第二章 80X86計(jì)算機(jī)組織

第二章80X86計(jì)算機(jī)組織

2.180X86微處理器概況

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(chǔ)器

2.5外部設(shè)備

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本章目標(biāo)

?了解80X86微處理器

?熟悉基于微處理器的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成

?熟練掌握80X86CPU的寄存器組功能和作用

?掌握存儲(chǔ)器地址的分段表示及其物理地址

的計(jì)算

?熟悉段應(yīng)用規(guī)定

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計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)

以存儲(chǔ)器為中心的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要由存

儲(chǔ)器、運(yùn)算器+控制

器、輸入設(shè)備和輸出

設(shè)備構(gòu)成

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬件組成

運(yùn)算器ALU

主機(jī)“CPU

控制器CU?主機(jī)

主/主存

I/O存儲(chǔ)器硬件

存.輔存

輸入設(shè)備,I/O

輸出設(shè)備

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面向總線的體系結(jié)構(gòu)

?計(jì)算機(jī)五大部件互連方式

-分散連接：各部件之間使用單獨(dú)的連線

■總線連接：各部件連接到一組公共信息傳輸

線

-4分散連接今總線連接(I/O設(shè)備與主機(jī)之

間靈活連接)

?系統(tǒng)總線

內(nèi)存寫操作

■數(shù)據(jù)總線(DataBus)

?各部件之間數(shù)據(jù)傳輸

?內(nèi)數(shù)據(jù)總線寬度：CPU芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)傳送的寬

度(位數(shù))

?外數(shù)據(jù)總線寬度：CPU與外部交換數(shù)據(jù)時(shí)的數(shù)

據(jù)寬度

■地址總線(AddressBus)

?傳輸?shù)刂?/p>

(WhichmemorylocationorI/Odevices?)

■控制總線(ControlBus)內(nèi)存讀操作

?控制CUP和其他部件的通信方式

(Issendingorreceiving?)

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個(gè)人計(jì)算機(jī)剖視

Processor

Cache/DRAM

Controller

￡三加??€?????e<

PCIBus

SCSI|LAN|PlICZl!

BaseExpBus

Graphics

Xface

22J1口

ISA/EISA-MicroChannel)

BridgeArchitectureS5

⑨1

BusGig.Ethernet

CPU

B/s

Host-toFibreChannel

Memory

PCI

Controller

Bridge

CPU-FrontsideBusUttra3SCSI

1066MB/sPCIBus

533MB/s

Schematicdiagramofasej'xeryvithmultipledevicesconnectedTOaconmioiiPCIbus.

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2.180X86微處理器

?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(yùn)算器和控制器集成在一塊芯片上，構(gòu)成中央處理器CPU(Central

ProcessingUnit),80X86就是由InteI公司開發(fā)的微處理器系列

-由80X86微處理器芯片構(gòu)成的微機(jī)稱為X86微機(jī)

-另外還有AMD公司微處理器系列、IBM公司POWERPC、SUN公司SPARC等

?各種CPU系列有自己的機(jī)器指令系列，互不兼容

?C,PASCAL,FORTRAN,JAVA等高級(jí)語言，兼容，因?yàn)橥ㄟ^編譯轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的機(jī)器指令

?匯編語言，不兼容，但匯編語言程序設(shè)計(jì)方法通用，助記符、程序結(jié)構(gòu)大體相同

.本科程以80X86微處理器為例講解匯編語言程序設(shè)計(jì)基本概念、原理、方法

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Intel公司處理器系列

?1971年，設(shè)計(jì)了第一片4位微處理器Intel4004,隨之又設(shè)

計(jì)生產(chǎn)了8位微處理器8008

?1973年推出了8080；1974年基于8080的個(gè)人計(jì)算機(jī)

(PC)問世

?1977年Intel推出了8085

?自此之后，又陸續(xù)推出了8086、80286、80386、80486、

Pentium>XEON、EMTK4、Itanium!>多核等80X86

系列微處理器

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1.E+9

“l(fā)tanium”:15,950,000

1.E+8

PentiumII:7,500,000

PowerPC620:6,900,00ft.

