第章計(jì)算機(jī)組織

1、第 2 章 80x86 計(jì)算機(jī)組織1教學(xué)目的 :掌握 INTEL80X86 微處理器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)存單元地址與內(nèi)容的含義和關(guān)系， 了解計(jì)算機(jī)接口的構(gòu)成，為匯編語言編程奠定基礎(chǔ)。2教學(xué)要求：熟練掌握 INTEL80X86 微處理器的結(jié)構(gòu) 掌握內(nèi)存單元地址與內(nèi)容的含義和關(guān)系了解計(jì)算機(jī)接口的構(gòu)成3教學(xué)重點(diǎn)：微處理器的功能結(jié)構(gòu)微存儲(chǔ)器組織4掌握難點(diǎn)：微處理器的寄存器組存儲(chǔ)器尋址5 教學(xué)進(jìn)程安排：P19326教學(xué)方法：重點(diǎn)講授微處理器的功能結(jié)構(gòu)和微存儲(chǔ)器組織 一般敘述計(jì)算機(jī)接口的構(gòu)成7教學(xué)內(nèi)容摘要：80x86 微處理器80x86 微處理器是美國 Intel 公司生產(chǎn)的微處理器系列。該公司成立于 1968年，

2、 1969 設(shè)計(jì)了 4位 的 4004 芯片， 1973 年開發(fā)了 8 位的 8080 芯片， 1978 推出了 16 位的 8086 芯片，由此開始了 Intel 公 司 80x86 微處理器系列的歷史。微處理器概況? 晶體管數(shù)：芯片中包含的晶體管數(shù)目，說明器件的集成度；? 主頻：芯片中所用的主時(shí)鐘頻率，反映計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度；? 數(shù)據(jù)總線：負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)在各組成部分之間的傳送；? 數(shù)據(jù)總線寬度：芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)傳送的寬度；? 外部數(shù)據(jù)總線寬度：芯片內(nèi)和芯片外數(shù)據(jù)交換的寬度；? 地址總線寬度：傳送地址的總線寬度 , 根據(jù)這一數(shù)值可以確定處理機(jī)可以訪問的存儲(chǔ)器的最大 范圍。例： 20 位地址總線可

3、以訪問 220=1048576 個(gè)存儲(chǔ)單元。存儲(chǔ)容量的換算： 1K=210B=1024B; 1M=210K=1024K; 1G=210M=1024M;高速緩存：存儲(chǔ)速度比較快的存儲(chǔ)器，現(xiàn)在有很多都做在芯片中基于微處理器的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。2.2.1硬件系統(tǒng)圖給岀了微型計(jì)算機(jī)組成框圖。輸入設(shè)備接口存儲(chǔ)器主板口輸出設(shè)備輸入/輸岀芯片圖微型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)組成把運(yùn)算器、控制器、主存儲(chǔ)器和輸入/輸岀接口稱為組成計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的五大部件。計(jì)算機(jī)硬件的五大部件是通過總線連接起來的，構(gòu)成了計(jì)算機(jī)的基本硬件系統(tǒng)。各部分的主要功能如下：?輸入設(shè)備：用于輸入原始信息和處理信息的程序。

4、如鍵盤、鼠標(biāo)器和掃描儀等。? 輸岀設(shè)備：用來輸岀計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果及程序清單。如顯示器和打印機(jī)。?存儲(chǔ)器：用來存放程序和數(shù)據(jù)。在控制器的控制下，可與輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、運(yùn)算器、控制器交換信息，是計(jì)算機(jī)中各種信息存儲(chǔ)和交流的中心。?運(yùn)算器：用來對信息及數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算。也稱為算術(shù)邏輯部件ALU( Arithmetic andLogic Un it )。?控制器：是整個(gè)計(jì)算機(jī)的指揮中心，用來指揮計(jì)算機(jī)各部件的操作，使其協(xié)調(diào)一致地工作。2.2.2軟件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)軟件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，它可以分成系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類。圖表示了計(jì) 算機(jī)軟件的層次。操作系統(tǒng)單用戶操作系統(tǒng) 多用戶操作系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)操

