# 8086/8088CPU计算机系统

> 万年第一章，计算机概述。前面计算机原理已经和清楚了，这里把最核心的拿出来再说说。

这一章首先介绍了计算机组成和基本工作原理，然后从内部结构和电路结构两个方面介绍了8086/8088CPU。内部结构是从程序员角度来看处理器结构，这一部分还介绍了寄存器作用、存储器组织方式。电路结构从芯片级别介绍8086/8088CPU，包括工作模式、引脚功能。最后分析了了典型工作时序。

## 1. 微机组成与基本工作原理

微型计算机由**微处理器（CPU）、存储器、I/O接口、总线**几部分组成。

粗略地讲，各部分用总线连接起来（总线是连接多个功能部件或多个装置的一组公共信号线）。总线按照功能分为**地址总线、数据总线、控制总线**。

冯·诺依曼提出的计算机的核心工作原理是**不断地从存储器取指令然后执行**。两个词概括就是**程序存储**和**程序控制**的概念

**程序存储**是指将事先编制好由指令序列组成的程序存放到存储器中；**程序控制**是指逐条地从存储器中取出指令并完成指令所指定的操作。

执行每一条指令，都包括**取指、译码、执行**三个基本步骤。计算机工作的过程就是不断的取指、译码、执行的过程。更细致的讲是**取指令、指令译码、取操作数、执行运算、送结果**。

## 2. 8086/8088CPU编程结构

<figure><img src="/files/xgYZC71nVcZCUsrwpyAV" alt="" width="400"><figcaption><p>编程结构</p></figcaption></figure>

编程结构（功能结构）是程序员比较关注的，由\*\*执行部件(Execution Unit)**和**总线接口部件(Bus Interface Unit)\*\*组成。

执行部件包括**ALU、通用寄存器、状态寄存器**等，主要负责指令的执行与算术运算、逻辑运算。

总线接口部件包括**段寄存器、地址加法器、指令指针、指令队列缓冲器、输入输出控制电路**。BIU主要负责与存储器、IO接口数据传输。

二者协同工作（不同步），在EU执行指令时，BIU取得下一条或几条指令放入指令队列，EU执行完前一条指令后从指令队列取出下一条指令执行，提高了CPU效率。

一些细节：

* BIU中的指令队列：8086为6字节，空两字节填满。8088为4字节，空一字节填满。
* 地址加法器用来产生20位地址，在存储结构里会说这个问题

CPU内部的寄存器：

* 数据寄存器：AX，BX，CX，DX
* 段寄存器：CS、DS、SS、ES
* 指针寄存器：BP，SP，IP
* 变址寄存器：SI，DI
* 标志寄存器：PSW

<figure><img src="/files/bDMprchBtQbTIhiINl6O" alt="" width="380"><figcaption><p>标志寄存器</p></figcaption></figure>

标志寄存器内部有6个**状态标志位**与3个**控制标志位**：

* CF（Carry）：进位标志。加法最高位进位或减法最高位出现借位CF=1。
* PF（Parity）：奇偶标志位。结果的低8位中1个数为偶数PF=1。
* AF（Auxiliary）：半进位标志位。结果的低4位产生借位或进位。
* ZF（Zero）：运算结果为0，ZF=1。
* SF（Sign）：带符号数为负，SF=1。
* TF（Trap）：单步执行标志位。TF=1单步指令执行。
* IF（Interrupt）：中断允许标志位。IF=1响应可屏蔽中断。（STI，CTI指令可以设置）
* DF（Direction）：方向标志位。DF=1数据串指令递减处理。（STD，CTD）
* OF（Overflow）：带符号数算术运算结果超出带符号数能表达的范围

## 3. 存储器组织方式

指令与数据放在存储器里，CPU通过地址找到存储器里的指令。8086/8088有找到1MB存储空间内的数据的能力，但是1MB是20bit，作为一个16bitCPU，还需要一些小操作才能实现20bit的寻址能力。

8086/8088CPU对外地址20位（有20根地址线），内部寄存器都是16位，存储器组采用分段结构，将1MB存储空织间分成许多逻辑段，每个逻辑段有64KB存储空间，一个存储单元除具有一个唯一的物理地址外，还具有多个逻辑地址。例如，程序执行地址表示方式为CS:IP（物理地址=段基地址：段内地址），以启动地址为例，运算方式为`物理地址 = (CS × 16) + IP`。

