第二章 80 x86计算机组织,主要内容,2.1 80 x86微处理器 2.2 基于微处理器的计算机系统 2.3 中央处理机 2.4 存储器 2.5 外部设备,2.1 80 x86微处理器,1、80 x86是美国Intel公司的微处理器系列 1969：4040芯片、4位 1973：8080芯片、8位 1978：8086芯片、16位 1979：8088芯片、16位 1982：80286芯片、16位 1986：80386芯片、32位 Pentium系列,2.一些名词术语(1),主频：主时钟频率，影响运行计算机速度 数据总线：负责各部分间的数据传送 数据总线宽度：芯片内传送数据的宽度 外部数据总线宽度：芯片内和芯片外交换数据的宽度 地址总线宽度：用以确定可访问的存储器的最大范围,地址总线宽度,10位：210=1024单元，1K 20位：220=1024* 210单元=1024K，1M 24位：224=16*1M，16M 30位：230=1024M，1G 32位：232=4G，即4GB,2.一些名词术语(2),存储器 主存、高速缓存、外存储器 指令执行时间 8086：400ns； 80286：250ns； 80486：25ns；Pentium：25ns/2； Pentium Pro：25ns/3； Pentium II： 工作方式 （1）实模式（2）保护模式（3）虚拟模式,工作方式,（1）实模式：段寄存器保护实际的段地址，但只限于1M的寻址 （2）保护模式：有更大寻址能力，使用各种表格，段的实际地址放在描述符表中，使用段选择器 （3）虚拟模式：提供比主存更大的空间，程序可放在外存上，执行时调入，模拟多个CPU,2.2基于微处理器的计算机系统,计算机系统,计算机系统包括硬件和软件两部分： 1硬件： 2软件：,2.2.1 硬件,结构图：,功能部件,存储器：计算机的记忆部件 中央处理机：包括运算器和控制器 运算器：执行算术和逻辑运算指令 控制器：负责全机的控制工作，如取指令、译码、分析、取数、执行、存数 I/O系统：I/O设备、大容量存储器 系统总线：数据线、地址线和控制线三组,2.2.2 软 件,计算机软件：系统软件、用户软件 系统软件： 用户软件： 操作系统：主要部分是常驻监督程序 I/O驱动程序：对I/O设备进行控制或管理,计算机软件层次图,其它软件（1）,文件管理系统： 文本编辑程序：如editor(edit命令）， 记事本、写字板 翻译程序：分编译程序、解释程序 汇编程序：Asm、Masm、Tasm ASM：小汇编程序，它占有较小的存储区，功能较弱 MASM：宏汇编程序，功能较强，具有宏汇编能力 Masm for windows集成实验环境,其它软件（2）,连接程序：程序、库文件或其他已翻译的子程序连接在一起，形成机器可执行程序 装入程序：把程序从外存送到内存 调试程序： 系统带的调试程序Debug：举例 Turbo Debug程序：Tdebug Masm for windows集成实验环境,机器语言、汇编语言和高级语言,机器语言：二进制指令代码组成，机器可直接识别并执行、不必依赖任何软件 汇编语言：一种符号语言，它几乎和机器语言一一对应，使用助记符。是面向机器，便于记忆的语言。 高级语言：用脱离机器指令、用易理解的方式编写的程序，在抽象级上运行,机器语言和汇编语言的特点,汇编语言和机器语言一一对应，运行在计算机的具体级上。处理对象是位、字节、字以及CPU寄存器和存储单元。 汇编语言能够精确、逼真地描述计算机执行的每一具体步骤，程序质量高。 汇编语言可移植性差，编程较复杂，还需了解计算机硬件知识。,高级语言的特点,高级语言在计算机的抽象级上运行，处理对象是变量、数组等各种类型的数据。 高级语言编程容易，可移植性好。 在计算机的抽象级上运行，直接利用硬件系统性能差，缺乏与硬件直接发生联系的语句，影响编程技巧的发挥。