汇编语言知识点总结之二:第二章《寄存器》

本文详细介绍了8086CPU的基本结构,包括运算器、控制器、寄存器等组件的功能,并深入探讨了寄存器在汇编编程中的应用,特别是物理地址的形成方法及段地址与偏移地址的概念。

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一个典型的CPU由运算器、控制器、寄存器等器件组成:

  • 运算器进行信息处理;
  • 寄存器进行信息存储;
  • 控制器控制各种器件进行工作;
  • 内部总线连接各种器件,在他们之间进行数据的传送;

对于一个汇编程序员来说,CPU中的主要部件是寄存器。寄存器是CPU中程序员可以用指令读写的部件。程序员通过改变各种寄存器中的内容来实现对CPU的控制。

8086CPU有14个寄存器,每个寄存器有一个名称。这些寄存器是:AX、BX、CX、DX、SI、DI、SP、BP、IP、CS、SS、DS、ES、PSW。

1、通用寄存器:

8086CPU所有的寄存器都是16位的,可以存放两个字节。AX、BX、CX、DX 通常用来存放一般性数据被称为通用寄存器。

一个16位寄存器可以存储一个16位的数据。

一个16位寄存器所能存储的数据的最大值为多少?答案:2^16-1。

8086上一代CPU中的寄存器都是8位的;为保证兼容性,这四个寄存器都可以分为两个独立的8位寄存器使用。

  • AX可以分为AHAL
  • BX可以分为BHBL
  • CX可以分为CHCL
  • DX可以分为DHDL

以AX为例,8086CPU的16位寄存器分为两个8位寄存器的情况:

AX的低8位(0位~7位)构成了AL寄存器,高8位(8位~15位)构成了AH寄存器。AH和AL寄存器是可以独立使用的8位寄存器

2、字在寄存器中的存储

一个字包含两个字节;

十六进制的一位相当于二进制的四位;十六进制表示数据的后面加H,在二进制表示数据的后面加B,十进制表示数据的后面什么也不加。

如:十进制:20000,十六进制:4E20H,二进制:0100111000100000B;

3、几条汇编指令

汇编指令不区分大小写!

如下所列的程序段中,执行每条指令后,对寄存器中数据进行的改变?

执行指令后AX中的数据为多少?

答:8226H+8226H=1044CH;即044CH

执行指令后AX中的数据为多少?

答:C5H+93H=158H;即58H;

注意:指令的两个操作对象,的位数一定要相同!

监测点2.1:

(1)写出每条汇编指令执行后相关寄存器中的值:

MOV ax, 62627  AX=F4A3H  //16位存放最大数据为 2^16-1=65536

MOV ah, 31H   AX=31A3H

MOV al, 23H  AX=3123H

ADD ax, ax  AX=6246H

MOV bx, 826CHH  BX=826CH

MOV cx, ax  CX=6246H

MOV ax, bx  AX=826CH

ADD ax, bx  AX=04D8H

MOV al, bh  AX=0482H

MOV ah, bl  AX=6C82H

ADD ah, ah  AX=D882H

ADD al, 6  AX=D888H

ADD al, al  AX=D810H

MOV ax, cx  AX=6246H

(2)只能使用目前学过的汇编指令,最多使用4条指令,编程计算2的4次方。

MOV ax , 2  AX=02H

ADD ax , ax AX=04H

ADD ax , ax AX=08H

ADD ax , ax AX=10H

4、物理地址

CPU访问内存单元时要给出内存单元的地址。所有的内存单元构成的存储空间是一个一维的线性空间。每一个内存单元在这个空间中都有唯一的地址,我们将这个唯一的地址称为物理地址。

概括的讲,16位结构描述了一个CPU具有以下几个方面特征:

1、运算器一次最多可以处理16位的数据。

2、寄存器的最大宽度为16位。

3、寄存器和运算器之间的通路是16位的。

8086CPU有20位地址总线,可以传送20位地址,达到1MB的寻址能力。8086CPU又是16位结构,在内部一次性处理、传输、暂时存储的地址为16位,表现出的寻址能力只有64KB。

