第19章：两种典型的微处理器

8080微处理器

因特尔8080是一个8位微处理器，运行的时钟频率为2MHz，寻址长度为16位（ $2^{16}$ 共64KB）。8080的每个时钟周期都是500ns，每条指令长度为 $1 \sim 3$ 字节不等，需要 $4 \sim 18$ 个时钟周期执行。我们接下来花一些时间来研究8080的指令集。

加载和保存指令

# 加载，操作码为3Ah
LDA A, [aaa]
# 储存，操作码为32h
STA [aaa], A

注意到这里在逗号前的被称为目的操作数，逗号后的为源操作数。此处的A表示累加器的寄存器，加载命令表示将地址在aaa处的数据加载到累加器。

寄存器和MOV指令

8080中除了A，还有B，C，D，E，H，L6个8位寄存器，其中H、L约定俗成地用于组合起来表示一个16位数据，H代表高位，L代表低位。8080中有一组63个单字节指令用于将数据在寄存器之间移动：

操作码

指令

操作码

指令

操作码

指令

操作码

指令

MOV B, B

MOV D, B

MOV H, B

MOV [HL], B

MOV B, C

MOV D, C

MOV H, C

MOV [HL], C

MOV B, D

MOV D, D

MOV H, D

MOV [HL], D

MOV B, E

MOV D, E

MOV H, E

MOV [HL], E

MOV B, H

MOV D, H

MOV H, H

MOV [HL], H

MOV B, L

MOV D, L

MOV H, L

MOV [HL], L

MOV B, [HL]

MOV D, [HL]

MOV H, [HL]

HLT

MOV B, A

MOV D, A

MOV H, A

MOV [HL], A

MOV C, B

MOV E, B

MOV L, B

MOV A, B

MOV C, C

MOV E, C

MOV L, C

MOV A, C

MOV C, D

MOV E, D

MOV L, D

MOV A, D

MOV C, E

MOV E, E

MOV L, E

MOV A, E

MOV C, H

MOV E, H

MOV L, H

MOV A, H

MOV C, L

MOV E, L

MOV L, L

MOV A, L

MOV C, [HL]

MOV E, [HL]

MOV L, [HL]

MOV A, [HL]

MOV C, A

MOV E, A

MOV L, A

MOV A, A

注意到以上的操作码都有这样的二进制形式：01dddsss，按照如下的方式赋值，

B = 000
C = 001
D = 010
E = 011
H = 100
L = 101
[HL] = 110
A = 111

我们发现其实ddd就表示目标操作数，sss表示源操作数。因为用3bit进行编码，ddd处的硬件可以是一个3-8译码器，而sss可以用一个8-1选择器选择输出的是哪一个的信息。

另外B、C以及D、E也可以组成16位数，具体的操作码如下：

操作码

指令

操作码

指令

STAX [BC], A

LDAX A, [BC]

STAX [DE], A

LDAX A, [DE]

还有一种双字节传送指令被称为传送立即数（MVI），第一个字节为操作码，第二个字节为数据，将某个单字节数据传送到寄存器，例如：

# 操作码06（00-000-110）
MVI B, xxx
# 操作码0E（00-001-110）
MVI C, xxx

聪明的我们会注意到中间三位还是表示目的操作数。

加减法指令

接下来是加法（ADD）、进位加法（ADC）、减法（SUB）、借位减法（SBB）。

操作码

指令

操作码

指令

ADD A, B

SUB A, B

ADD A, C

SUB A, C

ADD A, D

SUB A, D

ADD A, E

SUB A, E

ADD A, H

SUB A, H

ADD A, L

SUB A, L

ADD A, [HL]

SUB A, [HL]

ADD A, A

SUB A, A

ADC A, B

SBB A, B

ADC A, C

SBB A, C

ADC A, D

SBB A, D

ADC A, E

SBB A, E

ADC A, H

SBB A, H

ADC A, L

SBB A, L

ADC A, [HL]

SBB A, [HL]

ADC A, A

SBB A, A

ADD指令格式：10-000-XXX
ADC指令格式：10-001-XXX
SUB指令格式：10-010-XXX
SBB指令格式：10-011-XXX

假设我们想做一个16位运算，两个16位数分别保存在BC和DE，我们将结果保存在BC。

# 低字节加法
MOV A, C
ADD A, E
MOV C, A
#高字节进位加法
MOV A, B
ADC A, D
MOV B, A

标志位

8080的标志位（flag）共有5个：CF（进位）、ZF（零）、SF（符号）、PF（奇偶）、AF（辅助）
标志位用一个专门的8位寄存器保存，该寄存器被称为程序状态字（Program Status Word, PSW）
LDA、MOV、STA等不会影响标志位，ADD、SUB、SBB、ADC可能会影响标志位
运算最高位为1时，SF置为1，表示负数
运算结果为0时，ZF置为0
CF在ADD、ADC产生进位以及SUB和SBB不产生借位时置为1（其实都是最高位产生进位输出）
以下两条指令直接控制进位标志位

