第1章1微机原理,汇编与接口技术课件

12007.6.13微机原理、汇编与接口技术王燕芳2《天河一号》成为全球最快计算机2009年11月7日国际超级计算机TOP500组织正式发布第36届世界超级计算机500强排行榜。《天河一号》超级计算机系统位居世界第一。峰值速度：4700万亿次，持续速度：2566万亿次浮点运算/秒。31.11.21.31.4计算机的数和编码微型计算机的结构和工作原理80x86微处理器第1章微型计算机基础1.580x86的寄存器80x86的工作方式与存储器物理地址的生成41.21.11.31.4计算机的数和编码微型计算机的结构和工作原理80x86微处理器第1章微型计算机基础1.580x86的寄存器80x86的工作方式与存储器物理地址的生成5位(bit)—计算机所能表示的最小的数据单元。1个二进制位有两种状态“0”和“1”字(word)—计算机内部数据处理的基本单位，与寄存器、ALU宽度一致,每一个字所包含的二进制位数称为字长字节(Byte)—8bit组成一个字节。指令(instruction)程序(program)指令系统(instructionset)1.2.1微型计算机常用的术语61.2.2微型计算机的基本结构微型计算机的基本组成如图所示：7微机的核心部件,具有运算和控制功能组成：算术逻辑单元ALU(arithmeticlogicunit)寄存器(register)组控制器(controlunit)1.CPU8总线是把计算机各部分有机地连接起来的一组并行导线，是各个部分之间进行信息交换的公共通道微机的三总线：数据总线DB在CPU与存储器/I/O接口之间传送数据(双向).其条数决定了每次同时传送的二进制数的位数。如：8088的数据总线为8条，用D7～D0表示。一次能够传送8位二进制数。2.总线9地址总线AB传送CPU发出的地址，以寻址存储单元或I/O端口。其宽度决定了计算机能够使用的最大存储器容量。如：地址总线为20条，用A19～A0表示，单向。可寻址220=1M的存储空间。控制总线CB向计算机系统的各部件发送操作命令和定时信息。名字表示功能，带有上横线表示低电平有效,无上横线的表示高电平有效。如：ALE(addresslatchenable)、INTR高电平有效，MEMW、MEMR、IOR、IOW、INTA低电平有效10Intel公司80x86微处理器80868088802868038680486PentiumPentiumPr016位16位16位32位32位64位64位内部DB16161632326464外部DB1681632326464AB20202432323236CB11（1）存储器的分类①内存（主存）和外存（辅存）•程序和数据以文件的形式保存在外存中；•要执行的程序和要用的数据须事先调入内存。•内存和cache可被CPU直接访问；•为了扩充内存容量，将外存作为内存的辅助，给用户提供比内存大得多的逻辑存储容量，----“虚拟存储器”。3.存储器(memory)12概念①虚拟存储器•内存是由“内存条”组成的物理存储器，物理存储器是由地址总线直接访问的存储空间，其地址称为物理地址。•地址总线的条数决定了物理存储器即内存的最大容量。•虚拟存储器是相对物理存储器而言的，是指程序使用的逻辑存储空间，它可以比物理存储空间大得多。•虚拟存储器由内存、辅存和管理部件共同组建。•通过管理软件达到内存和辅存密切配合，使整个存储系统的速度接近内存、容量接近辅存。•当应用程序访问虚拟存储器时，必须给出虚拟地址即逻辑地址，在此过程中，先通过硬件和软件找出逻辑地址到物理地址之间的对应关系，判断要访问的是否已装入内存，如已装入则直接访问内存，否则，相应的硬件和管理软件会将要访问的有关数据块从辅存调入内存，与此同时将内存中原有的暂时不使用的某数据块调回辅存，并且将虚拟地址转变为物理地址。13②高速缓冲存储器Cache•是使用速度与CPU相当的静态随机读/写存储器芯片组成的小容量存储器；•用来存放微处理器最近要用的指令和数据。