微型计算机原理第二章

1、第第2 2章章 80X8680X86微处理器微处理器 2.1 32位微处理器内部结构位微处理器内部结构1. 位和字节位和字节 位（位（bit）是计算机所能表示的最小最基本的数据单位，它指的）是计算机所能表示的最小最基本的数据单位，它指的 是取值只能为是取值只能为0或或1的一个二进制数值位。位作为单位时记作的一个二进制数值位。位作为单位时记作b 字节（字节（byte）由）由8个位二进制位组成，通常用作计算存储容量的个位二进制位组成，通常用作计算存储容量的 单位。字节作为单位时记作单位。字节作为单位时记作B K是是kelo的缩写，的缩写， 1K=1024=210； M是是mega的缩写，的缩写，1

2、M=1024K=220； G是是Giga的缩写，的缩写， 1G=1024M=230； T是是tera的缩写，的缩写， 1T=1024G=240。10000101 一.微型计算机的常用术语微型计算机的常用术语2. 字长字长(数据宽度数据宽度) 字长是微处理器一次可以直接处理的二进制数码的位数，它通常取字长是微处理器一次可以直接处理的二进制数码的位数，它通常取 决于微处理器内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度。微处理决于微处理器内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度。微处理 器的字长有器的字长有4位、位、8位、位、16位、位、32位和位和64位等等。位等等。半字节字节字双字03034707078F8

3、F1017181F 3. 寻址能力寻址能力 指指CPU能直接存取数据的内存地址的范围，它由能直接存取数据的内存地址的范围，它由CPU的地址总线的数的地址总线的数 目决定。目决定。 一.微型计算机的常用术语微型计算机的常用术语4. 主频主频主频主频也叫也叫时钟频率时钟频率，用来表示微处理器的运行速度，主频越高，用来表示微处理器的运行速度，主频越高 表明微处理器运行越快，主频的单位是表明微处理器运行越快，主频的单位是MHz。5. MIPS MIPS是是Millions of Instruction Per Second的缩写，用来表示微处的缩写，用来表示微处理器的性能理器的性能-运算速度运算速度，

4、每秒钟能执行多少百万条指令每秒钟能执行多少百万条指令. 6.6.微处理器的集成度微处理器的集成度 指微处理器芯片上集成的晶体管的密度。指微处理器芯片上集成的晶体管的密度。 一.微型计算机的常用术语微型计算机的常用术语型号型号发布发布年分年分字长字长(位位)晶体管晶体管(万个万个)数据总数据总线宽度线宽度外部总外部总线宽度线宽度主频主频寻址寻址空间空间高速高速缓存缓存80861978162.916164.771M无无80881979162.91684.771M无无28619821613.4161662016M无无38619863227.5323212334G有有48619893212032322

5、51004G8K奔腾奔腾1993323106464601664G8K奔腾奔腾Pro199532550646415020064G8K256K奔奔2199732750646423333364G32K512KItanium2000642.2亿亿64641G以上以上64G6M集集成三级成三级酷睿酷睿2 2006642.91亿亿 64643.60G64G6M集集成三级成三级 二.微处理器的发展微处理器的发展微处理器的基本功能模块微处理器的基本功能模块:（寄存器组）（寄存器组）（运算器和控制器、寄存器组）（运算器和控制器、寄存器组）2.1 32位微处理器内部结构位微处理器内部结构 一.微处理器的内部结构微

6、处理器的内部结构 486486内部寄存器分为内部寄存器分为4 4类类: :H基本结构寄存器基本结构寄存器H浮点寄存器浮点寄存器H系统级寄存器系统级寄存器H调试测试寄存器调试测试寄存器应用程序只能访问基本结构寄存器和浮点寄存器。应用程序只能访问基本结构寄存器和浮点寄存器。( (我们只介绍基本结构寄存器我们只介绍基本结构寄存器) )二.微处理器的基本结构寄存器微处理器的基本结构寄存器AH AX ALBH BX BLCH CX CLDH DX DLSPBPDISIIPFLAGSCSDSESSSFSGS32位名称位名称EAXEBXECXEDXESPEBPEDIESI8位名称位名称16位名称位名称EIP