操作码

指令

含义

STC

令CF置1

CMC

令CF取反

逻辑运算

8080还能执行逻辑运算：AND、OR、XOR、CMP。其中CMP是比较运算，改变的是标志位。

MVI B, 25h
CMP A, B

如果A中的数等于25h，那么ZF置为1，如果小于25h，则CF置为1。

操作码

指令

操作码

指令

AND A, B

OR A, B

AND A, C

OR A, C

AND A, D

OR A, D

AND A, E

OR A, E

AND A, H

OR A, H

AND A, L

OR A, L

AND A, [HL]

OR A, [HL]

AND A, A

OR A, A

XOR A, B

CMP A, B

XOR A, C

CMP A, C

XOR A, D

CMP A, D

XOR A, E

CMP A, E

XOR A, H

CMP A, H

XOR A, L

CMP A, L

XOR A, [HL]

CMP A, [HL]

XOR A, A

CMP A, A

立即数运算

立即数也有8种算术和逻辑运算，可以看到与对应的寄存器指令之间的关系，以及指令内的变化规律：

立即数指令

操作码二进制

寄存器指令

操作码二进制

ADI A, xxx

11-000-110

ADD

10-000-XXX

ACI A, xxx

11-001-110

ADC

10-001-XXX

SUI A, xxx

11-010-110

SUB

10-010-XXX

SBI A, xxx

11-011-110

SBB

10-011-XXX

ANI A, xxx

11-100-110

AND

10-100-XXX

XRI A, xxx

11-101-110

XOR

10-101-XXX

ORI A, xxx

11-110-110

10-110-XXX

CPI A, xxx

11-111-110

CMP

10-111-XXX

DAA和CMA

CMA（操作码27），是对累加器中数取反的操作，该指令与如下指令等价：

XRI A, FFh

DAA（Decimal Adjust Accumulator），即十进制调整累加器。8080中有一种BCD码来用二进制表示十进制，即用每4bit二进制表示十进制的一位，变化范围从0000到1001，因此在BCD码下，一个字节可以表示两个十进制位。如果想将十进制的27和94相加，只需要执行

# 此处的27h不表示39，而表示27
MVI A, 27h
MVI B, 94h
# 相加，结果为16进制的BBh
ADD A, B
# 利用DAA指令，可以将BBh变为21h，同时进位标志置1，即十进制121
DAA

执行DAA指令的时候，我们需要用到前面提到的辅助标志位AF。

加减1和移位指令

8080中有特殊执行加减1的指令：INR和DCR，可以影响除了CF之外的所有标志位，指令格式如下

INR B # 操作码04
DCR B # 操作码05

另外还有4个循环移位指令，其只能影响到CF标志位

操作码

指令

含义

RLC

使累加器循环左移1位

RRC

使累加器循环右移1位

RAL

带进位的累加器循环左移1位

RAR

带进位的累加器循环右移1位

工作原理：

RLC和RRC：整体向左或者右移动1位，被移出的一位接到头部/尾部，CF位与被移出的位保持一致
RAL和RAR：带CF位循环移动，相当于9位的循环移动

堆栈(stack)

8080堆栈的工作原理：专门用一个16位寄存器（堆栈指针，Stack Pointer, SP）存地址，每次执行push就将SP的值-1，然后把寄存器的数据存放在对应的地址处；每次执行pop就就将SP的值+1，然后把对应地址的值取回到寄存器。
一般会把SP的值设置为0000h，这样第一次push就会存到FFFFh处，即存储器的最高地址，与程序执行代码远离。
如果堆栈push太多覆盖到程序代码就会发生堆栈上溢错误（stack overflow），或者pop太多导致反向取到地址开头的程序处，发生下溢（stack underflow）。

