8086CPU详解

一、8086CPU内部结构及工作过程 1.1 8086 CPU内部结构及工作过程

下面是 Intel 8086CPU 的介绍： (1) 16位微处理器； (2) 采用高速运算性能的 HMOS 工艺制造，芯片上集成了2.9万只晶体管； (3) 使用单一的 +5V 电源，40 条引脚双列直插式封装； (4) 时钟频率为 5MHz~10MHz ，基本指令执行时间为0.3ms~0.6ms ； (5) 16根数据线和 20根地址线，可寻址的地址空间达 1MB (毕竟 16根地址线只可以寻址 64KB，太小了) ； (6) 8086可以和浮点运算器、输入/输出处理器或其他处理器组成多处理器系统，从而极大地提高了系统的数据吞吐能力和数据处理能力； (7) 8086微处理器从功能上可以划分为两个逻辑单元：执行部件 EU (Execution Unit) ；总线接口部件 BIU (Bus Interface Unit) 。 (8) 8086微处理器的寄存器结构：8086可供编程使用的有 14个 16位寄存器，按其用途可分为3类：通用寄存器；段寄存器；指针和标志寄存器。

8088 的内部结构与 8086 基本相同，不同点： (1) 8086的指令队列为 6字节，8088为 4字节； (2) 8086 BIU的外部数据总线为 16位，而8088为 8位。 可以说 8088 是 8086 的偷工减料版本，但是它卖得多，成为了第一代PC机的事实标准。这里学的也基本是上是以8088为蓝本。

1.2 8086 CPU内部寄存器

内部寄存器存放运算中的操作数、操作数地址、中间结果及最后结果。存取速度比存储器快许多。编程时须了解各寄存器的功能和用法。8088 与 8086 内部寄存器完全相同，下面的 14 个寄存器必须记住。

1. 数据寄存器

16位数据寄存器 AX、BX、CX、DX，存放 16位数据信息或地址信息。这 4 个寄存器最大的特点在于，每个 16 位寄存器也可分成 2 个 8位寄存器来使用：AL、BL、CL、DL，AH、BH、CH、DH。只能存放 8位数据，不能存放地址。

数据寄存器也可有专门用途。例如：

• AX (Accumulator) 累加器，在编程中用得最多；AX、AH和AL在乘、除法中有专门用途;
• BX (Base) 基地址寄存器，可存放偏移地址;
• CX (Count) 计数寄存器，在循环操作时作计数器用，用于控制循环程序的执行次数;
• DX (Data) 数据寄存器，在乘、除法及I/O端口操作时有专门用途。

2. 地址指针和变址寄存器

地址指针和变址寄存器 SP、BP、SI、DI 以及基址寄存器 BX ，可与段寄存器配合使用，一起构成内存的物理地址。

• 堆栈指针 SP (Stack Pointer) 和基址指针BP (Base Pointer) 可与堆栈段寄存器SS (Stack Segment) 联合使用，用于设置或访问堆栈段。
• 源变址寄存器 SI (Source Index) 和目的变址寄存器 DI (Destination Index) 具有通用寄存器的功能，通过 SI、DI 以及基址寄存器 BX ，可在内存中灵活寻找存储器操作数。在字符串运算中，可由 DS:SI 指向源串数据，ES:DI 指向目的串，实现串数据传送等操作。

这些寄存器存放段内地址的偏移量 (Offset) ，与段寄存器配合后，可实现灵活的寻址。主要在堆栈操作、字符串操作和访问存储器时使用。

3. 段寄存器

8086/8088 用分段技术寻址（地址是相对于某个段的基地址的偏移地址），用一组段寄存器将 1MB 空间分成若干逻辑段，每段 64KB ，段内设偏移地址。毕竟，8086是 16位的CPU，又需要访问到 1MB 的空间，所以需要 4 只“眼睛”。

8086/8088 内部设置了4个16位的段寄存器，段寄存器存放各段始址的高 16位，称为段基地址或段基址：

• 代码段寄存器 CS (Code Segment) (和后面的 IP 寄存器一对) ；
• 数据段寄存器 DS (Data Segment) (和前面的 SI,DI 配对) ；
• 堆栈段寄存器 SS (Stack Segment) (和前面的 SP、BP 一组) ；
• 附加段寄存器 ES (Extra Segment) (和前面的 SI,DI 配对)

但是仅仅只有这 4 只“眼睛”，就只能看到 4*64kb=256kb 的地址空间，为此我们需要转动一下这些“眼睛”，将段基址与段内偏址 Offset (SP,BP、SI,DI,BX)组合起来，就可以形成 20 位物理地址。

4. 指令指针IP (Instruction Pointer)

