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我們已經(jīng)知道，處理器是一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)的核心，它會(huì)在振蕩器脈沖的激勵(lì)下，從內(nèi)存中獲取指令，并發(fā)起一系列由該指令所定義的操作。當(dāng)這些操作結(jié)束之后，它接著再取下一條指令。通常情況下，這個(gè)過程是連續(xù)不斷、循環(huán)往復(fù)的。

文章目錄

• 1、寄存器和算數(shù)邏輯部件
• 2、內(nèi)存儲(chǔ)器
• 3、指令和指令集
• 4、Intel 8086處理器
• • 4.1、 8086的通用寄存器
  • 4.2、 程序的重定位問題
  • 4.3、 內(nèi)存分段機(jī)制
  • 4.4 、8086的內(nèi)存分段機(jī)制
  • 4.5 、8086 處理器內(nèi)部組成框圖
• 5、 總結(jié)

1、寄存器和算數(shù)邏輯部件

電子計(jì)算機(jī)能能做很多事情。計(jì)算天氣預(yù)報(bào)，看電影，聽音樂，上網(wǎng)等，實(shí)際上都是以數(shù)學(xué)計(jì)算為基礎(chǔ)。它之所以能夠計(jì)算，是因?yàn)樗厥獾脑O(shè)計(jì)。想要了解計(jì)算機(jī)為什么能夠自動(dòng)計(jì)算，請(qǐng)去閱讀書籍《穿越計(jì)算機(jī)的迷霧》。本片文章主要講解處理器的簡單功能。

如圖是一個(gè)處理器：

在處理器的周圍，有大量的引腳，這些引腳可以接受從外面來的電信號(hào)或者向外發(fā)送電信號(hào)（與外設(shè)進(jìn)行信號(hào)的交互）。有很多引腳是復(fù)用的，假如現(xiàn)在我們要進(jìn)行加法運(yùn)算，我們就需要重復(fù)使用某一些引腳來依次將加數(shù)與被加數(shù)送入。一旦被加數(shù)被送入處理器，代表這個(gè)二進(jìn)制數(shù)字的一組電信號(hào)就會(huì)出現(xiàn)在與該引腳相連的內(nèi)部線路上（我們稱這個(gè)內(nèi)部線路為內(nèi)部總線）。這是一組高低電平的組合，代表著二進(jìn)制數(shù)中的每一位。當(dāng)被加數(shù)被送進(jìn)來了，接下來就要將加數(shù)送進(jìn)來，但是此時(shí)內(nèi)部總線上有被加數(shù)，所以處理器內(nèi)部需要有一個(gè)電路來將被加數(shù)“鎖存”。這個(gè)將被加數(shù)鎖存的電路就是寄存器。它是一個(gè)存儲(chǔ)器件。

同樣，加數(shù)也要鎖存進(jìn)另一個(gè)寄存器。如圖中RA與RB分別鎖存的是被加數(shù)與加數(shù)。此后，被加數(shù)與加數(shù)將不再受處理器的內(nèi)部總線的影響。寄存器是雙向器件，它會(huì)將它鎖存的數(shù)，在另一端產(chǎn)生一模一樣的電信號(hào)（注意此時(shí)寄存器中依然鎖存著之前的電信號(hào)，它只是在另一端產(chǎn)生一個(gè)一模一樣的電信號(hào)），傳送給相應(yīng)的算數(shù)邏輯部件（ALU）進(jìn)行計(jì)算。算數(shù)邏輯部件（ALU）計(jì)算出結(jié)果后,將結(jié)果送出，給另一個(gè)寄存器RC鎖存，稍后再將RC中的內(nèi)容通過內(nèi)部總線送到處理器外部，或者再次送回RA RB寄存器進(jìn)行其他計(jì)算。

那么，處理器是如何知道什么時(shí)候該干什么，各個(gè)部件在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)該干什么，以及哪些部件在哪些時(shí)候使用內(nèi)部總線以避免總線沖突呢？這些實(shí)際上都是由處理器內(nèi)部的一個(gè)控制器控制的（圖中沒有畫出）。