7、EFLAGS 名称名称累加器累加器基址变址基址变址计数计数数据数据堆栈指针堆栈指针基址指针基址指针目的变址目的变址源变址源变址指令指针指令指针标志标志代码代码数据数据附加附加堆栈堆栈32位位16位位注意：注意： 286以下绿色区域不可用；以下绿色区域不可用； FS、GS 无专用名称；无专用名称；二.微处理器的基本结构寄存器微处理器的基本结构寄存器 AX (accumulater)-累加器累加器 BX (Base)-基址寄存器基址寄存器 CX (Count)-计数器计数器 DX (Data)-数据寄存器数据寄存器AH AX ALBH BX BLCH CX CLDH DX DLSPBPDISI32

8、位名称位名称EAXEBXECXEDXESPEBPEDIESI16位名称位名称 名称名称累加器累加器基址变址基址变址计数计数数据数据堆栈指针堆栈指针基址指针基址指针目的变址目的变址源变址源变址8位名称位名称1.通用寄存器通用寄存器二.微处理器的基本结构寄存器微处理器的基本结构寄存器AX、BX、CX、DX 共同特点共同特点：既可作为既可作为16位寄存器来用又可作为两个位寄存器来用又可作为两个8位寄存器（高、低位）来用；位寄存器（高、低位）来用；都是用于暂存操作数，或是运算的中间结果或其它一些信息。都是用于暂存操作数，或是运算的中间结果或其它一些信息。 指令操作码操作数指令操作码操作数AH AX A

9、LBH BX BLCH CX CLDH DX DLSPBPDISI32位名称位名称EAXEBXECXEDXESPEBPEDIESI16位名称位名称 名称名称累加器累加器基址变址基址变址计数计数数据数据堆栈指针堆栈指针基址指针基址指针目的变址目的变址源变址源变址8位名称位名称二.微处理器的基本结构寄存器微处理器的基本结构寄存器 IP、SP、BP、SI、DI：为寻址存贮单元提供偏移地址。其中：为寻址存贮单元提供偏移地址。其中：IP (Instruction Pointer)-指令指令指针指针AH AX ALBH BX BLCH CX CLDH DX DLSPBPDISI32位名称位名称EAXEBX

10、ECXEDXESPEBPEDIESI16位名称位名称 名称名称累加器累加器基址变址基址变址计数计数数据数据堆栈指针堆栈指针基址指针基址指针目的变址目的变址源变址源变址8位名称位名称IPSP (Stack Pointer)-堆栈堆栈指针指针BP (Base Pointer)-基址基址指针指针SI (Source Index)-源变址寄存器源变址寄存器DI (Destination Index)-目的变址寄存器目的变址寄存器二.微处理器的基本结构寄存器微处理器的基本结构寄存器 CS、DS、ES、SS-4个段寄存器，和偏移地址寄个段寄存器，和偏移地址寄存器一起形成存器一起形成20位存储器物理地址，对

11、存储器中存位存储器物理地址，对存储器中存放的程序、数据、堆栈区域加以区别、寻址。放的程序、数据、堆栈区域加以区别、寻址。寻址程序寻址程序(指令指令)：CSIP；寻址数据：寻址数据：(DS或或ES)(SI或或DI、BX、BP)；寻址堆栈：寻址堆栈：SS(SP或或BP) 具体用法在寻址方式中介绍具体用法在寻址方式中介绍CSDSESSSFSGS代码代码数据数据附加附加堆栈堆栈二.微处理器的基本结构寄存器微处理器的基本结构寄存器 标志寄存器标志寄存器FLAGS又称为程序状态字又称为程序状态字PSW，为，为16位寄存位寄存器，该寄存器主要有器，该寄存器主要有两个作用两个作用： 记录记录CPU运行结果状态

