第章计算机组织

1、第 2 章 80x86 计算机组织1教学目的 :掌握 INTEL80X86 微处理器的结构及内存单元地址与内容的含义和关系， 了解计算机接口的构成，为汇编语言编程奠定基础。2教学要求：熟练掌握 INTEL80X86 微处理器的结构 掌握内存单元地址与内容的含义和关系了解计算机接口的构成3教学重点：微处理器的功能结构微存储器组织4掌握难点：微处理器的寄存器组存储器寻址5 教学进程安排：P19326教学方法：重点讲授微处理器的功能结构和微存储器组织 一般叙述计算机接口的构成7教学内容摘要：80x86 微处理器80x86 微处理器是美国 Intel 公司生产的微处理器系列。该公司成立于 1968年，

2、 1969 设计了 4位 的 4004 芯片， 1973 年开发了 8 位的 8080 芯片， 1978 推出了 16 位的 8086 芯片，由此开始了 Intel 公 司 80x86 微处理器系列的历史。微处理器概况? 晶体管数：芯片中包含的晶体管数目，说明器件的集成度；? 主频：芯片中所用的主时钟频率，反映计算机的运算速度；? 数据总线：负责计算机中数据在各组成部分之间的传送；? 数据总线宽度：芯片内部数据传送的宽度；? 外部数据总线宽度：芯片内和芯片外数据交换的宽度；? 地址总线宽度：传送地址的总线宽度 , 根据这一数值可以确定处理机可以访问的存储器的最大 范围。例： 20 位地址总线可

3、以访问 220=1048576 个存储单元。存储容量的换算： 1K=210B=1024B; 1M=210K=1024K; 1G=210M=1024M;高速缓存：存储速度比较快的存储器，现在有很多都做在芯片中基于微处理器的计算机系统构成微型计算机系统包括硬件和软件两部分。2.2.1硬件系统图给岀了微型计算机组成框图。输入设备接口存储器主板口输出设备输入/输岀芯片图微型计算机硬件系统组成把运算器、控制器、主存储器和输入/输岀接口称为组成计算机硬件系统的五大部件。计算机硬件的五大部件是通过总线连接起来的，构成了计算机的基本硬件系统。各部分的主要功能如下：?输入设备：用于输入原始信息和处理信息的程序。

4、如键盘、鼠标器和扫描仪等。? 输岀设备：用来输岀计算机的处理结果及程序清单。如显示器和打印机。?存储器：用来存放程序和数据。在控制器的控制下，可与输入设备、输出设备、运算器、控制器交换信息，是计算机中各种信息存储和交流的中心。?运算器：用来对信息及数据进行处理和计算。也称为算术逻辑部件ALU( Arithmetic andLogic Un it )。?控制器：是整个计算机的指挥中心，用来指挥计算机各部件的操作，使其协调一致地工作。2.2.2软件系统计算机软件是计算机系统的重要组成部分，它可以分成系统软件和应用软件两大类。图表示了计 算机软件的层次。操作系统单用户操作系统 多用户操作系统 网络操

5、作系统软件广汇编程序 语言处理程序编释程序语言处理程序J系统软件工具软件-数据库管理系统|诊断与维护程序 调试程序 编辑程序 装配链接程序应用软件用户程序软件包图软件系统的层次中央处理机中央处理机CPU的组成? 算术逻辑部件：进行算术和逻辑运算；? 控制逻辑部件：负责对全机的控制工作；? 工作寄存器：存放计算过程中所需要的或所得到的各种信息80X86寄存器组32位名称16位名称通用名称程序不可见的寄存器：一般应用程序不使用而由系统所用的寄存器；程序可见的寄存器：汇编语言程序设计中用到的寄存器，分为：通用寄存器、专用寄存器、段寄存as 1、通用寄存器（1）数据寄存器（AX、BX、CX、DX :用

6、来暂时存放计算过程中所用到的操作数、结果或其它信 息，可以以字（16位）也可以以字节（8位）的形式访问。AX:累加器；乘、除等指令中用来存放操作数； 传递I/O指令与外设的信息。BX:通用寄存器； 基址寄存器。CX通用寄存器；保存计数值，如在移位指令、循环指令（ loop ）、串处理指令中用作隐含的计数器。DX通用寄存器；双字长运算时，和AX组合在一起存放双字长数，DX存放高位字； 在某 些I/O操作中，存放端口地址；（2）指针（或变址）寄存器（SP、BP、SI、DI）: 运算过程中存放操作数，只能以字（16 位）为单位使用； 存储器寻址时，提供偏移地址。SP （堆栈指针寄存器）：用来指示段顶