16位操作指令

还有一些指令可以对SP或者寄存器对（BC、DE、HL）执行16位数操作

LXI（Load Extended Immediate）：加载扩展的16位立即数。例如：

LXI BC, 527Ah
# 等价于
MXI B, 52h
MXI C, 7Ah
# 或者对SP赋值
LXI SP, 0000h

INX和DCX：16位立即数的加减1操作
DAD：16位加法，一般用来计算地址，例如

DAD HL, BC
# 等价于
MOV A, L
ADD A, C
MOV L, A
MOV A, H
ADC A, B
MOV L, A

跳转指令

8080有五个标志位，除了非条件跳转，跳转指令还支持ZF(zero)、CF(carry)、PF(parity奇偶性)、SF(sign正负号)4种共8个跳转。

跳转的方式有三种，除了标准的Jump外，还有Call指令和Return指令。Call指令在执行时，程序计数器（Program Counter, PC）加载一个新的指令执行地址，并且将现在的地址保存在堆栈中；Return指令从堆栈中弹出两个字节，并且加载到PC中。因此，Call和Return指令可以使得程序执行子程序。

利用跳转指令可以实现乘法子程序：

Multiply:  PUSH  PSW       ; 将要修改的寄存器原内容存到堆栈
           PUSH  BC    

           SUB   H, H      ; 将HL(乘积)置零
           SUB   L, L      ;

           MOV   A, B      ; 乘数放到累加器
           CPI   A, 00h    ; 判断乘数是否为0
           JZ    AllDone   ; 乘数为0则ZF为1，跳转到AllDone地址处

           MVI   B, 00h    ; 将BC的高字节置零

MultiLoop: DAD   HL, BC    ; BC加到HL
           DEC   A         ; 乘数减1
           JNZ   MultiLoop ; 如果不为0则跳转

AllDone:   POP   BC        ; 从堆栈恢复数据到寄存器
           POP   PSW       ; 
           RET             ; 返回到主程序

注意Multiply等三个标志表示地址。

程序中调用乘法子程序的方法为：

# 25h和12h相乘
MVI  B, 25h
MVI  C, 12h
CALL Multiply

条件

操作码

指令

操作码

指令

操作码

指令

None

RET

JMP aaa

CALL aaa

Z not set

RET

JNZ aaa

CNZ aaa

Z set

RET

JZ aaa

CZ aaa

C not set

RET

JNC aaa

CNC aaa

C set

RET

JC aaa

CC aaa

Odd parity

RET

JPO aaa

CPO aaa

Even parity

RET

JPE aaa

CPE aaa

S not set

RET

JP aaa

CP aaa

S set

RET

JM aaa

CM aaa

注：对于乘法，可以使用移位运算使得计算时间从O(乘数)减少到O(log(乘数))。

其他指令

操作码

指令

含义

22h

SHLD [aaa], HL

将HL中的数据储存到地址aaa处

2Ah

LHLD HL, [aaa]

将地址aaa处的数据储存到HL中

E9h

PCHL PC, HL

加载HL中数据到程序计数器

F9h

SPHL SP, HL

加载HL中数据到堆栈指针

E3h

XTHL HL, [SP]

将HL数据与堆栈顶部两字节进行交换

EBh

XCHG HL, DE

将HL数据与DE数据进行交换

外围设备(peripheral)

在某些微处理器中，外围设备占据了一些存储器地址，称之为内存映像I/O（memory-mapped I/O）。8080中，额外加设了256个地址专门用于进行I/O交互。

OUT指令（操作码D3）用于把累加器中的内容写入到紧跟指令的I/O端口（OUT PP）；
IN指令（操作码DB）与OUT相反；
8080有一个INT（interrupt，中断）端口，使处理器马上注意到外部设备；
当8080复位之后，就不在响应中断，必须执行EI（操作码F3）指令来恢复响应
DI指令（操作码FB）则禁止中断
RST（Restart）指令与CALL指令类似，将当前的PC数据保存之后，立刻跳转到指定地址。共有RST $0 \sim 7$ 八个指令（操作码C7，CF，DF... ），分别跳转到0000h，0008h一直到0038h。
NOP指令（操作码00）使得处理器什么都不做。

因特尔芯片的后续发展

1978年8086芯片
因特尔个人电脑x86系列处理器：186、286、386、486
因特尔奔腾芯片（Intel Pentium）

6800处理器

摩托罗拉6800处理器是一个64KB，1MHz处理器，在寄存器、累加器、标志位等很多方面都与因特尔8080有些区别。
摩托罗拉在保存多字节数据时，将最高有效位放在最前面，而因特尔则放在最后面。前者被称为big-endian，后者则被称为little-endian，至今仍是两种类型处理器的主要区别。
苹果Macintosh最早采用的就是6800的后续产品68000。

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