5、作系統(tǒng)軟件廣匯編程序 語言處理程序編釋程序語言處理程序J系統(tǒng)軟件工具軟件-數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)|診斷與維護(hù)程序 調(diào)試程序 編輯程序 裝配鏈接程序應(yīng)用軟件用戶程序軟件包圖軟件系統(tǒng)的層次中央處理機(jī)中央處理機(jī)CPU的組成? 算術(shù)邏輯部件：進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算；? 控制邏輯部件：負(fù)責(zé)對全機(jī)的控制工作；? 工作寄存器：存放計(jì)算過程中所需要的或所得到的各種信息80X86寄存器組32位名稱16位名稱通用名稱程序不可見的寄存器：一般應(yīng)用程序不使用而由系統(tǒng)所用的寄存器；程序可見的寄存器：匯編語言程序設(shè)計(jì)中用到的寄存器，分為：通用寄存器、專用寄存器、段寄存as 1、通用寄存器（1）數(shù)據(jù)寄存器（AX、BX、CX、DX :用

6、來暫時(shí)存放計(jì)算過程中所用到的操作數(shù)、結(jié)果或其它信 息，可以以字（16位）也可以以字節(jié)（8位）的形式訪問。AX:累加器；乘、除等指令中用來存放操作數(shù)； 傳遞I/O指令與外設(shè)的信息。BX:通用寄存器； 基址寄存器。CX通用寄存器；保存計(jì)數(shù)值，如在移位指令、循環(huán)指令（ loop ）、串處理指令中用作隱含的計(jì)數(shù)器。DX通用寄存器；雙字長運(yùn)算時(shí)，和AX組合在一起存放雙字長數(shù)，DX存放高位字； 在某 些I/O操作中，存放端口地址；（2）指針（或變址）寄存器（SP、BP、SI、DI）: 運(yùn)算過程中存放操作數(shù)，只能以字（16 位）為單位使用； 存儲(chǔ)器尋址時(shí)，提供偏移地址。SP （堆棧指針寄存器）：用來指示段頂

7、的偏移地址;SS聯(lián)用來確定堆棧段中的某一存儲(chǔ)單元的地址；SI （源變址寄存器）和 中某一存儲(chǔ)單元的地址。 的源變址和目的變址寄存器,BP （基址指針寄存器）：可作為堆棧區(qū)中的某一個(gè)基地址，與堆棧段寄存器DI （目的變址寄存器）： 一般與數(shù)據(jù)段寄存器 DS聯(lián)用，用來確定數(shù)據(jù)段 具有自動(dòng)增量和自動(dòng)減量的功能。在串處理指令中，SI和DI作為隱含SI和DS聯(lián)用實(shí)現(xiàn)在數(shù)據(jù)段中尋址，DI和附加段寄存器 ES聯(lián)用實(shí)現(xiàn)在附加段中尋址2、專用寄存器（IP、SP、FLAGSIP （指令指針寄存器）：存放代碼段CS中的偏移地址。在程序運(yùn)行的過程中，始終指向下一條指令的首地址，與代碼段CS聯(lián)用來確定下一條指令的物理地

8、址。SP （堆棧指針寄存器）：與堆棧段寄存器SS聯(lián)用來確定堆棧段中棧頂?shù)牡刂罚创娣艞ｍ數(shù)钠频刂?。FLAGS標(biāo)志寄存器/程序狀態(tài)寄存器 PSW:存放條件碼標(biāo)志、控制標(biāo)志、系統(tǒng)標(biāo)志，可按位操作。圖80X86的標(biāo)志寄存器（1） 條件碼標(biāo)志位：記錄程序中運(yùn)行結(jié)果的狀態(tài)信息，根據(jù)有關(guān)指令的運(yùn)行結(jié)果由CPU自動(dòng)設(shè) 置，用作后續(xù)條件轉(zhuǎn)移指令的轉(zhuǎn)移控制條件。 溢岀標(biāo)志（OF）:在運(yùn)算過程中，如操作數(shù)超岀了機(jī)器能表示的范圍稱為溢岀。此時(shí)OF置1，否則置0。 符號(hào)標(biāo)志（SF）:記錄運(yùn)算結(jié)果的符號(hào)，負(fù)時(shí)置1，否則置0。 零標(biāo)志（ZF）:運(yùn)算結(jié)果為 0時(shí)置1,否則置0。 進(jìn)位標(biāo)志（CF）:最高有效位有進(jìn)位時(shí)置1,

