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第第2章章 微处理器微处理器v微处理器，又称中央处理单元（Central Processing Unit,CPU)是采用大规模（LSI）或超大规模集成电路（VLSI）技术制成的半导体芯片。它将控制单元，寄存器组，算术逻辑单元（ALU）及内部总线集成在芯片上，组成具有运算器和控制器功能的部件。2.1 8086微处理器的结构微处理器的结构v8086是Intel系列的第三代16位微处理器，采用了HMOS高密度工艺，每片集成4万多只晶体管，单一+5v电源，主频为5MHz/10MHz。它的内部和外部的数据总线宽度是16位，地址总线宽度20位，可寻址空间达220，即1MB。2.1.1 8086的功能结构的功能结构v 8086微处理器的内部功能结构（如图）由两个独立的工作部件执行部件EU（Execution Unit）和总线接口部件BIU（Bus Interface Unit）构成：1.执行部件EU：由运算器、寄存器组、控制器等组成，负责指令的执行 2.总线接口部件BIU：由指令队列、地址加法器、总线控制逻辑等组成，负责与系统总线打交道数数据据寄寄存存器器指针指针和变和变址寄址寄存器存器AH ALBH BLCH CLDH DL SPBPSIDIAXBXCXDX暂存寄存器暂存寄存器ALU标志寄存器标志寄存器FR EU控制器控制器ALU数据总线数据总线 （16位）位）指令队列缓冲器指令队列缓冲器1 2 3 4 5 6总线总线控制控制逻辑逻辑8086总线总线地址加法器地址加法器 CS DS SS ES IP内部暂存器内部暂存器AB(20位位)执行部件（执行部件（EU）总线接口部件（总线接口部件（BIU）DB(16位位)（8位）位）队列总线队列总线 8086CPU的内部功能结构框图1.执行部件执行部件EUv(1)EU的功能：A.从BIU的指令队列缓冲器中取出指令，由EU控制器的指令译码器译码产生相应的操作控制信号给各部件B.对操作数进行算术运算和逻辑运算，并将运算结果的状态特征保存到状态寄存器FR中C.EU不直接与CPU外部系统相连，当需要与主存储器或I/O设备交换数据时，EU向BIU发出命令，并提供给BIU16位有效地址及所需传送的数据v(2)执行部件EU的组成A.EU由算术逻辑单元ALUB.通用数据寄存器组(4个16位通用寄存器）AX、BX、CX、DXC.地址指针和变址寄存器(4个16位专用寄存器）SP、BP、SI、DID.标志寄存器(FR/PSW)E.数据暂存寄存器F.EU控制器组成v（3）EU的特点：A.通用数据寄存器AX，BX，CX，DX，既可以作16位寄存器使用，也可以分成高、低8位分别作两个8位寄存器使用。地址指针BP，SP和变址寄存器SI，DI都是16位寄存器。B.ALU的核心是16位二进制加法器C.16位状态标志寄存器（7位未用）存放操作后的状态特征和设置的控制标志。如下图所示：D.EU控制器是执行指令的控制电路，实现从队列中取指令、译码、产生控制信号等。D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 CFPFAFZFSFTFIFDFOFPSW 2.总线接口部件BIUv(1)BIU的功能的功能:1)BIU从主存取指令送到指令队列缓冲器2)CPU执行指令时，总线接口单元要配合EU从指定的主存单元或外设端口中取数据，将数据传送给EU或把EU的操作结果传送到指定的主存单元或外设端口中3)计算并形成访问存储器的20位物理地址v(3)BIU的组成:1)4个16位段寄存器 DS、ES、CS、SS2)16位指令指针寄存器（IP）3)20位物理地址加法器4)6字节指令队列及总线控制逻辑(3)BIU的特点：的特点：1)指令队列是由6个字节的寄存器组成（8088指令队列由4个字节组成），采用“先进先出”原则。