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1、艰苦奋斗、严谨治学、求实创新、为人师表,第2章 80X86计算机组织结构,1 80X86 计算机的基本结构 2 80X86 CPU的寄存器 3 内存组织结构 4 80X86 CPU的工作模式 5 存储器管理机制,2.1 80X86计算机的基本结构,中央处理器 总线结构 存储器 外部设备,图 2-1 计算机的基本结构,中央处理器-CPU,中央处理器又称为微处理器，内部包括运算器、控制器和寄存器三部分组成。 中央处理器CPU的主要功能是执行存放在内存储器中的指令。 执行步骤:取指-分析操作码-执行,运算器也称为算术逻辑部件，是用来执行指令所要求的算术运算、逻辑运算和数据传送等操作。 控制器是控制执
2、行步骤；从内存中取出指令，分析指令的操作码, 完成操作数的存取，发出相应的控制命令等。,总线结构,总线负责传送地址、数据和控制信息，因此包括： 数据总线DB（Data Bus） 地址总线AB（Address Bus） 控制总线CB（Control Bus） 三总线的主要任务是负责CPU与内存、外存、外部设备交换信息。,a. 数据总线DB 数据总线是用来传送数据的。 CPU与内存、I/O设备之间通过数据总线传送数据，80x86系列的数据总线有8位、16位、32位和64位。,b.地址总线AB 地址总线是用来传送地址的。 当CPU与内存、I/O设备之间交换信息时，首先要传送地址，内存中的每个字节都对
3、应着一个唯一的地址，I/O设备也是如此。 地址总线的位数与寻址空间有着直接的关系。 例如：8086/8088地址总线20根，则可访问的地址为： 220 =1，048，576 = 1M 则8086/8088最大可用的存储空间为1M字节。,c.控制总线CB 控制总线是传送控制信息的。 CPU与内存、外设备之间的数据传送操作为读写操作。 读写信息就是控制信息，是通过控制总线传送的。 不同型号的CPU总线位数不同，相应的字长与寻址空间也不同。,存储器,存储器是计算机的记忆部件,包括内存(主存)和外部存储器(辅助存储器), 存储器中存放的是指令和数据。 存储器由若干存储单元构成,存储单元的最小单位是字节
4、。 将所有的存储单元按顺序编号，即每一个字节有一个唯一的编号，这些编号称为存储单元的地址(也称为物理地址)。,若CPU要存取某个存储单元的内容，则首先提供该存储单元的地址，然后按地址选中对应的存储单元，就可以对单元内容进行存取操作。,IBM PC机及其兼容机的存储器系统主要分为3个主要部分：程序暂驻区(TPA)、系统内存区和扩展存储区(XMS),图2-2 IBM PC机及其兼容机的存储器映像,外部设备,在微机系统中最常用的外部设备有： 键盘 显示器 打印机 外部存储器等 CPU与外部设备交换信息是通过I/O接口电路来完成的。,2.2 80X86CPU的寄存器,通用寄存器 控制寄存器 段寄存器,
5、图 2-3 80X86寄存器组,通用寄存器,80x86CPU的通用寄存器包括：4个32位数据寄存器，2个32位指针寄存器，2个32位变址寄存器。 8个8位通用寄存器： AL、AH、BL、BH、CL、CH、DL、DH。 8个16位通用寄存器：AX、BX、CX、DX、SI、DI、BP、SP。 8个32位通用寄存器：EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、EBP、ESP。,1. 数据寄存器 （AX、BX、CX、DX） 4个16位数据寄存器AX、BX、CX、DX，每个又可以分为两个独立的8位寄存器AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH、DL。 4个32位通用寄存器：用于80386以上的机型：
