第02章2.1寄存器的结构

1、2.1 8086/80888086/8088的内部结构的内部结构第第2 2章章 80X8680X86微处理器及其体系结构微处理器及其体系结构2.2 8086/80888086/8088的总线周期的总线周期2.3 8086/80888086/8088的管脚特性的管脚特性2.5 80X8680X86高档微处理器高档微处理器2.4 8086/80888086/8088的两种组态模式的两种组态模式 微型计算机是由具有不同功能的一些部件组成的，微型计算机是由具有不同功能的一些部件组成的，包含运算器和控制器电路的大规模集成电路，称为包含运算器和控制器电路的大规模集成电路，称为“微微处理器处理器”，又称，又

2、称“中央处理器（中央处理器（CPU）”，其职能是执，其职能是执行算术行算术/逻辑运算，并负责控制整个计算机系统，使之能逻辑运算，并负责控制整个计算机系统，使之能自动协调地完成各种操作。自动协调地完成各种操作。 16位微处理器位微处理器8086/8088的性能远远优于的性能远远优于8位机，不位机，不仅在运行速度、运算能力和寻址范围等纵向能力有很大仅在运行速度、运算能力和寻址范围等纵向能力有很大提高，还由于具有协处理器接口，横向能力也大为提高。提高，还由于具有协处理器接口，横向能力也大为提高。特别是特别是80286、80386、80486等更高性能的微处理器都等更高性能的微处理器都保持了对它的兼容

3、。保持了对它的兼容。 8086/8088既有广泛的应用，也有既有广泛的应用，也有很好的承上启下很好的承上启下 作用。作用。 所以我们以所以我们以8086/8088为例作重点介绍。为例作重点介绍。2.1 8086/80882.1 8086/8088的内部结构的内部结构8086： Intel系列的系列的16位微处理器；位微处理器； 采用高速运算性能的采用高速运算性能的HMOS工艺制造，芯片上集成工艺制造，芯片上集成了了2.9万只晶体管；万只晶体管； 使用单一的使用单一的+5V电源，电源，40条引脚双列直插式封装；条引脚双列直插式封装； 时钟频率为时钟频率为5MHz10MHz； 16根数据线和根数据

4、线和20根地址线，可寻址的地址空间达根地址线，可寻址的地址空间达1MB； 8086可以和浮点运算器、可以和浮点运算器、I/O处理器或其他处理器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。吞吐能力和数据处理能力。 8088：内部与：内部与8086兼容，也是一个兼容，也是一个16位微处理器，只位微处理器，只是外部数据总线为是外部数据总线为8位，所以称为准位，所以称为准16位微处理器。位微处理器。它具有包括乘法和除法的它具有包括乘法和除法的1616位运算指令，所以能处位运算指令，所以能处理理1616位数据，还能处理

5、位数据，还能处理8 8位数据。位数据。80888088有有2020根地址根地址线，所以可寻址的地址空间达线，所以可寻址的地址空间达2 22020即即1M1M字节。字节。AH ALBH BLCH CLDH DL SP BP DI SI通通用用寄寄存存器器暂存寄存器暂存寄存器ALU执行部分执行部分控制电路控制电路1 2 3 4 5 6 CS DS SS ES IP内部寄存内部寄存器器I/O控制控制电路电路地址加地址加法器法器20位位16位位8位位指令队列缓冲器指令队列缓冲器外外部部总总线线执行部件执行部件EU总线接口部件总线接口部件BIU8086CPU结构图结构图16位位ALU数数据总线据总线AX

6、BXCXDX标志寄存器标志寄存器 1 2 3 4AH ALBH BLCH CLDH DL SP BP DI SI通通用用寄寄存存器器暂存寄存器暂存寄存器ALU标志寄存器标志寄存器执行部分执行部分控制电路控制电路 CS DS SS ES IP内部寄存内部寄存器器I/O控制控制电路电路地址加地址加法器法器20位位8位位8位位指令队列缓冲器指令队列缓冲器外外部部总总线线执行部件执行部件EU总线接口部件总线接口部件BIU8088CPU结构图结构图16位位ALU数数据总线据总线AXBXCXDX8086/8088 的内部结构的内部结构从功能上分成两个单元从功能上分成两个单元1）执行部件）执行部件EU 负责

