前言
以下内容源自微型计算机原理（第四版）王忠民主编
例题源于课堂PPT
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8086/8088微处理器
80x86微处理器简介
1.80x86微型计算机按CPU字长划分经历了哪几代?每代CPU的主频是多少?每 CPU有多少根地址引脚?理论上的存储器地址空间有多大?
2.为了满足微型计算机对存储器系统的高速度、大容量、低成本的要求，目前微机 统通常采用三级存储器组织结构。试说明三级存储器组织结构的组成与工作原理。
三级存储器组织结构，即由高速缓冲存储器Cache、主存和外存组成。 工作原理:当前正在执行的程序或使用的数据必须从外存调入主存后才能被CPU读取并执行， 将当前使用频率较高的程序和数据通过一定的替换机制从主存放入Cache, CPU在取指令或读取操作数时，同时对Cache和主存进行访问，如果Cache命中， 则终止对主存的访问，直接从Cache中将指令或数据送CPU处理。由于Cache的速度比主 存快得多，因此，Cache的使用大大提高了CPU读取指令或数据的速度。
3.2.1 8086/8088内部结构
8086CPU内部结构框图如图3.2所示，从功能上讲可分为两大部分:总线接口单元BIU(Bus Interface Umit)和执行单元EU(Execution Unit)。
1.总线接口单元BIU
总线楼口单元BIU的功能是负责完成CPU与存储器或IO设备之间的数据传送。其具 体任务是:
①读指令——指令队列出现空字节(8088 CPU1个空字节，8086CPU2个空字节时, 从内存取出后续指令。BIU取指令时，并不影响EU的执行，两者并行工作，大大提高了CPU的执行速度,
②读操作数——EU需要从内存或外设端口读取操作数时，根据EU给出的地址从内 存或外设端口读取数据供EU使用。
③写操作数——EU的执行结果由BIU送往指定的内存单元或外设端口。
总线接口单元内有4个16位段寄存器，即代码段寄存器CS(Code Segment)、数据段寄 存器DSData Segmen)、堆栈段寄存器SS(Stack Segment)和附加数据段寄存器ES(Exma Ssegmenl)，一个16位的指令指针寄存器IP(Instruction Pointer)，一个20位的地址加法器，一个6字节指令队列缓冲器，一个与EU通信的内部寄存器以及总线控制电路等。下面对总线楼口单元中有关部件的功能作详细介绍。
1)段寄存器
886CPU的地址引脚有20根，能提供20位的地址信息，可直接对1M个存储单元进行访问，但CPU内部可用来提供地址信息的寄存器都是16位的，那么如何用16位寄存器实现20位地址的寻址呢?8086/8088采用了段结构的内存管理方法。
将指令代码和数据分别存储在代码段、数据段、堆栈段、附加数据段中，这些段的段 地址分别由段寄存器CS、DS、SS、ES提供，而代码或数据在段内的偏移地址则由有关寄 存器或立即数形式的偏移地址给出。
代码段寄存器CS存储程序当前使用的代码段的段地址。代码段用来存放程序的指令 代码。下一条要读取指令在代码段中的偏移地址由指令指针寄存器IP提供。数据段寄存器 DS用来存放程序当前使用的数据段的段地址。 一般来说，程序中所用到的原始数据、中间 结果以及最终结果都存放在数据段中。如果程序中使用了字符串处理指令，则源字符串也 存放在数据段中。堆栈段寄存器SS用来存放程序当前所使用的堆栈段的段地址。堆栈是在 存储器中开辟的一个特定区域(详见33.1节“堆栈操作”)。附加数据段寄存器ES用来存放 程序当前使用的附加数据段的段地址。附加数据段通常用于存放字符串操作时的目的字符串。
程序员在编写汇编语言源程序时，应该按照上述规定将程序的各个部分放在规定的段 内。每个源程序必须至少有一个代码段，而数据段、堆栈段和附加数据段则根据程序的需 要决定是否设置。
2)指令指针寄存器
指令指针寄存器IP用来存放下一条要读取的指令在代码段中的偏移地址。IP在程序运 行中能自动加1修正，从而使其始终存放的是下一条要读取的指令在代码段的偏移地址。 由于CS和IP的内容决定了程序的执行顺序，因此程序员不能直接用赋值指令对其内容进 行修改。有些指令能使IP和CS的值改变(如跳转指令)或使其值压入堆栈或从堆栈中弹出恢 复原值(如子程序调用指令和返回指令)。
3)20位地址加法器
8086/8088 CPU在对存储单元进行访问以读取指令或读/写操作数时，必须在地址总线 上提供20位的地址信息，以便选中对应的存储单元。那么，CPU是如何产生20位地址的呢?
