「微机原理」微处理器指令系统

微处理器的内部结构

微处理器的基本结构

8位微处理器的内部结构一般由算术逻辑单元、寄存器组和指令处理单元等组成。

1. 算术逻辑单元(ALU)：负责CPU所能进行的运算，主要是算术运算和逻辑运算。
2. 寄存器组：主要用来存放临时的数据或地址，起着数据准备、数据调度和数据缓冲的作用。可编程寄存器可以分为三类：通用寄存器，地址寄存器，标志寄存器。
3. 指令处理单元：负责对指令进行译码和处理。一般包括：
   • 指令寄存器：用来暂存被译码处理的指令。
   • 指令译码逻辑：负责对指令进行译码，获知该指令的功能。
   • 时序和控制逻辑：按一定时序发出和接收时钟信号、控制信号、请求和相应信号等。

8088/8086的功能结构

8088内部结构

1. 总线接口单元(BIU)：由指令队列、指令指针、段寄存器、地址加法器和总线控制逻辑等构成。
2. 执行单元(EU)：由ALU、通用寄存器、地址寄存器、标志寄存器和指令译码逻辑等构成，负责指令的译码、执行和数据的运算。
3. 指令预取：指令的读取在BIU单元，执行在EU单元，可并行。BIU单元的指令读取实际上就是指令预取。

注意：8088和8086两个芯片都是16位的，内部的运算器和寄存器都是16位，都具有20位地址线，唯一区别是外部数据总线，8088是8位，8086是16位。

8088/8086的寄存器结构

8088/8086的寄存器组有8个通用寄存器、4个段寄存器、1个标志寄存器和1个指令指针寄存器，均为16位。

通用寄存器

1. 数据寄存器

   8088有4个16位数据寄存器，分别是：

   • AX累加器(Accumulator)—>AH,AL(高8位和底8位)，以下类似。
   • BX基址寄存器(Base)—>BH,BL
   • CX计数器(Counter)—>CH,CL
   • DX数据寄存器(Data)—>DH,DL

2. 变址寄存器

   • SI源地址寄存器(Source)
   • DI目的地址寄存器(Destination)

3. 指针寄存器

   • BP基址指针寄存器
   • SP堆栈指针寄存器

指令指针寄存器

1. CS代码段寄存器：指示代码段的开始位置
2. IP指令指针寄存器：指示当前指令在代码段的偏移位置。

标志寄存器

1. 状态标志
   • CF进位标志：运算结果的最高有效位有进位或借位时CF=1，否则CF=0。
   • ZF零标志：运算结果为0时ZF=1，否则ZF=0。
   • SF符号标志：运算结果最高有效位为1时SF=1，否则SF=0。
   • PF奇偶标志：反映的是最低字节中1的个数的奇偶性。
   • OF溢出标志：有溢出OF=1，否则为0。
2. 控制标志
   • IF中断允许标志：用于控制外部可屏蔽中断是否可以被处理器响应。允许中断时IF=1，禁止中断时IF=0。

8088/8086的存储器结构

1. 数据的存储格式

   计算机存储信息的基本单位是二进制位(bit)。字或双字在存储器中占相邻的2个或4个存储单元，低字节存入低地址，高存高，字或双字单元的地址用它的低地址来表示。如字单元的内容为：[00002H] = 1234H。

2. 存储器的分段管理

   • 段基地址：段地址，说明逻辑段在主存中的起始位置。
   • 段内偏移地址(Offset)：说明偏移量。

   每个存储器单元都有一个唯一的20位物理地址。而像段地址：偏移地址这种形式，称为逻辑地址。逻辑地址转物理地址的方法是：将逻辑地址中的段地址左移4位二进制(对应1位16进制)，加上偏移地址就得到20位物理地址。

3. 段寄存器

   • CS代码段：存放代码段的段地址。处理器利用CS：IP取得要执行的指令。
   • DS数据段：存放数据段的段地址，称之为有效地址EA。程序中的数据默认都在DS中存放。
   • ES附加段：附加的数据段。
   • SS堆栈段：处理器利用SS：SP操作堆栈中的数据。

8088/8086的寻址方式

语句有相似的两种，一般由分隔符分成的4个部分组成。

1. 执行性语句：用于表达处理器指令格式为：
   • 标号：硬指令助记符 参数，参数，...... ;注释
     • 如：MOV dest,src ;dest<—src
2. 说明性语句：格式：
   • 名字 伪指令助记符 参数，参数，...... ；注释

