第一章 微型计算机系统概述
第二节 微处理器
退 出
第一节 微型计算机系统的组成
? 知 识 概 述 ?
第一节 微型计算机系统的组成
组成一个微型计算机系统，必须包括硬件（ Hardware）
和软件（ Software）。
1,硬件是指组成计算机的物理实体，是看得见摸得着的
部分。
2,软件，简单地说就是程序，但主要不是指用户编写的
一般程序，常指专业软件开发者为了给一般用户提供一个具
有非常容易的计算机应用环境，而开发的操作系统、大量语
言、软件工具等多种程序。
为了能有效的组织计算机的各个部分，便于系统的构
成，按照硬件和软件的组织结构，可将计算机系统分为若干
个相互独立的功能层次，如 图 1.1所示。
退 出
1.1.1 微型计算机硬件
通常在一些书中介绍，微型机的硬件由运算器、控
制器、存储器以及输入和输出设备五个部分组成，这种划
分的方法是从组成计算机的功能模块的角度出发。对于微
型机的硬件组成还可以用另外的分解方法。 图 1.2给出的
微型机系统硬件组成框图更直观、更切合实际。
退 出
1.1.2 微型计算机软件
依据功能的不同，软件可分为系统软件和应用软件两
大类。
1,系统软件是这样的一些程序，计算机在运行这些程
序时，为其它程序的开发、调试、运行等建立一个良好的
环境。如前面所述的 BIOS，操作系统以及各种工具软件
和各种语言处理程序。
2,应用软件是系统的用户为解决自己特定的问题的需
要而开发的程序或购买的程序。
退 出
1.1.3 微型计算机的基本工作方法
一、指令
1,指令：微处理器的每一条基本操作或运算称为一条
指令。
2,指令系统：一个微处理器所能执行的全部指令，就
是这个微处理器的指令系统。
3,指令系统的特点,一个微处理器的指令系统是设计
微处理器时决定的，成为微处理器固有的功能。 指令系统
所能完成的功能的强弱，是这种微处理器功能强弱的具体
表现。
4,指令在微处理器内是以二进制代码形式出现和施展
控制的, 每一条指令都有一个唯一的指令码。微处理器的
指令格式分为等长的指令格式和不等长的指令格式。
退 出
1.1.3
二、程序
1,程序：当人们要用计算机完成某项工作时，先要按
解算要求把指令排列起来，这就是程序。
2,机器语言程序：直接用指令代码编程的程序，称为
机器码语言编程。
3,汇编语言程序：为了便于理解和书写，每条指令的
二进制码可用一组字母或符号表示，称为汇编指令，用汇
编指令编程的程序，称为汇编语言程序。可见，一条汇编
语言指令对应一条机器指令。
退 出
1.1.3
三、存储程序和程序控制
1,存储程序：是指把已编制好的程序和数据一起先存
入存储器中保存起来。
2,根据给出的程序中的第一条指令的存储地址，微处
理器就顺序地、周而复始地从内存中取出指令，把指令码
变换成控制序列信号，控制序列信号发向有关部件，控制
完成指令规定的操作，直至完成全部指令操作。
存储程序和程序控制体现了现代计算机的基本特征，
是计算机的基本工作原理。基于这一原理，实现了计算机
的自动连续工作。
退 出
1.1.4 微机系统的启动和操作
系统的装载
一、相关的两个概念
1,系统 BIOS,BIOS是直接与硬件打交道的底层代码，
它为操作系统提供了控制硬件设备的基本功能。 BIOS一
般被存放在 ROM之中，占用的地址空间为 F0000H～
FFFFFH。
2,复位地址,FFFF0H。
退 出
1.1.4
二、启动过程
第一步,当我们按下电源开关时,CPU得到的启动地址
为 FFFF0H,CPU就会从 FFFF0H处开始取指令、执行指
令。系统 BIOS放在这里的只是一条跳转指令，跳到系统
BIOS中真正的启动程序处。
第二步,系统 BIOS的启动程序首先要做的事情就是进行
加电后自检（ Power－ On Self Test,POST）。
第三步：系统 BIOS的启动程序进行的最后一项工作，即
根据用户指定的启动顺序从软盘、硬盘或光驱装载操作系
统。
退 出
第二节 微 处 理 器
编写程序和研究任何指令前，首先必须了解微处理器
的内部结构，本节详述了 8068~80486和
Pentium~pentiumⅣ 微处理器的程序可见的内部结构，即
程序设计模型（图１,３） 。
这些寄存器分为：
1,通用寄存器,EAX,EBX,ECX,EDX,ESP、
EBP,EDI,ESI，其中,EAX,EBX,ECX和 EDX可以
寄存字节、字或双字数据,ESP,EBP,EDI和 ESI可以
寄存字或双字数据。
2,控制寄存器,EIP和 EFLAGS。
3,段寄存器,CS,SS,DS,ES,FS和 GS。
退 出
1.2.1 8086微处理器
一,8086的结构
Intel 8086有两个独立的工作单元组成，如 图 1.4所示，
即执行单元（ Execution Unit,EU）和总线接口单元
（ Bus Interface Unit,BIU）。
1,EU：只负责执行指令。
2,BIU：负责从存储器或外部设备中读取指令和读 /写
数据，即完成总线操作。
这两个单元处于并行工作状态，可以同时进行执行指
