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第2章,第2章：2.1微处理器的内部结构,从应用角度（不是从内部工作原理）展开典型8位微处理器的基本结构8088/8086的功能结构8088/8086的寄存器结构8088/8086的存储器结构为学习指令系统打好基础,例如：关心用户“可编程”寄存器，不关心无法操纵的“透明”寄存器,第2章:2.1.1一般微处理器的基本结构,1.算术逻辑单元（运算器）2.寄存器组3.指令处理单元（控制器）,微处理器的一般结构,运算器算术逻辑运算，由加法器和(ALU)一些辅助逻辑电路组成指令流控制控制器时序控制，产生节拍定时信号指令译码和操作控制寄存器组存放临时数据、运算的中间结果、运算特征、操作数地址,性能：8位16位32位(主流)64位(趋势),主要部件,指令流水线,取指令,指令译码,取操作数,执行指令,存放结果,CPU执行一条指令的过程类似于工厂生产流水线，被分解为多个小的步骤，称为指令流水线。,原料,调度分配,生产线,成品,仓库,出厂,数据和程序指令,控制器的调度分配,ALU等功能部件,处理后的数据,存储器,输出,指令流水线有两种运作方式：串行方式：取指令和执行指令在不同的时刻按顺序执行。并行方式：取指令和执行指令可同时执行，需要有能并行工作的硬件的支持。,串行工作方式,8086以前的CPU采用串行工作方式,取指令1,执行1,取指令2,执行2,CPU,BUS,忙碌,忙碌,取指令3,执行3,忙碌,空闲,空闲,空闲,t1,t0,t2,t3,t4,t5,6个周期执行了3条指令,并行工作方式,8086CPU采用并行工作方式,取指令1,取指令2,取指令3,取指令4,执行1,执行2,执行3,BUS,执行4,CPU,t1,t0,t2,t3,t4,t5,取指令5,执行5,6个周期执行了5条指令,第2章:2.1.28088/8086的功能结构,8088的内部结构从功能上分成两个单元1.总线接口单元BIU管理8088与系统总线的接口负责CPU对存储器和外设进行访问2.执行单元EU负责指令的译码、执行和数据的运算两个单元相互独立，分别完成各自操作，还可以并行执行，实现指令预取（指令读取和执行的流水线操作）,执行单元,功能：执行指令，具体操作如下,从指令中取指令代码译码完成指定的操作结果保存到目的操作数运算特征保存在标志寄存器FLAGS（仅对影响标志的指令）,总线接口单元,功能：从内存中取指令到指令队列；负责与内存或I/O接口之间的数据传送；在执行转移指令时，BIU将清除指令队列，然后从转移的目的地址处开始取指令并重新填充指令队列。,8086结构特点小结,有EU和BIU两个独立的、同时运行的部件二者通过IPQ构成一个两工位流水线指令被EU和BIU按流水线方式处理：提高了CPU的运行速度；提高了CPU的执行效率；降低了对存储器存取速度的要求。,第2章：2.1.38088/8086的寄存器结构,8088/8086的寄存器组有8个通用寄存器4个段寄存器1个标志寄存器1个指令指针寄存器他们均为16位!,图示,汇编语言程序员看到的处理器，就是寄存器所以，一定要熟悉这些寄存器的名称和作用,第2章：1.通用寄存器,8088有8个通用的16位寄存器（1）数据寄存器:AXBXCXDX（2）变址寄存器:SIDI（3）指针寄存器:BPSP4个数据寄存器还可以分成高8位和低8位两个独立的寄存器，这样又形成8个通用的8位寄存器AX：AHALBX：BHBLCX：CHCLDX：DHDL,第2章：（1）数据寄存器,AX称为累加器（Accumulator）使用频度最高。