8086CPU采用一种在内部用两个16位地址合成的方法来形成一个20位的物理地址。其逻辑结构如下所示:

8086CPU读写内存时,给出物理地址过程:

(1)CPU中的相关部件提供两个16位的地址,一个称为段地址,另一个称为偏移地址;

(2)段地址和偏移地址通过内部总线送入一个称为地址加法器的部件;

(3)地址加法器将两个16位地址合成为一个20位的物理地址;

(4)地址加法器通过内部总线将20位物理地址送入输入输出控制电路;

(5)输入输出控制电路将20位物理地址送上地址总线;

(6)20位物理地址被地址总线传送到存储器;

地址加法器采用 物理地址=段地址*16 + 偏移地址 的方法用段地址和偏移地址和成物理地址。

一个数据的十六进制形式左移1位,相当于乘以16;一个数据的十进制形式左移1位,相当于乘以10;一个X进制的数据左移1位,相当于乘以X。

物理地址=段地址*16 + 偏移地址 /(物理地址=SA*16+EA)  的本质含义是:CPU在访问内存时,用一个基础地址(段地址*16)和一个相对于基础地址的偏移地址相加,给出内存单元的物理地址。

 5、段的概念

内存并没有分段,段的划分来自于CPU,由于8086CPU用“(段地址×16)+偏移地址=物理地址”的方式给出内存单元的物理地址,使得我们可以用分段的方式来管理内存。

以后,在编程时可以根据需要,将若干地址连续的内存单元看作一个段,用段地址×16定位段的起始地址(基础地址),用偏移地址定位段中的内存单元。

(1)段地址×16 必然是 16的倍数,所以一个段的起始地址也一定是16的倍数;

(2)偏移地址为16位,16 位地址的寻址能力为 64K,所以一个段的长度最大为64K。

内存单元地址小结:

  • CPU访问内存单元时,必须向内存提供内存单元的物理地址。
  • 8086CPU在内部用段地址和偏移地址移位相加的方法形成最终的物理地址。

(1)观察下面的地址,读者有什么发现?

结论:CPU可以用不同的段地址和偏移地址形成同一个物理地址。

(2)如果给定一个段地址,仅通过变化偏移地址来进行寻址,最多可以定位多少内存单元?

结论:偏移地址16位,变化范围为0~FFFFH,仅用偏移地址来寻址最多可寻64K个内存单元。

比如:给定段地址1000H,用偏移地址寻址,CPU的寻址范围为:10000H~1FFFFH。

备注:“数据在21F60H内存单元中。”对于8086 PC机这句话一般不这样讲,取而代之的是两种类似的说法:

(1)数据存在内存2000:1F60单元中;

(2)数据存在内存的2000段中的1F60单元中。

这两种描述都表示“数据在内存21F60单元中”。

监测点2.2:

(1)给定段地址为0001H,仅通过变化偏移地址寻址,CPU的寻址范围为 0010H 到 1000FH

解题过程:

物理地址=SA*16+EA   

EA的变化范围为0h~ffffh   

物理地址范围为(SA*16+0h)~(SA*16+ffffh)   

现在SA=0001h,那么寻址范围为   

(0001h*16+0h)~(0001h*16+ffffh)   

=0010h~1000fh  

(2)有一数据存放在内存20000H单元中,现给定段地址为SA,若想用偏移地址寻到此单元。则SA应满足的条件是:最小为1001H,最大为2000H。

解题过程:

物理地址=SA*16+EA   

EA的变化范围为0h~ffffh   

即:20000H=SA*16+EA;SA=(20000H-EA)/16= 2000H-EA/16;

EA取最大值时,SA=2000h - ffffh/16=1001h,SA为最小值   

EA取最小值时,SA=2000h - 0h/16=2000h,SA为最大值 

6、段寄存器

段寄存器:

段寄存器就是提供段地址的,8086CPU 有4个段寄存器:CS、DS、SS、ES;

当8086CPU要访问内存时,由这4个段寄存器提供内存单元的段地址;

CS和IP是8086CPU中最关键的寄存器,它们指示了CPU当前要读取指令的地址

CS为代码段寄存器;IP为指令指针寄存器。

8086CPU读取和执行指令相关部件:

8086CPU工作过程 简要描述:

(1)从CS:IP指向内存单元读取指令,读取的指令进入指令缓冲器;

(2)IP=IP+所读取指令的长度,从而指向下一条指令;

(3)执行指令。转到步骤(1),重复这个过程;

我们在第一章中讲过,在内存中,指令和数据没有任何区别,都是二进制信息,CPU在工作的时候把所有的信息看作指令,有的信息看作数据。现在,如果提出一个问题:CPU根据什么将内存中的信息看作指令?读者如何回答?我们可以说,CPU将CS:IP指向的内存单元中的内容看作指令,因为,在任何时候,CPU将CS、IP中的内容当作指令的段地址和偏移地址,用它们合成指令的物理地址,到内存中读取指令码,执行。如果说,内存中的一段信息曾被CPU执行过的话,那么,它所在的内存单元必然被CS:IP指向过。

修改CS、IP的指令:

1、传送指令:MOV 指令可以改变8086CPU大部分寄存器的值,被称为传送指令。但是MOV指令不能用于设置CS、IP的值。

2、转移指令:

同时修改CS、IP的内容:

(2)jmp 段地址:偏移地址

 jmp 2AE3:3

 jmp 3:0B16

功能:用指令中给出的段地址修改CS,偏移地址修改IP。

2、仅修改 IP 的内容:

jmp 某一合法寄存器

 jmp ax(类似 MOV IP,ax)

 jmp bx

功能:用寄存器中的值修改IP。

内存中存放的机器码和对应汇编指令情况:(初始:CS=2000H,IP=0000H)

问题分析结果:

  • (1) mov ax,6622
  • (2) jmp 1000:3
  • (3) mov ax,0000
  • (4) mov bx,ax
  • (5) jmp bx
  • (6) mov ax,0123H
  • (7) 转到第(3)步执行

7、代码段:

对于8086PC机,在编程时,可以根据需要,将一组内存单元定义为一个段。

可以将长度为N(N<=64KB)的一组代码,存在一组地址连续、起始地址为16的倍数的内存单元中,这段内存是用来存放代码的,从而定义了一个代码段。

例如:

这段长度为 10 字节的字节的指令,存在从123B0H~123B9H的一组内存单元中,我们就可以认为,123B0H~123B9H这段内存单元是用来存放代码的 ,是一个代码段 ,它的段地址为123BH,长度为10字节。

小结:

1、段地址在8086CPU的寄存器中存放。当8086CPU要访问内存时,由段寄存器提供内存单元的段地址。8086CPU有4个段寄存器,其中CS用来存放指令的段地址。

2、CS存放指令的段地址,IP存放指令的偏移地址。8086机中,任意时刻,CPU将CS:IP指向的内容当作指令执行。

3、8086CPU的工作过程:

  • (1) 从CS:IP指向内存单元读取指令,读取的指令进入指令缓冲器;
  • (2) IP指向下一条指令;
  • (3) 执行指令。(转到步骤 (1),重复这个过程。)

4、8086CPU提供转移指令修改CS、IP的内容。

检测点 2.3

下面的3条指令执行后,CPU几次修改IP? 都是在什么时候?最后IP中的值是多少?

mov ax,bx

sub ax ,ax

jmp ax

答:修改4次:第一次在CPU读取 “mov ax ,bx”后,第二次在CPU读取 “sub ax ,ax”后,第三次在CPU读取“jmp ax”后,第四次在CPU执行完“mov ax,bx”后,最后IP中的值为0.