令和读 /写操作。这样大大提高了 CPU的指令执行速度，
从而提高计算机的工作速度。
退 出
1.2.1
由图 1.3可知,Intel 8086的程序设计模型如 图 1.5所示。
1,通用寄存器：是 CPU内部的存储器件，用于存放运
算的中间结果。 16位通用寄存器有 AX,BX,CX,DX、
SP,BP,SI和 DI。
2,控制寄存器
1）指令指针 IP：用于存放下面将要指令的指令地址。
2）状态标志寄存器 FLAGS,8086的状态标志寄存器
有 9个标志位，如 图 1.6所示。其中 6个是反映 ALU结果的
状态标志,3个是控制标志。
退 出
1.2.1
状态寄存器的 6个状态标志位的含义如下：
进位标志位（ Carry Flag,CF）,ALU结果的最高位有进位
或借位,CF=1；无进位或借位,CF=0。
奇偶标志位（ Parity Flag,PF）：指令执行后,ALU的结果
的低 8位中 1的个数为偶数,PF=1；若为奇数,PF=0。
辅助进位标志位（ Auxiliary Carry Flag,AF）：加、减算术
指令执行后，最低 4位 D 3 ?D 0位有进位或借位,AF=1；无进位
或借位,AF=0。该标志用于系统进行 BCD码的算术运算结果的
调整。
零标志位（ Zero Flag,ZF）：指令执行后,ALU的结果为
零,ZF=1；结果不为零,ZF=0。
符号标志位（ Sign Flag,SF）：该位总是和 ALU结果的最
高位相同。因为在带符号数运算时，最高位是符号位，所以运算
结果为负时,SF=1；否则 SF=0。
溢出位（ Overflow Flag,OF）：在带符号的加、减算术指
令执行后,ALU的结果超出数据的量程，则产生溢出,OF=1；
否则 OF=0。
退 出
1.2.1
状态寄存器的 3个控制标志位的含义如下：
陷阱标志（ Trap Flag,TF）：若 TF=1，则
CPU处于单步执行指令的工作方式。每执行一条指
令就自动产生一次内部中断，我们常用这种方式调
试程序；若 TF=0,CPU正常执行程序。
中断允许标志位（ Inerupt Enable Flag,IF）：
当 IF=1,CPU允许响应可屏蔽中断请求；若 IF=0，
CPU禁止响应可屏蔽中断请求。
方向标志（ Direction Flag, DF）：该标志用
于控制数据串操作指令的步进方向。若 DF=0，则数
据串中的操作指令自动从低地址向高地址方向步进；
若 DF=1，串操作的方向是从高地址向低地址方向步
进。
退 出
1.2.1
3,段寄存器
1）段寄存器寄存的内容：就是用来存放段地址的
寄存器。
2）段地址：把段起始地址的高 16位称为段地址。
3） 8086 CPU有 4个段寄存器：用来存放段地址，
它们是代码段寄存器 CS、堆栈段寄存器 SS、数据段
寄存器 DS和附加段寄存器 ES。
三、计算机的工作过程
计算机的工作过程就是运行程序,微机系统的工
作过程如 图 1.7所示。
退 出
1.2.2 80286微处理器
Intel 80286是 Intel 公司 1982年推出的产品。 80286内
部和外部数据总线都是 16位，地址总线为 24位，可寻址
224字节即 16MB内存。 80286片内具有存储器管理和保护
机构，它有实模式和保护模式两种工作方式。与 8086微处
理器相比，主要特点如下：
? 80286与 8086在目标代码级完全保持了向上的兼容性。
? 80286由地址单元、总线单元、指令单元和执行单元 EU等
4个单元组成。
? 80286片内具有存储器管理部件和保护机构。
? 80286片内的存储器管理部件 MMU首次实现了 虚拟存储器
管理功能。
退 出
1.2.3 80386及 80486微处理器
一,80386微处理器
Intel公司 1985年推出的一种高性能 32位微处理器，
80386内部和外部数据总线都是 32位的，地址总线为 32位，
可寻址 4GB。其主要特点如下：
? 80386内部结构由总线接口单元、指令预取部件、指令译
码部件、执行部件、分段部件和分页部件 6个逻辑功能部
件组成。
? 80386可以按实模式、保护模式以及虚拟 8086三种模式对
存储器进行访问。实模式下,80386的操作像一个极快的
8086。保护模式与 80286相类似，但是 80386的存储器管
理部件 MMU有分段部件和分页部件组成，实现了存储器
的段页式管理，这是 80386的又一新特点。在 80386中，
虚拟存储空间大小可达 64TB。在保护虚拟 8086模式下，
每个任务都用 8086的语义运行，从而可以运行 8086的各
种软件 。
退 出
1.2.3
二,80486微处理器
80486微处理器属于第二代 32位微处理器，在相同工
作频率下，其处理速度比 80386提高了 2?4倍。其主要特
点如下：
? 沿袭 80386体系结构。
? 为了提高指令的译码速度，对于基本指令由以前 80386采
用的 微代码控制 改变为硬件逻辑直接控制。
