【计算机与UNIX汇编原理③】——80X86微处理器【 通用寄存器、实模式、逻辑地址与物理地址】

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这里有一块 80X86

文章中穿插了一些个人的理解，特别是绿色字体部分，如有不周，烦请指正。

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一、微处理器简介及相关常用术语

  ● 微处理器由一片或少数几片大规模集成电路组成的中央处理器。这些电路执行控制部件和算术逻辑部件的功能。

  ● 微处理器能完成取指令、执行指令，以及与外界存储器和逻辑部件交换信息等操作，是微型计算机的运算控制部分。它可与存储器和外围电路芯片组成微型计算机。

  ● 位(bit)：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。

  ● 字长：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：CPU能直接存取数据的内存地址的范围。它由CPU的地址总线的数目决定。

  ● 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越快，主频的单位是 MHz 。

  ● MIPS ( Millions of Instruction Per Second 的缩写)：用来表示微处理器的性能——运算速度，即每秒钟能执行多少百万条指令。

  ● 微处理器的集成度：指微处理器芯片上集成的晶体管的密度。

  最早的Intel 4004的集成度为2250个晶体管，而99年的Pentium III的集成度已经达到750万个晶体管以上，集成度提高了3000多倍。

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二、32位微处理器内部结构

1、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

2、基本结构寄存器

  ● 80X86内部寄存器分为4类:
    ① 基本结构寄存器
    ② 浮点寄存器
    ③ 系统级寄存器
    ④ 调试测试寄存器
  ● 应用程序只能访问基本结构寄存器和浮点寄存器。(我们的课程只介绍基本结构寄存器)

3、通用寄存器

  ◆ 补充说明：左为高位，右为低位
  ◆ 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。

  ● 通用寄存器一共有八个，每一个都用专门的功能(后面专门介绍)，且每一个都是从“ D₀ 到 D₃₂ ”，一共有32位。

  ● 对于前四个通用寄存器：EAX、EBX、ECX、EDX，它们的高 16 位都是 “E” 为 “Extended” 缩写。

  ● (低)16位通用寄存器的汇编助记符为：AX、BX、CX、DX、BP、SP、DI、SI

  ● 32位通用寄存器的汇编助记符为：EAX、EBX、ECX、EDX、ESP、EBP、EDI、ESI

  ● 高8位通用寄存器的汇编助记符为：AH、BH、CH、DH 【注：“H” 是 “High” 的缩写】

  ● 低8位通用寄存器的汇编助记符为：AL、BL、CL、DL 【注：“L” 是 “Low” 的缩写】

  ● 举个栗子：
    AH、AL是AX的高/低8位，AX是EAX的低16位，若设：EAX=12345678H
      则： AX = 5678H，AH = 56H，AL = 78H

    反之，当 “89H → AH”，“90H → AL” 后 ( 高16位还是保持不变，即“1234H” )
      则： AX = 8990H，EAX = 12348990H

4、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。

5、指针寄存器

  ◆ 补充说明：32 位称为 EIP ，低 16 位为 IP。
  ◆ 作用：存放指令所在单元的偏移地址。

6、标志寄存器

  ◆ 补充说明：EFLAGS为 32 位寄存器，其中 FLAGS 为 16 位寄存器(D₁₅ ~ D₀)
  ◆ 作用：1. 存放状态标志。状态标志用于记录 CPU 运行结果状态。
      2. 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。

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三、32位微处理器的外部引脚

1、数据线及控制信号

  ● 数据线：D₆₃ ~ D₀ 一共 64 位。

2、地址线及控制信号

  ● A₃₁ ~ A₀：高 32 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

3、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：是微处理器内部与外部操作的同步时基信号，由时钟（CLK）输入信号来提供。
  ● 时钟周期：指时钟输入信号的周期，也表示为 T 状态。

4、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。

  ◆ $M/\overline{IO}=1$ 时，表明在该总线周期中，CPU 正在与存储器交换信息
  ◆ $M/\overline{IO}=0$ 时，表明在该总线周期中，CPU 正在与I/O接口交换信息

  ◆ $W/\overline{R}=1$时，表明在该总线周期中，CPU正在进行写操作
  ◆ $W/\overline{R}=0$ 时，表明在该总线周期中，CPU正在进行读操作

  ◆ $D/\overline{C}=1$ 时，表明在该总线周期中，正在传输数据
  ◆ $D/\overline{C}=0$ 时，表明在该总线周期中，正在传输指令代码

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四、32位微处理器的地址空间和工作模式

1、32位微处理器的地址空间

  ● 地址空间分为【按访问器件不同进行划分】： 存储空间 【这学期讲】和 I/O空间【大三下讲】。

  ● 物理空间(物理存储器地址空间)：程序的运行空间，即主存空间。

  80486有 32 条地址线，内存最大容量 4G 。这 4G 字节称为物理存储器，每一单元的地址称为物理地址，其地址范围 0000,0000H ~ FFFF,FFFFH 为物理存储空间。

