微机原理218088CPU内部结构寄存器组存储器组织

第二第二部分 8086/80888086/8088微处理器微处理器 一、8086/8088CPU的内部结构 二、8086/8088的内部寄存器 三、8086/8088的存储器组织 四、微处理器的指令系统 五、8086/8088的引脚及工作摸式 六、时序与总线周期 本部分学习微处理器的内部结构、指令系统、引脚及功能、操作时序和总线周期等。1控制总线控制总线数据总线数据总线地址总线地址总线内部数据总线内部数据总线暂存器暂存器累加器累加器ALU标志寄存器标志寄存器指指令令寄寄存存指指令令译译码码时序时序和和控制控制逻辑逻辑通通 用用寄存器组寄存器组地地 址址寄存器组寄存器组地址地址总线总线控制控制数据数据总线总线控制控制一、8086/8088CPU的内部结构1.算术逻辑单元（运算器）算术逻辑单元（运算器）2.寄存器组寄存器组3.指令处理单元（控制器）指令处理单元（控制器）8 8位位微处理器的内部结构2n16位位微微处处理理器器也也具具有有以以上上结结构构中中的的基基本本单单元元，但更为复杂。但更为复杂。n以以8088为例讲解为例讲解16位微处理器的功能结构。位微处理器的功能结构。n8088是是8086的简化版本。的简化版本。8088/8086的功能结构3 AH ALBH BL CL CH DH DLSPBPDISI通通 用用 寄寄 存存 器器 CSDSSSESI P 内部通信寄存器内部通信寄存器总线总线控制控制逻辑逻辑 1 234AXBXCXDX数据总线数据总线暂暂 存存 寄寄 存存 器器A L U标志寄存器标志寄存器外部总线外部总线指令队列指令队列16 位位执行执行控制控制电路电路执行单元执行单元地址加法器地址加法器20 位位16 位位 段段 寄寄 存存 器器指令指针指令指针（EU）总线接口单元总线接口单元 （BIU）4n8088的的编程结构编程结构从功能分成两个单元从功能分成两个单元n总总线线接接口口单单元元BIU(Bus Interface Unit)管管理理8088与与系系统统总线的接口，负责总线的接口，负责CPU对存储器和外设进行访问对存储器和外设进行访问n执执行行单单元元EU(Execution Unit)负负责责指指令令的的译译码码、执执行行和和数数据的运算据的运算n两个单元相互独立，分别完成各自操作两个单元相互独立，分别完成各自操作n两两个个单单元元可可以以并并行行执执行行，实实现现指指令令取取指指和和执执行行的的流流水水线线操作操作5并行操作的意义EU执执行行指指令令的的同同时时，BIU可可以以继继续续读读取取后后续续指指令令，并并存存入入指指令令队队列列（first in first out)。这这叫叫做做“指指令令预预取取”。8位位的的CPU没没有有指指令令预预取取功功能能，执执行行指指令令前前必必须须等等待待“取指取指”操作完成。操作完成。取指操作是取指操作是CPU最频繁的操作。最频繁的操作。这种操作方式节省了这种操作方式节省了CPU大量的取指等待时间。大量的取指等待时间。“指令流水线指令流水线”。6二、8088寄存器结构 8088共共有有8个个的的通通用用寄寄存存器器，1个个标标志志寄寄存存器器，4个段寄存器和个段寄存器和1个指令指针寄存器。个指令指针寄存器。1、通用寄存器、通用寄存器 数据寄存器数据寄存器 共共AX、BX、CX、DX四四个个，每每个个寄寄存存器器即即可可作作为为16位位寄寄存存器器，又又可可拆拆分分为为两两个个8位位寄寄存存器器，此此时时记记为为AH、AL、BH、BL等。等。AX(AH、AL)：累加器累加器accumulator BX(BH、BL)：基址寄存器基址寄存器base CX(CH、CL)：计数寄存器计数寄存器counter DX(DH、DL)：数据寄存器数据寄存器data 7 指针和变址寄存器指针和变址寄存器 共共BP、SP、SI、DI四个四个 BP：基基址址指指针针寄寄存存器器Base Pointer，默默认认表表示示堆栈段基地址；堆栈段基地址；SP：堆栈指针寄存器堆栈指针寄存器Stack Pointer，指示栈顶，指示栈顶 SI：源变址寄存器源变址寄存器Source IndexDI：目的变址寄存器目的变址寄存器Destination Index 8 标标志志寄寄存存器器（FR:Flag Register）是是一一个个十十六六位位的的寄寄存存器器，但但只只利利用用了了其其中中的的9位：位：六个六个条件标志条件标志和和三个三个控制标志控制标志。