9、否則置0。 輔助進(jìn)位標(biāo)志（AF）:記錄運(yùn)算時(shí)第 3位產(chǎn)生的進(jìn)位值，有進(jìn)位時(shí)置1,否則置0。 奇偶標(biāo)志（PF）:用來為機(jī)器中傳送信息時(shí)可能產(chǎn)生的代碼岀錯(cuò)情況提供檢驗(yàn)條件。當(dāng)結(jié)果操作 數(shù)中1的個(gè)數(shù)為偶數(shù)時(shí)置 1，否則置0。 控制標(biāo)志位（DF）:在串處理指令中控制處理信息的方向。當(dāng)DF為1時(shí)，每次操作后使變址寄存器SI和DI減小，串處理從高地址向低地址方向處理。當(dāng)DF為0時(shí)，每次操作后使變址寄存器SI和DI增大，串處理從低地址向高地址方向處理。（2）系統(tǒng)標(biāo)志位：用于I/O、中斷屏蔽、程序調(diào)試、任務(wù)切換和系統(tǒng)工作方式等的控制。一般應(yīng)用程序不必關(guān)心這些位，只有系統(tǒng)程序員或需要編制低層I/O設(shè)備控制等程序

10、時(shí)才需要。 陷阱標(biāo)志（TF）:用于調(diào)試時(shí)的單步方式操作。TF為1時(shí)，每條指令執(zhí)行完后產(chǎn)生陷阱，由系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)；TF為0時(shí)，CPU正常工作，不產(chǎn)生陷阱。 中斷標(biāo)志（IF ）:當(dāng)IF為1時(shí)，允許CPU響應(yīng)可屏蔽中斷請求，否則關(guān)閉中斷。（第八章） I/O特權(quán)級(jí)（IOPL）:在保護(hù)模式下，用于控制對I/O地址空間的訪問。（第八章）標(biāo)志位的符號(hào)表示表2-1標(biāo)志位的符號(hào)表示標(biāo)志名標(biāo)志為1標(biāo)志為0OF 溢出（是/否）OVNVDF 方向（減量/增量DNUPIF中斷（允許/關(guān)閉）EIDISF 符號(hào)（負(fù)/正）NGPLZF零（是/否）ZRNZAF輔助進(jìn)位（是/否）ACNAPF 奇偶（偶/奇）PEPOCF 進(jìn)位（是

11、/否）CYNC存儲(chǔ)器內(nèi)存地址范圍物理地址：在存儲(chǔ)器里以字節(jié)為單位存儲(chǔ)信息，每一個(gè)字節(jié)單元給以一個(gè)唯一的存儲(chǔ)器地址，稱 為物理地址。地址從 0開始編號(hào)，順序地每次加1。考慮地址總線分別為 20位、24位、32位、36位時(shí)，可訪問的單元地址范圍。內(nèi)存單元的地址和內(nèi)容在存儲(chǔ)器里以字節(jié)為單位存儲(chǔ)信息。為了正確地存放或取得信息，每一個(gè)字節(jié)單元給以一個(gè)惟一 的存儲(chǔ)器地址，稱為物理地址。地址從0開始編號(hào)，順序地每次加1,因此存儲(chǔ)器的物理地址空間是呈線性增長的。在機(jī)器里，地址也是用二進(jìn)制數(shù)來表示的，當(dāng)然它是無符號(hào)整數(shù)，書寫格式使用十六進(jìn) 制數(shù)形式。存儲(chǔ)器有這樣的特性：它的內(nèi)容是取之不盡的。也就是說，從某個(gè)單元

12、取岀其內(nèi)容后，該單元仍 然保存著原來的內(nèi)容不變，可以重復(fù)取岀，只有存入新的信息后，原來保存的內(nèi)容就自動(dòng)丟失了。地址及其內(nèi)容：（地址）=內(nèi)容表2-2內(nèi)存單元得地址及內(nèi)容0000H例：(0002H ) =78H字的存放：低位字節(jié)存入低地址，高位字節(jié)存入高地址。字的地址 采用它的低地址來表示(雙字的存放與此類似)。女口： 2號(hào)字單元的內(nèi)容(0002H)=5678H女口： 2號(hào)雙字單元的內(nèi)容(0002H)注：同一個(gè)地址既可看作字節(jié)單元的地址，又可看作字、雙字、4字單元的地址。例：(0004H) = 45A6H實(shí)模式存儲(chǔ)器尋址1.存儲(chǔ)器地址的分段(1) 實(shí)模式下允許的最大尋址空間為1MB(2) 要解決在

