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微处理器指令系统
第二章微处理器指令系统
3.18086微处理器
回顾微型计算机及微机系统的组成、结构与工作过程,CPU的基本概念与一般结构。
本讲重点8086微处理器的一般性能特点,内部编程结构的两大组成部分及在信息处理中的相互协调关系,处理器状态字PSW及各个标志位,8086微机系统的存储器组织。
【讲授内容】
一、8086微处理器
1.引言
8086微处理器是Intel公司推出的第三代CPU芯片,它们的内部结构基本相同,都采用16位结构进行操作及存储器寻址,但外部性能有所差异,两种处理器都封装在相同的40脚双列直插组件(DIP)中。
2.8086微处理器的一般性能特点:
Ø16位的内部结构,16位双向数据信号线;
Ø20位地址信号线,可寻址1M字节存储单元;
Ø较强的指令系统;
Ø利用第16位的地址总线来进行I/O端口寻址,可寻址64K个I/O端口;
Ø中断功能强,可处理内部软件中断和外部中断,中断源可达256个;
Ø单一的+5V电源,单相时钟5MHz。
另外,Intel公司同期推出的Intel8088微处理器一种准16位微处理器,其内部寄存器,内部操作等均按16位处理器设计,与Intel8088微处理器基本上相同,不同的是其对外的数据线只有8位,目的是为了方便地与8位I/O接口芯片相兼容。
3.8086CPU的编程结构
编程结构:
是指从程序员和使用者的角度看到的结构,亦可称为功能结构。
如图1-7(P11)所示是8086CPU的内部功能结构。
从功能上来看,8086CPU可分为两部分,即总线接口部件BIU(BusInterfaceUnit)和执行部件EU(ExecutionUnit)。
(1)执行部件(EU)
功能:
负责指令的执行。
组成:
包括①ALU(算术逻辑单元)、②通用寄存器组和③标志寄存器等,主要进行8位及16位的各种运算。
图1-78086/8088CPU内部功能结构图
(2)总线接口部件(BIU)
功能:
负责与存储器及I/O接口之间的数据传送操作。
具体来看,完成取指令送指令队列,配合执行部件的动作,从内存单元或I/O端口取操作数,或者将操作结果送内存单元或者I/O端口。
组成:
它由①段寄存器(DS、CS、ES、SS)、②16位指令指针寄存器IP(指向下一条要取出的指令代码)、③20位地址加法器(用来产生20位地址)和④6字节(8088为4字节)指令队列缓冲器组成。
(3)8086BIU的特点
①8086的指令队列分别为6/4个字节,在执行指令的同时,可从内存中取出后续的指令代码,放在指令队列中,可以提高CPU的工作效率。
②地址加法器用来产生20位物理地址。
8086可用20位地址寻址1M字节的内存空间,而CPU内部的寄存器都是16位,因此需要由一个附加的机构来计算出20位的物理地址,这个机构就是20位的地址加法器。
例如:
CS=0FE00H,IP=0400H,则表示要取指令代码的物理地址为0FE400H。
(4)BIU与EU的动作协调原则:
总线接口部件(BIU)和执行部件(EU)按以下流水线技术原则协调工作,共同完成所要求的信息处理任务:
①每当8086的指令队列中有两个空字节,或BIU就会自动把指令取到指令队列中。
其取指的顺序是按指令在程序中出现的前后顺序。
②每当EU准备执行一条指令时,它会从BIU部件的指令队列前部取出指令的代码,然后用几个时钟周期去执行指令。
在执行指令的过程中,如果必须访问存储器或者I/O端口,那么EU就会请求BIU,进入总线周期,完成访问内存或者I/O端口的操作;如果此时BIU正好处于空闲状态,会立即响应EU的总线请求。
如BIU正将某个指令字节取到指令队列中,则BIU将首先完成这个取指令的总线周期,然后再去响应EU发出的访问总线的请求。
③当指令队列已满,且EU又没有总线访问请求时,BIU便进入空闲状态。
④在执行转移指令、调用指令和返回指令时,由于待执行指令的顺序发生了变化,则指令队列中已经装入的字节被自动消除,BIU会接着往指令队列装入转向的另一程序段中的指令代码。