7、指令的译码、执行和数据的运算负责指令的译码、执行和数据的运算2）总线接口部件）总线接口部件BIU 管理管理8086/8088与系统总线的接口与系统总线的接口 负责负责CPU对存储器和外设进行访问对存储器和外设进行访问2.1.1 执行部件执行部件EU功能：功能：EU不与外部系统总线相连，只负责指令的译码和执行。不与外部系统总线相连，只负责指令的译码和执行。（1）从指令队列中取出指令。）从指令队列中取出指令。（2）对指令进行译码，执行指令所规定的全部功能。）对指令进行译码，执行指令所规定的全部功能。（3）执行指令所得结果或执行指令所需的数据，都由）执行指令所得结果或执行指令所需的数据，都由EU向向

8、BIU发出命令，让发出命令，让BIU对存储器或对存储器或I/O接口进行读接口进行读/写操作。写操作。执行部件的组成：执行部件的组成：EU由算术由算术/逻辑运算器逻辑运算器ALU，寄存器，寄存器阵列，阵列，EU控制器组成。控制器组成。（1）算术逻辑单元）算术逻辑单元ALU 完成完成8位或者位或者16位二进制算术和逻辑运算，计算偏移量。位二进制算术和逻辑运算，计算偏移量。（2）寄存器阵列）寄存器阵列（3）执行部件的控制电路）执行部件的控制电路从总线接口的指令队列取出指令操作码，通过译码电从总线接口的指令队列取出指令操作码，通过译码电路分析，发出相应的控制命令，控制路分析，发出相应的控制命令，控制A

9、LU数据流向。数据流向。2.1.2 总线接口部件总线接口部件BIU功能：与外部总线相连，负责与存储器或者功能：与外部总线相连，负责与存储器或者I/O端口端口传送信息。根据执行部件传送信息。根据执行部件EU的请求，管理预取指令的请求，管理预取指令和存数、取数的实际过程。和存数、取数的实际过程。组成：组成：（1）指令队列（）指令队列（8086六字节，六字节，8088四字节）四字节）在执行指令的同时，将取下一条指令，并放入指令队在执行指令的同时，将取下一条指令，并放入指令队列中。列中。CPU执行完一条指令后，可以接着执行下一条执行完一条指令后，可以接着执行下一条指令（流水线技术）。提高指令（流水线技

10、术）。提高CPU效率。效率。（2）地址加法器）地址加法器（3）寄存器阵列）寄存器阵列（4）总线控制逻辑（）总线控制逻辑（I/O控制电路）控制电路）等待取指等待取指1 执行执行1等待取指等待取指2 执行执行2等待取指等待取指3 执行执行3MPU总总线线忙忙闲闲忙忙闲闲忙忙闲闲传统微处理器的指令执行过程传统微处理器的指令执行过程 取指取指1取指取指2取指取指3取指取指4取指取指5取指取指6EU总线总线执行执行1执行执行2执行执行3执行执行4执行执行5执行执行6忙忙忙忙忙忙忙忙忙忙忙忙BIU8086CPU的指令执行过程的指令执行过程 2.1.3 8088/8086的寄存器结构的寄存器结构寄存器是微处

11、理器（寄存器是微处理器（CPUCPU）内部暂存数据的存储单）内部暂存数据的存储单元。元。8088/8086的寄存器组有的寄存器组有8个通用寄存器个通用寄存器4个段寄存器个段寄存器1个标志寄存器个标志寄存器1个指令指针寄存器个指令指针寄存器它们均为它们均为1616位位! !图示图示 汇编语言程序员看到的处理器，就是寄存器汇编语言程序员看到的处理器，就是寄存器 所以，一定要熟悉这些寄存器的名称和作用所以，一定要熟悉这些寄存器的名称和作用 这这个个16位寄存器，按其用途可分为位寄存器，按其用途可分为3类：通用寄存器、类：通用寄存器、段寄存器、控制寄存器。段寄存器、控制寄存器。 累加器累加器AHALB

