CPU 的大致工作原理

CPU整体工作内容分为三大块：

  1. 读取指令
  2. 解码
  3. 执行（计算，读写内存，设置寄存器，跳转）

CPU 与设备通过电线连接，这些电线在计算机中称之为总线。
计算机中有专门链接 CPU 和其他芯片的导线，称为总线，逻辑上划分为：

  1. 地址总线：代表 CPU 的寻址能力，通过地址总线寻找内存
  2. 数据总线：代表 CPU 能够一次性读取数据的能力
  3. 控制总线：用于传输控制信号

指令的格式

指令由操作码和操作数两部分组成
操作码说明计算机要执行哪种操作，如赋值、计算、跳转等，它是指令中不可缺少的组成部分。一般用一个唯一的助记符表示，对应着机器指令的一个二进制编码。
操作数是指令执行的参与者，即各种操作的对象，有些指令不需要操作数，通常的指令都有一个或两个操作数，也有个别指令有3个甚至4个操作数
操作数的类型有三种，分别是：

  1. 寄存器
  2. 内存地址（存储器）
  3. 数字

寄存器的概览及作用

CPU 内部有一些存储空间，可以存储一些代码运行时的临时消息，他们被称之为寄存器。

数据寄存器

8086的16位通用寄存器是：
AX BX CX DX
SI DI BP SP
其中前4个数据寄存器还可以分成高8位和低8位两个独立的寄存器，8086的8位通用寄存器是：
AH BH CH DH
AL BL CL CL
对其中某8位的操作，并不影响另外对应8位的数据

变址寄存器

  • 变址寄存器通常用于存储器寻址时提供地址
    • SI 是源变址寄存器（Source）
    • DI 是目的变址寄存器（Destination）
  • 串操作类指令中，SI 和 DI 具有特别的功能

指针寄存器

  • 指针寄存器用于寻址内存堆栈内的数据
  • SP 为堆栈指针寄存器，指示栈顶的偏移地址
  • SP 不能再用于其他目的，具有专用目的
  • BP 为基址指针寄存器，表示数据在堆栈段中的基地址

  • SP 和 BP 寄存器与 SS 段寄存器联合使用以确定堆栈段中的存储单元地址

    栈

  • 栈（stack）是主存中一个特殊的区域，本质上不属于寄存器

  • 它采用先进后出 FILO（First In Last Out）或后进先出 LIFO （Last In Firdt Out）的原则进行存取操作，而不是随机存取操作方式
  • 堆栈通常由处理器自动维持。在8086中，由堆栈段寄存器 SS 和堆栈指针寄存器 SP 共同指示

指令指针寄存器

  • 指令指针寄存器 IP，它与代码段寄存器 CS 联用，永远存储着即将执行的指令的地址，每执行完一条指令，CPU 都会根据 CS ：IP 找到下一条指令，同时 IP 被赋值为再下一条指令的地址。
  • 计算机通过 CS ：IP 寄存器来控制指令序列的执行流程
  • IP 寄存器是一个专用寄存器，不能被直接赋值修改

标志寄存器

  • 标志（Flag）用于反映指令执行结果或控制指令执行形式
  • 8086处理器的各种标志形成了一个16位的标志寄存器 FLAGS

标志寄存器 flag 是一个16位的寄存器，其每一个位单独使用，就像16个指示灯一样，描述着指令的执行情况，亦或者控制着某些指令的执行。其每一位的情况如下：

15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
OF DF IF TF SF ZF AF PF CF
溢出 方向 中断 陷阱 符号 零 辅助 奇偶 进位
Debug
标志位状态		 真
/
假		 OV
/
NV		 DN
/
UP		 EI
/
DI		 NG/
PL		 ZR
/
NZ		 AC
/
NA		 PE
/
PO		 CY
/
NC
  • 标志状态——用来记录程序运行结果的状态信息，许多指令的执行都将相应地设置它

CF ZF SF PF OF AF

  • 控制标志——可由程序根据需要用的指令设置，用于控制处理器执行指令的方式

DF IF TF
其中比较重要的是 CF OF ZF SF，需要重点记忆。

进位标志 CF

  • 进位标志 CF（Carry Flag），当运算结果的最高有效位有进位（加法）或借位（减法）时，进位标志置1，即 CF = 1；否则 CF = 0
  • 例子：
  • 3A + 7C = B6， 没有进位：CF = 0
  • AA + 7C = （1）26， 有进位：CF = 1

