IBMC微机组成原理与基本结构

IBM-PC微机组成原理IBM-PC微机基本结构一、微机的一般构成运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。一般计算机应包括五大部件：由于微机的主要特点是其体积很小，因此在系统设计上就有一些特殊考虑，它将运算器和控制器两大部件集成在一个集成电路芯片上，称为微处理器，也叫中央处理器，简称CPU

1微处理器CPU主存储器I/O接口I/O设备I/O接口I/O设备地址总线数据总线控制总线系统总线微机硬件系统基本组成框图21、中央处理器CPU微型计算机中的中央处理器也叫微处理器。它包括运算器和控制器。功能：从主存储器中逐条取出构成程序的指令序列，分析各指令的功能，控制计算机各部件完成指定功能的各项操作。2、主存储器主存储器是用于存放程序和数据的部件。它由若干个存储单元构成。存储单元的多少表示存储器的容量。每个存储单元使用一个唯一的编号来标识，称为存储单元的地址。对每个存储单元内容的存和取是按照地址进行访问的。3计算机存储信息的基本单位是一个二进制位，一位可存储一个二进制数0或1。每8位组成一个字节（BYTE)。76543210在大多数计算机中，存储器的组织都是以字节为基本单位。每一个基本单位称为一个存储单元。一个存储器是由许多的存储单元构成的，如某存储器的容量为32KB,1MB,128MB等等。为了区分这些不同的存储单元，一般使用单元地址来指示各个存储单元。如一个10位二进制数表示的地址，可以用来区分210＝1024＝1K个单元。存储器地址0000000000000000000100000000101111111111…………4习惯上将CPU与主存储器合称为主机在计算机中，除了主存储器之外，一般还配置有辅助存储器，简称辅存。由于它的位置是在主机之外，因此也叫做外存。3、输入输出设备及接口输入设备将外部信息（程序、数据和命令）送入计算机。包括键盘、鼠标等。输出设备将计算机处理后的结果转换为人或其它系统能识别的信息形式向外输出。如显示器、打印机等。有的设备既具有输入功能又具有输出功能。如磁盘、磁带、触摸显示屏等。5由于I/O设备的工作速度、工作原理以及所处理的信息格式等与主机相差很大，因此I/O设备要通过I/O接口才能与系统总线连接。I/O接口是主机与I/O设备之间设置的逻辑控制部件。通过它实现主机与I/O设备间的信息传送。4、系统总线系统总线将CPU、存储器和I/O设备连接起来，用于传送各大部件之间的信息。系统总线包括地址总线、数据总线和控制总线三组。它们分别用于传送不同的信息。6二、Intel8086/8088CPU的功能结构指令是构成汇编语言程序的最基本单位。就象高级语言中的一个语句。程序是由一系列的指令——指令序列构成。CPU执行指令序列就是重复执行以下两个步骤：

从存储器中取指令执行指令所规定的功能7这两个步骤的执行又可以分为两种情况:1.串行方式取指执行存数取指执行取指取数执行忙闲忙忙闲忙忙闲CPU外部总线特点：（1）当CPU在执行指令时，不需要占用外部总线，但此时总线也不能作它用，因此外部总线的空闲时间比较多。（2）在从存储器取指令或数据时，总线处于忙状态，其所占用的时间也较长。但CPU却只需要使用很短的时间去处理。因此大部分时间都是处于闲置状态。采用串行工作方式的计算机其运行速度较慢时间82.指令流水线结构AHALBHBLCHCLDISPBPSI地址加法器IPCSDSSSES总线控制逻辑暂存器标志寄存器ALUEU控制器123456控制信号16位数据总线段寄存器通用寄存器组外部总线16位CPU内总线AXBXCX20位地址总线指令队列执行单元（EU）总线接口单元（BIU）9（1）执行单元EUEU的主要任务是分析与执行指令，它包括：A、从指令队列中取出指令代码，由控制器译码后产生相应的控制信号，控制各部件完成指令规定的操作。