12、HBLCLDHDLCHSPSIDIIPFLAGSCSDSSSESBP基址寄存器基址寄存器计数寄存器计数寄存器数据寄存器数据寄存器堆栈指针寄存器堆栈指针寄存器基址指针寄存器基址指针寄存器源变址寄存器源变址寄存器目的变址寄存器目的变址寄存器指令指针寄存器指令指针寄存器标志寄存器标志寄存器代码段寄存器代码段寄存器段寄存器段寄存器附加段寄存器附加段寄存器堆栈段寄存器堆栈段寄存器数据寄存器数据寄存器地址指针和地址指针和变址寄存器变址寄存器控制寄存器控制寄存器通用寄存器通用寄存器数据段寄存器数据段寄存器8086CPU内部寄存器结构内部寄存器结构 2.1.3.1 通用寄存器通用寄存器8088有有8个通用的个

13、通用的16位寄存器位寄存器（1）数据寄存器）数据寄存器: AX BX CX DX（2）变址寄存器）变址寄存器: SI DI（3）指针寄存器）指针寄存器: BP SP4个数据寄存器还可以分成高个数据寄存器还可以分成高8位和低位和低8位两位两个独立的寄存器，这样又形成个独立的寄存器，这样又形成8个通用的个通用的8位寄存器位寄存器AX： AH ALBX： BH BLCX： CH CLDX： DH DL（1）数据寄存器）数据寄存器AX称为称为累加器累加器（Accumulator）使用频度最高。用于算术、逻辑运算以及与外设传送信使用频度最高。用于算术、逻辑运算以及与外设传送信息等息等BX称为称为基址寄存

14、器基址寄存器（Base address Register）常用做存放存储器地址常用做存放存储器地址CX称为称为计数器计数器（Counter）作为循环和串操作等指令中的隐含计数器作为循环和串操作等指令中的隐含计数器DX称为称为数据寄存器数据寄存器（Data register）常用来存放双字长数据的高常用来存放双字长数据的高16位，或存放外设端口地址位，或存放外设端口地址（2）变址寄存器）变址寄存器16位变址寄存器位变址寄存器SI和和DI常用于存储器变址寻址方式时提供地址常用于存储器变址寻址方式时提供地址SI是源地址寄存器（是源地址寄存器（Source Index）DI是目的地址寄存器是目的地址寄

15、存器（Destination Index）在串操作类指令中，在串操作类指令中，SI、DI还有较特殊的还有较特殊的用法用法（3）指针寄存器）指针寄存器指针寄存器用于寻址内存指针寄存器用于寻址内存堆栈堆栈内的数据内的数据SPSP为堆栈指针寄存器（为堆栈指针寄存器（Stack Pointer）, ,指示指示堆栈段栈顶的位置（偏移地址）堆栈段栈顶的位置（偏移地址）BPBP为基址指针寄存器（为基址指针寄存器（Base Pointer），表示），表示数据在堆栈段中的基地址数据在堆栈段中的基地址SPSP和和BPBP寄存器与寄存器与SSSS段寄存器联合使用以确段寄存器联合使用以确定堆栈段中的存储单元地址定堆栈

16、段中的存储单元地址堆栈堆栈（Stack）（1）堆栈的概念）堆栈的概念 堆栈是堆栈是主存中一个特殊的区域，用主存中一个特殊的区域，用8088/8086形成的微机系统形成的微机系统中，堆栈区域被称为堆栈段。中，堆栈区域被称为堆栈段。这片存储区的一端固定，另一这片存储区的一端固定，另一端活动，且只允许数据从活动端进出。采用端活动，且只允许数据从活动端进出。采用“先进后出先进后出”的的规则规则 ，而不是随机存取方式。而不是随机存取方式。堆栈主要用于暂存数据和在过堆栈主要用于暂存数据和在过程调用或处理中断时暂存断点信息。程调用或处理中断时暂存断点信息。 2.1.3.2 指令指针寄存器指令指针寄存器IP（

17、Instruction Pointer）为指令指针寄存）为指令指针寄存器，指示主存储器指令的位置器，指示主存储器指令的位置随着指令的执行，随着指令的执行，IP将自动修改以指示下将自动修改以指示下一条指令所在的存储器位置一条指令所在的存储器位置IP寄存器是一个寄存器是一个专用专用寄存器寄存器IPIP寄存器与寄存器与CSCS段寄存器联合使用以确定下段寄存器联合使用以确定下一条指令的存储单元地址一条指令的存储单元地址2.1.3.3 标志寄存器标志寄存器标志标志（Flag）用于反映指令执行结果）用于反映指令执行结果或控制指令执行形式或控制指令执行形式8088处理器的各种标志形成了一个处理器的各种标志形

