微型計算機匯編語言設(shè)計 第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

微型計算機結(jié)構(gòu)

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

2.180x86微處理器概述

2.2基于微處理器的計算機系統(tǒng)構(gòu)成

2.3微處理器

2?4存儲器

習(xí)題2

，東第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

2.180x86微處理器概述

2.1.1微處理器發(fā)展簡介

80x86是美國Intel公司生產(chǎn)的微處理器系列。該公司

成立于1968年，1969年就設(shè)計了4位的4004芯片，1973

年開發(fā)出8位的8080芯片，1978年正式推出16位的8086

微處理器芯片，由此開始了Intel公司的80x86微處理器

系列的生產(chǎn)和使用歷史。

，東第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

計算機主要由運算器、控制器、存儲器和輸入/輸

出設(shè)備構(gòu)成。20世紀(jì)70年代初期，由于大規(guī)模集成電

路技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)開始把運算器和控制器集成在一

個芯片上，構(gòu)成中央處理機(CentralProcessingUnit,

簡稱CPU),80x86就是這樣一組微處理器系列產(chǎn)品。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

很多計算機廠商把微處理器芯片作為中央處理機，

再配上存儲器、輸入/輸出接口設(shè)備和系統(tǒng)軟件等構(gòu)成

微型計算機系統(tǒng)。例如，由80386微處理器芯片構(gòu)成的

微機稱為386微機；由80486微處理器芯片構(gòu)成的微機

稱為486微機等。

表2-1給出Intel公司生產(chǎn)的80x86微處理器系列的一

些主要技術(shù)數(shù)據(jù)。從表2-1中可以看出這一芯片系列的

發(fā)展概況。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

2.1.2與微處理器相關(guān)的概念

1.芯片集成度

集成電路芯片中所包含的晶體管數(shù)目稱為芯片集成

度。集成度的高低表明微處理器集成規(guī)模的程度，如

小規(guī)模、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路。

2.微處理器主頻

主頻是指芯片的主時鐘頻率，它直接影響計算機的

運行速度。由于處理器體系結(jié)構(gòu)的差別，同樣的主頻

可能產(chǎn)生不同的計算速度，但主頻仍然是反映計算機

速度的一個重要

指標(biāo)。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

表2-180x86微處理器概況

字長晶體管數(shù)

型號發(fā)布年份

/位/萬個

80861978162.9

80881979162.9

8028619821613.4

8038619863227.5

80486198932120?160

Pentium

199332310?330

(586)

，東第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

地址總尋址

主頻數(shù)據(jù)總線外部總線

線寬度空間高速緩存

/MHz寬度/位寬度/位

/位/B

4.771616201M無

4.77168201M無

6-2016162416M無

12.5—333232324G有

25~1003232324G8KB

8KB數(shù)據(jù)

60~1666464324G

8KB指令

，東第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

8KB數(shù)

據(jù)

Pent8KB指

ium令

199532550+1550150—20064643664G

Pro(256KB

P6)二級

高速緩

存

32KB

512KB

二級

Pent

高速緩

rumII199732750233?33364643664G

存

有獨立

封裝和獨立

總線

，東第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

3.系統(tǒng)總線

總線(簡稱Bus)是指微處理器外部連接各器件的一組

公共信息通道。一般分為三類：

(1)數(shù)據(jù)總線(DataBus,DB)：負(fù)責(zé)計算機中數(shù)據(jù)在

各組成部分之間的傳送。數(shù)據(jù)總線寬度是指在芯片內(nèi)

部數(shù)據(jù)傳送的二進制數(shù)位數(shù)，外部數(shù)據(jù)總線寬度則是

指芯片內(nèi)和芯片外交換數(shù)據(jù)的寬度。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

(2)地址總線(AddressBus,AB)：負(fù)責(zé)計算機中地

址數(shù)據(jù)在各組成部分之間的傳送。地址總線寬度是指

專用于傳送地址數(shù)據(jù)的位數(shù)，根據(jù)這一數(shù)值可確定處

理機可以訪問的存儲器的最大范圍(尋址空間)，如20位

地址總線可訪問22。=1048576個存儲單元。在計算機

中，為方便起見，在討論存儲器容量時，以21。=1024為

基本單位，稱為1K,1024K就稱為1M。所以20位地

址總線可訪問1M個存儲單元，24位地址總線可訪問

16M個存儲單元，1024M稱為1G,32位地址總線可

訪問4G個存儲單元。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

在計算機里，8個二進制位組成一個字節(jié)(Byte),一般存

儲器以字節(jié)為存儲信息的基本單位，用符號B來表示。

這樣，上述存儲容量又可稱為1MB、16MB和4GB等。

(3)控制總線(ControlBus,CB)：負(fù)責(zé)計算機中控制

信息在各組成部分之間的傳送和產(chǎn)生控制動作。

，東第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

4.程序存儲及存儲器組織

我們知道，要在計算機上計算一個題目，首先必

須用計算機語言把所要計算的題目編制成程序，然后

把這一程序（由指令序列組成）連同所要使用的數(shù)據(jù)一起

存入計算機的存儲器中。在計算機算題時，要把程序

和所用的數(shù)據(jù)從存儲器中取到運算器中進行計算。因

此，在計算過程中，為保證運算器能快速運行，存儲

器也必須源源不斷地提供計算所需的指令和數(shù)據(jù)，并

且有與其相應(yīng)的足夠快的速度。為適應(yīng)這種速度要

求，建立了層次結(jié)構(gòu)的存儲器組織，其中間層次通常

稱為主存儲器；

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

比其速度更高、但容量較小的一層稱為高速緩沖存儲

器(Cache)；比其速度慢、但容量很大的一層稱為外存

儲器，如磁帶、磁盤、光盤等。高速緩沖存儲器(以下

簡稱高速緩存)對提高計算機的計算速度起很重要的作

用。高速緩存早期是做在芯片之外，隨著半導(dǎo)體集成

電路技術(shù)的發(fā)展，從80386開始在芯片中已加入少量的

高速緩存，在80486的芯片中，集成了8KB高速緩存。

PentiumCPU中有8KB的指令高速緩存和8KB的數(shù)據(jù)