1.E+7PentiumPro:5,500,000^

6WerPC604:3,600,000

Pentiums,

i80486DX:1,200,0

11168040:1,170,000

1,E+6

i80386DX:275,00ft匕二#m68030:273,000

i80286:134,Q0ft*^

m68020:190,000

I.E+5:000:68,000

i8086:2M0p/r

M6800^/J<

1.E+44渺4080:6,000

苑）04:2,300

1.E+3

7002

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80X86微處理器概況

這里僅列出發(fā)布年份、字長、主頻、地址總線寬度、尋址空間和高速緩沖

型號(hào)發(fā)布年份字長主頻(MHz)地址總線寬度尋址空間高速緩沖

80861978164.77201M無

80881979164.77201M無

802861982166~202416M無

8038619863212.5-33324G有

8048619893225~100324G8KB

Pentium19933260~166324G8KB數(shù)

(586)8KB指令

PRO(P6)199532150~2003664G8KB數(shù)據(jù)

8KB指令

256KB二級(jí)Cache

PII199732233-3333664G32KB

512JB二級(jí)Cache,

有獨(dú)立封裝和獨(dú)立總線

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8086(1978)80286(1982)80386(1985)

80486(1989)Pentium(1993)PentiumIV(2000)

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?80286開始：增加了保護(hù)模式，可提供虛擬存儲(chǔ)管理和多任務(wù)管理

■虛擬存儲(chǔ)管理：提供更大的存儲(chǔ)空間，允許用戶運(yùn)行程序空間大

于實(shí)際主存儲(chǔ)器空間

■多任務(wù)管理：允許多個(gè)用戶或多個(gè)任務(wù)同時(shí)使用計(jì)算機(jī)

?80386開始：又增加了虛擬86工作模式

-虛擬86工作模式：一臺(tái)機(jī)器可同時(shí)模擬多個(gè)8086處理器的工作，

多用戶可以完全安全隔離等

-硬件支持多任務(wù)轉(zhuǎn)換，提高效率

?80486開始：把協(xié)處理器集成到CPU芯片中，提高浮點(diǎn)處理速度

?字長增加有利于提高計(jì)算精度

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3種運(yùn)行模式關(guān)系

?從80386開始，Intel的CPU具有3種運(yùn)行模式：實(shí)模式、

保護(hù)模式和虛擬8086模式。

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(1)實(shí)模式

?CPU復(fù)位(Reset)或加電(PowerOn)時(shí)，處理器

以實(shí)模式工作

?在實(shí)模式下，內(nèi)存尋址方式和8086相同，由16位段

寄存器和16位偏移地址形成20位的物理地址

?在實(shí)模式下，所有的段都是可以讀、寫和可執(zhí)行的

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⑵保護(hù)模式

?在保護(hù)模式下，CPU提供了多任務(wù)、內(nèi)存分段分頁

管理和特權(quán)級(jí)保護(hù)等功能

■這些功能是windows/Linux等現(xiàn)代操作系統(tǒng)的基石

■如果沒有CPU的支持，操作系統(tǒng)的許多功能根本無法實(shí)現(xiàn)

?例如，在實(shí)模式下，應(yīng)用程序可以執(zhí)行任何的CPU指令，讀寫所

有的內(nèi)存，DOS操作系統(tǒng)就不能控制應(yīng)用程序的行為，應(yīng)用程序

可以做任何事情，沒有任何限制。而在保護(hù)模式下，通過設(shè)

置特權(quán)級(jí)和內(nèi)存的分段分頁，應(yīng)用程序只能讀寫屬于它自己的

內(nèi)存空間，而不能破壞其他應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)

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?實(shí)模式下沒有特權(quán)級(jí)的概念，相當(dāng)于所有的指令都工作在特

權(quán)級(jí)0,即最高的特權(quán)級(jí)。它可以執(zhí)行所有特權(quán)指令，包括讀

寫控制寄存器CR0等。Windows/Linux操作系統(tǒng)就是通過在實(shí)

模式下初始化控制寄存器、GDTR、LDTR、IDTR、TR等寄存器

以及頁表，然后再通過置CR0的保護(hù)模式位（PE位）為1而進(jìn)