FRFR的格式的格式的格式的格式 CFCF PFPF AFAF ZFZF SFSF TFTFIFIFDFDFOFOF0 01 12 23 34 45 56 67 78 89 9101011111212131314141515校校校校验验验验进进进进位位位位 辅辅辅辅助助助助进进进进位位位位零零零零标标标标志志志志方方方方向向向向标标标标志志志志溢溢溢溢出出出出标标标标志志志志2、标志寄存器、标志寄存器（PSW：program state word）中中中中断断断断标标标标志志志志陷陷陷陷阱阱阱阱标标标标志志志志符符符符号号号号标标标标志志志志9进位标志CF（Carry Flag）n当当运运算算结结果果的的最最高高有有效效位位有有进进位位（加加法法）或或借借位位（减减法法）时时，进进位位标标志志置置1，即即CF=1；否则否则 CF=0。例如（以例如（以8位运算为例，位运算为例，8088中为中为16位）：位）：3AH+7CHB6H没有进位：没有进位：CF=0AAH+7CH（1）26H有进位：有进位：CF=110溢出标志OF（Overflow Flag）n若若算算术术运运算算的的结结果果有有溢溢出出，则则OF=1；否否则则 OF0。例如：例如：问题：问题：什么是溢出？什么是溢出？溢出和进位有什么区别？溢出和进位有什么区别？处理器怎么处理，程序员如何运用？处理器怎么处理，程序员如何运用？如何判断是否溢出？如何判断是否溢出？P30找答案11什么是溢出n处理器内部以补码表示处理器内部以补码表示有符号数有符号数n8位表达的整数范围是：位表达的整数范围是：127 128n16位表达的范围是：位表达的范围是：32767 32768n如果运算结果超出这个范围，就产生了溢出如果运算结果超出这个范围，就产生了溢出n有溢出，说明有符号数的运算结果不正确有溢出，说明有符号数的运算结果不正确12溢出和进位的对比例例1：3AH7CHB6H无符号数运算：无符号数运算：58124182范围内，无进位范围内，无进位有符号数运算：有符号数运算：58124182范围外，有溢出范围外，有溢出例例2：AAH7CH（1）26H无符号数运算：无符号数运算：170124294范围外，有进位范围外，有进位有符号数运算：有符号数运算：8612428范围内，无溢出范围内，无溢出13处处理理器器对对两两个个操操作作数数进进行行运运算算时时，按按照照无无符符号号数数求求得得结结果果，并并相相应应设设置置进进位位标标志志CF；同同时时，根根据据是是否否超超出出有有符符号号数数的的范范围围设设置置溢溢出出标志标志OF应应该该利利用用哪哪个个标标志志，则则由由程程序序员员来来决决定定。也也就就是是说说，如如果果将将参参加加运运算算的的操操作作数数认认为为是是无无符符号号数数，就就应应该该关关心心进进位位；认认为为是是有有符符号号数数，则要注意是否溢出。则要注意是否溢出。14全零标志ZF（Zero Flag）n若若运运算算结结果果为为全全0，则则ZF=1，否否则则ZF=0。例如：例如：3AH+7CHB6H结果不是零：结果不是零：ZF=086H+7CH00H结果是全零：结果是全零：ZF=115符号标志SF（Sign Flag）n运算结果最高位为运算结果最高位为1，则，则SF=1；否则否则SF=0。例如：例如：3AH+7CHB6H最高位最高位D71：SF=186H+7CH00H最高位最高位D70：SF=0 有符号数利用最高有效位（有符号数利用最高有效位（MSB）来表示它的来表示它的符号。所以，运算结果的符号。所以，运算结果的MSB与符号标志与符号标志SF相一相一致。