B、对操作数执行各种指定的算术或逻辑运算C、向BIU发送访问主存或I/0的命令，并提供相应的地址和传送的数据10（2）总线线接口单元元BIUBIU负责责CPU与与存储器、、I/0的的信息传送送。具体功功能包括：：A、取指令令——根据据CS寄存存器和指令令指针IP形成20位的物理理地址，从从该地址指指定的存储储器单元中中取出指令令，并暂存存到指令队队列中，等等待EU取取走并执行行。B、存取数数据——在在EU执行行指令的过过程中，如如果需要与与存储器或或I/O端端口传送数数据时，根根据EU提提供的数据据和地址，，并结合相相应的段寄寄存器（DS、ES或SS））的内容，，进入外部部总线周期期，与存储储器或I/0进行数数据的存取取。EU和BIU是既分分工又合作作的两个独独立部分。。它们的操操作在一定定程序上是是并行工作作的，分别别完成不同同的任务，，因而大大大加快了指指令执行速速度。11Intel8086/8088运运行时执执行过程大大致如下图图所示。执行执行执行执行忙存数取数取指取指取指取指忙忙忙忙忙EUBIU外部总线时间…...…...…...等待122.2Intel8086/8088CPU寄存存器结构及及其用途一、通用寄寄存器AHALBHBLCHCLDHDLAXBXCXDXSPBPSIDIIPFLAGSDSESSSCS累加器基址寄存器器计数寄存器器数据寄存器器堆栈寄存器器基址寄存器器源变址寄存存器目的变址寄寄存器指令指针标志寄存器器堆栈段寄存存器代码段寄存存器数据段寄存存器附加段寄存存器通用寄存器器8个控制寄存器器2个段寄存器4个13Intel8086/8088有8个16位位通用寄存存器，它们们一般不只只用作某个个特定的功功能，而是是具有良好好的通用性性，可以由由程序设计计人员进行行编程访问问。1.数据据寄存器它包括AX、BX、、CX和DX四个寄寄存器。它它们中的每每一个既可可以是16位寄存器器，也可以以分成两个个8位寄存存器使用。。即可以当当作8个独独立的8位位寄存器使使用。数据寄存器器既可以用用来存放参参加运算的的操作数，，也可以存存放运算的的结果。在在多数情况况下，使用用这些寄存存器时必须须在指令中中指明。例：MOVAX,BX；将BX的内容容送到AX中ADDCH,DH；将DH和CH的的内容相加加，结果送送到CH14在有些指令令中，不需需要明确指指出使用的的寄存器名名，即隐念念使用了某某寄存器，，称为隐含含使用。例如，在循循环指令LOOP中，CX被隐含含指定作循循环次数计计数用。另外，个别别指令对寄寄存器有特特定的使用用，并且又又必须在指指令中指明明它的名字字，这类寄寄存器的使使用称为特特定使用。。例如，在移移位指令（（SHLAX，，CL）中中，CL被被固定用作作移位次数数。2.指针针寄存器指针寄存器器有堆栈指指针SP和和基址指针针BP它们一般被被用作16位地址指指针，在形形成20位位的物理地地址时常被被作为偏移移量使用。。15SP指针———在进行行堆栈操作作时，被隐隐含使用，，指向堆栈栈顶部单元元。BP指针———被用来来指向堆栈栈段内某一一存储单元元。BP除除用作地址址指针外也也可以象数数据寄存器器一样，，存放参加加运算的操操作数和运运算的结果果。3.变变址寄存器器有两个16位的变址址寄存器SI和DI，一般被被用来作地地址指针。。SI——源源变址寄存存器DI——目目的变址寄寄存器同BP寄存存器一样，，SI和DI也可以以用作通用用数据寄存存器存放操操作数和运运算结果。。16二、段寄存存器8086/8088CPU在在使用存储储器时，将将它划分成成若干个段段。每个段段用来存放放不同目的的内容，如如程序代码码、数据等等等。每个个存储段用用一个段寄寄存器来指指明该段的的起始位置置（也叫段段基址）。。………………代码段数据段堆栈段附加段ESCSDSSS段寄存器段基址段基址段基址段基址17CPU在访访问存储器器时必须指指明两个内内容：（1）所访访问的存储储单元属于于哪个段，，即指明使使用的段寄寄存器。