6、EAX、EBX、ECX、EDX。,2.指针寄存器（SP、BP、IP） SP:堆栈指针寄存器，存放当前堆栈段栈顶的偏移地址，ES与SS堆栈寄存器配合存取堆栈中的数据。在实模式方式(SP)，保护模式(ESP)。 BP:为基址指针寄存器，在间接寻址时，用来存放基地址，是相对于堆栈段的基地址。 IP:为指令指针寄存器，是存放当前正在执行的指令的下一条指令的偏移地址，该寄存器所指的地址为代码段的偏移地址。,3.变址寄存器(SI、DI) SI 为源变址寄存器，间接寻址时，在指令中用于地址寄存器和变址寄存器，在串操作时用于源串的地址。 DI 为目的变址寄存器，间接寻址时，在指令中用于地址寄存器和变址寄存器，
7、在串操作时用于目的串的地址。,控制寄存器,FLAGS为标志寄存器，用于表示程序运行时的状态和一些特殊控制. 8086/808880286的标志寄存器为16位，80386以上的标志寄存器为32位。,图2-4 8086/8088 标志寄存器,图2-5 80286 Pentium的标志寄存器,表2-3 8086/8088标志寄存器状态功能表,段寄存器 在PC机中存储器是采用分段管理的方法来组织数据，代码和数据是分开存放的，代码放在代码段中，数据放在数据段中. 所谓的段（segment）就是在内存中所定义的一片存储空间，因此某个存储单元的物理地址需要用段基地址和偏移地址表示. 段的基地址就存放在段寄存
8、器中，一个程序可以由多个段组成.,808680286，有4个段寄存器，即代码段CS、数据段DS、堆栈段SS、附加段ES。在程序执行过程中可以访问4个当前段。 80386及以上的机器，有6个段寄存器，增加了FS、GS为附加的数据段寄存器。在程序执行过程中可以访问6个当前段。,2.3 内存组织结构,内存的地址 字节、字的存放 堆栈,内存的地址 在存储器中内存单元的基本单位为字节，每个字节都有一个唯一的地址。,图2-6 内存单元的地址与内容,字的地址：字是由两个字节组成，如图2-6所示,则字1234H的地址为00002H,低字节在前（地址为00002H） 高字节在后（地址为00003H）.,存储单元
9、的内容 一个存储单元存放的信息为存储单元的内容 字节单元内容：地址00002H的内容为34H,表示为（00002H）=34H。 字单元内容：多用偶地址来表示字单元的地址，字的低字节在偶地址上为偶地址，地址00002H的字单元内容为1234H,表示为（00002H）=1234H。如图2.6所示。 某单元内容的内容：某单元的内容为要寻找的单元地址，该地址所指的内容为要寻找的内容。,图2-7某单元内容的内容,（0004H）=1234H （1234H）=FFEEH 则记（0004H）=FFEEH；两个括号表示内容的内容，即地址0004H单元的内容的内容为FFEEH。,堆栈,堆栈(stack)是内存中的
10、一块特定区域，是一个常用的数据结构，在堆栈中的内容是按照“先进后出”的原则进行操作的。 通常用来暂存数据、子程序(过程)调用与返回，调用中断处理程序与从中断处理程序返回等。,2.4 80X86 CPU的工作模式,实模式 保护模式,实模式,内存地址的分段 8086/8088地址总线20根可访问的地址为： 220 =1，048，576 = 1M 分段方法 用16位段地址与16位段内地址的迭加形成20位物理地址，放在16位段寄存器内的段地址定义在任意64K字节存储段的起始地址上，段内地址（偏移地址）定义在64K字节存储段内的任意单元。,地址的组合：物理地址=段地址*16D（或10H）+偏移地址，即物
