硬件08：CPU

CPU

我们要讨论的微处理器出现于1974年，这一年，英特尔公司在4月推出了8080处理器，它是一个8位的微处理器，包括6000个晶体管，运行时的时钟频率为2MHz，寻址空间为64KB。

管脚

8080是40个管脚的集成电路，它最常见的IC封装如下：

下面给出了8080的40个管脚的功能说明图：

这些管脚的功能分为以下几类：

1、电源电压：管脚20（5V）、管脚11（-5V）、管脚28（12V）、管脚2（接地）。

2、时钟输入：管脚22和15，这些信号可以方便的由英特尔生产的8224时钟信号发生器产生。

3、16个用于寻址的输出信号：它们是A0-A15。

4、8个既可以做输入又可以做输出的信号：它们是D0-D7。

5、10个控制信号，如RESET（复位）、WR（对RAM阵列的写输入）等。

STA/LDA/MOV/MVI指令

在8080中，指令的长度可以是1字节、2字节或者3字节，一共有244个指令。在之前的设计中，我们使用了非常重要的两条指令，分别是load（将指定地址中的字节加载到累加器A）和store（累加器A中的内容被保存到指定的地址），8080中也有类似的指令，每个操作后也跟着一个16位的地址，它们是STA（Store Accumulator，存储累加器的值到地址）、LDA（Load Accumulator，加载到累加器）：

8080芯片的微处理器内部设置了6个寄存器（rigister），每个寄存器内部可以存放一个8位的数，它和累加器一样，本质都是锁存器。它用来存放程序运行过程中的数据，数据存在寄存器要远比存在内存中访问更方便。在8080中用B,C,D,E,H,L来表示6个寄存器，HL合起来可以构成一个16位的寄存器对。

MOV是一个非常重要的指令，它用来把一个寄存器中的内容转移到另一个寄存器，这些指令如下，再次注意两个参数中左边是目标操作数，右边是源操作数：

MOV的操作码由8位组成：01dddsss，ddd是目标操作数的代码，sss是源操作数的代码，它们表示的意义如下：

寄存器B和C、D和E也可以组成寄存器对，读取或保存这些地址时，可以用下面的指令：

MVI指令可以将某个单字节数据写入寄存器中：

设置寄存器的值的方式有几种，如用LDA指令直接操作地址，也可以用MOV指令将一个寄存器写入另一个寄存器，前者称为直接寻址，后者称为间接寻址，还有第三种方式，被称为立即数寻址，也就是使用MVI直接设置值。

算术运算指令

之前在设计时我们用到了四种基本运算指令，分别是加法ADD、进位加法ADC、减法SUB、借位减法SBB，8080中也有这些指令：

可以发现这些指令的操作数中总有A（累加器），相当于将计算结果运算后再存入累加器中。用ADC指令和SBB指令可以完成16位甚至更多位数的加法和减法。以加法为例，假设现在寄存器对BC和DE各自保存了一个16位的数，我们要把这两个数相加，并且把结果保存在寄存器对BC中，可以编程如下：

MOV A, C          
ADD A, E
MOV C, A		完成低字节操作加法，将结果存入C中
MOV A, B
ADC A, D
MOV B, A		完成高字节操作加法，将结果存入B中

其中ADC的执行自动计入了低字节的进位。

标志位

8080中共有5个标志位：CF（进位标志位）、ZF（零标志位）、符号标志位（SF）、奇偶标志位（PF）、辅助进位标志位（AF），在8080中有一个专门的8位寄存器来存放所有标志位，该寄存器被称为程序状态字（Program Status Word， PSW）。

算术运算指令的执行会影响这些标志位的值：

1、算术运算结果的最高位是1，则符号标志位SF被置位1，表示该结果是负数。

2、运算结果为0，零标志位ZF被置为0。

3、运算结果中1的位数是偶数，则奇偶标志位PF置为1，否则置为0。

4、当ADD和ADC运算产生进位或者SUB和SBB运算不发生借位时，进位标志位CF都置为1。

5、辅助进位标志位AF只有在运算结果的低4位向高4位有进位时才置为1，它只用于DAA（Decimal Adjust Accumulator，十进制调整累加器）中。

下列两条指令会直接影响进位标志位CF：

逻辑运算指令

8080的算术逻辑单元ALU除了可以进行算术运算，还能进行逻辑运算：

逻辑运算包括AND与、OR或、XOR异或这些按位运算治指令，这些指令把运算结果放到累加器中，还包括CMP这种比较指令，CMP指令不会改变累加器的值，它改变的是标志位，如：

CMP A, B

如果两个值相等，零标记位被置为1；如果A中的值小于B，则进位标志位置为1.

