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2003微型计算机No8：CPU技术内幕之基本计算概念篇,2003微型计算机No9：CPU逻辑结构简述,推荐文章,计算机体系结构=computerarchitecture(计算机系统结构),计算机体系结构是程序员所看到的系统的一些属性：概念性的结构和功能上的表现，这些属性既不同于数据流和控制的组织，也不同于逻辑设计和物理实现。,Amdahl,1964,计算机体系结构是连接硬件和软件的一门学科，它研究的内容不但涉及计算机硬件，也涉及计算机软件。,2.2IA-32微处理器的功能结构,计算机体系结构的含义,“系统结构”是指概念性结构和功能特性（功能模块），就相当于动物的器官组成及其功能特性，如鸡有胃，胃可以消化食物。至于鸡的胃是什么形状的、鸡的胃部由什么组成就不是“系统结构”研究的问题了，而是“系统组成”研究的问题。所谓“系统组成”就是在逻辑上如何实现这种功能（功能模块的组成器件），比如“上帝”给鸡设计了一个一定大小的胃，这个胃的功能是消化食物，那消化系统的逻辑实现，就是要通过鸡喙吃进食物和砂石,再通过胃的蠕动、依靠砂石的研磨来消化食物。而计算机物理实现，主要着眼于器件技术和微组装技术（器件的物理实现）。拿上面的例子来说，这个胃由哪些组织组成几条肌肉和神经来促使它运动就是鸡实现。,计算机体系结构（应用）、组成（设计）及物理实现（制造）,2.2.1Intel8086微处理器的功能结构,总线接口单元BIU由段寄存器（CS、DS、SS、ES）、指令指针寄存器(IP）、地址加法器、内部寄存器、指令队列缓冲器及I/O控制逻辑等部分组成。执行单元部件EU由通用寄存器组、专用寄存器组、算术逻辑运算单元（ALU）、标志寄存器（FR）和内部控制逻辑组成。,执行单元,每条指令的执行有取指、译码和执行。,早期计算机指令执行过程：,指令花费时间取指指令执行,8088CPU指令执行过程：,指令的重叠操作,指令花费时间指令执行,2.2.280386的功能结构,存储器组织拥有32位数据线和地址线，可以寻址4GB的物理地址；内部执行环境（寄存器组）首次将32位的寄存器组引入80 x86体系的微处理器中，32位的低半部分向下兼容；段寄存器仍为16位，段空间为4GB；操作模式实地址；保护模式；虚拟8086模式；,80386的主要特点,2.3IA-32结构微处理器的执行环境,220=1MB，地址由00000-FFFFF(H)编码若存放的信息是字节，则按顺序存放若存放的信息是字，则将字的低位字节存放在低地址，高位字节存放在高地址若存放的信息是双字，则将双字的低位字存放在低地址，高位字存放在高地址,2.3.2基本执行环境（1）存储器地址空间（8086）,（2）基本程序执行寄存器,实地址方式存储器组织,四个不同的段：代码段存放机器指令；数据段存放数据信息；堆栈段供堆栈使用；附加段通常用来存放附加数据；8086有四个16位段寄存器：cs代码段;ds数据段；ss堆栈段；es附加段。地址的标准写法为：“段：偏移量”。注意由于位移可以重叠，所以给出的“段：偏移量”不是唯一的。如下列地址均指向同一内存单元：0000：01230002：01030008：00A30010：00230012：0003,段可以位于内存中的任何位置，段的首地址必须能被16整除；若段寄存器存放的是10H，而偏移量是100H，下列步骤说明实际物理地址计算过程：段寄存器：0000000000010000（10H）左偏四位：0000000000010000偏移量：0000000100000000（100H）段加偏移量00000000001000000000（200H）,存储器物理地址的形成,逻辑地址是程序中使用的地址，它由段基址和段内偏移值所组成，段基址与段内偏移值都为16位的二进制数。物理地址也叫实际地址或绝对地址，是CPU访问存储器时实际使用的地址，为20位地址。,物理地址段基址16段内偏移地址。