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本文讲述主要讲解CPU（8086CPU）的内部通讯及其工作原理,寄存器的兼容性设计等，希望对您有所帮助
本文来自于简书，由火龙果软件Delores编辑推荐。 |
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CPU概述
一个典型的CPU，是由运算器、控制器、寄存器等器件组成的，这些器件是通过CPU内部总线相连的。CPU内部总线和外部总线有什么区别？CPU内部总线实现了CPU内部各个器件之间的联结；CPU外部总线实现了CPU与主板及其上所有其它设备器件的联结。
寄存器概述
对CPU来讲，它也有存储临时数据的需求，寄存器就是用于CPU内部数据存储的器件。8086CPU有14个寄存器，其中通用的寄存器有8个。
8086CPU的14个寄存器
什么是通用寄存器？
8086CPU所有的寄存器都是16位的，即可以存放两个字节。其中 AX、BX、CX、DX 用来存放一般性数据，故被称为通用寄存器。下面以 AX 寄存器为例，来看一下寄存器的逻辑结构。
AX寄存器的逻辑结构
一个16位的寄存器可以存储一个16位的数据，即两个字节。比如十进制数字18（二进制表示为 10010），在AX寄存器中的存储方式如下图示：
十进制数字18，在AX寄存器中的存储方式
再比如十进制数字20000（二进制表示为 0100111000100000）在AX寄存器中的存储方式如下图示：
十进制数字2000，在AX寄存器中的存储方式
那么一个16位的寄存器所能存储数据的最大值是多少呢？答案是 2的16次方再减1。那么一个8位的寄存器所能存储数据的最大值又是多少呢？答案是 2的8次方再减1。
关于CPU的兼容性（寄存器的兼容性设计）
在8086上一代的CPU中寄存器都是8位的，为了保证向上兼容，8086CPU把上述四个16位的通用寄存器分别划分成了两个独立的8位寄存器来使用。于是，在8086CPU中，AX 寄存器被分成了 AH 和 AL，BX 寄存器被分成了 BH 和 BL，CX 寄存器被分成了 CH 和 CL，DX 寄存器被分成了 DH 和 DL （其中 H 表示高位寄存器，L 表示低位寄存器）。做了兼容设计和处理之后，8086CPU通用寄存器的逻辑结构如下图示（以 AX 寄存器为例）：
兼容处理后的AX寄存器的逻辑结构
当要兼容处理8086上一代的CPU时，只用使用低位寄存器，高位寄存器都填入0即可。以 AX 寄存器为例，只使用 AL 低位寄存器，AH 高位寄存器都写入0。
AX寄存器的低8位构成了AL寄存器，AX寄存器的高8位构成了AH寄存器。AH和AL都是可以独立使用的8位寄存器。示例如下：
高位寄存器、低位寄存器
上图示，当把AX看成一个独立的寄存器，它存储的数据是十进制数字2000；当把AX兼容划分成两个独立寄存器时，AH寄存器存储的数据是十进制数字78，AL寄存器存储的数据是十进制数字32。
关于十六进制
我们知道一个存储单元可以存放8位数据，那么寄存器中可以存放 8N 位数据。于是说，计算机中的数据大多都是由 8N 位数据来构成的。比如十六进制的数字，可以直观地看出它是由几个8位数据构成的，因为对十六进制数字来讲，每两位数就对应一个 8 位（即2的3次方）。所以，我们通常习惯使用十六进制的数字，这样能更加直观和方便地看出它在内存中占据多少位的空间，这便是十六进制数字比二进制、十进制数字更大的优势。
88DDH
// 直观地可以看出，这个数字占据两个字节空间，
即16位数据。H，表示十六进制。 |
字 在寄存器中的存储
一个字可以存储在一个16位的寄存器中，这个字的高位字节（高8位）和低位字节（低8位）分别存储在这个寄存器的高位寄存器和低位寄存器中。一个字所占空间的大小就是2字节（16位）。