(3)BIU的特点：的特点：v 2)地址加法器是用来产生20位存储器物理地址的。物理地址的计算公式为：物理地址(20位)=段基址(16位)16+偏移地址(16位)由寻址方式计算出的有效地址EA（Effective Address）3)8086分配20条引脚线分时传送20位地址，16位数据和4位状态信息。2.1.2 8086的寄存器结构的寄存器结构v8086CPU内部设有三组信息寄存器（通用数据寄存器组，地址指针和变址寄存器，段寄存器组）和一个标志寄存器及一个指令指针寄存器IP。1.通用数据寄存器通用数据寄存器vEU中设置了四个16位通用寄存器，它们分别是AX,BX,CX和DX。它们可以拆成两个独立的8位寄存器使用。通用寄存器可参与算术和逻辑运算，但它们还有各自特殊的用途。v它们的具体用法如图所示：寄存器寄存器一般用法一般用法 隐含用法隐含用法 AXAX 16 16位累加器位累加器（Accumulator)Accumulator)字乘时提供一个操作数并存放积的低字字乘时提供一个操作数并存放积的低字;字除时提供被除数的低字除时提供被除数的低字并存放商字并存放商ALALAXAX的低的低8 8位位字节乘时提供一个操作数并存放积的低字节；字节除时提供被字节乘时提供一个操作数并存放积的低字节；字节除时提供被除数的低字节并存放商；除数的低字节并存放商；BCDBCD码运算指令和码运算指令和XLATXLAT指令中作累指令中作累加器；字节加器；字节I/OI/O操作中存放操作中存放8 8位输入位输入/输出数据输出数据AHAHAXAX的高的高8 8位位字节乘时提供一个操作数并存放积的高字节；字节除时提供被字节乘时提供一个操作数并存放积的高字节；字节除时提供被除数的高字节并存放余数；除数的高字节并存放余数；LAHFLAHF指令中充当目的操作数指令中充当目的操作数BXBX基址基址(Base)(Base)寄存器寄存器,支持支持多种寻址多种寻址,常用作地常用作地址寄存器址寄存器XLATXLAT指令中提供被查表格中源操作数的间接地址指令中提供被查表格中源操作数的间接地址CXCX 16 16位计数器位计数器（CounterCounter）串操作时用作串长计数器；循环操作中用作循环次数计数器串操作时用作串长计数器；循环操作中用作循环次数计数器CLCL8 8位计数器位计数器移位或循环移位时用作移位次数计数器移位或循环移位时用作移位次数计数器DXDX1616位数据（位数据（DataData）寄存器）寄存器在间接寻址的在间接寻址的I/OI/O指令中提供端口地址；字乘时存放积的高字，指令中提供端口地址；字乘时存放积的高字，字除时提供被除数高字并存放余数字除时提供被除数高字并存放余数表表2-1 80862-1 8086中通用寄存器的一般用法和隐含用法中通用寄存器的一般用法和隐含用法2.指针及变址寄存器（4个16位寄存器）vEU中有两个地址指针寄存器和两个变址寄存器，它们分别为：SP（Stack Pointer），堆栈指针寄存器BP（Base Pointer），基址指针寄存器SI（Source Index），源变址寄存器DI（Destination Index），目的变址寄存器v它们的应用如图所示：寄存器寄存器一般用法一般用法隐含用法隐含用法SPSP堆栈指针（堆栈指针（Stack PointerStack Pointer），与），与SSSS配合指示堆栈栈顶的位置配合指示堆栈栈顶的位置压栈、出栈操作中指示栈顶压栈、出栈操作中指示栈顶BPBP基址指针（基址指针（Base PointerBase Pointer），它支），它支持间接寻址、基址寻址、基址加变持间接寻址、基址寻址、基址加变址等多种寻址手段。在子程序调用址等多种寻址手段。在子程序调用时，常用它来取压栈的参数时，常用它来取压栈的参数SISI源变址（源变址（Source IndexSource Index）寄存器。）寄存器。