,2.3 中央处理机,2.3.1 中央处理机CPU的组成 2.3.2 8086/8088的寄存器组,2.3.1 中央处理机CPU的组成,CPU由三部分组成: 算术逻辑部件ALU：用来进行算术和逻辑运算。 控制逻辑：负责对全机的控制工作，包括：取指、译指、取操作数，发执行指令、结果存入存储器、对总线和I/O传送的控制等。 寄存器：相当于运算器中的一个存储单元,2.3.2 8086/8088的寄存器组,寄存器：可见寄存器、不可见寄存器 可见寄存器： 通用寄存器 专用寄存器 段寄存器,通用寄存器（1）,8086/8088、80286： 数据寄存器：AX，BX，CX，DX，16位 可作8位寄存器用：AH，AL，DH，DL等 变址寄存器：SP，BP，SI，DI，16位,数据寄存器的用途,AX：作累加器，算术运算主要寄存器；在I/O时用AX与外部设备传送信息 BX：在计算存储器地址时，常作基址寄存器 CX：作计数器 DX：作双字长运算时把DX和AX组合存放一个双字长数；在I/O时，DX可用来存放I/O的端口地址,SP、BP、SI、DI,SP：堆栈指针寄存器。 BP：基址指针寄存器 SI：源变址寄存器 DI：目的变址寄存器,SP用来指示栈顶的偏移地址； BP可作为堆栈区中的一个基地址以便访问堆栈中的其他信息,变址寄存器的用途,可象数据寄存器一样在运算过程中存放操作数； 在段内寻址时提供偏移地址 SP、BP都可以与SS寄存器联用来确定堆栈段中的某一存储单元的地址 SI、DI一般与DS联用： 在串处理指令中，SI和DS联用，DI和ES联用,关于SP、BP,通用寄存器（2）,80386及后继机型： 数据寄存器： EAX、EBX、ECX、EDX，32位 可作8位寄存器用：AH，AL，DH，DL等 可作16位寄存器用：AX，BX，CX，DX 变址寄存器：ESP、EBP、ESI、EDI，32位 每个的专用属性与8086/8088、80286的寄存器一一对应,专用寄存器（1）,8086/8088、80286： IP、SP、FLAGS16位 IP：指令指针寄存器。供系统使用，存放代码段中的偏移地址，与CS寄存器联用确定下一条指令的物理地址，指向下一条指令的首地址 FLAGS：程序状态字寄存器PSW。放条件码标志、控制标志、系统标志,专用寄存器（2）,80386及后继机型： EIP、ESP、EFLAGS32位 与IP、SP、FLAGS16位的作用相同,程序状态字寄存器,8086/8088、80286： 条件码标志： OF、SF、ZF、CF、AF、PF 控制标志位：DF 系统标志位：TF、IF、IOPL（80286）,IOPL,条件码标志,OF：溢出标志。运算时如操作数超出机器表示范围称为溢出。此时OF位置1；否则置0。 SF：符号标志。记录运算结果的符号，结果为负时置1，否则置0。 ZF：零标志。运算结果为0，置1；否则置0。 CF：进位标志。记录从最高有效位产生的进位值。最高有效位有进位时置1，否则置0。 AF：辅助进位标志。记录运算时第3位产生的进位值。如第3位有进位时置1，否则置0。 PF：奇偶标志。当结果操作数中1的个数为偶数时置1，否则置0。,标志符号 举例,控制标志位,控制标志位 ：DF 方向标志，用于串处理指令处理 DF位为1时，每次操作后使变址寄存器SI和DI减量，使串处理从高地址向低地址方向处理： 当DF位为0时，则使SI和DI增量，使串处理从低地址向高地址方向处理：,系统标志位,IF：中断标志。 当IF=1时，允许中断； IF=1时关闭中断 TF：陷井标志（跟踪标志）。用于单步方式操作 IOPL：I/O特权级。