第二章-80X86計(jì)算機(jī)組織-課件

第2章80x86計(jì)算機(jī)組織2.180X86微處理器2.2基于微處理器的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成2.3中央處理機(jī)2.4存儲器2.5外部設(shè)備2.180X86計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)微型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要是由三部分組成，它們是：中央處理器CPU、存儲器、輸入／輸出設(shè)備，如圖1所示。圖1計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

2.1.1中央處理器

中央處理器又稱為微處理器，內(nèi)部由運(yùn)算器、控制器和寄存器三部分組成。運(yùn)算器也稱為算術(shù)邏輯部件，是用來執(zhí)行指令所要求的算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)傳送等操作?？刂破魇强刂茍?zhí)行步驟；從內(nèi)存中取出指令，分析指令的操作碼,完成操作數(shù)的存取，發(fā)出相應(yīng)的控制命令等。

2.1.2總線結(jié)構(gòu)

總線負(fù)責(zé)傳送地址、數(shù)據(jù)和控制信息，因此包括：數(shù)據(jù)總線DB（DataBus）地址總線AB（AddressBus）控制總線CB（ControlBus）三類總線的主要任務(wù)是負(fù)責(zé)CPU與內(nèi)存、外存、外部設(shè)備交換信息。1.

數(shù)據(jù)總線DB

數(shù)據(jù)總線是用來傳送數(shù)據(jù)的。CPU與內(nèi)存、I/O設(shè)備之間通過數(shù)據(jù)總線傳送數(shù)據(jù)，80x86系列的數(shù)據(jù)總線有8位、16位、32位和64位。2.地址總線AB

地址總線是用來傳送地址的。內(nèi)存中的每個字節(jié)都對應(yīng)著一個唯一的地址。地址總線的位數(shù)與尋址空間有著直接的關(guān)系。例如：8086/8088地址總線20根，則可訪問的地址為：220=1，048，576=1M

則8086/8088最大可用的存儲空間為1M字節(jié)。3.控制總線CB

控制總線是傳送控制信息的。

存儲器是計(jì)算機(jī)的記憶部件,包括內(nèi)存(主存)和外部存儲器(輔助存儲器),存儲器中存放的是指令和數(shù)據(jù)。存儲器由若干存儲單元構(gòu)成,存儲單元的最小單位是字節(jié)。將所有的存儲單元按順序編號，即每一個字節(jié)有一個唯一的編號，這些編號稱為存儲單元的地址(也稱為物理地址)。IBMPC機(jī)及其兼容機(jī)的存儲器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本是相同的，存儲器系統(tǒng)主要分為3個主要部分：程序暫駐區(qū)(TPA)、系統(tǒng)內(nèi)存區(qū)、擴(kuò)展存儲區(qū)(XMS)2.1.3

存儲器在微機(jī)系統(tǒng)中最常用的外部設(shè)備有：鍵盤顯示器打印機(jī)外部存儲器等CPU與外部設(shè)備交換信息是通過I/O接口電路來完成的。2.1.4外部設(shè)備外部設(shè)備外部設(shè)備與主機(jī)（CPU和存儲器）的通信是通過外設(shè)接口（Interface）進(jìn)行的，每個接口包括一組寄存器。數(shù)據(jù)寄存器：存放外設(shè)和主機(jī)間傳送的數(shù)據(jù)狀態(tài)寄存器：保存外設(shè)或接口的狀態(tài)信息命令寄存器：保存CPU發(fā)給外設(shè)或接口的控制命令，外設(shè)中每個寄存器有一個端口（Port）地址，構(gòu)成一個獨(dú)立于內(nèi)存的I/O地址空間：0000H~FFFFH寄存器分為3類：通用寄存器、控制寄存器、段寄存器。如圖80X86寄存器組2.280X86CPU的寄存器

8086/8088微處理器8086/8088的主要特性：Intel8086/8088采用高速運(yùn)算性能的HMOS工藝制造，內(nèi)含29000個晶體管，封裝在標(biāo)準(zhǔn)的40引腳雙列直插式塑封管殼內(nèi)。采用兩個+5V電源供電。數(shù)據(jù)總線：8086：16位，8088：8位。地址總線：20位，其中8086的低16位與數(shù)據(jù)總線復(fù)用；8088的低8位與數(shù)據(jù)總線復(fù)用。內(nèi)存空間：20位地址線可直接尋址1MB存儲空間。尋址方式：7種基本的尋址方式，提供了靈活的操作數(shù)存取方法。