入保護(hù)模式的

?實(shí)模式下不支持硬件上的多任務(wù)切換，所有的指令都在同一

個(gè)環(huán)境下執(zhí)行

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Pentium的存儲(chǔ)保護(hù)包括特權(quán)級(jí)保護(hù)和存儲(chǔ)區(qū)域保護(hù)。

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?保護(hù)模式下提供的主要功能有：

■段的大小可以設(shè)置為4GB,段內(nèi)的偏移量為

32位

■特權(quán)級(jí)保護(hù)

■支持內(nèi)存分頁機(jī)制，支持虛擬內(nèi)存。

?支持多任務(wù)

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?Intel陸續(xù)推出的80x86系列處理器的性能和功能越來越強(qiáng)。但是，

從匯編語言程序設(shè)計(jì)人員面對(duì)這些CPU的體系結(jié)構(gòu)角度來看，8086建

立的實(shí)模式和80386建立的保護(hù)模式模型到目前為止一直適用。因此,

本課程介紹的實(shí)模式編程以8086為例說明，保護(hù)模式編程以80386為

例說明

108kilohertz

006MIPS

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⑶虛擬86模式

?虛擬86模式以任務(wù)形式在保護(hù)模式下執(zhí)行

?在CPU上可以同時(shí)支持由多個(gè)真正的CPU任務(wù)和

多個(gè)虛擬86任務(wù)

?在虛擬86模式下，CPU支持任務(wù)切換和內(nèi)存分頁

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2.2基于微處理器的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成

8086顯示器

動(dòng)態(tài)RAM8088打印機(jī)

靜態(tài)RAM80186串行通信設(shè)備

高速緩存80286軟盤驅(qū)動(dòng)器

80386

只讀存儲(chǔ)器ROM硬堇驅(qū)動(dòng)器

等80486

Pentium

PentiumProCD-ROM驅(qū)

PentiumPrommx

繪圖儀

磁帶機(jī)

基于微處理器的個(gè)人計(jì)算機(jī)方框圖

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2.2.1硬件

硬件包括：電路、插件板、機(jī)柜等。

典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)硬件包括：微處理器、存儲(chǔ)器、I/O接口電路及輸入輸出設(shè)備。

存儲(chǔ)器

中央處理機(jī)總線控制

接口

CPU邏輯

系

統(tǒng)

總

線接口

21/

/73

郵政編號(hào):710049>71：西安市，0049：西安父通大學(xué)

CB00000

MB存儲(chǔ)器

，二］存儲(chǔ)芯片100001

?DB讀/寫控制ROM

MOVA,X

驅(qū)動(dòng)/存儲(chǔ)芯片2

、、低位MOVB,Y

20緩沖

一、6RAMADDA,B

電路

復(fù)位等MOVX,A

高位

(X)

譯

碼

選

擇(Y)

電

路

存儲(chǔ)芯片n

RAMFFFFF

CPU

00

01

IO接口1IO設(shè)備1

、

8IO接口2IO設(shè)備2

寄存器A寄存器B7

運(yùn)算器

譯

碼

選

擇

MOVA,X

電

MOV路IO接口mIO設(shè)備m

X=X+YB,Y

ADDA,BFF22/73

MOVX,A

2.2.2軟件

軟件是為了運(yùn)行、管理和維護(hù)計(jì)算機(jī)而編制的各種程序的總和。

軟件可分為系統(tǒng)軟件和用戶軟件兩大類

?系統(tǒng)軟件：由計(jì)算機(jī)生產(chǎn)廠家提供給用戶的一組程序，包括：操作系

統(tǒng)、系統(tǒng)程序（編譯、匯編、連接等）

?核心是操作系統(tǒng)OS

.C等編譯器

-匯編語言工具軟件

?MASM.EXETASM.EXE

?LINK.EXETLINK.EXE

?DEBUG.EXE

?用戶軟件：用戶自行編制的各種程序，包括：用戶程序、用戶程序庫

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2.3中央處理機(jī)

