微机原理与接口技术 第3章.ppt

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1、第三章第三章 80X8680X86微处理器微处理器 教材教材:第第2 2章章 80X8680X86微处理器微处理器3.1 80X86 CPU3.1 80X86 CPU介绍介绍型号型号发布发布年分年分字长字长(位位)晶体管晶体管(万个万个)数据总数据总线宽度线宽度外部总外部总线宽度线宽度主频主频寻址寻址空间空间高速高速缓存缓存80861978162.916164.771M无无80881979162.91684.771M无无28619821613.4161662016M无无38619863227.5323212334G有有4861989321203232251004G8K奔腾奔腾199332310

2、6464601664G8K奔腾奔腾Pro199532550646415020064G8K256K奔奔2199732750646423333364G32K512KItanium2000642.2亿亿64641G以上以上64G6M集集成三级成三级微处理器的基本功能模块微处理器的基本功能模块:总线接口单元总线接口单元BIU（寄存器组）（寄存器组）执行单元执行单元EU（运算器和控制器、寄存器组）（运算器和控制器、寄存器组）3.2 3.2 微处理器内部结构微处理器内部结构 一一.微处理器结构特点微处理器结构特点 二二.基本结构寄存器：基本结构寄存器：486486内部寄存器分为内部寄存器分为4 4类类:H

3、基本结构寄存器基本结构寄存器H浮点寄存器浮点寄存器H系统级寄存器系统级寄存器H调试测试寄存器调试测试寄存器应用程序只能访问基本结构寄存器和浮点寄存器。应用程序只能访问基本结构寄存器和浮点寄存器。(我们只介绍基本结构寄存器我们只介绍基本结构寄存器)AH AX ALBH BX BLCH CX CLDH DX DLSPBPDISIIPFLAGSCSDSESSSFSGS32位名称位名称EAXEBXECXEDXESPEBPEDIESI8位名称位名称16位名称位名称EIPEFLAGS 名称名称累加器累加器基址变址基址变址计数计数数据数据堆栈指针堆栈指针基址指针基址指针目的变址目的变址源变址源变址指令指针指

4、令指针标志标志代码代码数据数据附加附加堆栈堆栈32位位16位位注意：注意：286以以下下绿绿色色区区域域不不可可用用；FS、GS 无专用名称；无专用名称；1.通用寄存器通用寄存器AX、BX、CX、DX 共同特点共同特点：既可作为既可作为16位寄存器来用又可作为两个位寄存器来用又可作为两个8位寄存器（高、低位）位寄存器（高、低位）来用；来用；都是用于暂存操作数，或是运算的中间结果或其它一些信息。都是用于暂存操作数，或是运算的中间结果或其它一些信息。指令操作码操作数指令操作码操作数AH AX ALBH BX BLCH CX CLDH DX DLSPBPDISI32位名称位名称EAXEBXECXED

5、XESPEBPEDIESI16位名称位名称 名称名称累加器累加器基址变址基址变址计数计数数据数据堆栈指针堆栈指针基址指针基址指针目的变址目的变址源变址源变址8位名称位名称AX(accumulater)称为称为累加器累加器，是寄存器中最忙的一个，因，是寄存器中最忙的一个，因CPU中的大部分算术、逻辑运算及中的大部分算术、逻辑运算及I/O操作都是通过它进行的，而且操作都是通过它进行的，而且许多操作其它寄存器无法替代。许多操作其它寄存器无法替代。BX(Base)除具有通用寄存器的特点外，可以对存贮器寻址，在除具有通用寄存器的特点外，可以对存贮器寻址，在多种寻址方式中用于提供一基地址（多种寻址方式中用

