第 1 章概述

一. IA-32 结构的发展

1. 发展历史

1971 Intel 4004 4 位微处理器，是世界上第一款商用微型处理器
1972 Intel 8008 8 位微处理器，首次采用了处理器的指令技术
1982 Intel 公司推出了最后一块 16 位处理器 80286
1985 Intel 公司推出了第一代 32 位处理器：80386

2. 计算机发展规律

摩尔定律
安迪—比尔定律
反摩尔定律

3. CPU架构

3.1. 定义

CPU 厂商给属于同一系列的 CPU 产品定的一个规范，主要的目的是为了区分不同类型 CPU 的重要标示

CPU 架构规定了 CPU 接受和处理信号的方式，及其内部元件的组织方式

3.2. 涉及范围

指令系统
内部寄存器组织
内存段页组织，内存保护，虚拟内存
总线访问组织

4. 8086 (8088) CPU

4.1. 功能分类

从功能上分两部分：

总线接口单元 BIU
执行单元 EU

4.2. 寻址空间

20 根地址线，1M 字节寻址空间

5. IA-32 处理器

5.1. 寻址空间

32 根地址线， 4G 字节寻址空间，最多 64G 字节物理存储器

5.2. 16 个基本的程序执行寄存器

通用寄存器
- EAX EBX ECX EDX ESI EDI EBP ESP
段寄存器
- CS DS SS ES FS GS
程序状态和控制寄存器
- EFLAGS
指令指针
- EIP

二. 计算机基本结构

1. 五大部件

运算器
控制器
存储器
输入设备
输出设备

2. 微型计算机系统

2.1. 差异

微处理器
- 由一片或几片大规模集成电路芯片组成的中央处理器
微型计算机
- 以微处理器为基础配以内存储器以及输入输出接口电路和相应的辅助电路而构成的裸机
微型计算机系统
- 微型计算机配以相应的外围设备和其他专用电器、电源、面板、机架以及足够的软件而构成的系统

2.2. 结构

微型计算机系统
- 硬件
  - 微型计算机
    - 微处理器
      - 运算器
      - 控制器
      - 寄存器组
    - 内存储器
    - 输入输出接口
  - 输入输出设备及外存储器
- 软件
  - 系统软件
  - 应用软件
- 电源、面板和机架等

三. 总线

微型计算机的外部结构

总线是各部件之间信息传输的公共通路

1. 逻辑分类

1.1. 地址总线

微处理器向内存储器和 I/O 接口传送地址信息的通路，是单向总线，只能从微处理器向外传送

通常为 32 位，即 $A_{31}\sim A_0$ ，因此，可寻址的内存单元为 $2^{32}=4\,\mathrm{GB}$ 。I/O 接口也是通过地址总线来寻址的，它可寻址 64KB 的外设端口

1.2. 数据总线

是从微处理器向内存储器或 I/O 接口传送数据的通路，也是从内存储器或 I/O 接口向微处理器传送数据的通路，可以在两个方向上往返传送数据，称为双向总线

通常为 32 位，即 $D_{31}\sim D_0$

1.3. 控制总线

微处理器向内存储器和 I/O 接口传送命令信号以及外界向微处理器传送状态信号等信息的通路

读信号 : RD
写信号 : WR
8086 中的 READY

2. 物理分类

2.1. 片内总线

位于微处理器芯片的内部，用于算术逻辑单元 ALU 与各种寄存器或其他功能单元之间的相互连接

2.2. 片总线

是一台单板计算机或一个插件板的板内总线，用于各芯片之间的连接

2.3. 内总线

又称为微型计算机总线或系统总线，用于微型计算机系统各插件板之间的连接

2.4. 外总线

又称通信总线，用于系统之间的连接，如微机系统之间，微机系统与仪器等等

3. 总线作用

早期的计算机，输入/输出是通过运算器进行的，在输入和输出设备之间没有信号的直接联系。在微机系统中采用了总线结构，可以在存储器和外设设备之间直接进行信息传输，扩大了数据传送的灵活性，减少了连线。另一方面，总线可以实现标准化，易于兼容和工业化的生产。

四. 计算机基础

1. 常用名词术语

1.1. 位

一个二进制位

1.2. 字节

8 个二进制位

1.3. 字和字长

“字”是计算机内部进行数据传递处理的基本单位。

一个字所包含的二进制位数称为字长。常见的微型计算机的字长，有 8 位、16 位、32 位和 64 位之分。

1.4. 数字编码 BCD

BCD码（Binary Coded Decimal 码）是十进制数的编码。0~~9 数字的 BCD 码分别对应 0000~~1001 编码。

计算机常用一个字节存放2位BCD码（压缩BCD码）。

1.5. 字符编码 ASCII

计算机的文字符号的信息编码。用 7 位编码，可表示 128 个字符。

计算机常用一个字节存放一个ASCII码（ D7 位恒为 0 ）

2. 指令程序和指令系统

2.1. 指令系统

计算机所能执行的全部指令就是计算机的指令系统。

2.2. 源程序

用户为解决自己的问题所编写的程序（指令的集合）

指令分为操作码（Operation code, Opcode）和操作数（Operand）。操作码表示计算机执行什么样的操作；操作数指明参加操作的数的本身或操作数所在的地址。

