中央处理器存储器

中央处理器(CPU,Central Processing Unit)是一块超大规模的集成电路,是一台计算机的运算核心(Core)和控制核心( Control Unit)。它的功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。CPU从逻辑上可以划分成3个模块,分别是控制单元、运算单元和存储单元,这三部分由CPU内部总线连接起来。

中央处理器存储器又叫CPU存储器,CPU存储器是微处理器中存放数据和各种程序的装置。CPU存储器是微处理器的一个重要的组成部分,由存储单元集合体,地址寄存器,译码驱动电路,读出放大器以及时序控制电路等几部分组成。

CPU的根本任务就是执行指令,对计算机来说最终都是一串由“0”和“1”组成的序列。CPU从逻辑上可以划分成3个模块,分别是控制单元、运算单元和存储单元,这三部分由CPU内部总线连接起来。如下所示:

CPU存储器包括CPU片内缓存和寄存器组,是CPU中暂时存放数据的地方,里面保存着那些等待处理的数据,或已经处理过的数据,CPU访问寄存器所用的时间要比访问内存的时间短。采用寄存器,可以减少CPU访问内存的次数,从而提高了CPU的工作速度。但因为受到芯片面积和集成度所限,寄存器组的容量不可能很大。寄存器组可分为专用寄存器和通用寄存器。专用寄存器的作用是固定的,分别寄存相应的数据。而通用寄存器用途广泛并可由程序员规定其用途,通用寄存器的数目因微处理器而异。

数据寄存器

数据寄存器主要用来保存操作数和运算结果等信息,从而节省读取操作数所需占用总线和访问存储器的时间。

32位CPU有4个32位的通用寄存器EAX、EBX、ECX和EDX。对低16位数据的存取,不会影响高16位的数据。这些低16位寄存器分别命名为:AX、BX、CX和DX,它和先前的CPU中的寄存器相一致。

4个16位寄存器又可分割成8个独立的8位寄存器(AX:AH-AL、BX:BH-BL、CX:CH-CL、DX:DH-DL),每个寄存器都有自己的名称,可独立存取。程序员可利用数据寄存器的这种“可分可合”的特性,灵活地处理字/字节的信息。

寄存器AX和AL通常称为累加器(Accumulator),用累加器进行的操作可能需要更少时间。累加器可用于乘、除、输入/输出等操作,它们的使用频率很高;

寄存器BX称为基地址寄存器(BaseRegister)。它可作为存储器指针来使用;

寄存器CX称为计数寄存器(CountRegister)。在循环和字符串操作时,要用它来控制循环次数;在位操作中,当移多位时,要用CL来指明移位的位数;

寄存器DX称为数据寄存器(DataRegister)。在进行乘、除运算时,它可作为默认的操作数参与运算,也可用于存放I/O的端口地址。

在16位CPU中,AX、BX、CX和DX不能作为基址和变址寄存器来存放存储单元的地址,但在32位CPU中,其32位寄存器EAX、EBX、ECX和EDX不仅可传送数据、暂存数据保存算术逻辑运算结果,而且也可作为指针寄存器,所以,这些32位寄存器更具有通用性。详细内容请见第3.8节——32位地址的寻址方式。

变址寄存器

32位CPU有2个32位通用寄存器ESI和EDI。其低16位对应先前CPU中的SI和DI,对低16位数据的存取,不影响高16位的数据。

寄存器ESI、EDI、SI和DI称为变址寄存器(IndexRegister),它们主要用于存放存储单元在段内的偏移量,用它们可实现多种存储器操作数的寻址方式(在第3章有详细介绍),为以不同的地址形式访问存储单元提供方便。

变址寄存器不可分割成8位寄存器。作为通用寄存器,也可存储算术逻辑运算的操作数和运算结果。

它们可作一般的存储器指针使用。在字符串操作指令的执行过程中,对它们有特定的要求,而且还具有特殊的功能。具体描述请见第5.2.11节。

指针寄存器

32位CPU有2个32位通用寄存器EBP和ESP。其低16位对应先前CPU中的SBP和SP,对低16位数据的存取,不影响高16位的数据。

指针寄存器不可分割成8位寄存器。作为通用寄存器,也可存储算术逻辑运算的操作数和运算结果。

它们主要用于访问堆栈内的存储单元,并且规定:

BP为基指针(BasePointer)寄存器,用它可直接存取堆栈中的数据;

SP为堆栈指针(StackPointer)寄存器,用它只可访问栈顶。

段寄存器

段寄存器是根据内存分段的管理模式而设置的。内存单元的物理地址由段寄存器的值和一个偏移量组合而成的,这样可用两个较少位数的值组合成一个可访问较大物理空间的内存地址。

CPU内部的段寄存器:

CS——代码段寄存器(CodeSegmentRegister),其值为代码段的段值;

DS——数据段寄存器(DataSegmentRegister),其值为数据段的段值;

ES——附加段寄存器(ExtraSegmentRegister),其值为附加数据段的段值;

SS——堆栈段寄存器(StackSegmentRegister),其值为堆栈段的段值;

FS——附加段寄存器(ExtraSegmentRegister),其值为附加数据段的段值;

GS——附加段寄存器(ExtraSegmentRegister),其值为附加数据段的段值。

在16位CPU系统中,它只有4个段寄存器,所以,程序在任何时刻至多有4个正在使用的段可直接访问;在32位微机系统中,它有6个段寄存器,所以,在此环境下开发的程序最多可同时访问6个段。

32位CPU有两个不同的工作方式:实方式和保护方式。在每种方式下,段寄存器的作用是不同的。有关规定简单描述如下:

实方式:前4个段寄存器CS、DS、ES和SS与先前CPU中的所对应的段寄存器的含义完全一致,内存单元的逻辑地址仍为“段值:偏移量”的形式。为访问某内存段内的数据,必须使用该段寄存器和存储单元的偏移量。

保护方式:在此方式下,情况要复杂得多,装入段寄存器的不再是段值,而是称为“选择子”(Selector)的某个值。段寄存器的具体作用在此不作进一步介绍了,有兴趣的读者可参阅其它科技资料。

指令寄存器

32位CPU把指令指针扩展到32位,并记作EIP,EIP的低16位与先前CPU中的IP作用相同。

指令指针EIP、IP(InstructionPointer)是存放下次将要执行的指令在代码段的偏移量。用来提供指令在存储器中的地址。在具有预取指令功能的系统中,下次要执行的指令通常已被预取到指令队列中,除非发生转移情况。所以,在理解它们的功能时,不考虑存在指令队列的情况。

在实方式下,由于每个段的最大范围为64K,所以,EIP中的高16位肯定都为0,此时,相当于只用其低16位的IP来反映程序中指令的执行次序。.

标志寄存器

标志寄存器又称程序状态字(外语缩写:PSW、外语全称:Program Status Word)。

这是一个16位的存放条件标志、控制标志寄存器,主要用于反映处理器的状态和ALU运算结果的某些特征及控制指令的执行。

条件标志:

进位标志:用于反映运算是否产生进位或借位。如果运算结果的最高位产生一个进位或借位,则CF置1,否则置0。运算结果的最高位包括字操作的第15位和字节操作的第7位。移位指令也会将操作数的最高位或最低位移入CF。

奇偶标志:用于反映运算结果低8位中“1”的个数。“1”的个数为偶数,则PF置1,否则置0。

辅助进位标志:算数操作结果的第三位(从0开始计数)如果产生了进位或者借位则将其置为1,否则置为0,常在BCD(binary-codedecimal)算术运算中被使用。

零标志:用于判断结果是否为0。运算结果0,ZF置1,否则置0。

符号标志:用于反映运算结果的符号,运算结果为负,SF置1,否则置0。因为有符号数采用补码的形式表示,所以SF与运算结果的最高位相同。

溢出标志:反映有符号数加减运算是否溢出。如果运算结果超过了8位或者16位有符号数的表示范围,则OF置1,否则置0。

控制标志:

跟踪标志:当TF被设置为1时,CPU进入单步模式,所谓单步模式就是CPU在每执行一步指令后都产生一个单步中断。主要用于程序的调试。8086/8088中没有专门用来置位和清零TF的命令,需要用其他办法。

中断标志:决定CPU是否响应外部可屏蔽中断请求。IF为1时,CPU允许响应外部的可屏蔽中断请求。

方向标志:决定串操作指令执行时有关指针寄存器调整方向。当DF为1时,串操作指令按递减方式改变有关存储器指针值,每次操作后使SI、DI递减。