8086概述

8086微处理器是Intel公司推出的第三代CPU芯片,它们的内部结构基本相同,都采用16位结构进行操作及存储器寻址,但外部性能有所差异,两种处理器都封装在相同的40脚双列直插组件(DIP)中。

8086CPU的编程结构

编程结构:是指从程序员和使用者的角度看到的结构,亦可称为功能结构。如图2-1所示是8086CPU的内部功能结构。
从功能上来看,8086CPU可分为两部分,即总线接口部件BIU(BusInterfaceUnit)和执行部件EU(ExecuTIonUnit)。

(1)执行部件(EU)

功能:负责指令的执行。
组成:包括①ALU(算术逻辑单元)、②通用寄存器组和③标志寄存器等,主要进行8位及16位的各种运算。

(2)总线接口部件(BIU)

功能:负责与存储器及I/O接口之间的数据传送操作。具体来看,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。
组成:它由①段寄存器(DS、CS、ES、SS)、②16位指令指针寄存器IP(指向下一条要取出的指令代码)、③20位地址加法器(用来产生20位地址)和④6字节(8088为4字节)指令队列缓冲器组成。

(3)8086BIU的特点

①8086的指令队列分别为6/4个字节,在执行指令的同时,可从内存中取出后续的指令代码,放在指令队列中,可以提高CPU的工作效率。
②地址加法器用来产生20位物理地址。8086可用20位地址寻址1M字节的内存空间,而CPU内部的寄存器都是16位,因此需要由一个附加的机构来计算出20位的物理地址,这个机构就是20位的地址加法器。
例如:CS=0FE00H,IP=0400H,则表示要取指令代码的物理地址为0FE400H。

(4)BIU与EU的动作协调原则

总线接口部件(BIU)和执行部件(EU)按以下流水线技术原则协调工作,共同完成所要求的信息处理任务:
①每当8086的指令队列中有两个空字节,或BIU就会自动把指令取到指令队列中。其取指的顺序是按指令在程序中出现的前后顺序。
②每当EU准备执行一条指令时,它会从BIU部件的指令队列前部取出指令的代码,然后用几个时钟周期去执行指令。在执行指令的过程中,如果必须访问存储器或者I/O端口,那么EU就会请求BIU,进入总线周期,完成访问内存或者I/O端口的操作;如果此时BIU正好处于空闲状态,会立即响应EU的总线请求。如BIU正将某个指令字节取到指令队列中,则BIU将首先完成这个取指令的总线周期,然后再去响应EU发出的访问总线的请求。
③当指令队列已满,且EU又没有总线访问请求时,BIU便进入空闲状态。④在执行转移指令、调用指令和返回指令时,由于待执行指令的顺序发生了变化,则指令队列中已经装入的字节被自动消除,BIU会接着往指令队列装入转向的另一程序段中的指令代码。
从上述BIU与EU的动作管理原则中,不难看出,它们两者的工作是不同步的,正是这种既相互独立又相互配合的关系,使得8086可以在执行指令的同时,进行取指令代码的操作,也就是说BIU与EU是一种并行工作方式,改变了以往计算机取指令→译码→执行指令的串行工作方式,大大提高了工作效率,这正是8086获得成功的原因之一。

(5)8086CPU内部寄存器

8086内部的寄存器可以分为通用寄存器和专用寄存器两大类,专用寄存器包括指针寄存器、变址寄存器等。
①通用寄存器
8086有4个16位的通用寄存器(AX、BX、CX、DX),可以存放16位的操作数,也可分为8个8位的寄存器(AL、AH;BL、BH;CL、CH;DL、DH)来使用。其中AX称为累加器,BX称为基址寄存器,CX称为计数寄存器,DX称为数据寄存器,这些寄存器在具体使用上有一定的差别,如表2-1所示。
②指针寄存器
系统中有两个16位的指针寄存器SP和BP,其中SP是堆栈指针寄存器,由它和堆栈段寄存器SS一起来确定堆栈在内存中的位臵;BP是基数指针寄存器,通常用于存放基地址。
③变址寄存器
系统中有两个16位的变址寄存器SI和DI,其中SI是源变址寄存器,DI是目的变址寄存器,都用于指令的变址寻址方式。
④控制寄存器
IP、标志寄存器是系统中的两个16位控制寄存器,其中IP是指令指针寄存器,用来控制CPU的指令执行顺序,它和代码段寄存器CS一起可以确定当前所要取的指令的内存地址。顺序执行程序时,CPU每取一个指令字节,IP自动加1,指向下一个要读取的字节;当IP单独改变时,会发生段内的程序转移;当CS和IP同时改变时,会产生段间的程序转移。
标志寄存器的内容被称为处理器状态字PSW,用来存放8086CPU在工作过程中的状态。
⑤段寄存器
系统中共有4个16位段寄存器,即代码段寄存器CS、数据段寄存器DS、堆栈段寄存器SS和附加段寄存器ES。这些段寄存器的内容与有效的地址偏移量一起,可确定内存的物理地址。通常CS划定并控制程序区,DS和ES控制数据区,SS控制堆栈区。