汇编指令初体验 汇编指令是不区分大小写的！！
几个汇编指令
汇编例题1：
例题1
汇编例题1 题解，经过最后一步运算 ax = ax + bx，得到的结果是 1044CH，但由于 AX 寄存器只有16位，因此最终 AX 寄存器中的存储结果是 044CH。
汇编例题2：
例题2
汇编例题2 题解，经最后一步运算 al = al + 93H，即 C5H + 93H = 158H，但是 AL 寄存器是从 AX 寄存器中独立出来的低位寄存器，AH 寄存器中只能是 00H，且 AL 只有8位，因此 AX 寄存器中最终的存储结果是 0058H。（如果最后一步的指令改成 add ax, 93H，则 AX 中的最终结果就是 0158H）
上述两个例题中，我们都遇到了寄存器位数小于存储结果数据的位数问题，看上去是丢失了运算结果的最高进制位。但事实上，CPU并不会真正地丢失这个运算结果的最高进制位，而是使用了其它寄存器来存储这个看上去被丢失了最高进制位，这个知识点将在后续课程中继续探讨。
什么是物理地址？
所有的存储单元构成了一个线性的存储空间。CPU访问这些存储单元时，要给出存储单元的唯一地址，我们把这个唯一的地址称为物理地址。
16位结构的CPU有哪些特征？
概括地讲，16位结构描述了CPU具有以下几个方面的特征：1）CPU中的运算器一次最多可以处理16位的数据；2）CPU中寄存器的最大宽度是16位；3）CPU中寄存器和运算器之间的通路是16位的。
地址加法器
8086CPU的外部地址总线宽度是20，则8086CPU外部寻址能力约1M。但是，8086CPU的内部是16位结构，则8086CPU内部只能表现出约64K的寻址能力。那么问题来了，8086CPU是如何用内部16位的数据转换成外部20位的物理地址呢？
8086CPU采用一种在CPU内部使用两个16位地址合成的方法来形成一个20位的物理地址，从而实现了CPU内外物理地址位数相等。
解决方案如下图示：
地址加法器
8086CPU在读写CPU外部存储器中数据时，到底发生了哪些事？
1）8086CPU首先提供两个16位的地址，一个被称为段地址，另一个被称为偏移地址。
2）然后通过CPU内部总线，把段地址和偏移地址发送至地址加法器。
3）地址加法器，将这两个16位地址合成为一个20位的物理地址，并发送给输入输出控制电路。
4）输入输出电路把这个20位的物理地址发送至CPU外部的地址总线。
5）通过CPU外部地址总线，将这个20位的物理地址传递至指定的存储器。
地址加法器，是怎样对这两个16位地址进行合成运算的呢？
合成公式： 20位的物理地址 = 16位的段地址 * 16 + 16位的偏移地址。
地址加法器的运算过程
16位的段地址 * 16，本质上就是把这个16位的二进制数向左移动4位，即得到一个20位的二进制数。原理是，一个二进制数向左移动1位，相当于该二进制数乘以2；一个二进制数向左移动 N 位，相当于这个二进制数乘以 2 的 N 次方；所以，一个二进制数乘以16，即向左移动4位。如下图示：
进制原理
深入理解“段”与“段地址”的概念
事实上，存储器并没有分段，段的划分来自于CPU，由于8086CPU使用“段地址*16 + 偏移地址 = 20位物理地址”来计算出存储单元的物理地址，使得我们误认为存储器是分段来管理的，事实上存储器并没有被分段。“段”只是CPU在合成20位物理地址时的一个概念而已。另需注意，完全相等的物理地址，可以来自于不同的段地址和偏移地址，示例如下：
物理地址
现实中，在编程时我们可以根据实际需要，把若干连续地址的存储单元看作成一个“段”，用“段地址16”来定位这个“段”的起始地址（基础地址），用“偏移地址”来定位这个“段”中的某个存储单元。基于这样的理论，我们可以进一步得到如下两个结论：
1）由于“段地址16”是16的倍数，所以一个“段”的起始地址也一定是16的倍数。
