微機原理筆記一.8086CPU的結構與功能
CPU結構與功能
不管什麼型號的CPU，其內部均有這四大部件
- ALU：算術邏輯單元
- 工作暫存器：分為資料暫存器和地址暫存器
工作暫存器的目的是為了提高運算速度，希望參與運算的資料不從外部儲存器去取資料，而是在CPU內部取，所以要有能暫存少量資料的暫存器。
資料暫存器是專門存放資料的，地址暫存器是專門存放地址，進行間接定址方式，但當地址暫存器不提供地址時，也可以用來暫存資料。
- 控制器：中央指揮機關
- I/O控制邏輯電路
一般CPU執行儲存器（按位元組組織）裡面指令過程如下：
- CPU通過控制器部件裡面的程式計數器（PC）給外部儲存器的地址引腳輸出地址（通過地址匯流排AB），同時CPU給儲存器傳送讀操作命令；
- 在讀操作下，就把這個地址單元的指令程式碼通過資料匯流排（DB），取回來放在指令暫存器裡面（IR），注意此時因為指令沒有指令，所以PC還不能去往下一條指令，IR沒有地方放資料。
- 指令譯碼器（ID）不斷檢測指令暫存器有沒有資料，有的話就把指令取走放在ID裡面，取來的指令就被ID譯碼分析，就知道這個指令希望CPU做什麼，怎麼做；
- ID通知控制邏輯部件，在相應的控制引腳發出相應的有效命令（讀，寫等）；
- 此條指令執行完，IR為空，PC自動增加到下一條指令的地址，執行下一條指令流程。如果指令為n位元組，PC自動增n。
因為在取指令時候，不能執行指令，在執行指令時候，不能取指令，因此這種架構CPU是取指令->執行指令->取指令...這樣迴圈下去。CPU執行效率不高。
堆疊
由先進後出原則組織的儲存器區域，稱為堆疊。
微控制器應用中，堆疊是個特殊儲存區，堆疊屬於RAM空間的一部分，堆疊用於函式呼叫、中斷切換時儲存和恢復現場資料（臨時資料）。
對於8006 CPU而言，堆疊操作是按字操作。
堆疊單元的地址指標由堆疊指標暫存器SP的內容提供。
堆疊操作中兩個最重要的是PUSH（入棧）和POP（出棧）。
入棧舉例：
執行指令
PUSH AX
PUSH BX
AX是8086裡面一個16位暫存器，
初始化後，SP指向棧底加1的地址。
PUSH AX這條指令完成的功能分為2部分：
- 先把SP的內容減2，再放回SP，SP=SP-2，此時SP指向棧底加1地址。空出了一個字單元。
- 將AX的低8位放在低地址單元，高8位放在高地址單元
需要注意的是：棧頂是活動的。執行完PUSH AX後，AL所在單元就是棧頂。再執行 PUSH BX，BL所在單元就是棧頂，而棧底是固定的。
當SP指標超出堆疊區時，稱為堆疊操作溢位。溢位的話，會造成宕機。堆疊區大小需要根據實際程式定義，工程設計應該留出30%的富餘量。
出棧舉例：
因為遵循先進後出原則，出棧先執行POP BX
-
把SP的16位內容做棧頂地址，從該地址單元讀出一個字給BX
-
SP指標自動增加2
然後再執行 POP AX
8086 CPU的內部結構
前面提到一般微處理器的內部結構，因為她存在效率低的問題，所以intel才研發出8086。
8086的內部結構：
指令佇列暫存器類似前面的指令暫存器IR，不同的是，在8086中，指令佇列暫存器相當於6個IR（6個位元組）。
只要指令佇列暫存器沒放滿，就可以繼續取。
BIU主要負責，從外部儲存器中取指令，並將取回的指令放在指令佇列中。
EU主要負責從指令佇列中獲取指令，遵循先進先出原則，並對該指令譯碼分析，加以執行。
8086做到了取指令和執行指令的並行操作，大大提高了效率。這種並行操作到現在依舊存在。
8086 CPU的暫存器組織
8086 CPU共有14個16位的暫存器。
按功能分，可以分為3類。
一.通用暫存器
即EU部分的8個暫存器。
- 資料暫存器：AX、BX、CX、DX。
在有資料運算時，目的運算元儘量選AX，這樣運算比其他暫存器快。
BX常用來提供段內地址，來進行間接定址。
DX在IO指令中，用來做IO地址暫存器。
- 地址指標
地址指標暫存器有2個：
- SP-堆疊指標暫存器：用來指示堆疊區的段內偏移地址。
- BP-地址指標暫存器：BP和BX的作用類似，但她預設的是堆疊段內的段內偏移地址，BX是資料段內的偏移地址。
舉例
執行指令
mov BX,0002H
mov BP,0002H
mov AL,34H
mov [BX],AL
指令將AL的內容寫到資料段的地址0002H單元中。
而如果執行
mov [BP],AL
則是將AL的內容寫到堆疊段的地址0002H單元中。
- 變址暫存器
如果我們希望將BP提供的地址是給資料段寫，則需要在前面加上段超越字首 “DS：”，指明地址指向資料段，簡稱段字首。即：
mov DS：[BP],AL
變址暫存器也有兩個：
- SI-源變址暫存器
- DI-目標變址暫存器
這兩個暫存器都可以當作地址暫存器，預設指向資料段。“變”來源於8086 CPU對字串的操作。
舉例：
我們想將字串從源串搬到目的串。我們可以用MOV這種資料傳送的方式，但8086為了提高效率，專門為字串開闢了一種指令-字串操作指令。除了傳送外，還有其他的操作。在3.13小節。
源串必須定義在DS段，字串的偏移首地址，必須由SI提供。
目的串必須定義在ES段，偏移首地址，必須由DI提供。