实验1:

查看CPU和内存,用机器指令和汇编指令编程

  • R命令查看、改变CPU寄存器的内容;
  • D命令查看内存中的内容;
  • E命令改写内存中的内容;
  • U命令将内存中的机器指令翻译成汇编指令;
  • T命令执行一条机器指令;
  • A命令以汇编指令的格式在内存中写入一条机器指令。

参考:

win10环境下如何运行debug

汇编环境的搭建(windows 10 + debug)

 

 

<think>我们正在讨论计算机组成原理中的寄存器长度问题。根据用户提供的引用之前的问题,我们需要解释寄存器长度的概念、作用以及相关知识点。 首先,从引用[1]中我们知道: - 存储字长(m)是存储单元包含的存储元件个数,每个存储元件存储一个二进制位。 - 字长(Word)是计算机中一次处理的数据单位,例如64位计算机的字长为64位(8字节)。 - 字长影响CPU的数据处理能力、寄存器大小、内存寻址范围等。 引用[2]提到寄存器组(R寄存器组)CPU设计,引用[3]则讨论了八位寄存器以及主频与运行速度的关系。 因此,我们需要围绕以下要点展开: 1. 寄存器长度的定义:寄存器长度通常指寄存器能够存储的二进制位数,例如8位寄存器能存储8位二进制数。 2. 寄存器长度与字长的关系:在计算机中,寄存器长度通常等于CPU的字长。例如,在64位计算机中,通用寄存器的长度是64位。 3. 寄存器长度的影响: - 数据处理能力:寄存器长度决定了CPU一次能处理的数据量。64位寄存器一次可以处理64位数据,而32位寄存器则需要分两次处理。 - 寻址范围:地址寄存器的长度决定了内存寻址范围。例如,32位地址寄存器最大寻址4GB(2^32字节),64位则大得多。 - 寄存器大小:寄存器长度也决定了寄存器本身占用的硬件资源(如触发器数量)。 4. 寄存器长度在计算机组成原理实验中的体现:如引用[2][3]中提到的,设计CPU时需要确定寄存器的位数,这直接影响数据通路的宽度指令集的设计。 另外,引用[3]还提到主频不是决定计算机速度的唯一因素,同样,寄存器长度也不是唯一因素,但它是基础。 根据这些信息,我们可以组织回答如下: ### 寄存器长度:计算机组成原理核心概念 在计算机组成原理中,**寄存器长度**(也称寄存器位数或字长)指寄存器能够存储的二进制位数,它是计算机体系结构的基础设计参数,直接影响处理器的性能功能。 #### 一、寄存器长度的定义与作用 1. **基本定义** 寄存器长度 = 寄存器中存储元件的数量(每个存储元件存1位二进制数) - 示例:8位寄存器 → 8个触发器 → 存储范围 $0\sim2^8-1$(即0~255)[^3] - 通用寄存器长度通常等于**机器字长**(CPU一次处理的二进制位数)[^1] 2. **核心作用** | 影响维度 | 数学关系 | 实例说明 | |------------------|------------------------------|--------------------------| | 数据处理能力 | 单次处理数据量 = 寄存器长度 | 64位寄存器可一次性完成64位整数加法 | | 内存寻址范围 | 最大寻址空间 = $2^{\text{地址寄存器长度}}$ | 32位地址寄存器 → 4GB寻址空间[^1] | | 指令集设计 | 操作数宽度 ≤ 寄存器长度 | MOV指令在16位CPU中只能操作16位数据 | #### 二、寄存器长度与计算机体系结构的关系 1. **与CPU字长统一** 现代计算机中,**通用寄存器长度 = CPU字长**: - 32位CPU → 寄存器长度32位 - 64位CPU → 寄存器长度64位 这种设计确保数据在寄存器、ALU内存总线间高效传输[^1]。 