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1、微处理器的结构及存储器组成,第 2 章,微处理器的结构及存储器组成,第2章 教学要求与重点,了解微机系统的基本软硬件组成 掌握8086的寄存器组和存储器组织 重点1 :工作寄存器组 重点2:存储器的特点和使用 重点3:存储器物理地址的形成 重点4:存储器的分段,简单解释一下几个名字术语 字长:芯片内部一次传输数据的宽度。 主频:芯片所用的主时钟频率。 数据总线宽度: 芯片内部数据传输的宽度。 地址总线宽度:指专用于传送地址的总线宽度。 地址总线宽度与寻址空间的关系: 高速缓存(cache):,微处理器的结构及存储器组成,2.1 8086微处理器,微处理器飞速发展,80386,80486,奔腾,
2、奔腾2代,奔腾4代,80286,8086,奔腾3代,IA-64 (安腾),4004,不是我不明白, 这世界变化太快。 扎扎实实掌握知识, 以不变应万变!,2.2 基于微处理器的计算机系统构成,硬件:,中央处理机 CPU,总线控制 逻辑,接 口,接 口,存储器,大容量 存储器,I/O设备,I/O子系统,系统总线,. . .,. . .,软件:系统软件 用户软件,运算器 控制器 工作寄存器,2.2.1 硬件,系统软件:DOS平台 MS-DOS 6.22 Windows 9.x的DOS实地址方式 MS-DOS虚拟环境 应用软件:开发汇编语言程序涉及 文本编辑器 汇编程序 连接程序 调试程序,2.2.
3、2 软件,微处理器的结构及存储器组成,文本编辑器(Editor),文本编辑器用于编辑无任何格式的文档 程序设计时要采用文本编辑器编写源程序 常见的文本编辑软件有很多,如 MS-DOS的EDIT全屏幕编辑器 Windows的Notepad计事本 程序开发系统中的程序编辑器,例如你熟悉的Turbo C编辑器 大家可以采用微机中任何一个文本编辑器编写汇编语言源程序,微处理器的结构及存储器组成,汇编程序(Assembler),汇编程序将汇编语言源程序翻译(称为“汇编”)成机器代码目标模块 80x86CPU的汇编程序主要有微软的宏汇编程序MASM。较著名的还有Borland公司的TASM,无实质差别 本
4、课程采用微软的MASM,微处理器的结构及存储器组成,连接程序(Linker),连接程序将汇编后的目标模块转换为可执行程序 每个程序开发环境都有连接程序 连接程序的文件名通常是: LINK.EXE,微处理器的结构及存储器组成,调试程序(Debugger),调试程序进行程序排错、分析等 本课程采用DOS的DEBUG程序 其他还有Turbo Debugger等,微处理器的结构及存储器组成,2.3 微处理器的结构,微处理器是微机的硬件核心 主要包含指令执行的运算和控 制部 件,还有多种寄存器 对程序员来说,微处理器抽象为以名称存取的寄存器,2.3.1 8086微处理器结构,8086内部结构有两个功能模
5、块,完成一条指令的取指和执行功能 模块之一:总线接口单元BIU,主要负责读取指令和操作数 模块之二:执行单元EU ,主要负责指令译码和执行,微处理器的结构及存储器组成,8086内部结构,8086的执行方式,80486微处理器结构,80486微处理器的特点,一种高性能全32位的微处理器 把构成80386微机系统的主处理器、数值协处理器和一个具有8 KB的Cache存储器集成在一块集成电路芯片中 沿用了指令流水线技术 采用RISC思想设计,补充,RISC :Reduced Instruction Set Computer 精简指令集计算机技术 CISC: Complex Instruction S
6、et Computer 复杂指令集计算机技术 计算机指令流水线技术,Pentium微处理器的结构,Pentium体系结构特点,超标量流水线 独立的指令Cache和数据Cache 浮点操作 分支预测,对汇编语言程序员来说,8086内部结构就是可编程的寄存器组 8个通用寄存器 1个指令指针寄存器 1个标志寄存器 4个段寄存器,2.3.2 8086的寄存器组,8086的寄存器组,1. 8086的通用寄存器,8086的16位通用寄存器是: AX BX CX DX SI DI BP SP 其中前4个数据寄存器都还可以分成高8位和低8位两个独立的寄存器 8086的8位通用寄存器是: AH BH CH DH