7、的偏移地址;SS联用来确定堆栈段中的某一存储单元的地址；SI （源变址寄存器）和 中某一存储单元的地址。 的源变址和目的变址寄存器,BP （基址指针寄存器）：可作为堆栈区中的某一个基地址，与堆栈段寄存器DI （目的变址寄存器）： 一般与数据段寄存器 DS联用，用来确定数据段 具有自动增量和自动减量的功能。在串处理指令中，SI和DI作为隐含SI和DS联用实现在数据段中寻址，DI和附加段寄存器 ES联用实现在附加段中寻址2、专用寄存器（IP、SP、FLAGSIP （指令指针寄存器）：存放代码段CS中的偏移地址。在程序运行的过程中，始终指向下一条指令的首地址，与代码段CS联用来确定下一条指令的物理地

8、址。SP （堆栈指针寄存器）：与堆栈段寄存器SS联用来确定堆栈段中栈顶的地址，即存放栈顶的偏移地址。FLAGS标志寄存器/程序状态寄存器 PSW:存放条件码标志、控制标志、系统标志，可按位操作。图80X86的标志寄存器（1） 条件码标志位：记录程序中运行结果的状态信息，根据有关指令的运行结果由CPU自动设 置，用作后续条件转移指令的转移控制条件。 溢岀标志（OF）:在运算过程中，如操作数超岀了机器能表示的范围称为溢岀。此时OF置1，否则置0。 符号标志（SF）:记录运算结果的符号，负时置1，否则置0。 零标志（ZF）:运算结果为 0时置1,否则置0。 进位标志（CF）:最高有效位有进位时置1,

9、否则置0。 辅助进位标志（AF）:记录运算时第 3位产生的进位值，有进位时置1,否则置0。 奇偶标志（PF）:用来为机器中传送信息时可能产生的代码岀错情况提供检验条件。当结果操作 数中1的个数为偶数时置 1，否则置0。 控制标志位（DF）:在串处理指令中控制处理信息的方向。当DF为1时，每次操作后使变址寄存器SI和DI减小，串处理从高地址向低地址方向处理。当DF为0时，每次操作后使变址寄存器SI和DI增大，串处理从低地址向高地址方向处理。（2）系统标志位：用于I/O、中断屏蔽、程序调试、任务切换和系统工作方式等的控制。一般应用程序不必关心这些位，只有系统程序员或需要编制低层I/O设备控制等程序

10、时才需要。 陷阱标志（TF）:用于调试时的单步方式操作。TF为1时，每条指令执行完后产生陷阱，由系统控制计算机；TF为0时，CPU正常工作，不产生陷阱。 中断标志（IF ）:当IF为1时，允许CPU响应可屏蔽中断请求，否则关闭中断。（第八章） I/O特权级（IOPL）:在保护模式下，用于控制对I/O地址空间的访问。（第八章）标志位的符号表示表2-1标志位的符号表示标志名标志为1标志为0OF 溢出（是/否）OVNVDF 方向（减量/增量DNUPIF中断（允许/关闭）EIDISF 符号（负/正）NGPLZF零（是/否）ZRNZAF辅助进位（是/否）ACNAPF 奇偶（偶/奇）PEPOCF 进位（是

11、/否）CYNC存储器内存地址范围物理地址：在存储器里以字节为单位存储信息，每一个字节单元给以一个唯一的存储器地址，称 为物理地址。地址从 0开始编号，顺序地每次加1。考虑地址总线分别为 20位、24位、32位、36位时，可访问的单元地址范围。内存单元的地址和内容在存储器里以字节为单位存储信息。为了正确地存放或取得信息，每一个字节单元给以一个惟一 的存储器地址，称为物理地址。地址从0开始编号，顺序地每次加1,因此存储器的物理地址空间是呈线性增长的。在机器里，地址也是用二进制数来表示的，当然它是无符号整数，书写格式使用十六进 制数形式。存储器有这样的特性：它的内容是取之不尽的。也就是说，从某个单元