用于算术、逻辑运算以及与外设传送信息等BX称为基址寄存器（BaseaddressRegister）常用做存放存储器地址CX称为计数器（Counter）作为循环和串操作等指令中的隐含计数器DX称为数据寄存器（Dataregister）常用来存放双字长数据的高16位，或存放外设端口地址,第2章：（1）数据寄存器,AX称为累加器（Accumulator）使用频度最高。用于算术、逻辑运算以及与外设传送信息等BX称为基址寄存器（BaseaddressRegister）常用做存放存储器地址CX称为计数器（Counter）作为循环和串操作等指令中的隐含计数器DX称为数据寄存器（Dataregister）常用来存放双字长数据的高16位，或存放外设端口地址,第2章：（2）变址寄存器,16位变址寄存器SI和DI常用于存储器变址寻址方式时提供地址SI是源地址寄存器（SourceIndex）DI是目的地址寄存器（DestinationIndex）在串操作类指令中，SI、DI还有较特殊的用法,现在不必完全理解，以后会详细展开,第2章：（3）指针寄存器,指针寄存器用于寻址内存堆栈内的数据SP为堆栈指针寄存器（StackPointer）,指示堆栈段栈顶的位置（偏移地址）BP为基址指针寄存器（BasePointer），表示数据在堆栈段中的基地址SP和BP寄存器与SS段寄存器联合使用以确定堆栈段中的存储单元地址,堆栈（Stack）是主存中一个特殊的区域，采用“先进后出”或“后进先出”存取操作方式、而不是随机存取方式。用8088/8086形成的微机系统中，堆栈区域被称为堆栈段,第2章：2.指令指针寄存器,IP（InstructionPointer）为指令指针寄存器，指示主存储器指令的位置随着指令的执行，IP将自动修改以指示下一条指令所在的存储器位置IP寄存器是一个专用寄存器IP寄存器与CS段寄存器联合使用以确定下一条指令的存储单元地址,第2章：3.标志寄存器,标志（Flag）用于反映指令执行结果或控制指令执行形式8088处理器的各种标志形成了一个16位的标志寄存器FLAGS（程序状态字PSW寄存器）,程序设计需要利用标志的状态,第2章：标志寄存器-分类,状态标志用来记录程序运行结果的状态信息，许多指令的执行都将相应地设置它CFZFSFPFOFAF控制标志可由程序根据需要用指令设置，用于控制处理器执行指令的方式DFIFTF,标志寄存器FLAGS,第2章：进位标志CF（CarryFlag）,当运算结果的最高有效位有进位（加法）或借位（减法）时，进位标志置1，即CF1；否则CF0,3AH+7CHB6H，没有进位：CF=0AAH+7CH（1）26H，有进位：CF=1,第2章：零标志ZF（ZeroFlag）,若运算结果为0，则ZF1；否则ZF0,3AH7CHB6H，结果不是零：ZF084H7CH（1）00H，结果是零：ZF1,注意：ZF为1表示的结果是0,第2章：符号标志SF（SignFlag）,运算结果最高位为1，则SF1；否则SF0,3AH7CHB6H，最高位D71：SF184H7CH（1）00H，最高位D70：SF0,有符号数据用最高有效位表示数据的符号所以，最高有效位就是符号标志的状态,第2章：奇偶标志PF（ParityFlag）,当运算结果最低字节中“1”的个数为零或偶数时，PF1；否则PF0,3AH7CHB6H10110110B结果中有5个“1”，是奇数：PF0,PF标志仅反映最低8位中“1”的个数是偶或奇，即使是进行16位字操作,第2章：溢出标志OF（OverflowFlag）,若算术运算的结果有溢出，则OF1；否则OF0,3AH+7CHB6H，产生溢出：OF1AAH+7CH（1）26H，没有溢出：OF0,？