《匯編語(yǔ)言》第2章寄存器(CPU工作原理)

1、匯編語(yǔ)言第2章寄存器(CPU工作原理)匯編語(yǔ)言(王爽)第2章-寄存器(CPU工作原理)第2章 寄存器(CPU工作原理)n2.1 通用寄存器n2.2 字在寄存器中的存儲(chǔ)n2.3 幾條匯編指令n2.4 物理地址n2.5 16位結(jié)構(gòu)的CPUn2.6 8086CPU給出物理地址的方法n2.7 “16+偏移地址 =物理地址”的本質(zhì)含義n2.10 CSn2.12 代碼段CPU概述n一個(gè)典型的CPU由運(yùn)算器、控制器、寄存器等器件組成，這些器件靠?jī)?nèi)部總線相連。n內(nèi)部總線實(shí)現(xiàn)CPU內(nèi)部各個(gè)器件之間的聯(lián)系。n外部總線實(shí)現(xiàn)CPU和主板上其它器件的聯(lián)系。寄存器概述n8086CPU有14個(gè)寄存器 它們的名稱為： AX、

2、BX、CX、DX、SI、DI、SP、BP、 IP、CS、SS、DS、ES、PSW。n這些寄存器以后會(huì)陸續(xù)介紹2.1 通用寄存器n8086CPU所有的寄存器都是16位的，可以存放兩個(gè)字節(jié)。nAX、BX、CX、DX 通常用來(lái)存放一般性數(shù)據(jù)被稱為通用寄存器。n下面以AX為例，我們看一下寄存器的邏輯結(jié)構(gòu)。n一個(gè)16位寄存器可以存儲(chǔ)一個(gè)16位的數(shù)據(jù)。（數(shù)據(jù)的存放情況）n一個(gè)16位寄存器所能存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)的最大值為多少？ 答案：216-1。2.1 通用寄存器16位數(shù)據(jù)在寄存器中的存放情況n數(shù)據(jù)：18n二進(jìn)制表示：10010n在寄存器AX中的存儲(chǔ)：16位數(shù)據(jù)在寄存器中的存放情況n數(shù)據(jù)：202X0n二進(jìn)制表示：n

3、在寄存器AX中的存儲(chǔ)：2.1 通用寄存器n8086上一代CPU中的寄存器都是8位的；n為保證兼容性，這四個(gè)寄存器都可以分為兩個(gè)獨(dú)立的8位寄存器使用。nAX可以分為AH和AL；nBX可以分為BH和BL；nCX可以分為CH和CL；nDX可以分為DH和DL。n8086CPU的8位寄存器存儲(chǔ)邏輯2.1 通用寄存器n以AX為例，8086CPU的16位寄存器分為兩個(gè)8位寄存器的情況：2.1 通用寄存器nAX的低8位（0位7位）構(gòu)成了AL寄存器，高8位（8位15位）構(gòu)成了AH寄存器。nAH和AL寄存器是可以獨(dú)立使用的8位寄存器。n8086CPU的8位寄存器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)情況n一個(gè)8位寄存器所能存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)的最大值是

4、多少？ 答案：28-1。2.1 通用寄存器2.2 字在寄存器中的存儲(chǔ)n一個(gè)字可以存在一個(gè)16位寄存器中，這個(gè)字的高位字節(jié)和低位字節(jié)自然就存在這個(gè)寄存器的高8位寄存器和低8位寄存器中。關(guān)于數(shù)制的討論n由于一個(gè)內(nèi)存單元可以存放 8位數(shù)據(jù)，CPU中的寄存器又可存放 n 個(gè) 8位數(shù)據(jù)。也就是說(shuō)，計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)大多 是由1N個(gè)8位數(shù)據(jù)構(gòu)成的。n用十六進(jìn)制來(lái)表示數(shù)據(jù)可以直觀的看 出這個(gè)數(shù)據(jù)是由哪些8位數(shù)據(jù)構(gòu)成的。n示例2.3 幾條匯編指令匯編指令不區(qū)分大小寫2.3 幾條匯編指令nCPU執(zhí)行下表中的程序段的每條指令后，對(duì)寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行的改變。2.3 幾條匯編指令2.3 幾條匯編指令n這里的丟失，指的是進(jìn)