高速緩存；PentiumPro中除兩個8KB的高速緩存外，

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

還增加了256KB的二級高速緩存，晶體管中增加的1550

萬個晶體管就是用于二級高速緩存的；PentiumIICPU

中有32KB的高速緩存，它的二級高速緩存容量為

512KB,且具有獨立的封裝和獨立的總線，Pentium4

CPU中集成了容量更大的Cache。上述措施都是為了提

高計算機的速度。

，東第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

5.處理器運算速度

微處理器執(zhí)行一條指令所花費的時間可用來衡量

微型機的運算速度。8086執(zhí)行一條指令的時間約為400

ns,80286為250ns,80486為25ns,Pentium的速度為

80486的2倍，PentiumPro為80486的3倍，PentiumII比

PentiumPro快10%?25%。提高計算機的工作速度可

以說是微處理器芯片發(fā)展的核心問題。從80486開始，

把協(xié)處理器集成到芯片中的目的也是為了提高浮點處

理速度。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

實際上，在微處理器發(fā)展過程中，有很多體系結(jié)

構(gòu)方面的措施是無法從表2-1的簡單描述中看得出來

的，但是從總體上已可看出微處理器芯片的發(fā)展速度

是非常快的。值得一提的是，從80286開始，在機器的

工作方式上，除8086提供的實模式外，還增加了保護

模式的工作方式。在保護模式下，機器可提供虛擬存

儲的管理和多任務(wù)的管理機制。虛擬存儲的實現(xiàn)，使

計算機可以運行程序空間大于主存儲器空間的用戶程

序。

百二第2章微型計算機結(jié)構(gòu)_______________________

多任務(wù)管理的實現(xiàn)，允許多個用戶可以同時在機器上工

作。從80386起，除支持實模式和保護模式外，又增加

了一種虛擬86的工作模式。在這種工作模式下，一臺

機器可同時模擬多個8086處理器的工作。所有這些措

施都是為了提高微型計算機的可用性而開發(fā)的，使得

微型計算機的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，促進了微機技術(shù)本

身的飛速發(fā)展。

J

，東第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

2.2基于微處理器的計算機系統(tǒng)構(gòu)成

微型計算機系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。硬件是

由電子、機械、磁性材料、光電元件等元部件和設(shè)備

依照計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的要求構(gòu)成的有機的整體；軟件

則是為了運行、管理和維護計算機而編制的各種程序

的集合。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

2.2.1硬件系統(tǒng)

微型計算機是以微處理器芯片為核心，配以存儲

器、I/O接口、基本輸入/輸出設(shè)備以及相應(yīng)的輔助電路

構(gòu)成的，簡稱微型機或微機。從結(jié)構(gòu)上講，它以微處

理器為中心，通過系統(tǒng)總線把I/O設(shè)備、存儲器和外部

設(shè)備等連接成一個整體。圖2.1給出了微型計算機硬件

系統(tǒng)組成框圖。

1）運算器

運算器是對數(shù)據(jù)信息進行加工處理的部件，它主

要由算術(shù)邏輯運算單元（ALU）組成，在控制器的指

揮下可以完成各種算術(shù)運算、邏輯運算和其他操作。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

存儲器

輸

接接輸

入

口口出

設(shè)

設(shè)

備

備

主機

輸入/輸出芯片

圖2.1微型計算機硬件系統(tǒng)組成

一即第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

2）控制器

控制器是指揮和控制計算機各部件協(xié)調(diào)工作的關(guān)

鍵部件，它從存儲器中逐條地取出指令，分析指令，

并向各部件發(fā)出相應(yīng)的控制信號，使它們一步步地執(zhí)

