第二章 计算机基本原理

第二章 计算机基本原理

2.1 8086微机的基本结构

2.1.1 8086微机的基本结构图

对汇编语言程序员来说，计算机硬件的结构如下图所示（CPU、内存储器、接口（外设））：

2.1.2 微处理器

一、定义

• CPU是中央处理器（Central Processing Unit）的简称，是计算机内部对数据进行处理并对处理过程进行控制的部件。

• 伴随着大规模集成电路技术的迅速发展，芯片集成密度越来越高，CPU可以集成在一个半导体芯片上。这种具有中央处理器功能的大规模集成电路器件，被统称为“微处理器（MPU）”。

二、组成：

• 运算器：完成各种算术运算和逻辑运算。
• 控制器：取指令，经译码分析后发出各种控制命令,如取数、存数、发出执行指令的命令等。
• 寄存器：CPU内部用来存放数据的一些小型存储区域，用来暂时存放参与运算的数据和运算结果。

三、8086微处理器的一般性能特点

• 16位的内部结构，16位双向数据线；
• 20位地址线，可寻址1M字节存储单元；
• 较强的指令系统；
• 利用第16位的地址总线来进行I/O端口寻址，可寻址64K个I/O端口；
• 中断功能强，可处理内部软件中断和外部中断，中断源可达256个；
• 单一的＋5V电源，单相时钟5MHz；
• 8086可以和浮点运算器、I/O处理器或其他处理器组成多处理器系统，从而极大地提高了系统的数据吞吐能力和数据处理能力。

2.1.3 内存储器（主存储器）

一、定义

• 存放程序和数据的部件；由许多内存单元组成;每个内存单元有一个地址。 8086计算机的内存以字节编址。

二、内存单元的地址

• 内存单元的地址是为了标识和存取每一个存储单元，以正确地存放或取得信息，给每个存储单元规定一个唯一的地址（物理地址）。
• 说明
  • 地址的形成：由CPU和存储芯片共同决定。
  • 物理地址的空间：呈线性增长，地址从0开始编号，顺序地每次加1。
  • 物理地址的表示：在机器里用无符号二进制数表示，书写格式为十六进制数。如23450H、0A209FH。
  • 表示的地址范围：8086地址总线为20位，可访问的字节单元地址范围为 00000H~0FFFFFH也就是1MB的寻址空间。

四、内存单元的内容

• 定义：一个内存单元中存放的信息，每个单元中可存放一个字节。

• 特点：可重复读取内存单元中的数据，写则覆盖原数据。

• 内存容量：内存所具有的单元数。基本单位是B（字节）

• 目前常用的容量单位：KB、MB、GB、TB等。传说中还有NB、DB、CB。

  • 字节（Byte）：简写为B，1个字节由8个二进制位组成。是计算机中用来表示存储空间大小的基本容量单位。计算机内存的存储容量，磁盘的存储容量等都是以字节为单位表示的。
  • 位（bit)：计算机所能表示的最小的数据单位。简称为位(bit，比特)。是计算机中最直接最基本的操作。

  关系：

  • $1B=8bit$

  • $1KB=1024B=2^{10} B$

  • $1MB=1024KB=2^{10}KB=2^{20} B$

  • $1GB=1024MB=2^{10}MB=2^{30} B$

  • $1TB=1024GB=2^{10}GB=2{40} B $

  • $1PB=2^{10}TB，1EB＝2^{10}PB，1ZB＝2^{10}EB，1YB＝2^{10}ZB$

五、字和字长

• 在计算机中作为一个整体被存取、传送或处理的二进制位数称为一个字，每个字中二进制位数的长度，称为字长。
• 一个字由若干个字节组成，不同的计算机系统的字长是不同的，常见的有8位、16位、32位、64位等，字长越长，计算机一次处理的信息位就越多，精度就越高，字长是计算机性能的一个重要指标。
• 字与字长的区别：
  • 字是单位，而字长是指标，指标需要用单位去衡量。正象生活中重量与公斤的关系，公斤是单位，重量是指标。
  • 字节长度是固定的；字的长度是不固定的，不同计算机的字长是不同的。 8086CPU中的１个字包含２个字节。

2.1.4 系统总线(内总线)

一、定义

• 是将CPU与存储器及外部设备连接起来的，用来传输信息的一组公共导线。共有三条总线。

二、三条总线

• 地址总线（AB）：指出信息的来源和目的地。
• 数据总线（DB）：传送数据，数据总线赿宽，数据处理的能力就赿强。
• 控制总线（CB）：控制总线主要用来传送控制信号和时序信号。

