寄存器（CPU工作原理）
概述
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
寄存器是CPU内部的小型存储单元，用于快速存取数据和指令
CPU通过执行指令来处理数据，寄存器提供了快速的读写能力，从而提升了整体性能
区别
内部总线实现CPU内部各个器件之间的联系
外部总线实现CPU和主板上其它器件的联系
寄存器概述
8086CPU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
15 | 14 | 13 | 12 | 11 | 10 | 9 | 8 | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
OF | DF | IF | TP | SF | ZF | AF | PF | CF |
1. 通用寄存器
- AX（累加寄存器）：主要用于算术运算，常用于输入输出操作。
- BX（基址寄存器）：常用于存储数据的基地址，可以用于寻址。
- CX（计数寄存器）：用于循环控制和计数操作，尤其在字符串操作中。
- DX（数据寄存器）：用于存储I/O端口地址和某些算术运算的高位结果。
2. 段寄存器
- CS（代码段寄存器）：指向当前执行代码的段。
- DS（数据段寄存器）：指向数据存储的段。
- SS（堆栈段寄存器）：指向当前堆栈的段，涉及函数调用和局部变量存储。
- ES（附加段寄存器）：通常用于额外的数据存储和操作，特别是在字符串操作时。
3. 地址寄存器
- SP（堆栈指针）：指向当前堆栈顶端的地址。
- BP（基指针）：用于堆栈操作，通常用于访问函数参数和局部变量。
- SI（源索引寄存器）：在字符串操作中用作源数据的起始地址。
- DI（目标索引寄存器）：在字符串操作中用作目标数据的起始地址。
4. 控制寄存器
- IP（指令指针寄存器）：指向下一条要执行的指令地址，与CS配合使用。
- FLAGS寄存器（PSW程序状态字）：用于存储处理器的状态信息，包括算术运算的结果标志（如零标志、进位标志等）。
标识
条件码标志
- 零标志（ZF）
- 定义：当运算结果为零时，ZF被置为1；否则为0。
- 用途：用于判断结果是否为零，常用于条件跳转指令。
- 进位标志（CF）
- 定义：在无符号数运算中，如果发生进位，则CF被置为1；否则为0。
- 用途：用于判断算术运算中的溢出，特别是无符号数的加法和减法。
- 符号标志（SF）
- 定义：根据运算结果的最高位（符号位）来设置，如果结果为负，SF为1；否则为0。
- 用途：用于判断结果的正负，常用于条件跳转。
- 溢出标志（OF）
- 定义：在有符号数运算中，如果结果溢出（超出可表示的范围），则OF为1；否则为0。
- 用途：用于判断有符号数运算的结果是否有效。
- 辅助进位标志（AF）
- 定义：在进行BCD（十进制编码）运算时，如果低四位发生进位，则AF被置为1。
- 用途：用于BCD运算中的条件判断。
- 奇偶标志（PF）
- 定义：如果运算结果的1位数量为偶数，则PF为1；否则为0。
- 用途：用于某些特定的错误检测算法。
控制标志
- 方向标志（DF）
- 定义：控制字符串操作的方向，DF为1表示从高地址到低地址，DF为0表示从低地址到高地址。
- 用途：影响字符串处理指令的执行方向。
- 中断标志（IF）
- 定义：控制中断的使能状态，IF为1表示允许中断；为0则禁用中断。
- 用途：用于处理中断请求。
- 跟踪标志（TF）
- 定义：TF用于调试目的，当设置为1时，CPU会在每个指令执行后产生单步中断。
- 用途：使得程序员能够逐步执行程序，方便调试。
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
以AX为例，观察寄存器的逻辑结构：
一个16位寄存器可以存储一个16位的数据
一个16位寄存器所能存储的数据的最大值为2e16-1
注：WIN+R输入calc，可以打开电脑计算器
8086上一代CPU中的寄存器都是8位的
为了保证兼容性，这四位寄存器都可以分为两个独立的8位寄存器使用
如：AX可以分为AH（高八位）和AL（低八位）
字在寄存器中的存储
一个字可以存在一个16位寄存器中，也就是两个字节
关于数制的讨论
由于一个内存单元可以存放8位数据，CPU中的寄存器又可以存放n个8位数据，也就是说，计算机中的数据大多数是由1~N个8位数据构成
十六进制中，每两位对应一个8位数据
几条汇编指令
mov ax,18 AX = 18
mov ah,78 AH = 78
add ax,8 AX = AX + 8
mov ax,bx AX = BX
add ax,bx AX = AX + BX
思考题1：
结果为：044CH
思考题2：
AL作为八位寄存器，超过的数据不会存入AH
结果为：0058H
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
16位结构的CPU
描述一个16位的CPU具有以下几个方面特征：
1字节（byte）= 8位（bit），64位/8 = 8字节
- 运算器一次最多可以处理16位数据
- 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
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
8086内部为16位结构，它只能传送16位的地址能力，表现出的寻址能力却只有64K
8086CPU采用一种在内部用两位16位地址合成的方法来形成一个20位的物理地址（32位只占用其中的20位）
8086CPU读写内存时，发生了这么一些事：
- 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
- 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
- 地址加法器将两个16位地址合并成20位的地址
地址加法器工作原理
地址加法器合成物理地址的方法：
逻辑地址由段地址和偏移地址组成
物理地址 = 段地址 * 16 + 偏移地址（同一个结果可以由不同的输入产生）
一个物理地址可以有多种逻辑地址
例如：
传送一个四位数的数据，只有两张可以容纳三位数数据的地址
段的概念
错误认识：
内存被划分为一个一个的段，每个段有一个段地址
正确认识：
内存是分页的，不是分段的，页是固定的，而段不是
内存并没有分段，段的划分来自于CPU，由于8086CPU用 “ 物理地址 = 段地址 * 16 + 偏移地址 ” 的方式给出内存单元的物理地址，使得我们可以用分段的方式来管理内存
段是我们强加给CPU的概念，可以按需要划分不同的段
两点需要注意
- 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
- 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（2^16 = 64KB）
寻址能力可以理解为寻址范围
小结
CPU访问内存单元时，必须向内存提供内存单元的物理地址
8086CPU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
结论：CPU可以用不同的段地址和偏移地址形成一个物理地址
如果给定一个段地址，仅通过变化偏移地址来进行寻址，最多可以定位0~FFFFH，也就是64K个内存单元
21F60H在内存单元中的表示：2000:1F60
给定段地址为0001H，仅通过偏移地址变化，CPU的寻址范围为多少？
CPU的寻址范围为0010H到FFFFH。
段寄存器
段寄存器就是提供段地址的
8086CPU有四个段寄存器：CS、DS、SS、ES
CS和IP
CS为代码段寄存器
IP为指令指针寄存器
它们指示了CPU当前要读取指令的地址
8086CPU读取和执行指令相关部件
8086CPU工作过程的简要描述
- 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
- IP = IP + 所读取指令的长度，从而指向下一条指令
- 执行指令，转到步骤（1），重复这个过程
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
如果说，内存中的一段信息曾被CPU执行过的话，那么，它所在的内存单元必然被CS:IP指向过
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
mov不能用于设置CS、IP的值，8086CPU没有这样的功能，8086CPU没有提供这样的功能
但有另外的指令改变它们的值，用于区分mov：转移指令
例如：mov ax,123 被称为传送指令
同时修改CS、IP的内容：
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 ax
jmp bx
CPU代码运行的流程
结果：
代码段
小结