7、 AL BL CL DL 对其中某8位的操作,并不影响另外对应8位的数据,数据寄存器,数据寄存器用来存放计算的结果和操作数,也可以存放地址 每个寄存器又有它们各自的专用目的 AX累加器,使用频度最高,用于算术、逻辑运算以及与外设传送信息等; BX基址寄存器,常用做存放存储器地址; CX计数器,作为循环和串操作等指令中的隐含计数器; DX数据寄存器,常用来存放双字长数据的高16位,或存放外设端口地址。,变址寄存器,变址寄存器常用于存储器寻址时提供地址 SI是源变址寄存器 DI是目的变址寄存器 串操作类指令中,SI和DI具有特别的功能,2 指针寄存器,指针寄存器用于寻址内存堆栈内的数据 SP为堆栈
8、指针寄存器,指示栈顶的偏移地址 SP不能再用于其他目的,具有专用目的 BP为基址指针寄存器,表示数据在堆栈段中的基地址 SP和BP寄存器与SS段寄存器联合使用以确定堆栈段中的存储单元地址,堆栈(Stack),堆栈是主存中一个特殊的区域 它采用先进后出FILO(First In Last Out)或后进先出LIFO(Last In First Out)的原则进行存取操作,而不是随机存取操作方式。 堆栈通常由处理器自动维持。在8086中,由堆栈段寄存器SS和堆栈指针寄存器SP共同指示,指令指针IP,指令指针寄存器IP,指示代码段中指令的偏移地址 它与代码段寄存器CS联用,确定下一条指令的物理地址
9、计算机通过CS : IP寄存器来控制指令序列的执行流程 IP寄存器是一个专用寄存器,3 标志寄存器,标志(Flag)用于反映指令执行结果或控制指令执行形式 8086处理器的各种标志形成了一个16位的标志寄存器FLAGS(程序状态字PSW寄存器),程序设计需要利用标志的状态,标志的分类,状态标志用来记录程序运行结果的状态信息,许多指令的执行都将相应地设置它 CF ZF SF PF OF AF 控制标志可由程序根据需要用指令设置,用于控制处理器执行指令的方式 DF IF TF,进位标志CF(Carry Flag),当运算结果的最高有效位有进位(加法)或借位(减法)时,进位标志置1,即CF = 1;
10、否则CF = 0。,3AH + 7CHB6H,没有进位:CF = 0 AAH + 7CH(1)26H,有进位:CF = 1,零标志ZF(Zero Flag),若运算结果为0,则ZF = 1; 否则ZF = 0,3AH + 7CHB6H,结果不是零:ZF = 0 84H + 7CH(1)00H,结果是零:ZF = 1,注意:ZF为1表示的结果是0,符号标志SF(Sign Flag),运算结果最高位为1,则SF = 1;否则SF = 0,3AH + 7CHB6H,最高位D71:SF = 1 84H + 7CH(1)00H,最高位D70:SF = 0,有符号数据用最高有效位表示数据的符号 所以,最高
11、有效位就是符号标志的状态,奇偶标志PF(Parity Flag),当运算结果最低字节中“1”的个数为零或偶数时,PF = 1;否则PF = 0,3AH + 7CHB6H10110110B 结果中有5个1,是奇数:PF = 0,PF标志仅反映最低8位中“1”的个数是 偶或奇,即使是进行16位字操作,溢出标志OF(Overflow Flag),若算术运算的结果有溢出, 则OF1;否则 OF0,3AH + 7CHB6H,产生溢出:OF = 1 AAH + 7CH(1)26H,没有溢出:OF = 0,溢出标志OF(Overflow Flag),问题 什么是溢出? 溢出和进位有什么区别? 处理器怎么处理
12、,程序员如何运用? 如何判断是否溢出?,什么是溢出,处理器内部以补码表示有符号数 8位表达的整数范围是:127128 16位表达的范围是:3276732768 如果运算结果超出这个范围,就产生了溢出 有溢出,说明有符号数的运算结果不正确,3AH7CHB6H,就是58124182, 已经超出128127范围,产生溢出,故OF1; 另一方面,补码B6H表达真值是-74, 显然运算结果也不正确,溢出和进位,溢出标志OF和进位标志CF是两个意义不同的标志 进位标志表示无符号数运算结果是否超出范围,运算结果仍然正确; 溢出标志表示有符号数运算结果是否超出范围,运算结果已经不正确。,溢出和进位的对比,例1
13、:3AH + 7CHB6H 无符号数运算: 58124182 范围内,无进位 有符号数运算: 58124182 范围外,有溢出,例2:AAH + 7CH(1)26H 无符号数运算: 170124294 范围外,有进位 有符号数运算: 8612428 范围内,无溢出,如何运用溢出和进位,处理器对两个操作数进行运算时,按照无符号数求得结果,并相应设置进位标志CF;同时,根据是否超出有符号数的范围设置溢出标志OF。 应该利用哪个标志,则由程序员来决定。也就是说,如果将参加运算的操作数认为是无符号数,就应该关心进位;认为是有符号数,则要注意是否溢出。,溢出的判断,判断运算结果是否溢出有一个简单的规则:
14、 只有当两个相同符号数相加(包括不同符号数相减),而运算结果的符号与原数据符号相反时,产生溢出;因为,此时的运算结果显然不正确 其他情况下,则不会产生溢出,辅助进位标志AF(Auxiliary Carry Flag),3AH + 7CHB6H,D3有进位:AF = 1,运算时D3位(低半字节)有进位或借位时,AF = 1;否则AF = 0。,这个标志主要由处理器内部使用,用于十进制算术运算调整指令中,用户一般不必关心,方向标志DF(Direction Flag),用于串操作指令中,控制地址的变化方向: 设置DF0,存储器地址自动增加; 设置DF1,存储器地址自动减少。,CLD指令复位方向标志:
15、DF0 STD指令置位方向标志:DF1,中断允许标志IF(Interrupt-enable Flag),用于控制外部可屏蔽中断是否可以被处理器响应: 设置IF1,则允许中断; 设置IF0,则禁止中断。,CLI指令复位中断标志:IF0 STI指令置位中断标志:IF1,跟踪标志TF(Trap Flag),用于控制处理器进入单步操作方式: 设置TF0,处理器正常工作; 设置TF1,处理器单步执行指令。,单步执行指令处理器在每条指令执行结束时,便产生一个编号为1的内部中断 这种内部中断称为单步中断 所以TF也称为单步标志 利用单步中断可对程序进行逐条指令的调试 这种逐条指令调试程序的方法就是单步调试,
16、8086有4个16位段寄存器 CS(代码段)指明代码段的起始地址 SS(堆栈段)指明堆栈段的起始地址 DS(数据段)指明数据段的起始地址 ES(附加段)指明附加段的起始地址,4 段寄存器,每个段寄存器用来确定一个逻辑段的起始地址,每种逻辑段均有各自的用途,寄存器是微处理器内部暂存数据的存储单元,以名称表示 存储器则是微处理器外部存放程序及其数据的空间 程序及其数据可以长久存放在外存,在程序需要时才进入主存 主存需要利用地址区别,2.4 存储器,数据信息的表达单位,计算机中信息的单位 二进制位Bit:存储一位二进制数:0或1 字节Byte:8个二进制位,D7D0 字Word:16位,2个字节,D
17、15D0 双字DWord:32位,4个字节,D31D0 最低有效位LSB:数据的最低位,D0位 最高有效位MSB:数据的最高位,对应字节、字、双字分别指D7、D15、D31位,2.4.1存储单元及其存储内容,数据的存储格式,低地址,存储单元及其存储内容,每个存储单元都有一个编号;被称为存储器地址 每个存储单元存放一个字节的内容,0002H单元存放有一个数据34H 表达为 0002H34H,多字节数据存放方式,多字节数据在存储器中占连续的多个存储单元: 存放时,低字节存入低地址,高字节存入高地址; 表达时,用它的低地址表示多字节数据占据的地址空间。,图1.7中2号“字”单元的内容为: 0002H
18、 = 1234H 2号“双字”单元的内容为: 0002H = 78561234H,2.4.2 存储器的分段管理,8086CPU有20条地址线 最大可寻址空间为2201MB 物理地址范围从00000HFFFFFH 8086CPU将1MB空间分成许多逻辑段(Segment) 每个段最大限制为64KB 段地址的低4位为0000B 这样,一个存储单元除具有一个唯一的物理地址外,还具有多个逻辑地址,物理地址和逻辑地址,对应每个物理存储单元都有一个唯一的20位编号,就是物理地址,从00000HFFFFFH。 分段后在用户编程时,采用逻辑地址,形式为 段基地址 : 段内偏移地址,分隔符,逻辑地址,段地址说明
19、逻辑段在主存中的起始位置 8086规定段地址必须是模16地址:xxxx0H 省略低4位0000B,段地址就可以用16位数据表示,就能用16位段寄存器表达段地址 偏移地址说明主存单元距离段起始位置的偏移量 每段不超过64KB,偏移地址也可用16位数据表示,物理地址和逻辑地址的转换,将逻辑地址中的段地址左移4位,加上偏移地址就得到20位物理地址 一个物理地址可以有多个逻辑地址,逻辑地址 1460:100、1380:F00 物理地址 14700H 14700H,物理地址 = 16 段地址 + 偏移地址,16 位 段 地 址,16 位 偏 移 地 址,0000,+,20 位 物 理 地 址,例:(DS