致。（1）16奇偶标志PF（Parity Flag）n当当运运算算结结果果最最低低字字节节中中“1”的的个个数数为为零零或或偶偶数时，数时，PF=1；否则否则PF=0（奇校验奇校验）。）。例如：例如：3AH+7CHB6H10110110B，结果中有结果中有5个个1，是奇数，则是奇数，则 PF=0注注意意：PF标标志志仅仅反反映映最最低低8位位中中“1”的的个个数数是是偶或奇，即使是进行偶或奇，即使是进行16位字操作。位字操作。17辅助进位标志AF（Auxiliary Carry Flag）n运运算算时时D3位位（低低半半字字节节）有有进进位位或或借借位位时时，AF=1；否则否则AF=0。这这个个标标志志主主要要由由处处理理器器内内部部使使用用，用用于于十进制算术运算的调整，用户一般不必关心十进制算术运算的调整，用户一般不必关心。18方向标志DF（Direction Flag）n用于用于串操作指令串操作指令中，控制地址的变化方向：中，控制地址的变化方向：n设置设置DF0，串操作后存储器地址自动增量（增址）串操作后存储器地址自动增量（增址）；n设置设置DF1，串操作后存储器地址自动减量（减址）串操作后存储器地址自动减量（减址）。串：存储器中一序列字或字节单元串：存储器中一序列字或字节单元 串操作串操作对序列字或字节单元中的内容进行某种操作对序列字或字节单元中的内容进行某种操作，比如：将一个字符串从源区传送到目的区比如：将一个字符串从源区传送到目的区。MOVS串传送指令串传送指令 CMPS串比较指令串比较指令 SCAS串扫描指令串扫描指令 LODS装入串指令装入串指令 STOS存储串指存储串指令令 19中断允许标志IF（Interrupt-enable Flag）n用用于于控控制制外外部部可可屏屏蔽蔽中中断断是是否否可可以以被被处处理理器器响应：响应：n设置设置IF1，则则允许中断允许中断；n设置设置IF0，则则禁止中断禁止中断。nCLI 指令复位中断标志：指令复位中断标志：IF0nSTI 指令置位中断标志：指令置位中断标志：IF120陷阱标志TF（Trap Flag）n用于控制处理器是否进入用于控制处理器是否进入单步执行单步执行方式：方式：n设置设置TF0，处理器正常工作；处理器正常工作；n设设置置TF1，处处理理器器每每执执行行一一条条指指令令就就中中断断一一次次，中中断断编编号号为为 1（称称单单步步中中断断），TF 也也被被称称为为单单步标志步标志。n单步执行单步执行和和单步调试单步调试n利用单步中断可对程序进行逐条指令的调试。利用单步中断可对程序进行逐条指令的调试。n这种逐条指令调试程序的方法就是这种逐条指令调试程序的方法就是单步调试单步调试。21OF1115 12DF10IF9TF8SF7ZF65AF43PF21CF0控制控制反映结果状态反映结果状态反应运算过程反应运算过程223、段寄存器（段寄存器（CS、DS、SS、ES）在在8088可可寻寻址址的的1MB内内存存空空间间中中，可可以以存存在在四四种种分分工工不不同同的的逻逻辑辑段段：代代码码段段、数数据据段段、堆堆栈段栈段和和附加段附加段。段段寄寄存存器器即即是是存存放放各各个个逻逻辑辑段段段段首首地地址址的的寄寄存器。存器。?为什么要分段为什么要分段23存储器的分段管理n8088有有20条地址线，条地址线，n最大可寻址空间为最大可寻址空间为 2201MB，n可寻址的地址范围为可寻址的地址范围为 00000HFFFFFHn该地址称该地址称物理地址物理地址n硬硬件件用用20位位的的物物理理地地址址来来对对存存储储单单元元进进行行寻寻址址24存储器的分段管理n由由于于8088中中的的地地址址寄寄存存器器都都是是16位位的的，用用户户不不能能直直接接使使用用20位位的的物物理理地地址址，编编程程时时需需要要使用使用逻辑地址逻辑地址来寻址存储单元。来寻址存储单元。