它支持间接寻址、变址寻址、基址它支持间接寻址、变址寻址、基址加变址寻址等多种寻址加变址寻址等多种寻址串操作时用作源变址寄存器，串操作时用作源变址寄存器，指示数据段（段默认）或其他指示数据段（段默认）或其他段（段超越）中源操作数的偏段（段超越）中源操作数的偏移地址移地址DIDI目的变址（目的变址（Destination IndexDestination Index）寄存器。它支持间接寻址、变址寻寄存器。它支持间接寻址、变址寻址、基址加变址寻址等多种寻址址、基址加变址寻址等多种寻址串操作时用作目的变址寄存器，串操作时用作目的变址寄存器，指示附加段（段默认）中目的指示附加段（段默认）中目的操作数的偏移地址操作数的偏移地址表表2-2 80862-2 8086中地址寄存器的一般用法和隐含用法中地址寄存器的一般用法和隐含用法v8086寄存器的特别说明：(1)8086的堆栈及堆栈操作有以下特点：双字节操作。即每次进、出栈的数据均为两字节。且高位字节对应高地址，低位字节对应低地址。无论是源操作数还是目的操作数，也无论是存储器操作数还是寄存器操作数，都必须按这个原则执行。堆栈向低地址方向生成。数据每次进栈时堆栈指针SP向低地址方向移动(减2)；反之，数据出栈时，SP向高地址方向移动(加2)(2)BP、BX都被称为基址指针，但两者用法不同。BP只能寻址堆栈段(段缺省)，不允许段跨越；BX可以寻址数据段(段缺省)，也可以寻址附加段(段跨越)。(3)由于大多数算术和逻辑运算中又可以使用BP、SP和变址寄存器，因而也将这4个寄存器归入通用寄存器组。使用中应该注意这4个寄存器只能用于16位的存取操作3.段寄存器段寄存器v8086CPU中有4个段寄存器，用于存放当前程序所用的各段的起始地址，也称为段的基地址。1.代码段寄存器CS（Code Segment）其内容左移4位再加上指令指针IP的内容，就形成下一条要执行的指令存放的实际物理地址。2.数据段寄存器DS（Data Segment）DS中的内容左移4位再加上按指令中存储器寻址方式计算出来的偏移地址，即为数据段指定的单元进行读写的地址。3.堆栈段寄存器SS（Stack Segment）堆栈是按“后进先出”原则组织的一个特别存储区。操作数的存放地址是由SS的内容左移4位再加上SP的内容而形成的。4.附加段寄存器ES（Extended Segment）附加段是在进行字符串操作时作为目的区地址使用的一个附加数据段。在字符串操作指令中SI作为源变址寄存器，DI作为目的变址寄存器，其内容都是偏移地址。SP，BP，SI，DI与段寄存器联用说明与段寄存器联用说明v（1）SP,BP与SS联用确定堆栈段中某一存储器单元的地址，SP用来表示栈顶的偏移地址，BP可作为堆栈区中的一个基地址以便访问堆栈中的其他信息。v（2）SI,DI与DS联用确定数据段中某一存储器单元的地址，SI和DI有自动增量和自动减量的功能。在串处理指令中，SI和DI作为隐含的源变址和目的变址寄存器，SI和DS联用，DI和ES联用，分别达到在数据段和附加段中寻址的目的。v（3）DF为1，SI、DI减量，由高地址向低地址处理；DF为0，SI、DI增量，由低地址向高地址处理4.指令指针寄存器和标志寄存器指令指针寄存器和标志寄存器v（1）指令指针寄存器IP指令指针寄存器IP是一个16位的表示地址指针的寄存器 v（2）标志寄存器FR（Flag Register）标志寄存器也称为程序状态字PSW（Program Status Word）寄存器，它是一个16位的标志寄存器，但仅使用其中的9位。其中CF,OF,AF,ZF,SF,PF为6个状态标志位；DF，IF和TF为3个控制标志位。