IP 指向将要执行的下条指令的偏移地址。下条将要执行指令的地址由 CS:IP (即代码段的IP偏移地址)决定。程序运行时，每当 CPU 从代码段中取出 1字节指令代码后，IP 就自动 + 1 。

用户程序不能对IP进行存取，只能由 BIU 自动修改。

5. 标志寄存器

标志寄存器 FLAGS 设置了 9 个标志位，格式：

• CF、PF、AF、ZF、SF和OF为状态标志，用来表示指令执行后的结果或状态特征，转移指令根据它们来控制程序走向；
• TF、IF和DF为控制标志，由程序设置或清除。

1. 进位标志 CF (Carry Flag)

• 最高位向前一位产生进位或借位时，CF=1，否则 CF=0 。只有在两个无符号数进行 加减 运算时，CF标志才有意义；
• 移位操作将影响CF标志；
• 执行 STC 指令可使CF置 1 11 ，CLC 指令使CF清 0 00 ，CMC 指令使CF标志取反。

1. 奇偶校验标志 PF (Parity Flag)

• PF标志也称为偶标志。
• 若本次运算结果低 8 位有偶数个 1 (如 01101010B ) ，则 PF=1 ，否则 PF=0 。

1. 辅助进位标志 AF (Auxiliary Flag)

• AF标志也称为半进位标志。
• 在 8 位加减运算中，低4位向高4位有进位或借位，AF=1 ，否则 AF=0 ；
• 只有在BCD数运算时AF才有意义。利用调整指令可对运算结果进行调整。
• 例 设 AL=BCD数14 ，BL=BCD数9 ，用减法指令求两数之差。14-9=5 ，但是BCD数相减后为 [0000 1011]=11 ，需要调整为BCD数 0000 0101 = BCD数5 。
• 低4位向高4位有借位，AF=1 ，需用减法调整指令 DAS 进行“减6”调整。
• BCD数进行加法运算时，用加法调整指令 DAA ，自动进行“加6”调整运算。

1. 零标志ZF (Zero Flag) ：运算结果为0，则 ZF=1 ，否则 ZF=0 。

2. 符号标志SF (Sign Flag) ：也称负标志。运算结果最高位为1，则 SF=1 ，表示该数为负数；否则 SF=0 ，表示该数为正数。

3. 溢出标志OF (Overflow Flag)

• 带符号数运算时，结果超出了机器能表示的范围，称为溢出。溢出时 OF=1，否则 OF=0 。

• 字节数据的范围为 -128~+127 ，字数据范围为 -32768 ~ +32767 。

• OF 标志只有在带符号数运算时才有意义。

• 例：两个带符号数 (+105+50=155) 相加，如何影响各标志位？ 如果把数当成无符号数，则不考虑SF和OF标志，运算结果为155，是正确的。假如两个无符号数相加后 CF=1，则进位也应算作结果，不能丢掉。 这里是带符号数的加法，运算后各标志位状态如下：

  • CF=0，无进位；
  • PF=0，结果低 8 位有奇数个 1 11；
  • AF=0，非BCD数运算，无半进位；
  • ZF=0，结果非 0 00；
  • SF=1，结果为负数；
  • OF=1，带符号数运算，溢出 (两个正数相加，结果变成了负数 − 101 -101−101)

• 溢出与自然丢失与进位之间的区别。求 -50 和 -5 之和： 运算结果：两数之和为 -55 ，SF=1 (负数) ，OF=0 (无溢出) ，结果正确。虽然 CF=1 ，但它会“自然丢失”，带符号数相加时， 判断 CF=1? 是没有意义的。

• 8位寄存器或存储器位数不够用时，可用16位运算，数字较大时还可采用双字运算。

什么数是正数、负数、带符号数、无符号数和BCD数？实际由编程人员确定； (1) 如果你把参加运算的数当成带符号数，运算后可去查 SF、OF 标志； (2) 如果当成无符号数，运算后就去查 CF 标志； (3) 如果当成BCD数，运算后就去查 AF 标志； (4) 不管参加运算的数是什么类型，都可查 ZF、PF 标志。

1. 陷阱标志TF (Trap Flag)

• 若 TF=1 ，CPU处于单步工作方式。每执行完一条指令，自动产生一次单步中断，将寄存器、存储器等内容显示在屏幕上。程序员可查看本条指令执行后的结果，以便逐条检查指令执行结果。
• 若 TF=0 ，则程序正常运行。

1. 中断标志IF (Interrupt Flag)

• IF=1 时，允许CPU响应可屏蔽中断；IF=0 时，禁止响应该中断。
• 执行 STI 指令可使IF置1，CLI 指令使IF清0。

1. 方向标志DF (Direction Flag)

