80868088cpu的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由于匯編語言是建立在機(jī)器指令基礎(chǔ)之

1、第二章 IBM PC 微型計(jì)算機(jī)2.1 8086/8088CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由于匯編語言是建立在機(jī)器指令基礎(chǔ)之上的，是一種描述硬件運(yùn)作的語言，所以要學(xué)習(xí)匯編語言，必須對它對應(yīng)的硬件結(jié)構(gòu)先作了解。特別是對于CPU，因?yàn)槊恳环NCPU都有自己的指令系統(tǒng)，必須先對CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作機(jī)制作一個(gè)概要的理解。,一般CPU由如下三個(gè)部分組成：(1) 控制器：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中控制所有功能部件（包括控制器本身）協(xié)同工作，自動執(zhí)行計(jì)算機(jī)程序

2、的功能部件，它通過對機(jī)器指令進(jìn)行譯碼得到所需的控制信號，并根據(jù)時(shí)鐘信號使各種控制信號在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻產(chǎn)生，從而產(chǎn)生一系列時(shí)序過程來完成指令所要求的操作。,(2) 運(yùn)算器：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中加工、處理數(shù)據(jù)的功能部件，其功能包括算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。(3) 寄存器：CPU內(nèi)部一般提供一組零散的存儲單元，每一個(gè)存儲單元都能存儲二進(jìn)制數(shù)據(jù)，并且都有自己獨(dú)特的功能和相應(yīng)的名稱，這一組CPU內(nèi)部的存儲單元通常稱為寄存器。,8086和8088CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)大

3、致是一致的，內(nèi)部處理的最大二進(jìn)制數(shù)都是16位的，只不過8086針對的數(shù)據(jù)總線是16位的，8088是8位的，也就是說，只是CPU的外部引腳有所區(qū)別。8086/8088CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)大致如教材上P18的圖2-3所示。,CPU中的寄存器：8086CPU中總共有14個(gè)物理寄存器，邏輯上的寄存器有22個(gè)，下面就它們的功能分別來討論。參見教材P20圖2-5 ．（a）　段寄存器：包括CS（Code Segment）、SS（Stack Segm

4、ent）、DS（Data Segment）、ES（Extra Segment）四個(gè)16位物理寄存器，用于存放程序所要使用的4個(gè)存儲段的段基值，分別對應(yīng)于內(nèi)存中的四塊存儲區(qū)域，代碼段、堆棧段、數(shù)據(jù)段、附加段。,段：內(nèi)存中一段連續(xù)的空間，在程序中具有特定的用途。每個(gè)程序都可能會使用這樣四個(gè)段，其中代碼段是必須的，實(shí)用的程序通常至少包含代碼段、堆棧段、數(shù)據(jù)段。,代碼段用于存放程序的機(jī)器指令序列；堆棧段用于存放程序使用堆棧指令所保存的數(shù)

5、據(jù)，自動保存的斷點(diǎn)等信息；數(shù)據(jù)段存放程序直接使用的數(shù)據(jù)；附加段中的內(nèi)容不確定，可以由程序開發(fā)人員根據(jù)實(shí)際需要自己決定。,（b）地址指針寄存器：包括BX、SI、DI、BP、SP、IP五個(gè)16位寄存器，用于存放邏輯地址的偏移量或者偏移量的一部分（分量）．其作用在尋址時(shí)類似于游標(biāo)，通過相對于段基址的相對字節(jié)距離來定位具體的字節(jié)或字單元。,BX稱為基址寄存器，可以用于存放偏移量或者是偏移量的一部分（后面介紹指令尋址方式時(shí)會詳細(xì)分析）

6、，通常和DS、ES這兩個(gè)段寄存器配合使用，用于定位數(shù)據(jù)段或附加段中的內(nèi)存單元；,SI稱為源變址寄存器，用于存放偏移量或者是偏移量的一部分，通常和DS、ES這兩個(gè)段寄存器配合使用，用于定位數(shù)據(jù)段或附加段中的內(nèi)存單元。在串操作指令中，SI用于指明源串偏移量，所以被稱為源變址寄存器。,DI稱為目的變址寄存器，用于存放偏移量或者是偏移量的一部分，通常和DS、ES這兩個(gè)段寄存器配合使用，用于定位數(shù)據(jù)段或附加段中的內(nèi)存單元。在串操作指令中，

7、DI用于指明目的串偏移量，所以被稱為目的變址寄存器。,BP稱為基址指針寄存器，用于存放偏移量，通常和SS段寄存器配合使用，用于定位堆棧段中的內(nèi)存單元。SP稱為堆棧指針，用于存放偏移量，只能和SS段寄存器配合使用，且始終指向堆棧的棧頂，在堆棧指令中隱含的使用它來定位棧頂數(shù)據(jù)。,IP稱為指令指針，用于存放偏移量，只能和CS段寄存器配合使用，且始終指向代碼段中下一條將要讀取到CPU指令隊(duì)列的那條指令；修改IP中內(nèi)容的操作是CPU在每讀

