第二章1 微处理器指令系统

1、 第二章第二章 微处理器指令系统微处理器指令系统 华北电力大学华北电力大学 计算机系计算机系 刘丽刘丽2本章主要内容 n8088/8086的内部结构n8088/8086的指令系统q寻址方式q指令系统n难点存储器分段，存储器单元物理地址的形成，各寄存器的用途8086常用指令的功能，熟悉8086的各种寻址方式进行汇编语言程序设计的基础3本章教学重点n8088/8086的寻址方式n8088/8086的基本指令q数据传送q加减运算q逻辑运算、移位q控制转移、功能调用n汇编语言程序段42.1 微处理器的内部结构n从应用角度（不是从内部工作原理）展开q典型8位微处理器的基本结构q8088/8086的功能结

2、构q8088/8086的寄存器结构q8088/8086的存储器结构n为学习指令系统打好基础例如：例如：关心用户关心用户“可编程可编程”寄存器，寄存器，不关心无法操纵的不关心无法操纵的“透明透明”寄存器寄存器52.1.1 微处理器的基本结构1.算术逻辑单元（运算器）2.寄存器组（透明、可编程）3.指令处理单元（控制器）8位CPU的基本组成62.1.2 8088/8086 的功能结构72.1.2 8088/8086 的功能结构n8088的内部结构从功能上分成两个单元1. 总线接口单元BIU管理8088与系统总线的接口负责CPU对存储器和外设进行访问2. 执行单元EU负责指令的译码、执行和数据的运算

3、n两个单元相互独立，分别完成各自操作，还可以并行执行，实现指令预取。（指令读取和执行的流水线操作）82.1.2 8088/8086 的功能结构n总线使用情况总线使用情况 q取指操作（BIU负责）q取指以外的其他总线操作（BIU负责）q总线空闲q总线请求设备占用总线n指令译码后，指令译码后，CPU进行的操作分为两类：进行的操作分为两类：q内操作：所有8位、16位的算术逻辑运算均由EU完成，其中包括16位有效地址EA的计算（注意不包括20位物理地址的计算，物理地址计算在BIU中进行）q外操作：所有指令所要求的读写存储器或者外设的操作，仍将通过BIU和总线来进行n指令预取指令预取92.1.3 808

4、8/8086的寄存器结构n8088/8086的寄存器组有q8个通用寄存器q4个段寄存器q1个标志寄存器q1个指令指针寄存器他们均为16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101. 通用寄存器n8088有8个通用的16位寄存器（1）数据寄存器: AX BX CX DX（2）变址寄存器: SI DI（3）指针寄存器: BP SPn4个数据寄存器还可分成高8位和低8位两个独立的寄存器，这样又形成8个通用的8位寄存器qAX： AH ALBX： BH BLqCX： CH C

5、LDX： DH DL118088的寄存器组12（1）数据寄存器nAX称为累加器（Accumulator）使用频度最高。用于算术、逻辑运算以及与外设传送信息等nBX称为基址寄存器（Base address Register）常用做存放存储器地址nCX称为计数器（Counter）作为循环和串操作等指令中的隐含计数器nDX称为数据寄存器（Data register）常用来存放双字长数据的高16位，或存放外设端口地址13（2）变址寄存器n16位变址寄存器SI和DIn常用于存储器变址寻址方式时提供地址qSI是源地址寄存器（Source Index）qDI是目的地址寄存器（Destination Inde

6、x）n在串操作类指令中，SI、DI还有较特殊的用法 现在不必完全理解，以后会详细展开现在不必完全理解，以后会详细展开14（3）指针寄存器n指针寄存器用于寻址内存堆栈内的数据qSP为堆栈指针寄存器（Stack Pointer）,指示堆栈段栈顶的位置（偏移地址）qBP为基址指针寄存器（Base Pointer），表示数据在堆栈段中的基地址nSP和BP寄存器与SS段寄存器联合使用以确定堆栈段中的存储单元地址堆栈堆栈（Stack）是主存中一个特殊的）是主存中一个特殊的区域，采用区域，采用“先进后出先进后出”或或“后进先出后进先出”存取操作方式、而不是随机存取方式。存取操作方式、而不是随机存取方式。用用