（2）该存存储单元与与段起始地地址（段基基址）的偏偏移大小，，即偏移量量。在程序设计计中，一个个程序将存存储器划分分成多少个个存储段是是任意的。。但在程序序运行的任任何时刻最最多只能有有用CS、、DS、ES和SS分别指定定的4个当当前段。18三、指令指指针IPCPU在运运行程序时时，以IP的内容作作为将要执执行指令在在内存中的的存放地址址的偏移量量，以段寄寄存器CS作为代码码段的基址址指针，即即以CS和和IP的内内容共同构构成了一条条指令的存存放地址。。CPU根据据CS和IP寄存器器的内容到到内存中去去取指令，，当取出一一条指令后后，IP内内容自动修修改为指向向下一条指指令。.........CSIP偏移量代码段基址址CPU下一条指令令正在执行的的指令19子程序调用用指令CALL，将将IP原有有内容自动动压入堆栈栈，而将子子程序的入入口地址偏偏移量自动动送入IP，而返回回指令RET，又自自动从堆栈栈中弹回原原有IP的的内容。转移指令将将指令中的的目的地址址的偏移量量送入IP例如，下面面两种指令令就可以自自动改变IP寄存器器的内容。。注意：IP的内内容不能被被直接进行行访问，即即不能用指指令去读IP的值，，也不能能用指令给给它赋值。。但是可以以通过某些些指令的执执行而自动动修改IP的内容。。20四、标志寄寄存器标志寄存器器是用来反反映CPU在程序运运行时的某某些状态，，如是否有有进位、奇奇偶性、结结果的符号号、结果是是否为零等等等。8086/8088CPU中中标志寄存存器的长度度为16位位，但其中中只有9位位才有意义义。1514131211109876543210OFDFIFTFSFZFAFPFCF进位位奇偶位零值位辅助进位位位单步标志位位符号位中断允许位位方向位溢出位211.进位位位CF在进行算术术运算时，，若最高位位（对字操操作是第15位，字字节操作是是第7位））产生进位位或借位时时CF被自自动置“1”，否则则置“0””。在移位类指指令中，CF也被用用来存放从从最高位（（左移时））或最低位位（右移时时）移出的的数值（0或1）。。2.奇偶偶位PF当指令操作作结果的低低8位中含含有1的个个数为偶数数时，则PF被置1，否则PF被置0。注意：PF只反反映操作结结果的低8位的奇偶偶性，与指指令操作数数的长度无无关。223.辅助助进位位AF在进行算术术运算时，，若低字节节的低四位位向高4位位产生进位位或借位，，即第3位位产生进位位或借位时时，AF位位被置1，，否则置0。AF标标志位用于于十进制运运算的调整整。注意：AF只反映映运算结果果低八位，，与操作数数长度无关关。4.零值值位ZF若运算结果果各位全为为0，则ZF被置1，否则置置0。5.符号号位SF将运算结果果视为带符符号数，当当运算结果果为负数时时SF被置置1，为正正数时，则则置0。23由于第7位位是字节操操作数的符符号位，而而第15位位是字操作作数的符号号位，因此此，SF位位与运算结结果的最高高位（第7位或第15位）相相一致。6.溢出位位OF当运算结果果超过机器器用补码所所能表示数数的范围时时，则OF置1，否否则置0.字节数据据，机器器用补码码所能表表示的数数范围为为-128—+127。字数据的的表示范范围为：：-32768—+32767注意：溢出与进进位是两两个完全全不同的的概念，，不能相相互混淆淆。24例如：计计算-85D+（（-1D）=-86D10101011B+）11111111B10101010B1-86D计算100D+100D=200D01100100B+）01100100B11001000B-56DCF=0，OF=1,结果果发生溢溢出，即即结果出出错。进位被丢丢弃CF=1,OF=0,结果果正确。。