第四章 典型CPU及指令系统举例.ppt
第四章 典型CPU及指令系统举例,学习内容：,41 8086/8088 CPU的结构42 主存储器43 8086/8088堆栈44 8086/8088指令系统45 提高CPU性能的一些措施,学习目标,理解8086/8088CPU的寄存器结构、主存储器、堆栈结构。掌握8086/8088指令系统的寻址方式。（本章的重点内容）理解8086/8088指令类型。了解提高CPU性能的一些措施与当前常用的实际CPU基本组成。,重点难点：8086/8088指令系统的寻址方式。课时安排：6课时。媒体使用：使用多媒体投影，主要采用PowerPoint准备的电子教案。,§4.1 8086/8088CPU,§4.1.1 8086/8088CPU的结构1. 8086/8088内部结构：8086/8088CPU采用指令流水线结构，将取指令（或取操作数）与执行指令的功能分别由两个独立部件实现，即总线接口部件BIU与执行部件EU,主要任务是完成CPU与主存储器或I/O之间的信息传送。,主要任务是执行指令,1、执行部件EU：包括一个16位算术逻辑部件ALU、一组通用寄存器、暂存器、标志寄存器和EU控制器。2、EU主要任务是执行指令。3、执行部件EU功能见教材P114。,总线接口部件BIU见教材P115。,1、总线接口部件BIU：包括一段寄存器、指令指针、6字节的指令队列、20位总线地址形成部件和总线控制逻辑。2、BIU主要任务是完成CPU与主存储器或I/O端口之间的信息传送。3、总线接口BIU功能见教材P115。,2. 8086/8088主存地址的形成,段基值：在BIU中设置段寄存器，用以存放20位段起始地址的高16位，称为段基值。偏移量：由EU或指令指针IP提供段内的偏移量，即一个主存单元与所在段的段基址之间的字节距离。（16位）段基址：由段基值左移4位后，得到一个物理地址。,二者相加形成20位主存单元的物理地址。,2. 8086/8088主存地址的形成,2. 8086/8088主存地址的形成,我们把提供一个20位地址的两个寄存器中的值分别称之为：20位寄存器中的值称之为段基址（Segment base value）16位寄存器中的值称之为偏移量（Offset）或有效地址(Effective address)段基址是由四个段寄存器提供20位的高16位，低四位补0形成的偏移量是由CPU内的EU部分提供的,§4.1. 8086/8088寄存器,1. 段寄存器：CS（代码段寄存器）用来存放程序的指令代码序列，用来存放当前代码段段首址的高16位，即段基值。DS（数据段寄存器）存放程序的有关数据，用来存放当前数据段的段基值。SS（堆栈段寄存器）用来存放按后进先出顺序存取的信息。存放当前堆栈段的段基值。ES（附加段寄存器）存放运算结果或辅助数据，存放当前附加段的段基值。,1.段寄存器,8086/8088CPU,2 . 通用寄存器（1）地址指针寄存（2）数据寄存器3. 用于控制的寄存器（1）指令指针IP：（2）标志寄存器FR,作用类似于PC，当现行指令执行完毕，由IP提供下一条指令地址,§4.2 主存储器§4.2.1 8086/8088主存储器的特点,8086/8088CPU有20条地址引出线，因此具有1M字节（210*210=220）的寻址能力，即可以在1M个字节单元中寻找出所需的一个存储单元。在8086/8088主存中，一个字节数据占用一个存储单元。一个字（Word）数据（16位）则占用二个相邻的存储单元，数的低8位（低字节）存放在低地址单元；高8位（高字节）存放在高地址单元，并以低字节所在存储单元地址作为字数据的单元地址。,§4.2.2 主存储器的段结构,8086/8088把1MB主存空间按需要划分为若干段（segment）。每个段都由连续的字节单元组成，最大长度为64K（即65536），可作为独立寻址的逻辑单位。一个段起始单元的地址，称为对应段的段基址（20位）。