微处理器指令系统.ppt

第二章微处理器指令系统,华北电力大学计算机系刘丽,2,本章主要内容,8088/8086的内部结构8088/8086的指令系统寻址方式指令系统难点存储器分段，存储器单元物理地址的形成，各寄存器的用途8086常用指令的功能，熟悉8086的各种寻址方式进行汇编语言程序设计的基础,3,本章教学重点,8088/8086的寻址方式8088/8086的基本指令数据传送加减运算逻辑运算、移位控制转移、功能调用汇编语言程序段,4,2.1微处理器的内部结构,从应用角度（不是从内部工作原理）展开典型8位微处理器的基本结构8088/8086的功能结构8088/8086的寄存器结构8088/8086的存储器结构为学习指令系统打好基础,例如：关心用户“可编程”寄存器，不关心无法操纵的“透明”寄存器,5,2.1.1微处理器的基本结构,1.算术逻辑单元（运算器）2.寄存器组（透明、可编程）3.指令处理单元（控制器）,8位CPU的基本组成,6,2.1.28088/8086的功能结构,7,2.1.28088/8086的功能结构,8088的内部结构从功能上分成两个单元1.总线接口单元BIU管理8088与系统总线的接口负责CPU对存储器和外设进行访问2.执行单元EU负责指令的译码、执行和数据的运算两个单元相互独立，分别完成各自操作，还可以并行执行，实现指令预取。（指令读取和执行的流水线操作）,8,2.1.28088/8086的功能结构,总线使用情况取指操作（BIU负责）取指以外的其他总线操作（BIU负责）总线空闲总线请求设备占用总线指令译码后，CPU进行的操作分为两类：内操作：所有8位、16位的算术逻辑运算均由EU完成，其中包括16位有效地址EA的计算（注意不包括20位物理地址的计算，物理地址计算在BIU中进行）外操作：所有指令所要求的读写存储器或者外设的操作，仍将通过BIU和总线来进行指令预取,9,2.1.38088/8086的寄存器结构,8088/8086的寄存器组有8个通用寄存器4个段寄存器1个标志寄存器1个指令指针寄存器他们均为16位!,图示,汇编语言程序员看到的处理器，就是寄存器所以，一定要熟悉这些寄存器的名称和作用,10,1.通用寄存器,8088有8个通用的16位寄存器（1）数据寄存器:AXBXCXDX（2）变址寄存器:SIDI（3）指针寄存器:BPSP4个数据寄存器还可分成高8位和低8位两个独立的寄存器，这样又形成8个通用的8位寄存器AX：AHALBX：BHBLCX：CHCLDX：DHDL,11,8088的寄存器组,12,（1）数据寄存器,AX称为累加器（Accumulator）使用频度最高。用于算术、逻辑运算以及与外设传送信息等BX称为基址寄存器（BaseaddressRegister）常用做存放存储器地址CX称为计数器（Counter）作为循环和串操作等指令中的隐含计数器DX称为数据寄存器（Dataregister）常用来存放双字长数据的高16位，或存放外设端口地址,13,（2）变址寄存器,16位变址寄存器SI和DI常用于存储器变址寻址方式时提供地址SI是源地址寄存器（SourceIndex）DI是目的地址寄存器（DestinationIndex）在串操作类指令中，SI、DI还有较特殊的用法,现在不必完全理解，以后会详细展开,14,（3）指针寄存器,指针寄存器用于寻址内存堆栈内的数据SP为堆栈指针寄存器（StackPointer）,指示堆栈段栈顶的位置（偏移地址）BP为基址指针寄存器（BasePointer），表示数据在堆栈段中的基地址SP和BP寄存器与SS段寄存器联合使用以确定堆栈段中的存储单元地址,堆栈（Stack）是主存中一个特殊的区域，采用“先进后出”或“后进先出”存取操作方式、而不是随机存取方式。用8088/8086形成的微机系统中，堆栈区域被称为堆栈段,15,2.