第2章 80x86 计算机组织

第2章80x86 计算机组织

1．教学目的:掌握INTEL80X86微处理器的结构及内存单元地址与内容的含义和关系，了解计算机接口的构成，为汇编语言编程奠定基础。

2．教学要求：

①熟练掌握INTEL80X86微处理器的结构

②掌握内存单元地址与内容的含义和关系

③了解计算机接口的构成

3．教学重点：

①微处理器的功能结构

②微存储器组织

4．掌握难点：

①微处理器的寄存器组

②存储器寻址

5．教学进程安排：P19～32

6．教学方法：

①重点讲授微处理器的功能结构和微存储器组织

②一般叙述计算机接口的构成

7．教学内容摘要：

2.1 80x86微处理器

80x86微处理器是美国Intel公司生产的微处理器系列。该公司成立于1968年，1969设计了4位的4004芯片，1973年开发了8位的8080芯片，1978推出了16位的8086芯片，由此开始了Intel公司80x86微处理器系列的历史。

2.1.1 微处理器概况

➢晶体管数：芯片中包含的晶体管数目，说明器件的集成度；

➢主频：芯片中所用的主时钟频率，反映计算机的运算速度；

➢数据总线：负责计算机中数据在各组成部分之间的传送；

➢数据总线宽度：芯片内部数据传送的宽度；

➢外部数据总线宽度：芯片内和芯片外数据交换的宽度；

➢地址总线宽度：传送地址的总线宽度,根据这一数值可以确定处理机可以访问的存储器的最大范围。

例：20位地址总线可以访问220=1048576个存储单元。

存储容量的换算：1K=210B=1024B; 1M=210K=1024K; 1G=210M=1024M;

➢高速缓存：存储速度比较快的存储器，现在有很多都做在芯片中

2.2 基于微处理器的计算机系统构成

微型计算机系统包括硬件和软件两部分。

2.2.1 硬件系统

图2.1给出了微型计算机组成框图。

图2.1 微型计算机硬件系统组成

把运算器、控制器、主存储器和输入/输出接口称为组成计算机硬件系统的五大部件。计算机硬件的五大部件是通过总线连接起来的，构成了计算机的基本硬件系统。各部分的主要功能如下：