溢出标志 OF

  • 溢出标志OF（Overflow Flag），若算术运算的结果有溢出，则 OF = 1，否则 OF = 0
  • 什么是溢出：16位的范围是（+32767~-32768），如果运算结果超出这个范围。就产生了溢出，有溢出，说明有符号数的运算结果不正确
  • 例子：

3A + 7C = B6，产生溢出：OF = 1
AA + 7C = （1）26，没有溢出：OF = 0

  • 溢出和进位：

溢出标志 OF 和进位标志 CF 是两个意义不同的标志。进位是针对无符号数而言，溢出是针对有符号数而言。在汇编指令运算时，大多数不区分有符号数还是无符号数，都先按照无符号去计算结果，然后根据无符号，有符号运算，设置相应标记位而已。

  • 例如：FF + 2 = （1）01
  • 按照无符号数来说，它进位了，会设置 CF 标记位
  • 按照有符号数来说，它没有溢出，所以不会设置 OF 标记位
  • 根据现象记住溢出与进位：
    • 按照有符号数运算，同号相加才会产生溢出，异号相加，不会溢出
    • 两个数相加，超过 FF，就会进位
    • 做减法时，前面的数比后面的数小，会借位。

  • 进位和溢出没有逻辑上的联系。

    零标志 ZF

  • 零标志 ZF（Zero Flag），若运算结果为0，则 ZF = 1；否则 ZF = 0（注意：ZF 为1表示的结果是0）

  • 例子：

    • 3A + 7C = B6，结果不是零：ZF = 0
    • 84 + 7C = （1）00，结果是零：ZF = 1

      符号标志

  • 符号标志 SF（Sign Flag），运算结果最高位为1，则 SF = 1；否则 SF = 0（有符号数据用最高有效位表示数据的符号，所以最高有效位就是符号标志的状态）

  • 例子：

    • 3A + 7C = B6，最高位D7 = 1：SF = 1
    • 84 + 7C = （1）00，最高位D7 = 0：SF = 0

      奇偶标志

  • 奇偶标志 PF（Parity Flag），当运算结果最低8位中“1”的个数为零或偶数时，PF = 1，否则 PF = 0（PF标志仅反应最低8位中“1”的个数是偶或奇，即使是进行16位字操作）

  • 例子：

    • 3A + 7C = B6 = 10110110B
    • 结果中有5个1，是奇数：PF = 0

      辅助进位标志

  • 辅助进位标志 AF（Auxiliary Carry Flag），运算时D3位（低半字节有进位或借位时，AF = 1，否则 AF = 0（这个标志主要由处理器内部使用，用于十进制算数运算调整指令中，用户一般不必关心）

  • 例子：

    • 3AH + 7CH = B6H，D3 有进位：AF = 1

      方向标志

  • 方向标志 DF（Direction Flag），用于串操作指令中，控制地址的变化方向：

    • 设置 DF = 0，存储器地址自动增加；
    • 设置 DF = 1，存储器地址自动减少。
  • 例如：
  • CLD 指令用于复位方向标志，执行后 DF = 0

  • STD 指令用于置位方向标志，执行后 DF = 1

    陷阱标志

  • 陷阱标志 TF（Trap Flag），用于控制处理器进入单步操作方式：

    • 设置 TF = 0，处理器正常工作；
    • 设置 TF = 1，处理器单步执行指令。
  • 单步执行指令： 处理器在每条指令执行结束时，便产生一个编号为1的内部中断，这种内部中断称为单步中断，所以 TF 也称为单步标志，利用单步中可对程序进行逐条指令的调试，这种逐条指令调试程序的方法就是单步调试

内存地址操作数

当操作数是一个内存地址的时候，如下表示：
MOV [65h], 12h
地址操作数，需要在地址外包裹上[]，此条指令代表要往地址所在的内存中写入数据。
8086CPU 有20条地址线，最大可寻址空间为2的20次方 = 1MB，物理地址范围从00000H~FFFFFH。

物理地址和逻辑地址

每个物理存储单元都有一个唯一的20位编号，就是物理地址，从00000H~FFFFFH。那8086-CPU 的地址总线是20位，但是操作数最大只有16位。那么如何产生20位地址呢？
8086-CPU 采用了分段机制解决这个问题。
分段后，用户在编程时，采用逻辑地址，形式为：
段基地址 : 段内偏移地址
将逻辑地址中的段地址左移4位（相当于乘以16），加上偏移地址就得到20位物理地址，一个物理地址可以有多个逻辑地址，例如：
逻辑地址 1460：100、1380：F00
物理地址 14700 14700
物理地址的计算方法：
物理地址 = 段基地址 × 16D + 偏移地址 （段基地址是16位的）

