微型计算机原理第二章

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1、微型计算机原理与接口技术,第,2,章,80X86,微处理器,,2.1 32,位微处理器内部结构,2.2,32,位微处理器的工作模式和地址空间,,1.,位和字节,,,位（,bit,）是计算机所能表示的最小最基本的数据单位，它指的,,是取值只能为,0,或,1,的一个二进制数值位。位作为单位时记作,b,,,字节（,byte,）由,8,个位二进制位组成，通常用作计算存储容量的,,单位。字节作为单位时记作,B,,,K,是,kelo,的缩写，,1K=1024=2,10,；,,,M,是,mega,的缩写，,1M=1024K=2,20,；,,,G,是,Giga,的缩写，,1G=1024M=2,30,；,,

2、,T,是,tera,的缩写，,1T=1024G=2,40,。,,10000101,,一,.,微型计算机的常用术语,2.,字长,(,数据宽度,),,,字长是微处理器一次可以直接处理的二进制数码的位数，它通常取,,决于微处理器内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度。微处理,,器的字长有,4,位、,8,位、,16,位、,32,位和,64,位等等。,3.,寻址能力,,,指,CPU,能直接存取数据的内存地址的范围，它由,CPU,的地址总线的数,,目决定。,,,,一,.,微型计算机的常用术语,4.,主频,,主频,也叫,时钟频率,，用来表示微处理器的运行速度，主频越高,,表明微处理器运行越快，主频的单位是,M

3、Hz,。,5. MIPS,,,MIPS,是,Millions of Instruction Per Second,的缩写，用来表示微处理器的性能,----,运算速度,，,每秒钟能执行多少百万条指令,.,,,,6.,微处理器的集成度,,指微处理器芯片上集成的晶体管的密度。,,一,.,微型计算机的常用术语,型号,发布,,年分,字长,,(,位,),晶体管,,(,万个,),数据总线宽度,外部总线宽度,主频,寻址空间,高速,,缓存,8086,1978,16,2.9,16,16,4.77,1M,无,8088,1979,16,2.9,16,8,4.77,1M,无,286,1982,16,13.4,16,16

4、,6~20,16M,无,386,1986,32,27.5,32,32,12~33,4G,有,486,1989,32,120,32,32,25~100,4G,8K,奔腾,1993,32,310,64,64,60~166,4G,8K,奔腾,Pro,1995,32,550,64,64,150~,,200,64G,8K,,256K,奔,2,1997,32,750,64,64,233~333,64G,32K,,512K,Itanium,2000,64,2.2,亿,64,64,1G,以上,64G,6M,集成三级,酷睿,2,,2006,64,2.91,亿,,64,64,3.60G,64G,6M,集成三级,,

5、二,.,微处理器的发展,微处理器的基本功能模块,:,总线接口单元,BIU,,（寄存器组）,,执行单元,EU,,（运算器和控制器、寄存器组）,2.1 32,位微处理器内部结构,,一,.,微处理器的内部结构,,486,内部寄存器分为,4,类,:,基本结构寄存器,,浮点寄存器,,系统级寄存器,,调试测试寄存器,应用程序只能访问基本结构寄存器和浮点寄存器。,(,我们只介绍基本结构寄存器,),,二,.,微处理器的基本结构寄存器,,AH AX AL,,BH BX BL,,CH CX CL,,DH DX DL,,SP,,BP,,DI,,SI,,IP,,FLAGS,CS,DS,ES,SS,

6、FS,GS,32,位名称,EAX,,EBX,,ECX,,EDX,,ESP,,EBP,,EDI,,ESI,8,位名称,16,位名称,EIP,,EFLAGS,,名称,,累加器,,基址变址,,计数,,数据,,堆栈指针,,基址指针,,目的变址,,源变址,指令指针,,标志,代码,,数据,,附加,,堆栈,32,位,16,位,注意：,,,286,以下绿色区域不可用；,,,FS,、,GS,无专用名称；,二,.,微处理器的基本结构寄存器,AX (,accumulater,)-----,累加器,,,BX (Base)-----,基址寄存器,,,CX (Count)-------,计数器,,,DX (Data)--

