汇编语言学习笔记（2）——80x86微处理器

2022-11-05 18:28:04

1、常见术语

位和字节
- 位（bit）是计算机所能表示的最小最基本的数据单位，它指的是取值只能为0或1的一个二进制数值位。
- 字节（byte）由8个位二进制位组成，通常用作计算存储容量的单位。
- 1T = 2¹⁰G = 2²⁰M = 2³⁰K = 2⁴⁰
字长（数据宽度）：字长是微处理器一次可以直接处理的二进制数码的位数，它通常取决于微处理器内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度。微处理器的字长有4位、8位、16位、32位和64位等等。
寻址能力：指CPU能直接存取数据的内存地址范围，它是由CPU的地址总线的数目决定的。
主频：也叫时钟频率，用来表示微处理器的运行速度，主频越高表明微处理器运行速度越快，主频单位是MHz
MIPS（Millions of Instruction Per Second，每秒能执行百万条指令）：用来表示微处理器的性能
微处理器的集成度：指微处理器芯片上集成的晶体管密度

2、32位微处理器内部结构

微处理器的功能和主要功能模块:
- 微处理器的功能：从存储器中取出构成程序的一条指令，分析并执行这些指令，从而完成程序设定的任务
- 基本功能模块：
  - 总线接口单元 BIU：寄存器组
  - 执行单元EU ：运算器，控制器，寄存器组
80X86内部寄存器：基本结构寄存器、浮点寄存器、系统级寄存器、调试测试寄存器
基本结构寄存器：
- 通用寄存器：

- - 作用：用于存放操作数以及运算的中间结果等信息，在指令中广泛使用。
  - 汇编助记符：
    - 32位寄存器的汇编助记符为EAX~EDX、ESI、EDI、EBP
    - 16位寄存器的汇编助记符为AX~DX、SI、DI、BP
    - 8位寄存器的汇编助记符为AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH、DL
  - AH、AL是AX的高/低8位，AX又是EAX的低16位。
  - 例：EAX = 12345678H，则AX = 5678H，AH = 56H， AL = 78H
- 段寄存器：

- - 作用：存放逻辑段的段地址，用于存储器单元物理地址的形成。
- 指针寄存器：

- - 指令指针寄存器：32位称为EIP、第六位称为IP
  - 作用：存放指令所在单元的偏移地址
- 标志寄存器（EFLAGS）：

- - EFLAGS为32位寄存器，其中FLAGS为16位寄存器（D15~D0）
  - 作用：
    - 存放状态标志。状态标志用于记录CPU运行结果状态
    - 设置控制标志。控制标志用于控制CPU的某种操作
  - 状态标志：表示前面的操作执行后，算术逻辑部件处在怎样一种状态，这种状态会像某种先决条件一样影响后面的操作。有 SF、ZF、PF、CF、AF和OF
  - 控制标志：每个控制标志都对某一种特定的功能起控制作用。指令系统中有专门的指令用于控制标志的设置和清除。有DF、 IF、 TF

3、32位微处理器外部引脚

数据线及控制信号
- 数据线：D63~D0共64位
地址线及控制信号
- A31~A3：高30位地址线
- BE7~BE0：字节允许信号（存储体选中信号），外围电路对BE7~BE0译码以产生A2~A0信号
系统控制信号
- 时钟输入CLK
- 可屏蔽中断请求INTR
- 非屏蔽中断请求NMI
- 系统复位信号RESET
- 系统复位后，程序运行的地址为：FFFFFFF0H
- 实模式CS：F000H，IP：0FFF0H
- 系统时钟：微处理器内部与外部操作的同步时基信号，由时钟（CLK）输入信号提供。

- 时钟信号：时钟输入信号的周期，也表示为T状态。
总线周期定义信号（输出）
- 总线周期：一段时间CPU通过总线与存储器、I/O交换一个数据所需要的时间称为总线周期
- M/IO非： = 1，表明该总线周期，CPU与存储器交换信息； = 0，表明该总线周期，CPU与I/O接口交换信息
- W/R非： = 1，表明该总线周期，CPU进行写操作； = 0，表明该总线周期，CPU进行读操作
- D/C非： = 1，表明该总线周期，传输的是数据； = 0，表明该总线周期，传输的是指令代码

