第2章80x86计算机组织

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 80,x86,计算机组织,主要内容,2.1 80,x86,微处理器,2.2 基于微处理器的计算机系统,2.3 中央处理机,2.4 存储器,2.5 外部设备,2.1 80,x86,微处理器,一、80,x86,是美国,Intel,公司的微处理器系列,1969：4040芯片、4位,1973：8080芯片、8位,1978：8086芯片、,DB16,位，,AB20,位，,29000,个晶体管,1979：8088芯片、16位,1982：80286芯片、16位,1986：80386芯片、32位 ,Pentium,系列,二、一些名词术语(1),主频：,主时钟频率，影响运行计算机速度,数据总线：,负责各部分间的数据传送,数据总线宽度：芯片内传送数据的宽度,外部数据总线宽度：芯片内和芯片外交换数据的宽度,地址总线宽度：,用以确定可访问的存储器的最大范围,地址总线宽度,10位：2,10,=1024单元，1,K,20,位：2,20,=1024* 2,10,单元=1024,K，1M,24,位：2,24,=16*1,M，16M,30,位：2,30,=1024,M，1G,32,位：2,32,=4,G，,即4,GB,二、一些名词术语(2),存储器,主存、高速缓存、外存储器,指令执行时间,8086：400,ns； 80286：250ns； 80486：25ns；Pentium：25ns/2； Pentium Pro：25ns/3； Pentium II：,工作方式,（1）实模式（2）保护模式（3）虚拟模式,工作方式,（1）实模式：段寄存器保护实际的段地址，但只限于1,M,的寻址,（2）保护模式：有更大寻址能力，使用各种表格，段的实际地址放在描述符表中，使用段选择器,（3）虚拟模式：提供比主存更大的空间，程序可放在外存上，执行时调入，模拟多个,CPU,2.,2 基于微处理器的计算机系统,计算机系统,计算机系统包括硬件和软件两部分：,1硬件：,2软件：,2.2.1 硬件,计算机总体结构图：,IBM PC,微型计算机结构（续）,功能部件,存储器：计算机的记忆部件,中央处理机：包括运算器和控制器,运算器：执行算术和逻辑运算指令,控制器：负责全机的控制工作，如取指令、译码、分析、取数、执行、存数,I/O,系统：,I/O,设备、大容量存储器,系统总线：,数据线、地址线和控制线,三,组,2.2.2 软 件,计算机软件：系统软件、用户软件,系统软件：,用户软件：,操作系统：主要部分是常驻监督程序,I/O,驱动程序：对,I/O,设备进行控制或管理,计算机软件层次图,其它软件（1）,文件管理系统：,文本编辑程序：如,editor(edit,命令），,记事本、写字板,翻译程序：分编译程序、解释程序,汇编程序：,Asm,、,Masm,、,Tasm,ASM：,小汇编程序，它占有较小的存储区，功能较弱,MASM：,宏汇编程序，功能较强，具有宏汇编能力,Masm,for windows,集成实验环境,其它软件（2）,连接程序：程序、库文件或其他已翻译的子程序连接在一起，形成机器可执行程序,装入程序：把程序从外存送到内存,调试程序：,系统带的调试程序,Debug：,举例,Turbo Debug,程序：,Tdebug,Masm,for windows,集成实验环境,2.3 中央处理机,2.3.1 中央处理机,CPU,的组成,2.3.2 8086/8088的寄存器组,2.3.1 中央处理机,CPU,的组成,CPU,由三部分组成:,算术逻辑部件,ALU：,用来进行算术和逻辑运算。,控制逻辑,：负责对全机的控制工作，包括：取指、译指、取操作数，发执行指令、结果存入存储器、对总线和,I/O,传送的控制等。