8、取一條指令到指令隊(duì)列后自動進(jìn)行的，使它指向要讀取的下一條指令。跳轉(zhuǎn)指令中可以隱含的修改IP寄存器中的內(nèi)容。,（c）　數(shù)據(jù)寄存器：包括AX、BX、CX、DX這樣4個(gè)16位的寄存器．在邏輯上一個(gè)16位的數(shù)據(jù)寄存器可以看成是3個(gè)寄存器．例如AX，可以把它作為一個(gè)16位的數(shù)據(jù)寄存器來使用，也可以把它的高低8位分開，高8位為AH寄存器，低8位為AL寄存器．,在使用上要注意邏輯上不同的寄存器可能在物理上是相互覆蓋的。這里的寄存器BX在上

9、面提到過，它既可以用作數(shù)據(jù)寄存器，也可以用作地址指針寄存器。,（d）標(biāo)志寄存器：8086CPU提供一個(gè)16位的標(biāo)志寄存器FR，對這個(gè)寄存器的使用在指令中往往是隱含的。值得注意的是，F(xiàn)R是按位操作的，每一個(gè)二進(jìn)制位都有自己特定的含義，具體每一位的含義可以參見教材P23的圖2-8及其說明。,一般在匯編語言程序中的運(yùn)算指令或者標(biāo)志位控制指令會影響特定標(biāo)志位?？梢酝ㄟ^轉(zhuǎn)移指令來判斷標(biāo)志位的變化，從而實(shí)現(xiàn)程序中的分支結(jié)構(gòu)或者循環(huán)結(jié)構(gòu)。標(biāo)

10、志寄存器是實(shí)現(xiàn)程序中分支、循環(huán)結(jié)構(gòu)的重要硬件基礎(chǔ)。,１）進(jìn)位標(biāo)志位CF（Carry Flag）：在CPU進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算指令時(shí)，如果該指令要影響CF標(biāo)志，并且用戶把操作數(shù)看作無符號數(shù)，那么該標(biāo)志位是有效標(biāo)志。它標(biāo)志著上次算術(shù)運(yùn)算最高位（對字操作是第15位，字節(jié)是第7位）是否產(chǎn)生進(jìn)位（加法指令）或者借位（減法指令）。如果有進(jìn)位或借位產(chǎn)生，那么CF=1；如果沒有，那么CF=0。CF標(biāo)志位位于FR的第0位。,例1．觀察下面的加減法運(yùn)算，判

11、斷最后CF標(biāo)志應(yīng)該為什么值，注意，算術(shù)運(yùn)算中的操作數(shù)必須理解為無符號數(shù)，這樣CF標(biāo)志的值才有意義?！?0110011+ 010100011 00000100這次字節(jié)的加法運(yùn)算后，最高位向更高一位產(chǎn)生了進(jìn)位，CF應(yīng)該等于1。,00110000+00001101000111101這次字節(jié)的加法運(yùn)算后，最高位沒有向更高一位產(chǎn)生進(jìn)位，CF應(yīng)該等于0。,01010101-00111110000010111

12、這次字節(jié)的減法運(yùn)算后，最后位沒有向更高一位產(chǎn)生借位，CF應(yīng)該等于0。,２）奇偶標(biāo)志位PF（Parity Flag）：如果CPU所執(zhí)行的指令要影響PF標(biāo)志，并且該指令得到的數(shù)據(jù)結(jié)果低8位中含有偶數(shù)個(gè)“1”時(shí)，PF=1；含有奇數(shù)個(gè)“1”，PF=0。注意無論指令的操作數(shù)有多么長，只有低8位數(shù)據(jù)中1的個(gè)數(shù)能夠影響到PF標(biāo)志的取值。PF標(biāo)志位位于FR的第2位。,３）輔助進(jìn)位標(biāo)志位AF（Auxiliary Carry Flag）：在CPU

13、執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算指令時(shí)，如果該指令要影響AF標(biāo)志，并且用戶把操作數(shù)看作無符號數(shù)，AF標(biāo)志才有意義。如果低字節(jié)中的低4位向高4位產(chǎn)生進(jìn)位或借位時(shí)（也就是第3位向第4位產(chǎn)生進(jìn)位或借位），AF被置為1；如果低4位沒有向高4位產(chǎn)生進(jìn)位或借位，AF被置為0。AF標(biāo)志，又稱半進(jìn)位標(biāo)志，位于FR的第4位。判別標(biāo)準(zhǔn)：和CF一樣，使用無符號數(shù)的加減運(yùn)算來作判斷，只是判斷進(jìn)位和借位的位置不在操作數(shù)的最高位，而是在低字節(jié)的第3位。,4）零值標(biāo)志位ZF