n逻辑地址逻辑地址由两个由两个16位数构成，其形式为：位数构成，其形式为：段的起始地址段的起始地址 ：段内的偏移地址段内的偏移地址（16位段地址）位段地址）：（16位偏移量）位偏移量）分隔符分隔符分隔符分隔符物理地址物理地址 14700H逻辑地址逻辑地址 1460H:100H25地址加法器地址加法器 将将16位位的的逻逻辑辑地地址址转转换换为为20位位的的物物理理地地址址，具具体体操操作作过过程程为为：先先将将段段寄寄存存器器提提供供的的16位位段段地地址址左左移移四四位位，低低位位补补0，恢恢复复为为20位位地地址址，然然后后与与由由各各种种寻寻址址方方式式提提供供的的16位位偏偏移移地地址址相相加加，即即得得到到20位的位的物理地址物理地址。逻辑地址26物理地址：物理地址：20 位位逻辑地址：逻辑地址：段基址段基址 （段寄存器的内容）（段寄存器的内容）16位位 偏移地址（字节距离）偏移地址（字节距离）16位位段段 基基 址址 16 位位偏偏 移移 地地 址址 16 位位物物 理理 地地 址址 20 位位00 0 0+逻辑地址27存储器的分段管理逻辑地址的表示逻辑地址的表示段地址：偏移地址段地址：偏移地址地址偏移量（地址偏移量（xxxxH）段首（段首（xxxx0H）低址低址段尾段尾某某逻逻辑辑段段某寻址单元某寻址单元28n段段地地址址说说明明逻逻辑辑段段在在存存储储器器中中的的起起始始位位置置，为为模模16地地址址：xxxx0H，省省略略低低4位位后后，可可用用1个个16位位数数来来表表示示，该该地地址址可可被被存存放放在在不不同的同的段寄存器段寄存器CS/SS/DS/ES中。中。n偏偏移移地地址址说说明明寻寻址址单单元元距距离离段段首首的的偏偏移移量量，因因每每段段长长度度不不超超过过64KB，所所以以偏偏移移地地址址也也可用可用1个个16位数来表示。位数来表示。存储器的分段管理29存储器的分段管理n一一个个存存储储单单元元可可以以拥拥有有多多个个逻逻辑辑地地址址，但但只只可能拥有一个唯一的可能拥有一个唯一的物理地址物理地址。逻辑地址逻辑地址 1460:1001460:100、1380:F001380:F00物理地址物理地址 14700H 14700H14700H 14700H30如何分配各个逻辑段n程序的指令序列必须安排在程序的指令序列必须安排在代码段代码段；n程序使用的堆栈一定在程序使用的堆栈一定在堆栈段堆栈段；n程程序序中中的的数数据据默默认认是是安安排排在在数数据据段段，也也经经常常安安排排在在附附加加段段，尤尤其其是是串串操操作作的的目目的的区区必必须须是是附加段附加段。n数数据据的的存存放放比比较较灵灵活活，实实际际上上可可以以存存放放在在任任何一种逻辑段中。何一种逻辑段中。程序中程序中如何指明数据所在的逻辑段如何指明数据所在的逻辑段呢？呢？31段跨越前缀指令n没有指明时，一般的数据访问在没有指明时，一般的数据访问在DS段；段；n若使用若使用BP访问存储器，则在访问存储器，则在SS段。段。n默默认认的的情情况况允允许许改改变变，需需要要使使用用段段跨跨越越前前缀缀指令，指令，8088指令系统中共有指令系统中共有4个：个：CS：代码段超越，使用代码段的数据代码段超越，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，使用附加段的数据附加段超越，使用附加段的数据32段超越的例子n没有段超越的指令实例：没有段超越的指令实例：MOV AX,2000H；AXDS:2000H，；从默认的从默认的DS数据段取出数据数据段取出数据n采用段超越前缀的指令实例：采用段超越前缀的指令实例：MOV AX,ES:2000H；AXES:2000H，；从指定的从指定的ES附加段取出数据附加段取出数据33IP（Instruction Pointer）中中存存放放即即将将要要执执行行的的指指令令的的有有效效地地址址，IP具具有有自自增增量量功功能能。在在每每取取出出一一条条指指令令后后，IP自自增增一一，指指令令指指针针指指向向下一条指令。下一条指令。