25计算-85D+-117D=-202D10101011B+）10001011B00110110B54D1CF=1,OF=1,结果果发生溢溢出，即即结果出出错。7.单单步标志志位TF（TraceFlag））单步标志志也叫跟跟踪位，，该标志志为控制制标志位位，当TF位被被设置为为1时，，每执行行一条指指令后，，CPU暂停运运行，即即产生单单步中断断。单步步标志位位供调试试程序使使用。268.中中断允允许位IF该标志位位为控制制标志位位。当IF被设设置为1时，CPU可可以响应应可屏蔽蔽中断，，否则不不允许响响应可屏屏蔽中断断。9.方方向位位DFDF也是是控制标标志位。。它被用用来规定定串操作作指令的的增减方方向。当当DF=0时，，串操作作指令自自动使变变址寄存存器（SI和DI）的的内容递递增。当当DF=1时，，串操作作指令自自动使变变址寄存存器的内内容递减减。272.3存存储器一、存储储器的组组成1.存存储器是是由若干干个存储储单元构构成存储单元元的多少少就表示示了存储储器的容容量。2.每每个存储储单元存存放相同同长度的的二进制制数一个存储储单元的的长度一一般为8位二进进制数，，称为一一个字节节(BYTE)。3.每每个存储储单元有有一个唯唯一的地地址编码码——地地址8086/8088CPU具具有20根地址址线，即即它可以以产生20位的的地址码码，它的的存储器器寻址能能力为220，即1兆兆字节空空间。28这一兆字字节存储储单元的的地址范范围为：：00……...0~11…...1。如如图所示示。20位20位…...07存储单元元（字节节）二进制数数地址000000000000000000000000000000000000000100000000000000000010…...1111111111111111111011111111111111111111十六进制制数地址址00000H00001H00002HFFFFEHFFFFFH…...为了方便便书写，，在源程程序中常常用5位位十六进进制数或或一个符符号来表表示一个个存储单单元的地地址。294.任任何两两个相邻邻字节单单元就构构成一个个字单元元一个字存存储单元元（WORD））的长度度为16位二进进制数，，即两个个字节。。字单元元的地址址为两个个字节单单元中较较小地址址字节单单元的地地址。16位长长数据的的存放规规则是低低8位放放在较低低地址字字节单元元中，高高8位放放在较高高地址字字节单元元中。例如，将将数据3456H放在在地址为为09235H的存储储单元中中的存储储分配如如图所示示。......地址存储单元元09235H09236H5634305、在定定义一个个地址时时必须指指出是字字节或字字类型属属性由于存储储单元可可分为字字单元和和字节单单元，因因此8086/8088CPU访问问内存的的指令中中，分为为字节访访问和字字访问两两种指令令。二、存储储器的段段结构8086/8088系系统的存存储器段段结构具具有以下下几个特特点：1.8086/8088CPU将1MB的存存储空间间划分成成若干个个段，每每个段最最大长度度为64K（65536）个个字节单单元组成成。在8086/8088的汇编编程序中中，用户户可以根根据自己己需要来来设定段段的个数数、各个个段长度度和每个个段的用用途。并并且代码码或数据据可以存存放在段段内任意意单元中中。312.每每个段的的基址必必须是一一个小节节的首址址。段基址———一个个段的起起始地址址。在存储器器中规定定从0地地址开始始，每16个字字节单元元称为一一个小节节（Paragraph）。。因此，，1MB内存就就可划分分为64K个小小节。第1小小节：：00000H，00001H，00002H………0000FH第2小小节：：00010H，00011H，00012H………0011FH第65535小小节：FFFE0HFFFE1HFFFE2H………FFFEFH第65536小小节：FFFF0HFFFF1HFFFF2H………FFFFFH…..