第章計算機組織

1、第 2 章 80x86 計算機組織1教學目的 :掌握 INTEL80X86 微處理器的結構及內存單元地址與內容的含義和關系， 了解計算機接口的構成，為匯編語言編程奠定基礎。2教學要求：熟練掌握 INTEL80X86 微處理器的結構 掌握內存單元地址與內容的含義和關系了解計算機接口的構成3教學重點：微處理器的功能結構微存儲器組織4掌握難點：微處理器的寄存器組存儲器尋址5 教學進程安排：P19326教學方法：重點講授微處理器的功能結構和微存儲器組織 一般敘述計算機接口的構成7教學內容摘要：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 設計了 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：芯片中所用的主時鐘頻率，反映計算機的運算速度；? 數(shù)據(jù)總線：負責計算機中數(shù)據(jù)在各組成部分之間的傳送；? 數(shù)據(jù)總線寬度：芯片內部數(shù)據(jù)傳送的寬度；? 外部數(shù)據(jù)總線寬度：芯片內和芯片外數(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)值可以確定處理機可以訪問的存儲器的最大 范圍。例： 20 位地址總線可

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

4、如鍵盤、鼠標器和掃描儀等。? 輸岀設備：用來輸岀計算機的處理結果及程序清單。如顯示器和打印機。?存儲器：用來存放程序和數(shù)據(jù)。在控制器的控制下，可與輸入設備、輸出設備、運算器、控制器交換信息，是計算機中各種信息存儲和交流的中心。?運算器：用來對信息及數(shù)據(jù)進行處理和計算。也稱為算術邏輯部件ALU( Arithmetic andLogic Un it )。?控制器：是整個計算機的指揮中心，用來指揮計算機各部件的操作，使其協(xié)調一致地工作。2.2.2軟件系統(tǒng)計算機軟件是計算機系統(tǒng)的重要組成部分，它可以分成系統(tǒng)軟件和應用軟件兩大類。圖表示了計 算機軟件的層次。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)|診斷與維護程序 調試程序 編輯程序 裝配鏈接程序應用軟件用戶程序軟件包圖軟件系統(tǒng)的層次中央處理機中央處理機CPU的組成? 算術邏輯部件：進行算術和邏輯運算；? 控制邏輯部件：負責對全機的控制工作；? 工作寄存器：存放計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：匯編語言程序設計中用到的寄存器，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、來暫時存放計算過程中所用到的操作數(shù)、結果或其它信 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指令與外設的信息。BX:通用寄存器； 基址寄存器。CX通用寄存器；保存計數(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數(shù)器。DX通用寄存器；雙字長運算時，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）: 運算過程中存放操作數(shù)，只能以字（16 位）為單位使用； 存儲器尋址時，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單元的地址；SI （源變址寄存器）和 中某一存儲單元的地址。 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 具有自動增量和自動減量的功能。在串處理指令中，SI和DI作為隱含SI和DS聯(lián)用實現(xiàn)在數(shù)據(jù)段中尋址，DI和附加段寄存器 ES聯(lián)用實現(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標志寄存器/程序狀態(tài)寄存器 PSW:存放條件碼標志、控制標志、系統(tǒng)標志，可按位操作。圖80X86的標志寄存器（1） 條件碼標志位：記錄程序中運行結果的狀態(tài)信息，根據(jù)有關指令的運行結果由CPU自動設 置，用作后續(xù)條件轉移指令的轉移控制條件。 溢岀標志（OF）:在運算過程中，如操作數(shù)超岀了機器能表示的范圍稱為溢岀。此時OF置1，否則置0。 符號標志（SF）:記錄運算結果的符號，負時置1，否則置0。 零標志（ZF）:運算結果為 0時置1,否則置0。 進位標志（CF）:最高有效位有進位時置1,

9、否則置0。 輔助進位標志（AF）:記錄運算時第 3位產(chǎn)生的進位值，有進位時置1,否則置0。 奇偶標志（PF）:用來為機器中傳送信息時可能產(chǎn)生的代碼岀錯情況提供檢驗條件。當結果操作 數(shù)中1的個數(shù)為偶數(shù)時置 1，否則置0。 控制標志位（DF）:在串處理指令中控制處理信息的方向。當DF為1時，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DF為0時，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)標志位：用于I/O、中斷屏蔽、程序調試、任務切換和系統(tǒng)工作方式等的控制。一般應用程序不必關心這些位，只有系統(tǒng)程序員或需要編制低層I/O設備控制等程序

10、時才需要。 陷阱標志（TF）:用于調試時的單步方式操作。TF為1時，每條指令執(zhí)行完后產(chǎn)生陷阱，由系統(tǒng)控制計算機；TF為0時，CPU正常工作，不產(chǎn)生陷阱。 中斷標志（IF ）:當IF為1時，允許CPU響應可屏蔽中斷請求，否則關閉中斷。（第八章） I/O特權級（IOPL）:在保護模式下，用于控制對I/O地址空間的訪問。（第八章）標志位的符號表示表2-1標志位的符號表示標志名標志為1標志為0OF 溢出（是/否）OVNVDF 方向（減量/增量DNUPIF中斷（允許/關閉）EIDISF 符號（負/正）NGPLZF零（是/否）ZRNZAF輔助進位（是/否）ACNAPF 奇偶（偶/奇）PEPOCF 進位（是

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

12、取岀其內容后，該單元仍 然保存著原來的內容不變，可以重復取岀，只有存入新的信息后，原來保存的內容就自動丟失了。地址及其內容：（地址）=內容表2-2內存單元得地址及內容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號字單元的內容(0002H)=5678H女口： 2號雙字單元的內容(0002H)注：同一個地址既可看作字節(jié)單元的地址，又可看作字、雙字、4字單元的地址。例：(0004H) = 45A6H實模式存儲器尋址1.存儲器地址的分段(1) 實模式下允許的最大尋址空間為1MB(2) 要解決在

13、16位字長的機器里怎么提供20位地址的問題，而解決 的辦法是采用存儲器地址分段的方法。(3) 物理地址的形成78H56H34H12HA6H45H0001H0002H0003H0004H0005H1234H1235H物理地址=段地址X 16D+偏移地址(4)實模式存儲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)物理地址計算方法150存儲器段基地址所選段最大64KB圖實模式存儲器尋址時物理地址的形成與計算過程圖實模式存儲器尋址2.段寄存器(

14、1) 代碼段CS:存放當前正在運行的程序；、(2) 數(shù)據(jù)段DS數(shù)據(jù)段存放當前運行程序所用的數(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存放偏移地址的寄存器之間有一種默認組合關系，如表 所示：有時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。在這種默認組合下，程序中不必專門指定其組合關系，但程序

15、如用到非默認的組合關系，則必須 用段跨越前綴加以說明。這一點將在第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容送入SI做間址寄存器尋址的單元內容送入BP做間址寄存器尋址的單元內容送入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 及其后繼機型缺省32位段地址和寄存器偏移地址尋址默認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8位數(shù)或一個32位數(shù)串指令尋址FSGSEDI(用于串指令)一般尋址無默認無默認一般尋址1. 邏輯地址(1 )選擇器和(2) 偏移地址2. 描述符(1)(2)(3) 息；(4)存儲器15031圖保護模式存儲器尋址示意圖保護模式存儲器尋址基地址(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(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)按選擇器的內容，根據(jù)指定的途徑可以找到所選段對應的描述符，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 應的存儲單元。接口與外設外部設備與主機有三種不同的用途 :（ CPU 和存儲器） 的通信通過外設接口進行，每個外設接口包括一組寄存器，一般 數(shù)據(jù)寄