微型計算機(jī)原理第二章

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1、微型計算機(jī)原理與接口技術(shù),第,2,章,80X86,微處理器,,2.1 32,位微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu),2.2,32,位微處理器的工作模式和地址空間,,1.,位和字節(jié),,,位（,bit,）是計算機(jī)所能表示的最小最基本的數(shù)據(jù)單位，它指的,,是取值只能為,0,或,1,的一個二進(jìn)制數(shù)值位。位作為單位時記作,b,,,字節(jié)（,byte,）由,8,個位二進(jìn)制位組成，通常用作計算存儲容量的,,單位。字節(jié)作為單位時記作,B,,,K,是,kelo,的縮寫，,1K=1024=2,10,；,,,M,是,mega,的縮寫，,1M=1024K=2,20,；,,,G,是,Giga,的縮寫，,1G=1024M=2,30,；,,

2、,T,是,tera,的縮寫，,1T=1024G=2,40,。,,10000101,,一,.,微型計算機(jī)的常用術(shù)語,2.,字長,(,數(shù)據(jù)寬度,),,,字長是微處理器一次可以直接處理的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，它通常取,,決于微處理器內(nèi)部通用寄存器的位數(shù)和數(shù)據(jù)總線的寬度。微處理,,器的字長有,4,位、,8,位、,16,位、,32,位和,64,位等等。,3.,尋址能力,,,指,CPU,能直接存取數(shù)據(jù)的內(nèi)存地址的范圍，它由,CPU,的地址總線的數(shù),,目決定。,,,,一,.,微型計算機(jī)的常用術(shù)語,4.,主頻,,主頻,也叫,時鐘頻率,，用來表示微處理器的運(yùn)行速度，主頻越高,,表明微處理器運(yùn)行越快，主頻的單位是,M

3、Hz,。,5. MIPS,,,MIPS,是,Millions of Instruction Per Second,的縮寫，用來表示微處理器的性能,----,運(yùn)算速度,，,每秒鐘能執(zhí)行多少百萬條指令,.,,,,6.,微處理器的集成度,,指微處理器芯片上集成的晶體管的密度。,,一,.,微型計算機(jī)的常用術(shù)語,型號,發(fā)布,,年分,字長,,(,位,),晶體管,,(,萬個,),數(shù)據(jù)總線寬度,外部總線寬度,主頻,尋址空間,高速,,緩存,8086,1978,16,2.9,16,16,4.77,1M,無,8088,1979,16,2.9,16,8,4.77,1M,無,286,1982,16,13.4,16,16

4、,6~20,16M,無,386,1986,32,27.5,32,32,12~33,4G,有,486,1989,32,120,32,32,25~100,4G,8K,奔騰,1993,32,310,64,64,60~166,4G,8K,奔騰,Pro,1995,32,550,64,64,150~,,200,64G,8K,,256K,奔,2,1997,32,750,64,64,233~333,64G,32K,,512K,Itanium,2000,64,2.2,億,64,64,1G,以上,64G,6M,集成三級,酷睿,2,,2006,64,2.91,億,,64,64,3.60G,64G,6M,集成三級,,

5、二,.,微處理器的發(fā)展,微處理器的基本功能模塊,:,總線接口單元,BIU,,（寄存器組）,,執(zhí)行單元,EU,,（運(yùn)算器和控制器、寄存器組）,2.1 32,位微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu),,一,.,微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu),,486,內(nèi)部寄存器分為,4,類,:,基本結(jié)構(gòu)寄存器,,浮點(diǎn)寄存器,,系統(tǒng)級寄存器,,調(diào)試測試寄存器,應(yīng)用程序只能訪問基本結(jié)構(gòu)寄存器和浮點(diǎn)寄存器。,(,我們只介紹基本結(jié)構(gòu)寄存器,),,二,.,微處理器的基本結(jié)構(gòu)寄存器,,AH AX AL,,BH BX BL,,CH CX CL,,DH DX DL,,SP,,BP,,DI,,SI,,IP,,FLAGS,CS,DS,ES,SS,

6、FS,GS,32,位名稱,EAX,,EBX,,ECX,,EDX,,ESP,,EBP,,EDI,,ESI,8,位名稱,16,位名稱,EIP,,EFLAGS,,名稱,,累加器,,基址變址,,計數(shù),,數(shù)據(jù),,堆棧指針,,基址指針,,目的變址,,源變址,指令指針,,標(biāo)志,代碼,,數(shù)據(jù),,附加,,堆棧,32,位,16,位,注意：,,,286,以下綠色區(qū)域不可用；,,,FS,、,GS,無專用名稱；,二,.,微處理器的基本結(jié)構(gòu)寄存器,AX (,accumulater,)-----,累加器,,,BX (Base)-----,基址寄存器,,,CX (Count)-------,計數(shù)器,,,DX (Data)--