CPU提供的用来对存储单元进行访问的20位地址是由BIU中的地址加法器产生的。 存储器中每个存储单元的地址可有以下两种表示方式:
(1)逻辑地址:其表达形式为“段地址:段内偏移地址”。段内偏移地址又称为“有效 地址”(EA，Effective Address)。在读指令时，段地址由代码段寄存器CS提供，当前要读取
指令在代码段中的偏移地址由指令指针寄存器段内偏移地址
IP提供，在读取或存储操作数时，根据具体操作，段地址由DS、ES或SS提供，段内偏移地段寄存器由指令给出。
(2)物理地址:CPU与存储器进行数据交换时在地址总线上提供的20位地址信息称为
物理地址。物理地址的形成过程如图3.3所示。
由逻辑地址求物理地址的公式为:
物理地址=段地址x10H+段内偏移地址
如假设当前(CS)=20A8H，(IP)=2008H，那么，下一条从内存中读取的指令所在存储 单元的物理地址为20A8Hx10H+2008H=22A88H。
4)指令队列缓冲器
条要执行的指令从内存单元读入指令队列。它们采用“先进先出”的原则，按顺序存协
节(对8086而言)或1个空字节(对8088而言)时，BIU就自动执行一次取指令周期，将下
并按顺序取到EU中去执行。
当EU执行跳转、子程序调用或返回指令时，BIU就使指令队列复位，并从指令给出
新地址开始取指令，新取的第1条指令直接经指令队列送EU执行，随后取来的指令将填入指令队列缓冲器。
指令队列的引入使得EU和BIU可并行工作，即BIU在读指令时，并不影响EU单
执行指令，EU单元可以连续不断地直接从指令队列中取到要执行的指令代码，从而减少了CPU为取指令而等待的时间，提高了CPU的利用率，加快了整机的运行速度。
2.执行单元EU
执行单元EU不与系统外部直接相连，它的功能只是负责执行指令。执行的指令从B
的指令队列缓冲器中直接得到。执行指令时若需要从存储器或IO端口读写操作数，由
向BIU发出请求，再由BIU对存储器或I/O端口进行访问。EU由下列部件组成;
(1)16位算术逻辑单元(ALU):用于进行算术和逻辑运算。
(2)16位标志寄存器FLAGS:用来存放CPU运算结果的状态特征和控制标志。
(3)数据暂存寄存器:协助ALU完成运算，暂存参加运算的数据，
(4)通用寄存器:包括4个16位数据寄存器AX、BX、CX、DX和4个16位指针与变
址寄存器SP、BP与SI、DI。
(5) EU控制电路:它是控制、定时与状态逻辑电路，接收从BIU中指令队列取来的指
令，经过指令译码形成各种定时控制信号，对EU的各个部件实现特定的定时操作。
88CPU内部结构与8086基本相似，两者的执行单元EU完全相同，其指令系统、
址方式及程序设计方法都相同，所以两种CPU完全兼容。区别仅在于总线接口单元BIU，归纳起来主要有以下几个方面的差异:
(1)外部数据总线位数不同。8086外部数据总线为16位，在一个总线周期内可
输入/输出一个字(16位数据);而8088外部数据总线为8位，在一个总线周期内只
输入/输出一个字节(8位数据)。
(2)指令队列缓冲器大小不同。8086指令队列可容纳6个字节，且在每一个总线周期中
从存储器取出2个字节的指令代码填入指令队列:而8088指令队列只能容纳4个字节，在一个机器周期中取出一个字节的指令代码送指令队列。
(3)部分引脚的功能定义有所区别，详见3.2.4节。