13、16位字長的機(jī)器里怎么提供20位地址的問題，而解決 的辦法是采用存儲(chǔ)器地址分段的方法。(3) 物理地址的形成78H56H34H12HA6H45H0001H0002H0003H0004H0005H1234H1235H物理地址=段地址X 16D+偏移地址(4)實(shí)模式存儲(chǔ)器尋址邏輯地址偏移地址150段寄存器0000段地址J F 川法器15019020位物理地址15016位段地址 | 0000150+16位偏移地址"79020位物理地址(A)物理地址形成過程(B)物理地址計(jì)算方法150存儲(chǔ)器段基地址所選段最大64KB圖實(shí)模式存儲(chǔ)器尋址時(shí)物理地址的形成與計(jì)算過程圖實(shí)模式存儲(chǔ)器尋址2.段寄存器(

14、1) 代碼段CS:存放當(dāng)前正在運(yùn)行的程序；、(2) 數(shù)據(jù)段DS數(shù)據(jù)段存放當(dāng)前運(yùn)行程序所用的數(shù)據(jù)，如果程序中使用了串處理指令，則其源操作數(shù) 也存放在數(shù)據(jù)段中(3) 堆棧段SS堆棧段定義了堆棧的所在區(qū)域(4) 附加段ES附加段是附加的數(shù)據(jù)段，它是一個(gè)輔助的數(shù)據(jù)區(qū)，也是串處理指令的目的操作數(shù)存放 區(qū)在80386及其后繼的80X86中新增段寄存器(1) FS(2) GS,2-3和表2-4在80X86中，段寄存器和與其對應(yīng)存放偏移地址的寄存器之間有一種默認(rèn)組合關(guān)系，如表 所示：有時(shí)候程序需要改變段寄存器和偏移地址的缺省組合，具體改變方法在指令中說明。在這種默認(rèn)組合下，程序中不必專門指定其組合關(guān)系，但程序

15、如用到非默認(rèn)的組合關(guān)系，則必須 用段跨越前綴加以說明。這一點(diǎn)將在第3章中說明。表2-3 8086/8088, 80286缺省16位段地址和寄存器偏移地址尋址默認(rèn)組合例：尋址示例。MOV AX, ES: BXMOV BX, ES: SIMOV EAX DS: BP；ES作段寄存器,；ES作段寄存器,；DS作段寄存器,BX做間址寄存器尋址的單元內(nèi)容送入SI做間址寄存器尋址的單元內(nèi)容送入BP做間址寄存器尋址的單元內(nèi)容送入AX寄存器中BX寄存器中EAX寄存器中段偏移主要用途CSIP指令尋址SSSP 或 BP堆棧尋址DSBX、DI , SI或一個(gè)1 6位數(shù)數(shù)據(jù)尋址ESDI(用于串指令)串尋址表2-4 8

16、0386 及其后繼機(jī)型缺省32位段地址和寄存器偏移地址尋址默認(rèn)組合段偏移主要用途CSEIP指令尋址SSESP 或 EBP堆棧尋址DSEAX、EBX、ECX、EDX、EDI數(shù)據(jù)尋址ESESI 一個(gè)8位數(shù)或一個(gè)32位數(shù)串指令尋址FSGSEDI(用于串指令)一般尋址無默認(rèn)無默認(rèn)一般尋址1. 邏輯地址(1 )選擇器和(2) 偏移地址2. 描述符(1)(2)(3) 息；(4)存儲(chǔ)器15031圖保護(hù)模式存儲(chǔ)器尋址示意圖保護(hù)模式存儲(chǔ)器尋址基地址(BASE)部分用來指定段的起始地址；界限(LIMIT)部分存放著該段的段長度；訪問權(quán)(ACCESS RIGHTS部分用來說明該段在系統(tǒng)中的功能，并給岀訪問該段的一些控制信附加字段部分在 386及其后繼機(jī)型中存在，它用來表示該段的一些屬性。系統(tǒng)按選擇器的內(nèi)容，根據(jù)指定的途徑可以找到所選段對應(yīng)的描述符，從而可以根據(jù)其給出的基 地址和界限值，確定所要找的存儲(chǔ)單元所在的段，再加上邏輯地址中指定的偏移地址，就可以找到相 應(yīng)的存儲(chǔ)單元。接口與外設(shè)外部設(shè)備與主機(jī)有三種不同的用途 :（ CPU 和存儲(chǔ)器） 的通信通過外設(shè)接口進(jìn)行，每個(gè)外設(shè)接口包括一組寄存器，一般 數(shù)據(jù)寄