Intel80x86系列微處理器課件

Intel80x86系列微處理器

2.1IntelCPU的發(fā)展4位CPU：4004

45條指令執(zhí)行速度為50kIPS8位CPU：8008、8080執(zhí)行速度達(dá)到500KIPS尋址范圍達(dá)到64KB

16位CPU：8086、8088、80286

16位CPU，能夠進(jìn)行16位數(shù)據(jù)的運(yùn)算和處理尋址范圍達(dá)到1MB

32位CPU：80386、80486

準(zhǔn)64位CPU：Pentium、PⅡ、PⅢ、P464位CPU：Itanium2.2PC機(jī)操作系統(tǒng)的發(fā)展

PC機(jī)操作系統(tǒng)主要有以下系列：2.2.1MS-DOS2.2.2桌面Windows系統(tǒng)2.2.3WindowsNT系列2.2.4Linux2.316位CPU及DOS基礎(chǔ)

8086/8088CPU按功能可分成兩大部分：總線(xiàn)接口單元BIU（BusInterfaceUnit）執(zhí)行單元EU（ExecutionUnit）8086一次可存取2字節(jié)，比8088的性能要高8088微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。(下頁(yè))

內(nèi)存接口C－BUSAHALBHBLCHCLDHDLSPBPSIDIESCSSSDSIP

總線(xiàn)接口單元執(zhí)行單元指令執(zhí)行隊(duì)列執(zhí)行單元控制系統(tǒng)

A-BUS算術(shù)/邏輯單元標(biāo)志寄存器標(biāo)志寄存器2.3.1執(zhí)行單元

執(zhí)行單元主要包括標(biāo)志寄存器Flags、算術(shù)邏輯單元ALU、通用寄存器。執(zhí)行單元主要實(shí)現(xiàn)兩種操作：一是根據(jù)指令進(jìn)行算術(shù)邏輯等運(yùn)算二是給出程序要訪(fǎng)問(wèn)的內(nèi)存單元地址，交給總線(xiàn)接口單元

2.3.2總線(xiàn)接口單元負(fù)責(zé)CPU與存儲(chǔ)器和外設(shè)之間的信息傳送由地址加法器、段寄存器（CS，DS，ES，SS）、指令指針I(yè)P、指令隊(duì)列和總線(xiàn)控制邏輯組成。在執(zhí)行單元執(zhí)行指令的過(guò)程中，總線(xiàn)接口單元負(fù)責(zé)從內(nèi)存指定部分取出指令送至指令隊(duì)列中排隊(duì)。在執(zhí)行指令時(shí)，所需要的內(nèi)存操作數(shù)也是由總線(xiàn)接口單元從內(nèi)存的指定區(qū)域取出傳送給執(zhí)行單元。

總線(xiàn)接口單元中指示器IP的作用及用法保存著下一次將要從內(nèi)存中取出的指令的偏移地址根據(jù)IP的內(nèi)容（16位）和段寄存器CS的內(nèi)容（16位）形成指令的物理地址（20位）根據(jù)該地址從主存中取出指令，送入指令隊(duì)列中排隊(duì)指令執(zhí)行完畢后IP增加，指向下一條要執(zhí)行的指令。2.3.3寄存器

GS

CS

SS

DS

ES

FS代碼段寄存器堆棧段寄存器數(shù)據(jù)段寄存器附加段寄存器段寄存器1615

CHCL (AH)AX(AL)

EAX

EBX (CH)CX(CL)

ECX(DH)DX(DL)

EDX位08731

AHAL

SP

ESP

AHAL

BP

EBP

AHAL

SI

ESI

DI

EDI

IP

EIP(BH)BX(BL)

FLAGS數(shù)據(jù)寄存器堆棧指針基址指針源變址目的變址指令指針標(biāo)志指針寄存器變址寄存器控制寄存器通用寄存器

FLAGS1．段寄存器（CS，DS，ES，SS）

段寄存器用來(lái)確定該段在內(nèi)存中的起始地址。包括：代碼段寄存器CS數(shù)據(jù)段寄存器DS堆棧段寄存器SS附加數(shù)據(jù)段寄存器ES

2．指令指針I(yè)P

指令指針I(yè)P總是保存下一次將要執(zhí)行的指令的偏移地址，偏移地址指的是這條指令在代碼段中的位置。在程序運(yùn)行時(shí)，IP的內(nèi)容由CPU自動(dòng)調(diào)整。3．堆棧指針SP