行指令所規(guī)定的操作。另外，它又接收運算器、存儲

器以及輸入/輸出設(shè)備的反饋信息，以確定程序的執(zhí)行

順序。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

3）存儲器

存儲器是存放程序和數(shù)據(jù)的部件，它是一個記憶

裝置，是計算機實現(xiàn)存儲程序工作原理的基礎(chǔ)。存儲

器分兩類：一類是設(shè)置在主機內(nèi)的半導(dǎo)體存儲器，稱

為主存，也稱為內(nèi)存；另一類是通過接口連接的磁盤

或光盤存儲器，稱為輔存，也稱為外存。有關(guān)存儲器

的操作，經(jīng)常使用下面兩個術(shù)語：

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

(1)''讀操作〃：是指CPU將存儲器中存儲的某一部

分信息取出來進行處理的操作。

(2)'、寫操作〃：是指CPU用新的信息刷新存儲器原

來存儲的某一部分內(nèi)容的操作。

存儲器的讀/寫操作是以字節(jié)為單位按存儲器存儲

單元地址進行的。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

主存儲器可由CPU直接訪問，存取速度較快，但

容量不大，一般用來存放當(dāng)前運行的程序和數(shù)據(jù)。

CPU和主存儲器是信息加工處理的主要部件，通常把

這兩個部分合稱為主機。整個主存被劃分成許多個存

儲單元，每個存儲單元編排一個惟一對應(yīng)的編號，稱

為存儲單元地址，這類似于一個大樓內(nèi)每個房間有一

個房間號。地址與存儲單元一一對應(yīng)。存儲器所具有

的存儲空間大小，即所包含的存儲單元總數(shù)稱為該主

存的存儲容量。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

4)輸入/輸出設(shè)備

輸入/輸出設(shè)備又稱外設(shè)，一般通過I/O接口與CPU

相連接，它是計算機與外部世界聯(lián)系與交換信息的實體。

(1)輸入設(shè)備用于把數(shù)字、字符、圖形、圖像和聲

音等轉(zhuǎn)換成計算機能識別和接受的信息表示方式，如電

信號、二進制編碼等，然后把它們放入存儲器中。典型

的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀、光學(xué)字符識別設(shè)備

(OCR)、模/數(shù)轉(zhuǎn)換裝置(A/D)以及其他聲像輸入設(shè)

備等。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

（2）輸出設(shè)備把計算機處理信息的結(jié)果轉(zhuǎn)換成人們

習(xí)慣接受的形式（如字符、曲線、圖像、表格和聲音

等）送出，或變換成與其他設(shè)備相匹配的信號形式輸

出。常見的輸出設(shè)備有顯示器、打印機、繪圖儀和數(shù)/

模轉(zhuǎn)換裝置（D/A）等。

把運算器、控制器、主存儲器和輸入/輸出接口稱

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(gòu)成了計算機的基本

硬件系統(tǒng)。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總線把CPU、存儲器和I/O設(shè)備連接起來，用

來傳送各部分之間的信息。系統(tǒng)總線包括數(shù)據(jù)總線、

地址總線和控制總線三種。數(shù)據(jù)總線傳送信息，地址

總線指出信息的來源和目的地，控制線則規(guī)定總線的

動作等。系統(tǒng)總線的工作由總線控制邏輯負(fù)責(zé)指揮。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

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(yīng)用軟件兩大類。系統(tǒng)軟件是由計

算機生產(chǎn)廠家提供給用戶的一組程序，這些程序是用

戶使用機器及產(chǎn)生、準(zhǔn)備和執(zhí)行用戶程序所必需的。

應(yīng)用軟件則是為用戶應(yīng)用編制的各種程序。圖2.2表示

了計算機軟件的層次。

，東第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

,單用戶操作系統(tǒng)

多用戶操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)

r匯編程序

語言處理程序<解釋程序

1系統(tǒng)軟件4〔編譯程序

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

「診斷與維護程序

軟件《調(diào)試程序

工具軟件

編輯程序

（裝配鏈接程序

應(yīng)用軟件｛軟件包

用戶程序

圖2.2軟件系統(tǒng)的層次

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

1.系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件是指管理、控制和維護計算機的各種資

源，以及擴大計算機功能和方便用戶使用計算機的各

類程序與數(shù)據(jù)的集合。系統(tǒng)軟件是構(gòu)成計算機系統(tǒng)必

備的軟件，通常又分為操作系統(tǒng)、語言處理程序、工

具軟件和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)四類。

，東第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

1)操作系統(tǒng)(OperatingSystem,OS)

系統(tǒng)軟件的核心稱為操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)是系統(tǒng)

程序的集合，它的主要作用是對系統(tǒng)的硬、軟件資源

進行合理的管理，為用戶創(chuàng)造方便、有效和可靠的計

算機工作環(huán)境。

操作系統(tǒng)的主要部分是常駐監(jiān)督程序(Monitor),

只要一開機常駐監(jiān)督程序就進入并保留在內(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(yīng)的動作。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

(1)裝入程序(Loader)：用來把程序從外存儲器傳

送到內(nèi)存儲器，以便機器執(zhí)行。例如，計算機開機后

就需要立即啟動裝入程序把常駐監(jiān)督程序裝入存儲

器，使機器運轉(zhuǎn)起來。又如，用戶程序經(jīng)翻譯和連接

后，由連接程序直接調(diào)用裝入程序，把可執(zhí)行的用戶

程序裝入內(nèi)存以便執(zhí)行。

，東第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

(2)I/O驅(qū)動程序(I/ODriver)：用來對I/O設(shè)備進行

控制或管理的程序。當(dāng)系統(tǒng)程序或用戶程序需要使用

I/O設(shè)備時，就調(diào)用I/O驅(qū)動程序來對設(shè)備發(fā)出命令，完

成CPU和I/O設(shè)備之間的信息傳送。

(3)文件管理程序(FileManagement)：用來處理存

儲在外存儲器中大量信息的程序。它可以和外存儲器

的設(shè)備驅(qū)動程序相連接，對存儲在其中的信息以文件

(File)的形式進行存取、復(fù)制及其他管理操作。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

2)語言處理程序

(1)翻譯程序(Translator)：計算機是通過逐條地執(zhí)

行組成程序的指令來完成人們所給予的任務(wù)的，所以

指令就是計算機所能識別并能直接加以執(zhí)行的語名，

當(dāng)然它是由二進制代碼組成的。這種語言稱為機器語

言，它對于人們顯然是很不方便的。既然計算機能識

別的惟一語言是機器語言，而用這種語言編寫程序又

很不方便，所以，在計算機語言的發(fā)展過程中就出現(xiàn)

