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
40	MOV B, B	50	MOV D, B	60	MOV H, B	70	MOV [HL], B
41	MOV B, C	51	MOV D, C	61	MOV H, C	71	MOV [HL], C
42	MOV B, D	52	MOV D, D	62	MOV H, D	72	MOV [HL], D
43	MOV B, E	53	MOV D, E	63	MOV H, E	73	MOV [HL], E
44	MOV B, H	54	MOV D, H	64	MOV H, H	74	MOV [HL], H
45	MOV B, L	55	MOV D, L	65	MOV H, L	75	MOV [HL], L
46	MOV B, [HL]	56	MOV D, [HL]	66	MOV H, [HL]	76	HLT
47	MOV B, A	57	MOV D, A	67	MOV H, A	77	MOV [HL], A
48	MOV C, B	58	MOV E, B	68	MOV L, B	78	MOV A, B
49	MOV C, C	59	MOV E, C	69	MOV L, C	79	MOV A, C
4A	MOV C, D	5A	MOV E, D	6A	MOV L, D	7A	MOV A, D
4B	MOV C, E	5B	MOV E, E	6B	MOV L, E	7B	MOV A, E
4C	MOV C, H	5C	MOV E, H	6C	MOV L, H	7C	MOV A, H
4D	MOV C, L	5D	MOV E, L	6D	MOV L, L	7D	MOV A, L
4E	MOV C, [HL]	5E	MOV E, [HL]	6E	MOV L, [HL]	7E	MOV A, [HL]
4F	MOV C, A	5F	MOV E, A	6F	MOV L, A	7F	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
02	STAX [BC], A	0A	LDAX A, [BC]
12	STAX [DE], A	1A	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
80	ADD A, B	90	SUB A, B
81	ADD A, C	91	SUB A, C
82	ADD A, D	92	SUB A, D
83	ADD A, E	93	SUB A, E
84	ADD A, H	94	SUB A, H
85	ADD A, L	95	SUB A, L
86	ADD A, [HL]	96	SUB A, [HL]
87	ADD A, A	97	SUB A, A
88	ADC A, B	98	SBB A, B
89	ADC A, C	99	SBB A, C
8A	ADC A, D	9A	SBB A, D
8B	ADC A, E	9B	SBB A, E
8C	ADC A, H	9C	SBB A, H
8D	ADC A, L	9D	SBB A, L
8E	ADC A, [HL]	9E	SBB A, [HL]
8F	ADC A, A	9F	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

1. 8080的标志位（flag）共有5个：CF（进位）、ZF（零）、SF（符号）、PF（奇偶）、AF（辅助）

2. 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）

3. LDA、MOV、STA等不会影响标志位，ADD、SUB、SBB、ADC可能会影响标志位

4. 运算最高位为1时，SF置为1，表示负数

5. 运算结果为0时，ZF置为0

6. 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）

7. 以下两条指令直接控制进位标志位

操作码	指令	含义
37	STC	令CF置1
3F	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
A0	AND A, B	B0	OR A, B
A1	AND A, C	B1	OR A, C
A2	AND A, D	B2	OR A, D
A3	AND A, E	B3	OR A, E
A4	AND A, H	B4	OR A, H
A5	AND A, L	B5	OR A, L
A6	AND A, [HL]	B6	OR A, [HL]
A7	AND A, A	B7	OR A, A
A8	XOR A, B	B8	CMP A, B
A9	XOR A, C	B9	CMP A, C
AA	XOR A, D	BA	CMP A, D
AB	XOR A, E	BB	CMP A, E
AC	XOR A, H	BC	CMP A, H
AD	XOR A, L	BD	CMP A, L
AE	XOR A, [HL]	BE	CMP A, [HL]
AF	XOR A, A	BF	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	OR	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
07	RLC	使累加器循环左移1位
0F	RRC	使累加器循环右移1位
17	RAL	带进位的累加器循环左移1位
1F	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	C9	RET	C3	JMP aaa	CD	CALL aaa
Z not set	C0	RET	C2	JNZ aaa	C4	CNZ aaa
Z set	C8	RET	CA	JZ aaa	CC	CZ aaa
C not set	D0	RET	D2	JNC aaa	D4	CNC aaa
C set	D8	RET	DA	JC aaa	DC	CC aaa
Odd parity	E0	RET	E2	JPO aaa	E4	CPO aaa
Even parity	E8	RET	EA	JPE aaa	EC	CPE aaa
S not set	F0	RET	F2	JP aaa	F4	CP aaa
S set	F8	RET	FA	JM aaa	FC	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。

1. 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）；

2. IN指令（操作码DB）与OUT相反；

3. 8080有一个INT（interrupt，中断）端口，使处理器马上注意到外部设备；

4. 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

5. DI指令（操作码FB）则禁止中断

6. 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。
7. 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

1. 1978年8086芯片

2. 因特尔个人电脑x86系列处理器：186、286、386、486

3. 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。