語言程序設計第2章80x86計算機組織

第2章80x86計算機組織

計算機系統(tǒng)存儲器

中央處理機

外部設備2.180x86微處理器-1計算機主要有運算器、控制器、存儲器和輸入輸出設備構(gòu)成。20世紀70年代初期，運算器和控制器集成在一個芯片上，構(gòu)成中央處理機。表2.180x86微處理器概況（15頁）Intel80861.1英特爾80x86處理器8038680486奔騰奔騰II奔騰4802868086奔騰III酷睿多核系列4004IA-32處理器16位80x86處理器奔騰多核系列Intel64處理器32.180x86微處理器-2理解下面一些名詞術語：主頻數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線寬度地址總線寬度地址總線寬度與尋址空間的關系（16頁）2.180x86微處理器-3一般存儲器以字節(jié)為存儲信息的基本單位，用符號B表示，因此存儲容量可稱為：1MB，16MB，4GB。在計算機上計算一個題目的步驟：用計算機語言把所要計算的題目編程，把這一程序連同所要使用的數(shù)據(jù)一起存入存儲器中。計算機算題時，把程序和數(shù)據(jù)從存儲器中取到運算器中進行計算。（16頁）2.180x86微處理器-4為了使存儲器與運算器的速度相匹配，建立了層次結(jié)構(gòu)的存儲器組織：（16頁）

Cache主存（內(nèi)存）外存（輔存）早期的Cache做在芯片之外，從386開始在芯片中做入少量的Cache，486中集成了8KB，Pentium中有8KB的指令高速緩存和8KB的數(shù)據(jù)高速緩存，PentiumPro在以上基礎上又增加了256KB的二級緩存，PentiumⅡ中有32KB的高速緩存和512KB的二級高速緩存。2.180x86微處理器-5從8086到PentiumPro執(zhí)行一條指令所需時間的比較。（16頁）實模式、保護模式和虛擬模式的區(qū)別。工作方式1.實地址方式2.保護方式3.虛擬8086方式1.實地址方式該方式工作在開機或復位后，進入保護方式工作之前。其主要目的是為進入保護方式作必要配置和準備。實地址方式的特點尋址機制、存儲器管理、中斷處理機制和8086一樣。操作數(shù)默認長度16位。存儲器容量1M，分段管理，每段64K。存儲器兩端各一個固定區(qū)域。一個中斷向量表0000:0000～0000:00FF一個自舉入口程序FFFF:0000～FFFF:000F保護方式是Pentium的常規(guī)工作方式。只有在此方式下，才能發(fā)揮其強大的功能。其特點是：多任務，任務之間相互獨立，私密。存儲管理空間超大，可建立虛擬存儲器。32位和16位運算混合。虛擬8086方式一個模擬的8086CPU。其特性與8086相同。在PentiumCPU中，是保護方式下的一個任務。所以，在Pentium中可以建立很多個這樣的模擬8086CPU。2.2基于微處理器的計算機系統(tǒng)構(gòu)成-1微處理器、微型計算機、微型計算機系統(tǒng)的區(qū)別。計算機系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。（17頁）2.2.1硬件中央處理機CPU總線控制邏輯接口接口存儲器大容量存儲器I/O設備I/O子系統(tǒng)系統(tǒng)總線......2.2基于微處理器的計算機系統(tǒng)構(gòu)成-2存儲器（17頁）記憶部件，存放程序、數(shù)據(jù)、信息及中間結(jié)果。中央處理機：運算器控制器I/O子系統(tǒng)I/O設備大容量存儲器2.2基于微處理器的計算機系統(tǒng)構(gòu)成-3除必要的系統(tǒng)程序外，一般程序存放在外存中，只要當運行時，才把它調(diào)入內(nèi)存。系統(tǒng)總線（18頁）片內(nèi)總線、系統(tǒng)總線和外部總線。2.2基于微處理器的計算機系統(tǒng)構(gòu)成-4軟件：系統(tǒng)軟件用戶軟件（18頁）系統(tǒng)軟件核心是操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)是系統(tǒng)程序的集合，主要作用是對計算機系統(tǒng)的軟硬件資源進行管理。常駐監(jiān)督程序（一種駐留內(nèi)存的監(jiān)督程序）是操作系統(tǒng)的主要部分，只要一開機就存在于內(nèi)存中，它可以從用戶接收命令，并使操作系統(tǒng)執(zhí)行相應的動作。2.2基于微處理器的計算機系統(tǒng)構(gòu)成-5I/O驅(qū)動程序?qū)/O設備進行控制和管理，當系統(tǒng)程序或用戶程序使用I/O設備時，就調(diào)用它對設備發(fā)出命令，完成CPU和I/O設備的數(shù)據(jù)傳輸。文件管理程序用來處理存儲在外存中的大量信息，它可以和外存的設備驅(qū)動程序相連接，對存儲在其中的信息以文件的形式進行存取、復制及其他管理操作。2.2基于微處理器的計算機系統(tǒng)構(gòu)成-6文件編輯程序用來建立、輸入或修改文本。翻譯程序（匯編程序、解釋程序、編譯程序）（19頁）匯編程序：將匯編語言程序翻譯成機器語言程序。編譯程序：將高級語言翻譯成機器語言。解釋程序：將直接把高級語言在機器上運行，邊解釋邊執(zhí)行。