立即数寻址方式

采用立即数寻址方式的操作数就直接存放在机器代码中，紧跟在操作码之后。立即数为imm。如：MOV AX,0102H ;将0102H赋值给寄存器AX

寄存器寻址方式

寄存器寻址方式的操作数存放在CPU的内部寄存器reg中。如：MOV AX,BX ;将BX里存的值赋值给AX

存储器寻址方式

1. 直接寻址方式：指令中直接包含了操作数的有效地址，跟在指令操作码之后。如：MOV AX,[2000H]
2. 寄存器间接寻址方式：操作数的有效地址放在基址寄存器BX或变址寄存器SI、DI中。如：MOV AX,[BX]
3. 寄存器相对寻址方式：操作数的有效地址是寄存器内容与符号8位或16位位移量之和。如：MOV AX,[SI+06H]
4. 基址变址寻址方式：把一个基址寄存器(BP或BX)的内容加上变址寄存器(SI或DI)的内容构成有效地址EA。如：MOV AX,[BX+SI]
5. 相对基址变址寻址方式：使用基址寄存器(BX或BP)和变址寄存器(SI或DI)，另外还在指令中指定一个8位或16位的位移量，这三者构成EA。如：MOV AX,[BX+DI-06H]

数据传送类指令

通用数据传送指令

1. 传送指令MOV：把一个字节或字的操作数从源地址传送至目的地址。相当于赋值操作。注意：目的操作数不能为立即数；以字母开头的十六进制数应该加一个前导0，以便与标识符区别。
   • 寄存器有明确的字节或字类型，对应的立即数或存储器操作数只能是字节或字；但将立即数传送给存储器单元时，指令中给出的立即数可以理解为字，也可以理解为字节，此时必须显式指明。汇编语言用byte ptr表示字节类型，用word ptr表示字类型。
2. 交换指令XCHG：用来将源操作数和目的操作数内容互换，格式为：XCHG reg,reg/mem。注意：XCHG AL,byte ptr wvar+1这条指令的理解是——将字节变量wvar指向的地址的上一个地址（即wvar+1地址）里的内容取出来与AL做交换。
3. 换码指令XLAT：用于将BX制定的缓冲区中的AL指定的位移处的数据取出赋给AL。

堆栈操作指令

1. 进栈指令PUSH：先使堆栈指针SP减2，然后把一个字操作数存入堆栈顶部。
2. 出栈指令POP：把栈顶的一个字传送至指定的目的操作数，然后堆栈指针SP加2。注意：进栈先减地址后存内容，出栈先赋内容再加地址。把栈看做一个倒扣的箱子。

标志操作指令

1. 标志操作指令：CLC、STC、CMC、CLD等。

地址传送指令

1. 地址传送指令LEA：将存储器操作数的有效地址(段内偏移地址)传送至16位通用寄存器中。

算术运算类指令

加减法指令

1. 加法指令ADD：使目的操作数加上源操作数，结果送到目的操作数。注意：目的操作数不能为立即数，且两个操作数不能同为存储器寻址方式。
2. 加法指令ADC：结果会再加上进位标志CF送到目的操作数。
3. 减法指令SUB：目的操作数减去源操作数，结果送到目的操作数。
4. 减法指令SBB：结果会减去借位标志CF送到目的操作数。
5. 比较指令CMP：用目的操作数减去源操作数，通过影响状态标志CF看是否有借位来判断出两个数的大小关系。
6. 增量和减量指令INC和DEC：INC自增1，类似于i++；DEC自减1，类似于i--。

符号扩展指令

略了，不太重要，想学的可以自行百度

乘除法指令

略，考试不考，老师没讲...

十进制调整指令

略，这个就是一个规则，很简单的...

位操作类指令

逻辑运算指令

1. 逻辑与指令AND：两位都是1，结果为1，否则都为0。
2. 逻辑或指令OR：只要一位为1结果就为1，全0才为0。
3. 逻辑异或指令XOR：两个不相同为1，相同为0。
4. 逻辑非NOT：取反，1变为0。
5. 测试指令TEST：做与操作，通过影响状态标志来测试条件，一般用在条件转移指令。

规律：如果想把一个数其中某一位清零，就和0相与，其余位和1与；想把某一位置1，就和1做或，其余位和0或，想把某一位取反，和1做异或，其余位和0做异或，每一位都取反的话直接NOT操作。