(6)处理器状态字PSW

8086内部标志寄存器的内容,又称为处理器状态字PSW。其中共有9个标志位,可分成两类:一类为状态标志,一类为控制标志。其中状态标志表示前一步操作(如加、减等)执行以后,ALU所处的状态,后续操作可以根据这些状态标志进行判断,实现转移;控制标志则可以通过指令人为设臵,用以对某一种特定的功能起控制作用(如中断屏蔽等),反映了人们对微机系统工作方式的可控制性。
PSW中各标志位的安排如图2-2所示,这些标志位的含义如下:①状态标志:6个
CF—进位标志位,做加法时最高位出现进位或做减法时最高位出现借位,该位臵1,反之为0。
PF—奇偶标志位,当运算结果的低8位中l的个数为偶数时,则该位臵1,反之为0。AF—半进位标志位,做字节加法时,当低四位有向高四位的进位,或在做减法时,低
四位有向高四位的借位时,该标志位就臵1。通常用于对BCD算术运算结果的调整。(例:11011000+10101110=110000110其中AF=1,CF=1)
ZF—零标志位,运算结果为0时,该标志位臵1,否则清0。
SF—符号标志位,当运算结果的最高位为1,该标志位臵1,否则清0。即与运算结果的最高位相同。
OF—溢出标志位,OF溢出的判断方法如下:
加法运算:
若两个加数的最高位为0,而和的最高位为1,则产生上溢出;若两个加数的最高位为1,而和的最高位为0,则产生下溢出;两个加数的最高位不相同时,不可能产生溢出。
减法运算:
若被减数的最高位为0,减数的最高位为1,而差的最高位为1,则产生上溢出;若被减数的最高位为1,减数的最高位为0,而差的最高位为0,则产生下溢出;被减数及减数的最高位相同时,不可能产生溢出。
如果所进行的运算是带符号数的运算,则溢出标志恰好能够反映运算结果是否超出了8位或16位带符号数所能表达的范围,即字节运算大于十127或小于-128时,字运算大于十32767或小于-32768时,该位臵1,反之为0。

8086CPU的两种工作模式

为了适应各种使用场合,在设计8086CPU芯片时,就考虑了其应能够使它工作在两种模式下,即最小模式与最大模式。
所谓最小模式,就是系统中只有一个8086微处理器,在这种情况下,所有的总线控制信号,都是直接由8086CPU产生的,系统中的总线控制逻辑电路被减到最少,该模式适用于规模较小的微机应用系统。
最大模式是相对于最小模式而言的,最大模式用在中、大规模的微机应用系统中,在最大模式下,系统中至少包含两个微处理器,其中一个为主处理器,即8086/8086CPU,其它的微处理器称之为协处理器,它们是协助主处理器工作的。
与8086CPU配合工作的协处理器有两类,一类是数值协处理器8087另一类是输入/输出协处理器8089。
8087是一种专用于数值运算的协处理器,它能实现多种类型的数值运算,如高精度的整型和浮点型数值运算,超越函数(三角函数、对数函数)的计算等,这些运算若用软件的方法来实现,将耗费大量的机器时间。换句话说,引入了8087协处理器,就是把软件功能硬件化,可以大大提高主处理器的运行速度。
8089协处理器,在原理上有点象带有两个DMA通道的处理器,它有一套专门用于输入/输出操作的指令系统,但是8089又和DMA控制器不同,它可以直接为输入/输出设备服务,使主处理器不再承担这类工作。所以,在系统中增加8089协处理器之后,会明显提高主处理器的效率,尤其是在输入/输出操作比较频繁的系统中。