,【例】各独立段的分配情况示例。,设CS=B000H、DS=1CDEH、SS=4200H、ES=0150H,它们分别为代码段、数据段、堆栈段和附加段的段首址。自每个段首址开始，各段均占64KB的范围，各段之间互不重叠。,【例】各段相互重叠情况示例。,设CS=0200H、DS=0400H、SS=0480H，这样代码段、数据段和堆栈段的物理首地址分别为02000H、04000H和04800H。其中代码段占8KB地址空间，数据段占2KB，堆栈段占256B，SP=0100H。如图所示。,(1)指令指针寄存器EIP(2)段寄存器(3)通用寄存器(4)程序状态和控制寄存器,2.3.4基本程序执行寄存器,0,15,16,31,0,15,0,15,16,31,7,8,AL,BL,CL,DL,AX,BX,CX,DX,AH,BH,CH,DH,EAX,EBX,ECX,EDX,EIP,CS,DS,SS,ES,FS,GS,SP,BP,SI,DI,ESP,EBP,ESI,EDI,FLAGS,EFLAGS,EAX累加器寄存器：存放操作数和结果EBX基址寄存器：在DS段中的数据指针；存放操作数ECX计数寄存器：串和循环操作的计数器EDX数据寄存器：I/O指针,1.通用寄存器,基本寄存器：在程序执行时暂时保存中间结果；在进行算术运算和逻辑运算时，通用寄存器任何一个都可以作为源操作数或目的操作数。,指针和变址寄存器,ESI串操作的源指针EDI串操作的目标指针ESP堆栈指针EBP堆栈上数据指针,通用寄存器的特殊用途和隐含性质,6个段寄存器,保存16位段基址:CS代码段SS堆栈段DS数据段ES附加段FS数据段FGS数据段G,2.段寄存器和存储器分段,指向数据段,3、EFLAGS寄存器,(1)状态标志位,CF：进位标志位，当执行一个加法运算指令使最高位产生进位时，或者执行一个减法运算指令使最高位引起借位，则CF=1；否则CF=0。PF：奇偶标志位，若运算结果的低8位中所含1的个数为偶数，则PF=1；否则PF=0。AF：辅助进位标志位。当加法运算时，如果第三位往第四位有进位，或者当减法运算时，第三位从第四位有借位，则AF=1；否则AF=0。ZF：零标志位，当运算结果为0时，ZF=1；否则ZF=0。SF：符号标志位，当运算结果的最高位为1时，SF=1；OF：溢出标志位，在算术运算中，带符号数的运算结果超出了8位（+127-128）或者16位（+32767-32768）数据所能表达的范围时，则OF=1。IF：中断允许标志位。若IF=1，则CPU可以响应可屏蔽中断请求；,AF和OF的区别,O=CCS0,C1,(2)DF标志,DF：方向标志位，控制串操作指令的标志。若DF=0则执行串操作指令后，变址寄存器自动增量。,（3）系统标志和IOPL字段,1、中断允许标志I,2、追踪标志T,3、IOPL特权级字段,条件转移指令,JCXZ（CX=0转）,1、根据单个标志位的转移指令,说明：指令中的字母N表示not，如果不带N说明标志为0转移，如果带N说明标志为1转移。,4、指令指针,8086CPU中的指令指针IP，它总是保存下一次将要从主存中取出指令的偏移地址，偏移地址的值为该指令到所在段段首址的字节距离。在目标程序运行时，IP的内容由微处理器硬件自动设置，程序不能直接访问IP，但一些指令却可改变IP的值，如转移指令、子程序调用指令（JMP、CALL、RET、IRET）等。,8个通用寄存器:AX,BX,CX,DX,SP,BP,SI,DI4个段寄存器:DS,CS,SS,ES1个指令指针寄存器:IP1个标志寄存器材:FR,FR的格式,CF,PF,AF,ZF,SF,TF,IF,DF,OF,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,较验,进位,辅助进位,零标志,符号标志,跟踪标志,中断标志,方向标志,溢出标志,2.48086的寄存器,
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