微處理器硬件結(jié)構(gòu).ppt

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1、計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 存儲(chǔ)器 中央處理機(jī) 外部設(shè)備,主要內(nèi)容：,教學(xué)目的,了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要組成部分 掌握存儲(chǔ)器地址分段方法 掌握物理地址形成 掌握8086的寄存器 掌握標(biāo)志寄存器各標(biāo)志位的意義,80 x86微處理器系列是Intel公司從20世紀(jì)70年代開始研制的微處理器的總稱。 微處理器的發(fā)展 8086微處理器,2.1 Intel80 x86微處理器系列概況,計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)：,字長(zhǎng)和字節(jié) 存儲(chǔ)容量 地址 存儲(chǔ)器容量 存儲(chǔ)器地址的最大值 存儲(chǔ)單元的內(nèi)容 指令系統(tǒng) 運(yùn)算速度 主頻（時(shí)鐘頻率） 系統(tǒng)配置,一、硬件：,I/O子系統(tǒng),. . .,2.2基于微處理器的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成,二、 8086

2、微處理器基本組成,三、軟件：系統(tǒng)軟件 用戶軟件,2.3 8086的功能結(jié)構(gòu),8086內(nèi)部結(jié)構(gòu)有兩個(gè)功能模塊，完成一條指令的取指和執(zhí)行功能 模塊之一：總線接口單元BIU，主要負(fù)責(zé)讀取指令和操作數(shù) 模塊之二：執(zhí)行單元EU ，主要負(fù)責(zé)指令譯碼和執(zhí)行,內(nèi)部結(jié)構(gòu),指令執(zhí)行,8086內(nèi)部結(jié)構(gòu),8086的寄存器組,對(duì)匯編語(yǔ)言程序員來(lái)說(shuō)，8086內(nèi)部結(jié)構(gòu)就是可編程的寄存器組 執(zhí)行單元EU 8個(gè)通用寄存器 1個(gè)指令指針寄存器 1個(gè)標(biāo)志寄存器 4個(gè)段寄存器,1. 8086的通用寄存器,8086的16位通用寄存器是： AXBXCXDX SIDIBPSP 其中前4個(gè)數(shù)據(jù)寄存器都還可以分成高8位和低8位兩個(gè)獨(dú)立的寄存器

3、 8086的8位通用寄存器是： AHBHCHDH ALBLCLDL 對(duì)其中某8位的操作，并不影響另外對(duì)應(yīng)8位的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)寄存器,數(shù)據(jù)寄存器用來(lái)存放計(jì)算的結(jié)果和操作數(shù)，也可以存放地址 每個(gè)寄存器又有它們各自的專用目的 AX累加器，使用頻度最高，用于算術(shù)、邏輯運(yùn)算以及與外設(shè)傳送信息等； BX基址寄存器，常用做存放存儲(chǔ)器地址； CX計(jì)數(shù)器，作為循環(huán)和串操作等指令中的隱含計(jì)數(shù)器； DX數(shù)據(jù)寄存器，常用來(lái)存放雙字長(zhǎng)數(shù)據(jù)的高16位，或存放外設(shè)端口地址。,變址寄存器,變址寄存器常用于存儲(chǔ)器尋址時(shí)提供地址 SI是源變址寄存器 DI是目的變址寄存器 串操作類指令中，SI和DI具有特別的功能,指針寄存器,指針寄存

4、器用于尋址內(nèi)存堆棧內(nèi)的數(shù)據(jù) SP為堆棧指針寄存器，指示棧頂?shù)钠频刂?SP不能再用于其他目的，具有專用目的 BP為基址指針寄存器，表示數(shù)據(jù)在堆棧段中的基地址 SP和BP寄存器與SS段寄存器聯(lián)合使用以確定堆棧段中的存儲(chǔ)單元地址,堆棧（Stack）,堆棧是主存中一個(gè)特殊的區(qū)域 它采用先進(jìn)后出FILO（First In Last Out）或后進(jìn)先出LIFO（Last In First Out）的原則進(jìn)行存取操作，而不是隨機(jī)存取操作方式。 堆棧通常由處理器自動(dòng)維持。在8086中，由堆棧段寄存器SS和堆棧指針寄存器SP共同指示,指令指針I(yè)P,指令指針寄存器IP，指示代碼段中指令的偏移地址 它與代碼段寄存