从上述BIU与EU的动作管理原则中,不难看出,它们两者的工作是不同步的,正是这种既相互独立又相互配合的关系,使得8086可以在执行指令的同时,进行取指令代码的操作,也就是说BIU与EU是一种并行工作方式,改变了以往计算机取指令→译码→执行指令的串行工作方式,大大提高了工作效率,这正是8086获得成功的原因之一。
(5)8086CPU内部寄存器
8086内部的寄存器可以分为通用寄存器和专用寄存器两大类,专用寄存器包括指针寄存器、变址寄存器等。
①通用寄存器
8086有4个16位的通用寄存器(AX、BX、CX、DX),可以存放16位的操作数,也可分为8个8位的寄存器(AL、AH;BL、BH;CL、CH;DL、DH)来使用。
其中AX称为累加器,BX称为基址寄存器,CX称为计数寄存器,DX称为数据寄存器,这些寄存器在具体使用上有一定的差别,如表1-2所示(P12)。
②指针寄存器
系统中有两个16位的指针寄存器SP和BP,其中SP是堆栈指针寄存器,由它和堆栈段寄存器SS一起来确定堆栈在内存中的位置;BP是基数指针寄存器,通常用于存放基地址。
③变址寄存器
系统中有两个16位的变址寄存器SI和DI,其中SI是源变址寄存器,DI是目的变址寄存器,都用于指令的变址寻址方式。
表1-2内部寄存器主要用途
寄存器
用途
AX
字乘法,字除法,字I/O
AL
字节乘,字节除,字节I/O,十进制算术运算
AH
字节乘,字节除
BX
转移
CX
串操作,循环次数
CL
变量移位,循环控制
DX
字节乘,字节除,间接I/O
④控制寄存器
IP、标志寄存器是系统中的两个16位控制寄存器,其中IP是指令指针寄存器,用来控制CPU的指令执行顺序,它和代码段寄存器CS一起可以确定当前所要取的指令的内存地址。
顺序执行程序时,CPU每取一个指令字节,IP自动加1,指向下一个要读取的字节;当IP单独改变时,会发生段内的程序转移;当CS和IP同时改变时,会产生段间的程序转移。
标志寄存器的内容被称为处理器状态字PSW,用来存放8086CPU在工作过程中的状态。
⑤段寄存器
系统中共有4个16位段寄存器,即代码段寄存器CS、数据段寄存器DS、堆栈段寄存器SS和附加段寄存器ES。
这些段寄存器的内容与有效的地址偏移量一起,可确定内存的物理地址。
通常CS划定并控制程序区,DS和ES控制数据区,SS控制堆栈区。
(6)处理器状态字PSW
8086内部标志寄存器的内容,又称为处理器状态字PSW。
其中共有9个标志位,可分成两类:
一类为状态标志,一类为控制标志。
其中状态标志表示前一步操作(如加、减等)执行以后,ALU所处的状态,后续操作可以根据这些状态标志进行判断,实现转移;控制标志则可以通过指令人为设置,用以对某一种特定的功能起控制作用(如中断屏蔽等),反映了人们对微机系统工作方式的可控制性。
图1-8 标志寄存器
PSW中各标志位的安排如图1-8所示(P12),这些标志位的含义如下:
①状态标志:
6个
✧CF—进位标志位,做加法时最高位出现进位或做减法时最高位出现借位,该位置1,反之为0。
✧PF—奇偶标志位,当运算结果的低8位中l的个数为偶数时,则该位置1,反之为0。
✧AF—半进位标志位,做字节加法时,当低四位有向高四位的进位,或在做减法时,低四位有向高四位的借位时,该标志位就置1。
通常用于对BCD算术运算结果的调整。
(例:
11011000+10101110=110000110其中AF=1,CF=1)
✧ZF—零标志位,运算结果为0时,该标志位置1,否则清0。
✧SF—符号标志位,当运算结果的最高位为1,该标志位置1,否则清0。
即与运算结果的最高位相同。
✧OF—溢出标志位,OF溢出的判断方法如下:
加法运算:
若两个加数的最高位为0,而和的最高位为1,则产生上溢出;
若两个加数的最高位为1,而和的最高位为0,则产生下溢出;
两个加数的最高位不相同时,不可能产生溢出。
减法运算:
若被减数的最高位为0,减数的最高位为1,而差的最高位为1,则产生上溢出;
