課次08-第3章-8086存儲管理課件

1、3.3 8086/8088存儲器和I/O組織 3.3.1 8086/8088存儲器組織 18086/8088存儲空間 8086/8088有20條地址線，可直接對 1M個存儲單元進行訪問。每個存儲單元存放一個字節(jié)型數(shù)據(jù)，且每個存儲單元都有一個20位的地址，這 1M 個存儲單元對應的地址為00000HFFFFFH，如圖3.10所示。 一個存儲單元中存放的信息稱為該存儲單元的內容(數(shù)據(jù)) 。如圖3.10所示，00001H單元的內容為9FH，記為：(00001H)=9FH。 9/25/20221西安郵電學院 計算機系圖3.10 數(shù)據(jù)在存儲器中的存放 9/25/20222西安郵電學院 計算機系 若存放的

2、是 “字型” 數(shù)據(jù)(16位二進制數(shù))，則將字的低位字節(jié)存放在低地址單元，高位字節(jié)存放在高地址單元。如從地址0011EH開始的兩個連續(xù)單元中存放一個字型數(shù)據(jù)，則該數(shù)據(jù)為DF46H，記為：(0011EH)=DF46H。 若存放的是 “雙字型” 數(shù)據(jù)（32位二進制數(shù)，一般用作地址指針，其 “低位字” 是被尋址地址的偏移量，“高位字” 是被尋址地址的段地址），這種類型的數(shù)據(jù)要占用連續(xù)的4個存儲單元，同樣，低字節(jié)存放在低地址單元，高字節(jié)存放在高地址單元。如從地址0E800AH開始的連續(xù)4個存儲單元中存放了一個雙字型數(shù)據(jù)，則該數(shù)據(jù)為66,A6,5E,65H，記為：(0E800AH)=66A65E65H含義

3、：段地址 = 66A6h ； 偏移地址 = 5E65h 9/25/20223西安郵電學院 計算機系表3.8 存儲器操作時段地址和段內偏移地址的來源 存儲器操作類型段 地 址偏移地址默認來源其他來源取指令CS無IP存取操作數(shù)DSCS、ES、SS有效地址EA通過BP尋址存取操作數(shù)SSCS、ES、SS有效地址EA堆棧操作SS無SP源字符串DSCS、ES、SSSI目的字符串ES無DI9/25/20225西安郵電學院 計算機系 如果從存儲器中讀取指令（取指操作），則段地址來源于代碼段寄存器CS，偏移地址來源于指令指針寄存器IP。 如果從存儲器讀/寫操作數(shù)（操作數(shù)訪問），則段地址通常由數(shù)據(jù)段寄存器DS提供

4、(必要時可通過指令前綴實現(xiàn)段超越，將段地址指定為由CS、ES或SS提供)，偏移地址則要根據(jù)指令中的尋址方式確定，這時，偏移地址通常由寄存器BX、SI、DI以及立即數(shù)等提供，這類偏移地址也被稱為 “有效地址” (EA)。如果操作數(shù)是通過基址寄存器BP尋址的，則此時操作數(shù)所在段的段地址由堆棧段段寄存器SS提供(必要時也可指定為CS、SS或ES)(詳見第4章“尋址方式”一節(jié))。 9/25/20226西安郵電學院 計算機系 如果使用堆棧操作指令(PUSH或POP)進行進?；虺鰲２僮?，以保護斷點或現(xiàn)場，則段地址來源于堆棧段寄存器SS，偏移地址來源于堆棧指針寄存器SP 。(詳見本節(jié)“4. 堆棧操作”) 如

5、果執(zhí)行的是字符串操作指令（源 DS:SI；目標 ES:DI），則源字符串所在段的段地址由數(shù)據(jù)段寄存器DS提供(必要時可指定為CS、ES或SS)，偏移地址由源變址寄存器SI提供；目的字符串所在段的段地址由附加數(shù)據(jù)段寄存器ES提供，偏移地址由目的變址寄存器DI提供。 以上這些存儲器操作時段地址和偏移地址的約定是由系統(tǒng)設計時事先已規(guī)定好的，編寫程序時必須遵守這些約定。 9/25/20227西安郵電學院 計算機系 3邏輯地址與物理地址 由于采用了存儲器分段管理方式，8080/8088 CPU在對存儲器進行訪問時，根據(jù)當前的操作類型(取指令或存取操作數(shù))以及訪問操作數(shù)時指令所給出的尋址方式，CPU就可確