6、于提供一基地址（基址寄存器基址寄存器）。）。CX(Count)除具有通用寄存器的特点外，在许多指令（如循环、除具有通用寄存器的特点外，在许多指令（如循环、块传递）中被固定作为块传递）中被固定作为计数器计数器用。用。DX(Data)除可作为通用寄存器外，可和除可作为通用寄存器外，可和AX组合存放双字长数组合存放双字长数（浮点运算），还可用于提供（浮点运算），还可用于提供I/O端口地址端口地址。AH AX ALBH BX BLCH CX CLDH DX DLSPBPDISI32位名称位名称EAXEBXECXEDXESPEBPEDIESI16位名称位名称 名称名称累加器累加器基址变址基址变址计数计数

7、数据数据堆栈指针堆栈指针基址指针基址指针目的变址目的变址源变址源变址8位名称位名称 有有IP、SP、BP、SI、DI共共5个个16位寄存器，主要作用是为寻址存位寄存器，主要作用是为寻址存贮单元提供偏移地址。其中：贮单元提供偏移地址。其中：IP(Instruction Pointer)为为指令指针指令指针，固定用来存放代码段中偏移，固定用来存放代码段中偏移地址，在程序运行过程中，它始终指向顺序存放在存贮器中地址，在程序运行过程中，它始终指向顺序存放在存贮器中,将将要执行的指令地址要执行的指令地址(与与CS联合确定下条指令的物理地址联合确定下条指令的物理地址)，控制器，控制器取得这条指令后，取得这

8、条指令后，IP令自动增加一定的值（该值等于已执行（已令自动增加一定的值（该值等于已执行（已取得）指令的字节数），以指向下一条将要执行的指令。取得）指令的字节数），以指向下一条将要执行的指令。AH AX ALBH BX BLCH CX CLDH DX DLSPBPDISI32位名称位名称EAXEBXECXEDXESPEBPEDIESI16位名称位名称 名称名称累加器累加器基址变址基址变址计数计数数据数据堆栈指针堆栈指针基址指针基址指针目的变址目的变址源变址源变址8位名称位名称IPSP(Stack Pointer)堆栈堆栈指针，提供寻址栈顶所需的偏移地址。其指针，提供寻址栈顶所需的偏移地址。其当前

9、值就是栈顶位置，执行入、出栈指令时，其内容会自动增减。当前值就是栈顶位置，执行入、出栈指令时，其内容会自动增减。BP(Base Pointer)基址基址指针，提供多种寻址方式中的偏移地址或指针，提供多种寻址方式中的偏移地址或基地址。与基地址。与SS结合，可访问堆栈区的非栈顶单元，其它寄存器则结合，可访问堆栈区的非栈顶单元，其它寄存器则不能。不能。SI(Source Index)称为称为源变址寄存器源变址寄存器，其作用是为，其作用是为DS或或ES提供偏提供偏移地址或变址值。在数据块传送指令中，固定和移地址或变址值。在数据块传送指令中，固定和DS联合，提供源联合，提供源数据块有效地址，其值有自动加

10、、减功能。数据块有效地址，其值有自动加、减功能。DI(Destination Index)目的变址寄存器目的变址寄存器，功能与，功能与SI似。不同在于：似。不同在于：用于数据块传送指令时固定和用于数据块传送指令时固定和ES联用，提供目的地有效地址。联用，提供目的地有效地址。AH AX ALBH BX BLCH CX CLDH DX DLSPBPDISI32位名称位名称EAXEBXECXEDXESPEBPEDIESI16位名称位名称 名称名称累加器累加器基址变址基址变址计数计数数据数据堆栈指针堆栈指针基址指针基址指针目的变址目的变址源变址源变址8位名称位名称 CS、DS、ES、SS共共4个，和偏

11、移地个，和偏移地址寄存器一起形成址寄存器一起形成20位存储器物理地位存储器物理地址，对存储器中存放的程序、数据、址，对存储器中存放的程序、数据、堆栈区域加以区别、寻址。堆栈区域加以区别、寻址。寻址程序寻址程序(指令指令)：CSIP；寻址数据：寻址数据：(DS或或ES)(SI或或DI、BX、BP)；寻址堆栈：寻址堆栈：SS(SP或或BP)具体用法在寻址方式中介绍具体用法在寻址方式中介绍CSDSESSSFSGS代码代码数据数据附加附加堆栈堆栈 标志寄存器标志寄存器FLAGS又称为程序状态字又称为程序状态字PSW，为，为16位位寄存器，该寄存器主要有寄存器，该寄存器主要有两个作用两个作用：记录记录C