? 内含 8KB的 高速缓冲存储器,可高速存取指令和数据。
? 内含与片外 80387功能完全兼容且功能又有扩充的片内
80387协处理器。
? 增加了面向多处理机的机构，支持多处理机系统。
退 出
1.2.4 Pentium微处理器简介
Intel 公司对 80x86系列微处理器的性能不断地创新与
改造，继 80486之后,1993年推出新一代名为 Pentium的
微处理器。 1995年又推出名为 Pentium Pro的微处理器。
1997年,1999年和 2000年又相继推出 PentiumⅡ,
PentiumⅢ 和 PentiumⅣ 微处理器。其主要特点如下：
? 超标量设计 。
? 独立的指令 Cache和数据 Cache。
? 重新设计浮点单元。
? 动态分支预测。
? Pentium微处理器除了实模式、保护模式和虚拟 8086方式
外，还增加了一种系统管理方式。
(本章结束 )
退 出
图 1.1 计算机系统的层次
应 用 软 件
硬 件 层
硬 件 驱 动 层
操 作 系 统
图 1, 1 计 算 机 系 统 的 层 次
退 出
图 1.2 微机系统的硬件组成
I / O
接
口
板
组
微
处
理
器
内 存 储 器
总 线
控 制
逻 辑
系 统
总 线
显 示 器
键 盘, 鼠 标
打 印 机
硬, 软 盘 驱 动 器
光 盘 驱 动 器
M o d e m
外 设主 板
图 1, 2 微 机 系 统 的 硬 件 组 成
退 出
图 1.3 Intel 8086-PentiumⅣ 的程序设计模型
退 出
E B P
D H D X D L
E A X
E S P
E C X
E I P
E S I
E D I
E F L A G S
E D X
E B X
A H A X A L
G S
S P
E S
F S
S S
I P
S I
D I
C S
F L A G S
B P
累 加 器
堆 栈 指 针
附 加 段 寄 存 器
计 数 器
堆 栈 段 寄 存 器
指 令 指 针
源 变 址 寄 存 器
目 标 变 址 寄 存 器
代 码 段 寄 存 器
数 据 段 寄 存 器
标 志 寄 存 器
基 址 指 针
数 据 寄 存 器
基 址 寄 存 器
D S
B H B X B L
C H C X C L
1 6 位 寄 存 器 名
8 位 寄 存 器 名
图 1, 3 I n t e l 8 0 8 6 ~ P e n t i u m Ⅳ 的 程 序 设 计 模 型
3 2 位 寄 存 器 名
图１,４ ８０８６内部结构
A L
B L
C L
D L
A H
B H
C H
D H
S P
B P
D I
S I
A X
B X
C X
D X
通
用
寄
存
器
暂 存 器
A L U
标 志 寄 存 器
E U
控 制
逻 辑
1 2 3 4 5 6
∑
D S
E S
C S
S S
I P
内 部 暂 存 器
总 线
控 制
逻 辑
指 令 队 列 寄 存 器
外 部 总 线
地 址 总 线
2 0
数 据 总 线
1 6
E U B I U
内 部 总 线
1 6
图 1, 4 8 0 8 6 内 部 结 构
退 出
图１,５ ８０８６的寄存器
AX AH AL 累加器 Accumulator
BX BH BL 基址寄存器 Base Register
CX CH CL 计数器 Count Register
DX DH DL 数据寄存器 Data Register
SP 堆栈指针 Stack Point
BP 基址指针 Base Point
SI 源变址寄存器 Source Idex
DI 目标变址寄存器 Destination
IP 指令指针 Instruction Point
FLAGS 状态标志寄存器 Flags
CS 代码段寄存器 Code Register
SS 堆栈段寄存器 Stack Register
DS 数据段寄存器 Data Register
ES 附加段寄存器 Extra Register
退 出
图１,６ 标志寄存器
O F D F I F T F S F Z F
A F P F C F
溢 出 标 志 位
方 向 标 志 位
中 断 允 许 标 志 位
陷 阱 标 志 位
符 号 标 志 位
进 位 标 志 位
奇 偶 标 志 位
辅 助 进 位 标 志 位
零 标 志 位
图 1, 6 标 志 寄 存 器
退 出
图１,７ 微型机系统的工作过程
退 出
I P 置 成 转 移 地 址
I P 置 成 顺 序 的 下
一 条 指 令 的 地 址
执 行 指 令
满 足 条 件 转 移
条 件 转 移
检 查 F 寄 存 器
转 移 指 令
C P U 将 I P 中 的 地 址 通 过 地 址 总 线 传 给 内 存
内 存 把 被 寻 址 单 元 的 机 器 指 令 传 给 C P U
C P U 将 机 器 指 令 存 入 I R 并 进 行 译 码
开 始
图 1, 7 微 型 机 系 统 的 工 作 过 程
NY
Y
N
