第2章2010修改

微型计算机原理与接口技术,第,2,章,80X86,微处理器,教材,:,微型计算机原理与接口技术,第,2,章,80X86,微处理器,1.,位和字节,位（,bit,）,是计算机所能表示的最小最基本的数据单位，它指的是取值只能为,0,或,1,的一个二进制数值位。位作为单位时记作,b,字节（,byte,）,由,8,个二进制位组成，通常用作计算存储容量的单位。字节作为单位时记作,B,K,是,kilo,的缩写，,1K=1024=2,10,；,M,是,mega,的缩写，,1M=1024K=2,20,；,G,是,Giga,的缩写，,1G=1024M=2,30,；,T,是,tera,的缩写，,1T=1024G=2,40,。,微型计算机的常用术语,10000101,2.,字长,字长是指微处理器能直接处理的二进制数的位数。字长越长，运算精度越高。微处理器的字长有,4,位、,8,位、,16,位、,32,位和,64,位等等。,微型计算机的常用术语,3.,寻址能力,指,CPU,能直接存取数据的内存地址的范围，它由,CPU,的地址总线的数目决定。,4.,主频,主频,是指微处理器的,时钟频率。,主频大小很大程度上决定了微机运算的速度。主频的单位是,MHz,、,GHz,。,微型计算机的常用术语,5.,运算速度,MIPS,MIPS,是,Millions of Instruction Per Second,的缩写，用来表示微处理器,每秒钟能执行多少百万条指令,。,6.,微处理器的集成度,指微处理器芯片上集成的晶体管的密度。,最早,Intel 4004,的集成度为,2250,个晶体管，,Pentium III,的集成度已经达到,750,万个晶体管以上，集成度提高了,3000,多倍。,型号,发布,年分,字长,(,位,),晶体管,(,万个,),数据总线宽度,外部总线宽度,主频,寻址空间,高速,缓存,8086,1978,16,2.9,16,16,4.77,1M,无,8088,1979,16,2.9,16,8,4.77,1M,无,286,1982,16,13.4,16,16,620,16M,无,386,1986,32,27.5,32,32,1233,4G,有,486,1989,32,120,32,32,25100,4G,8K,Pentium,1993,32,310,64,64,60166,4G,8K,Pentium Pro,1995,32,550,64,64,150,200,64G,8K,256K,Pentium 2,1997,32,750,64,64,233333,64G,32K,512K,Itanium,2000,64,2.2,亿,64,64,1G,以上,64G,6M,集成三级,Core 2,酷睿,2,2006,64,2.91,亿,64,64,3.60G,64G,6M,集成三级,80X86 CPU,介绍,2.1 32,位微处理器内部结构,预取缓冲存储器,指令译码,256,控制,ROM,控制部件,地址生成,(,U,流水线,),地址生成,(,V,流水线,),整数寄存器组,ALU,(U,流水线,),ALU,(V,流水线,),筒型移位器,8,KB,数据,Cache,浮点部件,控制,寄存器组,加法器,除法器,乘法器,80,80,8,KB,代码,Cache,分支目标,缓冲器,预取,地址,指令指针,转移校验,和,目标地址,分页,部件,32,32,32,32,32,32,总,线,部,件,64,64,位读总线,64,位,数据总线,32,位,地址总线,控制,TLB,TLB,32,位地址总线,基本结构寄存器：,486,内部寄存器分为,4,类,:,基本结构寄存器,浮点寄存器,系统级寄存器,调试测试寄存器,应用程序只能访问基本结构寄存器和浮点寄存器。,(,我们只介绍基本结构寄存器,),AH AX AL,BH BX BL,CH CX CL,DH DX DL,SP,BP,DI,SI,IP,FLAGS,CS,DS,ES,SS,FS,GS,32,位名称,EAX,EBX,ECX,EDX,ESP,EBP,EDI,ESI,8,位名称,16,位名称,EIP,EFLAGS,名称,累加器,基址变址,计数,数据,堆栈指针,基址指针,目的变址,源变址,指令指针,标志,代码,数据,附加,堆栈,数据,数据,32,位,16,位,注意：,286,以下有色区域不可用；,AX (,accumulater,)-,累加器,BX (Base)-,基址寄存器,CX (Count)-,计数器,DX (Data)-,数据寄存器,AH AX AL,BH BX BL,CH CX CL,DH DX DL,SP,BP,DI,SI,32,位名称,EAX,EBX,ECX,EDX,ESP,EBP,EDI,ESI,16,位名称,名称,累加器,基址变址,计数,数据,堆栈指针,基址指针,目的变址,源变址,8,位名称,1.,通用寄存器,AX,、,BX,、,CX,、,DX,共同特点,：,既可作为,16,位寄存器来用又可作为两个,8,位寄存器（高、低位）来用；,都是用于暂存操作数，或是运算的中间结果或其它一些信息。