指令指针寄存器,IP（InstructionPointer）为指令指针寄存器，指示主存储器指令的位置随着指令的执行，IP将自动修改以指示下一条指令所在的存储器位置IP寄存器与CS段寄存器联合使用以确定下一条指令的存储单元地址代码段由CPU自动维护，IP寄存器是一个专用寄存器堆栈段由CPU自动维护，虽然SP是通用寄存器，但不做他用，也归为专用寄存器,16,3.标志寄存器,标志（Flag）用于反映指令执行结果或控制指令执行形式8088处理器的各种标志形成了一个16位的标志寄存器FLAGS（程序状态字PSW寄存器）,程序设计需要利用标志的状态,17,标志寄存器-分类,状态标志用来记录程序运行结果的状态信息，许多指令的执行都将相应地设置它CFZFSFPFOFAF控制标志可由程序根据需要用指令设置，用于控制处理器执行指令的方式DFIFTF,标志寄存器FLAGS,18,进位标志CF（CarryFlag）,当运算结果的最高有效位有进位（加法）或借位（减法）时，进位标志置1，即CF1否则CF0,3AH+7CHB6H，没有进位：CF=0AAH+7CH（1）26H，有进位：CF=1,19,零标志ZF（ZeroFlag）,若运算结果为0，则ZF1否则ZF0,3AH7CHB6H，结果不是零：ZF084H7CH（1）00H，结果是零：ZF1,注意：ZF为1表示的结果是0,20,符号标志SF（SignFlag）,运算结果最高位为1，则SF1否则SF0,3AH7CHB6H，最高位D71：SF184H7CH（1）00H，最高位D70：SF0,有符号数据用最高有效位表示数据的符号所以，最高有效位就是符号标志的状态,21,奇偶标志PF（ParityFlag）,当运算结果最低字节中“1”的个数为零或偶数时，PF1否则PF0,3AH7CHB6H10110110B结果中有5个“1”，是奇数：PF0,PF标志仅反映最低8位中“1”的个数是偶或奇，即使是进行16位字操作,22,溢出标志OF（OverflowFlag）,若算术运算的结果有溢出，则OF1否则OF0,3AH+7CHB6H，产生溢出：OF1AAH+7CH（1）26H，没有溢出：OF0,？,23,补充：什么是溢出,处理器内部以补码表示有符号数8位表达的整数范围是：12712816位表达的范围是：3276732768如果运算结果超出这个范围，就产生了溢出有溢出，说明有符号数的运算结果不正确,3AH7CHB6H，就是58124182，已经超出128127范围，产生溢出，故OF1；补码B6H表达真值是74，显然运算结果也不正确,B6H10110110B，最高位为1，作为有符号数是负数对B6H求真值：减一求反10110101010010104AH-74带借位0减100-B6H=4AH-74所以，B6H表达有符号数的真值为74,24,补充：溢出和进位的区别,溢出标志OF和进位标志CF是两个意义不同的标志进位标志表示无符号数运算结果是否超出范围，运算结果仍然正确溢出标志表示有符号数运算结果是否超出范围，运算结果已经不正确,？,25,补充：溢出和进位的对比,例1：3AH7CHB6H无符号数运算：58124182范围内，无进位，CF=0有符号数运算：58124182范围外，有溢出，OF=1，结果不正确,例2：AAH7CH（1）26H无符号数运算：170124294范围外，有进位，结果正确有符号数运算：8612438范围内，无溢出,26,补充：溢出和进位的应用场合,处理器对两个操作数进行运算时，按照无符号数求得结果，并相应设置进位标志CF；同时，根据是否超出有符号数的范围设置溢出标志OF应该利用哪个标志，由程序员来决定。