• 控制字符串操作指令中地址指针变化的方向。
• 若 DF=0 ，串操作时地址指针 SI、DI 自动递增；若 DF=1 ，SI、DI 自动递减。
• CLD 指令使DF=0，STD 指令使DF=1。

二、 8086/8088CPU的引脚功能

1. AD15~AD0 (Address Data Bus)

AD 15​ ~ AD 0 ​ ：地址/数据总线(Address/Data)，双向、三态、分时复用。

• CPU 访向内存或I/O设备时，先在 AD 线上传送地址信号，并锁存起来；再传送数据信号，在时间上把地址/数据信号分开。
• 8088只需传送 8 位数据，只有 AD 7~ AD 0​ 为地址/数据线，A 15~ A 8​ 上只传送地址信号(Address)。

2. A19/S6~A16/S3 (Address/Status)

地址/状态线，先传送高 4 位地址 A 19 ~ A 16​ ，后传送状态信号 S 6​ ~ S 3。

• 在 T1 周期用作高 4 位地址 A19~A16 ，存储器操作时需锁存；I/O 操作时，高4位无效，仅用 A15~A0 寻址。
• 在 T2~T4 周期，用作状态信号 S6~S3 。其中 S6=0； S5=1 允许可屏蔽中断，S5=0 禁止；S4S3 指出当前使用的段寄存器：

3 RD(Read)

读信号。当 RD=0 时，允许CPU从存储器或I/O端口读出数据。

4. WR  (Write)

写信号。当 WR=0 时，允许CPU向存储器或I/O端口写入数据。

5. M/IO (Memory/Input and Output)

存储器或I/O端口控制信号。它为高电平时访问内存，低电平时访问I/O端口。8088该引脚为 M/IO=1 访I/O端口，M/IO=0 访存。

6. CLK

时钟信号，是外部时钟产生器8284A提供的基本定时脉冲。

• 8086：fCLK=5MHz
• 8086-1：fCLK=10MHz， 8086-2：fCLK=8MHz

7. RESET

复位信号，至少要维持4个时钟周期。

• 复位后CPU停止所有操作，总线无效；使 DS、ES、SS、FLAGS、IF 清0，CS: IP=FFFF: 0000H ； 使指令队列变空，禁止中断。
• 复位结束后，CPU执行重启动过程。

8. 与中断有关的信号

1) INTR (Interrupt Request)

可屏蔽中断请求信号。当 INTR=1 时，若 FLAGS 的 IF=1 ，则允许CPU响应可屏蔽中断；若 IF=0 ，则不能响应。

2) NMI (Non-Maskable Interrupt)

不可屏蔽中断请求信号。这类中断不能用软件屏蔽，也不受IF标志的影响。

3) INTA ‾ \overline {\text{INTA}}INTA (Interrupt Acknowledge)

中断响应信号。是在CPU响应外部可屏蔽中断请求后，向外设发出的回答信号。

9. HOLD (Hold Request)/HLDA (Hold Acknowledge)

总线保持请求/总线保持响应信号，这两个信号在 DMA 操作时使用。

10. ALE (Address Latch Enable)

地址锁存允许信号。

11. DT/ R ‾ \text{DT/}\overline \text{R}DT/R (Data Transmit/Receive)

数据发送/接收信号，用来控制数据传送的方向:

• DT/R=1 ，CPU用写操作向外部发送数据；
• DT/R=0 ，CPU读取外部传送过来的数据。

12. DEN (Data Enable)

数据允许信号。DEN=0 才允许CPU发送或接收数据。

13. READY

准备就绪信号。

• READY=0，被访问的存储器或I/O端口还未准备好，T3 周期结束后自动插入等待周期 Tw 。
• READY=1，已准备好，则进入 T4 周期，完成数据传送。

14. TEST

测试信号。

15. 最小模式/最大模式复用信号

图2.1中，24~31 引脚为最小/最大模式复用信号，下面是带()的最大模式信号。

1) QS1、QS0 (Instruction Queue Status)

指令队列状态信号。指示CPU中指令队列的当前状态组合功能：

2) S2​​ ~ S0​​ (Bus Cycle Status)

总线周期状态信号。CPU将它们传送给8288总线控制器，经8288译码后产生CPU的总线周期类型信号:

3) LOCK

总线封锁信号。

4) RQ​/GT1​​、RQ​/GT2​​ (Request/Grant)

总线请求信号输入/总线请求允许信号输出。

16. BHE/S7​ (Bus High Enable/Status)

高 8 位总线允许/状态信号，它用在8086中。低电平时，高8位数据总线D15~D8有效。状态位S7始终为1。

17. SS0​​

8088最小模式信号，相当于最大模式下的 S0 信号。IO/M，DT/R，SS0​​ 组合产生的总线类型与 S2​​ ~ S0​​ 组合产生的信号一样，见表2.3。