12、标志；运行结果状态标志； 提供控制标志。提供控制标志。 FLAGS各位含义如下：各位含义如下：15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 OF DF IF TF SF ZF AF PF CFFLAGSEFLAGS标志寄存器标志寄存器二.微处理器的基本结构寄存器微处理器的基本结构寄存器 根据功能，根据功能，8086的标志可以分为两类：的标志可以分为两类： 状态标志：状态标志：表示前面的操作执行后，算术逻辑部件表示前面的操作执行后，算术逻辑部件处在怎样一种状态，这种状态会像某种先决条件一样处在怎样一种状态，这种状态会像某种先决条件一样影响后面的操作。有影响后面的操作

13、。有SF、ZF、PF、CF、AF和和OF 控制标志：控制标志：每个控制标志都对某一种特定的功能起每个控制标志都对某一种特定的功能起控制作用。指令系统中有专门的指令用于控制标志的控制作用。指令系统中有专门的指令用于控制标志的设置和清除。有设置和清除。有DF、 IF、 TF。 二.微处理器的基本结构寄存器微处理器的基本结构寄存器一一. . 32位微处理器工作模式位微处理器工作模式 1.1.实模式的特点实模式的特点加电、复位之后，加电、复位之后，486486自动工作在实模式，系统在自动工作在实模式，系统在DOSDOS管理下管理下在实模式下，在实模式下，486486只能访问第一个只能访问第一个1M1M

14、内存内存(00000H(00000HFFFFFH)FFFFFH)H 实地址模式实地址模式( (实模式实模式) )H 保护虚拟地址模式保护虚拟地址模式( (保护模式保护模式) )H 虚拟虚拟86模式模式2.2 2.2 32位微处理器的工作模式和地址空间位微处理器的工作模式和地址空间 存储管理部件对存储器只进行分段管理，没有分页功能，存储管理部件对存储器只进行分段管理，没有分页功能，每一逻辑段的最大容量为每一逻辑段的最大容量为64K64K。 在实模式下，段寄存器中存放段基址。在实模式下，段寄存器中存放段基址。2.2.保护模式的特点保护模式的特点:(:(仅作了解）仅作了解） 486486工作在保护模

15、式下，才能真正发挥它的设计能力。工作在保护模式下，才能真正发挥它的设计能力。在保护模式下，在保护模式下，486486支持多任务操作系统支持多任务操作系统在保护模式下，在保护模式下，486486可以访问可以访问4G4G物理存储空间物理存储空间存储管理部件中，对存储器采用分段和分页管理存储管理部件中，对存储器采用分段和分页管理一.X86微处理器的工作模式微处理器的工作模式3.3.虚拟虚拟8686模式模式（仅作了解）（仅作了解）: : 虚拟虚拟8686模式是保护模式下的一种特殊工作模式模式是保护模式下的一种特殊工作模式, ,可运行可运行实模式程序。实模式程序。 在操作系统管理下在操作系统管理下,48

16、6,486可以分时地运行多个实模式程可以分时地运行多个实模式程序。序。 例如：例如：有有3 3个任务个任务, ,操作系统为每一个任务分配操作系统为每一个任务分配1ms,1ms,每每通过通过1ms1ms就发生一次任务切换就发生一次任务切换, ,从宏观上看系统是在执行多从宏观上看系统是在执行多个任务。个任务。 一.X86微处理器的工作模式微处理器的工作模式1.1.存储空间：存储空间：H 物理空间物理空间( (物理存储器地址空间）：物理存储器地址空间）： 程序的运行空间程序的运行空间, ,即主存空间即主存空间 2 23232=4G=4G 物理物理 地址：地址： 物物 理理 空空 间间 486486有