,第2章：什么是溢出,处理器内部以补码表示有符号数8位表达的整数范围是：12712816位表达的范围是：3276732768如果运算结果超出这个范围，就产生了溢出有溢出，说明有符号数的运算结果不正确,3AH7CHB6H，就是58124182，已经超出128127范围，产生溢出，故OF1；补码B6H表达真值是74，显然运算结果也不正确,B6H10110110B，最高位为1，作为有符号数是负数对B6H求反加1等于：01001001B101001010B4AH74所以，B6H表达有符号数的真值为74,第2章：溢出和进位的区别,溢出标志OF和进位标志CF是两个意义不同的标志进位标志表示无符号数运算结果是否超出范围，运算结果仍然正确溢出标志表示有符号数运算结果是否超出范围，运算结果已经不正确,？,第2章：溢出和进位的对比,例1：3AH7CHB6H无符号数运算：58124182范围内，无进位有符号数运算：58124182范围外，有溢出,例2：AAH7CH（1）26H无符号数运算：170124294范围外，有进位有符号数运算：8612428范围内，无溢出,n=8bit带符号数(-128127)无符号数(0255),溢出的判断,判断运算结果是否溢出有一个简单的规则：只有当两个相同符号数相加（包括不同符号数相减），而运算结果的符号与原数据符号相反时，产生溢出；因为，此时的运算结果显然不正确,例1：3AH7CHB6H溢出例2：AAH7CH无溢出例3：3AH7CH无溢出例4：AAH7CH2DH溢出,溢出判别(overflow),两个正数的和为负数,两个负数的和为正数,第2章：溢出和进位的应用场合,处理器对两个操作数进行运算时，按照无符号数求得结果，并相应设置进位标志CF；同时，根据是否超出有符号数的范围设置溢出标志OF应该利用哪个标志，则由程序员来决定。也就是说，如果将参加运算的操作数认为是无符号数，就应该关心进位；认为是有符号数，则要注意是否溢出,第2章：辅助进位标志AF（AuxiliaryCarryFlag）,3AH7CHB6H，D3有进位：AF1,运算时D3位（低半字节）有进位或借位时，AF1；否则AF0,这个标志主要由处理器内部使用，用于十进制算术运算调整指令中，用户一般不必关心,第2章：方向标志DF（DirectionFlag）,用于串操作指令中，控制地址的变化方向：设置DF0，存储器地址自动增加；设置DF1，存储器地址自动减少,CLD指令复位方向标志：DF0STD指令置位方向标志：DF1,第2章：中断允许标志IF（Interrupt-enableFlag）,控制可屏蔽中断是否可以被处理器响应：设置IF1，则允许中断；设置IF0，则禁止中断,CLI指令复位中断标志：IF0STI指令置位中断标志：IF1,第2章：陷阱标志TF（TrapFlag）,用于控制处理器进入单步操作方式：设置TF0，处理器正常工作；设置TF1，处理器单步执行指令,单步执行指令处理器在每条指令执行结束时，便产生一个编号为1的内部中断这种内部中断称为单步中断所以TF也称为单步标志利用单步中断可对程序进行逐条指令的调试这种逐条指令调试程序的方法就是单步调试,第2章：2.38088/8086的存储器结构,存储器是计算机存储信息的地方。掌握数据存储格式，以及存储器的分段管理对以后的汇编程序设计非常重要你能区别寄存器、存储器(主存)、外存(包括硬盘、光盘、磁带等存储介质)吗？,答案,第2章：补充概念1：寄存器、存储器和外存的区别,寄存器是微处理器（CPU）内部暂存数据的存储单元，以名称表示，例如：AX，BX.等存储器也就是平时所说的主存，也叫内存，可直接与CPU进行数据交换。主存利用地址区别外存主要指用来长久保存数据的外部存储介质，常见的有硬盘、光盘、磁带、U盘等。