指令系統(tǒng)：100條基本指令除能完成數(shù)據(jù)傳送、算數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、控制轉(zhuǎn)移和處理器控制功能外，內(nèi)部還設(shè)有硬件乘除法與串處理指令電路，可以對位、字節(jié)、字節(jié)串、字串、壓縮和非壓縮型BCD碼等多種數(shù)據(jù)類型進(jìn)行處理。

時鐘頻率：8088：4.7MHz；8086：5MHz；8086-2：8MHz。

中斷功能：可處理內(nèi)部軟件和外部硬件中斷，中斷源多達(dá)256個。工作模式：支持單處理器、多處理器兩種模式。8086/8088的編程結(jié)構(gòu)所謂編程結(jié)構(gòu)：從程序員和使用者的角度來看的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)與CPU內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)和實(shí)際布局有區(qū)別，8088編程結(jié)構(gòu)如下頁圖所示，從編程結(jié)構(gòu)圖中可以看到，8088分為兩個部分：1、總線接口部件BIU（BusInterfaceUnit）2、執(zhí)行部件EU（ExecutionUnit）8086CPU的功能結(jié)構(gòu)——內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成（1）執(zhí)行單元（EU）（a）組成16位算術(shù)邏輯單元ALU;16位狀態(tài)標(biāo)志寄存器FLAG;8個16位通用寄存器組(AX,BX,CX,DX,SP,BP,SI,DI)16位數(shù)據(jù)暫存器；EU控制電路；（b）功能從BIU指令隊(duì)列中讀取指令；由EU控制電路對指令進(jìn)行譯碼分析，指出操作性質(zhì)及對象；在EU中計(jì)算出操作數(shù)的16位地址偏移量送給BIU，由BIU的∑形成20位絕對地址；將取來的操作數(shù)經(jīng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線送ALU進(jìn)行指定操作；運(yùn)算結(jié)果經(jīng)內(nèi)部總線送到指定位置（a）部件4個16位段寄存器CS,DS,SS,ES;16位指令偏移地址寄存器IP;6個字節(jié)指令隊(duì)列ISQ;形成20位物理地址的加法器∑;與EU通訊的內(nèi)部寄存器；總線控制邏輯；（2）總線接口單元（b）功能：實(shí)現(xiàn)CPU與存儲器或I/O口之間的數(shù)據(jù)傳送。根據(jù)CS和IP取指令進(jìn)入指令隊(duì)列。由EU從指令隊(duì)列中取指令，并根據(jù)EU請求BIU將20位操作地址傳送給存儲器；取來操作數(shù)經(jīng)總線控制邏輯傳送到內(nèi)部EU數(shù)據(jù)總線，由EU完成內(nèi)部操作；操作結(jié)果若EU提出請求，則由BIU負(fù)責(zé)產(chǎn)生20位實(shí)際目標(biāo)地址，將結(jié)果寫入存儲器里；（2）總線接口單元寄存器結(jié)構(gòu)及操作在8086/8088CPU中，把寄存器分成四大類：數(shù)據(jù)寄存器；地址指針和變址寄存器；段基址寄存器；控制寄存器；（一）數(shù)據(jù)寄存器用來存放操作數(shù)及中間結(jié)果的通用寄存器稱為數(shù)據(jù)寄存器。16位寄存器：AX,BX,CX,DX（可以分成兩個8位的使用）8位寄存器：AH,AL,BH,BL,CH,CL,DH,DL有些存儲器有特殊功能：如AX和AL為累加器，乘法指令中專用；BX可以作為基址指針，CX為計(jì)數(shù)寄存器。AX----1）作為累加器用，在加法運(yùn)算中參與運(yùn)算，結(jié)果存于累加其中；2）所有的I/O指令都使用這一寄存器與外部設(shè)備傳送信息BX----作為通用寄存器使用，在計(jì)算存儲器地址的時候，它經(jīng)常用作基址寄存器CX----1）作為通用寄存器使用；2）常用來保存計(jì)數(shù)值，如在移位指令、循環(huán)指令和串處理指令中用作隱含的計(jì)數(shù)器DX----1）作為通用寄存器使用；2）在一些指令中，通常用它來存放數(shù)據(jù)，所以又稱為數(shù)據(jù)寄存器；3）在做雙字長運(yùn)算時，將DX和AX組合在一起存放雙字長數(shù)，用DX存放高位字；4）對某些I/O操作時，DX用來存放端口的地址（二）地址指針和變址寄存器指針寄存器包括堆棧指針寄存器SP（stackpointer）和基數(shù)指針寄存器BP(basepointer)，變址寄存器包括源變址寄存器SI(sourceindex)和目的變址寄存器DI(destinationindex)。這4個寄存器都是16位寄存器。這些寄存器在運(yùn)算過程中也可用來存放操作數(shù)(只能以字為單位)，但經(jīng)常的用途是在段內(nèi)尋址時提供偏移地址。SP和BP一般與段寄存器SS聯(lián)用，以確定堆棧段中某一存儲單元的地址，SP用以指示棧頂?shù)钠频刂?，而BP可作為堆棧區(qū)中的一個基地址，用以確定在堆棧中的操作數(shù)地址。SI和DI一般與段寄存器DS聯(lián)用，以確定數(shù)據(jù)段中某一存儲單元的地址。SI和DI具有自動增量和自動減量的功能，這一點(diǎn)使在串操作指令中用作變址非常方便，SI作為隱含的源變址和DS聯(lián)用，DI作為隱含的目的變址和ES聯(lián)用，從而達(dá)到在數(shù)據(jù)段和附加段中尋址的目的。