7、---,數(shù)據(jù)寄存器,,AH AX AL,,BH BX BL,,CH CX CL,,DH DX DL,,SP,,BP,,DI,,SI,32,位名稱,EAX,,EBX,,ECX,,EDX,,ESP,,EBP,,EDI,,ESI,16,位名稱,,名稱,,累加器,,基址變址,,計數(shù),,數(shù)據(jù),,堆棧指針,,基址指針,,目的變址,,源變址,8,位名稱,1.,通用寄存器,二,.,微處理器的基本結(jié)構(gòu)寄存器,AX,、,BX,、,CX,、,DX,共同特點(diǎn),：,,既可作為,16,位寄存器來用又可作為兩個,8,位寄存器（高、低位）來用；,,都是用于暫存操作數(shù)，或是運(yùn)算的中間結(jié)果或其它一些信息。,,指令

8、＝操作碼＋操作數(shù),,AH AX AL,,BH BX BL,,CH CX CL,,DH DX DL,,SP,,BP,,DI,,SI,32,位名稱,EAX,,EBX,,ECX,,EDX,,ESP,,EBP,,EDI,,ESI,16,位名稱,,名稱,,累加器,,基址變址,,計數(shù),,數(shù)據(jù),,堆棧指針,,基址指針,,目的變址,,源變址,8,位名稱,二,.,微處理器的基本結(jié)構(gòu)寄存器,IP,、,SP,、,BP,、,SI,、,DI,：為尋址存貯單元提供偏移地址。其中：,,IP (Instruction Pointer)-------,指令,指針,,AH AX AL,,BH BX BL,

9、,CH CX CL,,DH DX DL,,SP,,BP,,DI,,SI,32,位名稱,EAX,,EBX,,ECX,,EDX,,ESP,,EBP,,EDI,,ESI,16,位名稱,,名稱,,累加器,,基址變址,,計數(shù),,數(shù)據(jù),,堆棧指針,,基址指針,,目的變址,,源變址,8,位名稱,,IP,SP (Stack Pointer)------,堆棧,指針,,BP (Base Pointer)------,基址,指針,,SI (Source Index)------,源變址寄存器,,DI (Destination Index)------,目的變址寄存器,二,.,微處理器的基本結(jié)構(gòu)寄存器,CS

10、,、,DS,、,ES,、,SS,------4,個段寄存器，和偏移地址寄存器一起形成,20,位存儲器物理地址，對存儲器中存放的程序、數(shù)據(jù)、堆棧區(qū)域加以區(qū)別、尋址。,,尋址程序,(,指令,),：,CS,＋,IP,；,,尋址數(shù)據(jù)：,(DS,或,ES),＋,(SI,或,DI,、,BX,、,BP),；,,尋址堆棧：,SS,＋,(SP,或,BP),,,具體用法在尋址方式中介紹,CS,DS,ES,SS,FS,GS,代碼,,數(shù)據(jù),,附加,,堆棧,二,.,微處理器的基本結(jié)構(gòu)寄存器,,標(biāo)志寄存器,FLAGS,又稱為程序狀態(tài)字,PSW,，為,16,位寄存器，該寄存器主要有,兩個作用,：,,記錄,CPU,運(yùn)行結(jié)果狀

11、態(tài)標(biāo)志；,,提供控制標(biāo)志。,,,FLAGS,各位含義如下：,,15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0,,OF DF IF TF SF ZF AF PF CF,,FLAGS,EFLAGS,標(biāo)志寄存器,二,.,微處理器的基本結(jié)構(gòu)寄存器,,根據(jù)功能，,8086,的標(biāo)志可以分為兩類：,,,狀態(tài)標(biāo)志：,表示前面的操作執(zhí)行后，算術(shù)邏輯部件處在怎樣一種狀態(tài)，這種狀態(tài)會像某種先決條件一樣影響后面的操作。有,SF,、,ZF,、,PF,、,CF,、,AF,和,OF,,,控制標(biāo)志：,每個控制標(biāo)志都對某一種特定的功能起控制作用。指

12、令系統(tǒng)中有專門的指令用于控制標(biāo)志的設(shè)置和清除。有,DF,、,,IF,、,,TF,。,二,.,微處理器的基本結(jié)構(gòu)寄存器,一,.,32,位微處理器工作模式,,1.,實模式的特點(diǎn),,①加電、復(fù)位之后，,486,自動工作在實模式，系統(tǒng)在,DOS,管理下,,②在實模式下，,486,只能訪問第一個,1M,內(nèi)存,(00000H,~,FFFFFH),,實地址模式,(,實模式,),,,保護(hù)虛擬地址模式,(,保護(hù)模式,),,,虛擬,86,模式,2.2,32,位微處理器的工作模式和地址空間,,③,,存儲管理部件對存儲器只進(jìn)行分段管理，沒有分頁功能，每一邏輯段的最大容量為,64K,。,,在實模式下，段寄存器中存放段基