5、位制不能在 8 位寄存器中保存，但是 CPU 不是并真的不丟棄 這個(gè)進(jìn)位值，這個(gè)問(wèn)題會(huì)在后面的課程中討論。特別提示n檢測(cè)點(diǎn)（Page 18）n沒(méi)有通過(guò)檢測(cè)點(diǎn)請(qǐng)不要向下學(xué)習(xí)！2.4 物理地址nCPU訪問(wèn)內(nèi)存單元時(shí)要給出內(nèi)存單元的地址。所有的內(nèi)存單元構(gòu)成的存儲(chǔ)空間是一個(gè)一維的線性空間。每一個(gè)內(nèi)存單元在這個(gè)空間中都有唯一的地址，這個(gè)唯一的地址稱為物理地址。2.5 16位結(jié)構(gòu)的CPUn概括的講，16位結(jié)構(gòu)描述了一個(gè)CPU具有以下幾個(gè)方面特征：n1、運(yùn)算器一次最多可以處理16位的數(shù)據(jù)。n2、寄存器的最大寬度為16位。n3、寄存器和運(yùn)算器之間的通路是16位的。2.6 8086CPU給出物理地址的方法n80

6、86有20位地址總線，可傳送20位地址，尋址能力為1M。n8086內(nèi)部為16位結(jié)構(gòu)，它只能傳送16位的地址，表現(xiàn)出的尋址能力卻只有64K。2.6 8086CPU給出物理地址的方法n8086CPU采用一種在內(nèi)部用兩個(gè)16位地址合成的方法來(lái)形成一個(gè)20位的物理地址。n8086CPU相關(guān)部件的邏輯結(jié)構(gòu)在8086CPU內(nèi)部用兩個(gè)16位地址合成的方法來(lái)形成一個(gè)20位的物理地址地址加法器n地址加法器合成物理地址的方法： 物理地址=段地址16+偏移地址n例如： 8086CPU訪問(wèn)地址為123C8H的內(nèi)存單元 由段地址16引發(fā)的討論n觀察移位次數(shù)和各種形式數(shù)據(jù)的關(guān)系：n（1）一個(gè)數(shù)據(jù)的二進(jìn)制形式左移1位，相當(dāng)

7、于該數(shù)據(jù)乘以2；n（2）一個(gè)數(shù)據(jù)的二進(jìn)制形式左移N位，相當(dāng)于該數(shù)據(jù)乘以2的N次方；n（3）地址加法器如何完成段地址16的運(yùn)算？ 以二進(jìn)制形式存放的段地址左移4位。由段地址16引發(fā)的討論2.7 “段地址16+偏移地址=物理地址”的本質(zhì)含義n兩個(gè)比喻說(shuō)明：n說(shuō)明“基礎(chǔ)地址+偏移地址 = 物理地址” 的思想：第一個(gè)比喻n說(shuō)明“段地址16+偏移地址=物理地址”的思想：第二個(gè)比喻 8086CPU就是這樣一個(gè)只能提供兩張3位數(shù)據(jù)紙條的CPU?！盎A(chǔ)地址+偏移地址 = 物理地址”n比如說(shuō)，學(xué)校、體育館同在一條筆直的單行路上（學(xué)校位于路的起點(diǎn)0米處）。n讀者在學(xué)校，要去圖書館，問(wèn)我那里的地址，我可以用幾種方式

8、描述這個(gè)地址？“基礎(chǔ)地址+偏移地址 = 物理地址”n（1）從學(xué)校走2826m到圖書館。這2826可以認(rèn)為是圖書館的物理地址。n（2）從學(xué)校走202Xm到體育館，從體育館再走826m到圖書館。n第一個(gè)距離202Xm是相對(duì)于起點(diǎn)的基礎(chǔ)地址；n第二個(gè)距離826m是將對(duì)于基礎(chǔ)地址的偏移地址。“段地址16+偏移地址=物理地址”n比如我們只能通過(guò)紙條來(lái)通信，讀者問(wèn)我圖書館的地址，我只能將它寫在紙上告訴讀者。n顯然我必須有一張可以容納 4 位數(shù)據(jù)的紙條才能寫下2826這個(gè)數(shù)據(jù)：“段地址16+偏移地址=物理地址”n不巧的是，沒(méi)有能容納4位數(shù)據(jù)的紙條，僅有兩張可以容納3位數(shù)據(jù)的紙條。n這樣我只能以這種方式告訴讀