2.3.1中央處理機(jī)（CPU）的組成

CPU的任務(wù)是執(zhí)行存放在存儲(chǔ)器里的指

令序列，完成用戶指定的功能

CPU組成：

1.算術(shù)邏輯部件ALU

2.控制邏輯EU

3.工作寄存器（☆）

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-8088/8086CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

20位，AB

8088:8位;

I

位

8086:16*

內(nèi)

存

運(yùn)算數(shù)落存器

指令隊(duì)列

總線8086/8088IO

123456—

控制電路外部總線

ALU控制電路8位士」J」」設(shè)

8088

標(biāo)志寄存器T8086備

X=X+Y

執(zhí)行單元（EU）總線接口單元（BIU）

MOVAX,DS:[X]

MOVDX,DS:[Y]

ADDAX,DX

MOVDS:[X],AX25/73

基本概念-寄存器(Register)

?相當(dāng)于運(yùn)算器中的一個(gè)存儲(chǔ)單元

?訪問速度比內(nèi)存快

?存放運(yùn)算過程中所需要的或所得到的信息

(地址、數(shù)據(jù)、中間結(jié)果)

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2.3.280X86的寄存器組

80X86程序可見寄存器組:程序可見寄存器組包括多

個(gè)8位、16位和32位寄存

器，如圖所示。深色部分

位1615

31870只對(duì)80386（含80386）以

EAX累加器上CPU有效。

EBX基址變址,數(shù)據(jù)寄存器、1.通用寄存器

計(jì)數(shù)

ECXAX、BX、CX、DX、BP、SI、DI

數(shù)據(jù)

EDX80386以上CPU

堆棧指針》關(guān)EAX>EBX、ECX、EDX、ESP、EBP、

ESP指針寄存器

ESI、EDI

EBP基址指針

源變址2.專用寄存器

ESI變址寄存器1

SP、IP、FLAGS

EDI目的變址

80386以上CPU

EIP指令指針

控制寄存器ESP、EIP

標(biāo)志

EFLAGS3.段寄存器

代碼段寄存器CS、DS、ES、SS、FS、GS

堆棧段寄存器

（深色區(qū)域?qū)τ?/p>

數(shù)據(jù)段寄存器以8086/8088的標(biāo)志為主

8086/8088/80286

附加段寄存器r段寄存器介紹

是不可用的）

y

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標(biāo)志寄存器FLAGS

OFDFIFTFSFZFAFPFCF8086/8088

NTIOPLOFDFIFTFSFZFAFPFCF80286

?????????RFVMNTIOPLOFDFIFTFSFZFAFPFCF80386

ACRFVMNTIOPLOFDFIFTFSFZFAFPFCF80486

IDVIPVIFACRFVMNTIOPLOFDFIFTFSFZFAFPFCF80586

31...222120191817161514131211109876543210

PSW(ProgramStatusWord):

條件碼標(biāo)志-記錄程序運(yùn)行結(jié)果的狀態(tài)信息，用作后續(xù)轉(zhuǎn)移控制條件

控制標(biāo)志-用以控制程序的執(zhí)行

系統(tǒng)標(biāo)志-用于I/O、可屏蔽中斷、程序調(diào)試、任務(wù)切換和系統(tǒng)工作方式等的控制

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8086/8088的寄存器組

?數(shù)據(jù)寄存器（4個(gè)16位）

■暫存計(jì)算過程中所用到的：操作數(shù)、結(jié)果或

高8位低8位

其他信息

AHAL

■4個(gè)16位寄存器：

BHBL

AX、BX、CX、DX

CHCL■8個(gè)8位寄存器：

DHDLAH、AL、BH、BL、CH、CL、DH、DL

專AX：累計(jì)器，乘除指令中存放操作數(shù)，I/O指令使用其與外設(shè)傳送信息

用

BX：基址寄存器

目

的CX：計(jì)數(shù)器（移位指令、循環(huán)指令、串處理指令）

DX：雙字長運(yùn)算（和AX組合）存放高位字，I/O操作存放I/O端口地址

注：386以上增加四個(gè)32位寄存器:EAX、EBX、ECX、EDX。

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J指針及變址寄存器（4個(gè)，16位）

■堆棧指針寄存器：SP

?存放當(dāng)前堆棧段棧頂偏移量

?總是與SS堆棧段寄存器配合存取堆棧中的數(shù)據(jù)

