二、微处理器结构及微型计算机工作原理

《微机原理》是一门专业基础课程，它的主要内容包括微型计算机体系结构、8086微处理器和指令系统、汇编语言设计以及微型计算机各个组成部分介绍等内容。 参考教材为西安电子科技大学出版社的《微型计算机原理（第六版）》，此外还参考了XJTU段战胜老师的教学PPT。 本导图为第二章、微处理器结构及微型计算机工作原理

二、微处理器结构 及微型计算机工作原理

• 微型计算机结构及工作原理
• 80X86系列微处理器的功能结构
  • 8086
    • DB-16/AB-20
    • 直接寻址能力1MB/2^20字节
  • 8088
    • DB-8/AB-20
  • 内部结构
    • BIU 总线接口单元
    • EU 执行部件
  • 工作方式
    • 实模式
      • 80286以上的微处理器所采用的8086的工作模式
      • 寻址机制、中断处理机制、物理地址的形成（段加偏移）均和8086相同
      • 寻址空间
        • 寻址空间为1MB，并采用分段方式，每段大小为64KB(2^16) 所以段基址才需要左移4位
        • 存储器中保留两个专用区域
          • 初始化程序区：FFFF0H～FFFFFH
          • 中断向量表区：00000H～003FFH 1K字节的空间，256个入口地址，每个入口地址占4字节
      • 实模式是为建立保护式做准备的工作模式
    • 虚地址保护模式
      • 保护模式是支持多任务的工作模式，提供了一系列的保护机制
    • 虚拟8086/V86模式
      • 它是既有保护功能又能执行8086代码的工作模式，是一种动态工作模式
  • 串行处理、流水/并行处理
• 微处理器的编程结构
  • 分为程序可见寄存器/程序不可见寄存器。8086中无不可见
  • 通用寄存器
    • 数据寄存器 EAX、EBX、ECX、EDX
      • EAX（Accumulator）作为累加器，它是算术运算的主要寄存器
      • EBX（Base）用作基址寄存器使用，计算内存储器地址时，经常用来存放基址
      • ECX（Count）可作计数寄存器，在循环LOOP指令和串处理指令中用作隐含计数器
      • EDX（Data）可以作为数据寄存器使用，双字长运算时，与AX组合使用，DX存高16位
    • 地址指针与变址寄存器
      • 在运算过程中存放操作数，经常用以在段内寻址时提供偏移地址
      • 地址指针寄存器(ESP-stack pointer 、 EBP-base pointer )
      • 变址寄存器(ESI 、 EDI)
        • 一般与DS联用，用来确定数据段中某一存储单元的地址，ESI , EDI具有自动增量和自动减量功能
  • 段寄存器
    • 实模式下和保护模式下功能是不相同的
    • 代码段寄存器CS (Code Segment)
      • 定义一个64K字节存储器段的起点
    • 数据段寄存器DS (Data Segment)
      • 定义一个64K字节存储器段的起点
    • 附加段寄存器ES (Extra Segment)
    • 堆栈段寄存器SS (Stack Segment)
      • 堆栈段寄存器SS定义堆栈段的首地址
      • 由堆栈段寄存器SS和堆栈指针寄存器(ESP/SP)确定堆栈段内的存取地址
    • 段寄存器FS和GS
      • 仅对80386及更高型号的微处理器有效
  • 控制寄存器
    • EIP—Instruction Pointer指令指针寄存器—存储代码段的偏移
    • PSW—（Processor States Word Program）程序状态字寄存器 由条件码标志EFLAG、控制标志构成
• 实模式下的存储器寻址
  • 实模式下的存储器地址空间
    • 1M字节单元--00000H～FFFFFH
    • 专用
      • 00000H～003FFH，1K中断向量表区
      • FFFF0H～FFFFFH，16个字节单元保留给系统的初始化代码 当处理器加电或复位(Reset)时，CPU执行的第一条指令就是起始于地址FFFF0H的
    • 通用00400H～FFFEFH，用来存储一般的程序指令和数据
  • 存储器分段技术
    • 为什么
      • 20位地址信息
      • 实模式下CPU中所使用的寄存器均是16位的，内部ALU也只能进行16位运算
    • 怎么做
      • 将1M字节的存储空间分成许多逻辑段，每段最长64K字节单元，可以用16位地址码进行寻址
      • 段寄存器中存放的是段起始地址的高16位，称之为“段基值”(segment base value)
    • 补充
      • 各个逻辑段在实际的存储空间中可以完全分开，也可以部分重叠，甚至完全重叠
      • 段的起始地址的计算和分配通常是由操作系统完成的，并不需要普通用户参与
      • 物理地址与逻辑地址
        • 段基值：偏移量 物理地址＝段基值×16+偏移量（offset）
        • 同一个物理地址可以由不同的逻辑地址来构成
        • 实模下各个逻辑段只能起始于存储器中16字节整数倍的边界。通常称这16字节的小存储区域为“分段”或“节”(paragraph)
• 堆栈
  • 定义
    • 堆栈是存储器中的一个特定的存储区，它的一端(栈底)是固定的，另一端(栈顶)是浮动的，信息的存入和取出都只能在浮动的一端进行，并且遵循后进先出(Last In First Out)的原则
  • 用途
    • 主要用来暂时保存程序运行时的一些地址或数据信息 如：断点地址、通过堆栈“保存现场”和“恢复现场”、为子程序传递参数
  • 结构
    • 在存储器中实现，由堆栈段寄存器SS和堆栈指针寄存器SP定位 SS段基址---SP偏移量，SP总是指向栈顶
  • 图示，注意SP增量减量
  • 注意：向下生长，SS、SP都不是栈底；SP会跟着栈顶动
  • 操作：压栈时， 先修改栈指针后压入，弹栈时， 先弹出后修改栈指针
• 标志寄存器
  • EFLAGS用于指示微处理器的状态并控制它的操作 虽为16位寄存器，但8086只定义了9位
  • 9个标志位——O、D、I、T、S、Z、A、P、C 有6位(即CF、PF、AF、ZF、SF和OF)为状态标志； 其余3位(即TF、IF和DF)为控制标志。
  • 状态位标志
    • OF（Overflow Flag）
    • SF（Sign Flag）
      • 正负不要搞反，与原码是一样的
    • ZF（Zero Flag）
    • CF（Carry Flag）
      • 最高有效位包括符号位
    • AF（Auxiliary Carry Flag）辅助进位标志
      • 哪一位搞清楚，易错
      • 半字节、第三四位
    • PF（Parity Flag）
      • 偶数个1---1
  • 控制标志
    • TF(Trap Flag)——debug，单步中断
    • IF(Interupt Flag)——IF=1, 允许外部可屏蔽中断
    • DF(Direction Flag)——DF=1,每次串处理操作后使变址寄存器SI和DI减量
• 浮动主题