12、PU运行结果状态标志；运行结果状态标志；提供控制标志。提供控制标志。FLAGS各位含义如下各位含义如下(EFLAGS见见P23图图2.4)：15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 OF DF IF TF SF ZF AF PF CFFLAGSEFLAGS标志寄存器标志寄存器 根据功能，根据功能，8086的标志可以分为两类，一的标志可以分为两类，一类叫类叫状态标志状态标志，另一类叫，另一类叫控制标志控制标志。状态标志。状态标志表示前面的操作执行后，算数逻辑部件处在怎表示前面的操作执行后，算数逻辑部件处在怎样一种状态，这种状态会像某种先决条件一样样一种状态，这种

13、状态会像某种先决条件一样影响后面的操作。控制标志是人为设置的，指影响后面的操作。控制标志是人为设置的，指令系统中有专门的指令用于控制标志的设置和令系统中有专门的指令用于控制标志的设置和清除，每个控制标志都对某一种特定的功能起清除，每个控制标志都对某一种特定的功能起控制作用。状态标志位有六个，即控制作用。状态标志位有六个，即SF、ZF、PF、CF、AF和和OF。3.3 4863.3 486可访问的地址空间可访问的地址空间 1.1.存储空间：存储空间：H 物理空间物理空间(物理存储器地址空间）：物理存储器地址空间）：程序的运行空间程序的运行空间,即主存空间即主存空间 2 23232=4G=4G 物

14、理物理 地址：地址：物物 理理 空空 间间 486486有有3232条地址线，内条地址线，内存最大容量存最大容量4G4G。这这4G4G字节字节称为物理存储器，每一单称为物理存储器，每一单元的地址称为元的地址称为物理地址物理地址，其地址范围其地址范围0000,0000H0000,0000HFFFF,FFFFHFFFF,FFFFH为为物理存储空间。物理存储空间。H 虚拟空间虚拟空间(虚拟存储器地址空间虚拟存储器地址空间):):编程空间编程空间 虚拟存储器是一项硬件和软件结合的技术。虚拟存储器是一项硬件和软件结合的技术。存存储储管管理理部部件件把把主主存存(物物理理存存储储器器)和和辅辅存存(磁磁盘

15、盘)看看作作是是一一个个整整体体，即即虚虚拟拟存存储储器器。允允许许编编程程空空间间为为2 24646=64T=64T，程程序序员员可可在在此此地地址址范范围围内内编编程程，程程序序可可大大大大超超过过物物理理空空间间。该该空空间间对对应应的的地地址址称称为为虚虚拟拟地地址址或或逻逻辑辑地地址址。运运行行时时，操操作作系系统统从从虚虚拟拟空空间间取取一一部部分分程程序序载载入入物物理理存存储储器器运运行行。当当程程序序运运行行需需要要调调用用的的程程序序和和要要访访问问的的数数据据不不在在物物理理存存储储器器时时，操操作作系系统统再再把把那那一一部部分分调调入入物物理理存存储储器器.数据的交换

16、极快，程序察觉不到。数据的交换极快，程序察觉不到。线性地址线性地址实模式：存储空间仅分段，而不分页；实模式：存储空间仅分段，而不分页；保护模式：存储空间先分段，再分页。保护模式：存储空间先分段，再分页。分页部件分页部件H 线性空间：线性空间：当程序从虚拟空间调入物理空间时，要进行地址转换。当程序从虚拟空间调入物理空间时，要进行地址转换。分段部件首先把虚拟地址分段部件首先把虚拟地址(编程地址编程地址)转换为转换为线性地址线性地址,如果不分页的话，线性地址就是物理地址；如果不分页的话，线性地址就是物理地址；如果分页的话，则由分页部件把线性地址转换为如果分页的话，则由分页部件把线性地址转换为物理地址