•Cache的内容是内存中一小部分内容的复制品，•内存中经常被微处理器使用到的一部分内容要烤倍到Cache中，并不断地更新Cache中的内容，使得Cache中总是保存有最近经常被微处理器使用的一部分内容。•Cache中存放的内容除了内存中的指令和数据外，还要存放这些指令和数据在内存中的对应地址。当微处理器存取指令和数据时，Cache截取微处理器送出的地址，并判别这个地址与Cache中保存的地址是否相同。若相同，则从Cache中存取该地址中的指令或数据；否则就从内存中存取。概念143.存储器(memory)（2）存储器单元的地址和内容15（3）存储器的操作CPU对存储器的操作：读、写；•写操作：改变被写存储单元的内容；读操作：不改变被读存储单元的内容；•存储器访问：写、读；•由AB寻址存储单元；根据读、写命令确定访问存储器的方式；由读写控制电路实现读写操作。3.存储器(memory)16外部设备通过总线插座和接口与计算机连接。设置接口的主要原因外设的工作速度远低于CPU的速度外设表示信息的格式与计算机不同接口向计算机报告设备的状态,传达计算机命令等5.I/O设备输入设备：键盘、模/数转换器、扫描仪等输出设备：显示器、打印机、绘图机等输入/输出设备：磁盘和光盘等4.总线插座和接口171.2.3计算机的工作原理CPU、存储器、I/O接口、外部设备构成了计算机的硬件(hardware)，光有这样的硬件还只是具有了计算的可能。计算机要真正能够进行计算还必须有多种程序的配合当人们要解决问题时,首先将问题程序化,形成指令序列,然后将它存入存储器中,再由CPU的控制器和ALU依据程序中指令的顺序周而复始地取出指令，分析指令，执行指令，最后输出程序结果.即“程序存储和程序控制”181.21.11.4计算机的数和编码微型计算机的结构和工作原理80x86微处理器第1章微型计算机基础1.580x86的寄存器80x86的工作方式与存储器物理地址的生成1.3191.3.18086/8088208086/8088CPU1.片内：分为EU和BIU两部分；使指令的预取和执行并行操作，提高了CPU的执行速度；①EU:•ALU•通用寄存器、指令指针、标志及状态寄存器;•EU控制系统。②BIU•段寄存器、IP•20位加法器•指令队列（先进先出）•总线控制逻辑所有总线操作都由BIU完成。2.片外：40脚，含16根DB,20根AB,及CB、电源、地、时钟具有协调和管理总线的能力。21（1）执行单元EU(executionunit)（2）总线接口单元BIU(businterfaceunit)EU负责执行指令，完成两种操作：算术逻辑运算、计算存储器操作数的偏移地址BIU完成所有的总线操作EU和BIU并行工作，可以同时进行读/写操作和执行指令的操作1.3.18086/8088221.21.1计算机的数和编码微型计算机的结构和工作原理80x86微处理器第1章微型计算机基础1.580x86的寄存器80x86的工作方式与存储器物理地址的生成1.41.3238086内部结构248个通用寄存器2个控制寄存器4个段寄存器1.4.18086/8088的寄存器25通用寄存器共8个：AX,BX,CX,DX,SP,BP,SI,DI，均为16位,在EU部件中AX,BX,CX,DX均可分成高8位和低8位，作为独立的8位寄存器使用：AH,AL,BH,BL,CH,CL,DH,DLAX——累加器，BX——基址寄存器CX——计数寄存器，DX——数据寄存器SP——堆栈指示器，BP——基址指示器SI——源变址寄存器，DI——目的变址寄存器1.通用寄存器26IP——硬件电路，能自动跟踪指令地址。·计算机靠按序、逐条执行指令完成各种运算和控制；·在开始执行程序时,赋给IP第一条指令的地址,然后每取一条指令,IP的值就自动指向下一条指令的地址。·通过对IP值的的观察，可知程序当前执行的位置。2.