如下图所示：D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0CFPFAFZFSFTFIFDFOFPSW 图图2-2 8086CPU标志寄存器标志寄存器 v状态信息由中央处理机根据计算机的结果自动设状态信息由中央处理机根据计算机的结果自动设置，置，6位状态位的意义说明如下：OF（OverFlag）溢出标志：溢出为1 8位带符号数范围+127-12816位带符号数范围+32767-32768SF（SignFlag）符号标志：负为1，取最高有效位ZF（ZeroFlag）零标志：是0为1CF(CarryFlag)进位标志：有进位为1AF(AuxiliaryFlag)辅助进位标志：第3位有进位置1(半字节）PF(ParityFlag)奇偶进位标志：结果中低8位1的个数为偶数置1。v控制信息由系统程序或用户程序根据需要用指令控制信息由系统程序或用户程序根据需要用指令设置，控制标志（设置，控制标志（3个）：个）：DF(Direction Flag)方向标志：方向标志：DF为为1，SI、DI减量，减量，由高地址由高地址 向低地址处理；向低地址处理；DF为为0，SI、DI增量，由低增量，由低地址向高地址处理地址向高地址处理IF(Interupt Flag)中断标志：中断标志：IF为为1时允许中断时允许中断TF(Trap Flag)陷阱标志（陷阱标志（又叫跟踪标志）：每执行一又叫跟踪标志）：每执行一条指令就引起一个内部中断。用于单步方式操作，条指令就引起一个内部中断。用于单步方式操作，TF为为1，指令执行完后产生陷阱，由系统控制计算机；，指令执行完后产生陷阱，由系统控制计算机；TF为为0，CPU不产生陷阱，正常工作不产生陷阱，正常工作.v在本书第三章中介绍的汇编程序调试软件DEBUG中提供了测试标志位的方法，标志位0或1是用两个字母来表示的。标志位OFDFIFSFZFAFPFCF1/0OV/NVDN/UPEI/DING/PLZR/NZAC/NAPE/POCY/NC4.指令指针寄存器和标志寄存器指令指针寄存器和标志寄存器例题例题v例1:MOV AX,2345Hv MOV BX,3219Hv ADD AX,BXv 指令执行后，(AX)=555EHvOF=0,CF=0,ZF=0,SF=0，AF=0，PF=0v例2:MOV AX,0FFFFHv MOV BX,1v ADD AX,BXv 指令执行后，(AX)=0v OF=0,CF=1,ZF=1,SF=0，AF=1，PF=1答案答案v1:0010 0011 0100 0101v 0011 0010 0001 1001v 0101 0101 0101 1110v指令执行后，(AX)=555EH vOF=1,CF=0,ZF=0,SF=0，AF=0，PF=05.存储器组织与分段存储器组织与分段v所谓存储器分段技术就是把1MB空间分成若干逻辑段，每个逻辑段的容量64KB。v段内地址是连续的，段与段之间是互相独立的。v逻辑段可以在整个存储空间浮动，即段的排列可以连续、分开、部分重叠或完全重叠，非常灵活。v这里所谓的重叠是指存储单元可以分属于不同的逻辑段。存储器的逻辑分段断开排列断开排列A段段B段段C段段D段段E段段40000H50000H60000H70000H连续排列连续排列部分重叠部分重叠完全重叠完全重叠 偏移地址偏移地址段基址段基址地址加法器地址加法器物理地址物理地址段寄存器段寄存器15150190图图2-82-8存储器物理地址的形成存储器物理地址的形成存储器物理地址的形成存储器物理地址的形成例题例题v例3:设（DS）=1200H（SI）=0345H 物理地址：12345Hv例4:设(CS)=4235H,(IP)=0A66H 物理地址：42DB6H6.I/O组织组织v8086系统和外部设备之间是通过I/O接口进行相互传输信息的。v每个I/O接口都有一个或几个I/O端口，一个端口往往对应于接口上一个寄存器或一组寄存器。v微机要为每个I/O端口分配一个地址，称端口地址。端口地址和存储单元地址一样，应具有惟一的地址编码。v微机I/O端口有两种编址方式（1）统一编址（2）独立编址 编址方式编址方式v统一编址这种编址方式是将I/O端口和存储单元统一编址，即把I/O端口置于存储器空间，也看作是存储单元。