7、---,数据寄存器,,AH AX AL,,BH BX BL,,CH CX CL,,DH DX DL,,SP,,BP,,DI,,SI,32,位名称,EAX,,EBX,,ECX,,EDX,,ESP,,EBP,,EDI,,ESI,16,位名称,,名称,,累加器,,基址变址,,计数,,数据,,堆栈指针,,基址指针,,目的变址,,源变址,8,位名称,1.,通用寄存器,二,.,微处理器的基本结构寄存器,AX,、,BX,、,CX,、,DX,共同特点,：,,既可作为,16,位寄存器来用又可作为两个,8,位寄存器（高、低位）来用；,,都是用于暂存操作数，或是运算的中间结果或其它一些信息。,,指令

8、＝操作码＋操作数,,AH AX AL,,BH BX BL,,CH CX CL,,DH DX DL,,SP,,BP,,DI,,SI,32,位名称,EAX,,EBX,,ECX,,EDX,,ESP,,EBP,,EDI,,ESI,16,位名称,,名称,,累加器,,基址变址,,计数,,数据,,堆栈指针,,基址指针,,目的变址,,源变址,8,位名称,二,.,微处理器的基本结构寄存器,IP,、,SP,、,BP,、,SI,、,DI,：为寻址存贮单元提供偏移地址。其中：,,IP (Instruction Pointer)-------,指令,指针,,AH AX AL,,BH BX BL,

9、,CH CX CL,,DH DX DL,,SP,,BP,,DI,,SI,32,位名称,EAX,,EBX,,ECX,,EDX,,ESP,,EBP,,EDI,,ESI,16,位名称,,名称,,累加器,,基址变址,,计数,,数据,,堆栈指针,,基址指针,,目的变址,,源变址,8,位名称,,IP,SP (Stack Pointer)------,堆栈,指针,,BP (Base Pointer)------,基址,指针,,SI (Source Index)------,源变址寄存器,,DI (Destination Index)------,目的变址寄存器,二,.,微处理器的基本结构寄存器,CS

10、,、,DS,、,ES,、,SS,------4,个段寄存器，和偏移地址寄存器一起形成,20,位存储器物理地址，对存储器中存放的程序、数据、堆栈区域加以区别、寻址。,,寻址程序,(,指令,),：,CS,＋,IP,；,,寻址数据：,(DS,或,ES),＋,(SI,或,DI,、,BX,、,BP),；,,寻址堆栈：,SS,＋,(SP,或,BP),,,具体用法在寻址方式中介绍,CS,DS,ES,SS,FS,GS,代码,,数据,,附加,,堆栈,二,.,微处理器的基本结构寄存器,,标志寄存器,FLAGS,又称为程序状态字,PSW,，为,16,位寄存器，该寄存器主要有,两个作用,：,,记录,CPU,运行结果状

11、态标志；,,提供控制标志。,,,FLAGS,各位含义如下：,,15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0,,OF DF IF TF SF ZF AF PF CF,,FLAGS,EFLAGS,标志寄存器,二,.,微处理器的基本结构寄存器,,根据功能，,8086,的标志可以分为两类：,,,状态标志：,表示前面的操作执行后，算术逻辑部件处在怎样一种状态，这种状态会像某种先决条件一样影响后面的操作。有,SF,、,ZF,、,PF,、,CF,、,AF,和,OF,,,控制标志：,每个控制标志都对某一种特定的功能起控制作用。指

12、令系统中有专门的指令用于控制标志的设置和清除。有,DF,、,,IF,、,,TF,。,二,.,微处理器的基本结构寄存器,一,.,32,位微处理器工作模式,,1.,实模式的特点,,①加电、复位之后，,486,自动工作在实模式，系统在,DOS,管理下,,②在实模式下，,486,只能访问第一个,1M,内存,(00000H,~,FFFFFH),,实地址模式,(,实模式,),,,保护虚拟地址模式,(,保护模式,),,,虚拟,86,模式,2.2,32,位微处理器的工作模式和地址空间,,③,,存储管理部件对存储器只进行分段管理，没有分页功能，每一逻辑段的最大容量为,64K,。,,在实模式下，段寄存器中存放段基