,寄存器：,相当于运算器中的一个存储单元,8086,CPU,结构,2.3.2 8086/8088的寄存器组,寄存器：,可见寄存器、不可见寄存器,可见寄存器,：,通用寄存器,专用寄存器,段寄存器,通用寄存器（1）,8086/8088、80286：,数据寄存器,：,AX，BX，CX，DX，16,位,可作8位寄存器用：,AH，AL，DH，DL,等,变址寄存器,：,SP，BP，SI，DI，16,位,寄存器概况,数据寄存器的用途,AX：,作累加器，算术运算主要寄存器；在,I/O,时用,AX,与外部设备传送信息,BX：,在计算存储器地址时，常作基址寄存器,CX：,作计数器,DX：,作双字长运算时把,DX,和,AX,组合存放一个双字长数；在,I/O,时，,DX,可用来存放,I/O,的端口地址,SP、BP、SI、DI,SP：,堆栈指针寄存器。,BP：,基址指针寄存器,SI：,源变址寄存器,DI：,目的变址寄存器,12,34,56,78,9A,BC,DE,F0,变址寄存器的用途,可象数据寄存器一样在运算过程中存放操作数；,在段内寻址时提供偏移地址,SP、BP,都可以,与,SS,寄存器联用来确定堆栈段中的某一存储单元的地址,SI、DI,一般,与,DS,联用：,在串处理指令中，,SI,和,DS,联用，,DI,和,ES,联用,8086系统的堆栈,是存储器中的特殊区域,在堆栈段内，“,FILO”,SP,始终指向栈顶，总是字操作，,指示栈顶的偏移地址；,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,栈底设在高地址区、堆栈地址由高向低增长（象一个有底的桶）,存放断点或暂存数据,关于,SP、BP,堆栈的操作,PUSH/POP,桶结构,SP,始终指向栈顶(有内容),地址由高向低增长,字操作,通用寄存器（2）,80386及后继机型：,数据寄存器：,EAX、EBX、ECX、EDX，32,位,可作8位寄存器用：,AH，AL，DH，DL,等,可作16位寄存器用,：,AX，BX，CX，DX,变址寄存器,：,ESP、EBP、ESI、EDI，32,位,每个的专用属性与8086/8088、80286的寄存器一一对应,专用寄存器（1）,8086/8088、80286：,IP、SP、FLAGS16,位,IP：,指令指针寄存器。,供系统使用，存放代码段中的偏移地址，与,CS,寄存器联用确定下一条指令的物理地址，指向下一条指令的首地址,FLAGS：,程序状态字寄存器,PSW。,放条件码标志、控制标志、系统标志,专用寄存器（2）,80386及后继机型：,EIP、ESP、EFLAGS32,位,与,IP、SP、FLAGS16,位的,作用相同,程序状态字寄存器,8086/8088、80286：,条件码标志：,OF、SF、ZF、CF、AF、PF,控制标志位：,DF,系统标志位：,TF、IF、IOPL,（80286）,NT,0F,DF,IF,TF,SF,ZF,AF,PF,CF,IOPL,条件码标志,OF：,溢出标志。,运算时如操作数超出机器表示范围称为溢出。此时,OF,位置1；否则置0。,SF：,符号标志。,记录运算结果的符号，结果为负时置1，否则置0。,ZF：,零标志。,运算结果为0，置1；否则置0。,CF：,进位标志。,记录从最高有效位产生的进位值。最高有效位有进位时置1，否则置0。,AF：,辅助进位标志。,记录运算时第3位产生的进位值。如第3位有进位时置1，否则置0。,PF：,奇偶标志。,当结果操作数中1的个数为偶数时置1，否则置0。,标志符号 举例,标志名,标志为1,标志为0,OF,溢出(是/否),DF,方向(减量/增量),IF,中断(允许/关闭),SF,符号(负/正),ZF,零(是/否),AF,辅助进位(是/否),PF,奇偶(偶/奇),CF,进位(是/否),OV,DN,EI,NG,ZR,AC,PE,CF,NV,UP,DI,PL,NZ,NA,PO,NC,练习,计算下列各表达式的值，并且根据计算结果分析,OF、SF、ZF、AF、PF,和,CF,各标志位的状态。