第二章微处理器的结构及存储器.ppt

微处理器的结构及存储器组成,第 2 章,微处理器的结构及存储器组成,第2章 教学要求与重点,了解微机系统的基本软硬件组成掌握8086的寄存器组和存储器组织重点1：工作寄存器组重点2：存储器的特点和使用重点3：存储器物理地址的形成重点4：存储器的分段,简单解释一下几个名字术语字长：芯片内部一次传输数据的宽度。主频：芯片所用的主时钟频率。数据总线宽度:芯片内部数据传输的宽度。地址总线宽度:指专用于传送地址的总线宽度。地址总线宽度与寻址空间的关系:高速缓存（cache):,微处理器的结构及存储器组成,2.1 8086微处理器,微处理器飞速发展,80386,80486,奔腾,奔腾2代,奔腾4代,80286,8086,奔腾3代,IA-64（安腾）,4004,不是我不明白，这世界变化太快。扎扎实实掌握知识，以不变应万变！,2.2 基于微处理器的计算机系统构成,硬件：,中央处理机 CPU,总线控制 逻辑,接 口,接 口,存储器,大容量存储器,I/O设备,I/O子系统,系统总线,.,.,软件：系统软件 用户软件,运算器控制器工作寄存器,2.2.1 硬件,系统软件：DOS平台MS-DOS 6.22 Windows 9.x的DOS实地址方式MS-DOS虚拟环境应用软件：开发汇编语言程序涉及文本编辑器汇编程序连接程序调试程序,2.2.2 软件,微处理器的结构及存储器组成,文本编辑器（Editor）,文本编辑器用于编辑无任何格式的文档程序设计时要采用文本编辑器编写源程序常见的文本编辑软件有很多，如MS-DOS的EDIT全屏幕编辑器Windows的Notepad计事本程序开发系统中的程序编辑器，例如你熟悉的Turbo C编辑器大家可以采用微机中任何一个文本编辑器编写汇编语言源程序,微处理器的结构及存储器组成,汇编程序（Assembler）,汇编程序将汇编语言源程序翻译（称为“汇编”）成机器代码目标模块80 x86CPU的汇编程序主要有微软的宏汇编程序MASM。较著名的还有Borland公司的TASM，无实质差别本课程采用微软的MASM,微处理器的结构及存储器组成,连接程序（Linker）,连接程序将汇编后的目标模块转换为可执行程序每个程序开发环境都有连接程序连接程序的文件名通常是：LINK.EXE,微处理器的结构及存储器组成,调试程序（Debugger）,调试程序进行程序排错、分析等本课程采用DOS的DEBUG程序其他还有Turbo Debugger等,微处理器的结构及存储器组成,2.3 微处理器的结构,微处理器是微机的硬件核心 主要包含指令执行的运算和控 制部 件，还有多种寄存器对程序员来说，微处理器抽象为以名称存取的寄存器,2.3.1 8086微处理器结构,8086内部结构有两个功能模块，完成一条指令的取指和执行功能模块之一：总线接口单元BIU，主要负责读取指令和操作数模块之二：执行单元EU，主要负责指令译码和执行,微处理器的结构及存储器组成,8086内部结构,8086的执行方式,80486微处理器结构,80486微处理器的特点,一种高性能全32位的微处理器把构成80386微机系统的主处理器、数值协处理器和一个具有8 KB的Cache存储器集成在一块集成电路芯片中沿用了指令流水线技术采用RISC思想设计,补充,RISC:Reduced Instruction Set Computer 精简指令集计算机技术CISC:Complex Instruction Set Computer 复杂指令集计算机技术计算机指令流水线技术,Pentium微处理器的结构,Pentium体系结构特点,超标量流水线独立的指令Cache和数据Cache浮点操作分支预测,对汇编语言程序员来说，8086内部结构就是可编程的寄存器组 8个通用寄存器 1个指令指针寄存器 1个标志寄存器 4个段寄存器,2.3.2 8086的寄存器组,8086的寄存器组,1.8086的通用寄存器,8086的16位通用寄存器是：AXBXCXDXSIDIBPSP其中前4个数据寄存器都还可以分成高8位和低8位两个独立的寄存器8086的8位通用寄存器是：AHBHCHDHALBLCLDL对其中某8位的操作，并不影响另外对应8位的数据,数据寄存器,数据寄存器用来存放计算的结果和操作数，也可以存放地址每个寄存器又有它们各自的专用目的AX累加器，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基址寄存器，常用做存放存储器地址；CX计数器，作为循环和串操作等指令中的隐含计数器；DX数据寄存器，常用来存放双字长数据的高16位，或存放外设端口地址。,变址寄存器,变址寄存器常用于存储器寻址时提供地址SI是源变址寄存器DI是目的变址寄存器串操作类指令中，SI和DI具有特别的功能,2 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，指示栈顶的偏移地址SP不能再用于其他目的，具有专用目的BP为基址指针寄存器，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）,堆栈是主存中一个特殊的区域它采用先进后出FILO（First In Last Out）或后进先出LIFO（Last In First Out）的原则进行存取操作，而不是随机存取操作方式。堆栈通常由处理器自动维持。