外存的数据只能通过主存间接地与CPU交换数据程序及其数据可以长久存放在外存，在运行需要时才进入主存,第2章：补充概念2：数据的存储格式,计算机中信息的单位二进制位Bit：存储一位二进制数：0或1字节Byte：8个二进制位，D7D0字Word：16位，2个字节，D15D0双字DWord：32位，4个字节，D31D0最低有效位LSB：数据的最低位，D0位最高有效位MSB：数据的最高位，对应字节、字、双字分别指D7、D15、D31位,图示,第2章：补充概念3：存储单元及其存储内容,每个存储单元都有一个编号；被称为存储器地址每个存储单元存放一个字节的内容,图示,0002H单元存放有一个数据34H表达为0002H34H,76543210,100111110000H(0000H)=9FH,001001100001H(0001H)=26H,000111100002H(0002H)=1EH,110101110003H(0003H)=0D7H,存储器,1514131211109876543210,字,高位字节低位字节,10011111,00100110,(0000H)=269FH,第2章：补充概念4：多字节数据存放方式,多字节数据在存储器中占连续的多个存储单元：存放时，低字节存入低地址，高字节存入高地址；表达时，用它的低地址表示多字节数据占据的地址空间。,图2-5中0002H“字”单元的内容为：0002H=1234H0002H号“双字”单元的内容为：0002H=78561234H,80 x86处理器采用“低对低、高对高”的存储形式,图示,第2章：补充概念5：数据的地址对齐,同一个存储器地址可以是字节单元地址、字单元地址等等（视具体情况来确定）字单元安排在偶地址（xxx0B）被称为“地址对齐（Align）”对于不对齐地址的数据，处理器访问时，需要额外的访问存储器时间应该将数据的地址对齐，以取得较高的存取速度,第2章：2.3.1存储器的分段管理,8088CPU有20条地址线最大可寻址空间为2201MB物理地址范围从00000HFFFFFH一个存储单元除具有一个唯一的物理地址问题？哪个寄存器能够放得下20位的地址？用分段的方法解决。,8088CPU将1MB空间分成许多逻辑段（Segment）每个段最大长度限制为64KB段首地址的最低4位一定为0000B=0H，段起始于存储器内16字节整倍数的边界处。段是存储器中的一块区域用段和偏移的组合访问存储单元每个段最大为64KB，最小为16B（为什么？）所有存储单元的地址都由段地址加偏移地址组成段地址被装入段寄存器中以供寻址使用偏移地址用于在64KB存储器段内选择任一单元,1MB空间的分段,每个段最大为64KB，最小为16B，1MB空间最多能分成多少个段？每隔16个存储单元就可以开始一个段所以1MB最多可以有：2201621664K个段1MB空间最少能分成多少个段？每隔64K个存储单元开始一个段所以1MB最少可以有：22021616个段,第2章：物理地址和逻辑地址,8088CPU存储系统中，对应每个物理存储单元都有一个唯一的20位编号，就是物理地址，从00000HFFFFFH，存储单元的硬件地址分段后在用户编程时，采用逻辑地址，就是段和偏移形式的地址：段基地址:段内偏移地址,分隔符,物理地址14700H逻辑地址1460H:100H,段和偏移,设段起始地址=60000H段地址偏移地址0FFFFH,6A000H,12H,60000H,6000,段寄存器,偏移地址A000H,逻辑地址用于汇编语言程序设计以下地址是逻辑地址的例子：2500H:0100H其中：段地址2500H偏移地址0100H段地址说明逻辑段在主存中的起始位置，偏移地址说明主存单元距离段起始位置的偏移量,第2章：物理地址和逻辑地址的转换,将逻辑地址中的段地址左移4位，加上偏移地址就得到20位物理地址物理地址=段地址16(或段地址左移4位)+偏移地址一个物理地址可以有多个逻辑地址,逻辑地址1460H:100H、1380H:0F00H物理地址14700H14700H,第2章：段寄存器,8088有4个16位段寄存器CS（代