移位指令

1. 逻辑移位指令SHL、SHR：分别对应左移一位，最低位补零，最高位进入CF和右移一位，最高位补零，最低位进入CF。
2. 算术移位指令SAL、SAR：分别对应左移一位和右移一位。格式：SAL reg/mem,1/CL。注意：目的操作数可以是寄存器或存储单元，后一个操作数表示移位位数，当移位数大于1时，用MOV指令给CL赋值，再用CL表示移位位数。
   左移同逻辑左移相同，算数右移一位，最高位不变，最低位进入CF。
   注意：判断数据的奇偶性只需要看二进制数据的最后一位(因为除最后一位，其余位都是2的倍数)，最后一位只要是0，为偶数，为1就是奇数。

循环移位指令

1. 不带进位循环移位指令ROL、ROR，同样带着CF标志位，但是不影响SF、ZF、PF、AF标志。
2. 带进位循环移位指令RCL、RCR

控制转移类指令

在8088CPU中，程序代码安排在代码段。8088CPU有相对、直接和间接三种地址寻址方式。

8088将地址转移分为了段内转移和段间转移。

• 段内转移：在当前代码段64KB范围内转移，不需要更改CS段地址，只要改变IP偏移地址。称为“近转移”，它可以在±32KB范围跳转。如果范围在-128~+127之间，称为“短转移”。
• 段间转移：从当前代码段跳转到另一个代码段，需要更改CS段地址和IP偏移地址，称为“远转移”。

无条件转移指令

• 段内相对转移JMP指令：用距离标号处的位移量加上当前偏移地址形成转移后的偏移地址；程序跳转到标号所在的位置处，开始执行指令。

条件转移指令

• 条件转移指令JCC：注意这里的CC是一个总的表示，代表转换条件的意思，JCC只支持短转移寻址方式。下表为条件转移指令中的条件CC：

助记符	标志位	中文说明
JZ/JE	ZF=1	等于零/相等
JNZ/JNE	ZF=0	不等于零/不相等
JS	SF=1	符号为负
JNS	SF=0	符号为正
JP/JPE	PF=1	“1”的个数为偶数
JNP/JPO	PF=0	“1”的个数为奇数
JO	OF=1	溢出
JNO	OF=0	无溢出
JC/JB/JNAE	CF=1	进位/低于/不高于等于
JNC/JNB/JAE	CF=0	无进位/不低于/高于等于
JBE/JNA	CF=1或ZF=1	低于等于/不高于
JNBE/JA	CF=0或ZF=0	不低于等于/高于
JL/JNGE	SF≠OF	小于/不大于等于
JNL/JGE	SF=OF	不小于/大于等于
JLE/JNG	SF≠OF或ZF=1	小于等于/不大于
JNLE/JG	SF=OF或ZF=0	不小于等于/大于

条件指令要利用影响标志的指令执行后的标志状态形成判定条件，所以在条件转移指令之前，常有比较CMP、测试TEST、加减运算、逻辑运算等指令。

例子：寄存器AL中是字母Y(含大小写)，则令AH=0，否则令AH=-1。

            CMP AL,'Y'      ;比较AL与大写字母Y(ASCII码值)
            JE NEXT         ;相等,转移
            CMP AL,'y'      ;不相等继续比较AL与小写y
            JE NEXT         ;相等,转移
            MOV AH,-1       ;不相等:AH<- -1
            JMP DONE        ;无条件转移，跳过另一个分支
            NEXT:MOV AH,0   ;相等时的处理
            DONE:......

循环指令

8088CPU设计了针对CX计数器的计数循环指令。
LOOP指令：首先将计数值CX减1，然后判断计数值CX是否为0；若不为0，转移到标号处执行；若等于0，顺序执行后面的指令。

子程序指令

子程序的作用就是用来执行一段特定功能，可以类比高级语言的函数。当主程序需要执行这个功能时，用CALL指令调用该子程序，这时程序就转移到子程序的起始处执行，在子程序最后，用RET指令返回调用它的主程序，继续指令后续指令。子程序框架如下：

子程序名称    伪指令助记符
             ···
             ret
子程序名称    endp 

中断指令和系统功能调用

DOS输入输出功能调用

子功能号	功能	入口参数	出口参数
AH=01H	输入一个字符		AL=输入字符的ASCII码
AH=02H	输出一个字符	DL=欲显示字符的ASCII码
AH=09H	输出一个字符串	DS:DX=欲显示字符串在内存中的首地址
AH=0AH	输入一个字符串	DS:DX=输入字符串将在内存缓冲区的首地址

上表罗列出了四个常用的输入输出功能调用。
注意：使用0AH号调用，程序员应事先定义好缓冲区，并且注意缓冲区的格式：第1字节填入最多欲接收的字符个数（可以是1～255，包括最后的回车符），留出第2字节用于存放功能调用时实际输入的字符个数（这里不包括回车符），从第3字节开始才存放实际输入的字符串ASCII码。

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