Le microprocesseur 8086 / 8088

I ) Introduction :

Le processeur 8086 d'Intel est à la base des processeurs Pentium actuels. Les processeurs successifs (de PC) se sont en effet construits petit à petit   en   ajoutant   à   chaque   processeurs   des   instructions   et   des fonctionnalités  supplémentaires,  mais  en  conservant  à  chaque  fois  les spécificités  du  processeur  précédent.  C'est  cette  façon  d'adapter  les processeurs à chaque étape qui permet qu'un ancien programme écrit pour un 8086 fonctionne toujours sur un nouvel ordinateur équipé d'un Pentium IV.

II ) Architecture externe du 8086 :

Le 8086 est un circuit intégré de forme DIL de 40 pattes comme le montre la figure suivante :

Le 8086 (développé en 1978) est le premier microprocesseur de type x86.Il est  équipé d'un bus de données de 16 bits et un bus d'adresses de 20 bits et fonctionne à des fréquences diverses selon plusieurs variantes: 5, 8 ou 10 MHz.

III ) Architecture interne du 8086 :

Il existe deux unités internes distinctes: l'UE (Unité d'Exécution) et l'UIB (Unité d'Interfaçage avec le Bus). Le rôle de l'UIB est de récupérer et stocker les informations à traiter, et d'établir les transmissions avec les bus du système. L'UE exécute les instructions qui lui sont transmises par l'UIB. L'image ci-dessous résume les notions présentées ici. Le microprocesseur pris comme exemple est le 8086/8088. Les processeurs actuels de la famille x86 traitent les informations de la même façon.

Nous pouvons à présent examiner plus en détail le traitement des instructions par  'UE et l'UIB. Avec le microprocesseur 8085, le traitement des instructions se passait comme suit:

-Extraction des instructions par l'UIB

- Exécution des instructions

- Extraction des nouvelles instructions

Lorsque l'exécution d'une instruction est terminée, l'UE reste inactif un  court  instant,  pendant  que  l'UIB  extrait  l'instruction  suivante.  Pour remédier à ce temps d'attente, le prétraitement ou  traitement pipeline  à été introduit dans le 8086/8088. Pendant que l'UE exécute les informations qui lui  sont  transmises,  l'instruction  suivante  est  chargée  dans  l'UIB.  Les instructions qui suivront sont placées dans une file d'attente. Lorsque l'UE a fini de traiter une instruction l'UIB lui transmet instantanément l'instruction suivante, et charge la troisième instruction en vue de la transmettre à l'UE. De cette façon, l'UE est continuellement en activité. Dans la figure suivante nous pouvons observer un schéma plus détaillé de l'UE et l'UIB. Nous y retrouvons les éléments dont il a été question précédemment

Donc  en  conclusion  on  peut  dire  que  le  8086/8088  se  compose essentiellement de deux unités : la BIU qui fournit l'interface physique entre le   microprocesseur   et   le   monde   extérieur   et   l'EU   qui   comporte essentiellement l'UAL de 16 bits qui manipule les registre généraux de 16 bits aussi .

Remarque :

La file d'attente d'instructions contient des informations qui attendent d'être  traitées  par  l'UE.  La  file  d'attente  est  parfois  appelée  capacité  de traitement.  Le microprocesseur 8086 est capable de mémoriser jusqu'à six octets. Les microprocesseurs actuels sont bien entendu équipés d'une file d'attente plus rapide et plus large, c'est à dire capable d'emmagasiner plus d'informations.

IV ) Les registres du 8086/8088 :

IV-1 ) Introduction :

Le    jeu    de    registres    contient    l'ensemble    des    registres    du microprocesseur. Un registre est une petite partie de mémoire intégrée au microprocesseur,  dans  le  but  de  recevoir  des  informations  spécifiques, notamment des adresses et des données stockées durant l'exécution d'un programme. Il existe plusieurs types de registres. Certains d'entre eux sont affectés à des opérations d'ordre général et sont accessibles au programmeur à tout moment. Nous disons alors qu'il s'agit de registres généraux. D'autres registres ont des rôles bien plus spécifiques et ne peuvent pas servir à un usage non spécialisé.