13、址。,2.,保护模式的特点,:(,仅作了解）,,,486,工作在保护模式下，才能真正发挥它的设计能力。,,①在保护模式下，,486,支持多任务操作系统,,②在保护模式下，,486,可以访问,4G,物理存储空间,,③存储管理部件中，对存储器采用分段和分页管理,一,.X86,微处理器的工作模式,3.,虚拟,86,模式,（仅作了解）,:,,,虚拟,86,模式是保护模式下的一种特殊工作模式,,,可运行实模式程序。,,在操作系统管理下,,486,可以分时地运行多个实模式程序。,,,例如：,有,3,个任务,,,操作系统为每一个任务分配,1ms,,每通过,1ms,就发生一次任务切换,,,从宏观上看系统是在执

14、行多个任务。,,,一,.X86,微处理器的工作模式,,1.,存储空间：,,,物理空间,(,物理存储器地址空间）：,,程序的运行空间,,,即主存空间,2,32,=4G,,,物理,,地址： 物,,理,,空,,间,,,,486,有,32,条地址线，内存最大容量,4G,。这,4G,字节称为物理存储器，每一单元的地址称为,物理地址,，其地址范围：,0000,0000H,~,FFFF,FFFFH,为物理存储空间。,二,.,32,位微处理器的地址空间,,,虚拟空间,(,虚拟存储器地址空间,):,编程空间,,虚拟存储器是一项硬件和软件结合的技术。,,存储管理部件把主存,(,物理存储器,),和辅存,(,磁盘,)

15、,看作是一个整体，即虚拟存储器。允许编程空间为,2,46,=64T,，程序员可在此地址范围内编程，程序可大大超过物理空间。该空间对应的地址称为,虚拟地址,或,逻辑地址,。运行时，操作系统从虚拟空间取一部分程序载入物理存储器运行。当程序运行需要调用的程序和要访问的数据不在物理存储器时，操作系统再把那一部分调入物理存储器,.,……,数据的交换极快，程序察觉不到。,,二,.X86,微处理器的地址空间,线性地址,实模式：存储空间仅分段，而不分页；,,保护模式：存储空间先分段，再分页。,分页部件,,线性空间：,当程序从虚拟空间调入物理空间时，要进行地址转换。,,分段部件首先把虚拟地址,(,编程地址,),

16、转换为,线性地址,,,☆,如果不分页的话，线性地址就是物理地址；,☆,如果分页的话，则由分页部件把线性地址转换为,,物理地址。,虚拟地址,不分页,物理地址,分段部件,二,.X86,微处理器的地址空间,I/O,地址空间与存储空间不重叠,,,CPU,有一条控制线,M/IO,，在硬件设计上用,M/IO=1,，参与存储器寻址，用,M/IO=0,参与,I/O,寻址。,,从,PC/XT,～,Pentium,，基于,Intel,微处理器的系统机，实际上只使用低,10,位地址线，寻址,2,10,=1024,个,I/O,端口。,2. I/O,空间,:,,486,利用低,16,位地址线访问,I/O,端口，所以,I

17、/O,端口最多有,2,16,=64K,，,I/O,地址空间为,0000H,～,FFFFH,。,,注意：,,I/O,地址空间不分段,二,.X86,微处理器的地址空间,三,.,,,实模式下,,,物理地址的形成（重要）,,1.,存储器的分段管理,:,,486,对存储器采用分段管理,,,一个单元的地址由两部分组成,,,写成,:,段基址∶偏移地址,,,,设某单元物理地址为,12345H,,,则,:,12345H= 1000H *2,4,+ 2345H,,,段基址 偏移地址,,,逻辑地址,,,在一个逻辑段中,,,各单元的,段基址,是相同的,,,通过段寄存器给出,,,偏移地址,是该单元相对于段首的地址偏