9、者2826這個(gè)數(shù)據(jù)：2.8 段的概念n錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)：n內(nèi)存被劃分成了一個(gè)一個(gè)的段，每一個(gè)段有一個(gè)段地址。n其實(shí)：n內(nèi)存并沒(méi)有分段，段的劃分來(lái)自于CPU，由于8086CPU用“（段地址16）+偏移地址=物理地址”的方式給出內(nèi)存單元的物理地址，使得我們可以用分段的方式來(lái)管理內(nèi)存。2.8 段的概念n我們可以認(rèn)為：地址10000H100FFH的內(nèi)存單元組成一個(gè)段，該段的起始地址（ 基礎(chǔ)地址）為10000H，段地址為1000H，大小為100H。2.8 段的概念n我們也可以認(rèn)為地址10000H1007FH、10080H100FFH 的內(nèi)存單元組成兩個(gè)段，它們的起始地址（ 基礎(chǔ)地址 ）為10000H和10080

10、H，段地址為：1000H 和1008H，大小都為80H。2.8 段的概念n以后，在編程時(shí)可以根據(jù)需要，將若干地址連續(xù)的內(nèi)存單元看作一個(gè)段，用段地址16定位段的起始地址（基礎(chǔ)地址），用偏移地址定位段中的內(nèi)存單元。n兩點(diǎn)需要注意n內(nèi)存單元地址小結(jié)n特別提示兩點(diǎn)需要注意n（1）段地址16 必然是 16的倍數(shù)，所以一個(gè)段的起始地址也一定是16的倍數(shù)；n（2）偏移地址為16位，16 位地址的尋址能力為 64K，所以一個(gè)段的長(zhǎng)度最大為64K。內(nèi)存單元地址小結(jié)nCPU訪問(wèn)內(nèi)存單元時(shí)，必須向內(nèi)存提供內(nèi)存單元的物理地址。n8086CPU在內(nèi)部用段地址和偏移地址移位相加的方法形成最終的物理地址。n思考兩個(gè)問(wèn)題n（

11、1）觀察下面的地址，讀者有什么發(fā)現(xiàn)？n結(jié)論：CPU可以用不同的段地址和偏移地址形成同一個(gè)物理地址。內(nèi)存單元地址小結(jié)內(nèi)存單元地址小結(jié)n（2）如果給定一個(gè)段地址，僅通過(guò)變化偏移地址來(lái)進(jìn)行尋址，最多可以定位多少內(nèi)存單元？n結(jié)論：偏移地址16位，變化范圍為0FFFFH，僅用偏移地址來(lái)尋址最多可尋64K個(gè)內(nèi)存單元。n比如：給定段地址1000H，用偏移地址尋址，CPU的尋址范圍為：10000H1FFFFH。內(nèi)存單元地址小結(jié)n在8086PC機(jī)中，存儲(chǔ)單元的地址用兩個(gè)元素來(lái)描述。即段地址和偏移地址。n“數(shù)據(jù)在21F60H內(nèi)存單元中?！睂?duì)于8086PC機(jī)的兩種描述：n（a）數(shù)據(jù)存在內(nèi)存202X:1F60單元中；

12、n（b）數(shù)據(jù)存在內(nèi)存的202X段中的1F60H單元中。n可根據(jù)需要，將地址連續(xù)、起始地址為16的倍數(shù)的一組內(nèi)存單元定義為一個(gè)段。特別提示n檢測(cè)點(diǎn)（Page 23）n沒(méi)有通過(guò)檢測(cè)點(diǎn)請(qǐng)不要向下學(xué)習(xí)！2.9 段寄存器n段寄存器就是提供段地址的。 8086CPU有4個(gè)段寄存器：CS、DS、SS、ESn當(dāng)8086CPU要訪問(wèn)內(nèi)存時(shí)，由這4個(gè)段寄存器提供內(nèi)存單元的段地址。2.10 CS和IPnCS和IP是8086CPU中最關(guān)鍵的寄存器，它們指示了CPU當(dāng)前要讀取指令的地址。 CS為代碼段寄存器； IP為指令指針寄存器。8086PC讀取和執(zhí)行指令相關(guān)部件n8086PC讀取和執(zhí)行指令演示n8086PC工作過(guò)程

13、的簡(jiǎn)要描述8086PC工作過(guò)程的簡(jiǎn)要描述n（1）從CS:IP指向內(nèi)存單元讀取指令，讀取的指令進(jìn)入指令緩沖器；n（2）IP = IP + 所讀取指令的長(zhǎng)度，從而指向下一條指令；n（3）執(zhí)行指令。 轉(zhuǎn)到步驟 （1），重復(fù)這個(gè)過(guò)程。8086PC工作過(guò)程的簡(jiǎn)要描述n在 8086CPU 加電啟動(dòng)或復(fù)位后（ 即 CPU剛開(kāi)始工作時(shí)）CS和IP被設(shè)置為CS=FFFFH，IP=0000H，即在8086PC機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)，CPU從內(nèi)存FFFF0H單元中讀取指令執(zhí)行，F(xiàn)FFF0H單元中的指令是8086PC機(jī)開(kāi)機(jī)后執(zhí)行的第一條指令。2.10 CS和IPn內(nèi)存中指令和數(shù)據(jù)沒(méi)有任何區(qū)別，都是二進(jìn)制信息，CPU在工作的時(shí)候把

