8086的功能结构与指令流水线

1 ．指令流水线 图 2 ． 1 是 8086 的功能结构示意图。它由两大部分组成：执行部件 (Eu ， Execute Unit) 和 总线接口部件 (Interface Unit ， BIU) 。前者负责指令的译码和执行，后者负责所有涉及外部总 线的操纵。二者既独立工作，又相互配合。 8086 以前的微处理器的操纵都是串行的，即对每一条指令而言，都是先取指令，再分 析、执行。具体可表示为 取指令一 [ 读操纵数 ] 一执行一 [ 写操纵数 ] 一取 ( 下一条 ) 指令一…… 方括号内的操纵是操纵数在内存中时所要进行的，当操纵数是 CPIJ 内部的某个寄存器 时，不需求这一步。显然，在指令执行期间，总线 (BUS) 是空闲的，这一主要的系统资源没有 得到充分利用。而 8086 在执行部件执行指令期间，总线接口部件可利用总线预取后续指令 或进行存储器操纵数的读或写。图 2 ． 2 表示了 8086 的一段工作过程。可以看出，在图示的 一段时间内， 8086 执行了 3 条指令，并且预取了两条指令，存入内部的指令队列。图 2 ． 2 揭 示了一种现象——指令的并行操纵，或者说指令的重叠执行，通常称之为指令流水线操纵。 2 ．总线接口部件 (BIU) 总线接口部件是 8086 同外部联系的接口。它负责所有涉及外部总线的操纵，包含取指 令、读操纵数、写操纵数、地址转换和总线控制等。 BIU 运用了指令预取队列 ( 简称指令队列或队列 ) 机构来实现指令流水线操纵。该队列 的容量为 6 个字节，即答应预取 6 个字节的指令代码。每当指令队列有两个或两个以上的字节空间，且执行部件未向 BIU 申请读／写存储器操纵数时， BIu 顺序地预取后续指令的代 码，并填入指令队列。 指令队列的工作方式是先进先出 (First-in ， First-out ， FIFO) ，或者说是管道方式，先预取的 指令即排在前面的指令先被取走执行，后面的依次向前推进，腾出的空间再放新预取的指 令。 当 EU 执行指令时发现是一条转移指令 ( 又称分支转移指令或分支指令 ) ，则 BIU 清除 队列，从新的地址取指令，并立即送给 EU 去执行，然后，从后续的指令序列中取指令填满队 列。可见，一碰到转移指令，就要重新预取指令队列中的下一条及下下一条指令。显然，这 影响了机器的运行速度。 8086 ，乃至 80386 、 80486 ，都存在这个缺陷，直到 Pentium 出现，引入 了分支指令猜测技术，才得以克服。 BIU 中有一个 16 位的专用加法器∑，用来形成 20 位的物理地址。 BIU 中还有一些专用 的寄存器，其效果在本节的后面说明。 3 ．执行部件 (EU) 执行部件负责指令的译码和执行。它的组成和第一章说明的运算器有很多相似之处， 包含算术逻辑运算部件 ALU 、通用寄存器、专用寄存器、标志寄存器等部件，这些部件的宽度 都是 16 位。图 2 ． 1 仅是一个组成结构示意图，不可能包含所有细节。对执行部件的理解主 要在于它的总体功能和各类寄存器的功能和应用。