地址，也可把它们作为 8 位寄存器来使用，即把每个 16 位的通用寄存器分成高 8 位和低 8 位。低 8 位被命名为AL、BL、CL 和 DL , 高 8 位被命名为AH、BH、CH 和DH 。这些寄存器一般存放 8 位数据（只能存放数据，不能存放其他类型数据）。
      
      AX(Accumulator Register,累加器)
      
      一般用来存放参加运算的数据和结果，在乘、除法运算、I/O 操作、BCD 数运算中有不可替代的作用。
      
      BX(Base Register,基址寄存器)
      
      除可作为数据寄存器外，还可存放内存的逻辑偏移地址，而AX 、CX 、DX 则不能。
      
      CX(Counter Register,数据寄存器)
      
      既可作为数据寄存器，又可在串指令和移位（LOOP）指令中作为计数用。
      
      DX(Data Register, 数据寄存器)
      
      除可作为通用数据寄存器外，还在乘、除法运算、带符号数的扩展指令中有特殊用途。
    - 四个专用寄存器（地址指针和变址寄存器）
      
      SI (Source Index , 源变址寄存器）
      
      多用于存放内存的逻辑偏移地址（隐含的逻辑段地址在数据段寄存器中），也可存放数据。
      
      在串操作指令中，SI规定用作存放源操作数的段内偏移地址DS:SI
      
      DI (Destination Index , 目标变址寄存器）
      
      多用于存放内存的逻辑偏移地址（隐含的逻辑段地址在数据段寄存器中），也可存放数据。
      
      规定用作存放目的操作数（目的串）的偏移地址DS:DI
      
      BP (Base Pointer,基址指针）
      
      访问堆栈时的基址指针，用于存放内存的逻辑偏移地址（隐含的逻辑段地址在堆栈段寄存器中）。SP、BP经常和SS连用。 SS:BP
      
      SP (Stack Pointer,堆栈指针）
      
      用于存放栈顶的逻辑偏移地址（隐含的逻辑段地址在堆栈段寄存器中）,堆栈操作指令PUSH和POP就是从SP得到操作数的段内偏移地址的。 SS:SP
  4. EU控制器
    
    接收从BIU中的指令队列去来的指令，经过指令译码形成各种定时控制信号，向EU内各部分功能发送相应的控制指令，来完成每条指令所规定的操作。
  隐含寻址： 如果在指令中没有明显标出，但指令中又需要使用这些寄存器，通常将其称为“隐含寻址”。隐含寻址实际上是在某类指令中指定某些通用寄存器作为特殊用法。程序设计者在编制程序时需遵循这些规定，将某些特殊数据放在特定的寄存器中，才能正确地执行这些指令。这样也许会给程序设计者带来一些麻烦，但因其采用“隐含”方式，能有效地缩短指令代码的长度。
2. BIU（bus interface unit）总线接口单元
  - 功能：是 CPU 与存储器及 I/O 端口的接口，负责与外部存储器和I/O端口进行数据交换。形成访问存储器的物理地址、访问存储器并取指令暂存到指令队列中等待执行，访问存储器或 I/O 端口读取操作数来参加 EU 运算或存放运算结果等。
  - 组成部分
    1. 4 个 16 位段地址寄存器 （储存段基址）
      
      CS ( Code Segment , 代码段寄存器）
      
      存放程序代码段起始地址的高 16 位。
      
      DS (Data Segment , 数据段寄存器)
      
      存放数据段起始地址的高 16 位。
      
      SS (Stack Segment , 堆找段寄存器）
      
      存放堆栈段起始地址的高 16 位。
      
      ES (Extended Segment , 扩展段寄存器）或FS、GS
      
      存放扩展数据段起始地址的高 16 位。
    2. 16 位指令指针（IP）
      
      IP 中的内容可由 BIU 自动修改，用来存放将要执行的下一条指令在现行代码段中的偏移地址即
      
      IP 总是指向下一条待执行的指令。当然，由于指令队列的缘故，这个定义并不十分确切。在正常执行过程中，IP 中存有 BIU 要取出的下一条指令的偏移量，但是当 IP 的内容被保存到堆栈中去时，它首先会自动调整成指向要执行的下一条指令。程序是不能直接访问 IP 的，但可通过某些指令修改 IP 的内容，这类指令主要是程序控制类指令。该类指令可将转移目标地址送入 IP 中，以实现程序的转移，也可以将 IP 内容压入堆栈或从堆栈中弹出。
    3. 20 位物理地址加法器
      
      地址加法器用于将逻辑地址变成读/写存储器所需的20位物理地址，即完成地址的加法操作。方法是将某一段寄存器的内容（代表段基址）左移4位（相当于*16）再加上16位偏移地址以形成20位物理地址。
    4. 6 字节的指令队列
      
      当EU正在执行指令且不需要占用总线的时候，BIU 会自动进行预取下一条或几条指令的操作，并按先后次序存入指令队列中排队，由EU按顺序取指进行。
    5. 总线控制逻辑
      
      用于产生并发出总线控制信号,以实现对存储器和 I/O 端口的读/写控制。它将 CPU 的内部总线与16位的尾部总线相连，从而完成 CPU 与外部设备之间的读/写操作

BIU和EU的工作原理

传统的 CPU 在执行一个程序时，总是先从存储器中取出下一条指令，读出一个操作数（如指令需要操作数的话），然后执行指令。在8086 CPU 体系结构中，这些步骤分配给两个独立的处理单元进行，指令执行部件（EU )负责执行指令，总线接口部件（BIU ) 负责取指令、读出操作数和写入结果。这两个单元能够相互独立地工作，并在大多数情况下，大部分取指令和执行指令重叠进行，即在取指令的同时，指令执行部件也同时工作，这就有效地加快了系统的运算速率

换句话说，执行部件（EU ) 在执行指令时，不必通过访问存储器去取指令，而是从指令队列中取得指令代码，并分析执行它。若在指令执行过程中需要访问存储器或 I/O 端口，EU 只需向 BIU 送出访问存储器的逻辑地址。BIU 将根据 EU 要求形成访问存储器的物理地址，然后访问存储器或I / O端口，取得操作数后送到 EU 中去参加运算，必要时，可将运算结果再写回存储器中。所以，EU 实际上不与外界打交道，所有与外部的操作都在 BIU 控制下完成。

EU 只负责执行指令。在一般情况下，指令是顺序执行的，EU 可源源不断地从指令队列中取得待执行的指令，达到满负荷地连续执行指令，从而节省“取指”时间。如果在指令执行过程中需要访问存储器取操作数，那么 EU 将访问地址送给 BIU 后，等待操作数到来后才能继续操作；遇到转移指令，BIU 会将指令队列中的后继指令作废。这时，EU 等待 BIU 重新从存储器中取出目标地址中的指令代码进入指令队列后，才继续执行指令。在这种情况下，EU 和 BIU 的并行操作会受到一定影响，这是采用重叠操作方式不可避免的现象。只要转移指令出现率不是很高，两者的重叠操作仍然会取得良好效果。顺便指出，EU 处理的所有地址都是 16 位的，但是 BIU 能实现地址浮动，使 EU 可以访问1 MB 的存储空间。

BIU	取指1	取指2	取指3	…	…
EU	…	执行1	执行2	执行3	…

微机原理——8086系统结构

8086 CPU 的内部结构

EU、BIU

BIU和EU的工作原理

猜你喜欢