17、。物理地址。虚拟地址虚拟地址不分页不分页物理地址物理地址分段部件分段部件HI/OI/O地址空间与存储空间不重叠地址空间与存储空间不重叠 CPUCPU有有一一条条控控制制线线M/IOM/IO，在在硬硬件件设设计计上上用用M/IO=1M/IO=1，参与存储器寻址，用参与存储器寻址，用M/IO=0M/IO=0参与参与I/OI/O寻址寻址。H 从从PC/XTPC/XTPentiumPentium，基于基于IntelIntel微处理器的系统机，实微处理器的系统机，实际上只使用低际上只使用低1010位地址线，寻址位地址线，寻址2 21010=1024=1024个个I/OI/O端口。端口。2.I/O2.I/

18、O空间空间:486 486利用低利用低1616位地址线访问位地址线访问I/OI/O端口，所以端口，所以I/OI/O端口最多有端口最多有2 21616=64K=64K，I/OI/O地址空间为地址空间为0000H0000HFFFFHFFFFH。注意：注意：HI/OI/O地址空间不分段地址空间不分段3.4 4863.4 486工作模式简介工作模式简介 一一.实模式的特点实模式的特点加加电电、复复位位之之后后，486486自自动动工工作作在在实实模模式式，系系统统在在DOSDOS管理下管理下在在 实实 模模 式式 下下，486486只只 能能 访访 问问 第第 一一 个个 1M1M内内 存存(0000

19、0H(00000HFFFFFH)FFFFFH)486486有有2 2种工作模式种工作模式:H实地址模式实地址模式(实模式实模式)H保护虚拟地址模式保护虚拟地址模式(保护模式保护模式)存存储储管管理理部部件件对对存存储储器器只只进进行行分分段段管管理理，没没有有分页功能，每一逻辑段的最大容量为分页功能，每一逻辑段的最大容量为64K64K。在实模式下，段寄存器中存放段基址在实模式下，段寄存器中存放段基址。二二.保护模式的特点保护模式的特点:(:(仅作了解）仅作了解）486486工作在保护模式下，才能真正发挥它的设计工作在保护模式下，才能真正发挥它的设计能力。能力。在保护模式下，在保护模式下，486

20、486支持多任务操作系统支持多任务操作系统在保护模式下，在保护模式下，486486可以访问可以访问4G4G物理存储空间物理存储空间存储管理部件中，对存储器采用分段和分页管理存储管理部件中，对存储器采用分段和分页管理三三.虚拟虚拟8686模式模式（仅作了解）（仅作了解）:虚拟虚拟8686模式是保护模式下的一种特殊工作模式模式是保护模式下的一种特殊工作模式,可运行实模式程序。可运行实模式程序。在操作系统管理下在操作系统管理下,486,486可以分时地运行多个实可以分时地运行多个实模式程序模式程序(因为因为:在虚拟在虚拟8686模式下模式下,486,486认为段寄存器认为段寄存器中存放的不是选择符而

21、是段基址中存放的不是选择符而是段基址!)!)例如有例如有3 3个任务个任务,操作系统为每一个任务分配操作系统为每一个任务分配1ms,1ms,每通过每通过1ms1ms就发生一次任务切换就发生一次任务切换,从从 宏观上看宏观上看系统是在执行多个任务系统是在执行多个任务,联机打印程序就使用联机打印程序就使用“分分时技术时技术”。打印程序只能在。打印程序只能在DOSDOS环境下运行环境下运行,占用系占用系统统10%10%的时间。的时间。四四.实模式下实模式下,物理地址的形成（重要）物理地址的形成（重要）1.1.存储器的分段管理存储器的分段管理:486 486对存储器采用分段管理对存储器采用分段管理,一