N
Y
图１,８ 流水线过程
C L K
P F
D 1
D 2
E X
W B
T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6 T 7 T 8
1 2 3 4
321 4
321
1
1
2 3
4
2 3
4
4
图 1, 8 流 水 线 过 程
退 出
虚拟存储器技术
? 虚拟存储器技术是一种通过硬件和软件的综合来扩大用户
可用存储空间的技术。它是在内存储器和外存储器 (软盘、
硬盘或光盘 )之间增加一定的硬件和软件支持，使两者形
成一个有机整体，使编程人员在写程序时不用考虑计算机
的实际内存容量，可以写出比实际配置的物理存储器容量
大很多的单用户或多用户程序。程序预先放在外存储器中，
在操作系统的统一管理和调度下，按某种置换算法依次调
入内存储器被 CPU执行。这样，从 CPU看到的是一个速度
接近内存却具有外存容量的假想存储器，这个假想存储器
就叫虚拟存储器。在采用虚拟存储器的计算机系统中，存
在着虚地址空间 (或逻辑地址空间 )和实地址空间（或物理
地址空间 )两个地址不同的空间。虚地址空间是程序可用
的空间，而实地址空间是 CPU可访问的内存空间。后者容
量由 CPU地址总线宽度决定，而前者则由 CPU内部结构决
定。
退 出
高速缓冲存储器技术
? 在 32位微处理器和微型机中，为了加快运算速度，普遍在
CPU与常规主存储器之间增设了一级或两级高速小容量存
储器，称之为高速缓冲存储器。高速缓冲存储器的存取速
度比主存要快一个数量级，大体与 CPU的处理速度相当。
有了它以后,CPU在对一条指令或一个操作数寻址时，首
先要看其是否在高速缓存器中。若在，就立即存取；否则，
就要作一常规的存储器访问，同时根据“程序局部性或存
取局部性”原理，将所访问相邻指令及相邻数据块复制到
高速缓存器中。当指令或操作数在高速缓存器中时，称为
“命中”，否则称为“未命中”。
? 由于程序中相关数据块一般都按顺序存放，并且大都存在
相邻的存储单元中，因此,CPU对存储器的访问大都是在
相邻的单元中进行。一般说来,CPU对高速缓存器存取命
中率可在 90％以上，甚至高达 99％。
退 出
微代码控制技术
? 通常计算机操作步骤的控制是由硬件电路组成的操作控制
器完成的。这种硬件控制逻辑一般很复杂，而且 CPU一经
设计定型，要想改变和扩充指令功能就很难。所谓微代码
控制技术，就是将原来由硬件电路控制的指令操作步骤改
用微程序来控制。其基本特点是综合运用程序设计技术和
只读存储技术，将每条指令的微操作序列转化为一个控制
码的微程序存于 PROM,EPROM或 E2PROIM等可编程只
读存储器中。当执行指令时，就从 ROM中读出与该指令
对应的微程序，并转化为微操作控制序列。显然，微程序
是许多条微指令的有序集合，每条微指令又由若干微操作
命令组成。可见，执行一条机器指令，就是执行一段微程
序或一个微指令序列。这段微程序或微指令序列称为指令
解释器。
? 使用微程序控制技术后，通过编程重写 ROM的内容 (改变
微程序 )，很容易改变或增加指令功能，有利于加快微处
理器的更新换代，同时也有利于提高微型机的可靠性、可
用性、可维护性，促进模拟与仿真技术的发展。
退 出
流水线技术
流水线 (Pipeline)技术是一种将每条指令分解为多步，并让不同指
令的各步操作重叠，从而实现几条指令并行处理，以加速程序运行过
程的技术。每步由各自独立的电路来处理，每完成一就进到下步。
采用流水线技术后，并没有加速单条指令的执行。每条指令的操
作步骤一个也不能少，只是多条指令的不同操作步骤同时执行，因而
从总体看加快了指令流速度，缩短了程序执行时间。
市场上推出的各种 16位以上微处理器基本上都采用了流水线技
术。如 80486使用了五级流水线结构，即指令预取 PF、译码 Dl、译码
D2、执行 EX和结果写回 WB。当流水线装满指令时，每个时钟周期平
均有一条指令从流水线上执行完毕。其过程如 图 1.8所示。
为了进一步满足普通流水线设计所不能适应的更高时钟速率的要
求，高档微处理器中流水线的深度 (级数 )在逐代增多。当流水线深度在
5~6级以上时，通常称之为超流水线结构 (Superpipelined)。显然，流
水线级数越多，每级所花的时间越短，时钟周期就可设计得越短，指
令流速度也就越快，指令平均执行时间也就越短。
有的微处理器 (如 Pentium,Pentium Pro,Power PC等 )甚至在片
内集成了两条或更多条流水线，使之平均一个时钟周期可执行一条以上
的指令。这种流水线技术被称为超标量 (Superscalar)设计技术。
退 出
知 识 概 述
? 基本概念：微型计算机系统，指令，指令
系统，程序控制。
? 程序设计模型，寄存器。
? 重点：程序控制,8086程序设计模型，状
态标志寄存器。
? 难点：指令的执行过程，计算机的工作过
程。
退 出
第二节 微处理器
退 出
第一节 微型计算机系统的组成
? 知 识 概 述 ?