（三）段基址寄存器段基址寄存器用于存放4個當(dāng)前段的起始地址。4個段為：代碼段CS，數(shù)據(jù)段DS，堆棧段SS和附加段ES。1、存儲器的段8086/8088CPU對可尋址的1MB空間劃分為很多個邏輯段，每個邏輯小于64KB，段內(nèi)地址是連續(xù)的。CPU規(guī)定4個段寄存器存放當(dāng)前可尋址的段基址。CS指示當(dāng)前的代碼段；DS指示當(dāng)前的數(shù)據(jù)段；SS指示當(dāng)前的堆棧段；ES指示當(dāng)前的附加段；（三）段基址寄存器為了方便編寫程序，4個段寄存器是隱含使用的，但也允許段超越DEBUG命令的使用(1)1、輸入DEBUG運(yùn)行DEBUG程序，顯示提示符_。2、退出DEBUG命令：Q3、顯示CPU內(nèi)部所有寄存器內(nèi)容和標(biāo)志位狀態(tài)：R顯示和修改標(biāo)志位狀態(tài)RF：4、匯編命令：A起始地址,若不輸入指令打回車鍵退出A命令。

5、單步命令：T=起始地址運(yùn)行指令數(shù)，進(jìn)入子程序內(nèi)部。6、反匯編命令：U起始地址結(jié)束地址7、修改寄存器命令：R寄存器名8、顯示內(nèi)存命令：D起始地址結(jié)束地址DEBUG命令的使用(2)9、運(yùn)行命令：G=起始地址結(jié)束(斷點(diǎn))地址10、修改內(nèi)存命令：E起始地址，連續(xù)修改打空格鍵。打回車鍵退出E命令。11、文件命名命令：N盤號：文件名12、讀文件命令：L內(nèi)存地址13、寫文件命令：W內(nèi)存地址14、讀扇區(qū)命令：L內(nèi)存地址盤號(0--A：，1--B：)扇區(qū)號扇區(qū)數(shù)15、寫扇區(qū)命令：W內(nèi)存地址盤號扇區(qū)號扇區(qū)數(shù)16、內(nèi)存搬家命令：M起始地址結(jié)束地址目的地址

0101010000111001 + 0100010101101010 1001100110100011高位=1，SF=1,NG低8位中偶數(shù)為4個，PF=1,PE運(yùn)算結(jié)果不為0，ZF=0,NZ低4位向前有進(jìn)位，AF=1,AC最高位向前沒有進(jìn)位，CF=0,NC運(yùn)算結(jié)果溢出，OF=1,OV（五）指令指針寄存器IP1、指令指針寄存器IP

指令指針寄存器IP始終指向當(dāng)前代碼段(CS)所要取出的下一條指令的地址。每取出一個字節(jié)指令后，IP自動加1?？梢杂棉D(zhuǎn)移指令、調(diào)用指令及中斷和復(fù)位等改變IP值。2.3存儲器一個存儲單元存放的信息為存儲單元的內(nèi)容字節(jié)單元內(nèi)容：地址00004H的內(nèi)容為34H,表示為（0004H）=34H。字單元內(nèi)容：多用偶地址來表示字單元的地址，字的低字節(jié)在偶地址上為偶地址，地址00004H的字單元內(nèi)容為1234H,表示為（00002H）=1234H。如下圖所示。某單元內(nèi)容的內(nèi)容：某單元的內(nèi)容為要尋找的單元地址，該地址所指的內(nèi)容為要尋找的內(nèi)容。某單元內(nèi)容的內(nèi)容