堆棧指針寄存器SP用于存放當(dāng)前堆棧段中棧頂?shù)钠频刂贰?/p>

4．?dāng)?shù)據(jù)寄存器AX，BX，CX，DX數(shù)據(jù)寄存器通常用來(lái)保存操作數(shù)或運(yùn)算結(jié)果等信息，也有如下專(zhuān)門(mén)用途。AX寄存器稱(chēng)為累加器，它的使用頻度最高，用于算術(shù)、邏輯運(yùn)算以及與外設(shè)傳送信息等。BX寄存器稱(chēng)為基址寄存器，可用于存放存儲(chǔ)器地址。CX寄存器稱(chēng)為計(jì)數(shù)器，可作為循環(huán)或串操作等指令中的隱含計(jì)數(shù)器。DX寄存器稱(chēng)為數(shù)據(jù)寄存器，可用來(lái)存放雙字?jǐn)?shù)據(jù)的高16位，或存放外設(shè)端口地址。

AX，BX，CX，DX都是16位的寄存器，每一個(gè)又可以分為高8位和低8位來(lái)使用。例如：AX的值為0E9FH，那么，AH=0EH，AL=9FH

。15870AXAHALBXBHBLCXCHCLDXDHDL5．基址寄存器BP

基址寄存器可用來(lái)保存操作數(shù)或運(yùn)算結(jié)果等信息也用于存放某一存儲(chǔ)單元的偏移地址，此時(shí)多用于對(duì)堆棧段中數(shù)據(jù)的非順序存取BX寄存器也是基址寄存器。

6．變址寄存器SI，DISI是源變址寄存器，DI是目標(biāo)變址寄存器可用來(lái)保存操作數(shù)或運(yùn)算結(jié)果等信息也用于存放某一存儲(chǔ)單元的偏移地址在數(shù)據(jù)塊操作中，SI和DI分別指向源地址和目標(biāo)地址。

7．標(biāo)志寄存器Flags包含9個(gè)標(biāo)志位，表示CPU所處狀態(tài)信息及運(yùn)算結(jié)果的特征，在執(zhí)行指令的過(guò)程中，根據(jù)指令執(zhí)行的結(jié)果自動(dòng)改變這些標(biāo)志位，在程序中可以取出這些標(biāo)志位標(biāo)志寄存器如下圖

1514131211109876543210FlagsOFDFIFTFSFZFAFPFCF標(biāo)志寄存器輔助進(jìn)位標(biāo)志AF：在字操作時(shí)若低位字節(jié)向高位字節(jié)有進(jìn)位或借位時(shí)，則AF＝1，否則AF＝0。進(jìn)位標(biāo)志CF：當(dāng)結(jié)果的最高位產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)位或借位時(shí)，CF＝1，否則CF＝0。在移位或循環(huán)移位指令中，會(huì)把操作數(shù)的最高位（左移時(shí)）或最低位（右移時(shí)）移入CF中。標(biāo)志寄存器溢出標(biāo)志OF：有符號(hào)數(shù)運(yùn)算時(shí)，當(dāng)其運(yùn)算結(jié)果超出了8位或16位有符號(hào)數(shù)所能表達(dá)的范圍時(shí)，將產(chǎn)生溢出，置OF為1，否則置OF＝0。符號(hào)標(biāo)志SF：它與運(yùn)算結(jié)果的最高位相同。奇偶標(biāo)志PF：當(dāng)執(zhí)行結(jié)果的低8位中1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)時(shí)，PF為0；否則為1。標(biāo)志寄存器零標(biāo)志：當(dāng)運(yùn)算結(jié)果為零時(shí)，ZF為1；否則為0。方向標(biāo)志DF：在字符串操作指令中，當(dāng)DF=0時(shí)，串操作為自動(dòng)增址；當(dāng)DF=1時(shí)，串操作為自動(dòng)減址。標(biāo)志寄存器中斷允許標(biāo)志：當(dāng)IF=1時(shí)，允許CPU接收外部中斷請(qǐng)求，此時(shí)為“開(kāi)中斷”狀態(tài)。當(dāng)IF=0時(shí)，則屏蔽外部中斷請(qǐng)求，此時(shí)為“關(guān)中斷”狀態(tài)。單步標(biāo)志TF：當(dāng)TF=1時(shí)，CPU進(jìn)入單步方式，在每條指令執(zhí)行以后產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)部中斷（單步中斷）。當(dāng)TF=0時(shí)，CPU執(zhí)行指令后不產(chǎn)生單步中斷。