22、个单元的物理地址由一个单元的物理地址由两部分组成两部分组成,写成写成:段基址段基址偏移地址偏移地址 设某单元物理地址为设某单元物理地址为12345H,12345H,则则:12345H=1000H*212345H=1000H*24 4+2345H+2345H 段基址段基址 偏移地址偏移地址逻辑地址逻辑地址H在一个逻辑段中在一个逻辑段中,各单元的段基址是相同的。各单元的段基址是相同的。H偏移地址是该单元相对于段首的地址偏移量偏移地址是该单元相对于段首的地址偏移量一一个个逻逻辑辑段段 10000H10000H12345H12345H 一般情况下，一般情况下，CS、DS、ES、SS等各段在存储器中的等

23、各段在存储器中的分配由操作系统负责，每个分配由操作系统负责，每个段可以独立占用段可以独立占用64K存储区，存储区，各段也允许重叠。如图所示各段也允许重叠。如图所示为段分配方式之一为段分配方式之一:各段独各段独立占用立占用64K存储区存储区.0150H4200HB000H1CD0H64K代码代码64K堆栈堆栈64K数据数据64K附加数据附加数据01500H42000H1CD00HCSB0000HDSESSS存储器存储器段寄存器段寄存器15 016位段寄存器位段寄存器000020位物理地址位物理地址19 0+15 016位偏移地址位偏移地址逻辑地址需由程序员在编程时给出逻辑地址需由程序员在编程时给

24、出段基址：段基址：指明由哪个段寄存器给出即可指明由哪个段寄存器给出即可偏移地址：由程序员在程序中给出偏移地址：由程序员在程序中给出操作系统将程序调入内存时才给段寄存器操作系统将程序调入内存时才给段寄存器赋实际值。此时，计算出的赋实际值。此时，计算出的20位地址才是位地址才是实际的物理地址实际的物理地址 逻辑段逻辑段 段基址存放在段基址存放在 偏移地址存放在偏移地址存放在 代码段代码段 CS IPCS IP 堆栈段堆栈段 SS SPSS SP 数据段数据段 DS DS 根据不同的寻址方式根据不同的寻址方式 附加段附加段 ES/FS/GS ES/FS/GS 选择选择BXBX、SISI、DIDI2.

25、2.各逻辑段物理地址的形成各逻辑段物理地址的形成(以以1616位寻址为例位寻址为例):):在实模式下在实模式下,段寄存器存放相应逻辑段的段基址段寄存器存放相应逻辑段的段基址 代码段：代码段：CS*2CS*24 4+IP=+IP=指令单元的物理地址指令单元的物理地址一条指令的一个字节取出后，一条指令的一个字节取出后，IPIP自动加自动加1 1，指向下一字节。，指向下一字节。堆栈段：堆栈段：SS*2SS*24 4+SP=+SP=栈顶单元的物理地址栈顶单元的物理地址数据段：数据段：DS*2DS*24 4+偏移地址偏移地址=数据单元的物理地址数据单元的物理地址3 3段寄存器的初值段寄存器的初值CSCS

26、、IPIP的初值：由操作系统赋值的初值：由操作系统赋值DS/ES/FS/GSDS/ES/FS/GS的初值：由程序员赋值。的初值：由程序员赋值。SSSS、SPSP的初值：的初值：由程序员赋值由程序员赋值 由操作系统自动赋值由操作系统自动赋值第三章学习重点第三章学习重点1.1.了解了解X86X86内部功能块的简单作用内部功能块的简单作用2.2.掌握基本结构寄存器中的通用寄存器、段寄存器、掌握基本结构寄存器中的通用寄存器、段寄存器、指针寄存器的结构、名称、汇编助记符指针寄存器的结构、名称、汇编助记符3.3.掌握掌握486486工作模式中的实模式的特点，了解保护工作模式中的实模式的特点，了解保护模式的工作特点模式的工作特点4.4.掌握实模式下存储器各个逻辑段的物理地址的形掌握实模式下存储器各个逻辑段的物理地址的形成方法，以及成方法，以及CSCS、IPIP，SSSS、SPSP，DSDS、ESES各寄存器初各寄存器初值的赋值原则及特点值的赋值原则及特点