14、有的信息看作指令，有的信息看作數(shù)據(jù)。nCPU根據(jù)什么將內(nèi)存中的信息看作指令？ CPU將CS:IP指向的內(nèi)存單元中的內(nèi)容看作指令。2.10 CS和IPn在任何時(shí)候，CPU將CS、IP中的內(nèi)容當(dāng)作指令的段地址和偏移地址，用它們合成指令的物理地址，到內(nèi)存中讀取指令碼，執(zhí)行。n如果說(shuō)，內(nèi)存中的一段信息曾被CPU執(zhí)行過(guò)的話，那么，它所在的內(nèi)存單元必然被CS:IP指向過(guò)。2.11 修改CS、IP的指令n在CPU中，程序員能夠用指令讀寫的部件只有寄存器，程序員可以通過(guò)改變寄存器中的內(nèi)容實(shí)現(xiàn)對(duì)CPU的控制。nCPU從何處執(zhí)行指令是由CS、IP中的內(nèi)容決定的，程序員可以通過(guò)改變CS、IP中的內(nèi)容來(lái)控制CPU執(zhí)行

15、目標(biāo)指令。n我們?nèi)绾胃淖僀S、IP的值呢？2.11 修改CS、IP的指令n8086CPU必須提供相應(yīng)的指令n先回想我們?nèi)绾涡薷腁X中的值？nmov指令不能用于設(shè)置CS、IP的值， 8086CPU沒(méi)有提供這樣的功能。n8086CPU為CS、IP提供了另外的指令來(lái)改變它們的值：轉(zhuǎn)移指令如何修改AX中的值？nmov 指令n如：mov ax,123nmov指令可以改變8086CPU大部分寄存器的值，被稱為傳送指令。n能夠通過(guò)mov 指令改變CS、IP的值嗎？2.11 修改CS、IP的指令n同時(shí)修改CS、IP的內(nèi)容：jmp 段地址：偏移地址jmp 2AE3:3jmp 3:0B16功能：用指令中給出的段地

16、址修改CS，偏移地址修改IP。2.11 修改CS、IP的指令n僅修改IP的內(nèi)容：jmp 某一合法寄存器jmp ax （類似于 mov IP,ax）jmp bx功能：用寄存器中的值修改IP。n內(nèi)存中存放的機(jī)器碼和對(duì)應(yīng)匯編指令情況： （初始：CS=202XH，IP=0000H）n請(qǐng)寫出指令執(zhí)行序列：?jiǎn)栴}分析問(wèn)題分析結(jié)果：n（1）mov ax,6622n（2）jmp 1000:3n（3）mov ax,0000n（4）mov bx,axn（5）jmp bxn（6）mov ax,0123Hn（7）轉(zhuǎn)到第（3）步執(zhí)行2.12 代碼段n對(duì)于8086PC機(jī)，在編程時(shí)，可以根據(jù)需要，將一組內(nèi)存單元定義為一個(gè)段。

17、n可以將長(zhǎng)度為 N（ N64KB ）的一組代碼，存在一組地址連續(xù)、起始地址為 16的倍數(shù)的內(nèi)存單元中，這段內(nèi)存是用來(lái)存放代碼的，從而定義了一個(gè)代碼段。n例如2.12 代碼段n這段長(zhǎng)度為 10 字節(jié)的字節(jié)的指令，存在從123B0H123B9H的一組內(nèi)存單元中，我們就可以認(rèn)為，123B0H123B9H這段內(nèi)存單元是用來(lái)存放代碼的 ，是一個(gè)代碼段 ，它的段地址為123BH，長(zhǎng)度為10字節(jié)。2.12 代碼段n如何使得代碼段中的指令被執(zhí)行呢？n將一段內(nèi)存當(dāng)作代碼段，僅僅是我們?cè)诰幊虝r(shí)的一種安排，CPU 并不會(huì)由于這種安排，就自動(dòng)地將我們定義得代碼段中的指令當(dāng)作指令來(lái)執(zhí)行。nCPU 只認(rèn)被 CS:IP 指向的內(nèi)存單元中的內(nèi)容為指令。n所以要將CS:IP指向所定義的代碼段中的第一條指令的首地址。nCS = 123BH，IP = 0000H。節(jié)