对立即数的算术逻辑指令

包括以下8种，分别对应上面4种算术指令和4种逻辑指令：

如以下代码：

MVI B, 25h
CMP A, B

可以被替换成

CPI A, 25h

取反CMA和十进制运算DAA

取反CMA（Complement Accumulator）的操作码对应为27，它对累加器中的数按位取反，此外我们还可以执行以下指令按位取反（与全1异或）：

XRI A, FFh

DAA（Decimal Adjust Accumulator）是十进制调整累加器，在8080中专门设计了一个完整的小部件用于执行该指令，它提供了一种用二进制表示十进制数的方法，称为BCD码（binary-coded decimal），每4位为一段，每段数字范围是0000-1001.对应十进制的0-9，一个字节可以表示两个十进制数。

两个数字：27h和94h，用DAA指令相加的结果就是累加器中存放的是21h，而不是BBh，且进位标志位置1。

自增和自减指令

8080中提供了专门的指令用来对寄存器或存储器中的数进行加1或减1操作：

INR和DCR能影响除了CF之外的所有标志位。

循环移位指令

8080中包括4个循环移位指令，这些指令可以把累加器中的内容向左或向右移动1位：

RLC可以让10100111变为01001111，它的最左位会移动到最右边，同时CF置位1，RRC也一样，会将移出去的位补充在后面。

RAL和RAR的工作方式有所不同，RAL也可以产生移位，但是它会把CF中的值补充到最后一位，然后把累加器中原最高位移动到CF中。

移位操作可以让乘2和除2变得简单。

堆栈指令和其他寄存器指令

在编写程序时可能出现这样的情况，程序中需要做一个小的计算，该计算要用到寄存器A、B、C，于是可以先将这三个寄存器的值保存起来，然后计算完成后再把数据恢复。

保存寄存器A、B、C的值：

PUSH	A
PUSH	B
PUSH	C	

取回原来的数据，注意这里的顺序必须和压入是相反的，否则会引起错误：

POP		C
POP		B
POP		A	

程序中可以多次使用堆栈，如我们可以把B中的数据压入栈中两次，然后再依次取出。

堆栈本质上是一段普通的RAM空间，8080微处理器设置了一个16位寄存器对这段存储空间寻址，这个特殊的寄存器称为堆栈指针（SP，Stack Pointer），所以PUSH和POP指令是把对应的数据保存在堆栈或者从堆栈中取出，这些操作码如下：

PSW是用于保存标志位的寄存器，也可以将其中的值保存在堆栈中。

PUSH BC指令执行时会将堆栈指针减1，然后将B中的数据存入堆栈指针指向的地址，然后再次将堆栈指针减1，将C中的数据存入堆栈指针指向的地址。POP指令会将上述步骤反过来执行一遍，它会增加堆栈指针。操作堆栈时，可能出现存入的数据过多，导致覆盖掉原来的数据，这就是堆栈上溢，还可能出现过多使用POP导致无数据可取，这就是堆栈下溢。

LXI指令可以为寄存器赋值，包括堆栈指针SP：

还可以对寄存器或堆栈指针中的值加1或减1：

还可以通过寄存器给它们赋值：

可以将地址中的内容保存在寄存器中：

还可以把寄存器中的值加载到程序计数器（相当于Jump指令）和堆栈指针：

还有一些交换指令，它可以将两个操作数中的值进行交换：

跳转指令

Call指令会完成程序的跳转，在程序计数器中加载一个新的地址，而且它还会将原来的地址保存到堆栈。Return用来从堆栈中将原地址取出，并把他们加载到PC中。

有了这两个指令就能有效的记录“从何处跳转”，在它们的帮助下，程序员可以在程序中频繁使用子程序。

在执行下列语句后：

CALL Multiply

程序会把当前PC中的值保存在堆栈，然后跳转到标志位Multiply的指令，这是一个自定义的标志，该值在即将调用的子程序的开头，在子程序的末尾会有一个RET指令表示返回，这样就完成了对子程序的调用。在子程序中改变了其他寄存器的值，可以通过操作这些寄存器来得到结果。

跳转指令总结如下：

IO相关

微处理器需要和外围设备互相通信，在8080中，除了常规的65536个地址外，还另外增加了256个地址专门用来访问输入/输出设备，它们被称作I/O端口，I/O地址信号标记位A0-A7。

输出指令OUT将累加器中的内容写入到对应端口PP，输入指令IN把一个字节从指定的端口读入到累加器：

中断指令及其相应

外围设备有时需要获得处理器的注意，如按下键盘时，处理器应该马上注意到这个事件。这个过程由一个被称为中断（interrupt）的机制实现，由外围设备产生的信号连接至8080的INT输入端。

指令传入处理器中会执行以下指令进行响应：

这些指令都被称为Restart重启动指令，在执行过程中将当前PC中的数据保存到堆栈，然后根据参数不同立即跳转到特定的地址，执行该地址处的指令来处理中断。

有时处理器会执行DI（Disable Interrupts）禁止中断，在处理器复位后，会执行EI（Enable Interrupt）来允许中断：

NOP指令

这个指令的操作码是00，它代表no op（no operation），也就是无操作，它让处理器什么操作也不执行，保持处理器的运行状态，8080可以执行一批NOP指令而不会引起任何错误的发生。

其他的CPU

至此我们介绍了8080处理器的全部244个操作码。其余的CPU设计与8080处理器大同小异，虽然功能类似，但是不同的CPU的操作码和助记符不同，执行的机器码也不一样，很多细节方面也有变动：如端口设计、寄存器数量、标志位设计。

在另一个CPU：Motorola 6800中，也有LDA指令（将地址处的数据加载到累加器），但是和8080有所不同：

3Ah 7Bh 34h			代表把347Bh处的字节加载到累加器（8080）
B6h 7Bh 34h			代表把7B34h处的字节加载到累加器（6800）

这两种微处理器对于操作码后的地址的处理方式是不同的，8080假设低字节在前，6800假设低字节在后，前者的处理方式被称为little-endian，后者被称为big-endian，也就是小端法和大端法表示字节顺序，这两种处理方式至今都还存在。