…..…..…..…..可以看出出，每个小节节的首地地址最低低位必为为0（16进制制数表示示）。因此段段基址只只能是上上述64K个小小节首址址之一。。323.逻逻辑辑段在在物理理存储储器中中可以以是邻邻接的的、间间隔的的、部部分重重叠的的和完完全重重叠的的等4种情情况。。逻辑段段是指指在汇汇编语语言源源程序序中设设置的的段。。内存中中的一一个物物理存存储单单元可可以映映象到到一个个或多多个逻逻辑段段中。。物理存存储器器00000H10000HDA_BYTE段1段2段3段4段5邻接部分重重叠完全重重叠间隔逻辑段段0FFFFFHDA_BYTE物理单单元可可以映映象到到逻辑辑段2、段段3和和段4中。。334、在在任一一时刻刻，一一个程程序只只能访访问4个段段中的的内容容。4个段段分别别是代代码段段、数数据段段、堆堆栈段段和附附加段段，称称为当当前段段。。4个个段寄寄存器器CS、DS、、SS和ES分分别保保存了了它们们段基基址的的高16位位地址址，称称为段段基值值。段段基址址的最最低4位为为0。。（小小节首首址的的低4位为为全0））。三、逻逻辑辑地址址与物物理地地址及及相互互关系系1.物物理理地址址在1MB的的存储储空间间中，，每个个存储储单元元的物物理地地址是是唯一一的，，它就就是该该存储储单元元的20位位地址址。8086/8088的物物理地地址范范围：：00000H~0FFFFFH34CPU与存存储器器之间间的任任何信信息交交换都都使用用物理理地址址。2.逻逻辑辑地址址在程序序设计计中，，为了了便于于程序序的开开发和和对存存储器器进行行动态态管理理，使使用了了逻辑辑地址址。一个逻逻辑地地址包包括两两个部部分：：段基基值和和偏移移量（（OFFSET）段基值值：存放放在某某一个个段寄寄存器器中，，是一一个逻逻辑段段的起起始单单元地地址（（段基基址））的高高16位。。偏移量量：表示示某个个存储储单元元与它它所在在段的的段基基址之之间的的字节节距离离。当偏移移量为为0时时，就就是这这个段段的起起始单单元，，而偏偏移量量为0FFFFFH时，，就是是这个个段的的最后后一个个字节节单元元。35逻辑地地址的的表示示方法法是段基值值：偏偏移量量例：3267H：00A0H它表示示该逻逻辑单单元位位于段段起始始地址址为32670H，，段内内偏移移量为为00A0H个个字节节。3.逻逻辑地地址转转换为为物理理地址址当CPU要要访问问存储储器时时，需需要由由总线线接口口单元元BIU将将逻辑辑地址址转换换成物物理地地址。。转换方方法：：将逻逻辑地地址的的段基基值左左移4位，，形成成20位的的段基基址（（低位位为0）然然后与与16位的的偏移移量相相加，，结果果即为为20位的的物理理地址址。其其转换换示例例如图图所示示。36段1:2B0H段2:2C0H002D3H偏移量量23H偏移量量13H0915H003AH09150H003AH+）0918AH偏移量量段基值值逻辑地地址物理地地址右图表表示同同一个个物理理地址址002D3H被被被两个个逻辑辑段中中的逻逻辑地地址映映射。。002B0H+00023H=002D3H002C0H+00013H=002D3H374.逻逻辑地地址的的来源源在程序序的执执行过过程中中，CPU根据据不同同操作作类型型访问问存储储器，，其逻逻辑地地址中中段基基值和和偏移移量的的来源源是不不一样样的。。下表表是各各种操操作类类型所所对应应的逻逻辑地地址的的来源源。逻辑地地址隐含来来源允许替替代来来源偏移量量(OFFSET)操作类类型序号123456取指令令堆栈操操作取源串串存目的的串以BP作基基址存取一一般变变量DICSSSDSESSSDSIPSPSI有效地地址EA有效地地址EA无无CS，，SS，ES无CS，，DS，ESCS，，SS，ES段基值值38说明：：（1））允许许替代代来源源也叫叫做段段超越越，它它表示示了段段基值值除使使用隐隐含的的段寄寄存器器外是是否可可以指指定其其它段段寄存存器来来提供供。