18. MN/MX (Minimum/Maximum)

最小/最大模式选择信号。

• MN/MX 接 +5V ，CPU工作于最小模式，组成单处理器系统。
• MN/MX 接地，CPU工作于最大模式，支持构成多处理器系统。

19. Vcc​ 和GND

Vcc​ 电源输入，为CPU提供 +5V 电源。GND 是接地引脚。

这些引脚中很多复杂的我们用不到，用到的以后会写。

三、8086的存储器组织

CPU 的工作方式：8086/8088只能工作于实模式，仅能访问 2^20 =1MB 存储器。实模式下，只能从能被 16整除的那些单元开始分段。

80286及以上CPU可工作于实模式和保护模式。在保护模式下，寻址范围为

• 80286 ：寻址 2^24=16MB 内存
• 80386： 寻址 2^32=4GB 内存

3.1 段地址和偏移地址 3.1.1 段地址和偏移地址组合成物理地址

8086/8088 有 20 根地址线，寻址 2^20 = 1MB 单元，地址范围 00000~FFFFFH。每个单元有 1个绝对地址，即物理地址，CPU应先确定物理地址，才能存取该单元。

1MB 内存空间分成多个逻辑段，每段最大 2^16=64KB，段内地址连续。各段相互独立，可连续排列，也可部分重叠或完全重叠。

用两个16位寄存器来形成 20位地址，形式为：段地址:偏移量 。这也称为逻辑地址，段地址也称为段基地址。

• 段基地址定义任何 64KB 存储器的起始地址，偏移量在 64KB 存储器中选择任一单元。（段基址是实际物理地址的高16位）

• 由逻辑地址转换为物理地址的公式：20位物理地址 = 段基地址 * 16 + 16位偏移量。即段寄存器中的 16位数自动左移 4 位 + 16位偏移量（出现在程序中的地址量）就形成 20 位物理地址。由 BIU 的地址加法器∑ 来计算物理地址。

设段地址:偏移地址=1234:0025H，形成 20位物理地址 12365H 的过程： 如何用段基地址和偏移地址形成一个段，由偏移地址来选择段中的一个存储单元。

例：设某个段寄存器的内容为 3000H ，则该段的起始地址和末地址各是什么？如果偏移地址 OFFSET = 500H ，则该单元的物理地址是多少？ 分析：根据物理地址的形成方法可知：

• 段起始物理地址为 3000H ×  16 = 30000H；
• 段结束物理地址为 3000H × 16 + FFFFH =3 FFFFH；
• 偏移地址 OFFSET=500H 时，该单元的物理地址为 3000H ×  16 + 500H = 30500H

一个物理地址可以由不同的逻辑地址来形成。比如：一个存储单元的物理地址为12345H，它可以由哪些逻辑地址形成? 分析：

• 1200:0345H
• 1234:0005H
• 1232:0025H
• …

这说明从 12000H 单元偏移 345H 单元和从 12340H 偏移 5 个单元等，均指向同一个内存单元。

3.1.2 默认段寄存器和偏移地址寄存器

CS 和 IP 组合寻址代码段下一条要执行指令的字节单元；SS 和 SP,BP 组合寻址存储器堆栈段中的数据；DS 和 BX、SI、DI 组合寻址数据段中的 8位或 16 位数据；ES 和 DI 组合寻址目的串地址。

通过段超越前缀可以对某些隐含规则进行修改。

3.1.3 堆栈的设置和操作

令 SS=2000H，SP=1300H 为栈顶地址。堆栈范围为 2000:0000H ~ 2000:(1300H-1), 即 20000H ~ 212FFH 。 由于高位数据存放在高地址，低位数据存放在低地址，数据向上向低位地址增长。所以 SS 为堆栈基地址， SP 栈顶指针指向低地址。

• 最开始，SS=SP ，栈底就是栈顶；
• 当 SP=0H 时，说明 SP 指向了堆栈段的栈顶，整个堆栈满了。

3.2 8086存储器的分体结构 (略) 四、8086的工作模式

CPU 工作于最小模式时，送到存储器和I/O接口的所有信号都由CPU产生。 工作于最大模式时，某些控制信号由8288总线控制器产生 (产生系统总线信号，基本作用是译出/S0，/S1和/S2三个状态信号) 。最大模式主要用于包含数值协处理器 (Numeric Data Processor, NDP) 8087的系统中。

2.4.1 最小模式系统 (略) 2.4.2 最大模式系统 (略) 2.4.3 总线操作时序 (略)