經(jīng)翻譯程序翻譯后，源程序變?yōu)?obj文件。2.2基于微處理器的計算機系統(tǒng)構(gòu)成-7連接程序把要執(zhí)行的程序與庫文件或其他已經(jīng)翻譯好的子程序連接在一起，形成.exe文件。裝入程序用來把程序從外存?zhèn)魉偷絻?nèi)存，以便機器執(zhí)行。計算機開始后需立即啟動，把常駐監(jiān)督程序裝入存儲器，使機器運轉(zhuǎn)起來。調(diào)試程序（DEBUG）系統(tǒng)提供給用戶的能監(jiān)督和控制用戶程序的一種工具，可以裝入、修改、顯示或逐條執(zhí)行一個程序。2.3中央處理機-12.3.1中央處理機CPU的組成（19頁）CPU中的高速緩存雖然在片內(nèi)，但就功能而言還是屬于存儲器的。CPU主要有以下三部分組成：算術邏輯部件控制邏輯工作寄存器組2.3中央處理機-22.3.280x86寄存器組寄存器分為程序可見的寄存器和程序不可見的寄存器兩大類。程序可見的寄存器：指在匯編語言程序設計中用到的寄存器，它們可以由指令來設定。程序不可見的寄存器：指一般應用程序設計中不用而由系統(tǒng)所用的寄存器。2.3中央處理機-3程序可見的寄存器分為通用寄存器、專用寄存器和段寄存器3類。通用寄存器（20頁）8086/8088和80286都是16位寄存器AX累加器BX基址寄存器CX計數(shù)器DX數(shù)據(jù)寄存器2.3中央處理機-4SP堆棧指針寄存器BP基址指針寄存器SI源變址指針寄存器DI目的變址指針寄存器（21頁）80x86的寄存器結(jié)構(gòu)80x86的程序可見寄存器組通用寄存器專用寄存器段寄存器

AHAXALBHBXBLCHCXCLDHDXDLSPBP

SIDI

IPFLAGSCSDSSSES8086/8088/80286寄存器EAXEBXECXEDXESPEBPESIEDIEIPEFLAGS

FSGS

3116158702.3中央處理機-58086～80286CPU各有8個16位通用寄存器AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI、DI。對于4個16位數(shù)據(jù)寄存器AX、BX、CX、DX。其每個又可以作為2個獨立的8位寄存器使用，它們被分別命名為AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH、DL。80386以上型號的CPU各有8個32位通用寄存器，它們是相應16位寄存器的擴展，被分別命名為EAX、EBX、ECX、EDX、ESP、EBP、ESI、EDI。在程序中每個8位、16位、32位寄存器都可以獨立使用。2.3中央處理機-6專用寄存器IP指令指針寄存器（22頁）

IP總是與CS段寄存器配合指出下一條要執(zhí)行指令的地址，其中存放偏移量部分。SP堆棧指針寄存器FLAGS標志寄存器（程序狀態(tài)寄存器）（22-24頁）OFDFIFTFSFZFAFPFCF標志寄存器(FLAGS/PSW）

1514131211109876543210

條件碼標志：控制標志：OF溢出標志DF方向標志SF符號標志IF中斷標志ZF零標志TF陷阱標志CF進位標志AF輔助進位標志PF奇偶標志例：ADDAX,BXJO/JCERROR?OFDFIFTFSFZF

AF

PF

CF

8086/8088OFDFIFTFSFZF

AF

PF

CF

IOPLNT

80286

RF

OFDFIFTFSFZF

AF

PF

CF

IOPLNTVM

80386

RF

OFDFIFTFSFZF

AF

PF

CF

IOPLNTVMAC

80486

RF

OFDFIFTFSFZF

AF

PF

CF

IOPLNTVMACIDVIPVIF313029282726252423222120191817161514131211109876543210Pentium80x86的標志寄存器(P.23)IOPL：I/O特權(quán)級VIP：虛擬中斷未決標志NT：嵌套任務標志