（2））有效效地址址EA，它它表示示根据据指令令所采采用的的寻址址方式式（下下一章章介绍绍）计计算出出来的的段内内偏移移量。。392.4堆堆栈及及其操操作方方法堆栈是是一个个特定定的存存储区区，访访问该该存储储区必必须按按照指指定的的规则则进行行操作作。堆栈一一般分分为：：和专用堆堆栈存存储器器软件堆堆栈按堆栈栈的工工作方方式专专门设设计的的存储储器专用堆堆栈存存储器器软件堆堆栈由程序序设计计人员员用软软件在在内存存储器器中划划出的的一块块存储储区作作为堆堆栈来来使用用。8086/8088就是是这种种方式式。堆栈的的用途途：主要用用于暂暂存数数据以以及在在过程程调用用或处处理中中断时时保存存断点点信息息。一、堆堆栈的的构造造40堆栈已存放放数据据TOPBottom......主存00000H堆栈的的一端端是固固定的的，称称为栈底。栈底底是堆堆栈存存储区区的最最大地地址单单元。。另一端端是浮浮动的的，称称为栈顶。在任任何时时刻，，栈顶顶是最最后存存入信信息的的存储储单元元。栈栈顶是是随着着堆栈栈中存存放信信息的的多少少而改改变。。为了指指示现现在堆堆栈中中存放放数据据位置置，通通常设设置一一个寄寄存器器来指指示栈栈顶位位置。。其内内容就就象一一个指指针一一样，，因此此被称称为堆堆栈指指针SP（（StackPointer））。SP的的内容容始终终指向向栈顶顶单元元堆栈中中数据据进出出都由由SP来控控制41在堆栈栈中存存取数数据的的规则则是：：“先先进后后出FILO””（First-InLost-Out）。。即最最先送送入堆堆栈的的数据据要到到最后后才能能取出出，而而最后后送入入堆栈栈的数数据，，最先先取出出。二、8086/8088堆栈栈的组组织在8086/8088微微机中中堆栈栈是由由堆栈栈段寄寄存器器SS指定定的一一段存存储区区。SSSP堆栈BottomTopXXXXXXXXXXXX堆栈初初始化化时的的SP42堆栈顶顶部由由椎栈栈指针针SP指示示。SP中中内容容始终终表示示堆栈栈段基基址与与栈顶顶之间间的距距离（（字节节数））。当当SP内容容为最最大值值时，，表示示堆栈栈为空空。而而当（（SP）=0时时，表表示堆堆栈全全满。。当SP被初初始化化时，，指向向栈底底+2单元元，其其值就就是个个堆栈栈的长长度。。由于于SP是16位位寄存存器，，因此此堆栈栈最大大64K字字节数据在在堆栈栈中的的存放放格式式是：：以字字为单单位存存放，，数据据的低低8位位放在在较低低地址址单元元，高高8位位放在在较高高地址址单元元。当用户户程序序中要要求的的堆栈栈长度度超过过一个个堆栈栈段的的最大大长度度64KB时，，可以以设置置几个个堆栈栈段。。通过过改变变堆栈栈段寄寄存器器SS的内内容，，即可可改变变到另另一个个堆栈栈段，，当改改变了了堆栈栈段寄寄存器器SS的内内容后后，必必须紧紧接着着赋与与SP新值值。43三、堆堆栈栈操作作1.设设置堆堆栈设置堆堆栈主主要是是对堆堆栈段段寄存存器SS和和堆栈栈指针针SP赋值值。例如：：STACK1SEGMEMTPARASTACKDB100DUP（0）STACK1ENDS第一行行中的的PARASTACK就是是用来来说明明本段段为堆堆栈段段。当程序序经过过汇编编、连连接并并装入入内存存时，，系统统将自自动为为其分分配一一个存存储区区作为为堆栈栈段，，将这这个段段的段段基址址的高高16位送送入SS中中，而而将程程序指指定的的字节节单元元数100（64H）赋赋值给给SP，这这样堆堆栈就就被设设置好好了。。442.进进栈PUSH进栈就就是把把数据据存入入堆栈栈。由由指令令PUSH或者者由机机器自自动实实现，，可以以将通通用寄寄存器器、段段寄存存器或或字存存储单单元的的内容容压入入堆栈栈顶部部。例：PUSHAX;将寄存存器AX的的内