寄存器(CPU工作原理)
寄存器(CPU工作原理)
本文主要介绍了CPU中的寄存器工作原理，包括通用寄存器、字在寄存器中的存储、汇编指令、物理地址、16位结构的CPU、8086CPU给出物理地址的方法、段的概念、段寄存器、CS和IP、修改CS、IP的指令以及代码段等内容。
一个典型的CPU由运算器、控制器、寄存器等器件组成，这些器件靠内部总线相连。
1. 通用寄存器
8086CPU所有的寄存器都是16位的，可以存放两个字节。
AX、BX、CX、DX 通常用来存放一般性数据被称为通用寄存器。
8086上一代CPU中的寄存器都是8位的；
为保证兼容性，这四个寄存器都可以分为两个独立的8位寄存器使用。
- AX可以分为AH和AL；
- BX可以分为BH和BL；
- CX可以分为CH和CL；
- DX可以分为DH和DL。
AX的低8位（0位7位）构成了AL寄存器，高8位（8位15位）构成了AH寄存器。
AH和AL寄存器是可以独立使用的8位寄存器。
2. 字在寄存器中的存储
一个字可以存在一个16位寄存器中，这个字的高位字节和低位字节自然就存在这个寄存器的高8位寄存器和低8位寄存器中。
3. 几条汇编指令
注：汇编指令不分大小写
4. 物理地址
CPU访问内存单元时要给出内存单元的地址。所有的内存单元构成的存储空间是一个一维的线性空间。
我们将这个唯一的地址称为物理地址。
5. 16位结构的CPU
概括的讲，16位结构描述了一个CPU具有以下几个方面特征：
- 运算器一次最多可以处理16位的数据。
- 寄存器的最大宽度为16位。
- 寄存器和运算器之间的通路是16位的。
6. 8086CPU给出物理地址的方法
8086有20位地址总线，可传送20位地址，寻址能力为1M。
但8086内部为16位结构，它只能传送16位的地址，表现出的寻址能力却只有64K。
因此8086CPU采用一种在内部用两个16位地址合成的方法来形成一个20位的物理地址。
当8086CPU要读写内存时：
1）CPU中的相关部件提供两个16 位的地址，一个称为段地址，另一个称为偏移地址;
2）段地址和偏移地址通过内部总线送入一个称为地址加法器的部件;
3）地址加法器将两个16位地址合成为一个20位的物理地址；
4）地址加法器通过内部总线将20位物理地址送入输入输出控制电路;
5）输入输出控制电路将20位物理地址送上地址总线；
6）20位物理地址被地址总线传送到存储器。
地址加法器采用物理地址=段地址x16+偏移地址的方法用段地址和偏移地址合成物理地址。例如，8086CPU要访问地址为123C8H的内存单元，此时，地址加法器的工作过程如图所示（图中数据皆为十六进制表示）。
7. 段的概念
在编程时可以根据需要，将若干地址连续的内存单元看作一个段，用段地址×16定位段的起始地址（基础地址），用偏移地址定位段中的内存单元。
注意：
1）段地址×16 必然是 16的倍数，所以一个段的起始地址也一定是16的倍数；
2）偏移地址为16位，16 位地址的寻址能力为 64K，所以一个段的长度最大为64K。
8. 段寄存器
段寄存器就是提供段地址的。8086CPU有4个段寄存器：CS、DS、SS、ES
当8086CPU要访问内存时，由这4个段寄存器提供内存单元的段地址。
9 . CS和IP
CS和IP是8086CPU中最关键的寄存器，它们指示了CPU当前要读取指令的地址。
CS为代码段寄存器；IP为指令指针寄存器。
在任何时候，CPU将CS、IP中的内容当作指令的段地址和偏移地址，用它们合成指令的物理地址，到内存中读取指令码，执行。
工作流程：
（1）从CS:IP指向内存单元读取指令，读取的指令进入指令缓冲器；
（2）IP = IP + 所读取指令的长度，从而指向下一条指令；
（3）执行指令。 转到步骤 （1），重复这个过程。
在 8086CPU 加电启动或复位后（ 即 CPU刚开始工作时）CS和IP被设置为CS=FFFFH，IP=0000H。
即在8086PC机刚启动时，CPU从内存FFFF0H单元中读取指令执行。
FFFF0H单元中的指令是8086PC机开机后执行的第一条指令。
10. 修改CS、IP的指令
在CPU中，程序员能够用指令读写的部件只有寄存器，程序员可以通过改变寄存器中的内容实现对CPU的控制。
CPU从何处执行指令是由CS、IP中的内容决定的，程序员可以通过改变CS、IP中的内容来控制CPU执行目标指令。
同时修改CS、IP的内容：
jmp 段地址：偏移地址
jmp 2AE3:3
jmp 3:0B16
功能：用指令中给出的段地址修改CS，偏移地址修改IP。
仅修改IP的内容：
jmp 某一合法寄存器
jmp ax （类似于 mov IP,ax）
jmp bx
功能：用寄存器中的值修改IP。
案例分析：
内存中存放的机器码和对应汇编指令情况： （初始：CS=2000H，IP=0000H）
（1）mov ax,6622
（2）jmp 1000:3
（3）mov ax,0000
（4）mov bx,ax
（5）jmp bx
（6）mov ax,0123H
（7）转到第（3）步执行
11. 代码段
对于8086PC机，在编程时，可以根据需要，将一组内存单元定义为一个段。
可以将长度为 N（ N≤64KB ）的一组代码，存在一组地址连续、起始地址为 16的倍数的内存单元中，这段内存是用来存放代码的，从而定义了一个代码段。
当我们要执行该代码段时，只需将CS:IP指向所定义的代码段中的第一条指令的首地址。