7、8088/8086形成的微机系统中，堆形成的微机系统中，堆栈区域被称为堆栈段栈区域被称为堆栈段152. 指令指针寄存器nIP（Instruction Pointer）为指令指针寄存器，指示主存储器指令的位置n随着指令的执行，IP将自动修改以指示下一条指令所在的存储器位置nIP寄存器与CS段寄存器联合使用以确定下一条指令的存储单元地址n代码段由CPU自动维护，IP寄存器是一个专用专用寄存器n堆栈段由CPU自动维护，虽然SP是通用寄存器，但不做他用，也归为专用寄存器163. 标志寄存器n标志（Flag）用于反映指令执行结果或控制指令执行形式n8088处理器的各种标志形成了一个16位的标志寄存器FL

8、AGS（程序状态字PSW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17标志寄存器-分类n状态标志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CF ZF SF PF OF AFn控制标志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DF IF TFOF1115 12DF10IF9TF8SF7ZF65AF43PF21CF018进位标志CF（Carry Flag）n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1，即CF1n否则CF03AH + 7CHB6H，没有进位：CF = 0AAH + 7CH（1）26H，有进位：CF = 11

9、9零标志ZF（Zero Flag）n若运算结果为0，则ZF1n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020符号标志SF（Sign Flag）n运算结果最高位为1，则SF1n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21奇偶标志PF（Parity Flag）n当运

10、算结果最低字节中“1”的个数为零或偶数时，PF1n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，即使是进行偶或奇，即使是进行16位字操作位字操作22溢出标志OF（Overflow Flag）n若算术运算的结果有溢出，则OF1n否则 OF03AH + 7CHB6H，产生溢出：，产生溢出：OF1AAH + 7CH（1）26H，没有溢出：，没有溢出：OF023补充：什么是溢出n处理器内部以补码表示有符号数n8位表达的整数范围是：127 128n16位表达的范围是：32767

11、32768n如果运算结果超出这个范围，就产生了溢出n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求真值：求真值：减一求反减一求反10110101010010104AH-74带借位带借位0减减 100-B6H=4AH-74 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7424补充：溢出和进位的区

12、别n溢出标志OF和进位标志CF是两个意义不同的标志n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n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25补充：溢出和进位的对比例1：3AH7CHB6H无符号数运算：58124182范围内，无进位，CF=0有符号数运算： 58124182范围外，有溢出，OF=1，结果不正确例例2：AAH7CH（1）26H无符号数运算：无符号数运算： 170124294范围外，有进位，结果正确范围外，有进位，结果正确有符号数运算：有符号数运算： 8612438范围内，无溢出范围内，无溢出26补充：溢出和进位的应用场合n处理器对两个操作数进行运

13、算时，按照无符号数求得结果，并相应设置进位标志CF；同时，根据是否超出有符号数的范围设置溢出标志OFn应该利用哪个标志，由程序员来决定。如果将参加运算的操作数认为是无符号数，就应该关心进位；认为是有符号数，则要注意是否溢出27溢出的判断判断运算结果是否溢出有一个简单的规则：n只有当两个相同符号数相加（包括不同符号数相减），而运算结果的符号与原数据符号相反时，产生溢出；因为，此时的运算结果显然不正确n其他情况下，则不会产生溢出例1：3AH7CHB6H溢出例2：AAH7CH无溢出例3：3AH7CH无溢出例4：AAH7CH2EH溢出28辅助进位标志AF（Auxiliary Carry Flag）3A

14、H7CHB6H，D3有进位：AF1运算时D3位（低半字节）有进位或借位时，AF1否则AF0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，用户一般不必关心用户一般不必关心29方向标志DF（Direction Flag）n用于串操作指令中，控制地址的变化方向q设置DF0，存储器地址自动增加q设置DF1，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 130中断允许标志IF（Interrupt-enable Flag）n控制可屏蔽中断是

15、否可以被处理器响应q设置IF1，则允许中断q设置IF0，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 131陷阱标志TF（Trap Flag）n用于控制处理器进入单步操作方式q设置TF0，处理器正常工作q设置TF1，处理器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, ,TFTF也称为也称为单步单步标志标志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

