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复习提问,什么是机器数，有哪三种机器数？ (11110011)补的真值是多少？,本章要点,了解80x86计算机系统的基本结构：CPU、内存、I/O与系统总线 了解80x86 CPU的3种工作模式 掌握80x86 CPU的寄存器组 掌握实模式下的内存分段与编程要点 熟练掌握4个常用标志位（CF、OF、SF和ZF）的含义及判断方法,第2章 80x86计算机系统组织,2.1 80x86计算机的基本结构,80x86计算机的组成： CPU 内存 I/O子系统 各部分以系统总线相连,主要由算术逻辑部件，控制部件和寄存器组构成。 任务：执行内存中的指令序列。 CPU的作用： 执行算术与逻辑运算。 控制指令的执行。 通常，将Intel公司生产的8086/8088、80286、80386、80486、Pentium、Pentium Pro、Pentium II、Pentium III、Pentium 4 及其兼容的CPU，统称为80x86 CPU或x86 CPU，将基于这些CPU的计算机，称为80x86计算机或x86计算机。,2.1.1 CPU,图2-1 8086的功能结构,BIU,EU,8086CPU从功能上分成两大部分：总线接口单元BIU和执行单元EU。,BIU（总线接口部件）负责与存储器接口，即8086CPU与存储器之间的信息传送，都是由BIU进行的。BIU负责从内存的指定部分取出指令和操作数，传送给EU部分去执行。 EU（指令执行部件）部分负责指令的执行，取指部分与执行指令部分是分开的，于是在一条指令的执行过程中，就可以取出下一条(或多条)指令，在指令流队列中排队。在一条指令执行完以后就可以立即执行下一条指令，减少了CPU为取指令而等待的时间，提高了CPU的利用率和执行速度，降低了与之相配的存储器对采样速度的要求。,图2-2 8086的执行方式,BIU和EU分开，取指和执行可以重叠。,图2-3 一般8位机的执行方式,总线是用来系统各部件的一组公共导线，是部件之间进行数据交换的通道。 (1)数据总线 DB 数据总线是用来传递数据的，定义了CPU在每个内存周期所能存取数据的位数。 80x86系列CPU的数据总线为8位、16位、32位或64位。这就是“为什么通常的数据存取是以8位、16位、32位或64位进行的”。 数据总线越宽，处理能力越强。 具有N位数据总线并不意味着CPU只能处理N位数据。,2.1.2.系统总线,(2)地址总线 AB 地址总线用来指出数据的地址（内存或I/O）。 地址总线的位数决定了最大可编址的内存与I/O空间。 对于N位地址总线，CPU可以提供2N个不同地址：02N -1。 如8086的地址总线为20位，可寻址的最大内在空间是220MB，即1MB 地址总线由内存与I/O子系统共享使用（I/O只用低16位）。,(3)控制总线 控制CPU与内存和I/O设备之间的数据传送方式 （如传送方向）。,内存是存放指令和数据的部件，由若干内存单元构成。 内存单元的2个要素：地址（编号）与值（内容）。 为了正确区分不同的内存单元，给每个单元分配一个存储器地址，可存放1个字节。 地址从0开始编号，顺序递增1。机器中的地址是用无符号二进制数表示，可简写为十六进制数形式。 一个存储单元中存放的信息称为该单元的值（内容）。例如，2号单元中存放了一个数字8，则表示为：(2)=8。,2.1.3 内存,对内存单元可以读/写操作。对某个内存单元进行读操作后，该单元的值保持不变；对其进行写操作后，原来的值就被新的数据所覆盖。 对于字、双字、四字数据类型，由于它们每个数据都要占用连续多个单元，访问时只需给出最低单元的地址号即可，然后依次存取后续字节。习惯上，对于字、双字、四字数据类型，其低地址中存放低位字节数据，高地址中存放高位字节数据，这就是所谓的数据“逆序存放”。