了匯編語言和高級語言。

，東第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

匯編語言是一種符號語言，它和機器語言幾乎一一對

應(yīng)，但在書寫時卻使用由字符串組成的助記符。例

如，加法在匯編語言中一般是用助記符ADD表示的，

而機器語言則用二進制代碼來表示。顯然，相對于機

器語言來說，匯編語言是易于為人們所理解的，但計

算機卻不能直接識別匯編語言。匯編程序就是用來把

由用戶編制的匯編語言程序翻譯成機器語言程序的一

種系統(tǒng)程序。微機的匯編程序有多種版本，如MASM、

TASM等。MASM為Micros。仕公司開發(fā)的匯編程序，

TASM(TurboAssembler)則為Borland公司開發(fā)的匯編程

序，它們都具有較強的功能和宏匯編能力。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

高級語言編程不同于機器指令編程，它使用人們

容易理解的形式來編寫程序，當(dāng)然高級語言程序也要

翻譯成機器語言才能在機器上執(zhí)行。高級語言的翻譯

程序有兩種方式：一種是先把高級語言程序翻譯成機

器語言(或先翻譯成匯編語言，然后由匯編程序再次翻

譯成機器語言)程序，然后才能在機器上執(zhí)行，這種翻

譯程序稱為編譯程序(Compiler),多數(shù)高級語言如

PASCAL>FORTRAN等都采用這種方式；另一種是直

接把高級語言程序在機器上運行，一邊解釋一邊執(zhí)

行，這種翻譯程序稱為解釋程序。nterpreter),如

BASIC就經(jīng)常采用這種方式。

，東第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)程序中的翻譯程序包括匯編程序、解釋程序

和編譯程序。

(2)連接程序(Linker)：用來把要執(zhí)行的程序與庫文

件或其他已經(jīng)翻譯好的子程序(能完成一種獨立功能的

程序模塊)連接在一起，形成機器能執(zhí)行的程序。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

3)工具軟件

(1)文本編輯程序(TextEditor)o該程序用來建立、

輸入或修改文本，并使文本存入內(nèi)存儲器或大容量存

儲器中的程序。文本是指由字母、數(shù)字、符號等組成

的信息，它可以是一個用匯編語言或高級語言編寫的

程序，也可以是一組數(shù)據(jù)或一份報告。

(2)調(diào)試程序(DEBUG)。它是系統(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。微機上的匯編語言程序可

以通過DEBUG來調(diào)試，完成建立、修改和執(zhí)行等工作。

當(dāng)然還有許多工具軟件，此處不再贅述。

，東第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

4)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

計算機在信息處理、情報檢索以及管理信息系統(tǒng)

(ManagementInformationSystem,MIS)等的應(yīng)用中,需

要處理大量數(shù)據(jù)，要建立、檢索、顯示、保存和打印

各種表格，這些數(shù)據(jù)和表格是按照一定規(guī)律組織的，

管理這些數(shù)據(jù)格式和內(nèi)容的系統(tǒng)軟件就是數(shù)據(jù)庫管理

系統(tǒng)(DataBaseManagementSystem,DBMS)。例如,

Foxpro>DB2等。

百二第2章微型計算機結(jié)構(gòu)_______________________

2.應(yīng)用軟件

應(yīng)用軟件則是為了解決各種實際問題而設(shè)計的計

算機程序，通常由專門的軟件公司開發(fā)，交付用戶使

用。計算機用戶也可自己開發(fā)。

J

，東第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

2.3微處理器

2.3.1微處理器的結(jié)構(gòu)

1.微處理器的概念

微處理器（CPU）的任務(wù)是執(zhí)行存放在存儲器里

的指令序列。為此，除要完成算術(shù)邏輯操作外，還需

要擔(dān)負(fù)CPU和存儲器以及I/O之間的數(shù)據(jù)傳送任務(wù)。早

期的CPU芯片只包括運算器和控制器兩大部分。從

80386開始，為使存儲器速度能更好地與運算器的速度

相匹配，已在芯片中引入高速緩沖存儲器。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

其后生產(chǎn)的芯片隨著半導(dǎo)體器件集成度的提高，

片內(nèi)高速緩沖存儲器的容量也逐步擴大，但這部分器

件就其功能而言還是屬于存儲器的。本節(jié)要說明的是

CPU芯片中除高速緩沖存儲器之外的部件。它們主要

由以下三部分組成。

1)算術(shù)邏輯部件

算術(shù)邏輯部件(ArithmeticLogicUnit,ALU)用來進

行算術(shù)和邏輯運算及其相應(yīng)操作。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

2）控制邏輯部件

控制邏輯部件負(fù)責(zé)對全機的控制工作，包括從存

儲器取出指令，對指令進行譯碼分析，從存儲器取得

操作數(shù)，發(fā)出執(zhí)行指令的所有命令，把結(jié)果存入存儲

器以及對總線及I/O的傳送控制等。

3）工作寄存器

工作寄存器在計算機中起著重要的作用，每一個

寄存器相當(dāng)于運算器中的一個存儲單元，但它的存取

速度比存儲器要快得多。它用來存放計算過程中所需

要的或所得到的各種信息，包括操作數(shù)地址、操作數(shù)

及運算的中間結(jié)果等。下面專門介紹這些寄存器。

，東第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

2.Intel8086/8088微處理器結(jié)構(gòu)

