第2章 80x86微处理器

第二章 80x86微处理器

计算机常用术语

• 位于字节
• 字长（数据宽度）
• 寻址能力
• 主频，也叫时钟频率，用来表示微处理器的运行速度
• MIPS（Millions of Instruction Per Second)，用来表示为初期的性能–运算速度
• 微处理器集成度，指微处理器芯片上集成的晶体管的密度

微处理器的基本功能模块

• 总线接口单元BIU（取指令）（寄存器组）
• 执行单元EU（执行指令）（运算器和控制器、寄存器组）

微处理器的功能拓展模块

• 存储管理(分段和分页部件)
• 指令和数据流水线
• 指令和数据CACHE
• 指令预取
• 浮点处理
• 分支预测
• 并行计算
  等等

Pentium采用了多项先进技术

• CISC和RISC相结合的技术
  • RISC（Reduced Instruction Set Computer），精简指令系统的计算机
    提供数目较少、格式与功能简单、运行高效的指令
    追求的是计算机控制器实现简单，运行高速，更容易在单块超大规模集成电路的芯片内制做出来
  • CISC（Complex Instruction Set Computer），复杂指令系统的计算机，相对于RISC一词而提出来的一种说法
    特点：指令条数多，格式多样，寻址方式复杂，每条指令的功能强。汇编程序设计容易些，但计算机控制器的实现困难多，很多指令被使用的机会并不多
• 超标量流水线技术
  • 流水线是一种使多条指令重叠操作的技术, 是当代微处理器设计中的关键技术之一。
    把一条指令分解成若干个步骤来完成，在流水线上称为级，每级 都在一个时钟周期内完成各自的操作。这样每个时钟周期都可以启动 一条指令，m级的流水线上就会有m条指令在同时执行。
    流水线的性能比非流水线作业几乎提高了m倍。
  • 超标量流水线
    标量指单个量，一般的流水计算机因只有一条指令流水线，所以称为标量流水计算机，所谓超标量是指其具有两条以上的指令流水线
• 分支预测技术
  指当遇到转移指令、CALL调用指令、RET返回指令、INT n中断指令等跳转指令时，指令预取单元能够较准确地判 定是否转移取址。

2.1 32位微处理器内部结构

486内部寄存器分为4类：（应用程序只能访问基本结构寄存器和浮点寄存器）

• 基本结构寄存器
• 浮点寄存器
• 系统级寄存器
• 调试测试寄存器

基本结构寄存器

通用寄存器

32位名称	16位名称1	名称
EAX	AX	累加器	AX (accumulater)
EBX	BX	基址寄存器	BX (Base)
ECX	CX	计数器	CX (Count)
EDX	DX	数据寄存器	DX (Data)
ESP	SP	堆栈指针	SP (Stack Pointer)
EBP	BP	基址指针	BP (Base Pointer)
EDI	DI	目的变址寄存器	DI (Destination Index)
ESI	SI	源变址寄存器	SI (Source Index)
EIP	IP	指令指针	IP (Instruction Pointer）

• AX、BX、CX、DX共同点
  • 既可作为16位寄存器来用又可作为两个8位寄存器（高、低位）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
• SP、BP、SI、DI、IP：为寻址存贮单元提供偏移地址。

段寄存器

CS代码、DS数据、ES附加、SS堆栈------4个段寄存器，和偏移地址寄存器一起形成20位存储器物理地址，对存储器中存放的程序、数据、堆栈区域加以区别、寻址。

• 寻址程序(指令)：CS＋IP；
• 寻址数据：(DS或ES)＋(SI或DI、BX、BP)；
• 寻址堆栈：SS＋(SP或BP)

标志寄存器

标志寄存器FLAGS又称为程序状态字PSW，为16位寄存器，该寄存器主要有两个作用：
记录CPU运行结果状态标志；
提供控制标志。

根据功能，8086的标志可以分为两类：

• 状态标志：表示前面的操作执行后，算术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影响后面的操作。有SF、ZF、PF、CF、AF和OF。
• 控制标志：每个控制标志都对某一种特定的功能起控制作用。指令系统中有专门的指令用于控制标志的设置和清除。有DF、 IF、 TF。

状态标志

状态标志符号	符号名称	标志为1的条件，否则为0
C进位标志	Carry Flag	当结果最高位产生一个进位或借位
O溢出标志	Overflow Flag	加数与被加数最高位相同并且与结果****不同
S符号标志	Sign Flag	结果最高位为1
Z零标志	Zero Flag	运算结果为0
P奇偶标志	Parity Flag	结果低八位中‘1’的个数为偶数
A辅助进位标志	Auxitiary Flag	操作时，由**低半字节（第3位）**向高半字节，有进位或借位