第一节 微型计算机系统的组成
组成一个微型计算机系统，必须包括硬件（ Hardware）
和软件（ Software）。
1,硬件是指组成计算机的物理实体，是看得见摸得着的
部分。
2,软件，简单地说就是程序，但主要不是指用户编写的
一般程序，常指专业软件开发者为了给一般用户提供一个具
有非常容易的计算机应用环境，而开发的操作系统、大量语
言、软件工具等多种程序。
为了能有效的组织计算机的各个部分，便于系统的构
成，按照硬件和软件的组织结构，可将计算机系统分为若干
个相互独立的功能层次，如 图 1.1所示。
退 出
1.1.1 微型计算机硬件
通常在一些书中介绍，微型机的硬件由运算器、控
制器、存储器以及输入和输出设备五个部分组成，这种划
分的方法是从组成计算机的功能模块的角度出发。对于微
型机的硬件组成还可以用另外的分解方法。 图 1.2给出的
微型机系统硬件组成框图更直观、更切合实际。
退 出
1.1.2 微型计算机软件
依据功能的不同，软件可分为系统软件和应用软件两
大类。
1,系统软件是这样的一些程序，计算机在运行这些程
序时，为其它程序的开发、调试、运行等建立一个良好的
环境。如前面所述的 BIOS，操作系统以及各种工具软件
和各种语言处理程序。
2,应用软件是系统的用户为解决自己特定的问题的需
要而开发的程序或购买的程序。
退 出
1.1.3 微型计算机的基本工作方法
一、指令
1,指令：微处理器的每一条基本操作或运算称为一条
指令。
2,指令系统：一个微处理器所能执行的全部指令，就
是这个微处理器的指令系统。
3,指令系统的特点,一个微处理器的指令系统是设计
微处理器时决定的，成为微处理器固有的功能。 指令系统
所能完成的功能的强弱，是这种微处理器功能强弱的具体
表现。
4,指令在微处理器内是以二进制代码形式出现和施展
控制的, 每一条指令都有一个唯一的指令码。微处理器的
指令格式分为等长的指令格式和不等长的指令格式。
退 出
1.1.3
二、程序
1,程序：当人们要用计算机完成某项工作时，先要按
解算要求把指令排列起来，这就是程序。
2,机器语言程序：直接用指令代码编程的程序，称为
机器码语言编程。
3,汇编语言程序：为了便于理解和书写，每条指令的
二进制码可用一组字母或符号表示，称为汇编指令，用汇
编指令编程的程序，称为汇编语言程序。可见，一条汇编
语言指令对应一条机器指令。
退 出
1.1.3
三、存储程序和程序控制
1,存储程序：是指把已编制好的程序和数据一起先存
入存储器中保存起来。
2,根据给出的程序中的第一条指令的存储地址，微处
理器就顺序地、周而复始地从内存中取出指令，把指令码
变换成控制序列信号，控制序列信号发向有关部件，控制
完成指令规定的操作，直至完成全部指令操作。
存储程序和程序控制体现了现代计算机的基本特征，
是计算机的基本工作原理。基于这一原理，实现了计算机
的自动连续工作。
退 出
1.1.4 微机系统的启动和操作
系统的装载
一、相关的两个概念
1,系统 BIOS,BIOS是直接与硬件打交道的底层代码，
它为操作系统提供了控制硬件设备的基本功能。 BIOS一
般被存放在 ROM之中，占用的地址空间为 F0000H～
FFFFFH。
2,复位地址,FFFF0H。
退 出
1.1.4
二、启动过程
第一步,当我们按下电源开关时,CPU得到的启动地址
为 FFFF0H,CPU就会从 FFFF0H处开始取指令、执行指
令。系统 BIOS放在这里的只是一条跳转指令，跳到系统
BIOS中真正的启动程序处。
第二步,系统 BIOS的启动程序首先要做的事情就是进行
加电后自检（ Power－ On Self Test,POST）。
第三步：系统 BIOS的启动程序进行的最后一项工作，即
根据用户指定的启动顺序从软盘、硬盘或光驱装载操作系
统。
退 出
第二节 微 处 理 器
编写程序和研究任何指令前，首先必须了解微处理器
的内部结构，本节详述了 8068~80486和
Pentium~pentiumⅣ 微处理器的程序可见的内部结构，即
程序设计模型（图１,３） 。
这些寄存器分为：
1,通用寄存器,EAX,EBX,ECX,EDX,ESP、
EBP,EDI,ESI，其中,EAX,EBX,ECX和 EDX可以
寄存字节、字或双字数据,ESP,EBP,EDI和 ESI可以
寄存字或双字数据。
2,控制寄存器,EIP和 EFLAGS。
3,段寄存器,CS,SS,DS,ES,FS和 GS。
退 出
1.2.1 8086微处理器
一,8086的结构
Intel 8086有两个独立的工作单元组成，如 图 1.4所示，
即执行单元（ Execution Unit,EU）和总线接口单元
（ Bus Interface Unit,BIU）。
1,EU：只负责执行指令。
2,BIU：负责从存储器或外部设备中读取指令和读 /写
数据，即完成总线操作。
这两个单元处于并行工作状态，可以同时进行执行指
令和读 /写操作。这样大大提高了 CPU的指令执行速度，
