第2章IBM PC计算机组织

第二章 80X86计算机组织结构2.1 80X86 计算机的基本结构2.2 80X86 CPU 的寄存器2.3 内存组织结构2.4 80X86 CPU 的工作模式2.5 存储器管理机制2.1 80X86 计算机的基本结构2.1.1中央处理器2.1.2 总线结构2.1.3存储器2.1.4 外部设备2.1 80X86 计算机的基本结构微型计算机硬件系统结构主要是由三部分组成，它们是：中央处理器CPU(Central Processing Unit)、存储器(Memory)、输入／输出(Input／Output)设备，如图2-1所示。

图 2-1 计算机的基本结构2.1.1中央处理器中央处理器又称为微处理器(Microprocessor)，内部包括运算器、控制器和寄存器三部分组成。

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。

2.1.2 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。

1.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。

2.地址总线AB地址总线是用来传送地址的。

内存中的每个字节都对应着一个唯一的地址。

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。

3.控制总线CB控制总线是传送控制信息的。

2.1.3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。

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)。

IBM PC机及其兼容机的存储器系统结构基本是相同的，存储器系统主要分为3个主要部分：程序暂驻区(TPA)系统内存区扩展存储区(XMS)2.1.4 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 80X86 CPU 的寄存器2.2.1.通用寄存器2.2.2 控制寄存器2.2 80X86 CPU 的寄存器 寄存器分为3类： 通用寄存器 、控制寄存器、段寄存器。

图 2-3 80X86寄存器组2.2.1.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，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：EAX、EBX、ECX、EDX。

每个寄存器为32位可分为1个16位、2个8位寄存器使用。

如EAX为32位寄存器，也可将EAX分为AX（16位寄存器）或AH（8位寄存器）或AL（8位寄存器）。

2. 指针寄存器（SP、ESP，BP、EBP、IP、EIP）SP、ESP: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、EBP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、EIP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、ESI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 EDI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，在串操作时用于目的串的地址2.2.2 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。

8086/8088~80286的标志寄存器为16位，80386以上的标志寄存器为32位。

图2-5 80286 ~ Pentium 的标志寄存器图2-4 8086/8088 标志寄存器名 称标志位状态 功 能进位标志CF CF=1；CYCF=0；NC CF=1运算结果最高位有进位或有借位（用于多字节加减运算）否则CF=0。

（DEBUG中 CF=1：CY，CF=0：NC）奇偶标志PF PF=1；PEPF=1；PO 运算结果的低8位中所含“l”的个数为偶数：PF=1，否则PF=0。

（DEBUG中PF=1：PE，PF=0：PO）辅助进位标志AF AF=1；AC，AF=0；NA AF=1：运算结果低四位向高四位有进位或有借位（用于10进制运算指令）否则AF=0 。

（DEBUG中 AF=1：AC，AF=0：NA）结果为0标志ZF ZF=1；ZRZF=0；NZ ZF=1运算结果为0，ZF=0运算结果不为0；（DEBUG中 ZF=1：ZR，ZF=0：NZ）符号标志 SF SF=1；NGSF=0；PL 运算结果为正（符号位为0）SF=1； 运算结果为负（符号位为1）SF=0。

（DEBUG中 SF=1：NG，SF=0：PL）溢出标志OF=1；OVOF=0；NV 带符号数的运算结果产生溢出时，OF=1；否则OF=0 。

（DEBUG中OF= 1：OV，OF=0：NV）方向标志DF=1；DNDF=0；UP串操作指令用的标志，DF=1执行字符串操作指令时使地址指针自动增量（字符串处理顺序由低向高进行）；DF=0使地址指令自动减量。

可通过指令STD置DF =1，CLD清DF =0（DEBUG中 DF=1：DN，DF=0：OP）中断标志IF=1；EIIF=0；DI可屏蔽中断的标志；IF=1允许中断（允许CPU响应可屏蔽外部中断）；IF=0禁止中断，关中断；可通过指令STI置IF=1，CLI清IF=0（DEBUG中 IF=1；EI，IF=0；DI）单步（跟踪）标志TF TF=1TF=0 CPU按跟单步踪方式执行指令表2-3 8086/8088标志寄存器状态功能表3．段寄存器(CS、DS、SS、ES、FS、GS）在PC机中存储器是采用分段管理的方法来组织数据，一个程序可以由多个段组成.8086~80286: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2.3.1 内存的地址与字节、字的存放2.3.2堆栈2.3.1内存的地址与字节、字的存放1．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。

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）2．存储单元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（0002H ）=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 。

2.3.2 堆栈堆栈(stack)是内存中的一块特定区域，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。

假如：最初SS=2000H，SP＝100H ，当没有向堆栈中压入任何数据时，栈顶和栈底是指向同一栈空间的，如图 2-7所示。

当向堆栈中压入了—个字1234H时，首先移动堆栈指针寄存器SP，SP-2→SP，此时SP=0FEH后再将1234H压入SP所指单元中，如图 2-8所示。

2.4 80X86 CPU 的工作模式2.4.1 实模式2.4.2 保护模式2.4.1 实模式1．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 = 1M2．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3．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。

（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.（4）逻辑地址：用段地址和偏移地址来表示内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。

4．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：1111H×10H+2222H=13332H表示：当逻辑地址为1111H：2222H时物理地址为13332H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。