[科普中國]-中央處理器存儲器

基本概念

中央處理器（CPU，Central Processing Unit）是一塊超大規(guī)模的集成電路，是一臺計算機(jī)的運算核心（Core）和控制核心（ Control Unit）。它的功能主要是解釋計算機(jī)指令以及處理計算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)。CPU從邏輯上可以劃分成3個模塊，分別是控制單元、運算單元和存儲單元，這三部分由CPU內(nèi)部總線連接起來。

中央處理器存儲器又叫CPU存儲器，CPU存儲器是微處理器中存放數(shù)據(jù)和各種程序的裝置。CPU存儲器是微處理器的一個重要的組成部分，由存儲單元集合體，地址寄存器，譯碼驅(qū)動電路，讀出放大器以及時序控制電路等幾部分組成。

CPU結(jié)構(gòu)CPU的根本任務(wù)就是執(zhí)行指令，對計算機(jī)來說最終都是一串由“0”和“1”組成的序列。CPU從邏輯上可以劃分成3個模塊，分別是控制單元、運算單元和存儲單元，這三部分由CPU內(nèi)部總線連接起來。如下所示：

CPU存儲器包括CPU片內(nèi)緩存和寄存器組，是CPU中暫時存放數(shù)據(jù)的地方，里面保存著那些等待處理的數(shù)據(jù)，或已經(jīng)處理過的數(shù)據(jù)，CPU訪問寄存器所用的時間要比訪問內(nèi)存的時間短。采用寄存器，可以減少CPU訪問內(nèi)存的次數(shù)，從而提高了CPU的工作速度。但因為受到芯片面積和集成度所限，寄存器組的容量不可能很大。寄存器組可分為專用寄存器和通用寄存器。專用寄存器的作用是固定的，分別寄存相應(yīng)的數(shù)據(jù)。而通用寄存器用途廣泛并可由程序員規(guī)定其用途，通用寄存器的數(shù)目因微處理器而異。

寄存器類型CPU 的通用寄存器是數(shù)據(jù)存儲體系的最內(nèi)層。寄存器操作避免了內(nèi)存地址計算, 其訪問時間遠(yuǎn)小于Cache
和主存。

數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器主要用來保存操作數(shù)和運算結(jié)果等信息，從而節(jié)省讀取操作數(shù)所需占用總線和訪問存儲器的時間。

32位CPU有4個32位的通用寄存器EAX、EBX、ECX和EDX。對低16位數(shù)據(jù)的存取，不會影響高16位的數(shù)據(jù)。這些低16位寄存器分別命名為：AX、BX、CX和DX，它和先前的CPU中的寄存器相一致。

4個16位寄存器又可分割成8個獨立的8位寄存器(AX：AH-AL、BX：BH-BL、CX：CH-CL、DX：DH-DL)，每個寄存器都有自己的名稱，可獨立存取。程序員可利用數(shù)據(jù)寄存器的這種“可分可合”的特性，靈活地處理字/字節(jié)的信息。

寄存器AX和AL通常稱為累加器(Accumulator)，用累加器進(jìn)行的操作可能需要更少時間。累加器可用于乘、除、輸入/輸出等操作，它們的使用頻率很高；

寄存器BX稱為基地址寄存器(Base Register)。它可作為存儲器指針來使用；

寄存器CX稱為計數(shù)寄存器(Count Register)。在循環(huán)和字符串操作時，要用它來控制循環(huán)次數(shù)；在位操作中，當(dāng)移多位時，要用CL來指明移位的位數(shù)；

寄存器DX稱為數(shù)據(jù)寄存器(Data Register)。在進(jìn)行乘、除運算時，它可作為默認(rèn)的操作數(shù)參與運算，也可用于存放I/O的端口地址。

在16位CPU中，AX、BX、CX和DX不能作為基址和變址寄存器來存放存儲單元的地址，但在32位CPU中，其32位寄存器EAX、EBX、ECX和EDX不僅可傳送數(shù)據(jù)、暫存數(shù)據(jù)保存算術(shù)邏輯運算結(jié)果，而且也可作為指針寄存器，所以，這些32位寄存器更具有通用性。詳細(xì)內(nèi)容請見第3.8節(jié)——32位地址的尋址方式。