指令指示器IP(instructionpoint)279个标志位，其中6个状态标志，3个控制标志3.状态标志寄存器(statusflags)28进位标志位CF加减运算执行后，最高位有进位或借位，CF=1；无进位或借位，CF=0主要用于多字节加减运算辅助进位标志位AF最低4位D3～D0位有进位或借位，AF=1；无进位或借位，AF=0用于BCD数的算术运算(调整)指令（1）状态标志反映EU执行算术或逻辑运算后的结果3.状态标志寄存器(statusflags)29溢出标志位OF运算结果超出了机器数所能表示的数的范围OF=1；反之，OF=0该标志表示运算结果是否产生了溢出符号标志位SF结果为负数，SF=1；结果为正数，SF=0零标志位结果为0，ZF=1；结果不为0，ZF=0奇偶标志位PF结果低八位中1的个数为偶数，PF=1；为奇数，PF=0。用于检查数据在传送过程中是否发生错误3.状态标志寄存器(statusflags)30方向标志位DF控制数据串操作指令的步进方向DF=1,地址减址;DF=0,地址增址中断允许标志位IF控制CPU是否开中断.IF=1,CPU开中断IF=0,CPU关中断追踪标志位TF（陷阱标志位）TF=1，CPU单步执行程序，常用于程序的调试TF=0，CPU正常执行程序（2）控制标志用于控制CPU的操作。3.状态标志寄存器(statusflags)31（1）问题的引出：•存储器的物理地址必须用20位二进制数表示。•ALU只能处理16位的地址运算，与地址有关的寄存器：IP，SP，BX，BP，SI，DI等都只有16位。（2）实地址方式下作法：•把20位AB寻址的存储器地址分成若干个段来表示。•段寄存器就是用来存放段的起始地址的高16位地址的寄存器。段内再由16位二进制数来寻址；•段内寻址的16位二进制数地址是存储单元到段起始地址的距离，称为段内偏移地址。（3）存储单元的逻辑地址的表示方式：①段基址的高16位：偏移地址【例】1000H:0003H②段寄存器：偏移地址。【例】CS:IP4.段寄存器32CS----存放代码段的段基址的高16位SS----存放堆栈段的段基址的高16位DS----存放数据段的段基址的高16位ES----存放附加数据段的段基址的高16位331.4.280286的寄存器在8086的基础上新增：16位的机器状态字寄存器MSW：只定义了低4位标志寄存器EFLAGS增加两个标志位：任务嵌套标志位NT(nestedtask)和I/O特权级标志位IOPL(I/Oprivilegelevelfield)分别位于D14、D13和D123位341.4.380386的寄存器1.基本寄存器（1）通用寄存器EAX,EBX,ECX,EDX,ESP,EBP,ESI,EDI，均为32位低16位AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI、DI，用法与8086完全相同351.4.380386的寄存器（2）指令指示器EIP和标志寄存器EFLAGS均为32位，它们的低16位即是8086的IP和FLAGS，并可单独使用工作于保护方式下时，EIP是32位的寄存器；工作于实地址方式下时，EIP就是16位的寄存器IP保留了80286的所有标志，并在高位字的最低两位D17和D16增加了虚拟8086方式标志VM和恢复标志RF361.4.380386的寄存器（3）段寄存器6个段寄存器：CS,SS,DS,ES,FS,GS,均为16位FS、GS的作用与ES相同段基址与段寄存器的关系由微处理器80386的工作方式确定371.4.380386的寄存器2.系统寄存器（1）系统地址寄存器全局描述符表寄存器GDTR中断描述符表寄存器IDTR局部描述符表寄存器LDTR任务寄存器TR主要用来在保护模式下管理用于生成线性地址和物理地址的４个系统表381.4.380386的寄存器（2）控制寄存器控制寄存器有４个：CR0～CR3，CR1为备用。主要用来进行分页处理。（3）调试寄存器DR0～DR7，主要用来设置程序的断