8086CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。按功能可分為兩

部分：總線接口單元BIU(BusInterfaceUnit)和執(zhí)行單元

EU(ExecutionUnit)o

，東第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

AHAL

通

用BHBL

寄CHCL

存

器DHDL

組SI

IP

DI

CS

SP

DS

BP

SS

16位內(nèi)部總線ES

內(nèi)部暫存器

運算暫存器

123456

標(biāo)志寄存器

執(zhí)行單元總線接口單元

EUBIU

圖2.38086CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)

，東第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

1）總線接口單元BIU

總線接口單元BIU是8086CPU在存儲器和I/O設(shè)備

之間的接口部件，負(fù)責(zé)對全部引腳的操作，即8086對

存儲器和I/O設(shè)備的所有操作都是由BIU完成的。所有

對外部總線的操作都必須有正確的地址和適當(dāng)?shù)目刂?/p>

信號，BIU中的各部件主要是圍繞這個目標(biāo)設(shè)計的。它

提供了16位雙向數(shù)據(jù)總線、20位地址總線和若干條控

制總線。

，東第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

其具體任務(wù)是：負(fù)責(zé)從內(nèi)存單元中預(yù)取指令，并將它

們送到指令隊列緩沖器暫存。CPU執(zhí)行指令時，總線

接口單元要配合執(zhí)行單元，從指定的內(nèi)存單元或I/O端

口中取出數(shù)據(jù)傳送給執(zhí)行單元，或者把執(zhí)行單元的處

理結(jié)果傳送到指定的內(nèi)存單元或I/O端口中。

總線接口單元BIU由20位地址加法器、4個段寄存

器、16位指令指針I(yè)P、指令隊列緩沖器和總線控制邏

輯電路等組成。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

（1）地址加法器和段寄存器。8086CPU的20位地址

線，可直接尋址1MB存儲器物理空間。但CPU內(nèi)部寄

存器均為16位的寄存器。那么，16位的寄存器如何實

現(xiàn)20位地址尋址呢？CPU是將有關(guān)段寄存器內(nèi)容左移4

位（段的起始地址）后由專門地址加法器，與16位偏

移地址相加，形成了20位的物理地址，以便找到存儲

單元，對它的內(nèi)容進行讀寫操作。例如，在取指令

時，由代碼段寄存器（CS）的內(nèi)容左移4位，在地址加

法器中和16位指令指針（IP）提供的有效地址（偏移

地址）內(nèi)容相加，形成實際的20位物理地址，送到地

址總線上實現(xiàn)取指令的尋址。詳見2.4節(jié)。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

(2)16位指令指針I(yè)P(InstructionPointer)o該指針用

來存放下一條要執(zhí)行指令在代碼段中的偏移地址。它

只有和CS相結(jié)合，才能形成指向指令存放單元的物理

地址。在程序運行中，IP的內(nèi)容由BIU自動修改，使它

總是指向下一條要取的指令在現(xiàn)行代碼段中的偏移地

址。程序中沒有直接訪問IP的指令，但通過某些指令

可以修改IP的內(nèi)容。例如，轉(zhuǎn)移指令可將轉(zhuǎn)移目標(biāo)的

偏移地址送入IP來實現(xiàn)程序的轉(zhuǎn)移。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

(3)指令隊列緩沖器。當(dāng)EU正在執(zhí)行指令中，且不

需占用總線時，BIU會自動地進行預(yù)取指令操作，將所

取得的指令按先后次序存入1?6字節(jié)的指令隊列寄存

器，該隊列寄存器按''先進先出〃的方式工作，并按順

序取到EU中執(zhí)行。其操作遵循下列原則：

每當(dāng)指令隊列緩沖器中存滿一條指令后，EU就立

即開始執(zhí)行。

每當(dāng)BIU發(fā)現(xiàn)隊列中空了兩個字節(jié)時，就會自動

地尋找空閑的總線周期進行預(yù)取指令操作，直到填滿

為止。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

每當(dāng)EU執(zhí)行一條轉(zhuǎn)移、調(diào)用或返回指令后，則要清

除指令隊列緩沖器，并要求BIU從新的地址開始取指

令，新取的第一條指令將直接經(jīng)指令隊列緩沖器送到

EU去執(zhí)行，并在新地址基礎(chǔ)上再作預(yù)取指令操作，實

現(xiàn)程序段的轉(zhuǎn)移。

由于BIU和EU是各自獨立并行工作的，在EU執(zhí)行指

令的同時，BIU可預(yù)取下面一條或幾條指令。因此，在

一般情況下，CPU執(zhí)行完一條指令后，就可立即執(zhí)行存

放在指令隊列中的下一條指令，而不需要像以往的8位

CPU那樣，采取先取指令，后執(zhí)行指令的串行操作方式。

這種并行操作方式大大提高了CPU的工作效率。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

(4)總線控制邏輯電路。該電路將8086CPU的內(nèi)部

總線和外部總線相連，是8086CPU與內(nèi)存單元或I/O端

口進行數(shù)據(jù)交換的必經(jīng)之路。它包括16位數(shù)據(jù)總線、

20位地址總線和若干條控制總線，CPU通過這些總線

與外部取得聯(lián)系，從而構(gòu)成各種規(guī)模的8086微型計算

機系統(tǒng)。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

2)執(zhí)行單元EU

執(zhí)行單元EU中包含1個16位的運算器ALU、8個16位

的寄存器、1個16位標(biāo)志寄存器FR、1個運算暫存器和執(zhí)