6、定要使用的“段地址”以及段內的“偏移地址” 。(如表3.8所示) 我們把通過段地址和偏移地址來表示的存儲單元的地址稱為邏輯地址，記為：段地址：偏移地址。 CPU在對存儲單元進行訪問時，必須在20位的地址總線上提供一個20位的地址信息，以便選中所要訪問的存儲單元。我們把CPU對存儲器進行訪問時實際尋址所使用的20位地址稱為物理地址。 9/25/20228西安郵電學院 計算機系 存儲器分段示意圖 代碼段（64KB）數(shù)據(jù)段（64KB）堆棧段（64KB）附加數(shù)據(jù)段（64KB）圖 3.119/25/202210西安郵電學院 計算機系“進?！?和 “出?！?操作過程 在執(zhí)行 “進棧 / 出棧” 操作時，段

7、地址由堆棧段寄存器 SS 提供，段內偏移地址由堆棧指針寄存器 SP 提供，SP始終指向棧頂，當堆?？諘r，SP指向棧底。如圖3.12所示，設在存儲器中開辟了100H個存儲單元的堆棧段，當前(SS)=2000H，堆?？諘r(SP)=0100H，即此時SP指向棧底(如圖3.12(a)所示)。由于PUSH和POP指令要求操作數(shù)為字型數(shù)據(jù)，因此，每進行一次進棧操作，SP值減2(如圖3.12(b)所示)，每進行一次出棧操作，SP值加2(如圖3.12(c)所示)。在進棧和出棧操作過程中，SP始終指向棧頂。 9/25/202212西安郵電學院 計算機系 58086/8088存儲器結構 8086的1MB存儲空間實

8、際上分為兩個512 KB的存儲體，又稱存儲庫，分別叫高位庫 和低位庫，如圖3.13所示。低位庫與數(shù)據(jù)總線D7D0相連，該庫中每個存儲單元的地址為偶數(shù)地址；高位庫與數(shù)據(jù)總線D15D8相連，該庫中每個存儲單元的地址為奇數(shù)地址。地址總線A19A1可同時對高、低位庫的存儲單元尋址，A0和BHE用于對庫的選擇，分別連接到庫選擇端SEL上。當A0=0時，選擇偶數(shù)地址的低位庫；當BHE=0時，選擇奇數(shù)地址的高位庫；當兩者均為0時，則同時選中“高/低位庫”。利用A0和BHE這兩個控制信號，既可實現(xiàn)對兩個庫進行讀/寫(即16位數(shù)據(jù))，也可單獨對其中一個庫進行讀/寫(8位數(shù)據(jù))，如表3.9所示。 9/25/202

9、214西安郵電學院 計算機系圖3.13 8086存儲器高低位庫的連接2007-03-28 Stop Here9/25/202215西安郵電學院 計算機系表3.9 8086存儲器高低位庫選擇 A0對 應 操 作00同時訪問兩個存儲體，讀/寫一個字的信息01只訪問奇地址存儲體，讀/寫高字節(jié)的信息10只訪問偶地址存儲體，讀/寫低字節(jié)的信息11無操作9/25/202216西安郵電學院 計算機系 在8086系統(tǒng)中，存儲器這種分體結構對用戶來說是透明的。當用戶需要訪問存儲器中某個存儲單元，以便進行字節(jié)型 數(shù)據(jù)的讀/寫操作時，指令中的地址碼經變換后得到20位的物理地址，該地址可能是偶地址，也可能是奇地址。如

10、果是偶地址(A0=0)，BHE=1，這時由A0選定偶地址存儲體，通過A19A1從偶地址存儲體中選中某個單元，并啟動該存儲體，讀/寫該存儲單元中一個字節(jié)信息，通過數(shù)據(jù)總線的低8位傳送數(shù)據(jù)，如圖3.14(a)所示；如果是奇地址(A0)=1，則偶地址存儲體不會被選中，也就不會啟動它。為了啟動奇地址存儲體，系統(tǒng)將自動產生BHE=0，作為奇地址存儲體的選體信號，與A19A1一起選定奇地址存儲體中的某個存儲單元，并讀/寫該單元中的一個字節(jié)信息，通過數(shù)據(jù)總線的高8位傳送數(shù)據(jù)，如圖3.14(b)所示?？梢钥闯觯瑢τ谧止?jié)型數(shù)據(jù)，不論它存放在偶地址的低位庫，還是奇地址的高位庫，都可通過一個總線周期完成數(shù)據(jù)的讀/寫