如果将参加运算的操作数认为是无符号数，就应该关心进位；认为是有符号数，则要注意是否溢出,27,溢出的判断,判断运算结果是否溢出有一个简单的规则：只有当两个相同符号数相加（包括不同符号数相减），而运算结果的符号与原数据符号相反时，产生溢出；因为，此时的运算结果显然不正确其他情况下，则不会产生溢出,例1：3AH7CHB6H溢出例2：AAH7CH无溢出例3：3AH7CH无溢出例4：AAH7CH2EH溢出,28,辅助进位标志AF（AuxiliaryCarryFlag）,3AH7CHB6H，D3有进位：AF1,运算时D3位（低半字节）有进位或借位时，AF1否则AF0,这个标志主要由处理器内部使用，用于十进制算术运算调整指令中，用户一般不必关心,29,方向标志DF（DirectionFlag）,用于串操作指令中，控制地址的变化方向设置DF0，存储器地址自动增加设置DF1，存储器地址自动减少,CLD指令复位方向标志：DF0STD指令置位方向标志：DF1,30,中断允许标志IF（Interrupt-enableFlag）,控制可屏蔽中断是否可以被处理器响应设置IF1，则允许中断设置IF0，则禁止中断,CLI指令复位中断标志：IF0STI指令置位中断标志：IF1,31,陷阱标志TF（TrapFlag）,用于控制处理器进入单步操作方式设置TF0，处理器正常工作设置TF1，处理器单步执行指令,单步执行指令处理器在每条指令执行结束时，便产生一个编号为1的内部中断这种内部中断称为单步中断,TF也称为单步标志利用单步中断可对程序进行逐条指令的调试这种逐条指令调试程序的方法就是单步调试,32,4.段寄存器,8086微处理器共有4个16位的段寄存器，在寻址内存单元时，用它们直接或间接地存放段地址。代码段寄存器CS：存放当前执行的程序的段地址数据段寄存器DS：存放当前执行的程序所用操作数的段地址堆栈段寄存器SS：存放当前执行的程序所用堆栈的段地址附加段寄存器ES：存放当前执行程序中一个辅助数据段的段地址,以后会详细展开,33,2.1.48088/8086的存储器结构,存储器是计算机存储信息的地方。掌握数据存储格式，以及存储器的分段管理对以后的汇编程序设计非常重要你能区别寄存器、存储器(主存)、外存(包括硬盘、光盘、磁带等存储介质)吗？,答案,34,寄存器、存储器和外存的区别,寄存器是微处理器（CPU）内部暂存数据的存储单元，以名称表示，例如：AX，BX.等存储器也就是平时所说的主存，也叫内存，可直接与CPU进行数据交换。主存利用地址区别外存主要指用来长久保存数据的外部存储介质，常见的有硬盘、光盘、磁带、U盘等。外存的数据只能通过主存间接地与CPU交换数据程序及其数据可以长久存放在外存，在运行需要时才进入主存,35,1.数据的存储格式,计算机中信息的单位二进制位Bit：存储一位二进制数：0或1字节Byte：8个二进制位，D7D0字Word：16位，2个字节，D15D0双字DWord：32位，4个字节，D31D0最低有效位LSB：数据的最低位，D0位最高有效位MSB：数据的最高位，对应字节、字、双字分别指D7、D15、D31位,图示,36,存储单元及其存储内容,每个存储单元都有一个编号，被称为存储器地址每个存储单元存放一个字节的内容,图示,0002H单元存放有一个数据34H表达为0002H34H,37,多字节数据存放方式,多字节数据在存储器中占连续的多个存储单元存放时，低字节存入低地址，高字节存入高地址表达时，用它的低地址表示多字节数据占据的地址空间,图2-5中0002H“字”单元的内容为：0002H=1234H0002H号“双字”单元的内容为：0002H=78561234H,80 x86处理器采用“低对低、高对高”的存储形式，被称为“小端方式LittleEndian”。相对应还存在“大端方式BigEndian”。,图示,38,端模式（Endian）,这个词出自JonathanSwift书写的格列佛游记中小人国的内战在计算机业界，Endian表示数据在存储器中的存放顺序。