,§4.2.2 主存储器的段结构,在程序中设置的段称为逻辑段。主存可分成任意多个段，但在某一时刻，一个程序只能访问4个段寄存器指向的当前段的内容。4个段寄存器CS、DS、SS和ES，分别保存代码段、数据段、堆栈段和附加段这4个当前段的段基址的高16位段基值。,§4.2.3 逻辑地址与物理地址,逻辑地址段基值：偏移量（书写形式）（1）段基值：由某个段寄存器（CS,DS,SS,ES）给出，它是段基址的高16位。（2）偏移量：（也称偏移地址）由IP或EU按寻址方式产生的有效地址提供，它是段内某存储单元与段基址之间的字节距离。物理地址是指实际的20位主存单元地址，1MB主存空间的每个存储单元只对应惟一的物理地址，其范围为00000HFFFFFH。,逻辑地址物理地址的转换方式： 将段基值左移4位形成20位段基址，再加上偏移量，产生20位物理地址。逻辑地址的来源CPU在执行指令时，是按指令所需的操作类型从不同的来源获得存储单元的逻辑地址，然后形成对应的物理地址以访问主存。（具体内容见教材的P124表4-2逻辑地址的来源）,§4.3 8086/8088堆栈,§4.3.1 堆栈组织8086/8088的堆栈是由SS指定的一段存储区（64KB）构成，并采用向上（地址码减小）生成方式，由堆栈指针SP指向栈顶。SS提供堆栈段的段基值，SP的内容为栈顶单元相对堆栈段段基址的字节距离（偏移量）。8086/8088堆栈规定以字（2个字节）为单位进行存取。,§4.3.2 堆栈操作,堆栈组织,§4.3.2 堆栈操作,先设置堆栈，主要是对堆栈段寄存器SS物堆栈指针SP赋初值。对堆栈的操作均在栈顶进行的，其基本操作的压栈出栈,压 栈,压栈-用压栈指令PUSH可以将通用寄存器、段寄存器或字存储单元内容压入堆栈。执行压栈指令PUSH的操作过程分二步进行：（1）（SP）-2SP；首先修改栈顶指针，SP减2以指向空字单元（即新栈顶）（2）数据（SP）；将寄存器或存储单元内容送入SP指向的空字单元中,(AL)=34H,(AH)=12H,(BH)=56H,(BL)=78H,BX,AX,56,78,12,34,(SP)-2SP；(AX) (SP),压栈之前(SP),(SP)-2SP;(BX) (SP),压栈指令,出栈,出栈-用弹出指令POP可以将当前栈顶字单元内容取出送到通用寄存器、段寄存器或字存储单元中。执行出栈指令POP的操作过程分二步进行：（1）（SP）寄存器/字单元；将栈顶单元内容送到指定的寄存器或字单元（2）（SP）+2SP；修改栈顶指针，SP加2以指向新栈顶,BX,AX,56,78,12,34,(BL)=78H,(BH)=56H,(AL)=34H,(AH)=12H,(SP) BX;(SP)+2SP,(SP) AX;(SP)+2SP,出栈之后(SP),AX,BX,堆栈操作-1.压栈2.出栈,§4.4 8086/8088指令系统,§4.4.1 8086/8088寻址方式1 . 寄存器寻址方式：指令所需的操作数存放在CPU的寄存器（通用寄存器或段寄存器）中，通过指令中给出寄存器地址去找到操作数。,寻址过程：例：（BX） =1234H MOV AX，BX ：将BX中的内 容送到AX中 （AX） =1234H,操作码 REC,操作数S,Ri,是指令代码中的寻址字段，表示操作数的寄存器地址,2. 立即数寻址方式,立即数寻址方式：指令所需的操作数直接在指令代码中，随着取指令一起取到BIU的指令队列中。,操作码,操作码,F5H,12H,34H,一条指令,一条指令,AX,AX,（A）MOV AX，1234H,（B）MOV AL，0F5H,3. 存储器寻址方式,在汇编语言程序中，一个存储单元的地址采用逻辑地址来表示：（形式：段基值：偏移量）段基值：是由某个段寄存器提供，由指令隐含给出。偏移量：是指存放操作数的存储单元与段起始（段基址）之间的字节距离，字由CPU的EU按指令中操作数的寻址方式计算而得到，又称为有效地址EA。有效地址EA：由位移量、基地址、变址量三个地址分量的某种组合求得。