字的地址由其低地址来表示。 同一地址可以看作是字节、字或双字单元的地址，取决于具体的使用方式。,例： 内存现有以下数据： 地址： 0 1 2 3 4 5 数据：12H 34H 45H 67H 89H 0AH 则对于不同的数据类型，取到1号单元的数据是： (1)字节=34H (1)字=4534H (1)双字=89674534H 要遵守“数据对齐规则”： 字存放在偶地址，双字存放在4倍地址。,0 1 2 3 4 5,每个I/O设备必须通过专门的I/O接口电路与主机（CPU和内存）相连。 1. I/O接口：由一组寄存器组成，分为以下三种类型： （1）数据寄存器 （2）状态寄存器 （3）命令寄存器 2. I/O端口：将各个I/O接口中的所有寄存器统一编号，就形成了I/O地址，也称为 80x86 的I/O端口号。 大多数设备使用多个I/O端口（数据端口、状态端口等）。 CPU是通过端口与I/O设备通信的。 80X86 系统有两个独立的地址空间： 内存空间和I/O空间。,2.1.4 I/O子系统,2.2 80x86 CPU的寄存器组,8位通用寄存器8个： AL、AH、BL、BH、CL、CH、DL、DH。 16位通用寄存器8个： AX、BX、CX、DX、SI、DI、BP、SP。 32位通用寄存器8个： EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、EBP、ESP。 AL与AH、BL与BH、CL与CH、DL与DH分别对应于AX、BX、CX和DX的低8位与高8位。AX、BX、CX、DX、SI、DI、BP和SP分别对应于EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、EBP和ESP的低16位。,1.通用寄存器,寄存器分为四类： 通用寄存器、段寄存器、专用寄存器、其他寄存器。,图2-9 8086的寄存器结构,记!,2.段寄存器 段寄存器有6个，每个16位，其中CS、DS、SS分别作为指令代码段、数据段和堆栈段寄存器，ES、FS和GS作为附加数据段寄存器。,指令指针寄存器：EIP（32位）、IP（16位）。IP是EIP的低16位。用来存放当前代码段中下一条要执行指令的偏移量(或称偏移地址)。 标志寄存器：EFLAGS（32位）、FLAGS（16位）。FLAGS是EFLAGS的低16位。用来反映指令执行结果或控制指令的执行方式。,3.专用寄存器,4. 其他寄存器（略）,2.3 80x86 CPU的工作模式,（1）实模式 与8086兼容的工作模式，只有低20位地址线起作用，仅能寻址第一个1MB的内存空间，该空间内的地址称为实地址。MS DOS运行在实模式下。内存采用分段管理机制。（一个段64KB） （2）保护模式 32位80x86 CPU的主要工作模式，提供对程序和数据进行安全检查的保护机制。全部地址线都能寻址。内存采用分段和分页管理机制。但分段寻址与实模式不同。（一个段4GB） （3）虚拟8086模式 虚拟生成多个8086处理器，以便运行DOS程序。 分段寻址方式与实模式相同，分页寻址与保护模式相同。,3种工作模式 ：,（1）内存分段 采用分段内存管理机制，主要包括下列几种类型的段： 代码段：用来存放程序的指令序列。 数据段：用来存放程序的数据。 堆栈段：作为堆栈使用的内存区域，用来存放过程返回地址、过程参数等。 一个程序可以有多个代码段、多个数据段甚至多个堆栈段。 采用分段管理后，一个内存单元地址要用段基地址和偏移量所形成的逻辑地址来描述，表示为 段基址：偏移量,2.3.1 实模式,8086内部的ALU能进行16位运算，有关地址的寄存器如SP、IP，以及BP、SI、DI等也都是16位的，因而8086对地址的运算也只能是16位。 对于8086，各种寻址方式，寻找操作数的范围最多只能是64 KB。所以，整个1 MB存储器以64 KB为范围分为若干段。