變址寄存器32位CPU有2個32位通用寄存器ESI和EDI。其低16位對應(yīng)先前CPU中的SI和DI，對低16位數(shù)據(jù)的存取，不影響高16位的數(shù)據(jù)。

寄存器ESI、EDI、SI和DI稱為變址寄存器(Index Register)，它們主要用于存放存儲單元在段內(nèi)的偏移量，用它們可實現(xiàn)多種存儲器操作數(shù)的尋址方式(在第3章有詳細(xì)介紹)，為以不同的地址形式訪問存儲單元提供方便。

變址寄存器不可分割成8位寄存器。作為通用寄存器，也可存儲算術(shù)邏輯運算的操作數(shù)和運算結(jié)果。

它們可作一般的存儲器指針使用。在字符串操作指令的執(zhí)行過程中，對它們有特定的要求，而且還具有特殊的功能。

指針寄存器32位CPU有2個32位通用寄存器EBP和ESP。其低16位對應(yīng)先前CPU中的SBP和SP，對低16位數(shù)據(jù)的存取，不影響高16位的數(shù)據(jù)。

指針寄存器不可分割成8位寄存器。作為通用寄存器，也可存儲算術(shù)邏輯運算的操作數(shù)和運算結(jié)果。

它們主要用于訪問堆棧內(nèi)的存儲單元，并且規(guī)定：

BP為基指針(Base Pointer)寄存器，用它可直接存取堆棧中的數(shù)據(jù)；

SP為堆棧指針(Stack Pointer)寄存器，用它只可訪問棧頂。

段寄存器段寄存器是根據(jù)內(nèi)存分段的管理模式而設(shè)置的。內(nèi)存單元的物理地址由段寄存器的值和一個偏移量組合而成的，這樣可用兩個較少位數(shù)的值組合成一個可訪問較大物理空間的內(nèi)存地址。

CPU內(nèi)部的段寄存器：

CS——代碼段寄存器(Code Segment Register)，其值為代碼段的段值；

DS——數(shù)據(jù)段寄存器(Data Segment Register)，其值為數(shù)據(jù)段的段值；

ES——附加段寄存器(Extra Segment Register)，其值為附加數(shù)據(jù)段的段值；

SS——堆棧段寄存器(Stack Segment Register)，其值為堆棧段的段值；

FS——附加段寄存器(Extra Segment Register)，其值為附加數(shù)據(jù)段的段值；

GS——附加段寄存器(Extra Segment Register)，其值為附加數(shù)據(jù)段的段值。

在16位CPU系統(tǒng)中，它只有4個段寄存器，所以，程序在任何時刻至多有4個正在使用的段可直接訪問；在32位微機(jī)系統(tǒng)中，它有6個段寄存器，所以，在此環(huán)境下開發(fā)的程序最多可同時訪問6個段。

32位CPU有兩個不同的工作方式：實方式和保護(hù)方式。在每種方式下，段寄存器的作用是不同的。有關(guān)規(guī)定簡單描述如下：

實方式： 前4個段寄存器CS、DS、ES和SS與先前CPU中的所對應(yīng)的段寄存器的含義完全一致，內(nèi)存單元的邏輯地址仍為“段值：偏移量”的形式。為訪問某內(nèi)存段內(nèi)的數(shù)據(jù)，必須使用該段寄存器和存儲單元的偏移量。

保護(hù)方式： 在此方式下，情況要復(fù)雜得多，裝入段寄存器的不再是段值，而是稱為“選擇子”(Selector)的某個值。段寄存器的具體作用在此不作進(jìn)一步介紹了，有興趣的讀者可參閱其它科技資料。

指令寄存器32位CPU把指令指針擴(kuò)展到32位，并記作EIP，EIP的低16位與先前CPU中的IP作用相同。

指令指針EIP、IP(Instruction Pointer)是存放下次將要執(zhí)行的指令在代碼段的偏移量。用來提供指令在存儲器中的地址。在具有預(yù)取指令功能的系統(tǒng)中，下次要執(zhí)行的指令通常已被預(yù)取到指令隊列中，除非發(fā)生轉(zhuǎn)移情況。所以，在理解它們的功能時，不考慮存在指令隊列的情況。

在實方式下，由于每個段的最大范圍為64K，所以，EIP中的高16位肯定都為0，此時，相當(dāng)于只用其低16位的IP來反映程序中指令的執(zhí)行次序1。