14、（Zero Flag）：如果CPU執(zhí)行的指令要影響ZF標(biāo)志，并且保證ZF標(biāo)志是有意義的，那么當(dāng)指令得到的結(jié)果數(shù)據(jù)各位全為“0”時(shí)，則ZF置“1”，否則ZF置“0”。ZF標(biāo)志位位于FR的第6位。實(shí)用價(jià)值：ZF標(biāo)志的使用主要是進(jìn)行比較，并根據(jù)比較的結(jié)果來進(jìn)行程序的分支或循環(huán)。例如，對兩個(gè)整數(shù)進(jìn)行比較，即對兩個(gè)整數(shù)進(jìn)行相減的操作，如果兩個(gè)數(shù)是相等的，那么結(jié)果為0，ZF=1；如果不等，那么結(jié)果非0，ZF=0。,5）符號標(biāo)志位SF（Sign

15、Flag）：如果CPU執(zhí)行的指令要影響SF標(biāo)志，并且用戶把指令得到的結(jié)果數(shù)據(jù)看作帶符號數(shù)，那么當(dāng)結(jié)果為負(fù)數(shù)時(shí)，SF置“1”；當(dāng)結(jié)果為正數(shù)時(shí)，SF置“0”。也就是說，SF標(biāo)志位的取值和結(jié)果數(shù)據(jù)的最高位是一致的，因?yàn)檠a(bǔ)碼的最高位就是符號位。SF標(biāo)志位位于FR的第7位。,（6）溢出標(biāo)志位OF（Overflow Flag）：如果CPU執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算指令，并且用戶把操作數(shù)看作帶符號數(shù)時(shí)，OF標(biāo)志位的取值才有意義。如果運(yùn)算結(jié)果超出了補(bǔ)碼的

16、表示范圍（對字節(jié)來說，是-128到127，對字來說，是-32768到32767），那么解釋為溢出，OF置為1；如果運(yùn)算結(jié)果沒有超出補(bǔ)碼的表示范圍，OF置為0。OF標(biāo)志位位于FR的第11位。,7）單步（或跟蹤）標(biāo)志位TF（Trace Flag）：前面講到的標(biāo)志位都屬于狀態(tài)標(biāo)志位，是指令根據(jù)自己的執(zhí)行情況而為后續(xù)指令留下的一些可供參考的狀態(tài)信息。TF標(biāo)志位是一個(gè)控制標(biāo)志位，和前面所講的標(biāo)志位功能不同，它是用于觸發(fā)單步中斷的。如果

17、使用指令將TF標(biāo)志位置為1，那么CPU將進(jìn)入單步執(zhí)行指令的工作方式，每執(zhí)行完一條指令就會觸發(fā)單步中斷，執(zhí)行單步中斷服務(wù)程序，一般會在屏幕上顯示CPU內(nèi)部各寄存器和標(biāo)志位的狀態(tài)，以便用戶觀察該指令產(chǎn)生的影響。,進(jìn)入中斷時(shí)，TF標(biāo)志會自動被清0，所以中斷服務(wù)程序的執(zhí)行并不會出現(xiàn)單步執(zhí)行的情況，中斷服務(wù)程序結(jié)束后TF標(biāo)志會恢復(fù)中斷以前的設(shè)置。TF標(biāo)志為用戶單步調(diào)試自己的程序提供了相應(yīng)的硬件基礎(chǔ)。如果使用指令將TF標(biāo)志清0，那么將會使CPU

18、退出單步運(yùn)行模式，回到連續(xù)執(zhí)行機(jī)器指令的狀態(tài)。TF標(biāo)志位位于FR的第8位。,（8）中斷標(biāo)志位IF（Interrupt-enable Flag）：這也是一個(gè)控制標(biāo)志位，用于控制CPU是否處理可屏蔽中斷。如果使用指令將IF標(biāo)志置為1，那么CPU將會處理任何可屏蔽中斷，如果使用指令將IF標(biāo)志置為0，那么CPU將不會處理可屏蔽中斷。IF標(biāo)志位位于FR的第9位。注意，IF標(biāo)志只能屏蔽可屏蔽中斷，對于一些由嚴(yán)重錯誤或故障引起的不可屏蔽中斷則是無