在寻址一个具体物理单元时，必须要由一个基地址再加上由SP、IP、BP、SI或DI等可由CPU处理的16位偏移量来形成实际的20位物理地址。 基地址由8086中的段寄存器，即CS、SS、DS以及ES中的一个来形成的。在形成20位物理地址时，段寄存器中的16位数会自动左移4位，然后与16位偏移量相加。,段地址：偏移量,1200H：0000H,1200H:347CH,1200H:0FFFFH,64KB,图2-20 8086实地址模式物理地址的形成,逻辑地址 = 段基址:偏移地址 物理地址 = 段基址10H+偏移地址,20位,0000,段寄存器指示的段基址16位,每次在需要产生一个20位物理地址的时，一个段寄存器会自动被选择，且能自动左移4位再与一个16位的地址偏移量相加，以产生所需要的20位物理地址。 段寄存器与偏移量的搭配： 取指时： 物理地址=CS10H+IP 堆栈操作时：物理地址=SS 10H+SP。 取操作数时：物理地址=DS 10H+16位偏移量 或物理地址=ES 10H+16位偏移量,在不改变段寄存器值的情况下，寻址的最大范围是64 KB，所以，若有一个任务，它的程序长度、堆栈长度以及数据区长度都不超过64 KB，则可在程序开始时，分别给DS、SS、ES置值，然后在程序中就可以不再考虑这些段寄存器，程序就可以在各自的区域中正常地进行工作，若某一个任务所需的总的存储器长度（包括程序长度、堆栈长度和数据长度等）不超过64 KB，则可在程序开始时使CS、SS、DS相等，程序也能正常工作。,图2-21 8086的存储器结构,实地址模式,存储器采用分段管理后其物理地址的计算方法为 10H段基址+偏移量 (其中H表示是十六进制数) 段基址和偏移量一般用十六进制数表示，简便的计算方法是在段基址的最低位补以0H，再加上偏移量。,例2-2 某内存单元的地址用十六进制数表示为1234H5678H，其物理地址是多少？ 1 2 3 4 0 (10H段基址) + 5 6 7 8 (偏移量) 1 7 9 B 8 (物理地址) 则其物理地址为179B8H，如图2-29所示。,图2-29 物理地址的形成,实地址模式,:,程序执行时，其当前段的段基址存放在相应的段寄存器中，偏移量视访问内存的操作类型决定，可能放在寄存器中或通过操作数寻址方式得到。 例2-3 若(CS)=1234H，(DS)=2000H，(IP)=0010H，(SS)=4000H，则下一条要执行指令的地址是多少？ 10H(CS)+(IP)=12340H+0010H=12350H 所以，下一条要执行指令的地址是12350H。 可以用不同的段基址：偏移量表示同一个物理地址。例如可以用10001F00、11F00000、11000F00和10801700表示同一个物理地址，其物理地址都是11F00H。因这几个逻辑地址的段基址不同，所以这个单元属于不同的段(段发了部分重叠现象)。如下图：,段1 64KB,段2 64KB,此单元就会两个逻辑地址： 1000H：1F00H 1100H：0F00H 但物理地址是唯一的，为： 11F00H,段1起始地址：10000H,段2起始地址：11000H,.,状态标志通常由CPU根据指令执行结果自动设置，以反映指令执行结果的特征。 80x86 CPU将状态标志作为条件判断的依据，以控制程序的执行流程。 最常用的状态标志是CF、OF、SF和ZF，应熟练掌握。,2.4.1 状态标志,2.4 标志位,标志寄存器EFLAGS中有若干标志位，用来表示CPU当前的操作方式和状态信息，与普通应用程序有关的主要是FLAGS中的9个标志位，包括6个状态标志和3个控制标志。,各个标志位的功能分述如下： (1) 辅助进位标志AF(Auxitiary Carry Flag)。在字节操作时，由低半字节(一个字节的低4位)向高半字节(一个字节的高4位)进位或借位；在字操作时，低位字节向高位字节有进位或借位，则AF=1 ，否则为0。