2.3. 机器码

计算机能识别的二进制数码。

例如从存储区取数至累加器 AL 中的指令编码为 8A04H。

2.4. 助记符

便于人们记忆、并能描述指令功能和指令操作数的符号。一般采用表明指令功能的英文缩写。

例如 8086 中数的传送指令用助记符 MOV，加法用 ADD。

2.5. 程序计数器

程序中的指令是一条条顺序执行的，计算机在执行时需要将对应的指令一条条取出来，这就要求必须有一个电路能追踪指令所在的地址。

程序计数器（Program Counter, PC）在程序开始执行时被赋予第一条指令所在的地址，然后每取出一条指令，PC 的内容就加 1，指向下一条指令，这样就保证程序的顺序执行。

调用子程序或者遇到中断，PC会将控制转到需要的地方。

3. 初级计算机

微型计算机

3.1. CPU 的结构

ALU : 执行算数和逻辑运算
F : Flag 标志寄存器
PC : 程序计数器
AR : 地址寄存器
AB : 地址总线
DB : 数据总线
ID : 指令译码器
IR : 指令寄存器

3.2. 存储器

每个单元可以存放 8 位二进制信息。地址总线传送的 8 位地址通过地址译码器可以获得对应于 256 个单元的地址号，之后就可以对这个单元进行读写操作。

3.2.1. 读数据流程

AR 给出地址号，CPU 发出读的控制命令，数据从对应存储单元取出放到 DB 上，传送到 DR。

3.2.2. 写数据流程

AR 给出地址号，DR 寄存器中的内容经 DB 送给存储器，CPU 发出写的控制命令，将数据写入存储器。

4. 简单程序举例

4.1. 程序执行过程

Address	Content	Comment
00	1011 0000	`MOV AL, n`
01	0000 0111	`n=7`
02	0000 0100	`ADD AL, n`
03	0000 1010	`n=10`
04	1111 0100	`HLT`

将 PC 中的内容 00H 送至地址寄存器 AR
PC 中的内容成功发送到 AR 之后，PC 中的内容加 1 变成 01H
将AR中的地址号 00H 通过地址总线送至存储器，经地址译码器译码之后选中存储其中 00 号单元
CPU 给出读操作的控制命令
将存储器中 00H 单元的内容 B0H 读至数据总线 DB 上
读出的内容 B0H 经数据总线 DB 传送到数据寄存器 DR
DR 将指令传送至指令寄存器 IR，然后经过译码发出执行指令的控制命令

五. 寻址方式

1. 立即寻址

操作数就包含在指令中，这种规定操作数的方式，称为立即寻址

指令中的操作数称为立即数

eg. MOV AL, 08H 意为将数 08H 存入 AL 寄存器

2. 寄存器寻址

操作数在某一寄存器中，这种寻址方式称为寄存器寻址

eg. MOV AL, BL 意为将寄存器 BL 中的数存入 AL 中

3. 直接寻址

指令中包含操作数的直接地址

eg. MOV AL, [n] 意为将地址 n 指向的存储器内的数，存入 AL 寄存器

4. 寄存器间接寻址

操作数的地址并不直接在指令中，而是在某一寄存器中。用对应寄存器中的内容作为操作数的地址。

eg. MOV AL, [BL] 意为将寄存器 BL 中的数作为地址，从存储器中取出该地址的数，存入 AL 寄存器

指令名称	寻址方式	助记符	操作码	说明
取数指令	立即寻址	`MOV AL, n`	`B0 n`	`AL ← n`
^^	寄存器寻址	`MOV AL, BL`	`8A C3`	`AL ← BL`
^^	寄存器间接寻址	`MOV AL, [BL]`	`8A 07`	`AL ← [BL]`
^^	直接寻址	`MOV AL, [n]`	`A0 n`	`AL ← [n]`
存数指令	直接寻址	`MOV [n], AL`	`A2 n`	`[n] ← AL`
^^	寄存器间接寻址	`MOV [BL], AL`	`88 07`	`[BL] ← AL`
加法指令	立即寻址	`ADD AL, n`	`04 n`	`AL ← AL+n`
^^	寄存器寻址	`ADD AL, BL`	`02 C3`	^^
^^	寄存器间接寻址	`ADD AL, [BL]`	`02 07`	^^

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