微处理器指令系统.docx

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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