因此，存储器的各种寻址方式均可用来寻址I/O端口。在这种方式下I/O端口操作功能强，使用起来也很灵活，I/O接口与CPU的连接和存储器与CPU的连接相似。但是I/O端口占用了一定的存储空间，而且执行I/O操作时，因地址位数长，速度较慢。v独立编址这种编址方法是将I/O端口进行独立编址，I/O端口空间与存储器空间相互独立。这就需要设置专门的输入、输出指令对I/O端口进行操作。8086系统采用的就是这种独立的I/O编址方式。端口地址说明端口地址说明v8086使用使用A15A0这这16根地址线作为根地址线作为I/O端口地址线，可端口地址线，可访问端口最多可达访问端口最多可达64K个个8位端口或位端口或32K个个16位端口。位端口。v和存储器的字单元一样，对于奇地址的和存储器的字单元一样，对于奇地址的16位端口的访问，位端口的访问，要进行两次操作才能完成。要进行两次操作才能完成。v16位的位的I/O端口地址无需经过地址加法器产生，因而不端口地址无需经过地址加法器产生，因而不使用段寄存器。使用段寄存器。v从从AB总线上发出的端口地址仍为总线上发出的端口地址仍为20位，只不过最高四位，只不过最高四位位A19A16为为0。练习练习v1:MOV AX,6A3EHv MOV BX,26A7Hv ADD AX,BXv 指令执行后，(AX)=?,vOF=?,CF=？,ZF=？,SF=？，AF=？，PF=？v2：设(CS)=4500H,(IP)=2122H 求物理地址？答案答案v1:0110 1010 0011 1110v 0010 0110 1010 0111v 1001 0000 1110 0101v指令执行后，(AX)=90E5H vOF=1,CF=0,ZF=0,SF=1，AF=1，PF=0v2：设(CS)=4500H,(IP)=2122H 求物理地址？47122H2.3.3 Intel新技术新技术v1超线程技术超线程技术v2.Intel 64位技术位技术v3.Intel 多核技术多核技术1超线程技术v所所谓谓的的超超线线程程技技术术，就就是是在在一一个个IA-32CPU内内，两两个个或或多多个个逻逻辑辑处处理理器器通通过过共共享享物物理理处处理理器器上上的的几几乎乎所所有有执执行行资资源源并并各各自自维维持持一一套套完完整整的的结结构构状状态态，从从而而在在一一个个物物理理处处理理器器模拟出两个或更多的逻辑处理器。模拟出两个或更多的逻辑处理器。v这这样样，CPU就就可可以以并并行行的的执执行行两两个个分分离离的的代代码码流流，也也就就提提高高了了执执行行多多线线程程操操作作系系统统和和应应用用程程序序，以以及及多多任任务务环环境境下下执执行行单单线线程程程程序序的的性性能能。与与超超线线程程技技术术所所带带来来的的性性能能提提升升相相比比，它它几几乎乎不不用用增增加加额额外外的的成成本本，只只需需小小规规模模的的改改变变处处理器的设计。理器的设计。2.Intel 64位技术v（1）兼容模式允许大多数32位软件无须修改就能运行在64位操作系统中，然而运行在虚拟8086模式下或使用硬件任务管理中的传统应用程序将无法工作。兼容模式像传统的保护模式，应用程序只能存取线性地址空间中的第一个4GB。兼容模式必须使用16位和32位的地址和操作数。v（2）64位模式能让64位操作系统运行可存取64位地址空间的应用软件。可以访问64位线性地址空间。可以访问8个新的通用寄存器(R8R15)。可以访问为了流SIMD扩展而增加的寄存器(XMM8XMM15)。可以访问新增加到64位的通用寄存器(RAX,RBX,RCX,RDX,RSI,RDI,RBP,RSP)和一个64位的指令指针（RIP）。有统一的寄存器字节寻址。有快速中断优先级机制。有一种新的指令指针相对寻址方式。3.Intel 多核技术
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