4、32为微处理器的地址空间和工作模式

地址空间：存储空间和I/O空间
存储空间
- 物理空间：存续的运行空间，即主存空间。486有32条地址线，内存最大为4GB。这4GB称为物理存储器，每个单元的地址称为物理地址，其范围为：00000000H~FFFFFFFFH，为物理存储空间
- 虚拟空间：又称编程空间。虚拟存储器是一项硬件和软件结合的技术。存储器管理部件把主存和赋存看坐是一个整体，即虚拟存储器。486允许虚拟存储器容量最大为2⁴⁶ = 64T，即程序员可在此地址范围内编程，程序可大大超过物理空间。运行时，操作系统从虚拟空间取一部分程序载入物理存储器运行。当程序运行需要调用的程序和要访问的数据不在物理存储器时，操作系统再把那一部分调入物理存储器，其数据交换极快。
- 线性空间：

- 当程序从虚拟空间调入物理空间时，要进行地址转换。分段部件首先把虚拟地址转换成线性地址
- 若不分页，则线性地址就是物理地址；若分页，则分页部件把线性地址转换为物理地址
- 实模式下：存储空间仅分段，不分页
- 保护模式下，存储空间先分段，再分页
I/O空间
- 486利用低16位地址线访问I/O端口，所以I/O短空最多有64K，I/O地址空间为0000H~FFFFH
- I/O地址空间不分段
- I/O地址空间与存储空间不重叠（M/IO非）
- 从PC/XT~Pentium，基于Intel微处理器的系统机，实际只使用低10位地址线，寻址1024个I/O端口
32位微处理器的工作模式
- 实地址模式（实模式）
  - 特点：
  1. 加电、复位之后，486自动工作在实模式，系统在DOS管理下
  2. 在实模式下，486只能访问第一个1M内存（00000H~FFFFFH）
  3. 存储管理部件对存储器只进行分段管理，没有分页功能，每一逻辑段的最大容量位64K
  4. 在实模式下，段寄存器中存放段基址
- 保护虚拟地址模式（保护模式）
  - 特点
  1. 在保护模式下，486支持多任务操作系统
  2. 486可以访问4G物理存储空间
  3. 存储管理部件中，对存储器采用分段和分页管理。在保护模式下，段寄存器存放的不是段基址而是段选择符
  - 关于保护机制：486有一套复杂的保护机制，系统定义了4个“特权级”。操作系统的核心特权级最高，应用程序的特权级最低。并规定，高级别的程序可以访问同级或低级的数据段，反之则不行，应用程序只能访问自身的数据段

- 虚拟8086模式
  - 虚拟8086模式是保护模式下的一种特殊工作模式，可运行实模式程序
  - 在操作系统管理下，486可以分时地运行多个实模式
实模式下20位物理地址的行成
- 物理空间对应的物理地址，指1MB存贮区域中的某一单元地址，地址信息是20位的二进制代码，以16进制表示00000H~FFFFFH中的一个单元，CPU访问存储器使用物理地址，在地址总线上送出的是20位物理地址
- 虚拟空间对应的逻辑地址，程序员编写程序使用逻辑地址，程序是分段的，逻辑地址由段基址和偏移地址组成，书写成：段基址：偏移地址
- 逻辑地址到物理地址的转换由CPU完成
存储器的分段管理，物理地址、逻辑地址的形成
- 我们把1M字节的存储器分为任意数量的逻辑段，其中每一段长度为64K 个字节。段的起始地址的高16位地址称为该段的段基址。段内再由 16位二进制数寻址，段内寻址的16位二进制数地址是存贮单元到段起始地址的距离，称为偏移地址（偏移量）。段基址和偏移地址一起构成逻辑地址。
- 存贮器中的每个存贮单元都可以用两个形式的地址来表示：物理地址和逻辑地址。物理地址是指1MB存贮区域中的某一单元地址，地址信息是20位的二进制代码，以16进制表示是 00000H~FFFFFH中的一个单元，CPU访问存贮器时，地址总线上送出的是物理地址。编制程序，则采用逻辑地址。逻辑地址由段基址和偏移量组成。

- 在一个逻辑段中,各单元的段基址是相同的
- 偏移地址是该单元相对于段首的地址偏移量
- 实模式下20位物理地址的形成过程

各逻辑段物理地址的形成(以16位寻址为例)
- 在实模式下,段寄存器存放相应逻辑段的段基址

- 代码段：CS*24+IP=指令单元的物理地址，一条指令的一个字节取出后，IP自动加1，指向下一字节。
- 堆栈段：SS*24+SP=栈顶单元的物理地址
- 数据段：DS*24+偏移地址=数据单元的物理地址
段寄存器的初值
- CS、IP的初值：由操作系统赋值
- SS、SP的初值：①由程序员赋值；②由操作系统自动赋值
- DS/ES/FS/GS的初值：由程序员赋值
- BX/SI/DI/BP的初值：由程序员赋值

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