,指令操作码操作数,AH AX AL,BH BX BL,CH CX CL,DH DX DL,SP,BP,DI,SI,32,位名称,EAX,EBX,ECX,EDX,ESP,EBP,EDI,ESI,16,位名称,名称,累加器,基址变址,计数,数据,堆栈指针,基址指针,目的变址,源变址,8,位名称,AX,AX,AL,AH,AH,、,AL,是,AX,的高,/,低,8,位，,AX,又是,EAX,的低,16,位，设：,EAX=12345678H,则：,AX=5678H,，,AH=56H,，,AL=78H,反之，当,89H,AH,，,90H,AL,后,则：,AX=,8990,H,，,EAX=,12348990,H,IP,、,SP,、,BP,、,SI,、,DI,：为寻址存贮单元提供偏移地址。其中：,IP (Instruction Pointer)-,指令,指针,AH AX AL,BH BX BL,CH CX CL,DH DX DL,SP,BP,SI,DI,32,位名称,EAX,EBX,ECX,EDX,ESP,EBP,ESI,EDI,16,位名称,名称,累加器,基址变址,计数,数据,堆栈指针,基址指针,源变址,目的变址,8,位名称,IP,SP (Stack Pointer)-,堆栈,指针,BP (Base Pointer)-,基址,指针,SI (Source Index)-,源变址寄存器,DI (Destination Index)-,目的变址寄存器,EIP,CS,、,DS,、,ES,、,SS,-4,个,16,位的段寄存器，和偏移地址寄存器一起形成,20,位存储器物理地址，对存储器中存放的程序、数据、堆栈区域加以区别、寻址。,寻址程序,(,指令,),：,CS,IP,；,寻址数据：,(DS,或,ES),(SI,或,DI,、,BX,、,BP),；,寻址堆栈：,SS,(SP,或,BP),具体用法在寻址方式中介绍,CS,DS,ES,SS,FS,GS,代码,数据,附加,堆栈,数据,数据,2.,段寄存器,6,个,16,位的段寄存器用于指示代码和数据所用的地址空间；,除,CS,是用于指示指令代码的地址空间之外，其它段寄存器都用于指示数据的地址空间,当微处理器工作在实地址方式时，这些段寄存器提供的是,16,位的段基址,。,标志寄存器,FLAGS,又称为程序状态字,PSW,，实模式下使用,16,位寄存器，该寄存器主要有,两个作用,：,记录,CPU,运行结果状态标志；,提供控制标志。,FLAGS,EFLAGS,标志寄存器,3.,标志寄存器,OF,DF,IF,TF,SF,ZF,AF,PF,CF,FLAGS,定义如下：,0,15,7,8,0,15,31,根据功能，,8086,的标志可以分为两类：,状态标志：,用来反映算术或逻辑运算后结果的状态，以记录,CPU,的状态特征。有：,SF,（,符号标志）、,ZF,（零标志）、,PF,（奇偶标志）、,CF,（进位标志）、,AF,（辅助进位标志）和,OF,（溢出标志）,控制标志：,每个控制标志都对某一种特定的功能起控制作用。指令系统中有专门的指令用于控制标志的设置和清除。有,DF,（方向标志）、,IF,（中断允许标志）、,TF,（跟踪标志）。,一,.,32,位微处理器工作模式,1.,实模式的特点,加电、复位之后，,486,自动工作在实模式，系统在,DOS,管理下,在实模式下，,486,只能访问第一个,1M,内存,(00000H,FFFFFH),实地址模式,(,实模式,),保护虚拟地址模式,(,保护模式,),虚拟,86,模式,2.2,32,位微处理器的工作模式和地址空间,存储管理部件对存储器只进行分段管理，没有分页功能，每一逻辑段的最大容量为,64K,。,在实模式下，段寄存器中存放段基址,。,2.,保护模式的特点,:(,仅作了解）,486,工作在保护模式下，才能真正发挥它的设计能力。,在保护模式下，,486,支持多任务操作系统,在保护模式下，,486,可以访问,4G,物理存储空间,存储管理部件中，对存储器采用分段和分页管理,3.,虚拟,86,模式,（仅作了解）,:,虚拟,86,模式是保护模式下的一种特殊工作模式,可运行实模式程序。,在操作系统管理下,486,可以分时地运行多个实模式程序。,例如：,有,3,个任务,操作系统为每一个任务分配,1ms,每通过,1ms,就发生一次任务切换,从宏观上看系统是在执行多个任务。,1.,存储空间：,物理空间,(,物理存储器地址空间）：,程序的运行空间,即主存空间,2,32,=4G,物理,地址： 物,理,空,间,486,有,32,条地址线，内存最大容量,4G,。,这,4G,字节称为物理存储器，每一单元的地址称为,物理地址,，其地址范围：,0000,0000H,FFFF,FFFFH,为物理存储空间。,二,.,32,位微处理器的地址空间,虚拟空间,(,虚拟存储器地址空间,):,编程空间,虚拟存储器是一项硬件和软件结合的技术。,存储管理部件把主存,(,物理存储器,),和辅存,(,磁盘,),看作是一个整体，即虚拟存储器。