, 58,H+63H, 80H+90H, FFH+FEH, 38H+2BH, 9CH-45H, FEH-FFH,OFSFZFAFPFCF,结果,58,H+63H 1 1 0 0 1 0BBH,80H+90H 1 0 0 0 0 110H,FFH+FEH 0 1 0 1 0 1FDH,38H+2BH 0 0 0 1 1 063H,9CH-45H 1 0 0 0 0 057H,FEH-FFH 0 1 0 1 1 1FFH,控制标志,位,控制标志位,：,DF,方向标志，用于串处理指令处理,DF,位为1时,，每次操作后使变址寄存器,SI,和,DI,减量，使串处理从高地址向低地址方向处理：,当,DF,位为0时,，则使,SI,和,DI,增量，使串处理从低地址向高地址方向处理：,系统标志位,IF：,中断标志。,当,IF=1,时，允许中断；,IF=0,时关闭中断,TF：,陷井标志（跟踪标志）。用于单步方式操作,IOPL：I/O,特权级。控制对,I/O,地址空间访问,段寄存器,8086/8088、80286：四个段寄存器,代码段,CS，,数据段,DS，,堆栈段,SS，,附加段,ES,80386,及后继机型：六,个段寄存器,代码段,CS，,数据,段,DS，,堆栈段,SS，,附加,段,ES、FS、GS-,都是16位,举例：,2.4 存储器,2.4.1 存储单元的地址和内容,2.4.2 实模式存储器寻址,2.4.3 保护模式存储器寻址,2.4.1 存储单元的地址和内容,位、字节和字,位：,计算机存储信息的基本单位，存储二进制数:0或1。,字节：,每8位组成一个字节，在存储器里以字节单位存储。,字长：,8086/8088、80286,字长为16位，由2个字节组成；,80386,字长为32位，由4个字节组成，双字,2. 存储器地址,存储器地址,分配给每一个字节单元的编号。地址从0开始编号，顺序地每次加1,每一个字节单元有唯一一个地址：物理地址,8086/8088：,20,位，地址范围应该是00000,HFFFFFH,80286：,24,位，地址范围应该是000000,HFFFFFFH,80386：,32,位；,Pentium：,36,位,3,存储单元的内容,存储单元的内容：,一个存储单元存放的信息,(0004) = 1234,H,字存放方式：,低位字节放低地址，高位字节放高地址，以其低地址为准,同一个地址既可看作,字节单元地址,，又可看作,字单元地址,双字数据存放：,类似,4,地址和内容,如果,用,X,表示某存储单元的地址，则,X,单元的内容可以表示为,(,X),假如,X,单元中存放着,Y，,而,Y,又是一个地址，则可用,(,Y)=(X),来表示,Y,单元的内容,举例：,(0004,H)=1234H，,而(1234,H)=2FlEH，,则也可记作 (0004,H)=2F1EH,5存储器的特性,它的内容取之不尽,存入新的信息后，原来保存的内容就自动丢失,2.4.2 实模式存储器寻址,存储器地址的分段,段寄存器,存储器地址的分段,实模式,下最大寻址能力,1,MB,8086/8088：,有20条地址线，直接寻址能力为,1,MB，,即为该机的最大存储容量,。,其他处理器：,实模式下最大寻址能力,1,MB,问题：,对16位字长的机器，用什么办法来提供20位地址，即,1,MB,空间？分段，,若干个不超过64,K,单元的段,。,实模式,为,8086/8088,而设计。