微機(jī)原理第2章-IA32微處理器的功能結(jié)構(gòu).ppt

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第二章 IA-32微處理器的 功能結(jié)構(gòu),,計算機(jī)體系結(jié)構(gòu) = computer architecture (計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)),計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是程序員所看到的系統(tǒng)的一些屬性： 概念性的結(jié)構(gòu)和功能上的表現(xiàn)，這些屬性既不同于數(shù)據(jù)流和控制的組織，也不同于邏輯設(shè)計和物理實現(xiàn)。,Amdahl,1964,,計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是連接硬件和軟件的一門學(xué)科，它研究的內(nèi)容不但涉及計算機(jī)硬件，也涉及計算機(jī)軟件。,2.2 IA-32微處理器的功能結(jié)構(gòu),計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的含義,“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)” 是指概念性結(jié)構(gòu)和功能特性（功能模塊），就相當(dāng)于動物的器官組成及其功能特性，如雞有胃，胃可以消化食物。至于雞的胃是什么形狀的、雞的胃部由什么組成就不是“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”研究的問題了，而是“系統(tǒng)組成”研究的問題。所謂“系統(tǒng)組成”就是在邏輯上如何實現(xiàn)這種功能（功能模塊的組成器件）。而計算機(jī)物理實現(xiàn)，主要著眼于器件技術(shù)和微組裝技術(shù)（器件的物理實現(xiàn)）。,計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)（應(yīng)用）、組成（設(shè)計）及物理實現(xiàn)（制造）,2.2.1 Intel8086微處理器的功能結(jié)構(gòu),總線接口單元BIU 由段寄存器（CS、DS、SS、ES）、指令指針寄存器(IP）、地址加法器、內(nèi)部寄存器、指令隊列緩沖器及I/O控制邏輯等部分組成。 執(zhí)行單元部件EU 由通用寄存器組、專用寄存器組、算術(shù)邏輯運算單元（ALU）、標(biāo)志寄存器（FR）和內(nèi)部控制邏輯組成。,,執(zhí)行單元,每條指令的執(zhí)行有取指、譯碼和執(zhí)行。,早期計算機(jī)指令執(zhí)行過程：,指令花費時間＝取指＋指令執(zhí)行,8088CPU指令執(zhí)行過程：,指令的重疊操作,指令花費時間＝指令執(zhí)行,2.2.2 80386的功能結(jié)構(gòu),,,存儲器組織 擁有32位數(shù)據(jù)線和地址線，可以尋址4GB的物理地址； 內(nèi)部執(zhí)行環(huán)境（寄存器組） 首次將32位的寄存器組引入80x86體系的微處理器中， 32位的低半部分向下兼容；段寄存器仍為16位，段空間為4GB； 操作模式 實地址；保護(hù)模式；虛擬8086模式；,80386的主要特點,2.3 IA-32結(jié)構(gòu)微處理器 的執(zhí)行環(huán)境,220=1MB， 地址由00000-FFFFF(H)編碼 若存放的信息是字節(jié)，則按順序存放 若存放的信息是字，則將字的低位字節(jié)存放在低地址，高位字節(jié)存放在高地址 若存放的信息是雙字，則將雙字的低位字存放在低地址，高位字存放在高地址,2.3.2 基本執(zhí)行環(huán)境 （1）存儲器地址空間（8086）,（2）基本程序執(zhí)行寄存器,實地址方式存儲器組織,四個不同的段：代碼段存放機(jī)器指令；數(shù)據(jù)段存放數(shù)據(jù)信息；堆棧段供堆棧使用；附加段通常用來存放附加數(shù)據(jù)； 8086有四個16位段寄存器：cs?代碼段; ds?數(shù)據(jù)段； ss?堆棧段； es?附加段。 地址的標(biāo)準(zhǔn)寫法為：“段：偏移量”。注意由于位移可以重疊，所以給出的“段：偏移量”不是唯一的。如下列地址均指向同一內(nèi)存單元： 0000：0123 0002：0103 0008：00A3 0010：0023 0012：0003,段可以位于內(nèi)存中的任何位置，段的首地址必須能被16整除； 若段寄存器存放的是10H，而偏移量是100H，下列步驟說明實際物理地址計算過程： 段寄存器： 0000 0000 0001 0000 （10H） 左偏四位：0000 0000 0001 0000 偏移量： 0000 0001 0000 0000 （100H） 段加偏移量 0000 0000 0010 0000 0000 （200H）,,存儲器物理地址的形成,邏輯地址 是程序中使用的地址，它由段基址和段內(nèi)偏移值所組成，段基址與段內(nèi)偏移值都為16位的二進(jìn)制數(shù)。 物理地址 也叫實際地址或絕對地址，是CPU訪問存儲器時實際使用的地址，為20位地址。