5、器CS聯(lián)用，確定下一條指令的物理地址 計(jì)算機(jī)通過(guò)CS : IP寄存器來(lái)控制指令序列的執(zhí)行流程 IP寄存器是一個(gè)專用寄存器,2. 標(biāo)志寄存器,標(biāo)志（Flag）用于反映指令執(zhí)行結(jié)果或控制指令執(zhí)行形式 8086處理器的各種標(biāo)志形成了一個(gè)16位的標(biāo)志寄存器FLAGS（程序狀態(tài)字PSW寄存器）,程序設(shè)計(jì)需要利用標(biāo)志的狀態(tài),標(biāo)志的分類,狀態(tài)標(biāo)志用來(lái)記錄程序運(yùn)行結(jié)果的狀態(tài)信息，許多指令的執(zhí)行都將相應(yīng)地設(shè)置它 CF ZF SF PF OF AF 控制標(biāo)志可由程序根據(jù)需要用指令設(shè)置，用于控制處理器執(zhí)行指令的方式 DF IF TF,進(jìn)位標(biāo)志CF（Carry Flag）,當(dāng)運(yùn)算結(jié)果的最高有效位有進(jìn)位（加法）或借位（

6、減法）時(shí)，進(jìn)位標(biāo)志置1，即CF = 1；否則CF = 0。,3AH + 7CHB6H，沒有進(jìn)位：CF = 0 AAH + 7CH（1）26H，有進(jìn)位：CF = 1,零標(biāo)志ZF（Zero Flag）,若運(yùn)算結(jié)果為0，則ZF = 1； 否則ZF = 0,3AH + 7CHB6H，結(jié)果不是零：ZF = 0 84H + 7CH（1）00H，結(jié)果是零：ZF = 1,注意：ZF為1表示的結(jié)果是0,符號(hào)標(biāo)志SF（Sign Flag）,運(yùn)算結(jié)果最高位為1，則SF = 1；否則SF = 0,3AH + 7CHB6H，最高位D71：SF = 1 84H + 7CH（1）00H，最高位D70：SF = 0,有符號(hào)數(shù)

7、據(jù)用最高有效位表示數(shù)據(jù)的符號(hào) 所以，最高有效位就是符號(hào)標(biāo)志的狀態(tài),奇偶標(biāo)志PF（Parity Flag）,當(dāng)運(yùn)算結(jié)果最低字節(jié)中“1”的個(gè)數(shù)為零或偶數(shù)時(shí)，PF = 1；否則PF = 0,3AH + 7CHB6H10110110B 結(jié)果中有5個(gè)1，是奇數(shù)：PF = 0,PF標(biāo)志僅反映最低8位中“1”的個(gè)數(shù)是偶或奇，即使是進(jìn)行16位字操作,溢出標(biāo)志OF（Overflow Flag）,若算術(shù)運(yùn)算的結(jié)果有溢出， 則OF1；否則 OF0,3AH + 7CHB6H，產(chǎn)生溢出：OF = 1 AAH + 7CH（1）26H，沒有溢出：OF = 0,問題 什么是溢出？ 溢出和進(jìn)位有什么區(qū)別？ 處理器怎么處理，程序

8、員如何運(yùn)用？ 如何判斷是否溢出？,什么是溢出,處理器內(nèi)部以補(bǔ)碼表示有符號(hào)數(shù) 8位表達(dá)的整數(shù)范圍是：127128 16位表達(dá)的范圍是：3276732768 如果運(yùn)算結(jié)果超出這個(gè)范圍，就產(chǎn)生了溢出 有溢出，說(shuō)明有符號(hào)數(shù)的運(yùn)算結(jié)果不正確,3AH7CHB6H，就是58124182， 已經(jīng)超出128127范圍，產(chǎn)生溢出，故OF1； 另一方面，補(bǔ)碼B6H表達(dá)真值是-74， 顯然運(yùn)算結(jié)果也不正確,溢出和進(jìn)位,溢出標(biāo)志OF和進(jìn)位標(biāo)志CF是兩個(gè)意義不同的標(biāo)志 進(jìn)位標(biāo)志表示無(wú)符號(hào)數(shù)運(yùn)算結(jié)果是否超出范圍，運(yùn)算結(jié)果仍然正確； 溢出標(biāo)志表示有符號(hào)數(shù)運(yùn)算結(jié)果是否超出范圍，運(yùn)算結(jié)果已經(jīng)不正確。,請(qǐng)看例子,溢出和進(jìn)位的對(duì)比,