（0004H）=1234H（1234H）=FFEEH則記（（0004H））=FFEEH；兩個括號表示內(nèi)容的內(nèi)容，即地址0004H單元的內(nèi)容的內(nèi)容為FFEEH。存儲單元的的內(nèi)容：一個存儲單元里面存放的有效信息。由于機(jī)器字長是16位，而字?jǐn)?shù)據(jù)必須轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)據(jù)才能存放到存儲器中。所以一個字?jǐn)?shù)據(jù)存入存儲器中占用連續(xù)的二個存儲單元：低位字節(jié)存入低地址，高位字節(jié)存入高地址。字單元的地址采用它的低地址來表示。存儲器的分段8086/8088系統(tǒng)中1MB的存儲單元按照00000H至FFFFFH來編址。但CPU的內(nèi)部寄存器都是16位的，顯然用寄存器不能直接對1M字節(jié)的內(nèi)存空間進(jìn)行尋址，為此引入了分段、物理地址和邏輯地址的概念。1）分段的實(shí)現(xiàn)：

8086/8088中將1MB內(nèi)存分為若干個段（稱為邏輯段），每個段最多包含64KB。段與段之間是相互獨(dú)立的，可以分別尋址。規(guī)定每個段的首地址是一個可以被16整除的數(shù)（即段起始地址的低4位為0）。因此，可以取20位地址碼中的高16位來表示段地址。前已指出，8086/8088CPU設(shè)置了4個段寄存器（CS、DS、SS、ES）。段的位置不受任何限制，段與段之間可以是連續(xù)的，可以是間斷的，也可以是部分重疊的，甚至可以是完全重疊的。

（1）小段的概念

從0地址開始每16字節(jié)為一小段，每個小段的第一個字節(jié)的地址為小段的起始地址

對于16位地址總線，段內(nèi)存儲器小段地址如下：如：0000H，0001H，0002H，……，000EH，000FH一個小段

0010H，0011H，0012H，……，001EH，001FH

0020H，0021H，0022H，……，002EH，002FH ……

FFF0H,FFF1H,FFF2H,……,FFFEH,FFFFH其中：第一列就是每個小段的首地址。（2）每個小段首地址特征：

在二進(jìn)制表示的地址中，它的低4位二進(jìn)制一定為零！即在16進(jìn)制表示的地址中，最低位為0H在1M字節(jié)的地址空間，共有64K個小段其首地址為：二進(jìn)制數(shù)小段地址16進(jìn)制數(shù)小段地址00000000000000000000B00000H00000000000000010000B00010H……11111111111111100000BFFFE0H11111111111111110000BFFFF0H（4）邏輯地址：由段基址和段內(nèi)偏移地址組成的地址，段基址和段內(nèi)偏移地址都是16位的無符號二進(jìn)制數(shù)，在程序設(shè)計(jì)時使用。存儲器管理：將程序中邏輯地址轉(zhuǎn)移為物理地址的機(jī)構(gòu)。（5）邏輯地址和物理地址的關(guān)系方法：即把段地址左移4個二進(jìn)制位再加上偏移地址值形成物理地址，寫成：物理地址=16d段地址+偏移地址每個存儲單元只有唯一的物理地址。但可由不同的段地址和不同的偏移地址組成。邏輯地址與物理地址概念如下頁圖所示。注意：1、在8088CPU的IBMPC系統(tǒng)中，存儲器首尾地址的用途固定。00000H~003FFH共1K內(nèi)存單元用于存放中斷向量。

FFFF0H~FFFFFH是存儲器底部的16個單元。系統(tǒng)加電復(fù)位時，會自動轉(zhuǎn)到FFFF0H單元執(zhí)行，而在FFFF0H處存放一條無條件轉(zhuǎn)移指令，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)初始化程序。2、IBMPC機(jī)對段的起始地址有限制，段的起始地址一定能被16整除，即段不能從任意地址開始：必須從任一小段（paragraph）的首地址開始。8086/8088的I/O組織I/O接口電路：它就是指CPU與外部設(shè)備之間是通信的橋梁，有時簡稱為接口，接口是用于實(shí)現(xiàn)主機(jī)與外設(shè)傳輸信息的通道。端口：每個接口芯片上都有一個或幾個用于寄存信息的寄存器，為了與CPU的寄存器區(qū)別，我們稱之為端口。端口地址：和存儲單元一樣，每一個端口都有唯一確定的地址，稱為端口地址。