8086CPU寄存器种类及用途

8086有14个16位寄存器,这14个寄存器按其用途可分为通用寄存器、指令指针、标志寄存器和段寄存器等4类。

1)通用寄存器

通用寄存器有8个,又可以分成2组,一组是数据寄存器(4个),另一组是指针寄存器及变址寄存器(4个)。
数据寄存器分为:
AH&AL=AX(accumulator):累加寄存器,常用于运算;在乘除等指令中指定用来存放操作数,另外,所有的I/O指令都使用这一寄存器与外界设备传送数据。
BH&BL=BX(base):基址寄存器,常用于地址索引;
CH&CL=CX(count):计数寄存器,常用于计数;常用于保存计算值,如在移位指令,循环(loop)和串处理指令中用作隐含的计数器。
DH&DL=DX(data):数据寄存器,常用于数据传递。
他们的特点是,这4个16位的寄存器可以分为高8位:AH,BH,CH,DH.以及低八位:AL,BL,CL,DL。这2组8位寄存器可以分别寻址,并单独使用。另一组是指针寄存器和变址寄存器,包括:
SP(StackPointer):堆栈指针,与SS配合使用,可指向目前的堆栈位置;
BP(BasePointer):基址指针寄存器,可用作SS的一个相对基址位置;
SI(SourceIndex):源变址寄存器可用来存放相对于DS段之源变址指针;
DI(DesTInaTIonIndex):目的变址寄存器,可用来存放相对于ES段之目的变址指针。
这4个16位寄存器只能按16位进行存取操作,主要用来形成操作数的地址,用于堆栈操作和变址运算中计算操作数的有效地址。

2) 指令指针IP(InstrucTIon Pointer)

指令指针IP是一个16位专用寄存器,它指向当前需要取出的指令字节,当BIU从内存中取出一个指令字节后,IP就自动加1,指向下一个指令字节。注意,IP指向的是指令地址的段内地址偏移量,又称偏移地址(Offset Address)或有效地址(EA,Effective Address)。

3)标志寄存器FR(Flag Register)

8086有一个18位的标志寄存器FR,在FR中有意义的有9位,其中6位是状态位,3位是控制位。
OF: 溢出标志位OF用于反映有符号数加减运算所得结果是否溢出。如果运算结果超过当前运算位数所能表示的范围,则称为溢出,OF的值被置为1,否则,OF的值被清为0。
DF:方向标志DF位用来决定在串操作指令执行时有关指针寄存器发生调整的方向。
IF:中断允许标志IF位用来决定CPU是否响应CPU外部的可屏蔽中断发出的中断请求。但不管该标志为何值,CPU都必须响应CPU外部的不可屏蔽中断所发出的中断请求,以及CPU内部产生的中断请求。具体规定如下:
(1)、当IF=1时,CPU可以响应CPU外部的可屏蔽中断发出的中断请求;
(2)、当IF=0时,CPU不响应CPU外部的可屏蔽中断发出的中断请求。
TF:跟踪标志TF。该标志可用于程序调试。TF标志没有专门的指令来设置或清楚。
(1)如果TF=1,则CPU处于单步执行指令的工作方式,此时每执行完一条指令,就显示CPU内各个寄存器的当前值及CPU将要执行的下一条指令。
(2)如果TF=0,则处于连续工作模式。
SF:符号标志SF用来反映运算结果的符号位,它与运算结果的最高位相同。在微机系统中,有符号数采用补码表示法,所以,SF也就反映运算结果的正负号。运算结果为正数时,SF的值为0,否则其值为1。
ZF: 零标志ZF用来反映运算结果是否为0。如果运算结果为0,则其值为1,否则其值为0。在判断运算结果是否为0时,可使用此标志位。
AF:下列情况下,辅助进位标志AF的值被置为1,否则其值为0:
(1)、在字操作时,发生低字节向高字节进位或借位时;
(2)、在字节操作时,发生低4位向高4位进位或借位时。
PF:奇偶标志PF用于反映运算结果中“1”的个数的奇偶性。如果“1”的个数为偶数,则PF的值为1,否则其值为0。
CF:进位标志CF主要用来反映运算是否产生进位或借位。如果运算结果的最高位产生了一个进位或借位,那么,其值为1,否则其值为0。)

4)段寄存器(Segment Register)

为了运用所有的内存空间,8086设定了四个段寄存器,专门用来保存段地址:
CS(Code Segment):代码段寄存器;
DS(Data Segment):数据段寄存器;
SS(Stack Segment):堆栈段寄存器;
ES(Extra Segment):附加段寄存器。
当一个程序要执行时,就要决定程序代码、数据和堆栈各要用到内存的哪些位置,通过设定段寄存器 CS,DS,SS 来指向这些起始位置。通常是将DS固定,而根据需要修改CS。所以,程序可以在可寻址空间小于64K的情况下被写成任意大小。 所以,程序和其数据组合起来的大小,限制在DS 所指的64K内,这就是COM文件不得大于64K的原因。8086以内存做为战场,用寄存器做为军事基地,以加速工作。