為了將源串搬到目的串，我們可以執行
MOVSB
“S”表示位元組，“B”表示位元組，一次搬一個位元組。她沒有源運算元和目標運算元。但是CPU知道源串和目的串的地址在哪裡。如果從首地址開始搬，CPU搬完一個位元組後，會將地址自動"變"，即加1。如果原來的指標是末地址，則會自動地減1。自動加減地址，就是“變址”的含義。
需要注意：變址只有在SI和DI當作字串操作時候才變。
二.段暫存器
段暫存器有4個：
- CS-程式碼段暫存器，指明程式程式碼所在的邏輯段地址。
- DS-資料段暫存器
- ES-附加資料段暫存器
- SS-堆疊段暫存器
初始化時候，必須對DS、ESS、SS初始化，指明我們定義的段地址。而CS使用者不能初始化，由作業系統（編譯器）完成。CS不能做目的運算元，只可以讀，做源運算元。
三.控制暫存器
控制暫存器有2個
- IP-指令指標暫存器，用於提供程式程式碼區的偏移地址，等效於一般CPU的程式計數器PC。不能用作目標運算元。
- PSW-處理器狀態字暫存器，一共設定了9個標誌位，分為2類：1）狀態標誌，反映的是ALU運算後，結果的狀態。2）控制表示，用來控制CPU的執行狀態。
需要注意的是，對於CPU而言，外部的中斷是可以遮蔽的，內部不可以遮蔽。
8086 CPU的儲存器和I/O組織
一.儲存器地址空間與資料存放格式
1.地址空間
8086 CPU有20根地址匯流排，\(A_{19}~A_{16},A_{15}~A_{10},A_{9}~A_{0}\),8086利用這20根地址線全部用來為儲存器編址，所以8086能定址的儲存器地址空間為 \(2^{20}B=1MB\) （儲存器按位元組組織）。
同時用低16條給外部I/O埠編址，所以8086能定址的外部I/O地址空間為 \(2^{16}B=64KB\)
2.資料存放格式
資料存放在儲存器中，一般資料格式為：
- 位元組型資料：一個位元組資料佔用一個地址單元。
我們可以用“偽指令”定義位元組型資料，“偽指令”不是告訴CPU做什麼的，這是“指令”的工作。
偽指令是告訴彙編器（將組合語言編譯成機器語言）做什麼，偽指令由彙編器解釋。
DB-位元組型資料偽指令 ，告訴彙編器定義一個位元組資料。
假設我們在DS段一開始就定義了3個位元組資料
DB 12H，12，-12
- 字型資料
DW-字型資料定義偽指令，需要注意的是，儲存器中一個字單元，低位元組地址稱為該字單元的地址。高位元組地址不用說明。
如果字單元的地址是偶地址，則稱該單元為“對準的字單元”，如果是奇地址，則稱為“未對準的字單元”。CPU對對準的字單元操作，要快一倍。
這是因為，在8086 CPU中，有16根資料線，定義：對偶地址操作，走低8位資料線（D0 ~ D7）；對奇地址操作，走高8位資料線（D8 ~ D15）。所以假設執行對對準的字單元寫，因為字單元地址是偶地址，並且要遵循高8位位元組資料存放在高地址單元，低8位資料存放在低地址單元，所以16位資料在一個週期就可以一次傳送完。而對未對準的字單元，則需要兩個週期，第一個週期傳送高8位資料，第二個週期傳送低8位。
- 雙字型資料
DD-雙字型資料定義偽指令
二.儲存器的分段與實體地址的形成
1.為什麼要分段？
因為在8086 CPU有20根地址線，能定址 1MB 空間，但是CPU裡面提供地址的暫存器只有16位，只能定址 64KB地址空間，所以為了讓1MB空間定址完，必須把 1MB 分為許多的邏輯段來管理。
2.怎麼分段？
因為地址暫存器都是16位的，所以一個邏輯段最大就是64KB，實際當中可以根據需求定義大小。
規定：邏輯段的起始地址必須能被16整除，所以1MB最多有64K個邏輯段。
定義：
儲存器原來實際存在的地址稱為實體地址。用“PA”表示。
一個邏輯段的起始地址稱為“段基址”。
在一個邏輯段中，地址被分為兩部分描述：一個16位段地址和一個16位段內的偏移地址。這樣的描述方式我們稱為“邏輯地址”。在實際應用當中我們用到的都是邏輯地址。
3.實體地址的形成
已知某物理單元的邏輯地址，我們可以通過換算得到實體地址：
PA=段地址*16H+段內偏移地址
將一個16進位制數乘以16，相當於朝左移動一位。段內偏移地址又被稱為段內有效地址。
由於段與段之間存在重疊的部分，因此同一個物理儲存單元可以表示成不同的段地址和段內偏移地址。但是換算後的實體地址是唯一的。
舉例
取指令的操作：
BIU把CS的內容送給加法器，加法器對該內容乘以16，BIU再把IP的內容送給加法器相加，得到取指令所在儲存單元的20位實體地址，這20位實體地址通過地址產生與匯流排控制電路，送到外部的 A0~A20引腳。CS和IP的內容的產生和改變是由作業系統決定的，使用者無法更改。
資料傳送操作：
執行 MOV [BX],AX
EU通知BIU要進行寫操作，BIU停止讀指令操作，BIU把DS內容送給加法器乘以16，EU把BX的值沿內部資料匯流排送給BIU，BIU收到後再送給加法器相加，得到20位實體地址，然後EU再把AX的內容送到資料線，把20位實體地址送到地址線，同時給外部儲存器發一個寫命令，就把AX的內容寫到該單元中。如果該儲存單元是對準的，就花一個週期寫完，未對準就花兩個週期寫完。
4.各類指令的地址資訊