18、成了一个16位的标志寄存器位的标志寄存器FLAGS（程序状态字（程序状态字PSW寄存器寄存器） 程序设计需要利用标志的状态程序设计需要利用标志的状态标志寄存器的分类：标志寄存器的分类：状态标志状态标志用来记录程序运行结果的状态用来记录程序运行结果的状态信息，许多指令的执行都将相应地设置它信息，许多指令的执行都将相应地设置它CF ZF SF PF OF AF控制标志控制标志可由程序根据需要用指令设置，可由程序根据需要用指令设置，用于控制处理器执行指令的方式用于控制处理器执行指令的方式DF IF TFOF1115 12DF10IF9TF8SF7ZF65AF43PF21CF0（6）标志寄存器）标志寄

19、存器16位寄存器，其中有位寄存器，其中有7位未用。位未用。D15D0 OF DF IF TF SF ZF AF PF CF进进借借位位标标志志奇奇偶偶标标志志半半进进借借位位标标志志零零标标志志符符号号标标志志单单步步中中断断中中断断允允许许方方向向标标志志溢溢出出标标志志1-有进、借位有进、借位0-无进、借位无进、借位1-低低8位有偶数个位有偶数个10-低低8位有奇数个位有奇数个11-低低4位向高位向高4位有进、借位位有进、借位0-低低4位向高位向高4位无进、借位位无进、借位1-结果为结果为00-结果不为结果不为0（1）进位标志）进位标志CF（Carry Flag）当运算结果的最高有效位有进

20、位（加法）或借当运算结果的最高有效位有进位（加法）或借位（减法）时，进位标志置位（减法）时，进位标志置1，即，即CF1； 否则否则CF03AH + 7CHB6H，没有进位：，没有进位：CF = 0AAH + 7CH（1）26H，有进位：，有进位：CF = 1（2）零标志）零标志ZF（Zero Flag）若运算结果为若运算结果为0，则，则ZF1；否则否则ZF03AH7CHB6H，结果不是零：，结果不是零：ZF084H7CH（1）00H，结果是零：，结果是零：ZF1 注意：注意：ZF为为1表示的结果是表示的结果是0（3）符号标志）符号标志SF（Sign Flag）运算结果最高位为运算结果最高位为1

21、，则，则SF1； 否则否则SF03AH7CHB6H，最高位，最高位D71：SF184H7CH（1）00H，最高位，最高位D70：SF0 有符号数据用最高有效位表示数据的符号有符号数据用最高有效位表示数据的符号所以，最高有效位就是符号标志的状态所以，最高有效位就是符号标志的状态（4）奇偶标志）奇偶标志PF（Parity Flag）当运算结果最低字节中当运算结果最低字节中“1”的个数为的个数为零或偶数时，零或偶数时，PF1；否则；否则PF03AH7CHB6H10110110B结果中有结果中有5个个“1”，是奇数：是奇数：PF0 PF标志仅反映最低标志仅反映最低8位中位中“1”的个数是的个数是偶或奇

22、，即使是进行偶或奇，即使是进行16位字操作位字操作（5）溢出标志）溢出标志OF（Overflow Flag）若算术运算的结果有溢出，则若算术运算的结果有溢出，则OF1； 否则否则 OF03AH + 7CHB6H，产生溢出：，产生溢出：OF1AAH + 7CH（1）26H，没有溢出：，没有溢出：OF0什么是溢出什么是溢出处理器内部以补码表示有符号数处理器内部以补码表示有符号数8位表达的整数范围是：位表达的整数范围是：127 12816位表达的范围是：位表达的范围是：32767 32768如果运算结果超出这个范围，就产生了溢出如果运算结果超出这个范围，就产生了溢出有溢出，说明有符号数的运算结果不正

23、确有溢出，说明有符号数的运算结果不正确3AH7CHB6H，就是，就是58124182，已经超出已经超出128127范围，产生溢出，故范围，产生溢出，故OF1；补码补码B6H表达真值是表达真值是74，显然运算结果也不正确，显然运算结果也不正确 B6H10110110B，最高位为，最高位为1，作为有符号数是负数作为有符号数是负数 对对B6H求反加求反加1等于：等于：01001001B101001010B4AH74 所以，所以，B6H表达有符号数的真值为表达有符号数的真值为74溢出和进位的区别溢出和进位的区别溢出标志溢出标志OF和进位标志和进位标志CF是两个意义是两个意义不同的标志不同的标志进位标志