11、操作。 9/25/202217西安郵電學院 計算機系 如果用戶需要訪問存儲器中某兩個存儲單元，以便進行字型數(shù)據(jù)的讀/寫時，可分兩種情況來討論。一種情況是用戶要訪問的是從偶地址開始的兩個連續(xù)存儲單元（即字的低字節(jié)在偶地址單元，高字節(jié)在奇地址單元 ），這種存放稱為規(guī)則存放，這樣存放的字稱為規(guī)則字。對于規(guī)則存放的字可通過一個總線周期完成讀/寫操作，這時A0=0，BHE=0，如圖3.14(c)所示；9/25/202218西安郵電學院 計算機系圖3.14 從8086存儲器的偶數(shù)和奇數(shù)地址讀字節(jié)和字讀偶地址單元中的字節(jié)；(b) 讀奇地址單元中的字節(jié)；(c) 讀偶地址單元中的字；(d) 讀奇地址單元中的字

12、單字節(jié)讀偶地址單字節(jié)讀奇地址雙字節(jié)讀偶地址雙字節(jié)讀奇地址9/25/202220西安郵電學院 計算機系 在8088系統(tǒng)中，可直接尋址的存儲空間同樣也是1 MB，但其存儲器的結構與8086有所不同，它的1MB 存儲空間同屬于一個單一的存儲體，即存儲體為1 M8位。它與總線之間的連接方式很簡單，其20根地址線A19A0與8根數(shù)據(jù)線分別與8088 CPU對應的地址線和數(shù)據(jù)線相連。8088 CPU每訪問一次存儲器只能讀/寫一個字節(jié)信息，因此在8088系統(tǒng)的存儲器中，字型數(shù)據(jù)需要兩次訪問存儲器才能完成讀/寫操作。 9/25/202221西安郵電學院 計算機系 8086/8088 CPU用地址總線的低16位

13、作為對8位I/O端口的尋址線，所以8086/8088系統(tǒng)可訪問的8位I/O端口有65536(64 K)個。兩個編號相鄰的8位端口可以組成一個16位的端口。一個8位的 I/O 設備既可以連接在數(shù)據(jù)總線的高8位上，也可以連接到數(shù)據(jù)總線的低8位上。一般為了使數(shù)據(jù)/地址總線的負載平衡，希望接在數(shù)據(jù)/地址總線高8位和低8位的設備數(shù)目最好相等。9/25/202223西安郵電學院 計算機系當一個I/O設備接在數(shù)據(jù)總線的低8位(AD7AD0)上時，這個I/O 設備所包括的所有端口地址都將是偶數(shù)地址(A0=0)；若一個I/O設備接在數(shù)據(jù)總線的高8位(AD15AD8)上時，那么該設備包含的所有端口地址都是奇數(shù)地址

14、(A0=1)。如果某種特殊I/O設備既可使用偶地址又可使用奇地址時，此時必須將A0和 BHE兩個信號結合起來作為I/O設備的選擇線。 9/25/202224西安郵電學院 計算機系3.4 從80286到Pentium系列的技術發(fā)展 3.4.1 80 x86寄存器組 寄存器在計算機中起著非常重要的作用，每個寄存器相當于運算器中的一個存儲單元，但由于寄存器位于CPU內部，對它們進行訪問時不需要啟動一個總線周期，因此其存取速度要比存儲器快得多。 寄存器（用途）用來存放計算過程中所需要的或所得到的各種信息，包括操作數(shù)地址、操作數(shù)以及運算的中間結果等。 補充-了解9/25/202226西安郵電學院 計算機

15、系 對程序設計人員來講，了解CPU內部寄存器結構并掌握其使用方法是進行匯編語言程序設計的關鍵和基礎。寄存器可分為程序可見寄存器和程序不可見寄存器兩大類。所謂 程序可見寄存器，是指在匯編語言程序設計中可以通過指令來訪問的寄存器。程序不可見寄存器是指一般用戶程序中不能訪問而由系統(tǒng)所使用的寄存器。本節(jié)將從程序設計角度介紹80 x86 CPU內部程序可見寄存器的結構和使用方法，而對于那些程序不可見寄存器將在隨后介紹CPU結構時對其做必要說明。 9/25/202227西安郵電學院 計算機系 8086/8088 CPU中程序可見寄存器可分為三類：通用寄存器、段寄存器和控制寄存器。80286之后的CPU中寄

16、存器同樣也分為上述三類，只不過有關寄存器的功能和位數(shù)有所擴充而已。下面分別加以說明。 1通用寄存器 對于80386及其后續(xù)機型的通用寄存器包括：EAX、EBX、ECX、EDX、ESP、EBP、ESI 和 EDI ，它們都是32位。如圖3.15中所示。9/25/202228西安郵電學院 計算機系圖3.15 80 x86 CPU內部程序可見寄存器組 9/25/202230西安郵電學院 計算機系 此外，在8086/8088以及80286進行存儲器尋址時，8個通用寄存器中只有地址指針寄存器(SP和BP)、變址寄存器(SI和DI)以及基址寄存器BX這5個寄存器可以用來存放操作數(shù)在存儲器段內的偏移地址。在