三、总线图

2.2 8086的寄存器组与内存管理

2.2.1 8086CPU内部结构图

2.2.2 8086通用寄存器

一、通用寄存器

• 通用寄存器包括了8个16位的寄存器：AX、BX、CX、DX、SP、BP、DI及SI。可以细分为数据通用寄存器、指针寄存器和变址寄存器。

二、数据通用寄存器

• 通用寄存器分为4个16位的寄存器。
• 分类：
  • AX：作为累加器用，所以它是算术运算的主要寄存器。在乘除指令中指定用来存放操作数。另外，所有的I/O指令都使用AX或AL与外部设备传送信息。
  • BX：在计算存储器地址时，可作为基址寄存器使用。
  • CX：常用来保存计数值，如在移位指令、循环指令和串处理指令中用作隐含的计数器。
  • DX：在作双字长运算时，可把DX和AX组合在一起存放一个双字长数，DX用来存放高16位数据。此外，对某些I/O操作，DX可用来存放I/O的端口地址。
• 这4个16位寄存器又可分别分成高8位（AH、BH、CH、DH）和低8位（AL、BL、CL、DL）。因此它们既可作为4个16位数据寄存器使用，也可作为8个8位数据寄存器使用，在编程时可存放源操作数、目的操作数或运算结果。数据寄存器是存放操作数、运算结果和运算的中间结果，以减少访问存储器的次数，或者存放从存储器读取的数据以及写入存储器的数据的寄存器。

三、指针寄存器

• SP(堆栈指针寄存器): 与SS(堆栈段寄存器)一起确定栈顶的当前位置；
• BP(基址指针寄存器): 与SS用来确定堆栈段中的某一存储单元的地址；

四、变址寄存器

• SI（源变址寄存器）：在串操作指令中，以SI表示源数据串的地址。
• DI（目的变址寄存器）：在串操作指令中，以DI表示目的数据串的地址。

这四个寄存器经常的用途是在存储器寻址时，提供偏移地址。用它们可实现多种存储器操作数的寻址方式(在第3章有详细介绍) 。

五、堆栈

• 堆栈是按先进后出的的原则在内存中组织的一个存储区域。该区域一端固定一端活动,固定端称为栈底,而活动端称为栈顶。往堆栈中存入或取出信息都在栈顶进行。CPU中的堆栈指针SP始终指向栈顶,而堆栈段寄存器SS则指明了堆栈段的起始位置。
• 堆栈是一个很重要的概念,也是编程的基本手法。堆栈的设置主要用来解决子程序嵌套,递归子程序及多级中断中一些比较难以处理的问题,还可用来保护现场,保存中间结果,及子程序和中断服务程序的调用和返回等。

2.2.3 8086专用寄存器

一、控制寄存器

• 控制寄存器可分为指令指针寄存器和标准寄存器。

二、指令指针寄存器IP

• IP是计算机中很重要的一个控制寄存器，用来存放代码段当中的偏移地址。在程序运行的过程中，它始终指向下一条指令的首地址，它和CS一起形成取下一条指令的实际地址

三、标志寄存器

• Flags(标志寄存器) ：共16位，一般把每一位分别使用，8086使用其中的9位，用于存放当前程序执行的状况和运算结果的特征。9个标志位可分为二组：

  • 状态标志：用于反映指令执行的结果（受算术运算和逻辑运算结果的影响)

    • 进位标志CF：

      主要用来反映运算是否产生进位或借位。如果运算结果的最高位产生了一个进位或借位，那么，其值为1，否则其值为0。

    • 奇偶标志PF：

      用于反映运算结果中低8位中含有“1”的个数的奇偶性，如果“1”的个数为偶数，则PF的值为1，否则为0。

    • 溢出标志OF：

      用于反映有符号数加减运算所得结果是否溢出。如果运算结果超过当前运算位数所能表示的范围，则称为溢出，OF的值被置为1，否则，OF的值被清为0。

    • AF辅助进位标志（半进位标志）：

      主要用来反映D3位向D4位产生进位或借位的情况，如果有进位或借位，那么，其值为1，否则其值为0。

    • ZF零标志：

      用来反映运算结果是否为0。如果运算结果为0，则其值为1，否则其值为0。

    • SF符号标志：

      用来反映运算结果的符号位，它与运算结果的最高位相同。在微机系统中，有符号数采用补码表示法，所以，SF也就反映运算结果的正负号。运算结果为正数时，SF的值为0，否则其值为1 。