24、表示无符号数运算结果是否进位标志表示无符号数运算结果是否超出范围，运算结果仍然正确超出范围，运算结果仍然正确溢出标志表示有符号数运算结果是否溢出标志表示有符号数运算结果是否超出范围，运算结果已经不正确超出范围，运算结果已经不正确（6）辅助进位标志）辅助进位标志AF（Auxiliary Carry Flag）3AH7CHB6H，D3有进位：有进位：AF1运算时运算时D D3 3位（低半字节）有进位或位（低半字节）有进位或借位时，借位时，AFAF1 1；否则；否则AFAF0 0这个标志主要由处理器内部使用，这个标志主要由处理器内部使用，用于十进制算术运算调整指令中，用于十进制算术运算调整指令中，用

25、户一般不必关心用户一般不必关心（7）方向标志）方向标志DF（Direction Flag）用于串操作指令中，控制地址的变化方向：用于串操作指令中，控制地址的变化方向：设置设置DF0，存储器地址自动增加；，存储器地址自动增加；设置设置DF1，存储器地址自动减少，存储器地址自动减少CLDCLD指令复位方向标志：指令复位方向标志：DFDF0 0STDSTD指令置位方向标志：指令置位方向标志：DFDF1 1（8）中断允许标志）中断允许标志IF（Interrupt-enable Flag）控制可屏蔽中断是否可以被处理器响应：控制可屏蔽中断是否可以被处理器响应：设置设置IF1，则允许中断；，则允许中断；设

26、置设置IF0，则禁止中断，则禁止中断CLICLI指令复位中断标志：指令复位中断标志：IFIF0 0STISTI指令置位中断标志：指令置位中断标志：IFIF1 1（9）陷阱标志）陷阱标志TF（Trap Flag）用于控制处理器进入单步操作方式：用于控制处理器进入单步操作方式：设置设置TF0，处理器正常工作；，处理器正常工作；设置设置TF1，处理器，处理器单步执行指令单步执行指令单步执行指令单步执行指令处理器在处理器在每条指令执行结每条指令执行结束束时，便产生一个编号为时，便产生一个编号为1 1的内部中断的内部中断这种内部中断称为这种内部中断称为单步中断单步中断所以所以TFTF也称为也称为单步标志

27、单步标志n利用单步中断可对程序进行逐条指令的调试利用单步中断可对程序进行逐条指令的调试n这种逐条指令调试程序的方法就是这种逐条指令调试程序的方法就是单步调试单步调试2.1.3.4 段寄存器段寄存器存储单元及其存储内容存储单元及其存储内容每个存储单元都有一个编号；每个存储单元都有一个编号；被称为被称为存储器地址存储器地址每个存储单元存放一个字节的每个存储单元存放一个字节的内容内容00002H00002H单元存放有一个数据单元存放有一个数据34H34H表达为表达为00002H00002H34H34HD7 D000006H78H00005H56H00004H12H00003H34H00002H000

28、01H00000H存储器的分段管理存储器的分段管理8088CPU8088CPU有有2020条地址线条地址线最大可寻址空间为最大可寻址空间为2 220201MB1MB物理地址范围从物理地址范围从00000H00000HFFFFFHFFFFFH但是但是CPUCPU内部寄存器和数据总线都是内部寄存器和数据总线都是1616位，怎位，怎么输出一个么输出一个2020位的地址信息呢？位的地址信息呢？8 0 8 8 C P U8 0 8 8 C P U 将将 1 M B1 M B 空 间 分 成 许 多空 间 分 成 许 多 逻 辑 段逻 辑 段（SegmentSegment）段不能起始于任意地址，段地址的低