16、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324.段寄存器n8086微处理器共有4个16位的段寄存器，在寻址内存单元时，用它们直接或间接地存放段地址。q代码段寄存器CS：存放当前执行的程序的段地址q数据段寄存器DS：存放当前执行的程序所用操作数的段地址q堆栈段寄存器SS：存放当前执行的程序所用堆栈的段地址q附加段寄存器ES：存放当前执行程序中一个辅助数据段的段地址 以后会详细展开以后会详细展开332.1.4 8088/8086的存储器结构n存储器是计算机存储信息的地方。掌握数据存储格式，以及存储器的分段管理对以后的汇编程序设计非常重

17、要n你能区别寄存器、存储器(主存)、外存(包括硬盘、光盘、磁带等存储介质)吗？答案答案34寄存器、存储器和外存的区别n寄存器是微处理器（CPU）内部暂存数据暂存数据的存储单元，以名称表示，例如：AX，BX.等n存储器也就是平时所说的主存主存，也叫内存内存，可直接与CPU进行数据交换。主存利用地址区别n外存主要指用来长久保存数据的外部存储介质，常见的有硬盘、光盘、磁带、U盘等。外存的数据只能通过主存间接地与CPU交换数据n程序及其数据可以长久存放在外存，在运行需要时才进入主存351. 数据的存储格式n计算机中信息的单位q二进制位Bit：存储一位二进制数：0或1q字节Byte：8个二进制位，D7D

18、0q字Word：16位，2个字节，D15D0q双字DWord：32位，4个字节，D31D0n最低有效位LSB：数据的最低位，D0位n最高有效位MSB：数据的最高位，对应字节、字、双字分别指D7、D15、D31位36存储单元及其存储内容n每个存储单元都有一个编号，被称为存储器地址n每个存储单元存放一个字节的内容0002H0002H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0002H0002H34H34H37多字节数据存放方式n多字节数据在存储器中占连续的多个存储单元q存放时，低字节存入低地址，高字节存入高地址q表达时，用它的低地址表示多字节数据占据的地址空间图图2-52-5中中

19、0002H“0002H“字字”单元的内容为：单元的内容为：0002H = 1234H0002H = 1234H0002H0002H号号“双字双字”单元的内容为：单元的内容为：0002H = 78561234H0002H = 78561234H 80 x86处理器采用处理器采用“低对低、高对低对低、高对高高”的存储形式，被称为的存储形式，被称为“小端方式小端方式Little Endian”。 相对应还存在相对应还存在“大端方式大端方式Big Endian”。38 端模式（Endian） n这个词出自Jonathan Swift书写的格列佛游记中小人国的内战n在计算机业界，Endian表示数据在存

20、储器中的存放顺序。Big Endian和Little Endian也几乎引起一场战争n有的处理器系统采用了小端方式进行数据存放q如Intel的奔腾n有的处理器系统采用了大端方式进行数据存放q如IBM半导体和Freescale的PowerPC处理器n不仅对于处理器，一些外设的设计中也存在着使用大端或者小端进行数据存放的选择n因此在一个处理器系统中，有可能存在大端和小端模式同时存在的现象。这一现象为系统的软硬件设计带来了不小的麻烦，这要求系统设计工程师，必须深入理解大端和小端模式的差别n大端与小端模式的差别体现在一个处理器的寄存器，指令集，系统总线等各个层次中39数据的地址对齐n同一个存储器地址可

21、以是字节单元地址、字单元地址、双字单元地址等等（视具体情况来确定）n字单元安排在偶地址（xxx0B）、双字单元安排在模4地址（xx00B）等，被称为“地址对齐（Align）”n不对齐地址的数据，处理器访问需要额外的访问时间，应将数据的地址对齐，以取得较高的存取速度n如果用X表示某存储单元的地址，则X单元的内容可以表示为X；假如X单元中存放着Y，而Y又是一个地址，则可用Y=X来表示Y单元的内容402. 存储器的分段管理n8088CPU有20条地址线q最大可寻址空间为2201MBq物理地址范围从00000HFFFFFHn8088微处理器的内部结构是16位的字长，用户可用的寄存器也都是16位的q可以