段寄存器

使用内存通常提供的都是一个段内偏移地址。段寄存器中存储段基地址。不同类型的段内偏移和不同的段寄存器默认关联。

  • CS（代码段）指明代码段的起始位置
  • SS（堆栈段）指明堆栈段的起始位置
  • DS（数据段）指明数据段的起始位置
  • ES（附加段）指明附加段的起始位置 | 访问存储器的方式 | 默认 | 偏移地址 | 例子 | | —- | —- | —- | —- | | 取指令 | CS | IP | mov ax, [ip] | | 堆栈操作 | SS | SP | mov ax, [sp] | | 一般数据访问 | DS | 有效地址EA | mov ax, [15h]
    mov ax, [bx] | | BP 基址的寻址方式 | SS | 有效地址EA | mov ax, [bp+6h] | | 串操作指令的源操作数 | DS | SI | mov ax, [si] | | 串操作指令的目的操作数 | ES | DI | mov ax, [di] |

段超越

  • 修改默认使用的段寄存器称为-段超越
  • 没有段超越的指令实例：

MOV AX, [2000H] ; AX←DS:[2000H]; 从默认的 DS 数据段取出数据

  • 采用段超越前缀的指令实例：

MOV AX, ES : [2000H] ; AX←ES:[2000H]; 从指定的 ES 附加段取出数据

理解分段的误区

初次接触分段机制的时候，会有一个认识上的误区，认为内存被划分成了一个一个的段，每一个段有一个段基址和范围。
其实：8086-CPU 共有 20 位地址总线，能够表示的地址空间是 1MB，这块空间在物理上是连续的。为了方便管理，我们在逻辑上将其划分成多个段。
逻辑段与另一个逻辑段是可以覆盖或者重合的。
可以通过一些总结，更好的理解分段：

  • 8086对逻辑段要求：
    • 段地址低4位均为0
    • 每段最大不超过 64KB
  • 8086对逻辑段不要求：
    • 必须是 64KB
    • 各段之间完全分开（即可以重叠）
  • 1MB 空间最多能分成多少个段？
    每隔 16 个存储单元就可以开始一个段，
    所以 1MB 最多可以有：2的20次方 ÷ 16 = 2的16次方 = 64K个段
  • 1MB 空间最少能分成多少个段？
    每隔 64K 个存储单元开始一个段，
    所以 1MB 最少可以有：2的20次方 ÷ 2的16次方 = 16个段

    内存操作数的多种书写方式

    内存地址作为指令的操作数的时候，可以有多种书写形式，如下表示：
操作数形式 解释
mov ax, [0x1230] 从 ds : 1230 取出两个字节数据，存入 ax 中
mov ax, word ptr [0x1230] 从 ds : 1230 取出两个字节数据，存入 ax 中
mov al, [0x1230] 从 ds : 1230 取出一个字节数据，存入 al 中
mov al, byte ptr [0x1230] 从 ds : 1230 取出一个字节数据，存入 al 中
mov ax, ES : [0x1230] 从 es : 1230 取出两个字节数据，存入 ax 中
mov ax, word ptr CS : [0x1230] 从 cs : 1230 取出两个字节数据，存入 ax 中
mov ax, [bx] [si] 等价于 mov ax, [bx + si]
mov ax, 12[si] 等价于 mov ax, [si + 12]

x86 的分段机制

在 CPU 进化到 386 时，操作系统普遍采用的是 32 位下的保护模式，分段机制发生了很大的变化。暂且可以认为 32 位程序中，所有的段基地址都是 0，段内偏移范围是 0~4GB 。这也被称之为平坦模式。

总结

  1. 汇编指令逐条被 CPU 直接执行
  2. cs ：ip 指明了当前 CPU 将要执行的指令位置，执行完一条指令，ip 自动存储下一条指令的地址
  3. 一条汇编指令由操作码和操作数组成
  4. 操作数可以是寄存器，也可以是内存中的数据，也可以是数字
  5. 内存是分段管理的，当内存作为操作数的时候，寻址方式是：段 × 16D + 段内偏移
  6. 执行完指令，除了得到运算结果，还会在标志寄存器中保存相应的状态
  7. 指令的执行反过来还会受标志寄存器状态的影响