微機原理第2章-IA32微處理器的功能結構.ppt

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第二章 IA-32微處理器的 功能結構,,計算機體系結構 = computer architecture (計算機系統(tǒng)結構),計算機體系結構是程序員所看到的系統(tǒng)的一些屬性： 概念性的結構和功能上的表現(xiàn)，這些屬性既不同于數據流和控制的組織，也不同于邏輯設計和物理實現(xiàn)。,Amdahl,1964,,計算機體系結構是連接硬件和軟件的一門學科，它研究的內容不但涉及計算機硬件，也涉及計算機軟件。,2.2 IA-32微處理器的功能結構,計算機體系結構的含義,“系統(tǒng)結構” 是指概念性結構和功能特性（功能模塊），就相當于動物的器官組成及其功能特性，如雞有胃，胃可以消化食物。至于雞的胃是什么形狀的、雞的胃部由什么組成就不是“系統(tǒng)結構”研究的問題了，而是“系統(tǒng)組成”研究的問題。所謂“系統(tǒng)組成”就是在邏輯上如何實現(xiàn)這種功能（功能模塊的組成器件）。而計算機物理實現(xiàn)，主要著眼于器件技術和微組裝技術（器件的物理實現(xiàn)）。,計算機體系結構（應用）、組成（設計）及物理實現(xiàn)（制造）,2.2.1 Intel8086微處理器的功能結構,總線接口單元BIU 由段寄存器（CS、DS、SS、ES）、指令指針寄存器(IP）、地址加法器、內部寄存器、指令隊列緩沖器及I/O控制邏輯等部分組成。 執(zhí)行單元部件EU 由通用寄存器組、專用寄存器組、算術邏輯運算單元（ALU）、標志寄存器（FR）和內部控制邏輯組成。,,執(zhí)行單元,每條指令的執(zhí)行有取指、譯碼和執(zhí)行。,早期計算機指令執(zhí)行過程：,指令花費時間＝取指＋指令執(zhí)行,8088CPU指令執(zhí)行過程：,指令的重疊操作,指令花費時間＝指令執(zhí)行,2.2.2 80386的功能結構,,,存儲器組織 擁有32位數據線和地址線，可以尋址4GB的物理地址； 內部執(zhí)行環(huán)境（寄存器組） 首次將32位的寄存器組引入80x86體系的微處理器中， 32位的低半部分向下兼容；段寄存器仍為16位，段空間為4GB； 操作模式 實地址；保護模式；虛擬8086模式；,80386的主要特點,2.3 IA-32結構微處理器 的執(zhí)行環(huán)境,220=1MB， 地址由00000-FFFFF(H)編碼 若存放的信息是字節(jié)，則按順序存放 若存放的信息是字，則將字的低位字節(jié)存放在低地址，高位字節(jié)存放在高地址 若存放的信息是雙字，則將雙字的低位字存放在低地址，高位字存放在高地址,2.3.2 基本執(zhí)行環(huán)境 （1）存儲器地址空間（8086）,（2）基本程序執(zhí)行寄存器,實地址方式存儲器組織,四個不同的段：代碼段存放機器指令；數據段存放數據信息；堆棧段供堆棧使用；附加段通常用來存放附加數據； 8086有四個16位段寄存器：cs?代碼段; ds?數據段； ss?堆棧段； es?附加段。 地址的標準寫法為：“段：偏移量”。注意由于位移可以重疊，所以給出的“段：偏移量”不是唯一的。如下列地址均指向同一內存單元： 0000：0123 0002：0103 0008：00A3 0010：0023 0012：0003,段可以位于內存中的任何位置，段的首地址必須能被16整除； 若段寄存器存放的是10H，而偏移量是100H，下列步驟說明實際物理地址計算過程： 段寄存器： 0000 0000 0001 0000 （10H） 左偏四位：0000 0000 0001 0000 偏移量： 0000 0001 0000 0000 （100H） 段加偏移量 0000 0000 0010 0000 0000 （200H）,,存儲器物理地址的形成,邏輯地址 是程序中使用的地址，它由段基址和段內偏移值所組成，段基址與段內偏移值都為16位的二進制數。 物理地址 也叫實際地址或絕對地址，是CPU訪問存儲器時實際使用的地址，為20位地址。,,物理地址＝段基址16＋段內偏移地址。,【例】各獨立段的分配情況示例。