13、址。,2.,保護(hù)模式的特點(diǎn),:(,僅作了解）,,,486,工作在保護(hù)模式下，才能真正發(fā)揮它的設(shè)計能力。,,①在保護(hù)模式下，,486,支持多任務(wù)操作系統(tǒng),,②在保護(hù)模式下，,486,可以訪問,4G,物理存儲空間,,③存儲管理部件中，對存儲器采用分段和分頁管理,一,.X86,微處理器的工作模式,3.,虛擬,86,模式,（僅作了解）,:,,,虛擬,86,模式是保護(hù)模式下的一種特殊工作模式,,,可運(yùn)行實模式程序。,,在操作系統(tǒng)管理下,,486,可以分時地運(yùn)行多個實模式程序。,,,例如：,有,3,個任務(wù),,,操作系統(tǒng)為每一個任務(wù)分配,1ms,,每通過,1ms,就發(fā)生一次任務(wù)切換,,,從宏觀上看系統(tǒng)是在執(zhí)

14、行多個任務(wù)。,,,一,.X86,微處理器的工作模式,,1.,存儲空間：,,,物理空間,(,物理存儲器地址空間）：,,程序的運(yùn)行空間,,,即主存空間,2,32,=4G,,,物理,,地址： 物,,理,,空,,間,,,,486,有,32,條地址線，內(nèi)存最大容量,4G,。這,4G,字節(jié)稱為物理存儲器，每一單元的地址稱為,物理地址,，其地址范圍：,0000,0000H,~,FFFF,FFFFH,為物理存儲空間。,二,.,32,位微處理器的地址空間,,,虛擬空間,(,虛擬存儲器地址空間,):,編程空間,,虛擬存儲器是一項硬件和軟件結(jié)合的技術(shù)。,,存儲管理部件把主存,(,物理存儲器,),和輔存,(,磁盤,)

15、,看作是一個整體，即虛擬存儲器。允許編程空間為,2,46,=64T,，程序員可在此地址范圍內(nèi)編程，程序可大大超過物理空間。該空間對應(yīng)的地址稱為,虛擬地址,或,邏輯地址,。運(yùn)行時，操作系統(tǒng)從虛擬空間取一部分程序載入物理存儲器運(yùn)行。當(dāng)程序運(yùn)行需要調(diào)用的程序和要訪問的數(shù)據(jù)不在物理存儲器時，操作系統(tǒng)再把那一部分調(diào)入物理存儲器,.,……,數(shù)據(jù)的交換極快，程序察覺不到。,,二,.X86,微處理器的地址空間,線性地址,實模式：存儲空間僅分段，而不分頁；,,保護(hù)模式：存儲空間先分段，再分頁。,分頁部件,,線性空間：,當(dāng)程序從虛擬空間調(diào)入物理空間時，要進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換。,,分段部件首先把虛擬地址,(,編程地址,),

16、轉(zhuǎn)換為,線性地址,,,☆,如果不分頁的話，線性地址就是物理地址；,☆,如果分頁的話，則由分頁部件把線性地址轉(zhuǎn)換為,,物理地址。,虛擬地址,不分頁,物理地址,分段部件,二,.X86,微處理器的地址空間,I/O,地址空間與存儲空間不重疊,,,CPU,有一條控制線,M/IO,，在硬件設(shè)計上用,M/IO=1,，參與存儲器尋址，用,M/IO=0,參與,I/O,尋址。,,從,PC/XT,～,Pentium,，基于,Intel,微處理器的系統(tǒng)機(jī)，實際上只使用低,10,位地址線，尋址,2,10,=1024,個,I/O,端口。,2. I/O,空間,:,,486,利用低,16,位地址線訪問,I/O,端口，所以,I

17、/O,端口最多有,2,16,=64K,，,I/O,地址空間為,0000H,～,FFFFH,。,,注意：,,I/O,地址空間不分段,二,.X86,微處理器的地址空間,三,.,,,實模式下,,,物理地址的形成（重要）,,1.,存儲器的分段管理,:,,486,對存儲器采用分段管理,,,一個單元的地址由兩部分組成,,,寫成,:,段基址∶偏移地址,,,,設(shè)某單元物理地址為,12345H,,,則,:,12345H= 1000H *2,4,+ 2345H,,,段基址 偏移地址,,,邏輯地址,,,在一個邏輯段中,,,各單元的,段基址,是相同的,,,通過段寄存器給出,,,偏移地址,是該單元相對于段首的地址偏