17、有3232条地址线，内存最大容条地址线，内存最大容量量4G4G。这。这4G4G字节称为物理存储字节称为物理存储器，每一单元的地址称为器，每一单元的地址称为物理物理地址地址，其地址范围：，其地址范围：0000,0000H0000,0000HFFFF,FFFFHFFFF,FFFFH为物理为物理存储空间。存储空间。二二. . 32位微处理器的地址空间位微处理器的地址空间 H 虚拟空间虚拟空间( (虚拟存储器地址空间虚拟存储器地址空间):):编程空间编程空间 虚拟存储器是一项硬件和软件结合的技术。虚拟存储器是一项硬件和软件结合的技术。 存储管理部件把主存存储管理部件把主存( (物理存储器物理存储器)

18、)和辅存和辅存( (磁盘磁盘) )看作看作是一个整体，即虚拟存储器。允许编程空间为是一个整体，即虚拟存储器。允许编程空间为2 24646=64T=64T，程序员可在此地址范围内编程，程序可大大超过物理空程序员可在此地址范围内编程，程序可大大超过物理空间。该空间对应的地址称为间。该空间对应的地址称为虚拟地址虚拟地址或或逻辑地址逻辑地址。运行。运行时，操作系统从虚拟空间取一部分程序载入物理存储器时，操作系统从虚拟空间取一部分程序载入物理存储器运行。当程序运行需要调用的程序和要访问的数据不在运行。当程序运行需要调用的程序和要访问的数据不在物理存储器时，操作系统再把那一部分调入物理存储物理存储器时，操

19、作系统再把那一部分调入物理存储器器. .数据的交换极快，程序察觉不到。数据的交换极快，程序察觉不到。二.X86微处理器的地址空间微处理器的地址空间线性地址线性地址实模式：存储空间仅分段，而不分页；实模式：存储空间仅分段，而不分页；保护模式：存储空间先分段，再分页。保护模式：存储空间先分段，再分页。分页部件分页部件H 线性空间：线性空间：当程序从虚拟空间调入物理空间时，要进行地址转换。当程序从虚拟空间调入物理空间时，要进行地址转换。 分段部件首先把虚拟地址分段部件首先把虚拟地址( (编程地址编程地址) )转换为转换为线性地址线性地址, ,如果不分页的话，线性地址就是物理地址；如果不分页的话，线性

20、地址就是物理地址；如果分页的话，则由分页部件把线性地址转换为如果分页的话，则由分页部件把线性地址转换为物理地址。物理地址。虚拟地址虚拟地址不分页不分页物理地址物理地址分段部件分段部件二.X86微处理器的地址空间微处理器的地址空间H I/OI/O地址空间与存储空间不重叠地址空间与存储空间不重叠 CPUCPU有一条控制线有一条控制线M/IOM/IO，在硬件设计上用，在硬件设计上用M/IO=1M/IO=1，参与存，参与存储器寻址，用储器寻址，用M/IO=0M/IO=0参与参与I/OI/O寻址。寻址。H 从从PC/XTPC/XTPentiumPentium，基于，基于IntelIntel微处理器的系统

21、机，实际上微处理器的系统机，实际上只使用低只使用低1010位地址线，寻址位地址线，寻址2 21010=1024=1024个个I/OI/O端口。端口。2. I/O2. I/O空间空间: : 486 486利用低利用低1616位地址线访问位地址线访问I/OI/O端口，所以端口，所以I/OI/O端口最多端口最多有有2 21616=64K=64K，I/OI/O地址空间为地址空间为0000H0000HFFFFHFFFFH。注意：注意：HI/OI/O地址空间不分段地址空间不分段二.X86微处理器的地址空间微处理器的地址空间三三. . 实模式下实模式下, ,物理地址的形成（重要）物理地址的形成（重要）1.1