2. **关键组件示例** ```mermaid graph LR A[寄存器长度] --> B[数据通路宽度] A --> C[地址总线宽度] A --> D[指令操作码设计] ``` - *数据通路宽度*:CPU内部数据流动的并行位数,通常等于寄存器长度 - *地址总线宽度*:由地址寄存器长度决定(如ARMv8的64位地址寄存器)[^1] #### 三、寄存器长度对性能的影响 引用[3]指出:**计算机速度 ≠ 仅由主频决定**,寄存器长度同样关键: - **正比影响**:寄存器长度↑ → 单指令处理数据量↑ → 计算效率↑ $$ \text{理论吞吐量} \propto \frac{\text{寄存器长度}}{\text{时钟周期}} $$ - **制约关系**: - 过短的寄存器长度(如8位)需多次操作处理大数,降低效率 - 过长的寄存器长度增加硬件成本(触发器数量倍增) > *案例对比*: > 用32位寄存器计算64位加法: > 需2次加法+进位处理 → 至少3条指令 > 用64位寄存器:仅1条ADD指令[^1] #### 四、实验中的寄存器设计(参考引用[2][3]) 在FPGA上实现CPU时(如MIPS架构): 1. **寄存器组设计** - 长度:由指令集决定(如32位MIPS使用32位寄存器) - 数量:通常32个通用寄存器(MIPS的R0~R31) - 实现:用寄存器堆(Register File)模块,包含 $n \times m$ 存储矩阵($n$=寄存器数量,$m$=寄存器长度)[^2] 2. **硬件描述关键代码**(Verilog示例) ```verilog module RegisterFile ( input clk, input [4:0] read_addr1, read_addr2, write_addr, input [31:0] write_data, // 32位寄存器长度 input write_en, output [31:0] read_data1, read_data2 ); reg [31:0] rf[0:31]; // 32个32位寄存器 always @(posedge clk) begin if (write_en) rf[write_addr] <= write_data; end assign read_data1 = rf[read_addr1]; assign read_data2 = rf[read_addr2]; endmodule ``` #### 五、常见误区辨析 1. **长度vs存储容量** 寄存器长度 ≠ 寄存器数量: - 长度:单个寄存器存储位数(如64位) - 数量:CPU中寄存器的总数(如x86的16个通用寄存器) 2. **主频与寄存器长度的协同** 高性能CPU需同时优化: $$ \text{实际性能} = f(\text{主频}, \text{寄存器长度}, \text{指令效率}) $$ 片面提高主频而寄存器长度不足时,会出现“数据吞吐瓶颈”[^3]。 --- ### 总结 寄存器长度是计算机体系结构的根基,它定义了: 1. CPU的**数据处理粒度** 2. 内存的**寻址能力边界** 3. 指令系统的**设计框架** 在计算机组成原理实验中,寄存器长度是CPU硬件设计的首要参数,需根据目标指令集(如MIPS32/64)精确设定[^2][^3]。 --- §§ 相关问题 §§ 1. 32位CPU与64位CPU在寄存器设计上有哪些具体差异? 2. 如何通过增加寄存器长度来扩展内存寻址空间? 3. 在FPGA上设计寄存器堆时,寄存器长度如何影响硬件资源消耗? 4. 为什么现代CPU通常采用通用寄存器组而非专用寄存器? [^1]: 计算机组成原理。存储体:由n个存储单元构成,每个存储单元又包含m个存储元件... [^2]: 计算机组成原理R寄存器组,计算机组成原理实验的探讨论文(2)... [^3]: 计算机组成原理实验二八位寄存器,计算机组成原理课后参考答案...</think>### 寄存器长度:计算机组成原理核心概念 在计算机组成原理中,**寄存器长度**(也称寄存器位数或字长)指寄存器能够存储的二进制位数,它是计算机体系结构的基础设计参数,直接影响处理器的性能功能。 --- #### 一、寄存器长度的定义与作用 1. **基本定义** 寄存器长度 = 寄存器中存储元件的数量(每个存储元件存1位二进制数) - 示例:8位寄存器 → 8个触发器 → 存储范围 $0\sim2^8-1$(即0~255)[^3] - 通用寄存器长度通常等于**机器字长**(CPU一次处理的二进制位数)[^1] 2. **核心作用** | 影响维度 | 数学关系 | 实例说明 | |------------------|------------------------------|--------------------------| | 数据处理能力 | 单次处理数据量 = 寄存器长度 | 64位寄存器可一次性完成64位整数加法 | | 内存寻址范围 | 最大寻址空间 = $2^{\text{地址寄存器长度}}$ | 32位地址寄存器 → 4GB寻址空间[^1] | | 指令集设计 | 操作数宽度 ≤ 寄存器长度 | MOV指令在16位CPU中只能操作16位数据 | #### 二、寄存器长度与计算机体系结构的关系 1. **与CPU字长统一** 现代计算机中,**通用寄存器长度 = CPU字长**: - 32位CPU → 寄存器长度32位 - 64位CPU → 寄存器长度64位 这种设计确保数据在寄存器、ALU内存总线间高效传输[^1]。 2. **关键组件示例** ```mermaid graph LR A[寄存器长度] --> B[数据通路宽度] A --> C[地址总线宽度] A --> D[指令操作码设计] ``` - *数据通路宽度*:CPU内部数据流动的并行位数,通常等于寄存器长度 - *地址总线宽度*:由地址寄存器长度决定(如ARMv8的64位地址寄存器)[^1] #### 三、寄存器长度对性能的影响 引用[3]指出:**计算机速度 ≠ 仅由主频决定**,寄存器长度同样关键: - **正比影响**:寄存器长度↑ → 单指令处理数据量↑ → 计算效率↑ $$ \text{理论吞吐量} \propto \frac{\text{寄存器长度}}{\text{时钟周期}} $$ - **制约关系**: - 过短的寄存器长度(如8位)需多次操作处理大数,降低效率 - 过长的寄存器长度增加硬件成本(触发器数量倍增) > *案例对比*: > 用32位寄存器计算64位加法: > 需2次加法+进位处理 → 至少3条指令 > 用64位寄存器:仅1条ADD指令[^1] #### 四、实验中的寄存器设计(参考引用[2][3]) 在FPGA上实现CPU时(如MIPS架构): 1. **寄存器组设计** - 长度:由指令集决定(如32位MIPS使用32位寄存器) - 数量:通常32个通用寄存器(MIPS的R0~R31) - 实现:用寄存器堆(Register File)模块,包含 $n \times m$ 存储矩阵($n$=寄存器数量,$m$=寄存器长度)[^2] 2. **硬件描述关键代码**(Verilog示例) ```verilog module RegisterFile ( input clk, input [4:0] read_addr1, read_addr2, write_addr, input [31:0] write_data, // 32位寄存器长度 input write_en, output [31:0] read_data1, read_data2 ); reg [31:0] rf[0:31]; // 32个32位寄存器 always @(posedge clk) begin if (write_en) rf[write_addr] <= write_data; end assign read_data1 = rf[read_addr1]; assign read_data2 = rf[read_addr2]; endmodule ``` #### 五、常见误区辨析 1. **长度vs存储容量** 寄存器长度 ≠ 寄存器数量: - 长度:单个寄存器存储位数(如64位) - 数量:CPU中寄存器的总数(如x86的16个通用寄存器) 2. **主频与寄存器长度的协同** 高性能CPU需同时优化: $$ \text{实际性能} = f(\text{主频}, \text{寄存器长度}, \text{指令效率}) $$ 片面提高主频而寄存器长度不足时,会出现“数据吞吐瓶颈”[^3]。 --- ### 总结 寄存器长度是计算机体系结构的根基,它定义了: 1. CPU的**数据处理粒度** 2. 内存的**寻址能力边界** 3. 指令系统的**设计框架** 在计算机组成原理实验中,寄存器长度是CPU硬件设计的首要参数,需根据目标指令集(如MIPS32/64)精确设定[^2][^3]。 ---
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