2.3.4存儲(chǔ)器的分段CPU在確定一個(gè)內(nèi)存單元的地址時(shí)，用邏輯地址來(lái)描述邏輯地址分為兩部分：段首址和偏移，邏輯地址的格式表示為：段首址:偏移

由邏輯地址“段首址:偏移”轉(zhuǎn)換為物理地址的公式為物理地址

段首址

16

偏移

段基址

偏移如，求出317FH:2B83H的物理地址的過(guò)程為：段首址

317FH偏移

2B83H段基址

317FH

16

317FH

10H

317F0H物理地址

段基址

偏移

317F0H

2B83H

34373H2.3.5DOS的內(nèi)存布局

DOS操作系統(tǒng)運(yùn)行于實(shí)模式中，CPU在實(shí)模式下的尋址范圍只有1MB。

系統(tǒng)硬件使用的內(nèi)存位于地址區(qū)域的高端，范圍從A0000H～FFFFFH，共384KB，其中有用于顯示的視頻緩沖區(qū)和BIOS程序空間。DOS系統(tǒng)和程序使用16位“段首址:偏移”的格式，只能使用00000H～9FFFFH共640KB，這就是有名的“640KB”限制。突破限制的方法一種技術(shù)是使用高端內(nèi)存區(qū)HMA，它利用了80286以上CPU的A20地址線(xiàn)。第二種方法師利用UMB/EMS/XMS技術(shù)，能夠使程序使用到更多的物理內(nèi)存。1.UMB使用的映射是固定的2.EMS將高于1MB的各個(gè)16KB內(nèi)存塊進(jìn)行編號(hào)，程序可以設(shè)置一個(gè)號(hào)碼，把對(duì)應(yīng)的內(nèi)存塊映射到地址上。如果想使用另外一個(gè)16KB內(nèi)存塊，則設(shè)置一個(gè)新的號(hào)碼。突破限制的方法（續(xù)）UMB/EMS技術(shù)只能在80386及以上的CPU才能實(shí)現(xiàn)。3.XMS技術(shù)能夠在80286及以上的CPU中實(shí)現(xiàn)。它的原理是在640KB內(nèi)存中開(kāi)辟一個(gè)緩沖區(qū)，再調(diào)用XMS功能將緩沖區(qū)中的內(nèi)容傳送到高于1MB的內(nèi)存中去，也可以將高于1MB的內(nèi)存?zhèn)魉偷骄彌_區(qū)中。

2.3.6I/O地址空間CPU需要和外部設(shè)備之間執(zhí)行輸入/輸出操作。每個(gè)外部設(shè)備的接口中都有一組寄存器，用來(lái)存放要和CPU相交換的數(shù)據(jù)、狀態(tài)和命令信息。每個(gè)寄存器都有一個(gè)端口地址，由這些端口地址組成了I/O地址空間。

I/O地址空間為64KB，尋址范圍為0000H～FFFFH。

2.432位CPU及Windows基礎(chǔ)2.4.1三種工作模式2.4.2寄存器2.4.3Windows應(yīng)用程序的內(nèi)存布局2.4.4Windows的保護(hù)機(jī)制

2.4.1三種工作模式

80386處理器有三種工作模式：實(shí)模式、保護(hù)模式和虛擬86模式。

<1>實(shí)模式

CPU復(fù)位或加電的時(shí)候以實(shí)模式啟動(dòng)，處理器以實(shí)模式工作。所有的段都是可以讀、寫(xiě)和可執(zhí)行的沒(méi)有特權(quán)級(jí)的概念，所有的指令都工作在最高的特權(quán)級(jí)。不支持硬件上的多任務(wù)切換，所有的指令都在同一個(gè)環(huán)境下執(zhí)行。

<2>保護(hù)模式在保護(hù)模式下的時(shí)候，80386提供了多任務(wù)、內(nèi)存分段分頁(yè)管理和特權(quán)級(jí)保護(hù)等功能。段的大小可以設(shè)置為4GB，段內(nèi)的偏移量為32位。在編程時(shí)不必考慮內(nèi)存的分段問(wèn)題。特權(quán)級(jí)保護(hù),將應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)隔離起來(lái)。支持虛擬內(nèi)存。支持多任務(wù)。<3>虛擬86模式