,,物理地址＝段基址16＋段內(nèi)偏移地址。,【例】各獨立段的分配情況示例。,設(shè)CS=B000H、DS=1CDEH、SS=4200H、ES=0150H,它們分別為代碼段、數(shù)據(jù)段、堆棧段和附加段的段首址。自每個段首址開始，各段均占64KB的范圍，各段之間互不重疊。,【例】各段相互重疊情況示例。,設(shè)CS=0200H、DS=0400H、SS=0480H，這樣代碼段、數(shù)據(jù)段和堆棧段的物理首地址分別為02000H、04000H和04800H。其中代碼段占8KB地址空間，數(shù)據(jù)段占2KB，堆棧段占256B，SP=0100H。如圖所示。,,(1)指令指針寄存器EIP (2)段寄存器 (3)通用寄存器 (4)程序狀態(tài)和控制寄存器,2.3.4 基本程序執(zhí)行寄存器,,,,,,,0,,15,,16,,31,,0,,15,,0,,15,,16,,31,,7,,8,,,,,,,,,,,,,,,,,AL,,BL,,CL,,DL,,AX,,BX,,CX,,DX,,AH,,BH,,CH,,DH,,EAX,,EBX,,ECX,,EDX,,EIP,,CS,,DS,,SS,,ES,,FS,,GS,,SP,,BP,,SI,,DI,,ESP,,EBP,,ESI,,EDI,,,,FLAGS,EFLAGS,,EAX 累加器寄存器：存放操作數(shù)和結(jié)果 EBX 基址寄存器：在DS段中的數(shù)據(jù)指針；存放操作數(shù) ECX 計數(shù)寄存器：串和循環(huán)操作的計數(shù)器 EDX 數(shù)據(jù)寄存器：I/O指針,1. 通用寄存器,基本寄存器：在程序執(zhí)行時暫時保存中間結(jié)果；在進(jìn)行算術(shù)運算和邏輯運算時，通用寄存器任何一個都可以作為源操作數(shù)或目的操作數(shù)。,指針和變址寄存器,ESI 串操作的源指針 EDI 串操作的目標(biāo)指針 ESP 堆棧指針 EBP 堆棧上數(shù)據(jù)指針,通用寄存器的特殊用途和隱含性質(zhì),,6個段寄存器,保存16位段基址: CS 代碼段 SS 堆棧段 DS 數(shù)據(jù)段 ES 附加段 FS 數(shù)據(jù)段F GS數(shù)據(jù)段G,2. 段寄存器和存儲器分段,指向數(shù)據(jù)段,3、EFLAGS寄存器,(1)狀態(tài)標(biāo)志位,CF：進(jìn)位標(biāo)志位，當(dāng)執(zhí)行一個加法運算指令使最高位產(chǎn)生進(jìn)位時，或者執(zhí)行一個減法運算指令使最高位引起借位，則CF=1；否則CF=0。 PF：奇偶標(biāo)志位，若運算結(jié)果的低8位中所含1的個數(shù)為偶數(shù)，則PF=1；否則PF=0。 AF：輔助進(jìn)位標(biāo)志位。當(dāng)加法運算時，如果第三位往第四位有進(jìn)位，或者當(dāng)減法運算時，第三位從第四位有借位，則AF=1；否則AF=0。 ZF：零標(biāo)志位，當(dāng)運算結(jié)果為0時，ZF=1；否則ZF=0。 SF：符號標(biāo)志位，當(dāng)運算結(jié)果的最高位為1時，SF=1； OF：溢出標(biāo)志位，在算術(shù)運算中，帶符號數(shù)的運算結(jié)果超出了8位（+127~-128）或者16位（+32767~-32768）數(shù)據(jù)所能表達(dá)的范圍時，則OF=1。 IF：中斷允許標(biāo)志位。若IF=1，則CPU可以響應(yīng)可屏蔽中斷請求；,CF和OF的區(qū)別,O=C CS＝0,,C＝1,(2)DF標(biāo)志,,DF：方向標(biāo)志位，控制串操作指令的標(biāo)志。若DF=0則執(zhí)行串操作指令后，變址寄存器自動增量。,（3）系統(tǒng)標(biāo)志和IOPL字段,1、中斷允許標(biāo)志I,2、追蹤標(biāo)志T,3、IOPL特權(quán)級字段,條件轉(zhuǎn)移指令,JCXZ （CX = 0 轉(zhuǎn)）,1、根據(jù)單個標(biāo)志位的轉(zhuǎn)移指令,說明：指令中的字母N表示not，如果不帶N說明標(biāo)志為0轉(zhuǎn)移，如果帶N說明標(biāo)志為1轉(zhuǎn)移。,4、指令指針,8086CPU中的指令指針I(yè)P，它總是保存下一次將要從主存中取出指令的偏移地址，偏移地址的值為該指令到所在段段首址的字節(jié)距離。在目標(biāo)程序運行時，IP的內(nèi)容由微處理器硬件自動設(shè)置，程序不能直接訪問IP，但一些指令卻可改變IP的值，如轉(zhuǎn)移指令、子程序調(diào)用指令（ JMP、CALL、RET、IRET ）等。,8個通用寄存器 : AX , BX , CX , DX , SP , BP , SI , DI 4個段寄存器 : DS , CS , SS , ES 1個指令指針寄存器 : IP 1個標(biāo)志寄存器材: FR,FR的格式,,,,,,,,,,,,,,,,,CF,PF,AF,ZF,SF,TF,IF,DF,OF,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,較驗,進(jìn)位,輔助進(jìn)位,零標(biāo)志,符號標(biāo)志,跟蹤標(biāo)志,中斷標(biāo)志,方向標(biāo)志,溢出標(biāo)志,2.4 8086的寄存器,