處理器總是繁忙的，所有數(shù)據(jù)都只能在寄存器中寄存一會(huì)，就必須被送往別處。早期的寄存器只能存儲(chǔ)4比特、8比特或者16比特，分別叫做4位寄存器，8位寄存器和16位寄存器。現(xiàn)在的處理器大多是32位和64位的。

2、內(nèi)存儲(chǔ)器

上一節(jié)我們知道，處理器的計(jì)算過程實(shí)際上是借助于寄存器和算數(shù)邏輯部件進(jìn)行的。那么計(jì)算的數(shù)據(jù)是從哪里來的呢？它是從一個(gè)可以保存很多數(shù)字的電路，叫做存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器的種類很多，我們常見的U盤，硬盤，磁盤，內(nèi)存條，甚至寄存器等都是存儲(chǔ)器。

我們這里主要說內(nèi)存條。由于它通常是和處理器直接相連的，所以叫內(nèi)存儲(chǔ)器或者主存儲(chǔ)器。又或者內(nèi)存或者主存。和寄存器不同，內(nèi)存用于保存更多的比特。對(duì)應(yīng)用的最多的個(gè)人計(jì)算機(jī)來說，內(nèi)存是按字節(jié)來組織的，單次訪問的最小單位是1字節(jié)，這是最基本的存儲(chǔ)單元。如下圖所示是一個(gè)內(nèi)存和內(nèi)存訪問示意圖：

內(nèi)存中的每一個(gè)字節(jié)都對(duì)應(yīng)著一個(gè)地址。從0地址開始，由于上面的內(nèi)存是65536字節(jié)，所以該內(nèi)存的最后一個(gè)字節(jié)是FFFF（都是用的十六進(jìn)制表示的）。為了訪問一個(gè)內(nèi)存，處理器需要給出一個(gè)地址。同時(shí)訪問內(nèi)存是什么方式？讀方式或者寫方式，所以處理器需要有一個(gè)讀寫控制。如果是寫數(shù)據(jù)，處理器還需要有一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂啤Ｗ詈?#xff0c;處理器單次訪問內(nèi)存時(shí)，是以字節(jié)為單位訪問還是以字為單位訪問等，需要有一個(gè)字長控制來告知。

3、指令和指令集

從一開始設(shè)計(jì)處理器，就是想讓它自動(dòng)工作，另外，還需要提供一種機(jī)制，來允許程序員決定進(jìn)行何種工作。處理器的設(shè)計(jì)者用某些數(shù)來表示該處理器該做什么，這些數(shù)，我們稱為指令或者叫機(jī)器指令。

下面給個(gè)實(shí)際例子來分析指令在內(nèi)存中的布局：

假設(shè)現(xiàn)在我們的處理器是從內(nèi)存的0000地址開始取指令（實(shí)際上肯定不是從0地址開始，這里只是假設(shè)）。第一條指令B8 5D 00，該指令的意思是將立即數(shù)005D傳送到RA寄存器，它具有一個(gè)字節(jié)的操作碼B8。由此我們可以看出簡單的一個(gè)B8 5D 00指令，是一個(gè)傳送指令，且該指令將兩個(gè)字節(jié)（005D）傳送到RA寄存器，并且由于下一條指令的地址是在0003字節(jié)處，所以該指令肯定還知道它自己是一條3字節(jié)指令，以便下一次處理器可以直接去到0003字節(jié)處去取指令。

對(duì)于一些復(fù)雜的指令，一個(gè)字節(jié)的操作碼肯定不夠用，所以第二條指令8B 1E 3F 00的指令操作碼是兩字節(jié)8B 1E。

同時(shí)我們注意到上述前兩條指令中，第一條指令是將一個(gè)數(shù)005D直接傳送到寄存器，第二條指令，是需要從另外一個(gè)地址（003F）先取出數(shù)據(jù)，然后再將數(shù)據(jù)傳送到寄存器。第一種的操作數(shù)005D我們稱為立即數(shù)（表示可以立即將數(shù)傳送而不需要再去另外一個(gè)地址取數(shù)據(jù)）。