从而提高计算机的工作速度。
退 出
1.2.1
由图 1.3可知,Intel 8086的程序设计模型如 图 1.5所示。
1,通用寄存器：是 CPU内部的存储器件，用于存放运
算的中间结果。 16位通用寄存器有 AX,BX,CX,DX、
SP,BP,SI和 DI。
2,控制寄存器
1）指令指针 IP：用于存放下面将要指令的指令地址。
2）状态标志寄存器 FLAGS,8086的状态标志寄存器
有 9个标志位，如 图 1.6所示。其中 6个是反映 ALU结果的
状态标志,3个是控制标志。
退 出
1.2.1
状态寄存器的 6个状态标志位的含义如下：
进位标志位（ Carry Flag,CF）,ALU结果的最高位有进位
或借位,CF=1；无进位或借位,CF=0。
奇偶标志位（ Parity Flag,PF）：指令执行后,ALU的结果
的低 8位中 1的个数为偶数,PF=1；若为奇数,PF=0。
辅助进位标志位（ Auxiliary Carry Flag,AF）：加、减算术
指令执行后，最低 4位 D 3 ?D 0位有进位或借位,AF=1；无进位
或借位,AF=0。该标志用于系统进行 BCD码的算术运算结果的
调整。
零标志位（ Zero Flag,ZF）：指令执行后,ALU的结果为
零,ZF=1；结果不为零,ZF=0。
符号标志位（ Sign Flag,SF）：该位总是和 ALU结果的最
高位相同。因为在带符号数运算时，最高位是符号位，所以运算
结果为负时,SF=1；否则 SF=0。
溢出位（ Overflow Flag,OF）：在带符号的加、减算术指
令执行后,ALU的结果超出数据的量程，则产生溢出,OF=1；
否则 OF=0。
退 出
1.2.1
状态寄存器的 3个控制标志位的含义如下：
陷阱标志（ Trap Flag,TF）：若 TF=1，则
CPU处于单步执行指令的工作方式。每执行一条指
令就自动产生一次内部中断，我们常用这种方式调
试程序；若 TF=0,CPU正常执行程序。
中断允许标志位（ Inerupt Enable Flag,IF）：
当 IF=1,CPU允许响应可屏蔽中断请求；若 IF=0，
CPU禁止响应可屏蔽中断请求。
方向标志（ Direction Flag, DF）：该标志用
于控制数据串操作指令的步进方向。若 DF=0，则数
据串中的操作指令自动从低地址向高地址方向步进；
若 DF=1，串操作的方向是从高地址向低地址方向步
进。
退 出
1.2.1
3,段寄存器
1）段寄存器寄存的内容：就是用来存放段地址的
寄存器。
2）段地址：把段起始地址的高 16位称为段地址。
3） 8086 CPU有 4个段寄存器：用来存放段地址，
它们是代码段寄存器 CS、堆栈段寄存器 SS、数据段
寄存器 DS和附加段寄存器 ES。
三、计算机的工作过程
计算机的工作过程就是运行程序,微机系统的工
作过程如 图 1.7所示。
退 出
1.2.2 80286微处理器
Intel 80286是 Intel 公司 1982年推出的产品。 80286内
部和外部数据总线都是 16位，地址总线为 24位，可寻址
224字节即 16MB内存。 80286片内具有存储器管理和保护
机构，它有实模式和保护模式两种工作方式。与 8086微处
理器相比，主要特点如下：
? 80286与 8086在目标代码级完全保持了向上的兼容性。
? 80286由地址单元、总线单元、指令单元和执行单元 EU等
4个单元组成。
? 80286片内具有存储器管理部件和保护机构。
? 80286片内的存储器管理部件 MMU首次实现了 虚拟存储器
管理功能。
退 出
1.2.3 80386及 80486微处理器
一,80386微处理器
Intel公司 1985年推出的一种高性能 32位微处理器，
80386内部和外部数据总线都是 32位的，地址总线为 32位，
可寻址 4GB。其主要特点如下：
? 80386内部结构由总线接口单元、指令预取部件、指令译
码部件、执行部件、分段部件和分页部件 6个逻辑功能部
件组成。
? 80386可以按实模式、保护模式以及虚拟 8086三种模式对
存储器进行访问。实模式下,80386的操作像一个极快的
8086。保护模式与 80286相类似，但是 80386的存储器管
理部件 MMU有分段部件和分页部件组成，实现了存储器
的段页式管理，这是 80386的又一新特点。在 80386中，
虚拟存储空间大小可达 64TB。在保护虚拟 8086模式下，
每个任务都用 8086的语义运行，从而可以运行 8086的各
种软件 。
退 出
1.2.3
二,80486微处理器
80486微处理器属于第二代 32位微处理器，在相同工
作频率下，其处理速度比 80386提高了 2?4倍。其主要特
点如下：
? 沿袭 80386体系结构。
? 为了提高指令的译码速度，对于基本指令由以前 80386采
用的 微代码控制 改变为硬件逻辑直接控制。