IV-2 ) Les registres généraux :

Les registres généraux peuvent être utilisés dans toutes les opérations arithmétiques  et  logiques  que  le  programmeur  insère  dans  le  code assembleur. Un registre complet présente une grandeur de 16 bits. Comme le montre la figure 2, chaque registre est en réalité divisé en deux registres distincts de 8 bits. De cette façon, nous pouvons utiliser une partie du registre si nous désirons y stocker une valeur n'excédant pas 8 bits. Si, au contraire,  la  valeur  que  nous  désirons  y  ranger  excède  8  bits,  nous utiliserons le registre complet, c'est à dire 16 bits. Nous verrons plus loin qu'il est possible de manipuler facilement les registres généraux.

Le programmeur dispose de 8 registres internes de 16 bits qu'on peut diviser en deux groupes comme le montre la figure 2 :

-     groupe de données : formé par 4 registres de 16 bits (AX,BX,CX,et

DX)  chaque  registre  peut  être  divisé  en  deux  registres  de  8  bits

(AH,AL,BH,BL,CH,CL,DH et DL )

-     groupe de pointeur et indexe : formé de 4 registres de 16 bits (SI, DI, SP, BP) et font généralement référence à un emplacement en mémoire.

Groupe de données :

Groupe de pointeur et indexe :

IV-2-1 ) Groupe de données :

Registre AX : (Accumulateur)

Toutes les opérations de transferts de données avec les entrées-sorties ainsi que le traitement des chaînes de caractères se font dans ce registre, de même les opérations arithmétiques et logiques.

Les   conversions   en   BCD   du   résultat   d'une   opération arithmétique (addition, soustraction, multiplication et la division) se font dans ce registre.

Registre BX : (registre de base)

Il est utilisé pour l'adressage de données dans une zone mémoire différente de la zone code : en général il contient une adresse de décalage par rapport à une adresse de référence. ). (Par exemple, l'adresse de début d'un tableau). De plus il peut servir pour la conversion d'un code à un autre.

Registre CX : (Le compteur)

Lors de l'exécution d'une boucle on a souvent recours à un compteur de boucles pour compter le nombre d'itérations, le registre CX a été fait pour servir comme compteur lors des instructions de boucle.

Remarque :

Le  registre  CL  sert  en  tant  que  compteur  pour  les  opérations  de décalage et de rotation, dans ce cas il va compter le nombre de décalages (rotation) de bits à droite ou à gauche.

Registre DX :

On utilise le registre DX pour les opérations de multiplication et de   division   mais   surtout   pour   contenir   le   numéro   d'un   port d'entrée/sortie pour adresser les interfaces d'E/S.

IV-2-2 ) Groupe de pointeur et indexe :

Ces  registres  sont  plus  spécialement  adaptés  au  traitement  des éléments  dans  la  mémoire.  Ils  sont  en  général  munis  de  propriétés d'incrémentation et de décrémentation.

Un cas particulier de pointeur est le pointeur de pile (Stack Pointer : SP). Ce registre permet de pointer la pile pour stocker des données ou des adresses selon le principe du "Dernier Entré Premier Sorti" ou "LIFO"

(Last In First Out).

L'idexe SI : (source indexe) :

Il permet de pointer la mémoire il forme en général un décalage (un offset) par rapport à une base fixe (le registre DS), il sert aussi pour les instructions de chaîne de caractères, en effet il pointe sur le caractère source

L'indexe DI : (Destination indexe) :

Il permet aussi de pointer la mémoire il presente un décalage par rapport à une base fixe (DS ou ES), il sert aussi pour les instructions de chaîne de caractères, il pointe alors sur la destination

Les pointeurs SP et BP : ( Stack pointer et base pointer )

Ils pointent sur la zone pile (une zone mémoire qui stocke l'information avec le principe filo : voir plus loin), ils presentent un décalage par rapport à la base (le registre SS). Pour le registre BP il a un rôle proche de celui de BX, mais il est généralement utilisé avec le segment de pile.