  ● 虚拟空间(虚拟存储器地址空间)：也称为编程空间
  虚拟存储器是一项硬件和软件结合的技术。

  ◆ 补充说明：存储管理部件把主存(物理存储器)和辅存 (磁盘)看作是一个整体，即虚拟存储器。80486允许虚拟存储器容量最大为2⁴⁶B = 64 TB，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.……数据的交换极快，程序察觉不到。

  ● 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。

  ◆ 流程说明：分段部件首先把虚拟地址(编程地址)转换为线性地址，然后根据模式的不同考虑分不分页，如果不分页的话，线性地址就是物理地址；如果分页的话，则由分页部件把线性地址转换为物理地址。

  ● 实模式：存储空间仅分段，而不分页；
  ● 保护模式：存储空间先分段，再分页。

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五、32位微处理器的工作模式

  ● 80486有 3 种工作模式:
    ① 实地址模式(简称实模式)
    ② 保护虚拟地址模式(简称保护模式)
    ③ 虚拟80486模式

1、实模式的特点：

  ① 加电、复位之后，80486自动工作在实模式，系统在DOS管理下。(也就是说，开机后，电脑会跑BIOS上面的代码)
  ② 在实模式下，80486 只能访问第一个 1M 内存(00000H~FFFFFH)。【进入保护模式后，1M之外的物理存储空间才能使用】
  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为 64KB 。
  ④ 在实模式下，段寄存器中存放段基址。

2、保护模式的特点:

  ● 80486工作在保护模式下，才能真正发挥它的设计能力。
  ① 在保护模式下，80486 支持多任务操作系统
  ② 在保护模式下，80486 可以访问 4GB 的物理存储空间
  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。

3、虚拟80486模式:

  ● 虚拟80486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，80486可以分时地运行多个实模式程序 ( 因为在虚拟8086模式下，486认为段寄存器中存放的不是选择符而是段基址 )
  例如有3个任务。操作系统为每一个任务分配 1ms ，每通过 1ms 就发生一次任务切换。从宏观上看系统是在执行多个任务，实质上是因为联机打印程序使用了“分时技术”。打印程序只能在 DOS 环境下运行，只占用了系统 10% 的时间。

4、实模式下20位物理地址的形成(这一章的重点)

  ● 首先，我们要知道为什么我们要提出物理地址，又是为什么后面我们要常用逻辑地址？

  通过一个示意图来了解一下：

  ① 在程序执行的一开始，我们得先编写好这段 .exe 程序代码，而这些程序代码是存放在硬盘上的。

  ② 当要运行这段代码时，操作系统会将代码 “送” 到主存(内存)中。但是因为内存空间并不是理想的空箱子，它里面本来就装有其他代码。

  ③ 所以，这段 .exe 代码有可能被放在了 “第一段” 的位置，也可能被放在了 “第二段 或 第三段、…” 的位置。

  ④ 所以当在执行这段程序时，CPU 的指针扫到的 “绿色” 那段代码的 “绝对地址”，会根据这代码所在段的位置不同而有所不同。

  ⑤ 但是 “绿色” 那段代码距 “代码文件头地址” 的 “相对位置” 并不会随段的位置改变而不同。

  ⑥ 所以，我们用 逻辑地址 能更方便且快速无误地表示出每一行代码的位置。【但是计算机只认物理地址，所以逻辑地址是用来方便程序员，物理地址是用来方便计算机的】

  ● 程序员编写程序时使用的是逻辑地址。

  ● 程序是分段的，逻辑地址由段基址和偏移地址组成。书写格式：“ 段基址：偏移地址 ”。

  ● 逻辑地址到物理地址的转换（也称为物理地址的形成）由 CPU 负责完成。

  ● 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(2¹⁶)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)。如下图所示：

  注：上面说的 “16位” 是针对 2 进制的，所以针对 16 进制是 “4位”(即比如 “2345H” 中的四个数字)。

  ● 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。

  ◆ 在一个逻辑段中，各单元的段基址是相同的。段基址指明由哪个段寄存器给出即可。
  ◆ 偏移地址是该单元相对于段首的地址偏移量。偏移地址是由程序员在程序中给出的具体值。

  ● 实模式下20位物理地址的形成过程：

  举个栗子：设某存贮单元逻辑地址为1000H:2345H
  则段基址 = 1000H，偏移量 = 2345H，故物理地址为：

  ● 最后注意：
  物理地址是唯一的，不同的逻辑地址可能得到相同的物理地址。 如：
    2000H：0200H 一一 > 20200H
    2010H：0100H 一一 > 20200H

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六、参考附录：

[1] 《微型计算机原理与接口技术(慕课板)》
清华大学出版社

[2] 《汇编语言程序设计(第2版)》

[3] 《EAX、ECX、EDX、EBX等寄存器的作用》
链接: https://blog.csdn.net/qq_42383069/article/details/109059138.

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