2）由于“偏移地址”是16位的，16位的偏移地址的寻址能力是64K，所以一个“段”的长度最大为64K。
段地址 - 偏移地址
关于 物理地址 的小结
1）CPU访问存储单元时，必须向存储器提供存储单元的物理地址。8086CPU是通过地址加法器来生成最终的物理地址。
2）根据实际工作需要，我们可以把连接地址、起始地址是16倍数的一组存储单元定义为一个“段”。
3）在8086CPU机器中，存储单元的物理地址由段地址和偏移地址共同决定。比如 21F60H 这一物理地址，我们可以将其理解为“物理地址为 2000H : 1F60H 的存储单元”，还可以理解成“2000H 段中的 1F60H 存储单元”。
什么是段寄存器？什么是 CS:IP 寄存器？
在CPU中，用于存储“段地址”的寄存器，就叫做段寄存器。段寄存器，就是用来提供“段地址”的。8086CPU中，有4个段寄存器，分别是 CS、DS、SS、ES。当8086CPU要访问存储器时，就是由这4个段寄存器来提供存储单元的段地址的。
CS 和 IP 是 8086CPU中最为关键的两个寄存器，它们指示着CPU当前将要读取的指令所在的地址。CS 是代码段寄存器，IP是指令指针寄存器。
那么CPU是如何读取和执行程序指令的呢？CPU的工作流程是怎样的呢？
CPU读取指令与指令执行
1）第一步，从 CS:IP 指向的存储单元读取指令，读取的指令进入到指令缓冲器。
2）第二步，更新 IP 指令指针寄存器的值，IP = IP + 所读取指令的长度，从而让 IP 指针指向下一条指令。
3）第三步，执行指令缓冲器中的指令。然后转至第一步，如此循环这个过程。
8086CPU工作过程的简要描述：在8086CPU通电启动或者复位后（即CPU刚开始工作时），CS 代码段寄存器 和 IP 指令指针寄存器会被设置为 CS = FFFFH， IP = 0000H。也就是说，当8086CPU机器刚启动时，CPU从内存的 FFFF0H 这个物理地址处开始读取指令并执行。FFFF0H 这一物理地址处的指令是 8086CPU机器开机时执行的第一条指令。
在任何时候，CPU将CS 代码段寄存器 和 IP 指令指针寄存器中的数据当作成指令的段地址和偏移地址，并使用它们合成为指令的物理地址，进而从存储器中读取该条指令代码并执行。
如果说，存储器中的一条信息曾被CPU执行过的话，那么该条信息所在的存储单元必定被 CS:IP 指向过。
程序员如何才能控制 CPU 的运行？如何修改 CS:IP 寄存器中的数据内容？
在CPU中，程序员唯一能够用指令执行读写操作的部件只有寄存器。程序员可以通过操作和修改寄存器中的数据内容，进而实现对CPU的控制。
CPU从何处执行指令，是由 CS:IP 寄存器中的数据内容来决定的。程序员可以通过修改 CS:IP 寄存器中的数据内容来控制CPU执行目标任务。那我们该如何修改 CS:IP 寄存器中的数据内容呢？
使用“jmp 段地址 : 偏移地址”命令，可以同时修改 CS:IP 寄存器中的数据内容，从而实现对CPU的控制，以读取存储器中的目标指令。其中，jmp 命令中“段地址”用于修改 CS 代码段寄存器中的内容，jmp 命令中“偏移地址”用于修改 IP 指令指针寄存器中的内容。示例如下：
jmp 2AE3:3
// 修改 CS:IP = 2AE3:3
// 读取 2AE33H 这一物理地址的存储单元中的内容 |
jmp 3:0B16
// 修改 CS:IP = 3:0B16
// 读取 00B46H 这一物理地址的存储单元中的内容 |
注意，不能用 mov 指令来修改 CS、IP 寄存器的值，8086CPU没有提供这样的功能。
如何只修改 IP 指令指针寄存器中的数据内容呢？