從編程角度看，接口內(nèi)部主要包括一個或多個CPU可以進(jìn)行讀/寫操作的寄存器，又稱為I/O端口。各I/O端口由端口地址區(qū)分。按存放信息的不同，I/O端口可分為三種類型數(shù)據(jù)端口：用于存放CPU與外設(shè)間傳送的數(shù)據(jù)信息狀態(tài)端口：用于暫存外設(shè)的狀態(tài)信息控制端口：用于存放CPU對外設(shè)或接口的控制信息，控制外設(shè)或接口的工作方式。CPU對外設(shè)輸入/輸出的控制，是通過對接口電路中各I/O端口的讀/寫操作完成。

2.480X86CPU的工作模式2.4.1實(shí)模式2.4.2保護(hù)模式

2.4.1實(shí)模式1．內(nèi)存地址的分段8086/8088地址總線20根可訪問的地址為：220=1，048，576=1M2．分段方法用16位段地址與16位段內(nèi)地址的迭加形成20位物理地址，放在16位段寄存器內(nèi)的段地址定義在任意64K字節(jié)存儲段的起始地址上，段內(nèi)地址（偏移地址）定義在64K字節(jié)存儲段內(nèi)的任意單元。地址的組合：物理地址=段地址*16D（或10H）+偏移地址，即物理地址等于2進(jìn)制的16位段地址乘以16（左移4位）加2進(jìn)制16位偏移地址。為了書寫方便一般采用16進(jìn)制表示地址和數(shù)據(jù)，則物理地址等于16進(jìn)制的4位段地址乘以10H（左移1位）加16進(jìn)制4位偏移地址。

如圖2-9所示。3．物理地址、段地址、段內(nèi)地址和邏輯地址（1）物理地址：與內(nèi)存單元一一對應(yīng)的20位2進(jìn)制（或5位16進(jìn)制）表示的地址為物理地址。1MB=00000H～FFFFFH每個物理地址代表一個唯一的內(nèi)存單元。（2）段地址：將1MB的內(nèi)存空間分成長為64K字節(jié)的程序區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)為段，每個段用1個16位2進(jìn)制地址表示。（3）段內(nèi)地址：（偏移地址或偏移值）：16位2進(jìn)制段內(nèi)地址為偏移地址。不同段內(nèi)的偏移地址是存放在不同的寄存器中.（4）邏輯地址：用段地址和偏移地址來表示內(nèi)存單元的地址為邏輯地址，兩地址之間用“：”隔開。常寫成：段地址：偏移地址。例如：物理地址為00001H邏輯地址為0000H：0001H當(dāng)物理地址為00001H時，其邏輯地址為0000H：0001H，段地址為0000H段內(nèi)地址為0001H。4．邏輯地址與物理地址的換算關(guān)系邏輯地址是段地址和偏移地址的組合表示，物理地址是段地址和偏移地址的迭加表示。物理地址=段地址*16D（或10H）+偏移地址邏輯地址=段地址：偏移地址【例2-7】設(shè)邏輯地址為1111H：2222H則物理地址為：1111H×10H+2222H=13332H表示：當(dāng)邏輯地址為1111H：2222H時物理地址為13332H假設(shè)段地址1111H為代碼段地址，則1111H存放在代碼段寄存器CS中，偏移地址2222H就放在指針寄存器IP中。保護(hù)模式下的80x8680286以上的計(jì)算機(jī)增加了物理地址空間，如80286提供了16M，80386提供了4GB的地址空間或更多的地址空間，前面介紹的在實(shí)模式下的尋址方式是由邏輯地址得到物理地址的，實(shí)模式下最大尋址空間只為1MB。在增加了地址空間的情況下，系統(tǒng)首先要解決的問題是如何尋址，因此引出了保護(hù)模式的存儲器尋址方法。同時在WINDOWS系統(tǒng)下可以提供多任務(wù)處理功能，即多個應(yīng)用程序能同時運(yùn)行，同時還要對存放在存儲器中的代碼及數(shù)據(jù)的共享和保護(hù)提供支持。1保護(hù)模式存儲器尋址機(jī)制在80286CPU以上的微處理器，既可以工作在實(shí)模式下也可以工作在保護(hù)模式下，如果要工作在保護(hù)模式下，要求程序員在程序中指定邏輯地址，機(jī)器則采用另外一種間接的方法得到相應(yīng)的物理地址。因此，對程序員編程來說，并未增加復(fù)雜性。在