18、移量,,一個,,邏輯段,,10000H,12345H,,,一般情況下，,CS,、,DS,、,ES,、,SS,等各段在存儲器中的分配由操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)，每個段可以獨(dú)立占用,64K,存儲區(qū)，各段也允許重疊。如圖所示為段分配方式之一,:,各段獨(dú)立占用,64K,存儲區(qū),.,0150H,4200H,B000H,1CD0H,,64K,代碼,,64K,堆棧,,64K,數(shù)據(jù),,64K,附加數(shù)據(jù),,01500H,42000H,1CD00H,CS,B0000H,DS,ES,SS,存儲器,段寄存器,三,.X86,實模式下,20,位物理地址的形成,16,位段地址,16,位段內(nèi)偏移量,16,位段地址,0000,,20,位物

19、理地址,地址加法器,段寄存器,偏移地址寄存器,左移,4,位,15 0,16,位段寄存器,0000,20,位物理地址,19 0,+,15 0,16,位偏移地址,三,.X86,實模式下,20,位物理地址的形成,,,,,,,,,內(nèi)部暫存器,,IP,,ES,,SS,DS,CS,輸入,/,輸出控制電路,外部總線,執(zhí)行部分控制電路,1 2 3 4 5 6,∑,ALU,標(biāo)志寄存器,AH AL,BH

20、 BL,CH CL,DH DL,SP,BP,SI,DI,通用,,寄存,,器,地址加法器,指令隊列緩沖器,執(zhí)行部件 （,EU),總線接口部件 （,BIU),16,位,20,位,16,位,8,位,,AX,,BX,,CX,,DX,三,.X86,實模式下,20,位物理地址的形成,邏輯地址需由程序員在編程時給出,,段 基 址：指明由哪個段寄存器給出即可,,偏移地址：由程序員在程序中給出具體值,操作系統(tǒng)將程序調(diào)入內(nèi)存時才給段寄存器賦實際值。此時，計算出的,20,位地址才是實際的物理地址,注意： 物理地址與邏輯地址,,,,邏輯地址,——,程序中編排的地址，由段基址和段內(nèi)偏移地

21、址組成；,,物理地址,——,信息、數(shù)據(jù)在存儲器中實際存放的地址。,,物理地址是唯一的，不同的邏輯地址可得到相同的物理地址。 如：,,,2000H,：,0200H —— 20200H,,2010H,：,0100H —— 20200H,三,.X86,實模式下,20,位物理地址的形成,,邏輯段 段基址存放在,……,,偏移地址存放在,……,,,代碼段,,CS IP,,,堆棧段,,SS SP,,,數(shù)據(jù)段,,DS,根據(jù)不同的尋址方式,,,附加段,,ES/FS/GS,選擇,BX,、,SI,、,DI,,,2.,各邏輯段

22、物理地址的形成,(,以,16,位尋址為例,):,,在實模式下,,,段寄存器存放相應(yīng)邏輯段的段基址,代碼段,：,CS*2,4,+IP =,指令單元的物理地址,,一條指令的一個字節(jié)取出后，,IP,自動加,1,，指向下一字節(jié)。,,堆棧段：,SS*2,4,+SP =,棧頂單元的物理地址,,數(shù)據(jù)段：,DS*2,4,+,偏移地址,=,數(shù)據(jù)單元的物理地址,三,.X86,實模式下,20,位物理地址的形成,3,．段寄存器和指針寄存器的初值,,CS,、,IP,的初值：由操作系統(tǒng)賦值,DS/ES/FS/GS,的初值：由程序員賦值。,SS,、,SP,的初值：①由程序員賦值,,②由操作系統(tǒng)自動賦值,BX/SI/DI/BP,的初值：由程序員賦值。,三,.X86,實模式下,20,位物理地址的形成,第,2,章 學(xué)習(xí)重點(diǎn),1.,了解,X86,內(nèi)部主要功能塊的簡單作用,,2.,掌握基本結(jié)構(gòu)寄存器中的通用寄存器、段寄存器、指針寄存器的結(jié)構(gòu)、名稱、匯編助記符,,3.,掌握,32,位微處理器工作模式中的實模式的特點(diǎn)，了解保護(hù)模式的工作特點(diǎn),,4.,掌握實模式下存儲器各個邏輯段的物理地址的形成方法，以及,CS,、,IP,，,SS,、,SP,，,DS,、,ES,各寄存器初值的賦值原則及特點(diǎn),