码段）指明代码段的起始地址SS（堆栈段）指明堆栈段的起始地址DS（数据段）指明数据段的起始地址ES（附加段）指明附加段的起始地址每个段寄存器用来确定一个逻辑段的起始地址，每种逻辑段均有各自的用途,默认段和偏移寄存器,8086规定了访问存储器段的规则：此规则定义了段地址寄存器和偏移地址寄存器的组合方式，其默认规则如下表：,第2章：代码段寄存器CS（CodeSegment）,代码段用来存放程序的指令序列代码段寄存器CS存放代码段的段地址指令指针寄存器IP指示下条指令的偏移地址处理器利用CS:IP取得下一条要执行的指令,第2章：数据段寄存器DS（DataSegment）,数据段存放运行程序所用的数据数据段寄存器DS存放数据段的段地址各种主存寻址方式（有效地址EA）得到存储器中操作数的偏移地址处理器利用DS:EA存取数据段中的数据,第2章：附加段寄存器ES（ExtraSegment）,附加段是附加的数据段，也保存数据：附加段寄存器ES存放附加段的段地址各种主存寻址方式（有效地址EA）得到存储器中操作数的偏移地址处理器利用ES:EA存取附加段中的数据串操作指令将附加段作为其目的操作数的存放区域,第2章：堆栈段寄存器SS（StackSegment）,堆栈段确定堆栈所在的主存区域堆栈段寄存器SS存放堆栈段的段地址堆栈指针寄存器SP指示堆栈栈顶的偏移地址处理器利用SS:SP操作堆栈顶的数据,第2章：如何分配各个逻辑段,程序的指令序列必须安排在代码段程序使用的堆栈一定在堆栈段程序中的数据默认是安排在数据段，也经常安排在附加段，尤其是串操作的目的区必须是附加段数据的存放比较灵活，实际上可以存放在任何一种逻辑段中,演示,例1已知CS=1055H，DS=250AHES=2EF0H，SS=8FF0H数据段中某操作数的偏移地址=0204H各段首地址=?画出各段在内存中的分布该操作数的物理地址=?这个例子说明：段与段可以不连续段之间可以重叠,10550H,250A0H,2EF00H,8FF00H,DS段,ES段,SS段,CS段,例2：,设当前执行的程序中某条指令的物理地址为5A1F6H，则程序所在的段的段地址=？当前CS的内容为多少？解：（有多个解，求出任意一个即可）5A1F6H=5A10H10H+00F6H所以，段地址=5A10H，CS的内容为5A10H想一想，还有哪些解？,思考题：设当前数据段位于存储器的A8000H到B7FFFH的地址空间，问DS的内容应是什么才能访问该数据段的所有存储单元？,堆栈及堆栈段的使用,堆栈：内存中一个特殊区域，用于存放需要保护的数据。特点：(1)一端固定，另一端活动(2)存取数据的原则：“先进后出”(3)进或出栈只能是字数据，不能是字节数据(4)栈的最大容量64KB(5)堆栈通过SS（段地址）和SP（偏移地址）来访问(6)堆栈指针SP总是指向栈顶，它的内容是相对SS的地址偏移量(7)数据入栈时，栈顶均由高地址向低地址变化数据出栈时，栈顶均由低地址向高地址变化常用于响应中断子程序调用参数传递,例3：,若已知（SS）=1000H（SP）=2000H则堆栈段的段起始地址=？栈顶地址=？若该段最后一个单元地址为10100H则栈底单元的偏移地址=？,段起始,栈底,栈顶,堆栈段,第2章：寄存器的总结,8088有8个8位通用寄存器、8个16位通用寄存器8088有6个状态标志和3个控制标志8088将1MB存储空间分段管理，有4个段寄存器，对应4种逻辑段8088有4个段超越前缀指令，用于明确指定数据所在的逻辑段,熟悉上述内容后，就可以进入下节,8088的内部结构,8088的指令执行过程,图2-58088的存储格式,低地址,LSB,MSB,逻辑段的分配,
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