22、方便地表达16位存储器地址q其编号为0000HFFFFHn用16位的地址码无法寻址1MB的存储空间，为了解决这一矛盾，8088/8086采用了分段的方法对存储器进行管理 412. 存储器的分段管理n8088CPU将1MB空间分成许多逻辑段(Segment)q每个段最大限制为64KBq只能从模16地址开始一个逻辑段（段地址的低4位为0000B）n这样，一个存储单元除具有一个唯一的物理地址外，还具有多个逻辑地址42物理地址和逻辑地址n8088CPU存储系统中，对应每个物理存储单元都有一个唯一的20位编号，就是物理地址，从00000H FFFFFHn分段后在用户编程时，采用逻辑地址，形式为 段基地址

23、 ：段内偏移地址分隔符分隔符物理地址物理地址 14700H逻辑地址逻辑地址 1460H:100H43逻辑地址n段地址说明逻辑段在主存中的起始位置n8088规定段地址必须是模16地址：xxxx0Hn省略低4位0000B，段地址就可以用16位数据表示，就能用16位段寄存器表达段地址n偏移地址说明主存单元距离段起始位置的偏移量n每段不超过64KB（216B），偏移地址也可用16位数据表示44物理地址和逻辑地址的转换nBIU 中的20位地址加法器完成n将逻辑地址中的段地址左移4位，加上偏移地址就得到20位物理地址80 x86的寻址模式中称为实模式n一个物理地址可以有多个逻辑地址(图2-6)逻辑地址逻辑

24、地址 1460:1001460:100、1380:F001380:F00物理地址物理地址 14700H 14700H14700H 14700H146014600 0H H 100H100H14700H14700H138013800 0H H 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453. 段寄存器n8088有4个16位段寄存器qCS（代码段）指明代码段的起始地址qSS（堆栈段）指明堆栈段的起始地址qDS（数据段）指明数据段的起始地址qES（附加段）指明附加段的起始地址n每个段寄存器用来确定一个逻辑段的起始地址，每种

25、逻辑段均有各自的用途46代码段寄存器CS（Code Segmentn代码段用来存放程序的指令序列q代码段寄存器CS存放代码段的段地址q指令指针寄存器IP指示下条指令的偏移地址n处理器利用CS:IP取得下一条要执行的指令47堆栈段寄存器SS（Stack Segment）n堆栈段确定堆栈所在的主存区域q堆栈段寄存器SS存放堆栈段的段地址q堆栈指针寄存器SP指示堆栈栈顶的偏移地址n处理器利用SS:SP操作堆栈顶的数据48数据段寄存器DS（Data Segment）n数据段存放运行程序所用的数据q数据段寄存器DS存放数据段的段地址q各种主存寻址方式（有效地址EA）得到存储器中操作数的偏移地址n处理器利

26、用DS:EA存取数据段中的数据49附加段寄存器ES（Extra Segment）n附加段是附加的数据段，也保存数据：q附加段寄存器ES存放附加段的段地址q各种主存寻址方式（有效地址EA）得到存储器中操作数的偏移地址n处理器利用ES:EA存取附加段中的数据n串操作指令将附加段作为其目的操作数的存放区域50如何分配各个逻辑段n程序的指令序列必须安排在代码段n程序使用的堆栈一定在堆栈段n程序中的数据默认是安排在数据段，也经常安排在附加段，尤其是串操作的目的区必须是附加段n数据的存放比较灵活，实际上可以存放在任何一种逻辑段中51段超越前缀指令n没有指明时，一般的数据访问在DS段n使用BP访问主存，则在SS段n默认的情况允许改变，需要使用段超越前缀指令；8088指令系统中有4个：qCS:；代码段超越，使用代码段的数据qSS: ；堆栈段超越，使用堆栈段的数据qDS: ；数据段超越，使用数据段的数据qES: ；附加段超越，使用附加段的数据52段超越的示例n没有段超越的指令实例：MOV AX,2000H;AXDS:2000H；从默认的DS数据段取出数据n采用段超越前缀的指令实例：MOV AX,ES:2000H;AXES:2000H；从指定的ES附加段取出数