微处理器硬件结构.ppt

计算机系统 存储器 中央处理机 外部设备,主要内容：,教学目的,了解计算机系统的主要组成部分 掌握存储器地址分段方法 掌握物理地址形成 掌握8086的寄存器 掌握标志寄存器各标志位的意义,80 x86微处理器系列是Intel公司从20世纪70年代开始研制的微处理器的总称。 微处理器的发展 8086微处理器,2.1 Intel80 x86微处理器系列概况,计算机的性能指标：,字长和字节 存储容量 地址 存储器容量 存储器地址的最大值 存储单元的内容 指令系统 运算速度 主频（时钟频率） 系统配置,一、硬件：,I/O子系统,. . .,2.2基于微处理器的计算机系统构成,二、 8086微处理器基本组成,三、软件：系统软件 用户软件,2.3 8086的功能结构,8086内部结构有两个功能模块，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,内部结构,指令执行,8086内部结构,8086的寄存器组,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 执行单元EU 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,1. 8086的通用寄存器,8086的16位通用寄存器是： AXBXCXDX SIDIBPSP 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： AHBHCHDH ALBLCLDL 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,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 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,2. 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；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,问题 什么是溢出？ 溢出和进位有什么区别？ 处理器怎么处理，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。,请看例子,溢出和进位的对比,例1：3AH + 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： 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：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,陷阱标志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,2.4存储器组织与段寄存器,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,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，D15D0 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,图示,1. 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,图示,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 = 1234H 2号“双字”单元的内容为： 0002H = 78561234H,80 x86处理器采用“低对低、高对高”的存储形式，被称为“小端方式Little Endian”。 相对应还存在“大端方式Big Endian”。,图示,数据的地址对齐,同一个存储器地址可以是字节单元地址、字单元地址、双字单元地址等等 字单元安排在偶地址（xxx0B）、双字单元安排在模4地址（xx00B）等，被称为“地址对齐（Align）” 对于不对齐地址的数据，处理器访问时，需要额外的访问存储器时间 应该将数据的地址对齐，以取得较高的存取速度,视具体情况来确定,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,3. 段寄存器,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 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,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,演示,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,示例,段超越的示例,没有段超越的指令实例： MOV AX,2000H；AXDS: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,总结,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,各个逻辑段重叠,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,总结,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,2.5 外部设备,外部设备与主机（ CPU 和存储器）的通信是 通过外设接口（Interface）进行的，每个接口包括 一组寄存器。 数据寄存器：存放外设和主机间传送的数据 状态寄存器：保存外设或接口的状态信息 命令寄存器：保存CPU发给外设或接口的控制命令 外设中每个寄存器有一个端口（Port）地址，构成 一个独立于内存的 I / O 地址空间：0000H FFFFH,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,本章到此结束 谢谢！,逻辑段分配,8088的指令执行示例,