  • 控制标志：通过执行特定指令来设置，以控制某些指令的执行方式。 控制标志位是用来控制CPU操作的，它们要通过专门的指令才能使之发生改变。

    • TF(Trap Flag)追踪标志或跟踪标志：
      控制CPU是否进入单步调试方式。当TF＝1时，每执行一条指令，产生一个单步中断请求。这种方式主要用于程序的调试。指令系统中没有专门的指令来改变标志位TF的值，但程序员可用其它办法来改变其值。
    • 中断允许标志IF(Interrupt-enable Flag)
      用来决定CPU是否响应CPU外部的可屏蔽中断发出的中断请求。具体规定如下：
      • 当IF=1时，CPU响应外部的可屏蔽中断发出的中断请求
      • 当IF=0时，CPU不响应外部的可屏蔽中断发出的中断请求
        CPU的指令系统中有专门的指令来改变IF的值。
    • 方向标志DF(Direction Flag )
      • DF用来决定在串操作指令执行时有关指针寄存器发生调整的方向。当DF=0时，内存地址自动递增；当DF=１时，内存地址自动递减。CPU的指令系统中有专门的指令来改变DF的值。

四、段寄存器

• 用于存放逻辑段的段基地址，将程序的不同部分放入相应段(逻辑段的概念后面将要介绍)
• 分类：
  • CS：代码段寄存器
    代码段用于存放指令代码
  • DS：数据段寄存器
  • ES：附加段寄存器
    数据段和附加段用来存放操作数
  • SS：堆栈段寄存器
    堆栈段用于存放返回地址，保存寄存器内容，传递参数

2.2.4 8086的内存管理

一、8086的物理内存组织

• 8086计算机的内存以字节编址，每个内存单元有一个惟一的地址，可存放一个字节。字节是8086程序对数据的最小存取单位。
• 8086存取一个字或双字采用“小端方式”的方案：
  • １个字占据两个相邻的内存单元。低字节放在低地址单元，高字节放在高地址单元；字的地址由
    其低地址来表示。
  • 双字类似字。对于同一个内存地址，既可以看作是字节单元的地址，也可以看作是字或双字单元的地址，取决于存取的数据类型。

二、内存的分段管理

• 为何分段：

  • CPU有20根地址线，可直接访问的物理空间为1M字节，其编码区间为：00000H ~ FFFFFH。而CPU的数据总线是16位，寄存器也是16位或８位，它们的编码范围仅为：0000H ~ FFFH。这样，如果用16位寄存器来访问1MB内存的话，则只能访问内存的最低端的64KB，其它的内存空间将无法访问。为了能用16位寄存器来有效地访问1MB的存储空间，16位CPU采用了内存分段的管理模式。

• 段的分法
  把1MB内存空间划分成若干个逻辑段（简称段），每个逻辑段的要求：

  • 逻辑段的起始地址(通常简称为段地址)必须是16的倍数，即最低4位二进制必须全为0。
  • 逻辑段的最大容量为64KB。

• 逻辑地址的表示方法：段地址：偏移地址
  说明：

  • 段地址表示段的起始地址(xxxxxH)，并不是任意一个单元的地址都能作段的起始地址，只有那些形式为xxxx0H的地址才能作段的起始地址，该起始地址存入16位寄存器时，将0省略即可。存放在DS、CS、ES、SS段寄存器中。
  • 每个段的大小最大64KB，但在实际编程中，系统根据需要来分配，不一定非要占用64KB的最大空间。
  • 逻辑段之间可以重叠，也可以不重叠。
    图中是各逻辑段之间的分布情况示意图，其中有相连的段(如C和D段)、不相连的段(如A和B段)以及相互重叠的段(如B和C段)。

偏移地址（段内偏移量或有效地址），表示段内某单元相对本段起始地址的偏移值（即该内存单元相对其所在段的段首址间的字节距离，偏移地址为16位，可直接放入16位寄存器中表示。

逻辑地址：存储单元地址的表达形式，由程序给出。
即 段地址:偏移地址
物理地址：存储单元在1MB空间内的实际地址，每一个内存单元有一个唯一的地址号。由系统根据逻辑地址自动转换生成的。

第3节 Intel的32位CPU在不同模式下寻址

效地址），表示段内某单元相对本段起始地址的偏移值（即该内存单元相对其所在段的段首址间的字节距离，偏移地址为16位，可直接放入16位寄存器中表示。

逻辑地址：存储单元地址的表达形式，由程序给出。
即 段地址:偏移地址
物理地址：存储单元在1MB空间内的实际地址，每一个内存单元有一个唯一的地址号。由系统根据逻辑地址自动转换生成的。

第3节 Intel的32位CPU在不同模式下寻址

奇偶标志PF：用于反映运算结果中低8位中含有“1”的个数的奇偶性，如果“1”的个数为偶数，则PF的值为1，否则为0。