若被减数的最高位为1,减数的最高位为0,而差的最高位为0,则产生下溢出;
被减数及减数的最高位相同时,不可能产生溢出。
如果所进行的运算是带符号数的运算,则溢出标志恰好能够反映运算结果是否超出了8位或16位带符号数所能表达的范围,即字节运算大于十127或小于-128时,字运算大于十32767或小于-32768时,该位置1,反之为0。
举例:
0101
0100
0011
1001
+
0100
0101
0110
1010
1001
1001
1010
0011
CF=0、AF=1、PF=1、ZF=0、SF=1、OF=1(两正数相加结果为负)
一般来讲,不是每次运算后所有的标志都改变,只是在某些操作之后,才对其中某个标志进行检查。
②控制标志:
3个
✧TF—陷阱标志位(单步标志位、跟踪标志)。
当该位置1时,将使8086/8088进入单步工作方式,通常用于程序的调试。
✧IF—中断允许标志位,若该位置1,则处理器可以响应可屏蔽中断,否则就不能响应可屏蔽中断。
✧DF—方向标志位,若该位置1,则串操作指令的地址修改为自动减量方向,反之,为自动增量方向。
二、存储器组织(P13)
1.存储容量
8086有20根地址总线,因此,它可以直接寻址的存储器单元数为220=1Mbyte
2.物理地址
8086可直接寻址1Mbyte的存储空间,其地址区域为00000H—FFFFFH,与存储单元一一对应的20位地址,我们称之为存储单元的物理地址。
3.存储器的分段及段地址
由于CPU内部的寄存器都是16位的,为了能够提供20位的物理地址,系统中采用了存储器分段的方法。
规定存储器的一个段为64KB,由段寄存器来确定存储单元的段地址,由指令提供该单元相对于相应段起始地址的16位偏移量。
这样,系统的整个存储空间可分为16个互不重叠的逻辑段,如图1-9所示。
存储器的每个段的容量为64KB,并允许在整个存储空间内浮动,即段与段之间可以部分重叠、完全重叠、连续排列,非常灵活,如图1-10所示(P14)。
图1-9存储空间段结构图1-10分段逻辑结构
4.偏移地址
偏移地址是某存储单元相对其所在段起始位置的偏移字节数,或简称偏移量。
它是一个16位的地址,根据指令的不同,它可以来自于CPU中不同的16位寄存器(IP、SP、BP、SI、DI、BX等)。
5.物理地址的形成
物理地址是由段地址与偏移地址共同决定的,段地址来自于段寄存器(CS、DS、ES、SS),是十六位地址,由段地址及偏移地址计算物理地址的表达式如下:
物理地址=段地址×16+偏移地址
例如:
系统启动后,指令的物理地址由CS的内容与IP的内容共同决定,由于系统启动的CS=0FFFFH,IP=0000H,所以初始指令的物理地址为0FFFF0H,我们可以在0FFFF0H单元开始的几个单元中,固化一条无条件转移指令的代码,即转移到系统初始化程序部分。
6.存储器分段组织带来存储器管理的新特点
首先,在程序代码量、数据量不是太大的情况下,可使它们处于同一段内,即使它们在64Kbyte的范围内,这样可以减少指令的长度,提高指令运行的速度;
其次,内存分段为程序的浮动分配创造了条件;
第三,物理地址与形式地址并不是一一对应的,举例:
6832H:
1280H,物理地址为695A0H。
第四,各个分段之间可以重叠
7.特殊的内存区域
8088/8086系统中,有些内存区域的作用是固定的,用户不能随便使用,如:
中断矢量区:
00000H—003FFH共1K字节,用以存放256种中断类型的中断矢量,每个中断矢量占用4个字节,共256×4=1024=1K
显示缓冲区:
B0000H—B0F9FH约4000(25×80×2)字节,是单色显示器的显示缓冲区,存放文本方式下,所显示字符的ASCII码及属性码;B8000H—BBF3FH约16K字节,是彩色显示器的显示缓冲区,存放图形方式下,屏幕显示象素的代码。
启动区:
FFFF0H—FFFFFH共16个单元,用以存放一条无条件转移指令的代码,转移到系统的初始化部分。
习题与思考
1.8086/8088CPU由哪两部分组成?