,段基址,段基值左移四位,段基值,（1）直接寻址方式,定义：指令所需的操作数存放在存储单元中，操作数的有效地址EA直接由指令代码中的位移量提供。寻址过程：在源程序中，直接寻址方式可用数值地址或符号地址来表示。,EA,用数值地址表示：在采用直接寻址方式的汇编指令中，用数值表示操作数的有效地址，则操作数所在段的段寄存器必须指明，不能缺省。MOV BX，DS：1000H完成将当前数据段偏移1000H个字节的字单元内容1234H送入BX中。,用符号地址表示：在源程序中，常用符号地址表示存放操作数的存储单元，所以在汇编指令中，可用符号地址表示的直接寻址方式来存取操作数。若指令中不必给出数据段寄存器名，即隐含使用DS；其他须指定。例题：P130,（2）寄存器间接寻址方式,寄存器间接寻址方式：指令所需的操作数在存储单元中，操作数的有效地址EA直接从基址寄存器（BP或BX）或变址寄存器（SI或DI）中获得。见P131的图4-22 寄存器间接寻址方式。若以BX，SI或DI间接寻址时，隐含使用的段寄存器是DS，若以BP间接寻址时，隐含使用的段寄存器是SS。,SI,DI,BX,BP,OR,OR,OR,EA,寻址过程,是指令代码中的寻址字段,寄存器间接寻址方式实际上是将有效地址事先存放在一个寄存器中，如同一个地址指针。因此在程序中只要修改间址寄存器的内容，就可以用一条指令访问不同的存储单元。,（2）寄存器间接寻址方式,变址寻址和基址寻址方式：指令所需的操作数在存储单元中，操作数的有效地址EA是基址寄存器（BP或BX）或变址寄存器（SI或DI）的内容与指令中给出的位移量（8位或16或）两个地址分量之和。使用SI或DI称为变址寻址。使用BX或BP称为基址寻址。,（3）变址寻址和基址寻址方式,变址寻址和基址寻址方式,SI,DI,BX,BP,OR,OR,OR,+,EA,寻址方式的使用格式：变址或基址寻址方式用来访问顺序存放在主存中的一维数组、表格、字符串等。典型用法：是将指令中不能修改的位移量作为基准地址，而变址或基址寄存器内容作为修改量例题4-1：见教材132页。,（4）基址变址寻址方式,SI,DI,BP,BX,OR,OR,+,EA,寻址过程,寻址方式的使用格式：基址变址寻址方式用来访问存放在主存中的二维数组。（其寻址方式中有两地址分量可在程序执行过程中进行修改）例题4-2：见教材133-134页。,上半部分表示由CPU的执行部件EU根据寻址方式计算有效地址EA。,下半部分表示由总线接口部件BIU形成操作数的物理地址。按操作数的物理地址就可直接访问操作数的存储单元。,4. 串操作寻址方式,串操作寻址方式：串操作指令规定：隐含使用SI作为在数据段中的源串（即源操作数）的地址指针隐含使用DI作为在附加段中的目的串的地址指针。,SI,DI,源串有效地址EA,目的串有效地址EA,5. I/O端口寻址,了解,§4.4.2 8086/8088指令,8086/8088指令按操作数地址划分： 双操作数指令：OPR DEST，SRC 单操作数指令：OPR DEST 无操作数指令：OPR,8086/8088指令按功能划分： 传送类指令 算术运算类指令 位操作类指令 串操作类指令 程序转移类指令 处理器控制类指令,一、传送类指令,分类：（仅存标志指令SAHF、标志出栈指令POPF对标位有影响）数据传送类指令交换指令标志位传送指令地址传送指令,1数据传送类指令（Move）,格式：MOV DEST，SRC功能： DEST（SRC）将源地址的内容（源操作数）传送到目的地址中。传送指令执行后源操作数保持不变。,1数据传送类指令（Move）,注意：MOV指令中的两个操作数可同为字或字节，但两者位数必须一致。目的操作数不能为立即数。两个操作数不能同时为存储器操作数。MOV指令中立即数不能直接传送给段寄存器，而且段寄存器之间也不能直接传送数据，但可以通过寄存器实现间接传送。一条MOV指令不能完成两个存储单元之间的数据传送，但可以用两条指令来实现。