8086系统中，多字节数据存放为**低址低位、高址高位**。用低地址表达数据地址。在“地址对齐”的情况下，可以获得较高的存取速度。地址对齐：字（2Byte）安排在偶地址（xxx0B）、双字（4Byte）安排在模4地址（xx00B）。

## 4. 8086/8088CPU引脚功能与工作模式

### 4.1 引脚功能

<figure><img src="/files/VpQwMcvhhqw4jMgjRP54" alt="" width="200"><figcaption><p>8086引脚</p></figcaption></figure>

<figure><img src="/files/dymSywHkQf4TSookY18B" alt="" width="200"><figcaption><p>8088引脚</p></figcaption></figure>

引脚功能这里对主要的做个介绍，对照着典型时序图深入理解

* $$\color{#ff00ff} NMI$$ 不可屏蔽中断输入信号。正跳变触发。
* $$\color{#ff00ff} INTR$$可屏蔽中断输入。高电平触发。
* $$\color{#ff00ff} HOLD$$ 总线请求保持。申请总线到占用总线期间始终保持HOLD高电平有
* $$\color{#ff00ff} HOLDA$$总线保持响应表示CPU已响应总线请求并已将总线释放
* $$\color{#ff00ff} DT/R$$数据发送/接收表明当前总线上数据的流向
* $$\color{#ff00ff} DEN$$数据允许，有效时当前数据总线上正在传送数据，可利用他来控制对数据总线的驱动。
* $$\color{#ff00ff} READY = 0$$通过该信号达到快速的CPU与慢速的存储器之间的同步，T3插入等待周期。使用协处理器8087时，该引脚和WAIT指令，可使8088与8087的操作保持同步
* $$RESET$$热启动维持4个周期，冷启动开机维持50
* $$\color{#ff00ff} A\_{19}/S\_{6} - A\_{16}/S\_{3}$$：访问存储器时，T1为$$\color{#ff00ff} A\_{19} - A\_{16}$$，访问外设T1为低电平无效。

8086/8088CPU引脚为分时复用，因此需要根据控制信号对地址锁存，数据缓冲，常用的一些芯片：

* 三态门数据缓冲器：74LS244（单向）；74LS245（双向）；8286（双向）；
* D触发器（地址锁存）：74LS273（异步清零）；74LS373（带缓冲三态锁存）；8282（带缓冲三态锁存）；

### 4.2 工作模式

8086/8088有最小模式和最大模式。\
在最小模式下 $$\color{#ff00ff} {MN}/\overline{MX} = 1$$ ，控制总线信号直接由CPU引脚发出，系统中存储器容量较小，外设端口较少，系统总线控制逻辑较简单。

<figure><img src="/files/OHS29ez3jbUPX2grgodV" alt="" width="260"><figcaption><p>最小模式连接</p></figcaption></figure>

在最大模式下 $$\color{#ff00ff} {MN}/\overline{MX} = 0$$ ，控制总线信号需要经过总线控制器转换后形成，可以构成更大规模的系统，存储器容量较大，外设端口也多。

<figure><img src="/files/K0yOIPG33v8nM2Ftsjef" alt="" width="260"><figcaption><p>最大模式连接</p></figcaption></figure>

IBM5150地址锁存使用74LS373，总线控制器8288；时钟信号发生器8284A。IBM5150数据缓冲使用芯片74LS245，书上用8286；

<figure><img src="/files/JiAk3K277rtyvuxjoldP" alt="" width="500"><figcaption><p>常用芯片</p></figcaption></figure>

8086是一个真16位CPU，内外数据总线都是16位 $$\color{#ff00ff} {AD}*{15} - AD\_0$$ ，一个总线周期可以读一个字节，也可以读一个字。 $$\color{#ff00ff} BHE$$ 为高字节允许，仅在 $$\color{#ff00ff} T\_1$$ 时出现，需要和数据一起锁存。8086系统可以使用该信号将存储器分为奇偶两个存储体，偶存储体的数据送至 $$\color{#ff00ff} D\_7 - D\_0$$ ，奇存储体的数据送至 $$\color{#ff00ff} D*{15} - D\_8$$ 。