以任務(wù)形式在保護(hù)模式下執(zhí)行的；在虛擬86模式下，80386支持任務(wù)切換和內(nèi)存分頁(yè)。在Windows操作系統(tǒng)中，有一部分程序?qū)ｉT(mén)用來(lái)管理虛擬86模式的任務(wù)，稱(chēng)為虛擬86管理程序。它既提供了一個(gè)環(huán)境，允許DOS及其程序在保護(hù)模式下運(yùn)行，又對(duì)DOS及其程序的行為進(jìn)行限制。2.4.2寄存器32位CPU支持的寄存器有以下幾種：1．通用32位寄存器2．標(biāo)志寄存器3．EIP和ESP

4．CS，DS，ES，SS，F(xiàn)S，GS1．通用32位寄存器CPU中有8個(gè)32位寄存器。它們主要用于算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算以及對(duì)內(nèi)存操作數(shù)的尋址。3216150EAXAXEBXBXECXCXEDXDXESISIEDIDIEBPBPESPSP2．標(biāo)志寄存器

標(biāo)志寄存器EFLAGS也擴(kuò)展為32位。31~191817161514131211109876543210EFLAGS00..00VMRFNTIOPLOFDFIFTFSFZFAFPFCF

86模式位VM：此位為1時(shí)，表示當(dāng)前CPU正工作在V86模式下。此位為0，表示當(dāng)前CPU工作在實(shí)模式或保護(hù)模式下。嵌套任務(wù)位NT：若當(dāng)前的任務(wù)嵌套在其他任務(wù)中，此位為1，否則為0?；謴?fù)位RF：與程序調(diào)試有關(guān)的一個(gè)控制位。I/O域IOPL：IOPL占2位，取值為0，1，2，3。它規(guī)定了那些特權(quán)級(jí)的程序可以執(zhí)行I/O指令。

3．指令指針寄存器EIP和堆棧指針寄存器ESP指令指針寄存器總是保存下一次將要執(zhí)行的指令的偏移地址，偏移地址指這條指令在代碼段中的位置。堆棧指針寄存器ESP用于存放當(dāng)前堆棧段中棧頂?shù)钠频刂?。EIP和ESP都32位寄存器，它們的低16位分別是IP和SP。3116150EIPIPESPSP

4．段寄存器CS，DS，ES，SS，F(xiàn)S，GS32位CPU有6個(gè)段寄存器，分別為CS，DS，ES，SS，F(xiàn)S，GS，比16位CPU增加了FS、GS兩個(gè)段寄存器。這些段寄存器也是16位的，在實(shí)模式下，它們的用法和16位CPU相同。在實(shí)模式和V86模式下，段寄存器的內(nèi)容是20位段基址的高16位。在保護(hù)模式下，段寄存器中的內(nèi)容是一個(gè)選擇符，用于在段描述符表中選擇段描述符的選擇符。2.4.3Windows應(yīng)用程序的內(nèi)存布局1．虛擬內(nèi)存2．“平坦”內(nèi)存模式3．段寄存器4．內(nèi)存布局

1．虛擬內(nèi)存

Windows系統(tǒng)一般在硬盤(pán)上建立一個(gè)交換文件用做虛擬內(nèi)存。在讀寫(xiě)這個(gè)內(nèi)存地址時(shí)，CPU要通知操作系統(tǒng)將交換文件的內(nèi)容讀入物理內(nèi)存。如果內(nèi)存緊張，操作系統(tǒng)還可以將物理內(nèi)存的內(nèi)容寫(xiě)到交換文件中，以后程序在訪(fǎng)問(wèn)這個(gè)地址時(shí)，要從交換文件中讀入。

2．“平坦”內(nèi)存模式程序員在編程時(shí)可以使用的內(nèi)存空間最大是4GB，而不必考慮內(nèi)存的分段問(wèn)題。

3．段寄存器

在Windows系統(tǒng)中，段寄存器仍然是16位的。他們內(nèi)容就不再像實(shí)模式那樣存放段首址的內(nèi)容，而是存放選擇符。選擇符指向一個(gè)64位的描述符，在描述符中規(guī)定了段的基地址、長(zhǎng)度、類(lèi)型、特權(quán)級(jí)等信息。例如，在一個(gè)程序的運(yùn)行過(guò)程中，各個(gè)段寄存器和其他寄存器的值為：