,数据传送指令（Move）(指令中只允许两个操作数的其中一个在主存储器中，立即数不能直接送段寄存器，段寄存器也不能之间直接传送),MOV指令错误例子举例,2交换指令（Excahange）,格式：XCHG DEST , SRC功能：将源地址的内容（源操作数）与目的地址的内容（目的操作数）相互交换。,通用寄存器AX BX CX DX SI DI BP SP,存储器,图4-30 CXHG指令的数据交换,注意：数据交换只能在通用寄存器之间或通用寄存器与存储单元之间进行。交换指令不能使用段寄存器，也不能使用立即数。,3标志位传送指令,（1）取标志指令（LAHF）格式：LAHF功能：AH （FR）7-0，将标志寄存器FR低8位内容传送到AH寄存器中。见如下图（一一对应）76543210,这种指令用于对标志寄存器进行存取操作，共4条指令且都是无操作数指令,AH,FR低8位,（2）存标志指令格式：SAHF功能：（FR）7-0 AH，将AH寄存器的内容传送给标志寄存器FR低8位。（3）标志压栈指令（PUSHF）格式：PUSHF 功能：PUSHF指令先将栈顶指针SP内容减2指向空字单元，然后把16位标志寄存器FR的所有内容送到SP指向的新栈顶字单元中。,（4）标志压栈指令（POPF）格式：POPF 功能：POPF指令先SP指向的栈顶字单元的内容弹出标志寄存器中，然后SP内容加2指向新的栈顶。各标志位的状态由堆栈弹出字的对应位内容决定。,地址传送指令（了解）,（1）装入有效地址指令LEA格式：LEA DEST，SRC功能：DEST SRC的EA，即将源操作数的有效地址EA传送到目的地址（16位通用寄存器）中。（2）装入地址指针指令LDS 格式：LDS DEST，SRC LES DEST，SRC 功能：是从作地址指针的4个存储单元中，同时取出段基值与偏移量（即源操作数），分别送到段寄存器DS（ES）和通用寄存器中。,二、算术运算类指令,1加法运算指令（1）加法指令（ADD）格式：ADD DSET，SRC功能：DEST （SRC）+（DEST），影响OF，SF，ZF，AF，PF和CF标志位。见教材P141页，例4-8注意各标志位的变化。,(1)加法指令ADD,例：ADD DL，0A4H,（2）带进位加法指令（ADC）,格式：ADC DSET，SRC功能：DEST （SRC）+（DEST）+CF，即在完成两个操作数相加的同时，将标志位CF加上，求出的和数送入目的地址中。影响OF，SF，ZF，AF，PF和CF标志位。注意：ADC主要用于大于16位数的相加运算。,例4-9 有一个32位无符号数存放在DX（高16位）、AX（低16位）中，若要加上常数76F1A23H，则用以下指令来实现：ADD AX，1A23H；ADC DX，76FH；,完成把16位常数加在AX中，若产生进位，则记录在CF中。,由ADC指令在完成高16位相加的同时，将低16位进位（即CF中的数）也加上。,DX,AX,CF,DH DL AH AL,（3）加1指令（INC）,格式：INC DSET功能：DEST （DEST）+1，即目的操作数加1后送回目的地址中，影响OF，SF，ZF，AF和PF，但不影响CF。注意：操作数只能在通用寄存器或存储单元中，不能是立即数。INC指令主要用于计数器的计数或修改地址指针。,2. 减法运算指令,（1）减法指令（SUB）格式：SUB DEST，SRC功能： DEST （DEST）（SRC），即完成从目的操作数中减去源操作数，其差值送入目的地址中。影响OF，SF，ZF，AF和PF，但不影响CF。例：有2个字节单元A、B，可用指令实现（A）（B） A 。 MOV AL，B SUB A，AL,减法指令SUB,（2）带借位减法指令（SBB）,格式：SBB DEST，SRC功能： DEST （DEST）-（SRC）-CF，即在完成2个操作数相减的同时，还要减去借位CF，影响OF，SF，ZF，AF和PF，但不影响CF。