,几个名词,段：,将存储器划分成段，每个段的大小可达64,K，,每段内地址可以用16位表示,小段：,从0地址开始，每16个字节为一小段：,00000，00001，00002，0000,E，0000F；,00010，00011，00012，0001E，0001F；,00020，00021，00022，0002E，0002F；, ,段地址：,指每一段的起始地址,第一列就是每个小段的首地址,在1,M,字节的地址空间里，共有64,K,个小段首地址：,0000,0,H,0001,0H,4123,0H,4124,0H,FFFE,0H,FFFF,0H,物理地址,存储单元的物理地址：,在1,M,字节的存储器里，每一个存储单元对应的一个唯一的20位地址,物理地址的构成：,20位物理地址由16位段地址和16位偏移地址组成,段地址：,它必须是小段的首地址，其低4位一定是0，这样就规定段地址只取段起始地址的高16位值。,偏移地址：,指段内相对于段起始地址的偏移值,物理地址的计算,公式：,物理地址=16,d,段地址+偏移地址,16位段基址,0000,16位偏移地址,20位物理地址,+,0000,2段寄存器,808680286：代码,段,CS、,数据段,DS、,堆栈,段,SS、,附加段,ES,寄存器,用途：确定一个段的起始地址，各有各的用途：,1）代码段存放当前正在运行的程序代码,2）数据段存放当前运行程序所用的数据,3）堆栈段定义了堆栈的所在区域。堆栈是一种数据结构，是特殊的存储区。特点：后进先出,4）附加段是附加的数据段，是一个辅助的数据区,举例：程序中代码段占8,K(2000H),存储区，数据段占有,2,K(800H),存储区，堆栈段只占有256个字节的存储区，分配图：,段,分配独立的情况,8086/8088、80286段寄存器与放偏移地址的寄存器的默认组合,段,偏 移,CS,SS,DS,ES,IP,SP、BP,BX、DI、SI,或16位数,DI,四个段寄存器,8086,CPU,同时可管理四个段,CS:,程序,DS:,数据,ES:,附加数据,SS:,堆栈,80386及后继机型段寄存器与放偏移地址的寄存器的默认组合,段,偏 移,CS,SS,DS,ES,FS,GS,EIP,ESP、EBP,EAX、EBX、ECX,等6个、或8位或32位数,EDI,无默认,无默认,2.4.3 保护模式存储器寻址,使用保护模式的原因：,8086/8088机型只有,1,M,地址空间,80286机型有16,M,地址空间；,实模式和保护模式，每个任务提供1,G（2,30,）,字节的虚拟存储器地址空间，把操作系统及各任务所分配到的地址空间隔离开，避免程序之间的相互干扰，保证系统在多任务环境下正常工作。,80386机型有4,G,地址空间；数据、地址均32位，,虚拟存储空间增加到64,T（2,46,）,字节,后继机型有更多地址空间；,要做多任务处理,使用虚拟存储器特性,逻辑地址,逻辑地址（实模式）：,（段地址：偏移地址）,在保护模式下，逻辑地址构成：,（选择器，偏移地址）,选择器,放段寄存器中，不直接表示段地址，通过转换求得段地址,偏移地址,为32位，最大段长可扩大至4,G（,与实模式的区别,）,描述符,描述符：,描述段的大小、段在存储器中的位置及控制和状态信息,描述符：,由,基地址、界限、访问权、附加字段,组成,基地址：段起始地址,界限：段长度,访问权：控制信息,附加字段：表示该段的一些属性,2.5 外部设备,输入、输出设备：必不可少,通信方式：外部设备与主机(,CPU,和存储器)的通信通过外设接口进行,每个接口包括一组寄存器，用途不同：,数据寄存器,状态寄存器,命令寄存器,端口地址,端口(,port),地址：,又称端口标志号,独立于内存储器的,I/O,地址空间,8086/8088,机：,I/O,地址空间可达64,K,端口地址的范围是,0000,FFFFH,，,端口可为8位或16位,80386及后继：,端口可32位，,I/O,地址空间不超过64,KB,端口操作常借助,DX,两种类型例行程序,BIOS,功能调用,DOS,功能调用,BIOS：,存放在,ROM,中，层次比,DOS,更低，更接近硬件,DOS,功能调用是,DOS,的一个组成部分,尽可能使用层次较高的,DOS,功能调用,