➢ 输入设备：用于输入原始信息和处理信息的程序。如键盘、鼠标器和扫描仪等。 ➢ 输出设备：用来输出计算机的处理结果及程序清单。如显示器和打印机。

➢ 存储器：用来存放程序和数据。在控制器的控制下，可与输入设备、输出设备、运

算器、控制器交换信息，是计算机中各种信息存储和交流的中心。 ➢ 运算器：用来对信息及数据进行处理和计算。也称为算术逻辑部件ALU （Arithmetic

and Logic Unit ）。

➢ 控制器：是整个计算机的指挥中心，用来指挥计算机各部件的操作，使其协调一致

地工作。

2.2.2 软件系统

计算机软件是计算机系统的重要组成部分，它可以分成系统软件和应用软件两大类。图2.2表示了计算机软件的层次。

图2.2 软件系统的层次

2.3 中央处理机

2.3.1中央处理机CPU 的组成

➢ 算术逻辑部件：进行算术和逻辑运算； ➢ 控制逻辑部件：负责对全机的控制工作；

➢ 工作寄存器：存放计算过程中所需要的或所得到的各种信息。

2.3.2 80X86寄存器组

图2.3 80X86的程序寄存器组

程序不可见的寄存器：一般应用程序不使用而由系统所用的寄存器；

程序可见的寄存器：汇编语言程序设计中用到的寄存器，分为：通用寄存器、专用寄存器、段寄存器。 1、通用寄存器

（1）数据寄存器（AX 、BX 、CX 、DX ）：用来暂时存放计算过程中所用到的操作数、结果或其它信息，可以以字（16位）也可以以字节（8位）的形式访问。

AX: ① 累加器；② 乘、除等指令中用来存放操作数；③ 传递I/O 指令与外设的信息。 BX ：① 通用寄存器；② 基址寄存器。

CX ：①通用寄存器；② 保存计数值，如在移位指令、循环指令（loop ）、串处理指令中用作隐含的计数器。

DX ：①通用寄存器；②双字长运算时，和AX 组合在一起存放双字长数，DX 存放高位字；③ 在某些I/O 操作中，存放端口地址；

（2）指针（或变址）寄存器（SP 、BP 、SI 、DI ）：① 运算过程中存放操作数，只能以字（16位）为单位使用；② 存储器寻址时，提供偏移地址。

SP （堆栈指针寄存器）：用来指示段顶的偏移地址；

32位名称 16位名称 通用名称 累加器)

EAX EBX ECX EDX ESP EBP EDI ESI

EIP EFLAGS

注：1. 对于8086/88或80286CPU ，图

中阴影区寄存器是不存在的； 2. FS 和GS 寄存器无专用名称。

BP（基址指针寄存器）：可作为堆栈区中的某一个基地址，与堆栈段寄存器SS联用来确定堆栈段中的某一存储单元的地址；

SI（源变址寄存器）和DI（目的变址寄存器）：①一般与数据段寄存器DS联用，用来确定数据段中某一存储单元的地址。②具有自动增量和自动减量的功能。③在串处理指令中，SI和DI作为隐含的源变址和目的变址寄存器，SI和DS联用实现在数据段中寻址，DI 和附加段寄存器ES联用实现在附加段中寻址。

2、专用寄存器（IP、SP、FLAGS）

IP（▲指令指针寄存器）：存放代码段CS中的偏移地址。在程序运行的过程中，始终指向下一条指令的首地址，与代码段CS联用来确定下一条指令的物理地址。

SP（堆栈指针寄存器）：与堆栈段寄存器SS联用来确定堆栈段中栈顶的地址，即存放栈顶的偏移地址。

FLAGS（标志寄存器/程序状态寄存器PSW）：存放条件码标志、控制标志、系统标志，可按位操作。

图2.4 80X86的标志寄存器

（1）条件码标志位：记录程序中运行结果的状态信息，根据有关指令的运行结果由CPU 自动设置，用作后续条件转移指令的转移控制条件。

①溢出标志（OF）：在运算过程中，如操作数超出了机器能表示的范围称为溢出。此时OF置1，否则置0。

②符号标志（SF）：记录运算结果的符号，负时置1，否则置0。

③零标志（ZF）：运算结果为0时置1，否则置0。

④进位标志（CF)：最高有效位有进位时置1，否则置0。

⑤辅助进位标志（AF）：记录运算时第3位产生的进位值，有进位时置1，否则置0。

⑥奇偶标志（PF）：用来为机器中传送信息时可能产生的代码出错情况提供检验条件。当结果操作数中1的个数为偶数时置1，否则置0。

⑦控制标志位（DF）：在串处理指令中控制处理信息的方向。

当DF为1时，每次操作后使变址寄存器SI和DI减小，串处理从高地址向低地址方向处理。

当DF为0时，每次操作后使变址寄存器SI和DI增大，串处理从低地址向高地址方向处理。

（2）系统标志位：用于I/O、中断屏蔽、程序调试、任务切换和系统工作方式等的控制。一般应用程序不必关心这些位，只有系统程序员或需要编制低层I/O设备控制等程序时才需要。

①陷阱标志（TF）：用于调试时的单步方式操作。TF为1时，每条指令执行完后产生陷阱，由系统控制计算机；TF为0时，CPU正常工作，不产生陷阱。

②中断标志（IF）：当IF为1时，允许CPU响应可屏蔽中断请求，否则关闭中断。（第八章）

③I/O特权级（IOPL）：在保护模式下，用于控制对I/O地址空间的访问。（第八章）

标志位的符号表示