■基址指針寄存器：BP

?存放地址的偏移量（或數(shù)據(jù)）

?若存放偏移量時(shí)，缺省情況與SS配合

■變址寄存器：SI

通用寄存器

?存放串?dāng)?shù)據(jù)的源地址偏移量（或數(shù)據(jù)）AXAllAL累加器

?若存放偏移量時(shí)，缺省情況與DS配合BXBHBL基址寄存器

CXCHCL計(jì)數(shù)舟存器

-變址寄存器：DIDXDllDL數(shù)據(jù)寄存器

指針寄存器（SP堆棧指針

?存放串?dāng)?shù)據(jù)的目的地址偏移量（或數(shù)據(jù)）

BP基址指針

?若存放偏移量時(shí)，缺省情況與DS配合變址寄存器（DI目的變址

SI源變址

■注：ESP、EBP、ESI、EDI（32位）只有386以上使用

實(shí)模式使用SP、PB、SI、DI,保護(hù)模式使用ESP、EBP、ESI、EDI

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/段寄存器（4個(gè)，16位）

■存儲(chǔ)器采用分段管理方法組織；存儲(chǔ)單元物理地址可以

用段基址和偏移量計(jì)算獲得；一個(gè)程序可以由多個(gè)段組成

■功能：段寄存器存放段基址。在實(shí)模式下存放

段基地址，在保護(hù)模式下存放段選擇子

■代碼段寄存器：cs

?存放當(dāng)前正在運(yùn)行的程序代碼段基地址（開始地址）

-堆棧段寄存器：SS

?指定堆棧段位置，存放堆棧段的基地址

?堆棧段是在內(nèi)存開辟的一塊特殊區(qū)域，其中的數(shù)據(jù)訪問原則是后進(jìn)先出

（LIFO）,SP指向棧頂,SS指向堆棧段基地址

通用寄存器

■數(shù)據(jù)段寄存器：DSAXAHAL祟加器

BXBHBL基址寄存器

?指定當(dāng)前運(yùn)行程序所使用的數(shù)據(jù)段基地址CXCHCL計(jì)數(shù)寄存器

DXDIIDL數(shù)據(jù)寄存器

■附加數(shù)據(jù)段寄存器：ES指針寄存器｛SP堆棧指針

?指定當(dāng)前運(yùn)行程序所使用的附加數(shù)據(jù)段基地址BP基址指針

變址寄存器JD!目的變址

1SI源變址

-段寄存器FS和GS指定當(dāng)前運(yùn)行程序的另外兩個(gè)存放數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)段，只對(duì)80386以上；