使用“jmp 寄存器X”命令，可以只修改 IP 指令指针寄存器中的数据内容。该指令的意思是，把 IP 指令指针寄存器中的值修改成 寄存器X 中的值。
jmp ax // 等价于
mov ip, ax，
即把 ax 中的值赋值给 ip 寄存器
jmp bx //
等价于 mov ip, bx，
即把 bx 中的值赋值给 ip 寄存器 |
汇编例题3：
例题3
汇编例题3 解析：重点在于理解 mov 命令和 jmp 命令的功能。mov 命令用于修改某个通用寄存器的值，而 jmp 命令用于修改 CS:IP 或者是 仅修改 IP 寄存器的值。并且要知道，当 CS:IP 发生变化，CPU 将要读取并执行的指令所在物理地址就变成了 CS*16 + IP 这一物理地址。所以该例题的最终答案如下：
mov ax, 6622H
jmp 1000H:3H // 把 cs 代码段寄存器的值
修改成 1000H，同时把 ip
指令指针寄存器的值修改成 3H
mov ax, 0000H
mov bx, ax
jmp bx // 把 bx 寄存器中的值赋值给 ip 指令指针寄存器
mov ax, 0123H
... 循环 第3行代码 至 第6行代码 ... 这一个死循环 |
什么是代码段？
对8086CPU机器，在编程时，我们可以根据需要，将一组连续的存储单元定义为一个“段”。将长度为N（N 不大于 64KB）的一组代码存放到一组地址连接且起始地址为16倍数的存储单元中，那么这一组用于存放代码的“段”，就被称为是“代码段”。
如何才能让存储器中的代码段被CPU执行呢？
将一段存储空间当作代码段，这仅仅是我们在编程时的一种安排。CPU并不会由于这种安排就自动地执行我们的代码。那么到底是什么才能决定代码的执行呢？答案是 CS:IP 寄存器，CPU只会读取并执行CS:IP所指向的存储单元中的代码指令。即让 CS:IP 指向代码段中第一行代码所在的存储单元即可。
CS寄存器存放着指令的段地址，IP寄存器存放着指令的偏移地址。在8086CPU机器中，在任意时刻，CPU都会读取 CS:IP 指向的内容并将其当作指令来执行。jmp 转移指令，可以修改 CS:IP 或者仅修改 IP 寄存器中的内容，从而控制CPU对程序代码的执行顺序。
实 验 实验目标，用机器指令和汇编指令编程，查看和操作CPU、内存。
Debug是DOS（Disk Operating System，磁盘操作系统）、windows提供的实模式（8086方式）程序的调试工具。使用它，可以查看CPU各种寄存器中的内容、内存的情况和在机器码级跟踪程序的运行。在 DOS 的 debug 环境，所有数字都默认是 16进制的。
r // 查看寄存器的内容
r ax // 修改 ax 通用寄存器的内容
r cs // 修改 cs 代码段寄存器的内容
r ip // 修改 ip 指令指针寄存器的内容
d // 查看内存中的内容
d 138c:0100 // 查看某段内存中的内容
u // 把内存中的机器码转化成对应的汇编指令
u 138c:0100 // 把指定内存段的机器码转化成对应的汇编指令
t // 执行一条机器指令
a // 以汇编指令的格式，向内存中写入一条机器指令
e // 改写内存中的内容 |
a 2000:0 // 从地址2000:0000处，向内存中写入指令
mov ax, 1 // 把 ax 寄存器更改为 1
add ax, ax // 让 ax = ax + ax
jmp 3 // 修改 ip 寄存器为 3
r cs // 修改 cs 段寄存器为 2000
2000
r ip // 修改ip 指令指针寄存器为 0
0
u 2000:0 // 查看 2000:0 处的内存中指令代码
t // 读取执行当前 cs:ip 指向的存储单元中的指令 |
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