第5.1章寄存器(cpu工作原理)

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1、CPU寄存器,CPU概述,一个典型的CPU由运算器、控制器、寄存器等器件组成，这些器件靠内部总线相连。 内部总线实现CPU内部各个器件之间的联系。 外部总线实现CPU和主板上其它器件的联系。,寄存器概述,8086CPU有14个寄存器 它们的名称为： AX、BX、CX、DX、SI、DI、SP、BP、 IP、CS、SS、DS、ES、PSW。 这些寄存器以后会陆续介绍,5.1 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。 下面以AX为例，我们看一下寄存器的逻辑结构。,一个16位寄存器可以存储一个16位的数据。

2、（数据的存放情况） 一个16位寄存器所能存储的数据的最大值为多少？ 答案：216-1。,5.1 通用寄存器,16位数据在寄存器中的存放情况,数据：18 二进制表示：10010 在寄存器AX中的存储：,16位数据在寄存器中的存放情况,数据：20000 二进制表示：0100111000100000 在寄存器AX中的存储：,5.1 通用寄存器,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AH和AL； BX可以分为BH和BL； CX可以分为CH和CL； DX可以分为DH和DL。 8086CPU的8位寄存器存储逻辑,5.1 通用

3、寄存器,以AX为例，8086CPU的16位寄存器分为两个8位寄存器的情况：,5.1 通用寄存器,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。 8086CPU的8位寄存器数据存储情况 一个8位寄存器所能存储的数据的最大值是多少？ 答案：28-1。,5.1 通用寄存器,5.2 字在寄存器中的存储,一个字可以存在一个16位寄存器中，这个字的高位字节和低位字节自然就存在这个寄存器的高8位寄存器和低8位寄存器中。,关于数制的讨论,由于一个内存单元可以存放 8位数据，CPU中的寄存器又可存放 n 个 8位数据。也就是说，计算

4、机中的数据大多 是由1N个8位数据构成的。 用十六进制来表示数据可以直观的看 出这个数据是由哪些8位数据构成的。 示例,5.3 几条汇编指令,汇编指令不区分大小写,5.3 几条汇编指令,CPU执行下表中的程序段的每条指令后，对寄存器中的数据进行的改变。,5.3 几条汇编指令,5.3 几条汇编指令,这里的丢失，指的是进位制不能在 8 位寄存器中保存，但是 CPU 不是并真的不丢弃 这个进位值，这个问题会在后面的课程中讨论。,5.5 16位结构的CPU,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

5、运算器之间的通路是16位的。,5.6 8086CPU给出物理地址的方法,8086有20位地址总线，可传送20位地址，寻址能力为1M。 8086内部为16位结构，它只能传送16位的地址，表现出的寻址能力却只有64K。,5.6 8086CPU给出物理地址的方法,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。 8086CPU相关部件的逻辑结构,地址加法器,地址加法器合成物理地址的方法： 物理地址=段地址16+偏移地址 例如： 8086CPU访问地址为123C8H的内存单元 由段地址16引发的讨论,观察移位次数和各种形式数据的关系： （1）一个数据的二进制形式左移1

6、位，相当于该数据乘以2； （2）一个数据的二进制形式左移N位，相当于该数据乘以2的N次方； （3）地址加法器如何完成段地址16的运算？ 以二进制形式存放的段地址左移4位。,由段地址16引发的讨论,5.7 “段地址16+偏移地址=物理地址”的本质含义,两个比喻说明： 说明“基础地址+偏移地址 = 物理地址” 的思想：第一个比喻 说明“段地址16+偏移地址=物理地址”的思想：第二个比喻 8086CPU就是这样一个只能提供两张3位数据纸条的CPU。,“基础地址+偏移地址 = 物理地址”,比如说，学校、体育馆同在一条笔直的单行路上（学校位于路的起点0米处）。 读者在学校，要去图书馆，问我那里的地址，我

7、可以用几种方式描述这个地址？,“基础地址+偏移地址 = 物理地址”,（1）从学校走2826m到图书馆。这2826可以认为是图书馆的物理地址。 （2）从学校走2000m到体育馆，从体育馆再走826m到图书馆。 第一个距离2000m是相对于起点的基础地址； 第二个距离826m是将对于基础地址的偏移地址。,“段地址16+偏移地址=物理地址”,比如我们只能通过纸条来通信，读者问我图书馆的地址，我只能将它写在纸上告诉读者。 显然我必须有一张可以容纳 4 位数据的纸条才能写下2826这个数据：,“段地址16+偏移地址=物理地址”,不巧的是，没有能容纳4位数据的纸条，仅有两张可以容纳3位数据的纸条。 这样我