控制对I/O地址空间访问,段寄存器,8086/8088、80286：四个段寄存器 代码段CS，数据段DS，堆栈段SS，附加段ES 80386及后继机型：六个段寄存器 代码段CS，数据段DS，堆栈段SS，附加段ES、FS、GS-都是16位 举例：,2.4 存储器,2.4.1 存储单元的地址和内容 2.4.2 实模式存储器寻址 2.4.3 保护模式存储器寻址,2.4.1 存储单元的地址和内容,位、字节和字 位：计算机存储信息的基本单位，存储二进制数:0或1。 字节：每8位组成一个字节，在存储器里以字节单位存储。 字长：8086/8088、80286字长为16位，由2个字节组成；80386字长为32位，由4个字节组成，双字,2. 存储器地址,存储器地址 分配给每一个字节单元的编号。地址从0开始编号，顺序地每次加1 每一个字节单元有唯一一个地址：物理地址 8086/8088： 20位，地址范围应该是00000HFFFFFH 80286： 24位，地址范围应该是000000HFFFFFFH 80386： 32位；Pentium： 36位,3存储单元的内容,存储单元的内容：一个存储单元存放的信息 (0004) = 1234H 字存放方式：低位字节放低地址，高位字节放高地址，以其低地址为准 同一个地址既可看作字节单元地址，又可看作字单元地址 双字数据存放：类似,4地址和内容,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 举例： (0004H)=1234H，而(1234H)=2FlEH， 则也可记作 (0004H)=2F1EH,5存储器的特性,它的内容取之不尽 存入新的信息后，原来保存的内容就自动丢失,2.4.2 实模式存储器寻址,存储器地址的分段 段寄存器,存储器地址的分段,实模式下最大寻址能力1MB 8086/8088：有20条地址线，直接寻址能力为1MB，即为该机的最大存储容量。 其他处理器：实模式下最大寻址能力1MB 问题：对16位字长的机器，用什么办法来提供20位地址，即1MB空间？分段。实模式为8086/8088而设计。,几个名词,段：将存储器划分成段，每个段的大小可达64K，每段内地址可以用16位表示 小段：从0地址开始，每16个字节为一小段： 00000，00001，00002，0000E，0000F； 00010，00011，00012，0001E，0001F； 00020，00021，00022，0002E，0002F； 段地址：指每一段的起始地址,第一列就是每个小段的首地址 在1M字节的地址空间里，共有64K个小段首地址： 00000H 00010H 41230H 41240H FFFE0H FFFF0H,物理地址,存储单元的物理地址：在1M字节的存储器里，每一个存储单元对应的一个唯一的20位地址 物理地址的构成：20位物理地址由16位段地址和16位偏移地址组成 段地址：它必须是小段的首地址，其低4位一定是0，这样就规定段地址只取段起始地址的高16位值。 偏移地址：指段内相对于段起始地址的偏移值,物理地址的计算,公式：物理地址=16d段地址+偏移地址,16位段地址,0000,16位偏移地址,20位物理地址,+,2段寄存器,808680286：代码段CS、数据段DS、堆栈段SS、附加段ES寄存器 用途：确定一个段的起始地址，各有各的用途： 1）代码段存放当前正在运行的程序代码 2）数据段存放当前运行程序所用的数据 3）堆栈段定义了堆栈的所在区域。堆栈是一种数据结构，是特殊的存储区。特点：后进先出 4）附加段是附加的数据段，是一个辅助的数据区,举例：程序中代码段占8K(2000H)存储区，数据段占有2K(800H)存储区，堆栈段只占有256个字节的存储区，分配图：,段分配独立的情况,8086/8088、80286段寄存器与放偏移地址的寄存器的默认组合,80386及后继机型段寄存器与放偏移地址的寄存器的默认组合,2.4.3 保护模式存储器