29、段不能起始于任意地址，段地址的低4 4位为位为0000B0000B每一段每一段最大限制最大限制可寻址可寻址216（64K）字节）字节在在1M1M字节的地址空间里，共有字节的地址空间里，共有64K64K个小段首地址：个小段首地址： 00000H00000H 00010H 00010H 41230H 41230H 41240H 41240H FFFE0H FFFE0H FFFFFH FFFFFH 存储器分段存储器分段 00000H 图图3-10 存储器分段示意图存储器分段示意图 逻辑段逻辑段1 起点起点 逻辑段逻辑段2 起点起点 逻辑段逻辑段3 起点起点 逻辑段逻辑段4 起点起点 FFFFFH 逻

30、辑段逻辑段1 64KB 逻辑段逻辑段2 64KB 逻辑段逻辑段3 64KB 逻辑段逻辑段4 64KB 物理地址和逻辑地址物理地址和逻辑地址存储器中的每个存储单元都可以用两个形式的存储器中的每个存储单元都可以用两个形式的地址来表示实际地址（或称物理地址）和逻辑地地址来表示实际地址（或称物理地址）和逻辑地址。址。8088CPU存储系统中，对应每个物理存储单存储系统中，对应每个物理存储单元都有一个唯一的元都有一个唯一的20位编号，就是物理地址，从位编号，就是物理地址，从00000H FFFFFH，规定了规定了1M字节存储体中某字节存储体中某个具体单元的地址个具体单元的地址 。逻辑地址形式为逻辑地址形

31、式为段基地址段基地址 : : 段内偏移地址段内偏移地址分隔符分隔符逻辑地址逻辑地址段基地址段基地址说明逻辑段在主存中的起始位置说明逻辑段在主存中的起始位置8088规定段地址必须是：规定段地址必须是：xxxx0H省略低省略低4位位0000B，段地址就可以用，段地址就可以用16位数位数据表示，即能用据表示，即能用16位位段寄存器段寄存器表达段地址表达段地址偏移地址偏移地址说明主存单元距离段起始位置的说明主存单元距离段起始位置的偏移量偏移量每段不超过每段不超过64KB，偏移地址也可用，偏移地址也可用16位位数数据表示据表示物理地址的形成：物理地址有两部分组成，段基址和偏物理地址的形成：物理地址有两部

32、分组成，段基址和偏移地址。移地址。 8086/8088CPU中有一个地址加法器，它将段寄存器提中有一个地址加法器，它将段寄存器提供的段地址自动乘以供的段地址自动乘以10H（16）即左移）即左移4位，然后与位，然后与16位的偏移地址相加，并锁存在物理地址锁存器中。位的偏移地址相加，并锁存在物理地址锁存器中。物理地址物理地址=段基址段基址 * 16 +偏移地址。偏移地址。存放段基址的寄存器：存放段基址的寄存器：CS、DS、ES、SS。存放偏移地址的寄存器：存放偏移地址的寄存器：IP、DI、SI、BP、SP等。等。+物理地址的形成物理地址的形成段寄存器值段寄存器值偏移量偏移量物理地址物理地址16位位

33、4位位16位位20位位存储器物理地址的计算方法存储器物理地址的计算方法一个物理地址可以有多个逻辑地址一个物理地址可以有多个逻辑地址逻辑地址逻辑地址 1460:1001460:100、1380:F001380:F00物理地址物理地址 14700H 14700H14700H 14700H14600H14600H 100H100H14700H14700H13800H13800H F00HF00H14700H14700H段地址左移段地址左移4 4位位加上偏移地址加上偏移地址得到物理地址得到物理地址段寄存器段寄存器 8086CPU中有四段寄存器：中有四段寄存器：CS，DS，SS和和ES，这四个，这四个段寄存器存放了段寄存器存放了CPU当前可以寻址的四个段的基址，当前可以寻址的四个段的基址，也即可以从这四个段寄存器规定的逻辑段中存取指令也即可以从这四个段寄存器规定的逻辑段中存取指令代码和数据。一旦这四个段寄存器的内容被设定，就代码和数据。一旦这四个段寄存器的内容被设定，就规定了规定了CPU当前可寻址的段。当前可寻址的段。 8088有有4个个16位段寄存器位段寄存器CS（代码段）指明（代码段）指明代码段代码段的起始地址的起始地址SS（堆栈段）指明（堆栈段）指明堆栈段堆栈段的起始地址的起始地址DS（数据段）指明（数据段）指明数据段数据段的起始地址的起始地址ES（附加段）指明（附加段）指明附