12、取岀其内容后，该单元仍 然保存着原来的内容不变，可以重复取岀，只有存入新的信息后，原来保存的内容就自动丢失了。地址及其内容：（地址）=内容表2-2内存单元得地址及内容0000H例：(0002H ) =78H字的存放：低位字节存入低地址，高位字节存入高地址。字的地址 采用它的低地址来表示(双字的存放与此类似)。女口： 2号字单元的内容(0002H)=5678H女口： 2号双字单元的内容(0002H)注：同一个地址既可看作字节单元的地址，又可看作字、双字、4字单元的地址。例：(0004H) = 45A6H实模式存储器寻址1.存储器地址的分段(1) 实模式下允许的最大寻址空间为1MB(2) 要解决在

13、16位字长的机器里怎么提供20位地址的问题，而解决 的办法是采用存储器地址分段的方法。(3) 物理地址的形成78H56H34H12HA6H45H0001H0002H0003H0004H0005H1234H1235H物理地址=段地址X 16D+偏移地址(4)实模式存储器寻址逻辑地址偏移地址150段寄存器0000段地址J F 川法器15019020位物理地址15016位段地址 | 0000150+16位偏移地址"79020位物理地址(A)物理地址形成过程(B)物理地址计算方法150存储器段基地址所选段最大64KB图实模式存储器寻址时物理地址的形成与计算过程图实模式存储器寻址2.段寄存器(

14、1) 代码段CS:存放当前正在运行的程序；、(2) 数据段DS数据段存放当前运行程序所用的数据，如果程序中使用了串处理指令，则其源操作数 也存放在数据段中(3) 堆栈段SS堆栈段定义了堆栈的所在区域(4) 附加段ES附加段是附加的数据段，它是一个辅助的数据区，也是串处理指令的目的操作数存放 区在80386及其后继的80X86中新增段寄存器(1) FS(2) GS,2-3和表2-4在80X86中，段寄存器和与其对应存放偏移地址的寄存器之间有一种默认组合关系，如表 所示：有时候程序需要改变段寄存器和偏移地址的缺省组合，具体改变方法在指令中说明。在这种默认组合下，程序中不必专门指定其组合关系，但程序

15、如用到非默认的组合关系，则必须 用段跨越前缀加以说明。这一点将在第3章中说明。表2-3 8086/8088, 80286缺省16位段地址和寄存器偏移地址寻址默认组合例：寻址示例。MOV AX, ES: BXMOV BX, ES: SIMOV EAX DS: BP；ES作段寄存器,；ES作段寄存器,；DS作段寄存器,BX做间址寄存器寻址的单元内容送入SI做间址寄存器寻址的单元内容送入BP做间址寄存器寻址的单元内容送入AX寄存器中BX寄存器中EAX寄存器中段偏移主要用途CSIP指令寻址SSSP 或 BP堆栈寻址DSBX、DI , SI或一个1 6位数数据寻址ESDI(用于串指令)串寻址表2-4 8

16、0386 及其后继机型缺省32位段地址和寄存器偏移地址寻址默认组合段偏移主要用途CSEIP指令寻址SSESP 或 EBP堆栈寻址DSEAX、EBX、ECX、EDX、EDI数据寻址ESESI 一个8位数或一个32位数串指令寻址FSGSEDI(用于串指令)一般寻址无默认无默认一般寻址1. 逻辑地址(1 )选择器和(2) 偏移地址2. 描述符(1)(2)(3) 息；(4)存储器15031图保护模式存储器寻址示意图保护模式存储器寻址基地址(BASE)部分用来指定段的起始地址；界限(LIMIT)部分存放着该段的段长度；访问权(ACCESS RIGHTS部分用来说明该段在系统中的功能，并给岀访问该段的一些控制信附加字段部分在 386及其后继机型中存在，它用来表示该段的一些属性。系统按选择器的内容，根据指定的途径可以找到所选段对应的描述符，从而可以根据其给出的基 地址和界限值，确定所要找的存储单元所在的段，再加上逻辑地址中指定的偏移地址，就可以找到相 应的存储单元。接口与外设外部设备与主机有三种不同的用途 :（ CPU 和存储器） 的通信通过外设接口进行，每个外设接口包括一组寄存器，一般 数据寄