BigEndian和LittleEndian也几乎引起一场战争有的处理器系统采用了小端方式进行数据存放如Intel的奔腾有的处理器系统采用了大端方式进行数据存放如IBM半导体和Freescale的PowerPC处理器不仅对于处理器，一些外设的设计中也存在着使用大端或者小端进行数据存放的选择因此在一个处理器系统中，有可能存在大端和小端模式同时存在的现象。这一现象为系统的软硬件设计带来了不小的麻烦，这要求系统设计工程师，必须深入理解大端和小端模式的差别大端与小端模式的差别体现在一个处理器的寄存器，指令集，系统总线等各个层次中,39,数据的地址对齐,同一个存储器地址可以是字节单元地址、字单元地址、双字单元地址等等（视具体情况来确定）字单元安排在偶地址（xxx0B）、双字单元安排在模4地址（xx00B）等，被称为“地址对齐（Align）”不对齐地址的数据，处理器访问需要额外的访问时间，应将数据的地址对齐，以取得较高的存取速度如果用X表示某存储单元的地址，则X单元的内容可以表示为X；假如X单元中存放着Y，而Y又是一个地址，则可用Y=X来表示Y单元的内容,40,2.存储器的分段管理,8088CPU有20条地址线最大可寻址空间为2201MB物理地址范围从00000HFFFFFH8088微处理器的内部结构是16位的字长，用户可用的寄存器也都是16位的可以方便地表达16位存储器地址其编号为0000HFFFFH用16位的地址码无法寻址1MB的存储空间，为了解决这一矛盾，8088/8086采用了分段的方法对存储器进行管理,41,2.存储器的分段管理,8088CPU将1MB空间分成许多逻辑段(Segment)每个段最大限制为64KB只能从模16地址开始一个逻辑段（段地址的低4位为0000B）这样，一个存储单元除具有一个唯一的物理地址外，还具有多个逻辑地址,？,42,物理地址和逻辑地址,8088CPU存储系统中，对应每个物理存储单元都有一个唯一的20位编号，就是物理地址，从00000HFFFFFH分段后在用户编程时，采用逻辑地址，形式为段基地址：段内偏移地址,分隔符,物理地址14700H逻辑地址1460H:100H,43,逻辑地址,段地址说明逻辑段在主存中的起始位置8088规定段地址必须是模16地址：xxxx0H省略低4位0000B，段地址就可以用16位数据表示，就能用16位段寄存器表达段地址偏移地址说明主存单元距离段起始位置的偏移量每段不超过64KB（216B），偏移地址也可用16位数据表示,44,物理地址和逻辑地址的转换,BIU中的20位地址加法器完成将逻辑地址中的段地址左移4位，加上偏移地址就得到20位物理地址80 x86的寻址模式中称为实模式一个物理地址可以有多个逻辑地址,逻辑地址1460:100、1380:F00物理地址14700H14700H,45,3.段寄存器,8088有4个16位段寄存器CS（代码段）指明代码段的起始地址SS（堆栈段）指明堆栈段的起始地址DS（数据段）指明数据段的起始地址ES（附加段）指明附加段的起始地址每个段寄存器用来确定一个逻辑段的起始地址，每种逻辑段均有各自的用途,46,代码段寄存器CS（CodeSegment,代码段用来存放程序的指令序列代码段寄存器CS存放代码段的段地址指令指针寄存器IP指示下条指令的偏移地址处理器利用CS:IP取得下一条要执行的指令,47,堆栈段寄存器SS（StackSegment）,堆栈段确定堆栈所在的主存区域堆栈段寄存器SS存放堆栈段的段地址堆栈指针寄存器SP指示堆栈栈顶的偏移地址处理器利用SS:SP操作堆栈顶的数据,48,数据段寄存器DS（DataSegment）,数据段存放运行程序所用的数据数据段寄存器DS存放数据段的段地址各种主存寻址方式（有效地址EA）得到存储器中操作数的偏移地址处理器利用DS:EA存取数据段中的数据,49,附加段