-在默認(rèn)情況下使用DS所指向段的數(shù)據(jù)，若要引用其他段中的數(shù)據(jù)，通常需要顯式說明

ji//3

/控制寄存器（2個(gè)）

-指令指針寄存器：IP

?存放代碼段中的指令地址偏移量，始終指向下一條即將執(zhí)行的指令的

首地址，控制器根據(jù)指令字長自動(dòng)增加

?總是與cs段寄存器配合指出下一條要執(zhí)行指令的地址

?實(shí)模式使用IP,保護(hù)模式使用EIP（386以上）

■標(biāo)志寄存器：FLAGS

（PSW程序狀態(tài)字寄存器）

31...222120191817161514131211109876543210

32/73

標(biāo)志寄存器

8088/8086標(biāo)志寄存器：FLAGS

1514131211109876543210

0FDFIFTFSFZFAFPFCF

條件碼（狀態(tài)）標(biāo)志控制標(biāo)志

（記錄程序中運(yùn)行結(jié)果的狀態(tài)信息）

控制標(biāo)志控制處理器的操作，要通過專門

’0F溢出標(biāo)志的指令才能使控制標(biāo)志發(fā)生變化

SF符號(hào)標(biāo)志DF方向標(biāo)志

ZF零標(biāo)志

系統(tǒng)標(biāo)志

|CF進(jìn)位標(biāo)志

用于I/O、可屏蔽中斷、程序調(diào)試、任務(wù)切

AF輔助進(jìn)位標(biāo)志換和系統(tǒng)工作方式等的控制

iPF奇偶標(biāo)志IF中斷標(biāo)志

TF陷阱標(biāo)志

33/73

OFDFIFTFSFZFAFPFCF8086/8088

NTIOPLOFDFIFTFSFZFAFPFCF80286

?????????RFVMNTIOPLOFDFIFTFSFZFAFPFCF80386

???ACRFVMNTIOPLOFDFIFTFSFZFAFPFCF80486

IDVIPVIFACRFVMNTIOPLOFDFIFTFSFZFAFPFCF80586

31...222120191817161514131211109876543210

FLAGS寄存器

OFDFIFTFSFZFAFPFCF

1514131211109876543210

□OF(OverflowFlag)溢出標(biāo)志：由運(yùn)算結(jié)果自動(dòng)設(shè)置

所謂溢出是指字節(jié)(字)運(yùn)算結(jié)果超過了所能表數(shù)的范圍

字節(jié)運(yùn)算帶符號(hào)數(shù)范圍：-128~+127

字運(yùn)算帶符號(hào)數(shù)范圍：-32768~+32767

溢出時(shí)，標(biāo)志0F=1,否則0F二0

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FLAGS寄存器

OFDFIFTFSFZFAFPFCF8088/8086

151413121110987654132110

□SF(SignFlag)符號(hào)標(biāo)志：由運(yùn)算結(jié)果自動(dòng)設(shè)置

SF的值與運(yùn)算結(jié)果的最高位相同

運(yùn)算結(jié)果為負(fù)，SF=1；運(yùn)算結(jié)果為正，SF=O

□ZF(ZeroFlag)零標(biāo)志：由運(yùn)算結(jié)果自動(dòng)設(shè)置

運(yùn)算結(jié)果為零時(shí)，ZF=1；否則，ZF=0。

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FLA,S聲彈

OFDFIFTFSFZFAFPFGF8088/8086

151413121110987654132110

□CF(CarryFlag)進(jìn)位標(biāo)志：由運(yùn)算結(jié)果自動(dòng)設(shè)置

在運(yùn)算結(jié)果中，若最高有效位產(chǎn)生進(jìn)位或借位，貝IJCFF；否則，

CF二0

□AF(AuxiIiaryCarryFlag)輔助進(jìn)位標(biāo)志：由運(yùn)算結(jié)果自動(dòng)設(shè)置

記錄運(yùn)算結(jié)果中，低半字節(jié)(最低4位)向高半字節(jié)(即D3向D4)的

進(jìn)位情況。

若D3向D4有進(jìn)位或借位，AF=1；否則，AF=O

只有在執(zhí)行十進(jìn)制運(yùn)算指令時(shí)才關(guān)心此位

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FLAGS寄存器

0FDFIFTFSFZFAFPFCF8088/8086

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□PF(ParityFlag)奇偶標(biāo)志：由運(yùn)算結(jié)果自動(dòng)設(shè)置

若運(yùn)算結(jié)果的低8位中，“產(chǎn)的個(gè)數(shù)為偶數(shù)，貝IJPF=1；否

貝lj,PF=0

□DF(DirectionFlag)方向標(biāo)志：由指令設(shè)置

用于控制串操作，指示串操作時(shí)操作數(shù)地址的增減方向

■DF為1時(shí)，串操作后使變址寄存器SI、DI自動(dòng)減量

■DF為0時(shí)，串操作后，使SI、DI自動(dòng)增量

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FLAGS寄存器

OFDFIFTFSFZFAFPFCF8088/8086

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□IF(InterruptFlag)中斷標(biāo)志：由指令設(shè)置

IF只對(duì)外部可屏蔽中斷請(qǐng)求(INTR)起作用

若IF=L允許CPU響應(yīng)INTR

若IF=0,禁止響應(yīng)INTR

□TF(TrapFlag)陷阱標(biāo)志:由指令設(shè)置

用于程序調(diào)試

若TF=1,CPU處于單步運(yùn)行方式

若TF=0,CPU處于正常工作方式38/73