IV -2- 3 ) Les registres segment:

Le    8086  a  quatre  registres  segments  de  16  bits  chacun :  CS  (code segment, DS (Data segment), ES (Extra segment) et SS (stack segment), ces registres sont chargés de sélectionner les différents segments de la mémoire  en  pointant  sur  le  début  de  chacun  d'entre  eux.  Chaque segment de mémoire ne peut excéder  les 65535 octets.

Le registre CS (code segment) :

Il pointe sur le segment qui contient les codes des instructions du programme en cours.

Remarque :

Si la taille du programme dépasse les 65535 octets alors on peut diviser le code sur plusieurs segments (chacun ne dépasse pas les 65535 octets) et pour basculer d'une partie à une autre du programme il suffit de changer la valeur du registre CS et de cette manière on résout le problème des programmes qui ont une taille supérieure à 65535 octets.

Le registre DS (Data segment) :

Le  registre  segment  de  données  pointe  sur  le  segment  des variables  globales  du  programme,  bien  évidemment  la  taille  ne  peut excéder 65535 octets (si on a des données qui dépassent cette limite, on utilise la même astuce citée dans la remarque précédente mais dans ce cas on change la valeur de DS).

Le registre ES (Extra segment) :

Le registre de données supplémentaires ES est utilisé par le microprocesseur lorsque l'accès aux autres registres est devenu difficile ou impossible pour modifier des données, de même ce segment est utilisé pour le stockage des chaînes de caractères.

Le segment SS (Stack segment) :

Le registre SS pointe sur la pile : la pile est une zone mémoire ou on peut sauvegarder les registres ou les adresses ou les données pour les récupérer après l'exécution d'un sous programme ou l'exécution d'un programme d'interruption, en général il est conseillée de ne pas changer le contenu de ce registre car on risque de perdre des informations très importantes  (exemple  les  passages  d'arguments  entre  le  programme principal et le sous programme)

IV-2-4 ) Le registre IP : (Le compteur de programme) :

Instruction Pointer  ou Compteur de Programme, contient l'adresse de l'emplacement mémoire où se situe la prochaine instruction à exécuter. Autrement dit, il doit indiquer au processeur la prochaine instruction à exécuter. Le registre IP est constamment modifié après l'exécution de chaque instruction afin qu'il pointe sur l'instruction suivante.

II-2-5 : Le registre d'état (Flag) :

Le registre d'état FLAG sert à contenir l'état de certaines opérations effectuées par le processeur. Par exemple, quand le résultat d'une opération est trop grand pour être contenu dans le registre cible (celui qui doit contenir le résultat de l'opération), un bit spécifique du registre d'état (le bit OF) est mis à 1 pour indiquer le débordement.

Remarque : Drapeaux (flags)

Les  drapeaux  sont  des  indicateurs  qui  annoncent  une  condition particulière suite à une opération arithmétique ou logique.

Le registre d'état du 8086 est formé par les bits suivants :

Remarque :

X : bit non utilise.

CF (Carry Flag) :

Retenue :    cet    indicateur et  mis  à  1  lorsque  il    y a  une retenue  du  résultat  à  8  ou  16  bits.  il  intervient  dans  les  opérations d'additions (retenue) et de soustractions (borrow) sur des entiers naturels. Il est  positionné  en  particulier  par  les  instructions  ADD,  SUB  et  CMP

(comparaison entre deux valeurs).

CF = 1 s'il y a une retenue après l'addition ou la soustraction du bit de poids fort des opérandes. Exemples (sur 8 bits pour simplifier) :

PF (Parity Flag) :

Parité : si le résultat de  l'opération contient un  nombre pair de 1 cet indicateur est mis à 1, sinon zéro.

AF (Auxiliary Carry) :

Demie   retenue   :   Ce   bit est égal   à 1 si on a une  retenue du quarter de poids faible dans le quarter de poids plus  fort.

ZF (Zero Flag) :

Zéro : Cet    indicateur est    mis à 1 quand  le  résultat  d'une opération est égal à zéro. Lorsque l'on vient d'effectuer une soustraction (ou une  comparaison),  ZF=1  indique  que  les  deux  opérandes  étaient  égaux. Sinon, ZF est positionné à 0.