注意：用于大于16位数的相减运算，将低位部分的相减的借位引入高位部分的减法。,（3）减1指令（DEC）,格式：DEC DSET功能：DEST （DEST）-1，即目的操作数减1后送回目的地址中，影响OF，SF，ZF，AF和PF，但不影响CF。注意：操作数只能在通用寄存器或存储单元中，不能是立即数。DEC指令主要用于计数器的计数或修改地址指针，但它的计数或修改方向与INC指令相反。,（4）求负指令（NEG）,格式：NEG DSET功能：DEST 0- （DEST），即用0减去目的操作数，相减结果送回目的地址中。影响OF，SF，ZF，AF和PF，但不影响CF。见教材P143例4-13例4-14,（5）比较指令（CMP）,格式：CMP DSET，SRC功能：（DEST）-（SRC），两个操作数相减后，仅按相减结果设置标志位OF，SF，ZF，AF，PF和CF，但不保留差。CMP和SUB之间的区别：运算结果不送回目的地址中，因此CMP指令执行后，两个操作数都不变，只影响状态标志位。CMP主要是利用所设标志位的状态来反映两个操作数的大小。,3. 乘法运算指令,（1）无符号数乘法指令（MUL）格式：MUL OPRD功能： 注意：（OPRD）是乘法运算的一个操作数，只能在通用寄存器或存储单元中，另一个操作安息则隐含在AL或AX寄存器中。（2）带符号数乘法指令（IMUL） 该指令中的操作数及积均为带符号且用补码表示。,字节无称号数相乘：AX （OPRD）*（AL）字无称号数相乘：AX （OPRD）*（AX）,4. 除法运算指令,（1）无符号数除法指令（DIV）格式：DIV OPRD功能： 注意：DIV指令对标志寄存器无有效标志结果，有两种情况将产生0型中断，转入除法出错中断处理。（除数为0或商溢出）,字节除法：AL （AX）/（OPRD）字无称号数相除：AX （DX：AX）/（OPRD）,（2）带符号数除法指令（IDIV）格式：IDIV OPRD功能：该指令中的操作数、商及余数均带符且用补码表示，其余均与DIV操作相同。（3）字节/字符号扩展指令格式：CBW；扩展AL中的符号位至AH中 CWD；扩展AX中的符号位至DX中两个指令主要用在除法指令前，形成双倍长度的被除数，对标志寄存器均无影响。,5. BCD码校正指令,（1）非组合型加法校正指令AAA（2）组合型加法校正指令DAA（3）非组合型减法校正指令AAS（4）组合型减法校正指令DAS,BCD十进制：先用二进制数的加减、乘除指令对BCD码进行运算，接着用BCD码校正指令对运算结果进行校正。,例题请参见教材P147。,三、位操作类指令,1.逻辑运算指令（1）逻辑与指令（二1为1）格式：AND DEST，SRC功能：DEST （SRC）（DEST）（2）逻辑或指令（有1为1）格式：OR DEST，SRC功能：DEST （SRC） （DEST）,这些指令常用于对操作数的某些位进行分离、组合或设置,三、位操作类指令,（3）逻辑异或指令（同为0，异为1）格式：XOR DEST，SRC功能：DEST （SRC）O（DEST）（4）逻辑非指令格式：NOT DEST功能：DEST （DEST）,例1： AND AL，0F0H；分离出AL中的高4 位OR AL，80H；将AL中最高位置“1”XOR AX，AX；将AX内容清零XOR AL，01H；将AL中最低位变反例2：实现将标志寄存器的第8位TF位置1。PUSHF；标志压栈指令（将16位标志寄存FR的内容送入栈顶单元）POP AX；出栈，即（栈顶单元）AXOR AX，100H；将AX中第8位置1，其余不变PUSH AXPOPF,；通过堆栈将修改的结果送回标志寄存器中,2. 测试指令（ Test）,格式：TEST DEST，SRC功能：（SRC）（DEST）;将源操作数与目的操作数进行按位逻辑与运算，仅按结果设置标志位SF，ZF，PF，相与的结果不保存。,3. 