9、例1：3AH + 7CHB6H 無(wú)符號(hào)數(shù)運(yùn)算：58124182 范圍內(nèi)，無(wú)進(jìn)位 有符號(hào)數(shù)運(yùn)算： 58124182 范圍外，有溢出,例2：AAH + 7CH（1）26H 無(wú)符號(hào)數(shù)運(yùn)算：170124294 范圍外，有進(jìn)位 有符號(hào)數(shù)運(yùn)算：8612428 范圍內(nèi)，無(wú)溢出,如何運(yùn)用溢出和進(jìn)位,處理器對(duì)兩個(gè)操作數(shù)進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，按照無(wú)符號(hào)數(shù)求得結(jié)果，并相應(yīng)設(shè)置進(jìn)位標(biāo)志CF；同時(shí)，根據(jù)是否超出有符號(hào)數(shù)的范圍設(shè)置溢出標(biāo)志OF。 應(yīng)該利用哪個(gè)標(biāo)志，則由程序員來(lái)決定。也就是說(shuō)，如果將參加運(yùn)算的操作數(shù)認(rèn)為是無(wú)符號(hào)數(shù)，就應(yīng)該關(guān)心進(jìn)位；認(rèn)為是有符號(hào)數(shù)，則要注意是否溢出。,溢出的判斷,判斷運(yùn)算結(jié)果是否溢出有一個(gè)簡(jiǎn)單的規(guī)則：

10、只有當(dāng)兩個(gè)相同符號(hào)數(shù)相加（包括不同符號(hào)數(shù)相減），而運(yùn)算結(jié)果的符號(hào)與原數(shù)據(jù)符號(hào)相反時(shí)，產(chǎn)生溢出；因?yàn)?，此時(shí)的運(yùn)算結(jié)果顯然不正確 其他情況下，則不會(huì)產(chǎn)生溢出,輔助進(jìn)位標(biāo)志AF（Auxiliary Carry Flag）,3AH + 7CHB6H，D3有進(jìn)位：AF = 1,運(yùn)算時(shí)D3位（低半字節(jié)）有進(jìn)位或借位時(shí)，AF = 1；否則AF = 0。,這個(gè)標(biāo)志主要由處理器內(nèi)部使用，用于十進(jìn)制算術(shù)運(yùn)算調(diào)整指令中，用戶一般不必關(guān)心,方向標(biāo)志DF（Direction Flag）,用于串操作指令中，控制地址的變化方向： 設(shè)置DF0，存儲(chǔ)器地址自動(dòng)增加； 設(shè)置DF1，存儲(chǔ)器地址自動(dòng)減少。,CLD指令復(fù)位方向標(biāo)志：D

11、F0 STD指令置位方向標(biāo)志：DF1,中斷允許標(biāo)志IF（Interrupt-enable Flag）,用于控制外部可屏蔽中斷是否可以被處理器響應(yīng)： 設(shè)置IF1，則允許中斷； 設(shè)置IF0，則禁止中斷。,CLI指令復(fù)位中斷標(biāo)志：IF0 STI指令置位中斷標(biāo)志：IF1,陷阱標(biāo)志TF（Trap Flag）,用于控制處理器進(jìn)入單步操作方式： 設(shè)置TF0，處理器正常工作； 設(shè)置TF1，處理器單步執(zhí)行指令。,單步執(zhí)行指令處理器在每條指令執(zhí)行結(jié)束時(shí)，便產(chǎn)生一個(gè)編號(hào)為1的內(nèi)部中斷 這種內(nèi)部中斷稱為單步中斷 所以TF也稱為單步標(biāo)志 利用單步中斷可對(duì)程序進(jìn)行逐條指令的調(diào)試 這種逐條指令調(diào)試程序的方法就是單步調(diào)試,2

12、.4存儲(chǔ)器組織與段寄存器,寄存器是微處理器內(nèi)部暫存數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元，以名稱表示 存儲(chǔ)器則是微處理器外部存放程序及其數(shù)據(jù)的空間 程序及其數(shù)據(jù)可以長(zhǎng)久存放在外存，在程序需要時(shí)才進(jìn)入主存 主存需要利用地址區(qū)別,數(shù)據(jù)信息的表達(dá)單位,計(jì)算機(jī)中信息的單位 二進(jìn)制位Bit：存儲(chǔ)一位二進(jìn)制數(shù)：0或1 字節(jié)Byte：8個(gè)二進(jìn)制位，D7D0 字Word：16位，2個(gè)字節(jié)，D15D0 雙字DWord：32位，4個(gè)字節(jié)，D31D0 最低有效位LSB：數(shù)據(jù)的最低位，D0位 最高有效位MSB：數(shù)據(jù)的最高位，對(duì)應(yīng)字節(jié)、字、雙字分別指D7、D15、D31位,圖示,1. 數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式,低地址,,存儲(chǔ)單元及其存儲(chǔ)內(nèi)容,每個(gè)存儲(chǔ)單

