微机原理及接口技术-8086CPU基本结构

1.8086 CPU内部结构

图2-2所示为8086 CPU的内部结构框图。从功能上来看，8086 CPU由两个独立的工作部件组成：总线接口部件（Bus Interface Unit，BIU）和执行部件（Execution Unit，EU）。微型计算机工作时，总是先从存储器中取指令，需要时再取操作数，然后执行指令，送出结果，BIU完成取指令、读操作数和送出结果的过程。EU从BIU的指令队列中取出指令并执行，不必访问存储器或I/O端口。CPU若要访问存储器或I/O端口，也是由EU向BIU发出访问所需要的地址，在BIU中形成物理地址，然后访问存储器或I/O端口，取得操作数后送到EU，或将结果送到指定的内存单元或I/O端口。BIU和EU这两个部件并行地工作，能使大部分取指令操作与执行指令操作重叠进行，由于EU执行的是BIU已从存储器取出的指令，所以在大多数情况下取指令的时间“消失了”，大大提高了系统的工作效率。

图2-2 8086 CPU的内部结构框图

（1）执行部件（EU）

EU不与外部总线打交道，只负责指令的译码和执行，包括ALU（算术逻辑单元）、寄存器组、EU控制器等，主要进行8位及l6位的二进制运算，其中ALU完成8位或16位的二进制运算，16位暂存器可暂存参加运算的操作数，EU控制器进行时序控制和取指令控制，4个通用寄存器（AX、BX、CX、DX）和4个专用寄存器（基址指针寄存器BP、堆栈指针寄存器SP、源变址寄存器SI、目的变址寄存器DI）分别用来存放一些数据或地址信息，标志寄存器为PSW，用来存放ALU的运算结果特征。

（2）总线接口部件（BIU）

BIU是和总线打交道的接口部件。具体来看，它负责完成取指令送指令队列，配合执行部件的动作，从内存单元或I/O端口取操作数，或者将操作结果送内存单元或者I/O端口。BIU的组成主要有16位段寄存器DS、CS、ES、SS，16位指令指针寄存器IP，20位地址加法器，总线控制电路等。20位地址加法器将16位逻辑地址变换成存储器读/写所需的20位物理地址。指令队列缓冲器（简称指令队列）预存6B的指令代码。总线控制电路发出总线控制信号，实现存储器读/写控制和I/O读/写控制，它将8086 CPU的内部总线与外部总线相连，是8086 CPU与外部打交道不可缺少的路径。

2.8086 CPU存储器结构

图2-3所示为8086 CPU的内部寄存器结构，包括13个16位的寄存器和1个16位的状态标志寄存器。按其用途可分为四类。

图2-3 8086 CPU的内部寄存器结构

（1）通用寄存器组

8086微处理器中设置了一些通用寄存器，操作数可以直接存放在这些寄存器中，既减少了访问存储器的次数，又缩短了程序的长度，使得程序占用内存空间少，提高了数据处理速度。8086的通用寄存器分为数据寄存器、指针和变址寄存器两组。

①数据寄存器。用来存放操作数或中间结果。包括4个16位的寄存器AX、BX、CX和DX，也可将每个寄存器的高字节和低字节分开作为两个8位寄存器使用，即AH、BH、CH、DH和AL、BL、CL和DL。16位数据寄存器主要用于存放数据和地址，而8位寄存器只能存放数据。

②指针和变址寄存器。用来存放地址的偏移量（被寻址存储单元相对于段起始地址的距离，也称偏移地址）。包括16位的指针寄存器SP、BP和变址寄存器SI、DI。SP和BP用于堆栈段操作，SP用来保存当前栈顶的偏移地址，故称为堆栈指针寄存器；BP用来存放堆栈段一个数据区基址的偏移地址，故称为基址指针寄存器。SI和DI用来存放当前数据段的偏移地址，源操作数的偏移地址存放在SI中，称其为“源变址寄存器”；目的操作数的偏移地址存放于DI中，称为“目的变址寄存器”。