4、指令指针寄存器（指令指针寄存器（IP）34总结一下：通用寄存器通用寄存器8AX/BX/CX/DX BP/SP DI/SI指令指针寄存器指令指针寄存器 1IP标志寄存器标志寄存器1PSW段寄存器段寄存器4 CS/SS/DS/ES掌握通用寄存器的作用掌握通用寄存器的作用熟悉熟悉PSW中各个标志的含义中各个标志的含义切实理解切实理解存储器组织存储器组织和和存储空间分段存储空间分段的概念的概念358088的寄存器组36堆栈的概念n堆栈堆栈（Stack）是主存中一个特殊的区域。是主存中一个特殊的区域。n它它采采用用先先先先进进进进后后后后出出出出FILOFILO（First In Last Out）或或后后进进先先出出LIFO（Last In First Out）的的原原则则进进行行存存取操作，而不是随机存取操作方式。取操作，而不是随机存取操作方式。n堆堆栈栈指指针针它它指指示示栈栈顶顶位位置置，在在8086/8086中中，栈顶由栈顶由SS和和SP共同指示，即共同指示，即SS:SP。n堆栈操作堆栈操作n处理器自动维持（子程序调用时的断点处理）处理器自动维持（子程序调用时的断点处理）n用户操作（用户操作（PUSH/POP指令）指令）37三、8088/8086的存储器结构n存存储储器器是是计计算算机机存存储储信信息息的的地地方方。掌掌握握数数据据存存储储格格式式，以以及及存存储储器器的的分分段段管管理理对对以以后的汇编程序设计非常重要后的汇编程序设计非常重要n你你能能区区别别寄寄存存器器、存存储储器器(主主存存)、外外存存(包包括硬盘、光盘、磁带等存储介质括硬盘、光盘、磁带等存储介质)吗？吗？38寄存器、内存储器和外存储器的区别n寄寄存存器器是是微微处处理理器器（CPU）内内部部暂暂存存数数据据的的存存储储单元，以名称表示，例如：单元，以名称表示，例如：AX，BX.等等n存存储储器器也也就就是是平平时时所所说说的的主主存存，也也叫叫内内存存，可可直直接与接与CPU进行数据交换。主存利用地址区别进行数据交换。主存利用地址区别n外外存存主主要要指指用用来来长长久久保保存存数数据据的的外外部部存存储储介介质质，常常见见的的有有硬硬盘盘、光光盘盘、磁磁带带、U盘盘等等。外外存存的的数数据据只能通过主存只能通过主存间接地与间接地与CPU交换数据交换数据n程程序序及及其其数数据据可可以以长长久久存存放放在在外外存存，在在运运行行需需要要时才进入主存时才进入主存392.5 8086/8088的存储器结构 数据的存储格式数据的存储格式n计算机中表示信息的单位有：计算机中表示信息的单位有：位（位（bit）、）、字节（字节（byte）、）、字（字（word）、）、双字（双字（double word）等等n在在存存储储器器中中，信信息息的的存存储储单单位位是是：字字节节；即即每个存储单元的内容是一个字节。每个存储单元的内容是一个字节。40信息的表示单位n最最 低低 有有 效效 位位 LSB（Least Significant Bit）：）：指数据的最低位，即指数据的最低位，即D0位；位；n最最 高高 有有 效效 位位 MSB（Most Significant Bit）：指指数数据据的的最最高高位位，对对应应字字节节、字字、双字分别指双字分别指D7、D15、D31位。位。41存储单元及其存储内容n每个存储单元都有一个编号每个存储单元都有一个编号存储器地址存储器地址例例如如：图图2.3（下下页页）中中，0002H单单元元存存放放有有一个数据一个数据34H，表示为，表示为 0002H34Hn如何存储一个字或双字呢？如何存储一个字或双字呢？小端方式小端方式42图2.3 8088的存储格式00000H00001H00002H00003H00004H00005H34H12H56H78H00006HD7 D0低地址低地址双字双字D0D31字字D0D15字节字节D0D7LSBMSB43n多字节数据在存储器中占据多字节数据在存储器中占据多个连续的存储单元多个连续的存储单元：n存放时，存放时，低字节低字节存于存于低地址低地址，高字节高字节存于存于高地址高地址；n多字节数据占据的地址空间用它的多字节数据占据的地址空间用它的低地址低地址来表示。来表示。