13、元都有一個(gè)編號(hào)；被稱為存儲(chǔ)器地址 每個(gè)存儲(chǔ)單元存放一個(gè)字節(jié)的內(nèi)容,0002H單元存放有一個(gè)數(shù)據(jù)34H 表達(dá)為0002H34H,圖示,多字節(jié)數(shù)據(jù)存放方式,多字節(jié)數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中占連續(xù)的多個(gè)存儲(chǔ)單元： 存放時(shí)，低字節(jié)存入低地址，高字節(jié)存入高地址； 表達(dá)時(shí)，用它的低地址表示多字節(jié)數(shù)據(jù)占據(jù)的地址空間。,圖1.7中2號(hào)“字”單元的內(nèi)容為： 0002H = 1234H 2號(hào)“雙字”單元的內(nèi)容為： 0002H = 78561234H,80 x86處理器采用“低對(duì)低、高對(duì)高”的存儲(chǔ)形式，被稱為“小端方式Little Endian”。 相對(duì)應(yīng)還存在“大端方式Big Endian”。,圖示,數(shù)據(jù)的地址對(duì)齊,同一個(gè)存

14、儲(chǔ)器地址可以是字節(jié)單元地址、字單元地址、雙字單元地址等等 字單元安排在偶地址（xxx0B）、雙字單元安排在模4地址（xx00B）等，被稱為“地址對(duì)齊（Align）” 對(duì)于不對(duì)齊地址的數(shù)據(jù)，處理器訪問時(shí)，需要額外的訪問存儲(chǔ)器時(shí)間 應(yīng)該將數(shù)據(jù)的地址對(duì)齊，以取得較高的存取速度,視具體情況來(lái)確定,2. 存儲(chǔ)器的分段管理,8086CPU有20條地址線 最大可尋址空間為2201MB 物理地址范圍從00000HFFFFFH 8086CPU將1MB空間分成許多邏輯段（Segment） 每個(gè)段最大限制為64KB 段地址的低4位為0000B 這樣，一個(gè)存儲(chǔ)單元除具有一個(gè)唯一的物理地址外，還具有多個(gè)邏輯地址,物理地

15、址和邏輯地址,對(duì)應(yīng)每個(gè)物理存儲(chǔ)單元都有一個(gè)唯一的20位編號(hào)，就是物理地址，從00000HFFFFFH。 分段后在用戶編程時(shí)，采用邏輯地址，形式為 段基地址 : 段內(nèi)偏移地址,分隔符,邏輯地址,段地址說(shuō)明邏輯段在主存中的起始位置 8086規(guī)定段地址必須是模16地址：xxxx0H 省略低4位0000B，段地址就可以用16位數(shù)據(jù)表示，就能用16位段寄存器表達(dá)段地址 偏移地址說(shuō)明主存單元距離段起始位置的偏移量 每段不超過(guò)64KB，偏移地址也可用16位數(shù)據(jù)表示,物理地址和邏輯地址的轉(zhuǎn)換,將邏輯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 一個(gè)物理地址可以有多個(gè)邏輯地址,邏輯地址1460:10

16、0、1380:F00 物理地址14700H 14700H,3. 段寄存器,8086有4個(gè)16位段寄存器 CS（代碼段）指明代碼段的起始地址 SS（堆棧段）指明堆棧段的起始地址 DS（數(shù)據(jù)段）指明數(shù)據(jù)段的起始地址 ES（附加段）指明附加段的起始地址 每個(gè)段寄存器用來(lái)確定一個(gè)邏輯段的起始地址，每種邏輯段均有各自的用途,代碼段（Code Segment）,代碼段用來(lái)存放程序的指令序列 代碼段寄存器CS存放代碼段的段地址 指令指針寄存器IP指示下條指令的偏移地址 處理器利用CS:IP取得下一條要執(zhí)行的指令,堆棧段（Stack Segment）,堆棧段確定堆棧所在的主存區(qū)域 堆棧段寄存器SS存放堆棧段的