VIF：虛擬中斷標志RF：重新啟動標志VM：虛擬8086模式位AC：對準檢查方式位ID：標識標志

狀態(tài)標志位的符號表示在DEBUG下查看TF-a10013FD:0100pushf13FD:0101popax13FD:0102-tAX=0000BX=0000CX=0000DX=0000SP=FFECBP=0000SI=0000DI=0000DS=13FDES=13FDSS=13FDCS=13FDIP=0101NVUPEIPLNZNAPONC13FD:010158POPAX在DEBUG下查看TF-tAX=3202BX=0000CX=0000DX=0000SP=FFEEBP=0000SI=0000DI=0000DS=13FDES=13FDSS=13FDCS=13FDIP=0102NVUPEIPLNZNAPONC13FD:01020000ADD[BX+SI],ALDS:0000=CD-看出來TF=0AX=32020011，0010，0000，0010TF2.3中央處理機-7段寄存器（24頁）CS代碼段寄存器DS數(shù)據(jù)段寄存器SS堆棧段寄存器ES附加段寄存器

寄存器與存儲器的比較：

寄存器

存儲器

在CPU內(nèi)部在CPU外部訪問速度快訪問速度慢容量小，成本高容量大，成本低用名字表示用地址表示沒有地址地址可用各種方式形成2.4存儲器2.4存儲器

存儲器以字節(jié)（8bit）為編程單位每個字節(jié)單元都有唯一的地址編碼地址用無符號整數(shù)來表示（編程用十六進制表示）一個字要占用相繼的兩個字節(jié)低位字節(jié)存入低地址，高位字節(jié)存入高地址字單元地址用它的低地址來表示機器以偶地址訪問（讀/寫）存儲器2.4.1存儲單元的地址和內(nèi)容：（P.24-P.25）

10011111

0010011001001000

01011100

10000011存儲器的邏輯地址與物理地址邏輯地址段地址:偏移地址

1000:0000H

1000:0001H1000:0002H1000:0003H1000:0004H1000:0005H

物理地址10000H10001H10002H10003H

10004H10005H

10100010字節(jié)內(nèi)容（10000H）＝9FH；（10001H）＝26H字內(nèi)容（10000H）＝269FH；（10001H）＝4826H訪問兩次內(nèi)存請思考以下問題

如何讀一個字節(jié)單元的內(nèi)容？如何讀一個字單元的內(nèi)容？如何讀一個雙字單元的內(nèi)容？存儲器單元的內(nèi)容取走后還有嗎？8086以偶地址還是奇地址訪問存儲器？如何用地址表示某存儲單元的內(nèi)容？請參看教材P.24-P.252.4.2實模式存儲器尋址存儲器地址的分段如何解決在16位字長的機器里提供20位地址的問題？段可以起始于任意地址嗎？機器內(nèi)如何劃分一小段的？一小段的大小是多少？每個小段的首地址特征是什么？1MB的地址空間里，共有多少個小段首地址？請參看教材P.27存儲器的分段：20根地址線：地址范圍00000H~FFFFFH（1MB）機器字長16位：僅能表示地址范圍0000H~FFFFH（64KB）小段：每16個字節(jié)為一小段，共有64K個小段小段的首地址00000H~0000FH00010H~0001FH00020H~0002FH…FFFF0H~FFFFFH

段起始地址：小段首地址段的大小：64K范圍內(nèi)的任意字節(jié)實模式存儲器尋址時物理地址的計算物理地址和存儲單元的對應關系如何？20位物理地址的計算方法？

一個存儲單元的邏輯地址惟一嗎？一個存儲單元的物理地址惟一嗎？請參看教材P.27-P.28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

8086有哪幾個段寄存器?段寄存器里放的內(nèi)容是什么?各個段的用途是什么?段的分配方式如何?段重疊指的是什么?段區(qū)的分配工作是由誰完成的?請參看教材P.28-P.2964KB代碼64KB堆棧64KB數(shù)據(jù)存儲器的邏輯分段：

存儲器01500H42000H1CD00H0150H4200H1CD0H段寄存器CSDSSSES

64KB附加數(shù)據(jù)B0000HB000H

256堆棧

存儲器

8KB代碼

2KB數(shù)據(jù)02000H04800H04000H0200H0400H0480HCSDSSS段寄存器與其對應存放偏移地址的寄存器之間的默認組合關系如程序用到非默認的組合關系如何處理?請參看教材P.30保護模式存儲器尋址

在保護模式下，邏輯地址的組成？和實模式尋址的區(qū)別？描述符的概念？請參看教材P.30-P.31

描述符64

所選存儲單元支持多任務處理功能支持虛擬存儲器特性

保護模式下的80x86保護模式下的存儲器尋