在8086中，由堆栈段寄存器SS和堆栈指针寄存器SP共同指示,指令指针IP,指令指针寄存器IP，指示代码段中指令的偏移地址它与代码段寄存器CS联用，确定下一条指令的物理地址计算机通过CS:IP寄存器来控制指令序列的执行流程IP寄存器是一个专用寄存器,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8086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,标志的分类,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CF ZF SF PF OF AF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DF IF TF,进位标志CF（Carry Flag）,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CF=1；否则CF=0。,3AH+7CHB6H，没有进位：CF=0AAH+7CH（1）26H，有进位：CF=1,零标志ZF（Zero Flag）,若运算结果为0，则ZF=1；否则ZF=0,3AH+7CHB6H，结果不是零：ZF=084H+7CH（1）00H，结果是零：ZF=1,注意：ZF为1表示的结果是0,符号标志SF（Sign Flag）,运算结果最高位为1，则SF=1；否则SF=0,3AH+7CHB6H，最高位D71：SF=184H+7CH（1）00H，最高位D70：SF=0,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,奇偶标志PF（Parity Flag）,当运算结果最低字节中“1”的个数为零或偶数时，PF=1；否则PF=0,3AH+7CHB6H10110110B结果中有5个1，是奇数：PF=0,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,溢出标志OF（Overflow Flag）,若算术运算的结果有溢出，则OF1；否则 OF0,3AH+7CHB6H，产生溢出：OF=1AAH+7CH（1）26H，没有溢出：OF=0,溢出标志OF（Overflow Flag）,问题什么是溢出？溢出和进位有什么区别？处理器怎么处理，程序员如何运用？如何判断是否溢出？,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；另一方面，补码B6H表达真值是-74，显然运算结果也不正确,溢出和进位,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。,溢出和进位的对比,例1：3AH+7CHB6H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：AAH+7CH（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,如何运用溢出和进位,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。,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其他情况下，则不会产生溢出,辅助进位标志AF（Auxiliary Carry Flag）,3AH+7CHB6H，D3有进位：AF=1,运算时D3位（低半字节）有进位或借位时，AF=1；否则AF=0。,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,方向标志DF（Direction Flag）,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,中断允许标志IF（Interrupt-enable Flag）,用于控制外部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,跟踪标志TF（Trap Flag）,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,8086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,4 段寄存器,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,寄存器是微处理器内部暂存数据的存储单元，以名称表示存储器则是微处理器外部存放程序及其数据的空间程序及其数据可以长久存放在外存，在程序需要时才进入主存主存需要利用地址区别,2.4 存储器,数据信息的表达单位,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,2.4.1存储单元及其存储内容,数据的存储格式,低地址,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,0002H单元存放有一个数据34H表达为0002H34H,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1.7中2号“字”单元的内容为：0002H=1234H2号“双字”单元的内容为：0002H=78561234H,2.4.2 存储器的分段管理,8086CPU有20条地址线最大可寻址空间为2201MB物理地址范围从00000HFFFFFH8086CPU将1MB空间分成许多逻辑段（Segment）每个段最大限制为64KB段地址的低4位为0000B这样，一个存储单元除具有一个唯一的物理地址外，还具有多个逻辑地址,物理地址和逻辑地址,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。