SF (Sign Flag) :

SF est positionné à 1 si le bit de poids fort du résultat d'une addition ou soustraction est 1 ; sinon SF=0. SF est utile lorsque l'on manipule des entiers signés, car le bit de poids fort donne alors le signe du résultat. Exemples (sur 8 bits) :

OF (Overflow Flag) :

Débordement  : si on a  un  débordement arithmétique  ce  bit est mis à 1.c a d le résultat d'une opération excède la capacité de l'opérande (registre ou case mémoire), sinon il est à 0.

DF (Direction Flag) :

Auto Incrémentation/Décrémentation : utilisée pendant les  instructions de chaîne de caractères pour auto incrémenter ou auto décrémenter le SI et le DI.

IF(Interrupt Flag) :

Masque d'interruption : pour masquer les interruptions venant de l'extérieur ce  bit  est  mis  à  0,  dans  le  cas  contraire  le  microprocesseur  reconnaît l'interruption de l'extérieur.

TF (Trap Flag) :

Piége : pour que le microprocesseur exécute le programme  pas à pas du.

Remarque :

Les   instructions   de   branchements   conditionnels   utilisent   les indicateurs (drapeaux), qui sont des bits spéciaux positionnés par l'UAL après certaines opérations. Chaque indicateur est manipulé individuellement par des instructions spécifiques.

V ) Gestion de la mémoire :

V-1 ) Introduction :

L'espace mémoire adressable (1 méga = 2  20  bits du bus d'adresse  ) du 8086/8088 est divisé en quatre segment logiques allant jusqu'à 64 KOctets chacun . L'accès à ces espaces est direct et simultané, or Le compteur de programme est de 16 bits donc la possibilité d'adressage est de 2 16 = 64 Ko (Ce qui ne couvre pas la totalité de la mémoire), alors on utilise deux registres pour indiquer une adresse au processeur, Chaque segment débute à  l'endroit  spécifié  par  le  registre    segment.  Le  déplacement  (offset)  à l'intérieur de chaque segment se fait par un registre de décalage qui permet de trouver une information à l'intérieur du segment. Exemple la paire de registre  CS:IP : pointe sur le code d'une instruction (CS registre segment et IP Déplacement)

V-2 ) Adresse physique (Segmentation de la mémoire) :

Nous abordons ici le problème de la segmentation de la mémoire. Nous venons  de  voir  qu'en  assembleur,  les  données  étaient  normalement regroupées dans une zone mémoire nommée segment de données, tandis que les instructions étaient placées dans un  segment d'instructions (de même pour le segment pile et segment de données supplémentaires). Ce partage se fonde sur la notion plus générale de segment de mémoire, qui est à la base du mécanisme de gestion des adresses par les processeurs 80x86. On a vu aussi que le registre IP, qui stocke l'adresse d'une instruction, fait lui aussi 16 bits. Or, avec 16 bits il n'est possible d'adresser que 2 16 = 64 Kilo octets. Le bus d'adresses du 8086 possède 20 bits. Cette adresse de 20 bits est formée par la juxtaposition d'un registre segment (16 bits de poids fort) et d'un déplacement (offset, 16 bits de poids faible). Adresse physique= Base * 16+ offset

Le schéma de la figure  suivante illustre la formation d'une adresse 20 bits à partir du segment et du déplacement sur 16 bits :

Remarque :

On appellera segment de mémoire une zone mémoire adressable avec une valeur fixée du segment (les 16 bits de poids fort). Un segment a donc une taille maximale de 64 Ko.