19、法屏蔽的。,（9）方向標(biāo)志位DF（Direction Flag）：這也是一個(gè)控制標(biāo)志位，用于控制串操作指令存取數(shù)據(jù)的方向.如果使用指令將DF標(biāo)志置為0，每執(zhí)行完一次串操作以后，源串地址指針SI和目的串地址指針DI中的內(nèi)容會自動遞增；如果使用指令將DF標(biāo)志置為1，那么每執(zhí)行完一次串操作以后，SI和DI中的內(nèi)容會自動遞減。,寄存器的分類可以參見教材P20圖2-5，地址指針寄存器和數(shù)據(jù)寄存器統(tǒng)稱為通用寄存器，總共有8個(gè)，除了各自特殊的

20、功能外，它們都可以用于存放數(shù)據(jù)；指令指針和標(biāo)志寄存器統(tǒng)稱為控制寄存器，指令指針直接控制機(jī)器指令的執(zhí)行流程，標(biāo)志寄存器可以由標(biāo)志位間接影響機(jī)器指令的執(zhí)行流程或者運(yùn)算結(jié)果；段寄存器用于指示當(dāng)前運(yùn)行程序中可以使用的4個(gè)當(dāng)前段。,２．２主存儲器2．2．1 8086/8088系統(tǒng)中主存儲器的編址方式以及數(shù)據(jù)的存放方式 主存儲器就是前面提到的內(nèi)部存儲器，簡稱內(nèi)存，它是以字節(jié)為單位進(jìn)行存儲單元編址的。也就是說，內(nèi)存中每一個(gè)字節(jié)

21、都有自己獨(dú)一無二的地址，CPU讀寫內(nèi)存中的數(shù)據(jù)最小單位為字節(jié)。,8086/8088系統(tǒng)中地址線有20條，每個(gè)地址可以用20位的無符號二進(jìn)制數(shù)來表示，為了表達(dá)方便，在程序中常常使用5位16進(jìn)制數(shù)來表示內(nèi)存單元的地址。系統(tǒng)的尋址范圍為00000H到0FFFFFH，可以尋址1MB的內(nèi)存空間。內(nèi)存中字節(jié)的編址可以參見教材P24的圖2-9。CPU訪問內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，可以以字節(jié)為單位，也可以以字為單位。字節(jié)是基本單位。一個(gè)字?jǐn)?shù)據(jù)（16位）

22、在內(nèi)存中將占據(jù)相鄰的兩個(gè)字節(jié)單元，數(shù)據(jù)的低8位存放在低地址單元；高8位存放在高地址單元。,例1．把16位數(shù)據(jù)5342H放入地址為20000H的字單元，試說明其存放方式。20000H：42H20001H：53H,例2．參見教材P25圖2-10，試說明CPU讀取地址為10000H、10002H的字節(jié)單元時(shí)，將分別讀取到什么樣的數(shù)據(jù)，讀取地址為10000H、10001H的字單元時(shí)，將分別讀取到什么樣的數(shù)據(jù)。10000H：56H（

23、字節(jié)）10002H：12H（字節(jié)）10000H：3456H（字）10001H：1234H（字）內(nèi)存中存放的數(shù)據(jù)可以看作字節(jié)數(shù)據(jù)，也可以看作字?jǐn)?shù)據(jù)，具體以什么樣的方式來訪問內(nèi)存單元中的數(shù)據(jù)關(guān)鍵在于編制程序的人如何來解釋和使用內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。,2．2．2 8086/8088系統(tǒng)中存儲單元的地址及其表示方法8086和8088CPU都提供20條地址引腳，也就是說它的尋址范圍為2 20個(gè)字節(jié)，即1MB的內(nèi)存空間。但是，8

24、086/8088內(nèi)部寄存器和內(nèi)部總線都只有16位，不能夠直接形成20位的地址。CPU的設(shè)計(jì)者采用了一種分段管理內(nèi)存的方法來解決這個(gè)問題。,使用段寄存器來存放16位的段基值（無符號數(shù)），使用其他寄存器來存放16位的偏移量（也稱有效地址Effective Address，縮寫為EA，為無符號數(shù)），由段基值和偏移量組成的內(nèi)存單元地址表示形式稱為邏輯地址。,在CPU訪問內(nèi)存單元時(shí)會使用地址加法器來計(jì)算內(nèi)存單元的地址（見教材P19，如圖2-4）。

25、先把段基值左移4位（也就是在右邊添上4個(gè)0，相當(dāng)于乘以16），生成20位的段基址，然后加上16位的偏移量，就是要訪問的內(nèi)存單元地址，這種CPU在最終訪問內(nèi)存單元時(shí)使用的20位地址稱為物理地址。,一個(gè)段由它的段基址起始，即一個(gè)段的起始地址為段基址，這個(gè)起始地址由放在段寄存器中的段基值決定。注意段基址一定是可以被16整除的，因?yàn)樗詈?個(gè)二進(jìn)制位都為0。所以并不是所有的20位地址都可以作為段基址。只有能被16整除的地址可以作為段