由以上分析，我們很容易知道，上述的幾條指令，首先將兩個(gè)數(shù)放到寄存器中去運(yùn)算，然后運(yùn)算結(jié)果放到其中一個(gè)寄存器中，最終還需要將運(yùn)算結(jié)果再傳回到內(nèi)存中以便該結(jié)果作為其他用處時(shí)處理器好可以從內(nèi)存中得到計(jì)算結(jié)果。最后F4指令停機(jī)。

指令和非指令的二進(jìn)制數(shù)據(jù)是一模一樣的，在組成內(nèi)存的電路中，都是一些高低電平的組合。因?yàn)樘幚砥魇前错樞蛉≈噶?#xff0c;并加以執(zhí)行的，這樣的話，如果指令和數(shù)據(jù)存放在一起，處理器很容易將數(shù)據(jù)的二進(jìn)制當(dāng)成指令，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤。所以我們需要將指令與數(shù)據(jù)分開存放。分別存放在不同的區(qū)域。存放指令的區(qū)域叫做代碼區(qū)，存放數(shù)據(jù)的區(qū)域叫做數(shù)據(jù)區(qū)（這就是為什么進(jìn)程的虛擬地址空間中代碼和數(shù)據(jù)區(qū)分開的原因）。

一個(gè)處理器能夠識(shí)別的指令的集合，稱為指令集。

4、Intel 8086處理器

要想學(xué)好編程，就必須要懂底層原理。但是想要徹底學(xué)好底層，就要把匯編學(xué)好。想要學(xué)好匯編，不得不先學(xué)好針對(duì)8086的匯編技術(shù)。

4.1、 8086的通用寄存器

8086處理器內(nèi)部有8個(gè)16位寄存器。分別被命名為：AX,BX,CX,DX,SI,DI,BP,SP。通用的意思是他們中大部分可以根據(jù)需要用于多種目的。他們的用處，將在后面的文章逐漸給出。

下圖是幾個(gè)寄存器：

可以看到，有介個(gè)寄存器，AX,BX,CX,DX，又可以分為兩個(gè)8位的寄存器來使用。在后面文章中，我們會(huì)看到具體的應(yīng)用。

4.2、 程序的重定位問題

我們知道，處理器是自動(dòng)取指令和執(zhí)行指令的，只要每條指令都正確無誤，它就能準(zhǔn)確的知道下一條指令的地址。所以，指令必須集中在一起，形成一個(gè)段，叫做代碼段。
為了做某件事而編寫的指令，形成我們所知道的程序。程序中肯定需要操作大量的數(shù)據(jù)，這大量的數(shù)據(jù)也應(yīng)該集中在一起，位于內(nèi)存中的某個(gè)地方，叫做數(shù)據(jù)段。

段在內(nèi)存中的位置并不重要，因?yàn)樘幚砥魇强煽氐?#xff0c;我們可以讓處理器在內(nèi)存中的任何一個(gè)位置開始取指令并加以執(zhí)行。

下面看一個(gè)圖示：

假設(shè)上面是一個(gè)程序片段在內(nèi)存中的位置，相關(guān)指令的用處已經(jīng)在圖中表明。這里不再贅述。但是現(xiàn)在有一個(gè)問題，就是我們寫的程序（不管是C語言還是C++語言或者Java語言），最終要運(yùn)行在內(nèi)存中的位置，是無法確定的。因?yàn)槟阆胍幌?#xff0c;本身你的電腦中有各種程序在跑了，有qq程序在跑，微信程序在跑，或者還有微博等在跑，他們可能把你的內(nèi)存都占完了，當(dāng)你想運(yùn)行你寫的程序的時(shí)候，你的程序本想從0100H處開始存放代碼段，但是可能這個(gè)時(shí)候0100H處有其他程序的代碼或者指令在運(yùn)行，此時(shí)你的程序只能去另一個(gè)位置存放你的代碼和數(shù)據(jù)，假設(shè)你的代碼下一次運(yùn)行的時(shí)候代碼段和數(shù)據(jù)段在如下位置：

此時(shí)你的程序的代數(shù)據(jù)段在內(nèi)存的位置為1000H處，但是你會(huì)發(fā)現(xiàn)，你的代碼段的第一條指令，還是將地址單元0100H處的內(nèi)容傳送到AX寄存器中。但是！！！此時(shí)0100H處的內(nèi)容，并不是我們想要的內(nèi)容。