18、移量,,一个,,逻辑段,,10000H,12345H,,,一般情况下，,CS,、,DS,、,ES,、,SS,等各段在存储器中的分配由操作系统负责，每个段可以独立占用,64K,存储区，各段也允许重叠。如图所示为段分配方式之一,:,各段独立占用,64K,存储区,.,0150H,4200H,B000H,1CD0H,,64K,代码,,64K,堆栈,,64K,数据,,64K,附加数据,,01500H,42000H,1CD00H,CS,B0000H,DS,ES,SS,存储器,段寄存器,三,.X86,实模式下,20,位物理地址的形成,16,位段地址,16,位段内偏移量,16,位段地址,0000,,20,位物

19、理地址,地址加法器,段寄存器,偏移地址寄存器,左移,4,位,15 0,16,位段寄存器,0000,20,位物理地址,19 0,+,15 0,16,位偏移地址,三,.X86,实模式下,20,位物理地址的形成,,,,,,,,,内部暂存器,,IP,,ES,,SS,DS,CS,输入,/,输出控制电路,外部总线,执行部分控制电路,1 2 3 4 5 6,∑,ALU,标志寄存器,AH AL,BH

20、 BL,CH CL,DH DL,SP,BP,SI,DI,通用,,寄存,,器,地址加法器,指令队列缓冲器,执行部件 （,EU),总线接口部件 （,BIU),16,位,20,位,16,位,8,位,,AX,,BX,,CX,,DX,三,.X86,实模式下,20,位物理地址的形成,逻辑地址需由程序员在编程时给出,,段 基 址：指明由哪个段寄存器给出即可,,偏移地址：由程序员在程序中给出具体值,操作系统将程序调入内存时才给段寄存器赋实际值。此时，计算出的,20,位地址才是实际的物理地址,注意： 物理地址与逻辑地址,,,,逻辑地址,——,程序中编排的地址，由段基址和段内偏移地

21、址组成；,,物理地址,——,信息、数据在存储器中实际存放的地址。,,物理地址是唯一的，不同的逻辑地址可得到相同的物理地址。 如：,,,2000H,：,0200H —— 20200H,,2010H,：,0100H —— 20200H,三,.X86,实模式下,20,位物理地址的形成,,逻辑段 段基址存放在,……,,偏移地址存放在,……,,,代码段,,CS IP,,,堆栈段,,SS SP,,,数据段,,DS,根据不同的寻址方式,,,附加段,,ES/FS/GS,选择,BX,、,SI,、,DI,,,2.,各逻辑段

22、物理地址的形成,(,以,16,位寻址为例,):,,在实模式下,,,段寄存器存放相应逻辑段的段基址,代码段,：,CS*2,4,+IP =,指令单元的物理地址,,一条指令的一个字节取出后，,IP,自动加,1,，指向下一字节。,,堆栈段：,SS*2,4,+SP =,栈顶单元的物理地址,,数据段：,DS*2,4,+,偏移地址,=,数据单元的物理地址,三,.X86,实模式下,20,位物理地址的形成,3,．段寄存器和指针寄存器的初值,,CS,、,IP,的初值：由操作系统赋值,DS/ES/FS/GS,的初值：由程序员赋值。,SS,、,SP,的初值：①由程序员赋值,,②由操作系统自动赋值,BX/SI/DI/BP,的初值：由程序员赋值。,三,.X86,实模式下,20,位物理地址的形成,第,2,章 学习重点,1.,了解,X86,内部主要功能块的简单作用,,2.,掌握基本结构寄存器中的通用寄存器、段寄存器、指针寄存器的结构、名称、汇编助记符,,3.,掌握,32,位微处理器工作模式中的实模式的特点，了解保护模式的工作特点,,4.,掌握实模式下存储器各个逻辑段的物理地址的形成方法，以及,CS,、,IP,，,SS,、,SP,，,DS,、,ES,各寄存器初值的赋值原则及特点,