移位/循环移位指令,移位指令分算术移位、逻辑移位和循环移位，共8条指令，其特点是：具有相同的指令格式：OPR DESR，COUNT每条指令都是单操作数指令，即只需一个操作数DESTDEST只能是8/16位通用寄存器或存储器操作数，不能是立即数COUNT表示移位的次数，移位一次，为1；移位多次，则须有CL替代，CL中存放移位的次数。,（1）算术移位指令,格式：算术左移指令 SAL DEST，COUNT；将DEST指定的操作数左移COUNT，最高位移入CF中，最低位补0算术右移指令 SAR DEST，COUNT；将DEST指定的操作数右移COUNT，最高符号位保持不变，连同符号位依次右移，最低位移入CF中算术移位指令主要用于对带符号数的移位，左移一位相当于乘2；右移一位相当于除2。,（2）逻辑移位指令,格式：逻辑左移指令 SHL DEST，COUNT逻辑右移指令 SHR DEST，COUNT功能：将DEST指定的8/16位寄存器或存储器操作数移位COUNT。SHL最高位移入CF中，最低位补0SHR最低位移入CF中，最高位补0,（3）循环移位指令,格式：循环左移指令 ROL DEST，COUNT循环右移指令 ROR DEST，COUNT带进位循环左移指令 RCL DEST，COUNT带进位循环右移指令 RCR DEST，COUNT功能：将DEST指定的8/16位寄存器或存储器操作数移位COUNT。ROL/ROR将操作数循环左移/右移RCL/RCR将操作数和CF一起循环左移/右移见示意图4-39,（3）循环移位指令,循环,带进位循环,例：要求把CL中的数（0-15）所指定AX中的位分离出来，可用以下程序段实现。设CL=2MOV BX，1H ；（BX）=（0000，0001） 2SHL BX，CL；（BX）=（0000，0100） 2AND AX，BX；（AX）=（0000，0 00）2或者：MOV BX，100H；（BX）=（0000，0100）2AND AX，BX；（AX）=（0000，0 00）2,逻辑右移SHR,四、串操作类指令,“串”是指存储器中一序列字或字节单元，其内容是字符或数据。串操作是对这一序列或字单元的内容进行某种操作。,1 . 取串指令,指令格式：LODS源串指令功能：（1）AX/AL （DS：（SI）（2）SI （SI）±1或2（3）对标志寄存器无影响,2 . 存串指令,指令格式：STOS目的串/STOSB/STOSW指令功能：（1）ES：（DI） （AX）/（AL）（2）DI （DI）±1或2（3）对标志寄存器无影响,3 .串比较指令,指令格式：MOVS目的串、源串/MOVSB/MOVSW指令功能：（1）（ES：（DI） （DS：（SI）（2）SI （SI）±1或2，DI （DI）±1或2（3）对标志寄存器无影响,4. 串比较指令,指令格式：CMPSI源串，目的串/CMPSB/CMPSW指令功能：（1）（DS：（SI）（ES：（DI）（2） SI （SI）±1或2， DI （DI）±1或2（3）影响标志位OF，SF，ZF，AF，PF，CF,5 .串搜索指令,指令格式：SCAS目的串/SCASB/SCASW指令功能：（1）（AX/AL）（ES：（DI）（2）DI （DI）±1或2（3）影响标志位OF，SF，ZF，AF，PF，CF,6. 重复前缀指令（3条）,指令格式：REP重复执行串操作指令的条件是：（CX）0指令格式：REPE/REPZ重复执行串操作指令的条件是：（CX）0AND ZF=1指令格式：REPNE/REPNZ重复执行串操作指令的条件是：（CX）0 AND ZF=1,五、处理器控制指令,1. 标志位操作指令2. 与外部事件同步的指令3. 空操作指令,§4.5 提高CPU性能的一些措施,了解自学,作业:,见教材P164，T3-27做在书上作业：做在作业本上1、编写一程序段，将AL的低4位与BL的低4位互换，AL和BL的高4位保持不变。2、编写计算5X-Y+10多项式值的程序段。说明：多项式值存于AX中，X、Y是无符号数，设中间和最后结果不超过16位二进制数。,