,設CS=B000H、DS=1CDEH、SS=4200H、ES=0150H,它們分別為代碼段、數據段、堆棧段和附加段的段首址。自每個段首址開始，各段均占64KB的范圍，各段之間互不重疊。,【例】各段相互重疊情況示例。,設CS=0200H、DS=0400H、SS=0480H，這樣代碼段、數據段和堆棧段的物理首地址分別為02000H、04000H和04800H。其中代碼段占8KB地址空間，數據段占2KB，堆棧段占256B，SP=0100H。如圖所示。,,(1)指令指針寄存器EIP (2)段寄存器 (3)通用寄存器 (4)程序狀態(tài)和控制寄存器,2.3.4 基本程序執(zhí)行寄存器,,,,,,,0,,15,,16,,31,,0,,15,,0,,15,,16,,31,,7,,8,,,,,,,,,,,,,,,,,AL,,BL,,CL,,DL,,AX,,BX,,CX,,DX,,AH,,BH,,CH,,DH,,EAX,,EBX,,ECX,,EDX,,EIP,,CS,,DS,,SS,,ES,,FS,,GS,,SP,,BP,,SI,,DI,,ESP,,EBP,,ESI,,EDI,,,,FLAGS,EFLAGS,,EAX 累加器寄存器：存放操作數和結果 EBX 基址寄存器：在DS段中的數據指針；存放操作數 ECX 計數寄存器：串和循環(huán)操作的計數器 EDX 數據寄存器：I/O指針,1. 通用寄存器,基本寄存器：在程序執(zhí)行時暫時保存中間結果；在進行算術運算和邏輯運算時，通用寄存器任何一個都可以作為源操作數或目的操作數。,指針和變址寄存器,ESI 串操作的源指針 EDI 串操作的目標指針 ESP 堆棧指針 EBP 堆棧上數據指針,通用寄存器的特殊用途和隱含性質,,6個段寄存器,保存16位段基址: CS 代碼段 SS 堆棧段 DS 數據段 ES 附加段 FS 數據段F GS數據段G,2. 段寄存器和存儲器分段,指向數據段,3、EFLAGS寄存器,(1)狀態(tài)標志位,CF：進位標志位，當執(zhí)行一個加法運算指令使最高位產生進位時，或者執(zhí)行一個減法運算指令使最高位引起借位，則CF=1；否則CF=0。 PF：奇偶標志位，若運算結果的低8位中所含1的個數為偶數，則PF=1；否則PF=0。 AF：輔助進位標志位。當加法運算時，如果第三位往第四位有進位，或者當減法運算時，第三位從第四位有借位，則AF=1；否則AF=0。 ZF：零標志位，當運算結果為0時，ZF=1；否則ZF=0。 SF：符號標志位，當運算結果的最高位為1時，SF=1； OF：溢出標志位，在算術運算中，帶符號數的運算結果超出了8位（+127~-128）或者16位（+32767~-32768）數據所能表達的范圍時，則OF=1。 IF：中斷允許標志位。若IF=1，則CPU可以響應可屏蔽中斷請求；,CF和OF的區(qū)別,O=C CS＝0,,C＝1,(2)DF標志,,DF：方向標志位，控制串操作指令的標志。若DF=0則執(zhí)行串操作指令后，變址寄存器自動增量。,（3）系統(tǒng)標志和IOPL字段,1、中斷允許標志I,2、追蹤標志T,3、IOPL特權級字段,條件轉移指令,JCXZ （CX = 0 轉）,1、根據單個標志位的轉移指令,說明：指令中的字母N表示not，如果不帶N說明標志為0轉移，如果帶N說明標志為1轉移。,4、指令指針,8086CPU中的指令指針I(yè)P，它總是保存下一次將要從主存中取出指令的偏移地址，偏移地址的值為該指令到所在段段首址的字節(jié)距離。在目標程序運行時，IP的內容由微處理器硬件自動設置，程序不能直接訪問IP，但一些指令卻可改變IP的值，如轉移指令、子程序調用指令（ JMP、CALL、RET、IRET ）等。,8個通用寄存器 : AX , BX , CX , DX , SP , BP , SI , DI 4個段寄存器 : DS , CS , SS , ES 1個指令指針寄存器 : IP 1個標志寄存器材: FR,FR的格式,,,,,,,,,,,,,,,,,CF,PF,AF,ZF,SF,TF,IF,DF,OF,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,較驗,進位,輔助進位,零標志,符號標志,跟蹤標志,中斷標志,方向標志,溢出標志,2.4 8086的寄存器,