这个标志用于十进制算术运算指令中。 (2) 进位标志CF(Carry Flag)。当结果的最高位(字节操作时的D7或字操作时的D15)产生一个进位或借位，则CF=1，否则CF=0。这个标志主要用于多字节数的加、减法运算。移位和循环移位指令也能够把存储器或寄存器中的最高位(左移时)或最低位(右移时)放入标志CF中。 (3) 溢出标志OF(Overflow Flag)。在算术运算中，带符号数的运算结果超出了8位或16位(带符号数能表达的范围)，即在字节运算时结果大于 +127或结果小于 -128，在字运算时结果大于32 767或结果小于 -32 768，OF=1,溢出和进位是两个不同性质的标志，千万不能混淆了。例如，在字节运算中 MOV AL，64H ADD AL，64H 即 01100100 + 01100100 11001000 D7位向前无进位，故运算后CF=0；但运算结果超过了+127，此时，溢出标志OF=1。 又例如，在字节运算中 MOV AL，0ABH ADD AL，0FFH 即 10101011 (-85) + 11111111 (-1) 1 10101010 D7位向前有进位，故运算后CF=1；但运算的结果又不小于 -128，此时，溢出标志OF=0。,在字运算中 MOV AX，0064H ADD AX，0064H 即 00000000 01100100 + 00000000 01100100 00000000 11001000 D15位未产生进位，故CF=0；运算结果未超过 +32767，故OF=0。,又例如： MOV AX，0AB00H ADD AX，0FFFFH 即： 10101011 00000000 + 11111111 11111111 110101010 11111111 D15位产生进位，故CF=1，但运算结果不小于-32768，故OF=0。,(4) 符号标志SF(Sign Flag)。它的值与运算结果的最高位相同。即结果的最高位(字节操作时为D7，字操作时为D15)为1，则SF=1；否则SF0。由于在80X86中符号数是用补码表示的，所以SF表示了结果的符号，SF=0为正，SF=1为负。 (5) 奇偶标志PF(Parity F1ag)。若操作结果中“1”的个数为偶数，则PF=1，否则PF=0。这个标志可用于检查在数据传送过程中是否发生错误。 (6) 零标志ZF(Zero Flag)。若运算的结果为0，则ZF=1，否则ZF=0。,(1) 方向标志DF(Direction Flag)。若用指令置DF=1，则引起串操作指令为自动减量指令，也就是从高地址到低地址处理字符串；若使DF=0，则串操作指令就为自动增量指令，也就是从低地址到高地址处理字符串。 (2) 中断允许标志IF(Interrupt-enable Flag)。若指令中置IF=1，则允许CPU去接收外部的可屏蔽中断请求；若使IF=0，则屏蔽上述的中断请求，对内部产生的中断不起作用。 (3) 追踪标志TF(Trap Flag)。置TF标志，使处理进入单步方式，以便于调试。在这个方式中，CPU在每条指令执行以后，产生一个内部中断，允许程序在每条指令执行以后进行检查。,2.4.3 控制标志,小 结,80x86计算机由CPU、内存和I/O子系统三部分组成，各部分之间由系统总线相连。 数据总线决定了CPU每次存取数据的最大宽度（位数）；地址总线决定了最大可编址空间；控制总线控制CPU与内存和I/O设备之间的数据传送方式。 80x86系统的I/O地址为16位，可寻址65536个不同的I/O端口。 80x86程序可以存取的最小数据单位是字节。例如，若要读取的位数不足8位，则只能先读出一个完整字节，再屏蔽掉其它位。 字的存储采取“低字节在低地址，高字节在高地址，字的地址由低地址表示”的小端方式，双字也类似。,要正确理解内存单元的地址和值，地址表示位置，值是相应位置处的内容。同一地址既可以看作字节