程序员判断溢出的方法

• 有符号数运算，判O标志，O标志为1，有溢出
• 无符号数矫健，判C标志，C标志为1，有溢出

2.2 32位微处理器的工作模式和地址空间

一. 32位微处理器工作模式

• 实地址模式(实模式)
• 保护虚拟地址模式(保护模式)
• 虚拟86模式

1. 实模式的特点
   1. 加电、复位之后，486自动工作在实模式，系统在DOS管理下
   2. 在实模式下，486只能访问第一个1M内存(00000H~FFFFFH)
   3. 存储管理部件对存储器只进行分段管理，没有分页功能，每一逻辑段的最大容量为64K。
   4. 在实模式下，段寄存器中存放段基址。
2. 保护模式的特点:(仅作了解）
   486工作在保护模式下，才能真正发挥它的设计能力。
   1. 在保护模式下，486支持多任务操作系统
   2. 在保护模式下，486可以访问4G物理存储空间
   3. 存储管理部件中，对存储器采用分段和分页管理
3. 虚拟86模式（仅作了解）:
   虚拟86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。
   在操作系统管理下,486可以分时地运行多个实模式程序。
   例如：有3个任务,操作系统为每一个任务分配1ms,每通过1ms就发生一次任务切换,从宏观上看系统是在执行多个任务。

关于保护机制：高级别的程序可以访问同级或低级的数据段，反之则不行

二、32位微处理器的地址空间（存储地址空间、I/O地址空间）

1.存储地址空间

物理空间(主存储器的实际空间）

程序的运行空间,即主存空间
486有32条地址线，内存最大容量4G。这4G字节称为物理存储器，每一单元的地址称为物理地址，其地址范围：0000,0000H~FFFF,FFFFH为物理存储空间。

虚拟空间(虚拟存储器地址空间):编程空间

虚拟存储器是一项硬件和软件结合的技术。
存储管理部件把主存(物理存储器)和辅存(磁盘)看作是一个整体，即虚拟存储器。允许编程空间为246=64T，程序员可在此地址范围内编程，程序可大大超过物理空间。该空间对应的地址称为虚拟地址或逻辑地址。运行时，操作系统从虚拟空间取一部分程序载入物理存储器运行。当程序运行需要调用的程序和要访问的数据不在物理存储器时，操作系统再把那一部分调入物理存储器.……数据的交换极快，程序察觉不到。

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。

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。

2.I/O空间

486利用低16位地址线访问I/O端口，所以I/O端口最多有216=64K，I/O地址空间为0000H～FFFFH。
注意：

• I/O地址空间不分段
• I/O地址空间与存储空间不重叠
• CPU有一条控制线M/IO，在硬件设计上用M/IO=1，参与存储器寻址，用M/IO=0参与I/O寻址。
• 从PC/XT～Pentium，基于Intel微处理器的系统机，实际上只使用低10位地址线，寻址210=1024个I/O端口。

2.3 实模式下，物理地址的形成（重要）

1.存储器的分段管理

存储空间为$2^{20}=1M$而寄存器为16 位
存储空间分段每段为64K（$2^{16}$）

逻辑地址	段基址(16位)：偏移地址(16位)
物理地址	段基址*16+偏移地址

存贮器中的每个存贮单元都可以用两个形式的地址来表示：物理地址和逻辑地址。物理地址是指1MB存贮区域中的某一单元地址，地址信息是20位的二进制代码，以16进制表示是00000H~FFFFFH中的一个单元，CPU访问存贮器时，地址总线上送出的是物理地址。编制程序，则采用逻辑地址。逻辑地址由段基址和偏移量组成。

• 在一个逻辑段中,各单元的段基址是相同的
• 偏移地址是该单元相对于段首的地址偏移量
• 所有段都是起始于16字节的边界。

物理地址是唯一的，不同的逻辑地址可得到相同的物理地址。
如：
2000H：0200H —— 20200H
2010H：0100H —— 20200H

逻辑地址需由程序员在编程时给出
段 基 址：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具体值

2.各逻辑段物理地址的形成（以16位寻址为例）

在实模式下,段寄存器存放相应逻辑段的段基址

逻辑段	段基址存放在	偏移地址存放在
代码段	CS	IP
堆栈段	SS	SP
数据段	DS	根据不同的寻址方式 选择BX、BP、SI、DI
附加段	ES/FS/GS	根据不同的寻址方式 选择BX、BP、SI、DI

• 代码段：CS*2^4+IP =指令单元的物理地址。一条指令的一个字节取出后，IP自动加1，指向下一字节。
• 堆栈段：SS*2^4+SP =栈顶单元的物理地址
• 数据段：DS*2^4+偏移地址 =数据单元的物理地址

3．段寄存器和指针寄存器的初值

• CS、IP的初值：由操作系统赋值
• SS、SP的初值：
  1. 由程序员赋值
  2. 由操作系统自动赋值
• DS/ES/FS/GS的初值：由程序员赋值。
• BX/SI/DI/BP的初值：由程序员赋值。
  物理地址。一条指令的一个字节取出后，IP自动加1，指向下一字节。
• 堆栈段：SS*2^4+SP =栈顶单元的物理地址
• 数据段：DS*2^4+偏移地址 =数据单元的物理地址

3．段寄存器和指针寄存器的初值

• CS、IP的初值：由操作系统赋值
• SS、SP的初值：
  1. 由程序员赋值
  2. 由操作系统自动赋值
• DS/ES/FS/GS的初值：由程序员赋值。
• BX/SI/DI/BP的初值：由程序员赋值。

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1. AX,BX,CX,DX,前8位称为AH,BH,CH,DH, 后8位称为AL,BL,CL,DL； ↩︎