3．段寄存器（續(xù)）CS:EIP=001B:3017FFD2SS:ESP=0023:0012F16CEAX=00000002EBX=00E903C8ECX=00E903C8EDX=00000DE4ESI=0012F736EDI=00000DE4EBP=0012F180EFL=00000202DS=0023ES=0023FS=003BGS=0000再觀察各個(gè)段的基地址和長(zhǎng)度信息：:gdt001BSel.Type Base LimitDPL Attributes001BCode32 00000000FFFFFFFF3 PRE:gdt0023Sel.Type Base Limit DPL Attributes0023Data32 00000000FFFFFFFF3 PRW3．段寄存器（續(xù)）程序中，CS=001BH，001BH是一個(gè)索引。以這個(gè)索引為依據(jù)到GDT表中去找這個(gè)段的描述符，再?gòu)拿枋龇蝎@得它的基地址為00000000H，長(zhǎng)度為FFFFFFFFH。這個(gè)段的屬性為RE，可讀，但不可寫(xiě)。DS=ES=SS=0023H，數(shù)據(jù)段和堆棧段是同一個(gè)段。數(shù)據(jù)段的屬性為RW，可讀可寫(xiě)，但不可執(zhí)行。代碼段和數(shù)據(jù)/堆棧段的空間是統(tǒng)一的，都是00000000H～FFFFFFFFH。

在這個(gè)地址空間中，一部分用來(lái)存放程序，一部分作為數(shù)據(jù)區(qū)，還有一部分作為堆棧來(lái)使用，且不重復(fù)。

4．內(nèi)存布局Windows系統(tǒng)將4GB內(nèi)存地址空間分為兩個(gè)部分：用戶(hù)地址空間和系統(tǒng)地址空間，這兩個(gè)部分各占2GB。對(duì)于每一個(gè)任務(wù)，它的用戶(hù)地址空間是獨(dú)有的。而所有的任務(wù)共享系統(tǒng)地址空間，操作系統(tǒng)內(nèi)核及各種設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序都放在系統(tǒng)地址空間中。舉例說(shuō)明各個(gè)任務(wù)的獨(dú)立地址空間程序清單：task1.c（任務(wù)獨(dú)立地址空間）結(jié)果：main=0x00401005&random=0x0042ADB0,random=0&random=0x0042ADB0,random=27443程序清單：task2.c（任務(wù)獨(dú)立地址空間）結(jié)果：main=0x00401005&ticks=0x00428C3C,ticks=0&ticks=0x00428C3C,ticks=11553031舉例說(shuō)明各個(gè)任務(wù)的獨(dú)立地址空間（續(xù)）執(zhí)行下面的命令可以編譯task1.c，task2.c，生成task1.exe，task2.exe文件。cltask1.ccltask2.ctask1.c程序中設(shè)置了一個(gè)random全局變量，用于存放獲得的隨機(jī)數(shù)，每次運(yùn)行時(shí)這個(gè)數(shù)字是不同的。task2.c程序中設(shè)置了一個(gè)ticks全局變量，用于存放Windows啟動(dòng)后已運(yùn)行的毫秒數(shù)，這個(gè)數(shù)字是不斷變化的。舉例說(shuō)明各個(gè)任務(wù)的獨(dú)立地址空間（續(xù)在“開(kāi)始→運(yùn)行”中輸入運(yùn)行c:\asm\task1.exe和c:\asm\task2.exe各兩次，一共產(chǎn)生了4個(gè)任務(wù)。自己驗(yàn)證。對(duì)task1.exe的兩個(gè)任務(wù)來(lái)說(shuō)，邏輯地址00408A10H表示的內(nèi)存單元在兩個(gè)任務(wù)中的值并不相同。這就意味著在Windows系統(tǒng)中，每個(gè)任務(wù)都有它自己獨(dú)立的邏輯地址空間。對(duì)task2.exe的兩個(gè)任務(wù)來(lái)說(shuō)，邏輯地址004068F0H表示的內(nèi)存單元在兩個(gè)任務(wù)中的值也不相同，它們被映