? 内含 8KB的 高速缓冲存储器,可高速存取指令和数据。
? 内含与片外 80387功能完全兼容且功能又有扩充的片内
80387协处理器。
? 增加了面向多处理机的机构，支持多处理机系统。
退 出
1.2.4 Pentium微处理器简介
Intel 公司对 80x86系列微处理器的性能不断地创新与
改造，继 80486之后,1993年推出新一代名为 Pentium的
微处理器。 1995年又推出名为 Pentium Pro的微处理器。
1997年,1999年和 2000年又相继推出 PentiumⅡ,
PentiumⅢ 和 PentiumⅣ 微处理器。其主要特点如下：
? 超标量设计 。
? 独立的指令 Cache和数据 Cache。
? 重新设计浮点单元。
? 动态分支预测。
? Pentium微处理器除了实模式、保护模式和虚拟 8086方式
外，还增加了一种系统管理方式。
(本章结束 )
退 出
图 1.1 计算机系统的层次
应 用 软 件
硬 件 层
硬 件 驱 动 层
操 作 系 统
图 1, 1 计 算 机 系 统 的 层 次
退 出
图 1.2 微机系统的硬件组成
I / O
接
口
板
组
微
处
理
器
内 存 储 器
总 线
控 制
逻 辑
系 统
总 线
显 示 器
键 盘, 鼠 标
打 印 机
硬, 软 盘 驱 动 器
光 盘 驱 动 器
M o d e m
外 设主 板
图 1, 2 微 机 系 统 的 硬 件 组 成
退 出
图 1.3 Intel 8086-PentiumⅣ 的程序设计模型
退 出
E B P
D H D X D L
E A X
E S P
E C X
E I P
E S I
E D I
E F L A G S
E D X
E B X
A H A X A L
G S
S P
E S
F S
S S
I P
S I
D I
C S
F L A G S
B P
累 加 器
堆 栈 指 针
附 加 段 寄 存 器
计 数 器
堆 栈 段 寄 存 器
指 令 指 针
源 变 址 寄 存 器
目 标 变 址 寄 存 器
代 码 段 寄 存 器
数 据 段 寄 存 器
标 志 寄 存 器
基 址 指 针
数 据 寄 存 器
基 址 寄 存 器
D S
B H B X B L
C H C X C L
1 6 位 寄 存 器 名
8 位 寄 存 器 名
图 1, 3 I n t e l 8 0 8 6 ~ P e n t i u m Ⅳ 的 程 序 设 计 模 型
3 2 位 寄 存 器 名
图１,４ ８０８６内部结构
A L
B L
C L
D L
A H
B H
C H
D H
S P
B P
D I
S I
A X
B X
C X
D X
通
用
寄
存
器
暂 存 器
A L U
标 志 寄 存 器
E U
控 制
逻 辑
1 2 3 4 5 6
∑
D S
E S
C S
S S
I P
内 部 暂 存 器
总 线
控 制
逻 辑
指 令 队 列 寄 存 器
外 部 总 线
地 址 总 线
2 0
数 据 总 线
1 6
E U B I U
内 部 总 线
1 6
图 1, 4 8 0 8 6 内 部 结 构
退 出
图１,５ ８０８６的寄存器
AX AH AL 累加器 Accumulator
BX BH BL 基址寄存器 Base Register
CX CH CL 计数器 Count Register
DX DH DL 数据寄存器 Data Register
SP 堆栈指针 Stack Point
BP 基址指针 Base Point
SI 源变址寄存器 Source Idex
DI 目标变址寄存器 Destination
IP 指令指针 Instruction Point
FLAGS 状态标志寄存器 Flags
CS 代码段寄存器 Code Register
SS 堆栈段寄存器 Stack Register
DS 数据段寄存器 Data Register
ES 附加段寄存器 Extra Register
退 出
图１,６ 标志寄存器
O F D F I F T F S F Z F
A F P F C F
溢 出 标 志 位
方 向 标 志 位
中 断 允 许 标 志 位
陷 阱 标 志 位
符 号 标 志 位
进 位 标 志 位
奇 偶 标 志 位
辅 助 进 位 标 志 位
零 标 志 位
图 1, 6 标 志 寄 存 器
退 出
图１,７ 微型机系统的工作过程
退 出
I P 置 成 转 移 地 址
I P 置 成 顺 序 的 下
一 条 指 令 的 地 址
执 行 指 令
满 足 条 件 转 移
条 件 转 移
检 查 F 寄 存 器
转 移 指 令
C P U 将 I P 中 的 地 址 通 过 地 址 总 线 传 给 内 存
内 存 把 被 寻 址 单 元 的 机 器 指 令 传 给 C P U
C P U 将 机 器 指 令 存 入 I R 并 进 行 译 码
开 始
图 1, 7 微 型 机 系 统 的 工 作 过 程