<figure><img src="/files/qVHl58Q3OFshzYZzWRHh" alt="" width="300"><figcaption><p>奇偶存储体</p></figcaption></figure>

## 5. 8086/8088CPU最小模式典型工作时序

在了解电路层次上的系统构成后再分析典型工作时序，先要熟悉周期的概念，然后结合引脚功能和最小模式进一步深入理解CPU的工作原理。

周期与时序的概念：计算机的每一个操作都是由时钟信号 $$\color{#ff00ff} CLK$$ 来触发的，脉冲方波信号是计算机运行的最小节拍。三个层次的周期：**时钟周期（Clock Cycle）**、**总线周期（BUS Cycle）**、**指令周期（Instruction Cycle）**。

指令周期为执行一条指令需要的时间，总线周期为读或写一个字节需要的时间，时钟周期是CLK的倒数。

时钟周期又称T状态，基本总线周期有4个T状态，一指令周期由几个总线周期构成。典型时序有：

* 存储器读写与 I/O端口读写（输入输出）
* 中断响应
* 系统复位（启动）
* 总线占用

这里分类分成了4个，存储器读写与IO读写可拆开算2个，或者把读和写也拆开算成4个。那么总共就是5个或7个。

### 5.1 存储器与IO读写时序

分析要点：从 $$T\_1 - T\_4$$的顺序，按照时序图从上到下：

* T1状态， $$M / IO$$ 指示读存储器/IO端口， $$A\_{19} - A\_0$$ 地址线送出地址信号， $$ALE$$ 送出地址锁存信号，其他引脚送出相应信号。（送地址信号）
* T2状态， $$A\_{19} - A\_{16}$$ 送出状态， $$AD\_7 - AD\_0$$ 浮空（输出时送数据）， $$RD/WR$$ 状态， $$DEN$$有效。（送控制信号）
* T3状态：数据读入 $$AD\_7 - AD\_0$$ ，若T3前检测到 $$READY = 0$$ 插入 $$Tw$$ ，
* T4状态：CPU采样数据线，其他引脚信号失效。

<figure><img src="/files/qWiXjBgI7IPzZqQyxzST" alt="" width="300"><figcaption><p>存储器或IO读时序</p></figcaption></figure>

<figure><img src="/files/LhMKR2DvaUURPEOh2IId" alt="" width="300"><figcaption><p>存储器或IO写时序</p></figcaption></figure>

### 5.2 中断响应时序

分析要点：①中断产生的条件，②描述时序图，③两次信号的含义。

* ①当有外部中断源发出中断请求时（NMI 或 INTR），CPU在执行完当前指令之后，进入中断响应周期。可屏蔽中断`IF = 1`时中断才会得到响应。
* ②中断响应周期有两个总线周期组成。每个中断响应周期各发出一个INTA中断响应信号。
* ③第一个INTA信号通知申请中断的外设CPU准备响应中断。第二个INTA信号后，外设把中断类型码送给CPU（通过低8位数据线）。CPU根据此类型码来得到中断向量，以便得到中断服务程序的入口地址。

<figure><img src="/files/XQJtjmneC7EP7wqCFY2Z" alt="" width="400"><figcaption><p>中断响应时序</p></figcaption></figure>

### 5.3 系统复位（启动）时序

分析要点：①复位条件，②时序描述，③复位结果（各寄存器、引脚状态）：

* ①外部复位信号有效， $$RESET$$ 出现上升沿，CPU停止工作直到信号变低。 $$RESET$$ 保持至少4个周期，上电复位保持至少50us。
* ②时钟 $$CLK$$ 的上升沿同步外部复位信号到内部复位。总线浮空，控制信号先变高（无效状态）再浮空。
* ③复位后，除`CS=0FFFFH`，其他寄存器都是0，指令队列空。

<figure><img src="/files/ctT3GPe6K5CJplUn9g3A" alt="" width="330"><figcaption><p>系统复位时序</p></figcaption></figure>

### 5.4 总线保持（总线占用）时序

HOLD引脚有效，提出总线占用请求，CPU释放总线后回应HLDA信号通知外设接管总线。

<figure><img src="/files/BB0wEjaQkO4cnT8ljFhO" alt="" width="330"><figcaption><p>总线保持时序</p></figcaption></figure>


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