n例如：例如：图图2.3中，中，2号号“字字”单元：单元：0002H =1234H 2号号“双字双字”单元：单元：0002H =78561234Hn80 x86处处理理器器的的“低低对对低低、高高对对高高”的的存存储储形形式式，被称为被称为“小端方式（小端方式（little endian）”。n相对应还存在相对应还存在“大端方式（大端方式（Big Endian）”。44地址对齐 同同一一个个存存储储器器地地址址可可以以表表示示：字字节节单单元元地地址址、字字单单元元地地址址、双双字字单单元元地地址址等等等等（视视指指令令的的具具体体情情况）。况）。将将字字单单元元安安排排在在偶偶地地址址（xxxx0 B），将将双双字字单单元元安安排排在在模模4地地址址（xxxx00 B）的的做做法法，被被称为称为“地址对齐地址对齐（Align）”。对对于于地地址址不不对对齐齐的的数数据据，处处理理器器访访问问时时，需需要要付付出出额额外外的的访访问问时时间间。要要取取得得较较高高的的存存取取速速度度，应应该将数据的地址对齐。该将数据的地址对齐。45段寄存器的使用规定（表2.1）存储器访问方式存储器访问方式存储器访问方式存储器访问方式默认段寄存器默认段寄存器默认段寄存器默认段寄存器 段超越段超越段超越段超越偏移地址偏移地址偏移地址偏移地址取指令取指令取指令取指令 CSCS 无无无无 IPIP堆栈操作堆栈操作堆栈操作堆栈操作 SSSS 无无无无 SPSP一般数据访问一般数据访问一般数据访问一般数据访问 DSDSCS/ES/SSCS/ES/SS有效地址有效地址有效地址有效地址EAEA下列特殊情况除外下列特殊情况除外下列特殊情况除外下列特殊情况除外串操作的源操作数串操作的源操作数串操作的源操作数串操作的源操作数 DSDSCS/ES/SSCS/ES/SS SI SI串操作的目的操作数串操作的目的操作数串操作的目的操作数串操作的目的操作数 ESES 无无无无 DIDIBPBP基址的寻址方式基址的寻址方式基址的寻址方式基址的寻址方式 SSSSCS/DS/ESCS/DS/ES有效地址有效地址有效地址有效地址EAEA46程序分段的图例（图2.4）n8088对逻辑段的要求是：对逻辑段的要求是：只只能能从从模模16地地址址开开始始一一个个段段，即即段段地地址址低低4位位均均为为0，为为xxxx0H形形式式；省省略略最最低低四四位位0，即即可可用用16位位的的段段寄寄存存器器存储。存储。每段最大不超过每段最大不超过64KB。n8088对对每每个个段段不不要要求求必必须须是是64KB，不不要要求求各各段段之之间间完完全全分开、即可以重叠。分开、即可以重叠。图图2.4a是各自独立段的分配示例是各自独立段的分配示例图图2.4b是相互重叠段的分配示例是相互重叠段的分配示例1MB空间最多能分成多少个段？空间最多能分成多少个段？1MB空间最少能分成多少个段？空间最少能分成多少个段？471MB空间的分段n1MB空间最多能分成多少个逻辑段？空间最多能分成多少个逻辑段？每每隔隔16个个存存储储单单元元就就可可以以开开始始一一个个段段，所所以以1MB最多可以有：最多可以有：2201621664K 个段个段n1MB空间最少能分成多少个逻辑段？空间最少能分成多少个逻辑段？每每隔隔64K个个存存储储单单元元开开始始一一个个段段，所所以以1MB最少可以有：最少可以有：22021616 个段个段48图2.4a 各个逻辑段独立的实例49图2.4b 各个逻辑段重叠的实例502.2节的总结n8088有有8个个8位位通通用用寄寄存存器器、8个个16位位通通用用寄存器寄存器n8088有有6个状态标志和个状态标志和3个控制标志个控制标志n8088将将1MB存存储储空空间间分分段段管管理理，有有4个个段段寄寄存器，对应存器，对应4种逻辑段种逻辑段n8088有有4个个段段超超越越前前缀缀指指令令，用用于于明明确确指指定定数据所在的逻辑段数据所在的逻辑段。51第2章：作业习题习题2（第（第57 页页）：）：2.1，2.3，2.4，2.5，2.65253