8、只能以这种方式告诉读者2826这个数据：,5.8 段的概念,错误认识： 内存被划分成了一个一个的段，每一个段有一个段地址。 其实： 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。,5.8 段的概念,我们可以认为：地址10000H100FFH的内存单元组成一个段，该段的起始地址（ 基础地址）为10000H，段地址为1000H，大小为100H。,5.8 段的概念,我们也可以认为地址10000H1007FH、10080H100FFH 的内存单元组成两个段，它们的起始地址（ 基础地址 ）

9、为10000H和10080H，段地址为：1000H 和1008H，大小都为80H。,5.8 段的概念,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。 两点需要注意 内存单元地址小结 特别提示,两点需要注意,（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

10、终的物理地址。 思考两个问题,（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。,内存单元地址小结,内存单元地址小结,（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0FFFFH，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：10000H1FFFFH。,内存单元地址小结,在8086PC机中，存储单元的地址用两个元素来描述。即段地址和偏移地址。 “数据在21F60H内存单元中。”对于8086PC机的两种描述： （a）

11、数据存在内存2000:1F60单元中； （b）数据存在内存的2000段中的1F60H单元中。 可根据需要，将地址连续、起始地址为16的倍数的一组内存单元定义为一个段。,5.9 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。,5.10 CS和IP,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。,8086PC读取和执行指令相关部件,8086PC读取和执行指令演示 8086PC工作过程的简要描述,8086

12、PC工作过程的简要描述,（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。,8086PC工作过程的简要描述,在 8086CPU 加电启动或复位后（ 即 CPU刚开始工作时）CS和IP被设置为CS=FFFFH，IP=0000H，即在8086PC机刚启动时，CPU从内存FFFF0H单元中读取指令执行，FFFF0H单元中的指令是8086PC机开机后执行的第一条指令。,5.10 CS和IP,内存中指令和数据没有任何区别，都是二进制信息，CPU在工作的时候把有的信息看作指

13、令，有的信息看作数据。 CPU根据什么将内存中的信息看作指令？ CPU将CS:IP指向的内存单元中的内容看作指令。,5.10 CS和IP,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。,5.11 修改CS、IP的指令,在CPU中，程序员能够用指令读写的部件只有寄存器，程序员可以通过改变寄存器中的内容实现对CPU的控制。 CPU从何处执行指令是由CS、IP中的内容决定的，程序员可以通过改变CS、IP中的内容来控制CPU执行目标指令。

14、 我们如何改变CS、IP的值呢？,5.11 修改CS、IP的指令,8086CPU必须提供相应的指令 先回想我们如何修改AX中的值？ mov指令不能用于设置CS、IP的值， 8086CPU没有提供这样的功能。 8086CPU为CS、IP提供了另外的指令来改变它们的值：转移指令,如何修改AX中的值？,mov 指令 如：mov ax,123 mov指令可以改变8086CPU大部分寄存器的值，被称为传送指令。 能够通过mov 指令改变CS、IP的值吗？,5.11 修改CS、IP的指令,同时修改CS、IP的内容： jmp 段地址：偏移地址 jmp 2AE3:3 jmp 3:0B16 功能：用指令中给出的

15、段地址修改CS，偏移地址修改IP。,5.11 修改CS、IP的指令,仅修改IP的内容： jmp 某一合法寄存器 jmp ax （类似于 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） 请写出指令执行序列：,问题分析,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,5.12 代码段,对于8086PC机，在编程时，可以根据需要，将一组内

16、存单元定义为一个段。 可以将长度为 N（ N64KB ）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,5.12 代码段,这段长度为 10 字节的字节的指令，存在从123B0H123B9H的一组内存单元中，我们就可以认为，123B0H123B9H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。,5.12 代码段,如何使得代码段中的指令被执行呢？ 将一段内存当作代码段，仅仅是我们在编程时的一种安排，CPU 并不会由于这种安排，就自动地将我们定义得代码段中的指令当作指令来执行。 CPU 只认被 CS:IP 指向的内存单元中的内容为指令。 所以要将CS:IP指向所定义的代码段中的第一条指令的首地址。 CS = 123BH，IP = 0000H。,5.9节5.12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