22、.存储器的分段管理存储器的分段管理: : 486 486对存储器采用分段管理对存储器采用分段管理, ,一个单元的地址由两部分组成一个单元的地址由两部分组成, ,写成写成: : 段基址段基址偏移地址偏移地址 设某单元物理地址为设某单元物理地址为12345H,12345H, 则则: : 12345H= 1000H 12345H= 1000H * *2 24 4+ 2345H+ 2345H 段基址段基址 偏移地址偏移地址逻辑地址逻辑地址 H 在一个逻辑段中在一个逻辑段中, ,各单元的各单元的段基址段基址是相同的是相同的, ,通过段寄存通过段寄存器给出器给出H 偏移地址偏移地址是该单元相对于段首的地址

23、偏移量是该单元相对于段首的地址偏移量一一个个逻逻辑辑段段 10000H10000H12345H12345H 一般情况下，一般情况下，CS、DS、ES、SS等各段在存储器中的分配由操作系等各段在存储器中的分配由操作系统负责，每个段可以独立占用统负责，每个段可以独立占用64K存储区，各段也允许重叠。如图所存储区，各段也允许重叠。如图所示为段分配方式之一示为段分配方式之一: 各段独立占各段独立占用用64K存储区存储区.0150H4200HB000H1CD0H64K代码代码64K堆栈堆栈64K数据数据64K附加数据附加数据01500H42000H1CD00HCSB0000HDSESSS存储器存储器段寄

24、存器段寄存器三.X86实模式下实模式下20位物理地址的形成位物理地址的形成 16位段地址位段地址 16位段内偏移量位段内偏移量16位段地址位段地址 0000 20位物理地址位物理地址地址加法器地址加法器段寄存器段寄存器偏移地址寄存器偏移地址寄存器左移左移4位位15 016位段寄存器位段寄存器000020位物理地址位物理地址19 0+15 016位偏移地址位偏移地址三.X86实模式下实模式下20位物理地址的形成位物理地址的形成内部暂存器内部暂存器 IP ES SS DS CS输入输入/输出输出控制电路控制电路外部总线外部总线执行部分执行部分控制电路控制电路1 2 3 4 5 6ALU标志寄存器标

25、志寄存器 AH AL BH BLCH CL DH DL SP BP SI DI通用通用寄存寄存器器地址地址加法加法器器指令队列缓冲器指令队列缓冲器执行部件执行部件 （EU)总线接口部件总线接口部件 （BIU)16位位20位位16位位8位位 AX BX CX DX三.X86实模式下实模式下20位物理地址的形成位物理地址的形成逻辑地址需由程序员在编程时给出逻辑地址需由程序员在编程时给出段段 基基 址：指明由哪个段寄存器给出即可址：指明由哪个段寄存器给出即可偏移地址：由程序员在程序中给出具体值偏移地址：由程序员在程序中给出具体值操作系统将程序调入内存时才给段寄存器赋实际值。此时，计算操作系统将程序调

26、入内存时才给段寄存器赋实际值。此时，计算出的出的20位地址才是实际的物理地址位地址才是实际的物理地址注意：注意： 物理地址与逻辑地址物理地址与逻辑地址 逻辑地址逻辑地址程序中编排的地址，由段基址和段内偏移地址组成；程序中编排的地址，由段基址和段内偏移地址组成； 物理地址物理地址信息、数据在存储器中实际存放的地址。信息、数据在存储器中实际存放的地址。 物理地址是唯一的，不同的逻辑地址可得到相同的物理地址。物理地址是唯一的，不同的逻辑地址可得到相同的物理地址。 如：如： 2000H：0200H 20200H 2010H：0100H 20200H三.X86实模式下实模式下20位物理地址的形成位物理地址的形成 逻辑段逻辑段 段基址存放在段基址存放在 偏移地址存放在偏移地址存放在 代码段代码段 CS IPCS IP 堆栈段堆栈段 SS SPSS SP 数据段数据段 DS DS 根据不同的寻址方式根据不同的寻址方式 附加段附加段 ES/FS/GS ES/FS/GS