8086内部结构分析
#8086#EU#BIU#寄存器结构#主存结构 2023-10-09

1978年，intel推出了8086处理器，这是第一代16位微处理器，直接寻址能力1MB，14个程序员可见的寄存器，24种操作数寻址方式。

8086处理器功能特性

  • 1978年，8086第一代16位微处理器，第一次将流水线思想引进微处理器
  • 1979年推出8088，8位外部数据总线，兼容当时丰富的8位配套器件， 其内部结构与8086基本相同
  • 直接主存寻址能力1MB，20条地址线
  • 14 个 16 位程序员可见寄存器，也就是段内偏移最多64K
  • 支持多种寻址方式，支持8、16位无符号和带符号二进制或十进制运算，包括乘除法，但不支持浮点数运算
  • 指令的操作数可以是16位，也可以是8位
  • 输出输出的方式是独立编址
  • 内存地址空间分段，可寻址1MB，接口地址空间不分段，可寻址64KB
  • 24 种操作数寻址方式
  • 操作数类型：位、字节、字和块

8086处理器体系结构

BIU：总线接口单元

​ 负责与存储器、IO接口传递数据：

  • 从内存取指令，送到指令队列
  • 配合EU从指定的内存单元或IO端口取数据
  • 将EU的操作结果送到指定的内存单元或IO端口

EU：执行单元

​ 负责指令的执行（算术、逻辑、移位运算，有效地址计算，控制命令、……）

工作原理

BIU取指令，EU执行指令，两者相互配合

  • 指令队列有2+空字节，BIU自动取指 → 指令队列
  • EU总是从指令队列前部取指令去执行
  • 如果指令需要访问M或I/O，EU会请求BIU去完成
  • 由于存在指令队列，BIU和EU可以并行工作

寄存器结构

一共24个16位寄存器，其中4个数据寄存器和标志寄存器都分为两部分，高八位和低八位。

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graph TD

subgraph 寄存器
  subgraph 通用寄存器
    数据寄存器[数据寄存器]
    数据寄存器 --> AX
    数据寄存器 --> BX
    数据寄存器 --> CX
    数据寄存器 --> DX
    AX[AX]
    BX[BX]
    CX[CX]
    DX[DX]
    指针寄存器[指针寄存器]
    指针寄存器 --> 堆栈指针
    指针寄存器 --> 基数指针
    堆栈指针[SP]
    基数指针[BP]
    变址寄存器[变址寄存器]
    变址寄存器 --> 源地址
    变址寄存器 --> 目的地址
    源地址[SI]
    目的地址[DI]
  end

  控制寄存器[控制寄存器]
  控制寄存器 --> 指令指针
  控制寄存器 --> 标志寄存器
  指令指针[IP]
  标志寄存器[PSW]

  端寄存器[端寄存器]
  端寄存器 --> 代码段
  端寄存器 --> 数据段
  端寄存器 --> 堆栈段
  端寄存器 --> 附加段
  代码段[CS]
  数据段[DS]
  堆栈段[SS]
  附加段[ES]
end

  • 能够放置操作数，能够随便引用的寄存器只有上面8个，并且指针寄存器只能当做16位寄存器使用，不能拆成两个8位使用

  • 下面这个表就是规定16位和8位数据，寄存器的编号(使用三位二进制即可)，段寄存器是单独编号的，寄存器是通过操作码特定部分得知操作数是多少位

  • 注意这里四个数据寄存器的顺序是 ACDB

  • 寄存器的英文全称主要是对应的是该寄存器的用途

  • BX寄存器只是存了一个16位的地址偏移量，实际上默认的起始地址是\(DS\)，于是形成地址是这样形成的：

    • 段寄存器\(DS\)存的是，起始地址的高16位，低4位默认是0
    • 然后\(BX\)里面存放的是16位的地址偏移量
    • 然后两个相加，得到内存地址，从这个内存地址读取数据到AX
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    MOV AX, [BX]; B寄存器数据寄存器中唯一一个可以当做指针来用，进行间接寻址的寄存器

    • 若不使用\(BX\)，可以使用SI或者\(DI\)，也就是8086里面能够当指针来使用的就只有\(BX，SI，DI\)三个寄存器

  • \(CX\)是用来计数的，可以实现循环

    • \(Loop\)指令，会先将\(CX\)减一，若\(CX=0\)，则不跳转，大于零则跳转到\(L1\)开始
    • 后面还有移位指令，若移位大于1，用低八位\(CL\)寄存器，进行计数
    • 串操作指令，使用CX寄存器记录数组的长度
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    MOV CX, 100 ; 设置 CX 寄存器为 100

    L1:
        ; 这里是循环的主体
        ; 可以在这里添加想要执行的代码

        LOOP L1 ; 循环，CX 减一，如果 CX 不为零，跳转到标签 L1

    ; 循环结束后的代码可以在这里继续

  • \(DX\)就是拿来记录数据的

    • 比如除法指令，得到的商在\(AX\)寄存器，余数就默认在\(DX\)寄存器里面

  • 除开以上的特殊情况，ABCD四个寄存器是可以随便使用的，存储一些临时的数据

  • \(SP\)和\(BP\)是用来访问堆栈的，存放的是16位栈内偏移

  • \(SI\)和\(DI\)是用来给串操作使用的，当然也可以用来当指针使用

  • 状态字寄存器无法独立的将低八位和高八位拿出来使用，所以图上画法有误

  • 附加段用途：

    • 比如两个数组的拷贝，两个数组在内存中的距离超过64K，超过一个段的最大距离了，于是一个数组可以放在\(DS\)，另一个放在\(ES\)

    • MOV AX, ES:[BX]  ; 使用 ES 寄存器引用内存中 BX 寄存器指定的地址
MOV AX, ES:[SI]  ; 使用 ES 寄存器引用内存中 SI 寄存器指定的地址
MOV AX, ES:[DI]  ; 使用 ES 寄存器引用内存中 DI 寄存器指定的地址

  • 取指令：首地址放在\(CS\)里面，末尾填上4个0，段内偏移放在\(IP\)里面，两者相加的结果作为内存地址，从而取得下一条指令。

  • 管理堆栈：对于一个栈，大地址应该在堆栈底部，然后通过\(SS\)和\(SP\)两个指针同时指向栈顶元素

  • 访问堆栈：不加中括号，使用\(BP\)作为指针的时候，默认的段起始地址是存在\(SS\)里面,可以拿来直接访问堆栈的某个位置的元素，而不破坏其原有的结构。MOV AX,[BP]也可以访问堆栈具体某个数。

  • 关于标志位寄存器

    • 先将\(OB5H\)放到\(AL\)寄存器，随后将\(8FH\)与\(AL\)寄存器的值相加，值放在\(AL\)寄存器中

主存结构

  • 8086的主存和IO都是16位，支持16位读写，也支持8位读写(8088主存和IO都是8位，只支持8位读写)。

  • 分段结构

    • 代码、数据量不大 → 使其处于同一段内（64KB范围内）→ 可减少指令长度、提高运行速度

    • 内存分段为程序的浮动分配创造了条件

    • 形式地址6832H:1280H → 物理地址？68320H + 1280H = 695A0H

    • 各个分段之间可以重叠

    • 段寄存器的使用

    • 特殊的主存区域

      • 中断向量区：00000H～003FFH（1KB）每个中断向量占4个字节，256×4＝1K
      • 显示缓冲区：单色 B0000H～B0FFFH（25×80×2＝4000字节, 4KB）彩色 B8000H～BFFFFH（32KB）
      • 启动区：FFFF0H～FFFFFH（16个字节）无条件转移指令

例题