17、80386及其后續(xù)機型中，所有這8個32位通用寄存器既可以存放數(shù)據(jù)，也可以存放地址，也就是說，這些寄存器都可以用來提供操作數(shù)在段內的偏移地址。 對于這8個通用寄存器的專用特性，80386及其后續(xù)機型的32位通用寄存器的專用特性與8086/8088以及80286的16位通用寄存器的專用特性是相同的，如ECX的計數(shù)特性，ESI和EDI分別作為字符串操作指令中源串和目的串的地址寄存器等。 9/25/202231西安郵電學院 計算機系 2控制寄存器 8086/8088和80286的控制寄存器包括指令寄存器IP和FLAGS兩個16位寄存器。80286中的這兩個寄存器與前面介紹的8086/8088中相同，

18、只不過80286中的標志寄存器FLAGS比8086/8088中的FLAGS多定義了兩個標志，如圖3.16所示。 80386及其后續(xù)機型也有兩個32位專用寄存器EIP和EFLAGS。它們的作用與相應的16位寄存器相同。標志寄存器FLAGS各位的定義如圖3.16所示，其中新定義位的作用將在后面涉及時介紹。 9/25/202232西安郵電學院 計算機系圖3.16 80 x86標志寄存器 9/25/202233西安郵電學院 計算機系 3段寄存器 與8086/8088 CPU相同，80286 CPU中也有4個段寄存器CS、DS、SS和ES，它們的功能在本章前面“8086/8088寄存器結構”一節(jié)中已做了

19、詳細介紹，在此不再贅述。 在80386及其以后的80 x86 CPU中，除上述4個段寄存器外，又增加了2個段寄存器FS和GS，它們也是附加的數(shù)據(jù)段寄存器，如圖3.15所示。 除非專門指定，一般情況下，各段在存儲器中的分配是由操作系統(tǒng)負責的。在80 x86中，段寄存器和與其對應存放偏移地址的寄存器之間有一種默認的組合關系，這種默認關系，80286與8086/8088相同(見表3.2)，80386及其后續(xù)CPU中段寄存器與提供段內偏移地址的寄存器之間的默認組合如表3.10所示。 9/25/202234西安郵電學院 計算機系表3.10 80386及其后續(xù)CPU中段寄存器與提供段內偏移地址 的寄存器之

20、間的默認組合 段寄存器 提供段內偏移地址的寄存器CSEIPDSEAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI或一個8位或32位數(shù)SSESP或EBPESEDI(用于字符串操作指令)FS無默認GS無默認9/25/202235西安郵電學院 計算機系3.4.2 80 x86存儲器管理 存儲器管理是由微處理器的存儲器管理部件MMU提供的對系統(tǒng)存儲器資源進行管理的機制，其目的是方便程序對存儲器的應用。本節(jié)從應用角度出發(fā)，介紹80 x86系列微處理器的存儲器管理機制。 從8086/8088到Pentium，80 x86系列微處理器的存儲器管理機制有了較大變化。8086/8088只有一種存儲器管理方式，即實地

21、址方式（簡稱實方式）；80286 CPU具有兩種工作方式，即實方式和保護虛地址方式（簡稱保護方式）；80386及其以后的CPU有三種工作方式，即實方式、保護方式和虛擬8086方式。 9/25/202236西安郵電學院 計算機系 1實地址方式(簡稱實方式) 實方式是80 x86系列CPU共有的存儲器管理模式，而8086/8088 CPU只能工作在此方式下，8086/8088 CPU通過對存儲器分段來實現(xiàn)對1 M個存儲器單元的直接訪問。CPU中BIU單元的地址加法器根據(jù)指令中給出的段地址和段內偏移地址，通過將段地址乘以10H(16)，即左移4位，再與段內偏移量相加得到一個20位的物理地址，該20位

22、的物理地址加載到20位的地址總線上，即可實現(xiàn)對8086/8088系統(tǒng)1 M個存儲單元的訪問。 9/25/202237西安郵電學院 計算機系 80286、80386、80486以及Pentium的地址總線位數(shù)分別增加為24、32、32、36，但在實方式下，它們都只能使用低20位地址線，它們所能尋址的存儲空間與8086/8088一樣，也只有1 MB。 在實方式下，CPU把從指令中得到的邏輯地址(段地址：段內偏移地址)轉換為20位物理地址。不管CPU的實際地址引腳有多少根，在此方式下工作時，只能用其低20根地址線對1 M個存儲單元進行訪問。 9/25/202238西安郵電學院 計算機系 2保護虛擬地