產(chǎn)生這種情況的原因就是我們?cè)诔绦蛑惺褂玫氖墙^對(duì)內(nèi)存地址。這樣的程序是無法重新定位的。所以我們需要使用另一種方式訪問內(nèi)存：相對(duì)地址或者叫做邏輯地址。在任何時(shí)候，程序的重定位都是非常棘手的事情。在8086處理器中，這個(gè)問題得到解決。它使用了分段機(jī)制。

4.3、 內(nèi)存分段機(jī)制

在內(nèi)存分段中，段，是很多個(gè)連續(xù)的字節(jié)組成的。如圖：

上圖有一個(gè)7個(gè)字節(jié)的段。段的起始地址為A532。那么段中的地址從第一個(gè)字節(jié)開始，他們的地址此時(shí)就是段內(nèi)的偏移地址（0000，0001，0002…）。而他們的實(shí)際的物理地址，又恰好等于段地址加上段內(nèi)的偏移地址。可以用“段地址：偏移地址”，來表示段中的每一個(gè)字節(jié)的地址。

為了在硬件一級(jí)提供對(duì)“段地址：偏移地址”的支持。處理器至少要提供兩個(gè)段寄存器，分別是代碼段寄存器CS，數(shù)據(jù)段寄存器DS。

對(duì)代碼段CS內(nèi)容的改變，將導(dǎo)致處理器從新的代碼段開始執(zhí)行。當(dāng)然，在訪問數(shù)據(jù)之前，也是必須要提前設(shè)置好數(shù)據(jù)段寄存器DS的，使DS之指向數(shù)據(jù)段。

很重要的一點(diǎn)是，當(dāng)處理器取指令執(zhí)行指令的時(shí)候，它是把指令中指定的內(nèi)存地址看成是段內(nèi)偏移地址的。而不是內(nèi)存的物理地址。那么當(dāng)處理器遇到一條訪問內(nèi)存的指令時(shí)，它就會(huì)將DS中的數(shù)據(jù)段起始地址加上指令中提供的段內(nèi)偏移地址得到訪問內(nèi)存所需要的物理地址的。

如下圖所示：

代碼段地址為1020H，數(shù)據(jù)段地址為1000H，在代碼段中有一條指令：A1 02 00,它的功能是將地址0002H處的的一個(gè)字傳送到寄存器AX。在這里處理器將0002H看成是段內(nèi)偏移地址，段地址在DS中，應(yīng)該在執(zhí)行這條指令之前就已經(jīng)用別的地址將數(shù)據(jù)段地址傳送到DS寄存器中了。當(dāng)處理器執(zhí)行到指令A(yù)1 02 00時(shí)，處理器會(huì)將DS中的內(nèi)容和指令中指定的便宜地址相加，得到內(nèi)存中的一個(gè)物理地址，這個(gè)物理地址就是處理器要去訪問的內(nèi)存地址，就可以從該地址獲取一個(gè)字：00A0H。

如果下一次執(zhí)行該程序，代碼段和數(shù)據(jù)段發(fā)生變化，只需要將程序的代碼段地址和數(shù)據(jù)段地址分別傳送到CS和DS就可以正常的執(zhí)行程序了。

4.4 、8086的內(nèi)存分段機(jī)制

前面講了如何從邏輯地址轉(zhuǎn)換到物理地址，以使得程序的運(yùn)行和它在內(nèi)存中的位置是無關(guān)的。上述策略在很多處理器上應(yīng)用得到了支持。但是在8086處理器上，由于8086處理器是16位處理器，如果按照正常計(jì)算，給它提供16根地址線的話，那么8086處理器就只能用于尋址最多64KB的內(nèi)存空間（65536字節(jié)=2的15次方+1）。在當(dāng)時(shí)的年代64KB的內(nèi)存還是不夠的。所以8086處理器就將16根地址線擴(kuò)展到20根地址線。從而使得可尋址的空間變?yōu)?M（16*64KB）。