它们的主要功能各是什么?
它们之间是如何协调工作的?
2.8086/8088CPU中有哪些寄存器?
各有什么用途?
标志寄存器F有哪些标志位?
各在什么情况下置位?
3.8086/8088系统中储存器的逻辑地址和物理地址之间有什么关系?
表示的范围各为多少?
4.已知当前数据段位于储存器的A1000H到B0FFFH范围内,问DS=?
5.某程序数据段中存有两个数据字1234H和5A6BH,若已知DS=5AA0H,它们的偏移地址分别为245AH和3245H,试画出它们在储存器中的存放情况。
3.28086的寻址方式
【回顾】8086的内部结构和寄存器,地址分段的概念,8086的工作过程。
【本讲重点】有关寻址的概念;6种基本的寻址方式及有效地址的计算。
首先,简单讲述一下指令的一般格式:
操作码
操作数
……
操作数
计算机中的指令由操作码字段和操作数字段组成。
操作码指计算机所要执行的操作,或称为指出操作类型,是一种助记符。
操作数指在指令执行操作的过程中所需要的操作数。
该字段除可以是操作数本身外,也可以是操作数地址或是地址的一部分,还可以是指向操作数地址的指针或其它有关操作数的信息。
寻址方式就是指令中用于说明操作数所在地址的方法,或者说是寻找操作数有效地址的方法。
8086的基本寻址方式有六种。
1.立即寻址
所提供的操作数直接包含在指令中。
它紧跟在操作码的后面,与操作码一起放在代码段区域中。
如图所示。
例如:
MOVAX,3000H
立即数可以是8位的,也可以是16位的。
若是16位的,则存储时低位在前,高位在后。
立即寻址主要用来给寄存器或存储器赋初值。
2.直接寻址
操作数地址的16位偏移量直接包含在指令中。
它与操作码—起存放在代码段区域,操作数一般在数据段区域中,它的地址为数据段寄存器DS加上这16位地址偏移量。
如下图所示。
例如:
MOVAX,DS:
[2000H];
(对DS来讲可以省略成MOVAX,[2000H],
系统默认为数据段)
这种寻址方法是以数据段的地址为基础,
可在多达64KB的范围内寻找操作数。
8086中
允许段超越,即允许操作数在以代码段、堆栈
段或附加段为基准的区域中。
此时只要在指令中指明是段超越的,则16位地址偏移量可以与CS或SS或ES相加,作为操作数的地址。
MOVAX,[2000H];数据段
MOVBX,ES:
[3000H];段超越,操作数在附加段
即绝对地址=(ES)*16+3000H
3.寄存器寻址
操作数包含在CPU的内部寄存器中,如寄存器AX、BX、CX、DX等。
例如:
MOVDS,AX
MOVAL,BH
4.寄存器间接寻址
操作数是在存储器中,但是,操作数地址的16位偏移量包含在以下四个寄存器SI、DI、BP、BX之一中。
可以分成两种情况:
(1)以SI、DI、BX间接寻址,则通常操作数在现行数据段区域中,即数据段寄存器(DS)*16加上SI、DI、BX中的16位偏移量,为操作数的地址,【例如】MOVAX,[SI]操作数地址是:
(DS)*16+(SI)
(2)以寄存器BP间接寻址,则操作数在堆栈段区域中。
即堆栈段寄存器(SS)*16与BP的内容相加作为操作数的地址,【例如】MOVAX,[BP]操作数地址是:
(SS)*16+(BP)
若在指令中规定是段超越的,则BP的内容也可以与其它的段寄存器相加,形成操作数地址。
【例如】MOVAX,DS:
[BP]操作数地址是:
(DS)*16+(BP)
5.变址寻址
由指定的寄存器内容,加上指令中给出的8位或16位偏移量(当然要由一个段寄存器作为地址基准)作为操作数的偏移地址。
(操作数在存贮器中)
可以作为寄存器变址寻址的四个寄存器是SI、DI、BX、BP。
(1)若用SI、DI和BX作为变址,则与数据段寄存器相加,形成操作数的地址即默认在数据段;
(2)若用BP变址,则与堆栈段寄存器相加,形成操作数的地址即默认在堆栈段。
【例如】MOVAX,COUNT[SI];
操作数地址是:
(DS)*16+(SI)+COUNT
但是,只要在指令中指定是段超越的,则可以用别的段寄存器作为地址基准。
6.基址加变址寻址
把BX和BP看成是基址寄存器,把SI、DI看着是变址寄存器,把一个基址寄存器(BX或BP)的内容加上一个变址寄存器(SI或DI)的内容,再加上指令中指定的8位或16位偏移量(当然要以一个段寄存器作为地址基准)作为操作数的偏移地址,如图所示。
操作数在存贮器中,其偏移地址由(基址寄存器)+(变址寄存器)+相对偏移量形成
基址寄存器――BX:
数据段、BP:
堆栈段;
变址寄存器――SI、DI。
【例如】MOVAX,[BX][SI]或MOVAX,[BX+SI]
也可放置一个相对偏移量,如COUNT、MASK等等,用于表示相对寻址。
MOVAX,MASK[BX][SI]
MOVBH,COUNT[DI][BP];MOVBH,COUNT[BP+DI]
✧若用BX作为基地址,则操作数在数据段区域
✧若用BP作为基地址,则操作数在堆栈段区域
但若在指令中规定段是超越的,则可用其它段寄存器作为地址基准。
表2-1段寄存器使用的基本约定
访问存储器类型
默认段寄存器
可指定段寄存器
段内偏移地址来源
取指令码
CS
无
IP
堆栈操作
SS
无
SP
串操作源地址
DS
CS、ES、SS
SI
串操作目的地址
ES
无
DI
BP用作基址寄存器
SS
CS、DS、ES
根据寻址方式求得有效地址
一般数据存取
DS
CS、ES、SS
根据寻址方式求得有效地址
习题与思考
1.假定DS=2000H,ES=2100H,SS=1500H,SI=00A0H,BX=0100H,BP=0010H,数据变量VAL的偏移地址为0050H,请指出下列指令源操作数是什么寻址方式?
其物理地址是多少?