NY
Y
N
N
Y
图１,８ 流水线过程
C L K
P F
D 1
D 2
E X
W B
T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6 T 7 T 8
1 2 3 4
321 4
321
1
1
2 3
4
2 3
4
4
图 1, 8 流 水 线 过 程
退 出
虚拟存储器技术
? 虚拟存储器技术是一种通过硬件和软件的综合来扩大用户
可用存储空间的技术。它是在内存储器和外存储器 (软盘、
硬盘或光盘 )之间增加一定的硬件和软件支持，使两者形
成一个有机整体，使编程人员在写程序时不用考虑计算机
的实际内存容量，可以写出比实际配置的物理存储器容量
大很多的单用户或多用户程序。程序预先放在外存储器中，
在操作系统的统一管理和调度下，按某种置换算法依次调
入内存储器被 CPU执行。这样，从 CPU看到的是一个速度
接近内存却具有外存容量的假想存储器，这个假想存储器
就叫虚拟存储器。在采用虚拟存储器的计算机系统中，存
在着虚地址空间 (或逻辑地址空间 )和实地址空间（或物理
地址空间 )两个地址不同的空间。虚地址空间是程序可用
的空间，而实地址空间是 CPU可访问的内存空间。后者容
量由 CPU地址总线宽度决定，而前者则由 CPU内部结构决
定。
退 出
高速缓冲存储器技术
? 在 32位微处理器和微型机中，为了加快运算速度，普遍在
CPU与常规主存储器之间增设了一级或两级高速小容量存
储器，称之为高速缓冲存储器。高速缓冲存储器的存取速
度比主存要快一个数量级，大体与 CPU的处理速度相当。
有了它以后,CPU在对一条指令或一个操作数寻址时，首
先要看其是否在高速缓存器中。若在，就立即存取；否则，
就要作一常规的存储器访问，同时根据“程序局部性或存
取局部性”原理，将所访问相邻指令及相邻数据块复制到
高速缓存器中。当指令或操作数在高速缓存器中时，称为
“命中”，否则称为“未命中”。
? 由于程序中相关数据块一般都按顺序存放，并且大都存在
相邻的存储单元中，因此,CPU对存储器的访问大都是在
相邻的单元中进行。一般说来,CPU对高速缓存器存取命
中率可在 90％以上，甚至高达 99％。
退 出
微代码控制技术
? 通常计算机操作步骤的控制是由硬件电路组成的操作控制
器完成的。这种硬件控制逻辑一般很复杂，而且 CPU一经
设计定型，要想改变和扩充指令功能就很难。所谓微代码
控制技术，就是将原来由硬件电路控制的指令操作步骤改
用微程序来控制。其基本特点是综合运用程序设计技术和
只读存储技术，将每条指令的微操作序列转化为一个控制
码的微程序存于 PROM,EPROM或 E2PROIM等可编程只
读存储器中。当执行指令时，就从 ROM中读出与该指令
对应的微程序，并转化为微操作控制序列。显然，微程序
是许多条微指令的有序集合，每条微指令又由若干微操作
命令组成。可见，执行一条机器指令，就是执行一段微程
序或一个微指令序列。这段微程序或微指令序列称为指令
解释器。
? 使用微程序控制技术后，通过编程重写 ROM的内容 (改变
微程序 )，很容易改变或增加指令功能，有利于加快微处
理器的更新换代，同时也有利于提高微型机的可靠性、可
用性、可维护性，促进模拟与仿真技术的发展。
退 出
流水线技术
流水线 (Pipeline)技术是一种将每条指令分解为多步，并让不同指
令的各步操作重叠，从而实现几条指令并行处理，以加速程序运行过
程的技术。每步由各自独立的电路来处理，每完成一就进到下步。
采用流水线技术后，并没有加速单条指令的执行。每条指令的操
作步骤一个也不能少，只是多条指令的不同操作步骤同时执行，因而
从总体看加快了指令流速度，缩短了程序执行时间。
市场上推出的各种 16位以上微处理器基本上都采用了流水线技
术。如 80486使用了五级流水线结构，即指令预取 PF、译码 Dl、译码
D2、执行 EX和结果写回 WB。当流水线装满指令时，每个时钟周期平
均有一条指令从流水线上执行完毕。其过程如 图 1.8所示。
为了进一步满足普通流水线设计所不能适应的更高时钟速率的要
求，高档微处理器中流水线的深度 (级数 )在逐代增多。当流水线深度在
5~6级以上时，通常称之为超流水线结构 (Superpipelined)。显然，流
水线级数越多，每级所花的时间越短，时钟周期就可设计得越短，指
令流速度也就越快，指令平均执行时间也就越短。
有的微处理器 (如 Pentium,Pentium Pro,Power PC等 )甚至在片
内集成了两条或更多条流水线，使之平均一个时钟周期可执行一条以上
的指令。这种流水线技术被称为超标量 (Superscalar)设计技术。
退 出
知 识 概 述
? 基本概念：微型计算机系统，指令，指令
系统，程序控制。
? 程序设计模型，寄存器。
? 重点：程序控制,8086程序设计模型，状
态标志寄存器。
? 难点：指令的执行过程，计算机的工作过
程。
退 出