允许编程空间为,2,46,=64T,，,程序员可在此地址范围内编程，程序可大大超过物理空间。该空间对应的地址称为,虚拟地址,或,逻辑地址,。运行时，操作系统从虚拟空间取一部分程序载入物理存储器运行。当程序运行需要调用的程序和要访问的数据不在物理存储器时，操作系统再把那一部分调入物理存储器,.,数据的交换极快，程序察觉不到。,线性地址,实模式：存储空间,仅分段，而不分页；,保护模式：存储空间先分段，再分页。,分页部件,线性空间：,当程序从虚拟空间调入物理空间时，要进行地址转换。,分段部件首先把虚拟地址,(,编程地址,),转换为,线性地址,如果不分页的话，线性地址就是物理地址；,如果分页的话，则由分页部件把线性地址转换为,物理地址。,虚拟地址,不分页,物理地址,分段部件,I/O,地址空间与存储空间不重叠,CPU,有一条控制线,M/IO,，,在硬件设计上用,M/IO=1,，,参与存储器寻址，用,M/IO=0,参与,I/O,寻址,。,从,PC/XT,Pentium,，,基于,Intel,微处理器的系统机，实际上只使用低,10,位地址线，寻址,2,10,=1024,个,I/O,端口。,2. I/O,空间,:,486,利用,低,16,位,地址线访问,I/O,端口，所以,I/O,端口最多有,2,16,=64K,，,I/O,地址空间为,0000H,FFFFH,。,注意：,I/O,地址空间不分段,三,.,实模式下,物理地址的形成（重要）,1.,存储器的分段管理,:,486,对存储器采用分段管理,一个单元的地址由两部分组成,写成,:,段基址,偏移地址,设某单元物理地址为,12345H,则,:,12345H= 1000H *2,4,+ 2345H,段基址 偏移地址,逻辑地址,在一个逻辑段中,各单元的,段基址,是相同的,偏移地址,是该单元相对于段首的地址偏移量,一个,逻辑段,10000H,12345H,实地址模式下只使用地址线的,低,20,位,，所以存储空间为,1M,字节,由于实地址模式下使用的内部寄存器都是,16,位，显然用单个寄存器是没办法给出内存单元的地址。,分段，每段,64KB,16,位段地址,16,位段内偏移量,16,位段地址,0000,20,位物理地址,地址加法器,段寄存器,偏移地址寄存器,左移,4,位,15 0,16,位段寄存器,0000,20,位物理地址,19 0,+,15 0,16,位偏移地址,实模式下,20,位物理地址的形成,一般情况下，,CS,、,DS,、,ES,、,SS,等各段在存储器中的分配由操作系统负责，每个段可以独立占用,64K,存储区，各段也允许重叠。如图所示为段分配方式之一,:,各段独立占用,64K,存储区,.,0150H,4200H,B000H,1CD0H,64K,代码,64K,堆栈,64K,数据,64K,附加数据,01500H,42000H,1CD00H,CS,B0000H,DS,ES,SS,存储器,段寄存器,实模式下,20,位物理地址的形成,逻辑地址需由程序员在编程时给出,段 基 址：指明由哪个段寄存器给出即可,偏移地址：由程序员在程序中给出具体值,操作系统将程序调入内存时才给段寄存器赋实际值。此时，计算出的,20,位地址才是实际的物理地址,注意： 物理地址与逻辑地址,逻辑地址,程序中编排的地址，由段基址和段内偏移地址组成；,物理地址,信息、数据在存储器中实际存放的地址。,物理地址是唯一的，不同的逻辑地址可得到相同的物理地址 如：,2000H,：,0200H 20200H,2010H,：,0100H 20200H,实模式下,20,位物理地址的形成,逻辑段 段基址存放在,偏移地址存放在,代码段,CS IP,堆栈段,SS SP,数据段,DS,根据不同的寻址方式,附加段,ES/FS/GS,选择,BX,、,SI,、,DI,2.,各逻辑段物理地址的形成,(,以,16,位寻址为例,):,在实模式下,段寄存器存放相应逻辑段的段基址,代码段,：,CS*2,4,+IP =,指令单元的物理地址,一条指令的一个字节取出后，,IP,自动加,1,，指向下一字节。,堆栈段：,SS*2,4,+SP =,栈顶单元的物理地址,数据段：,DS*2,4,+,偏移地址,=,数据单元的物理地址,实模式下,20,位物理地址的形成,3,段寄存器和指针寄存器的初值,CS,、,IP,的初值：由操作系统赋值,DS/ES/FS/GS,的初值：由程序员赋值。,SS,、,SP,的初值：,由程序员赋值,由操作系统自动赋值,BX/SI/DI/BP,的初值：由程序员赋值。,第,2,章 学习重点,1.,了解,X86,内部主要功能块的简单作用,2.,掌握基本结构寄存器中的通用寄存器、段寄存器、指针寄存器的结构、名称、汇编助记符,3.,掌握,32,位微处理器工作模式中的实模式的特点，了解保护模式的工作特点,4.,掌握实模式下存储器各个逻辑段的物理地址的形成方法，以及,CS,、,IP,，,SS,、,SP,，,DS,、,ES,各寄存器初值的赋值原则及特点,