分段后在用户编程时，采用逻辑地址，形式为段基地址:段内偏移地址,分隔符,逻辑地址,段地址说明逻辑段在主存中的起始位置8086规定段地址必须是模16地址：xxxx0H省略低4位0000B，段地址就可以用16位数据表示，就能用16位段寄存器表达段地址偏移地址说明主存单元距离段起始位置的偏移量每段不超过64KB，偏移地址也可用16位数据表示,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位物理地址一个物理地址可以有多个逻辑地址,逻辑地址1460:100、1380:F00物理地址14700H 14700H,物理地址=16 段地址+偏移地址,16 位 段 地 址,16 位 偏 移 地 址,0000,+,20 位 物 理 地 址,例：(DS)=2100H,(BX)=0500H(PA)=21000H+0500H=21500H,段寄存器,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8086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,代码段（Code Segment）,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,堆栈段（Stack Segment）,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,数据段（Data Segment）,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,附加段（Extra Segment）,附加段是附加的数据段，也用于数据的保存：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,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,段超越前缀指令,没有指明时，一般的数据访问在DS段；使用BP访问主存，则在SS段默认的情况允许改变，需要使用段超越前缀指令；8086指令系统中有4个：CS:；代码段超越，使用代码段的数据SS:；堆栈段超越，使用堆栈段的数据DS:；数据段超越，使用数据段的数据ES:；附加段超越，使用附加段的数据,段超越的示例,没有段超越的指令实例：MOV AX,2000H；AXDS:2000H；从默认的DS数据段取出数据采用段超越前缀的指令实例：MOV AX,ES:2000H；AXES:2000H；从指定的ES附加段取出数据,段寄存器的使用规定,存储器的分段,8086对逻辑段要求：段地址低4位均为0每段最大不超过64KB8086对逻辑段并不要求：必须是64KB各段之间完全分开（即可以重叠）,各段独立,各段重叠,最多多少段？,最少多少段？,各个逻辑段独立,存储器,64KB代码,01500H,42000H,1CD00H,段寄存器,CSDSSSES,64KB堆栈,64KB数据,64KB附加数据,B0000H,B000H,存储器,8KB代码,2KB数据,256堆栈,02000H,04800H,04000H,0200H,0400H,0480H,CSDSSS,优点:允许程序在存储器内重定位；允许实模式程序在保护模式下运行；有利于程序和数据的分离。,各段允许重叠,1MB空间的分段,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,小结,8086有8个8位通用寄存器、8个16位通用寄存器8086有6个状态标志和3个控制标志8086将1MB存储空间分段管理，有4个段寄存器，对应4种逻辑段8086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,寄存器与存储器的比较：寄 存 器 存 储 器,在CPU内部 在CPU外部访问速度快 访问速度慢容量小，成本高 容量大，成本低用名字表示 用地址表示没有地址 地址可用各种方式形成,80 x86的寄存器结构,80 x86的程序可见寄存器组通用寄存器专用寄存器 段寄存器,8086/8088,IOPL,NT,80286,VM,80386,AC,80486,ID,VIP,VIF,31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0,Pentium,80 x86的标志寄存器(P.23),IOPL：I/O特权级 VIP：虚拟中断未决标志 NT：嵌套任务标志 VIF：虚拟中断标志 RF：重新启动标志 VM：虚拟8086模式位 AC：对准检查方式位 ID：标识标志,