通用寄存器在一定场合有其特定的用法，表2-1给出了一些通用寄存器在指令中的特定用法。

表2-1 通用寄存器的特定用法

（2）段寄存器

8086 CPU共有4个16位段寄存器，它们存放段地址，各段寄存器的具体含义如下。(https://www.xing528.com)

CS：代码段寄存器，存放代码段的起始地址。CS与IP决定了当前指令的逻辑地址。

DS：数据段寄存器，存放数据段的起始地址。DS与SI决定了字符串操作时目的操作数的地址。

SS：堆栈段寄存器，存放堆栈段的起始地址，SS与SP决定了当前堆栈的顶部。所谓堆栈，是以“后进先出”规则保存信息的一种存储机构。8086 CPU堆栈段地址在SS寄存器中，堆栈当前偏移地址在SP寄存器中，SP的初值代表了堆栈区的大小。

ES：附加段寄存器，存放附加数据段起始地址。ES与DI决定了字符串操作时目的操作数的地址。

（3）指令指针寄存器IP

指令指针寄存器IP用来存放下一条指令在CS中的偏移量。当CPU从代码段中取出指令代码的一个字节后，IP自动加1，指向指令的下一个字节。当发生中断或调用时BIU自动将IP的偏移量压入堆栈保存，并调整IP的内容。程序不能直接访问IP，但可通过中断、转移等指令来修改IP的内容。

（4）标志寄存器FR

16位的标志寄存器FR用来显示微机的运行结果或控制机器的操作，只用了其中的9位，其中，6位作状态标志，是CF、PF、AF、ZF、SF和OF；3位作控制标志，是DF、IF和TF，设置情况见表2-2。

表2-2 8086 CPU标志寄存器的设置情况

①状态标志位。CF（Carry Flag）进位标志位：运算中发生进位或借位时，CF=1，否则CF=0。STC指令可置CF=1，CLC指令可置CF=0，CMC指令可对CF求反，循环指令也会影响该标志位。

AF（Auxiliary Carry Flag）辅助进位标志位：当进行字节操作，在运算结果的低4位向高4位有进位（加法）或有借位（减法）状况时，或者当进行字操作，低字节向高字节有进位（加法）或借位（减法）时，AF=1，否则AF=0。该标志一般在BCD码运算中作为是否进行十进制调整的判断依据。

OF（Overflow F1ag）溢出标志位：当运算结果超出机器数的表示范围时，OF=1，否则OF=0。例如：带符号数的操作数，当按字节运算超出-128～+127，或按字运算超出−32768～+32767范围时，OF=1。

SF（Sign Flag）符号标志位：在进行有符号数的算术运算时，当运算结果为负时，SF=l，否则SF=0。

ZF（Zero F1ag）零标志位：运算结果为零时，ZF=1；否则ZF=0。

PF（Parity Flag）奇偶标志位：当运算结果的低8位“1”的个数为偶数时，PF=l；否则PF=0。

②控制标志位。用来控制CPU的某些特定操作，可编程设置。

DF（Direction Flag）方向标志位；用来控制数据串操作指令步进方向。当DF=0时，变址地址指针SI、DI作增量操作，即由低地址向高地址进行串操作，字节操作增量为1，字操作增量为2；当DF=1时，作减量操作，即由高地址向低地址进行串操作。STD指令可置DF=1，CLD指令可置DF=0。

IF（Interrupt F1ag）中断允许标志位：控制可屏蔽中断的标志。当IF=1时，允许CPU响应可屏蔽中断请求，即允许外部从INTR引脚发来的中断请求；当IF=0时，禁止响应。STI指令可置IF=1，CLI指令可置IF=0。

TF（Trap F1ag）陷阱标志位：这是为程序调试而提供的CPU单步工作方式。当TF=1时，CPU每执行完—条指令就产生一个内部中断，转去执行一个中断服务程序，以便对每条指令的执行结果进行跟踪调查。