行單元的控制電路。這個單元進行所有指令的解釋和執(zhí)

行，同時管理上述有關(guān)的寄存器。

(1)算術(shù)邏輯運算單元。該單元是1個16位的運算

器，可用于8位、16位二進制算術(shù)和邏輯運算，也可按

指令的尋址方式計算尋址存儲器所需的16位地址偏移量。

，東第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

(2)標(biāo)志寄存器。該寄存器是1個16位的寄存器，用

來反映CPU運算過程的狀態(tài)特征和存放某些控制標(biāo)志。

(3)運算暫存器。該寄存器協(xié)助ALU完成運算，暫存

參加運算的數(shù)據(jù)。

(4)通用寄存器組。該寄存器組包括4個16位的數(shù)據(jù)

寄存器AX、BX、CX、DX和4個16位指針與變址寄存器

SP、BP、SI和DI。

(5)EU控制電路。該電路負(fù)責(zé)從BIU的指令隊列緩

沖器中取指令，并對指令譯碼，根據(jù)指令要求向EU內(nèi)部

各部件發(fā)出控制命令，以完成各條指令規(guī)定的功能。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

執(zhí)行單元中的各部件通過16位的ALU總線連接在

一起，在內(nèi)部實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)傳輸。值得注意的是，這

個內(nèi)部總線與CPU外接的總線之間是隔離的，即這兩

個總線可以同時工作而互不干擾。EU對指令的執(zhí)行是

從取指令操作碼開始的，它從總線接口單元的指令隊

列緩沖器中每次取一個字節(jié)。如果指令隊列緩沖器中

是空的，那么EU就要等待BIU通過外部總線從存儲器

中取得指令并送到EU,通過譯碼電路分析，發(fā)出相應(yīng)

控制命令，控制ALU數(shù)據(jù)總線中數(shù)據(jù)的流向。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

如果是運算操作，操作數(shù)據(jù)經(jīng)過運算暫存器送入

ALU,運算結(jié)果經(jīng)過ALU數(shù)據(jù)總線送到相應(yīng)寄存器，

同時標(biāo)志寄存器FR根據(jù)運算結(jié)果改變狀態(tài)。在指令執(zhí)

行過程中常會發(fā)生從存儲器中讀或?qū)憯?shù)據(jù)的事件，這

時就由EU單元提供尋址用的16位有效地址，在BIU單

元中經(jīng)運算形成一個20位的物理地址，送到外部總線

進行尋址。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

3)8086與8088的主要區(qū)別

在此之前，我們所描述的都是8086。它的外部數(shù)

據(jù)總線和內(nèi)部數(shù)據(jù)總線都是16位的，是真正的16位機。

8088的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線是16位的，而外部數(shù)據(jù)總線是8位

的，所以稱為準(zhǔn)16位機或超級8位機。兩者有著相同的

內(nèi)部寄存器和指令系統(tǒng)，在軟件上是完全兼容的。它

們的主要區(qū)別表現(xiàn)在：

，東第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

(1)8086的指令預(yù)取隊列為6個字節(jié)，而8088只有

4個字節(jié)。

(2)8086的AD15?AD0為地址、數(shù)據(jù)雙向分時復(fù)

用的；而8088只有AD7?AD0為地址、數(shù)據(jù)雙向分時復(fù)

用的，A15?A&僅用于輸出地址信號。在進行16位數(shù)據(jù)

操作時，8086只需一個總線周期就可完成，而8088則

需要兩個總線周期來完成，因此8088的速度較8086要

慢些。

(3)8086上的BH聆號在8088上變?yōu)镾SO。

，東第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

(4)8086的引腳28為M/10，即CPU訪問內(nèi)存時

該引腳輸出高電平，訪問接口時則輸出低電平。對于

8088而言，該引腳的狀態(tài)正好相反，變?yōu)镮O/M。

8086/8088后繼機型也包括準(zhǔn)32位和標(biāo)準(zhǔn)32位機，

如80386的SX和DX類型。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

2.3.280x86寄存器組

寄存器可以分為程序可見的寄存器和程序不可見

的寄存器兩大類。所謂程序可見的寄存器，是指在匯

編語言程序設(shè)計中用到的寄存器，它們可以由指令來

指定。而程序不可見的寄存器則是指一般應(yīng)用程序設(shè)

計中不用而由系統(tǒng)所用的寄存器。本節(jié)將主要介紹

80x86中程序可見的那部分寄存器，而程序不可見的寄

存器就不加以說明了。

程序可見寄存器可以分為通用寄存器、專用寄存

器和段寄存器3類。圖2.4表示了80x86的程序可見寄存

器組。下面分別加以說明。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

1.通用寄存器

圖2.4中除陰影區(qū)以外的寄存器是8086/8088和

80286所具有的寄存器，它們都是16位寄存器。其中

AX、BX、CX、DX可稱為數(shù)據(jù)寄存器，用來暫時存放

計算過程中所用到的操作數(shù)、結(jié)果或其他信息。它們

都可以字（16位）的形式訪問，或者以字節(jié)（8位）的形式

訪問。例如，對AX可以分別訪問高位字節(jié)AH或低位

字節(jié)AL。這4個寄存器都是通用寄存器，但它們又可

以用于各自的專用目的。

，東第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

AX(Accumulator)作為累力口器用，所以它是算術(shù)運

算的主要寄存器。在乘、除等指令中指定用來存放操

作數(shù)。另外，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(Base)可以作為通用寄存器使用，此外，在計