但是有一個(gè)問題就是16位的段地址加上16位的段內(nèi)偏移地址，還是16位的，并不是20位的。所以有一個(gè)解決辦法就是在計(jì)算內(nèi)存的物理地址時(shí)，先將段地址先左移4位，然后加上段內(nèi)偏移地址，這樣就可以得到20位的物理地址，就可以將整個(gè)1M的地址空間表示完全。

8086在進(jìn)行分段時(shí)，并不是每一個(gè)地址都可以作為段地址，地址必須是16的倍數(shù)，才能作為段地址。

如下圖，是其中的一種情況，我們從0地址開始分段，每段16字節(jié)（從任何地址只要這個(gè)地址是16的倍數(shù)，都可以作為段地址，每一個(gè)段內(nèi)最低有16字節(jié)（可以分為65536個(gè)段）的內(nèi)存，最高有65536（可以分為16個(gè)段）個(gè)字節(jié)的內(nèi)存）

4.5 、8086 處理器內(nèi)部組成框圖

最后我們?cè)賮砜匆幌?086處理器內(nèi)部組成框圖：

上圖中，我們知道8086內(nèi)部有8個(gè)16位通用寄存器，分別為AX,BX,CX,DX,SI,DI,BP,SP。ALU是算數(shù)邏輯部件，用于算數(shù)邏輯運(yùn)算或者數(shù)據(jù)傳送。標(biāo)志寄存器是用于控制各種依賴于標(biāo)志位的標(biāo)志來進(jìn)行相應(yīng)的指令執(zhí)行的，這個(gè)可以等到以后的文章中進(jìn)行詳細(xì)的說明，目前不需要理解。處理器可以自動(dòng)執(zhí)行，依賴于控制器的控制。

指令隊(duì)列緩沖器，又名：指令預(yù)取隊(duì)列。什么意思呢？就是當(dāng)你的CPU在忙于做其他事情（一般是指執(zhí)行那些不需要去內(nèi)存中取的指令）而并沒有去內(nèi)存中取指令執(zhí)行時(shí)，此時(shí)指令隊(duì)列緩沖器（指令預(yù)取隊(duì)列）就會(huì)去內(nèi)存中取出6個(gè)字節(jié)的指令放到指令隊(duì)列緩沖器，那么當(dāng)CPU該執(zhí)行內(nèi)存中的指令時(shí)，它就會(huì)就近向指令隊(duì)列緩沖器中去取指令，這樣的話就會(huì)比去內(nèi)存中取指令要快很多，畢竟內(nèi)存還是通過外部總線與內(nèi)存條相連接的。

CS是代碼段寄存器。DS是數(shù)據(jù)段寄存器。SS是棧段寄存器（很重要，以后會(huì)講）。ES是額外的段寄存器，它的用處相當(dāng)于補(bǔ)充段寄存器，當(dāng)你的DS在使用時(shí)，但是你還要訪問另一個(gè)數(shù)據(jù)段，那么此時(shí)就可以使用ES寄存器（后面的文章中我們就用ES寄存器指向顯卡的內(nèi)存區(qū)域，用來尋址顯存，從而控制顯卡）。IP寄存器，是存代碼段的段內(nèi)偏移地址的。那么指令的地址此時(shí)就可以用“CS:IP”來表示。

上面的與總線控制邏輯相連的16位總線，實(shí)際上是16位的數(shù)據(jù)總線與20位的地址總線的低16位復(fù)用的。20位代表的是20位的地址總線是（當(dāng)然，低16位是與數(shù)據(jù)總線復(fù)用的）。

5、 總結(jié)

想要寫出優(yōu)秀的應(yīng)用程序，就必須對(duì)系統(tǒng)編程有深入的理解。想要對(duì)系統(tǒng)編程有一定的理解，就必須理解操作系統(tǒng)原理。我選擇從X86匯編開始學(xué)習(xí)，逐步深入理解操作系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的關(guān)系。

本片文章可以讓我們學(xué)會(huì)

• 寄存器與算數(shù)邏輯部件的簡單關(guān)系
• 內(nèi)存儲(chǔ)器
• 指令和指令集
• 程序的重定位問題
• 處理器與內(nèi)存之間的關(guān)系
• 內(nèi)存分段機(jī)制

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的【OS学习笔记】一 处理器、内存和指令的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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