8086 CPU寄存器详解：工作原理与应用

8086 CPU寄存器详解：工作原理与应用

引用

CSDN

1.

https://m.blog.csdn.net/weixin_44955712/article/details/105566899

前言

本文将从CPU如何执行指令的角度来讲解8086 CPU的逻辑结构，形成物理地址的方法，相关的寄存器以及一些指令。

寄存器运用

8086 CPU有14个寄存器，它们的名称为：AX、BX、CX、DX、SI、DI、SP、BP、IP、CS、SS、DS、ES、PSW。

• 加法与减法：AX、BX、CX、DX、BP、SI、DI、SP——通用寄存器
• 乘法与除法：DX、AX（字操作），AX、AL（字节操作）
• 循环计数：CX
• 保持段地址：CS，DS，SS，ES
• 将要取出的指令的偏移地址：IP
• 压入或弹出堆栈的数据的偏移地址：SP
• 输入或输出堆栈的数据的偏移地址：BP
• 可以指示存储器的地址偏移量：BX、BP、SI、DI
• 作为间接I/O口的地址：DX
• 数据串指令的操作：CX，SI，DI、ES
• 存放查表转换指令的首偏移地址：BX
• 表示运算特征与控制标志：FLAGS
• 循环指令的操作：CL

字在寄存器中如何存储

8086 CPU可以一次性处理两种尺寸的数据：

• 字节（byte）：一个字节由8个bit组成，可以存在8位寄存器中
• 字（word）：一个字由两个字节组成，这两个字节分为高字节和低字节。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

16位结构的CPU

1. 运算器一次最多可以处理16位的数据
2. 寄存器的最大宽度为16位
3. 寄存器和运算器之间的通路是16位的

8086 CPU给出物理地址的方法

物理地址是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。每一个内存单元在这个空间中都有唯一的地址，这个唯一的地址称为物理地址。

8086有20位地址总线，可传送20位地址，寻址能力为1M。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。8086 CPU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。

1. CPU提供两个16位的地址，一个为段基址，另一个为偏移地址
2. 段基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中
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总线
5. 输入输出控制电路将20位物理地址送上地址东线
6. 20位物理地址被地址总线传输到存储器

物理地址 = 段基址 × 16 + 偏移地址 = 基础地址 + 偏移地址

段寄存器

段的理解：

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

CPU访问内存单元时，必须向内存提供内存单元的物理地址。8086 CPU在内部用段地址和偏移地址移位相加的方法形成最终的物理地址。段寄存器是因为对内存的分段管理而设置的。计算机需要对内存分段，以分配给不同的程序使用（类似于硬盘分页）。在描述内存分段时，需要有如下段的信息：

1. 段的大小
2. 段的起始地址
3. 段的管理属性（禁止写入/禁止执行/系统专用等）

需要用8个字节（64位）存储这些信息，但段寄存器只有16位，因此段寄存器中只能存储段号（segment selector，也译作“段选择符”），再由段号映射到存在内存中的GDT（global (segment) descriptor table，全局段号记录表），读取段的信息。

在8086中设置4个16位的段寄存器，用于管理4种段：

• CS是代码段（Code Segment）：存放当前正在运行的程序代码所在段的段基址，表示当前使用的指令代码可以从该段寄存器指定的存储器段中取得，相应的偏移量则由IP提供。
• DS是数据段（Data Segment）：指出当前程序使用的数据所存放段的最低地址，即存放数据段的段基址。
• SS是堆栈段（Stack Segment）：指出当前堆栈的底部地址，即存放堆栈段的段基址。
• ES是附加段（Extra Segment）：指出当前程序使用附加数据段的段基址，该段是串操作指令中目的串所在的段。

段寄存器CS指向存放程序的内存段，IP是用来存放下条待执行的指令在该段的偏移量，把它们合在一起可在该内存段内取到下次要执行的指令。段寄存器SS指向用于堆栈的内存段，SP是用来指向该堆栈的栈顶，把它们合在一起可访问栈顶单元。另外，当偏移量用到了指针寄存器BP，则其缺省的段寄存器也是SS，并且用BP可访问整个堆栈，不仅仅是只访问栈顶。

段寄存器DS指向数据段，ES指向附加段，在存取操作数时，二者之一和一个偏移量合并就可得到存储单元的物理地址。该偏移量可以是具体数值、符号地址和指针寄存器的值等之一，具体情况将由指令的寻址方式来决定。

通常，缺省的数据段寄存器是DS，只有一个例外，即：在进行串操作时，其目的地址的段寄存器规定为ES。当然，在一般指令中，我们还可以通过改变前缀中的“段取代”字段来改变操作数的段寄存器。

CS和IP

CS和IP是8086 CPU中最关键的寄存器，CS为代码段寄存器；IP为指令指针寄存器。CPU将CS：IP指向的内容当作指令执行。

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

修改CS、IP的指令

• jmp 段地址：偏移地址：功能是用指令中给出的段地址修改CS，偏移地址修改IP
• jmp 某一合法寄存器：功能是用寄存器中的值修改IP
• Debug的R指令：可以查看和改变寄存器的内容