20、) = 2100H, (BX) = 0500H (PA) = 21000H+0500H = 21500H,段寄存器,每个段寄存器用来确定一个逻辑段的起始地址,每种逻辑段均有各自的用途 8086有4个16位段寄存器 CS(代码段)指明代码段的起始地址 SS(堆栈段)指明堆栈段的起始地址 DS(数据段)指明数据段的起始地址 ES(附加段)指明附加段的起始地址,代码段(Code Segment),代码段用来存放程序的指令序列 代码段寄存器CS存放代码段的段地址 指令指针寄存器IP指示下条指令的偏移地址 处理器利用CS:IP取得下一条要执行的指令,堆栈段(Stack Segment),堆栈段确定堆栈所
21、在的主存区域 堆栈段寄存器SS存放堆栈段的段地址 堆栈指针寄存器SP指示堆栈栈顶的偏移地址 处理器利用SS:SP操作堆栈顶的数据,数据段(Data Segment),数据段存放运行程序所用的数据 数据段寄存器DS存放数据段的段地址 各种主存寻址方式(有效地址EA)得到存储器中操作数的偏移地址 处理器利用DS:EA存取数据段中的数据,附加段(Extra Segment),附加段是附加的数据段,也用于数据的保存: 附加段寄存器ES存放附加段的段地址 各种主存寻址方式(有效地址EA)得到存储器中操作数的偏移地址 处理器利用ES:EA存取附加段中的数据 串操作指令将附加段作为其目的操作数的存放区域,如
22、何分配各个逻辑段,程序的指令序列必须安排在代码段 程序使用的堆栈一定在堆栈段 程序中的数据默认是安排在数据段,也经常安排在附加段,尤其是串操作的目的区必须是附加段 数据的存放比较灵活,实际上可以存放在任何一种逻辑段中,段超越前缀指令,没有指明时,一般的数据访问在DS段;使用BP访问主存,则在SS段 默认的情况允许改变,需要使用段超越前缀指令;8086指令系统中有4个: CS: ;代码段超越,使用代码段的数据 SS: ;堆栈段超越,使用堆栈段的数据 DS: ;数据段超越,使用数据段的数据 ES: ;附加段超越,使用附加段的数据,段超越的示例,没有段超越的指令实例: MOV AX,2000H ;A
23、XDS:2000H ;从默认的DS数据段取出数据 采用段超越前缀的指令实例: MOV AX,ES:2000H ;AXES:2000H ;从指定的ES附加段取出数据,段寄存器的使用规定,存储器的分段,8086对逻辑段要求: 段地址低4位均为0 每段最大不超过64KB 8086对逻辑段并不要求: 必须是64KB 各段之间完全分开(即可以重叠),各段独立,各段重叠,最多多少段?,最少多少段?,各个逻辑段独立,存储器,64KB代码,01500H,42000H,1CD00H,段寄存器,CS DS SS ES,64KB堆栈,64KB数据,64KB附加数据,B0000H,B000H,存储器,8KB代码,2K
24、B数据,256堆栈,02000H,04800H,04000H,0200H,0400H,0480H,CS DS SS,优点: 允许程序在存储器内重定位; 允许实模式程序在保护模式下运行; 有利于程序和数据的分离。,各段允许重叠,1MB空间的分段,1MB空间最多能分成多少个段? 每隔16个存储单元就可以开始一个段, 所以1MB最多可以有: 2201621664K 个段 1MB空间最少能分成多少个段? 每隔64K个存储单元开始一个段, 所以1MB最少可以有: 22021616 个段,小结,8086有8个8位通用寄存器、8个16位通用寄存器 8086有6个状态标志和3个控制标志 8086将1MB存储空
25、间分段管理,有4个段寄存器,对应4种逻辑段 8086有4个段超越前缀指令,用于明确指定数据所在的逻辑段,熟悉上述内容后,就可以进入下节,寄存器与存储器的比较: 寄 存 器 存 储 器,在CPU内部 在CPU外部 访问速度快 访问速度慢 容量小,成本高 容量大,成本低 用名字表示 用地址表示 没有地址 地址可用各种方式形成,80x86的寄存器结构,80x86的程序可见寄存器组 通用寄存器 专用寄存器 段寄存器,8086/8088,IOPL,NT,80286,VM,80386,AC,80486,ID,VIP,VIF,31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0,Pentium,80x86的标志寄存器 (P.23),IOPL: I/O特权级 VIP:虚拟中断未决标志 NT: 嵌套任务标志 VIF:虚拟中断标志 RF: 重新启动标志 VM:虚拟8086模式位 AC: 对准检查方式位 ID: 标识标志,
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