11、理地址等于2进制的16位段地址乘以16（左移4位）加2进制16位偏移地址。 为了书写方便一般采用16进制表示地址和数据，则物理地址等于16进制的4位段地址乘以10H（左移1位）加16进制4位偏移地址。 如图2-9所示。,图2-9 物理地址的组合,图2-10实模式下的存储器的段结构,物理地址、段地址、段内地址和逻辑地址 （1）物理地址：与内存单元一一对应的20位2进制（或5位16进制）表示的地址为物理地址。 1MB=00000H FFFFFH 每个物理地址代表一个唯一的内存单元。,（2）段地址：将1MB的内存空间分成长为64K字节的程序区和数据区为段，每个段用1个16位2进制地址表示。 在实模式
12、下的寄存器为16位寄存器，段地址是存放在段寄存器中 代码段是存放源程序的2进制程序代码，该段的段地址放在CS中 数据段是存放操作数据的，其段地址放在DS中 堆栈段是堆栈用的存储区，其段地址放在SS中 附加段的段地址放在ES中,（3）段内地址：（偏移地址或偏移值）：16位2进制段内地址为偏移地址。 不同段内的偏移地址是存放在不同的寄存器中，段寄存器与装偏移地址的寄存器是按照一定的要求组合的。 组合方式如表 2-4 所示。对于808680286允许访问4个存储段，80386以上允许访问6个存储段，其段寄存器与偏移地址的寄存器的组合方法如表 2-5 所示。,（4）逻辑地址：用段地址和偏移地址来表示内
13、存单元的地址为逻辑地址，两地址之间用“：”隔开。 常写成：段地址：偏移地址 例如： 物理地址为00001H 逻辑地址为0000H：0001H 当物理地址为00001H时，其逻辑地址为0000H：0001H，段地址为0000H段内地址为0001H。,逻辑地址与物理地址的换算关系 逻辑地址是段地址和偏移地址的组合表示，物理地址是段地址和偏移地址的迭加表示。 物理地址=段地址*16D（或10H）+偏移地址 逻辑地址=段地址：偏移地址,【例2-7】设逻辑地址为1111H：2222H 则物理地址为：1111H10H+2222H=13332H 表示：当逻辑地址为1111H：2222H时物理地址为13332
14、H 假设段地址1111H为代码段地址， 则1111H存放在代码段寄存器CS中， 偏移地址2222H就放在指针寄存器IP中。如图2-12所示。,图2-12,【例2-8】167B6H为物理地址其逻辑地址为多种组合： 1000H：67B6H 1001H：67A6H 1002H：6796H 1366H：3166H 1367H：3156H 167BH：0006H 段地址加1，偏移地址就减10H（16）个字节，则每种组合的物理地址均为167B6H。,内存分配方法 例如，某一程序的长度为1020个字节，操作数占510个字节，堆栈段大约用250个字节， 在定义时将代码段长度定为1024D=400H ，数据段长
15、度 512D=200H，堆栈段长度256D=100H ，系统以节的边界对齐。 假设系统给程序分配的内存区从6100H开始。 代码段起始地址6100 H，代码段的偏移地址为000003FFH，即代码段长度为400H， 数据段起始地址6140 H ，数据段的偏移地址为000001FFH，即数据段长度为200 H， 堆栈段起始地址6160 H ，堆栈段的偏移地址为000000FFH，即堆栈段长度为100H。,所以代码段：6100 H10H+0000H +0001H 400H个字节（1024个字节） +03FFH 数据段：6140H*10H+0000H +0001H 200 H个字节（512个字节） +01FFH 堆栈段：6160H*10H+0000H +0001H 100H个字节（256个字节） 00FFH,图2-13 内存分配方法,段与段之间的关系 8088/8086 CPU 是把1M的存储空间划分成若干个逻辑段，每个段的起始地址必须是能够被16整除的数，逻辑段的最大长度为64K，因此，1M字节的存储空间最多可以分成64K个逻辑段，段与段之间可以相邻，分离，重叠，部分重叠，这种分段方法便于数据与代码之间的隔离，段与段的互访和共享内存，带来了灵活性。,段与段之间的关系如图 2-14所示。,2.5 存储器管理机制,分段管理机制 分页管理机制,