17、段地址 堆棧指針寄存器SP指示堆棧棧頂?shù)钠频刂?處理器利用SS:SP操作堆棧頂?shù)臄?shù)據(jù),數(shù)據(jù)段（Data Segment）,數(shù)據(jù)段存放運(yùn)行程序所用的數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)段寄存器DS存放數(shù)據(jù)段的段地址 各種主存尋址方式（有效地址EA）得到存儲(chǔ)器中操作數(shù)的偏移地址 處理器利用DS:EA存取數(shù)據(jù)段中的數(shù)據(jù),附加段（Extra Segment）,附加段是附加的數(shù)據(jù)段，也用于數(shù)據(jù)的保存： 附加段寄存器ES存放附加段的段地址 各種主存尋址方式（有效地址EA）得到存儲(chǔ)器中操作數(shù)的偏移地址 處理器利用ES:EA存取附加段中的數(shù)據(jù) 串操作指令將附加段作為其目的操作數(shù)的存放區(qū)域,如何分配各個(gè)邏輯段,程序的指令序列必須安排在

18、代碼段 程序使用的堆棧一定在堆棧段 程序中的數(shù)據(jù)默認(rèn)是安排在數(shù)據(jù)段，也經(jīng)常安排在附加段，尤其是串操作的目的區(qū)必須是附加段 數(shù)據(jù)的存放比較靈活，實(shí)際上可以存放在任何一種邏輯段中,演示,段超越前綴指令,沒有指明時(shí)，一般的數(shù)據(jù)訪問在DS段；使用BP訪問主存，則在SS段 默認(rèn)的情況允許改變，需要使用段超越前綴指令；8086指令系統(tǒng)中有4個(gè)： CS:；代碼段超越，使用代碼段的數(shù)據(jù) SS: ；堆棧段超越，使用堆棧段的數(shù)據(jù) DS: ；數(shù)據(jù)段超越，使用數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù) ES: ；附加段超越，使用附加段的數(shù)據(jù),示例,段超越的示例,沒有段超越的指令實(shí)例： MOV AX,2000H；AXDS:2000H ；從默認(rèn)的DS

19、數(shù)據(jù)段取出數(shù)據(jù) 采用段超越前綴的指令實(shí)例： MOV AX,ES:2000H；AXES:2000H ；從指定的ES附加段取出數(shù)據(jù),總結(jié),段寄存器的使用規(guī)定,存儲(chǔ)器的分段,8086對(duì)邏輯段要求： 段地址低4位均為0 每段最大不超過(guò)64KB 8086對(duì)邏輯段并不要求： 必須是64KB 各段之間完全分開（即可以重疊）,各段獨(dú)立,各段重疊,最多多少段？,最少多少段？,各個(gè)邏輯段獨(dú)立,各個(gè)邏輯段重疊,1MB空間的分段,1MB空間最多能分成多少個(gè)段？ 每隔16個(gè)存儲(chǔ)單元就可以開始一個(gè)段， 所以1MB最多可以有： 2201621664K 個(gè)段 1MB空間最少能分成多少個(gè)段？ 每隔64K個(gè)存儲(chǔ)單元開始一個(gè)段，

20、所以1MB最少可以有： 22021616 個(gè)段,總結(jié),8086有8個(gè)8位通用寄存器、8個(gè)16位通用寄存器 8086有6個(gè)狀態(tài)標(biāo)志和3個(gè)控制標(biāo)志 8086將1MB存儲(chǔ)空間分段管理，有4個(gè)段寄存器，對(duì)應(yīng)4種邏輯段 8086有4個(gè)段超越前綴指令，用于明確指定數(shù)據(jù)所在的邏輯段,2.5 外部設(shè)備,外部設(shè)備與主機(jī)（ CPU 和存儲(chǔ)器）的通信是 通過(guò)外設(shè)接口（Interface）進(jìn)行的，每個(gè)接口包括 一組寄存器。 數(shù)據(jù)寄存器：存放外設(shè)和主機(jī)間傳送的數(shù)據(jù) 狀態(tài)寄存器：保存外設(shè)或接口的狀態(tài)信息 命令寄存器：保存CPU發(fā)給外設(shè)或接口的控制命令 外設(shè)中每個(gè)寄存器有一個(gè)端口（Port）地址，構(gòu)成 一個(gè)獨(dú)立于內(nèi)存的 I / O 地址空間：0000H FFFFH,寄存器與存儲(chǔ)器的比較： 寄 存 器 存 儲(chǔ) 器,在CPU內(nèi)部 在CPU外部 訪問速度快 訪問速度慢 容量小，成本高 容量大，成本低 用名字表示 用地址表示 沒有地址 地址可用各種方式形成,本章到此結(jié)束 謝謝！,邏輯段分配,8088的指令執(zhí)行示例,