算存儲器地址時，它經(jīng)常用作基址寄存器。

，東第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

32位名稱16位名稱通用名稱

EAXAXAX（累加器）

EBXBX基址變址

ECXCX計數(shù)

EDXDX數(shù)據(jù)

ESPSP堆棧指針

EBPBP基址指針

EDIDI目的變址

ESISI源變址

______________QO后_______________

<F1。<似》A

EIPIP指令指針

EFLAGJFLAGS標(biāo)志

注：1.對于8086/8088或80286CPU,

中陰影區(qū)寄存器是不存在的。

2.FS和GS寄存器無專用名稱。

圖2.480x86的程序可見寄存器組

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

CX(Count)可以作為通用寄存器使用，此外，常用

來保存計數(shù)值，如在移位指令、循環(huán)(Loop)和串處理

指令中用作隱含的計數(shù)器。

DX(Data)可以作為通用寄存器使用。一般在作

雙字長運算時把DX和AX組合在一起存放一個雙字長

數(shù)，DX用來存放高位字。此外，對某些I/O操作，DX

可用來存放I/O端口地址。

SP、BP、SI、DI四個16位寄存器可以像數(shù)據(jù)寄存

器一樣在運算過程中存放操作數(shù)，但它們只能以字(16

位)為單位使用。此外，它們更經(jīng)常的用途是在存儲器

尋址時，提供偏移地址。因此，它們可稱為指針和變

址寄存器。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

SP(StackPointer)稱為堆棧指針寄存器，用來指示

段頂?shù)钠频刂贰?/p>

BP(BasePointer)稱為基址指針寄存器，它可以與

堆棧段寄存器SS聯(lián)用來確定堆棧段中的某一存儲單元

的地址。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

SI(SourceIndex)源變址寄存器和DI(Destination

Index)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)段中某一存儲單元的地址。這兩個變址

寄存器有自動增量和自動減量的功能，所以用于變址

是很方便的。在串處理指令中，SI和DI作為隱含的源

變址和目的變址寄存器，此時SI和DS聯(lián)用，DI和附加

段寄存器ES聯(lián)用，分別達(dá)到在數(shù)據(jù)段和附加段中尋址

的目的。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

對于80386及其后繼機型的程序可見寄存器則是圖

2.4中所示的完整的寄存器，它們是32位的通用寄存

器，包括EAX,EBX,ECX,EDX,ESP,EBP,EDI

和ESI。在這些機型中，它們可以用來保存不同寬度的

數(shù)據(jù)，如可以用EAX保存32位數(shù)據(jù)，用AX保存16位數(shù)

據(jù)，用AH或AL保存8位數(shù)據(jù)。在計算機中，8位二進

制數(shù)可組成一個字節(jié)，8086/8088和80286的字長為16

位。因此把2個字節(jié)組成的16位數(shù)稱為字。這樣，

80386及其后繼的32位機就把32位數(shù)據(jù)稱為雙字，64位

數(shù)據(jù)稱為4字。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

上述8個通用寄存器可以雙字的形式或?qū)ζ涞?6位以字

的形式被訪問，其中EAX,EBX,ECX和EDX的低16

位還可以字節(jié)的形式被訪問，這在圖2.4的表示中已經(jīng)

可以看得很清楚了。當(dāng)這些寄存器以字或字節(jié)形式被

訪問時，不被訪問的其他部分不受影響，如訪問AX

時，EAX的高16位不受影響。

，東第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

此外，這8個通用寄存器還可用于其他目的。在

8086/8088和80286中只有4個指針和變址寄存器以及BX

寄存器可以存放偏移地址，用于存儲器尋址。在80386

及其后繼機型中，所有32位通用寄存器既可以存放數(shù)