V-3 ) Implémentation de la pile :

Le pointeur de pile (en combinaison avec le segment de pile SS) pointe vers le dessus de la pile (TOS : top of stack) en mémoire. Une pile est un ensemble de données placées en mémoire de manière à ce que seulement la donnée du "dessus" soit disponible à un instant donné. Pour aller chercher la donnée sous celle du dessus par exemple, on doit d'abord enlever celle du dessus. Le rôle du pointeur de pile (et de la pile vers laquelle il pointe) est le suivant. Quand un processeur exécute une instruction, il est possible qu'il soit interrompu par une "Interruption" (c'est-à-dire un appel au processeur qui est prioritaire aux instructions du programme qu'il traite). Il doit alors arrêter de s'occuper de l'instruction qu'il traite présentement pour s'occuper de   l'interruption.   Quand   l'interruption   sera   traitée,   il   retournera   à l'instruction qu'il traitait quand il a été interrompu. Mais pour cela, il doit se rappeler de cette instruction ainsi que de l'état de certains registres au moment où il traitait l'instruction. Donc pour ne pas les perdre, il les placera temporairement dans une pile (à l'intérieur de la mémoire RAM par exemple) et pourra les récupérer une fois l'interruption traitée. Le pointeur de pile (SP) donne donc l'adresse en mémoire de cette pile temporaire.

Les  piles  offrent  un  nouveau  moyen  d'accéder  à  des  données  en mémoire principale, qui est très utilisé pour stocker temporairement des valeurs.

Le schéma suivant montre comment une valeur est stocker dans la pile (pushed) et comment elle est récupérée (poped) :

V-4 ) Organisation de la mémoire :

        V-4-1 ) Organisation logique :

Logiquement la mémoire est organisée de cette manière :

V-4-2 ) Organisation physique :

Le microprocesseur 8086 est processeur 16 bits (bus de données de 16 bits), ce qui donne la possibilité à ce microprocesseur d'accéder en même temps à deux cases mémoires de 8 bits. En effet pour le 8086 la mémoire est organisée en deux Banks (un bank pair et un bank impair chacun de 512 Koctet) comme le montre la figure suivante :

Les bits D0..D7 sont appelé partie base alors que les bits D8..D15 sont appelé partie haute. Le 8086 peut charger un octet (8 bits) ou un mot (16 bits) ou un double mot (32 bits) de la mémoire, en effet pour l'octet il suffit de donner l'adresse de ce dernier pour être chargé dans la CPU, pour le mot il suffit de donner l'adresse le 8086 cherche l'octet du poids faible à l'adresse donnée et l'octet du poids le plus fort à l'adresse qui suit , mais un problème apparaît lorsque  on  veut  accéder  à  une  case  mémoire  impaire  tel  que  135  par exemple , en effet :

La figure suivante montre comment les cases sont rangées dans les deux banks :

• Si on  veut accéder par exemple à l'octet (8 bits) d'une adresse paire celle ci sera directement transmise sur les lignes D0...D7 mais si on veut accéder à une adresse impaire tel que 135 par exemple, donc il faut aussi que  la donnée serait charger sur les lignes D0.. D7, or en réalité et en regardant l'organisation de la mémoire e par la figure précédente on constate que la donnée sera transmise sur les lignes D8..D15 (adresse impaire) ce qui va obliger le microprocesseur de changer  cette  octet  du  poids  haut  au  poids  faible  d'une  manière automatique.

• Si on veut accéder à un mot : si l'adresse est paire on n'aura pas de problème le pois faible sera chargé sur les lignes D0...D7 et le pois fort sera chargé sur les lignes D8...D15 donc l'accès à la mémoire se fait avec un seul cycle .mais si on veut accéder à un mot logé dans une case impaire tel que 135 par exemple alors il nous faut deux cycles pour charger la donnée en effet l'organisation de la mémoire nous donne la disposition suivante :

Donc le microprocesseur doit accéder à la mémoire en deux temps le premier pour chercher l'octet 135 et le deuxième pour chercher l'octet haut à partir de l'adresse 136.de plus il doit permuter ces deux octet pour avoir le poids faible sur les lignes D0...D7 et le poids fort sur les lignes D8...D15.

Remarque :

Pour sélectionner les banks pair et impair le microprocesseur utilise deux signaux (BHE et A0 : le premier bit du bus d'adresse) comme le montre la figure suivante :

Pour sélectionner le bank pair A0=0

Pour sélectionner le bank impair BHE = 0