(1)MOVAX,0ABH
(2)MOVAX,[100H]
(3)MOVAX,VAL(4)MOVBX,[SI]
(5)MOVAL,VAL[BX](6)MOVCL,[BX][SI]
(7)MOVVAL[SI],BX(8)MOV[BP][SI],100
2.已知SS=0FFA0H,SP=00B0H,先执行两条把8057H和0F79H分别进栈的PUSH指令,再执行一条POP指令,试画出堆栈区和SP内容变化的过程示意图。
(标出存储单元的地址)
3.38086指令系统
【回顾】8086的内部结构和寄存器、工作过程。
8086寻址方式及操作数地址的计算。
【本讲重点】要求学生了解指令的功能,掌握数据传送类,算术运算类指令的使用方法。
8086的指令系统可以分为以下六个功能组:
1.数据传送(DataTranster)
2.算术运算(Arithmetic)
3.逻辑运算(Logic)
4.串操作(Stringmenipulation)
5.程序控制(ProgramControl)
6.处理器控制(ProcessorControl)
一、数据传送指令
主要介绍MOV,XCHG、堆栈和地址传送指令。
1.数据传送MOV指令
一般格式MOVOPRD1,OPRD2
MOV是操作码,OPRD1和OPRD2分别是目的操作数和源操作数。
功能完成数据传送。
具体来说,一条数据传送指令能实现:
⑴CPU内部寄存器之间数据的任意传送(除了代码段寄存器CS和指令指针IP以外)。
MOVAL,BL;字节传送
MOVCX,BX;字传送
MOVDS,BX
⑵立即数传送至CPU内部的通用寄存器组(即AX、BX、CX、DX、BP、SP、SI、DI),
MOVCL,4
MOVAX,03FFH
MOVSI,057BH
⑶CPU内部寄存器(除了CS和IP以外)与存储器(所有寻址方式)之间的数据传送。
MOVAL,BUFFER
MOVAX,[SI]
MOV[DI],CX
MOVSI,BLOCK[BP]
MOVDS,DATA[SI+BX]
MOVDEST[BP+DI],ES
⑷能实现用立即数给存储单元赋值
例如:
MOV[2000H],25H
MOV[SI],35H
对于MOV指令应注意几个问题:
①存储器传送指令中,不允许对CS和IP进行操作;
②两个操作数中,除立即寻址之外必须有一个为寄存器寻址方式,即两个存储器操作数之间不允许直接进行信息传送;
如我们需要把地址(即段内的地址偏移量)为AREAl的存储单元的内容,传送至同一段内的地址为AREA2的存储单元中去,MOV指令不能直接完成这样的传送,但我们可以CPU内部寄存器为桥梁来完成这样的传送:
MOVAL,AREAl
MOVAREA2,AL
③两个段寄存器之间不能直接传送信息,也不允许用立即寻址方式为段寄存器赋初值;如:
MOV AX,0;MOV DS,AX
④目的操作数,不能用立即寻址方式。
2.堆栈指令(简述堆栈的概念及存取特点,如先进后出)
包括入栈(PUSH)和出栈(POP)指令两类。
仅能进行字运算。
(操作数不能是立即数)
(1)入栈指令PUSH
一般格式PUSHOPRD
源操作数可以是CPU内部的16位通用寄存器、段寄存器(CS除外)和内存操作数(所有寻址方式)。
入栈操作对象必须是16位数。
功能将数据压入堆栈
执行步骤为:
SP=SP-2;[SP]=操作数低8位;[SP+1]=操作数高8位
【例如】PUSHBX
执行过程为:
SP=SP-1,[SP]=BH;SP=SP-1,[SP]=BL,如下图所示。
(2)出栈指令POP
一般格式POPOPRD
功能将数据弹出堆栈
对指令执行的要求同入栈指令。
【例如】POPAX
POP[BX]
POPDS
3.交换指令XCHG
一般格式XCHGOPRD1,OPRD2
功能完成数据交换
这是—条交换指令,把一个字节或一个字的源操作数与目的操作数相交换。
交换能在通用寄存器与累加器之间、通用寄存器之间、通用寄存器与存储器之间进行。
但段寄存器和立即数不能作为一个操作数,不能在累加器之间进行。
【例如】XCHGAL,CL
XCHGAX,DI
XCHGBX,SI
XCHGAX,BUFFER
XCHGDATA[SI],DH
4.累加器专用传送指令
有三种,输入、输出和查表指令。
前两种又称为输入输出指令。
(1)IN指令
一般格式INAL,n;BAL←[n]
INAX,n;WAX←[n+1][n]
INAL,DX;BAL←[DX]
INAX,DX;WAX←[DX+1][DX]
功能从I/O端
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