23、址方式(簡稱保護方式) 在實方式下，80286及其后續(xù)CPU只相當于一個快速的8086，沒有真正發(fā)揮這些高性能CPU的作用。而這些CPU的特點是能可靠地支持多用戶系統(tǒng)，即使是單用戶，也可支持多任務操作，這就要求用新的存儲器管理機制保護方式對存儲器系統(tǒng)進行管理。 1) 虛擬存儲器的概念 虛擬存儲器(Virtual Memory)是一種存儲器管理技術。它提供比物理存儲器大得多的存儲空間，使程序設計人員在編寫程序時，不用考慮計算機內存的實際容量，就可以編寫并運行比實際配置的物理存儲器空間大得多的用戶程序。 9/25/202239西安郵電學院 計算機系 虛擬存儲器由存儲器管理機制以及一個大容量的快速硬

24、盤存儲器(內存)或光盤支持。在程序運行時，只把虛擬地址空間的一小部分映射到主存儲器中，其余暫不使用部分則仍存儲在硬盤上。當訪問主存儲器的范圍發(fā)生變化時，再把虛擬存儲器的對應部分從磁盤調入內存，而對主存中目前不再使用的部分，可根據(jù)一定的替換策略將其從主存儲器送回到硬盤。 虛擬存儲器地址是一種概念性的邏輯地址。虛擬存儲器系統(tǒng)是在存儲器體系層次結構(輔存主存高速緩存)的基礎上，通過CPU內的存儲器管理部件MMU，進行虛擬地址和實地址自動變換而實現(xiàn)的，對每個編程者是透明的，變址空間很大。 9/25/202240西安郵電學院 計算機系 2) 虛擬存儲器的基本結構 按照主存(或內存)與外存(輔助存儲器)之

25、間信息交換時信息傳送單位的不同，虛擬存儲器可分為段式虛擬存儲器、頁式虛擬存儲器和段頁式虛擬存儲器三種。 (1) 段式虛擬存儲器。段是利用程序的模塊化性質，按照程序的邏輯結構劃分成的多個相對獨立的部分。段作為獨立的邏輯單位可被其他程序段調用，這樣就形成段間連接，產生規(guī)模較大的程序，因此，把段作為信息單位在主存與外存之間傳送和定位是比較合理的。一般用段表來指明各段在主存中的位置。段表是由操作系統(tǒng)產生并存儲在主存中的一個可再定位段。 9/25/202241西安郵電學院 計算機系 把主存按段分配的存儲器管理方式稱為段式管理。段式管理系統(tǒng)的優(yōu)點是段的分界與程序的自然分界相對應；段的邏輯獨立性使它易于編譯

26、、管理、修改和保護，也便于多道程序共享；某些類型的段(如堆棧、隊列等)具有動態(tài)可變長度，允許自由調度以便有效利用主存空間，但是，正因為段的長度各不相同，段的起點和終點不定，給主存空間的分配帶來麻煩，而且容易在段間留下許多空余的存儲空間不好利用，造成浪費。 9/25/202242西安郵電學院 計算機系 圖3.17給出了段式虛擬存儲器地址變換的原理。為了把虛擬地址(段號：段內偏移地址)變換為實存地址，需要一個段表，其格式如圖3.17的上半部分所示。裝入位為“1”表示該段已調入主存，為“0”則表示該段不在主存中；段的長度可大可小(其長度因程序而異)，所以，段表中需要有長度指示。在訪問某段時，如果段內偏移地址值超過段的長度，則發(fā)生地址越界中斷。圖3.17下半部分表示了虛擬地址向實存地址的轉換過程。 9/25/202243西安郵電學院 計算機系圖3.17 段式虛擬存儲器地址變換 9/25/202244西安郵電學院 計算機系 (2) 頁式虛擬存儲器。頁式管理系統(tǒng)的基本信息傳送單位是定長的頁。主存的物理空間被劃分為等長的固定區(qū)域，稱為頁面。頁面的起點和終點地址是固定的，給頁表的建立帶來了方便。惟一可能造成浪費的是程序最后一頁的零頭的頁內空間，它比段式管理系統(tǒng)的段外空間浪費要小得多。頁式管理的缺點正好和段式管理系統(tǒng)相反，由于頁不是邏輯上獨立的實體，因而處理