據(jù)，也可以存放地址。也就是說，這些寄存器都可以

用于存儲器尋址。在這8個通用寄存器中，每個寄存器

的專用特性與8086/8088和80286的AX,BX,CX,

DX,SP,BP,DLSI是——對應(yīng)的。如EAX專用于

乘、除法和I/O指令，ECX用于計數(shù)特性，EDI和ESI作

為串處理指令專用的地址寄存器等。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

2.專用寄存器

8086/8088和80286的專用寄存器包括IP和FR兩個

16位寄存器。

IP(InstructionPointer)為指令指針寄存器，它用來

存放代碼段中的偏移地址。在程序運行的過程中，它

始終指向下一條指令的首地址，它與段寄存器CS聯(lián)用

確定下一條指令的物理地址。當(dāng)這一地址送到存儲器

后，控制器可以取得下一條要執(zhí)行的指令，而控制器

一旦取得這條指令就馬上修改IP的內(nèi)容，使它指向下

一條指令的首地址?？梢?，計算機就是用IP寄存器來

控制指令序列的執(zhí)行流程的，因此IP寄存器是計算機

中很重要的一個控制寄存器。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

FR為標(biāo)志寄存器，又稱程序狀態(tài)寄存器(Program

StatusWord,PSW)。這是一個存放條件碼標(biāo)志、控制

標(biāo)志和系統(tǒng)標(biāo)志的寄存器。

80386及其后繼機型也有兩個32位專用寄存器，它

們是EIP和EFLAGS。它們的作用和相應(yīng)的16位寄存器

相同。

下面介紹標(biāo)志寄存器。圖2.5說明了80x86中標(biāo)志

寄存器的內(nèi)容，圖中未標(biāo)明的位暫時不用。

，東第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

■11OFDfIFTFSFZF修AFPFCF8086/8088

■N1IOPLOfDfIFTFSFZFARCF80286

2

ISF

VNRFN1IOPLOfDFIFTFZFAFfPF;CF80386

111怒||

ACVNRf■N1IOPLorDFIFTFSFZFAFPFCF80486

%

ACVNRf1N1IOPLorDFIFTFSFZF|AF多PFCFPentium

11111111WK1

3130222120191817161514131211109876543210位編號

圖2.580x86的標(biāo)志寄存器

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

1)條件碼標(biāo)志

條件碼標(biāo)志用來記錄程序中運行結(jié)果的狀態(tài)信

息，它們是根據(jù)有關(guān)指令的運行結(jié)果由CPU自動設(shè)置

的。由于這些狀態(tài)信息往往作為后續(xù)條件轉(zhuǎn)移指令的

轉(zhuǎn)移控制條件，所以稱為條件碼。它包括以下6位：

溢出標(biāo)志(OverflowFlag,OF)：在運算過程中，如

操作數(shù)超出了機器能表示的數(shù)據(jù)范圍稱為溢出。此時

OF位置1,否則置0。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

符號標(biāo)志(SignFlag,SF)：記錄運算結(jié)果的符號，

結(jié)果為負(fù)時置1,否則置0。

零標(biāo)志(ZeroFlag,ZF)：運算結(jié)果為0時ZF位置

L否則置0。

進位標(biāo)志(CarryFlag,CF)：記錄運算時從最高有

效位產(chǎn)生的進位/借位值。例如，執(zhí)行加法指令時，最

高有效位有進位時置1，否則置0。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

輔助進位標(biāo)志(AuxiliaryCarryFlag,AF)：記錄運

算時第3位(半個字節(jié))產(chǎn)生的進位值。例如，執(zhí)行加法

指令第3位有進位時置1,否則置0。

奇偶標(biāo)志(ParityFlag,PF)：用來為機器中傳送信

息時可能產(chǎn)生的代碼出錯情況提供檢驗條件。當(dāng)結(jié)果

操作數(shù)中1的個數(shù)為偶數(shù)時置1,否則置0。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

2)控制標(biāo)志位

方向標(biāo)志(DirectionFlag,DF),用于在串處理指令

中控制處理信息的方向。當(dāng)DF位為1時，每次操作后

使變址寄存器SI和DI減小，這樣就使串處理從高地址

向低地址方向處理。當(dāng)DF位為0時，則使SI和DI增大，

使串處理從低地址向高地址方向處理。

陷阱標(biāo)志(TrapFlag,TF),又稱單步跟蹤標(biāo)志，用

于調(diào)試時的單步方式操作。當(dāng)TF位為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；當(dāng)TF位為0時，

CPU正常工作，不產(chǎn)生陷阱。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

中斷標(biāo)志(InterruptFlag,IF),當(dāng)IF位為1時，允許

CPU響應(yīng)可屏蔽中斷請求，否則關(guān)閉中斷。有關(guān)內(nèi)容

將于后續(xù)章節(jié)說明。

I/O特權(quán)級(I/OPrivilegeLevel,IOPL),在保護模

式下，用于控制對I/O地址空間的訪問。有關(guān)內(nèi)容將于

后續(xù)章節(jié)說明。

第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

以上就是EFLAGS中主要標(biāo)志位的含義。機器提供

了設(shè)置某些狀態(tài)信息的指令。必要時，程序員可使用

這些指令來建立狀態(tài)信息。

在調(diào)試程序DEBUG中提供了測試標(biāo)志位的手段，

它用符號表示某些標(biāo)志位的值。表2-2說明這些標(biāo)志位

的符號表示。

，東第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

表2-2標(biāo)志位的符號表示

標(biāo)志名標(biāo)志為1標(biāo)志為0

OF溢出（是/否）OVNV

DF方向（減量/增量）DNUP

IF中斷（允許/關(guān)閉）EIDI

SF符號（負(fù)/正）NGPL

ZF零（是/否）ZRNZ

AF輔助進位（是/否）ACNA

PF奇偶（偶/奇）PEPO

CF進位（是/否）CYNC

百二第2章微型計算機結(jié)構(gòu)_______________________

3.段寄存器

段寄存器也是一種專用寄存器，它們專用于存儲

器尋址，用來直接或間接地存放段地址。段寄存器的

長度為16位，在80286以前的處理器中，只有代碼段

(CodeSegment,CS)、數(shù)據(jù)段(DataSegment,DS)、

堆棧段(StackSegment,SS)和附力口段(ExtraSegment,

ES)4個寄存器。從80386起，增加了FS和GS兩個段寄

存器，它們也屬于附加的數(shù)據(jù)段。有關(guān)段寄存器的使

用將在2.4.2中專門說明。

J

，東第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

2.4存儲器

2.4.1存儲單元的地址和內(nèi)容

計算機存儲信息的基本單位是一個二進制位，一

位可存儲一個二進制數(shù)：0或1。每8位組成一個字節(jié)，

位編號如圖2.6(a)所示。8086、80286的字長為16位，

由兩個字節(jié)組成，位編號如圖2.6(b)所示。80386到

Pentiumll機的字長為32位，由兩個字即4個字節(jié)組

成，在80x86系列中稱其為雙字，位編號如圖2.6(c)所

示。此外，還有一種由8個字節(jié)即字長為64位組成的4

字，位編號如圖2.6(d)所不。

，東第2章微型計算機結(jié)構(gòu)

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N地址