八位cpu的构成工作原理（微机原理篇8086CPU的内部结构）

Intel 8086微处理器 是由美国Intel 公司1987年推出的一种高性能的16位微处理器，是第三代微处理器的代表。它有20条地址线，直接寻址能力达1MB，具有16条数据总线，内部总线和ALU均为16位，可进行8位和16位操作 。

Intel 8086微处理器具有丰富的指令系统，采用多级中断技术、多种寻址方式、多种数据处理形式、段式存储器结构、硬件乘除法运算电路，增加了预先存取指令的队 列寄存器等，一问世就显示出了强大的生命力，以它为核心组成的微机系统性能已经达到中、高档小 型计算机的水平。8086的一个突出特点是多重处理能力，用8086CPU与8087协处理器以及8089I/O处理器组成的多处理器系统，可大大提高其数据处理和输入输出能力。另外，与8086配套的各种外围接口芯片非常丰富，从而方便用户开发各种系统。

8086CPU内部结构图

• 概述

8086CPU采用不同于第二代微处理器的一种全新结构形式，内部由两大独立的功能部件组成，分别为总线接口部件BIU（Bus Interface Unit）和执行部件EU（ExecuteUnit）。在执行指令的过程中，两个部件形成了两级流水线：执行部件执行指令的同时，总线接口部件完成从主存中预先取后继指令的工作，使指令的读取与执行可以部分重叠，从而提高了总线的利用率。

• 执行部件EU

执行部件EU由一个16位的算术逻辑单元ALU、8个16位通用寄存器、一个16位标志寄存器FLAGS、一个数据暂存寄存器和执行单元的控制电路组成。EU负责进行所有指令的解释和执行，同时管理上述有关的寄存器。

执行部件EU内部结构

（1）EU的组成 ①算术逻辑运算单元 它是一个16位的运算器，可用于8位、16位二进制算术和逻辑单元，也可按指令的寻址方式计算寻址存储器所需的16位偏移量。 ②通用寄存器 它包括4个16位的数据寄存器AX、BX、CX、DX和4个16位指针与变址寄存器 SP、BP与SI、DI。 ③标志寄存器 它是一个16位的寄存器，用来反映CPU运算的状态特征和存放某些控制标志。 ④数据暂存寄存器 它协助ALU完成运算，暂存参加运算的数据。 ⑤EU控制电路 它负责从BIU的指令队列缓冲器中取指令，并对指令译码，根据指令要求 向EU内部各部件发出控制命令，以完成各条指令规定的功能。 （2）EU的主要功能 ①从指令队列中取出指令代码，由EU控制器进行译码后控制各部件完成指令规定的操作。 ②对操作数进行算术和逻辑运算，并将运算结果的特征状态存放在标志寄存器中。 ③当需要与主存储器或I/O端口传送数据时，EU向BIU发出命令，并提供要访问的内存地址或I/O端口地址以及传送的数据。 执行单元中的各部件通过16位的ALU总线连接在一起，在内部实现快速数据传输。值得注意的是，这个内部总线与CPU外接的总线之间是隔离的，即这两个总线可以同时工作而互不干扰。EU对指令的执行是从取指令操作码开始的，它从总线接口单元的指令队列缓冲器中每次取出一个字节。如果指令队列缓冲器中是空的 ，那么EU就要等待BIU通过外部总线从存储器中取得指令并送到EU，通过译码电路分析，发出相应控制命令，控制ALU数据总线中数据的流向。

如果是运算操作，则操作数据经过暂存寄存器送入ALU，运算结果经过ALU数据总线送到相应寄存器，同时标志寄存器FLAGS根据运算结果改变状态。在指令执行过程中常会发生从存储器中读或写数据的事件，这时就由EU单元提供寻址用的16位有效地址，在BIU 单元中经运算形成一个20位的物理地址，送到外部总线进行寻址。

• 总线接口部件BUI

总线接口部件BIU是8086CPU在存储器和I/O设备之间的接口部件，负责对全部引脚的操作，即8086对存储器和I/O设备的所有操作都是由BIU完成的。所有对外部总线的操作都必须有正确的地址和适当的控制信号，BIU中的各部件主要是围绕这个目标设计的。它提供了16位双向数据总线、20位地址总线和若干条控制总线。

其具体任务是：负责从内存单元中预先取出指令，并将它们送到指令队列缓冲器暂存。CPU执行指令时，总线接口单元要配合执行单元，从指定的内存单元或I/O端口中取出数据传送给执行单元，或者把执行单元的处理结果传送到指定的内存单元或I/O端口中。

总线接口部件BUI内部结构

（1）BIU的组成

总线接口单元BIU由一个20位地址加法器、4个16位段寄存器、一个16位指令指针IP、指令队列缓冲器和总线控制逻辑电路等组成。8086的指令队列由6个字节构成。 ①地址加法器和段寄存器

地址加法器将16位的段寄存器内容左移4位，与16位偏移地址相加，形成 20位的物理地址。 ②16位指令指针IP

指令指针IP用来存放下一条要执行的指令在代码段中的偏移地址。 ③指令队列缓冲器

当EU正在执行指令，且不需占用总线时，BIU会自动地进行预先取指令操作，将所取得的指令按先后次序存入一个6字节的指令队列寄存器，该队列寄存器按“先进先出 ”的方式工作，并按顺序取到EU中执行。其操作遵循下列原则： ☆每当指令队列缓冲器中存满一条指令后，EU就立即开始执行。 ☆每当BIU发现队列中空了两个字节时，就会自动地寻找空闲的总线周期进行预先取指令操作，直到填满为止。 ☆每当EU执行一条转移、调用或返回指令后，则要清除指令队列缓冲器，并要求BIU从新的地址开始取指令，新取的第一条指令将要直接经指令队列缓冲器送到EU去执行，并在新地址基础上再作预先取指令操作，实现程序段的转移。 BIU和EU是各自独立工作的，在EU执行指令的同时，BIU可预先取下一条或 下几条指令。因此，一般情况下，CPU执行完一条指令后，就可立即执行存放在指令队列中的下一条指令，而不需要像以往的8位CPU那样，采取先取指令，后执行指令的串行操作方式。 ④总线控制逻辑电路

总线控制逻辑电路将8086CPU的内部总线和外部总线相连，是8086CPU与内存单元或I/O端口进行数据交换的必经之路。它包括16条数据总线、20条地址总线和若干条控制总线，CPU通过这些总线与外部取得联系，从而构成各种规模的8086微型计算机系统。 （2）BIU的主要功能

BIU完成CPU与主存储器或I/O端口之间的信息传送，其主要功能如下：

① 预先取指令队列，存放在指令队列中。每当8086CPU的指令队列中有两个空字节，并且EU没有要求BIU 进入存取操作数的总线周期时，BIU就自动从主存中顺序取出指令字节放入指令队列中。当执行转移指令时，BIU清空指令队列，从转移后的当前地址取出指令送EU执行，然后从主存中取出后继指令字节送指令队列排队，从而实现EU和BIU的并行操作。

②将访问主存的逻辑地址转换成实际的物理地址。