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CPU是计算机的核心部件,它控制整个计算机的运作并进行运算。要想让一个CPU工作,就必须向它提供指令和数据。指令和数据在存储器中存放,也就是我们平时所说的内存。在一台PC机中内存的作用仅次于CPU,离开了内存,性能再好的CPU也无法工作。这就像再聪明的大脑,没有了记忆也无法进行思考。磁盘不同于内存,磁盘上的数据或程序如果不读到内存中,就无法被CPU使用。
要灵活地利用汇编语言编程,我们首先要了解CPU是如何从内存中读取信息,以及向内存中写入信息的。
## **指令和数据**
指令和数据是应用上的概念。在内存或磁盘上,指令和数据没有任何区别,都是二进制信息。CPU在工作的时候把有的信息看作指令,有的信息看作数据,为同样的信息赋予了不同的意义。就像围棋的棋子,在棋盒里的时候没有任何区别,在对弈的时候就有了不同的意义。
例如,内存中的二进制信息100010011101000,
计算机可以把它看作大小为89D8H的数据来处理,
也可以将其看作指令mov ax,bx来执行。
```
1000100111011000 -> 89D8H (数据)
1000100111011000 -> mov ax,bx (程序)
```
计算机内存中，最小的存储单位是“位（bit）”，8个“位”构成一个“字节（byte）”，字节是内存的属基本单位，也是编址单位，例如，某计算机的内存是2GB，指的就是该计算机的内存中共有2×1024×1024×1024个字节。计算机的性能越强，一次运算所能处理的“位”越多，例如16位计算机一次运算能处理16个“位”，即两个“字节”，称为一个“字”。所以，一个“字”有几个“字节”构成和计算机的型号有关。例如32位计算机中，一个“字”就是四个“字节”。
**字通常分为若干个字节（每个字节一般是8位）。**
例如一台8位机（多少位是由数据总线决定的），它的1个字就等于1个字节，字长为8位。
如果是一台16位机，那么，它的1个字就由2个字节构成，字长为16位。
**在存储器中，通常每个单元存储一个字还是字节？**
地址总线的宽度的宽度决定了每个存储单元的大小是多少位（比如说1条地址线只能访问2个不同的单元，2条地址线则能访问4个不同的单元）
## **存储单元**
存储器被划分为若干存储单元，地址总线的宽度（根数）决定了多少个存储单元（每个地址对应一个存储单元）
假如某个存储器(内存)有128个存储单元：那么这些存储单元的编号(0~127)可爱伊看做是存储单元在存储器中的地址，cpu要从存储器(内存)中读取数据首先要指定存储单元的地址（注意cpu可操作的不止内存这一种器件）
```
20地址总线：存储单元0~FFFFF（2^20-1=1048575 ）,寻址能力2^20=1048576=1M
为什么是2^20? 地址有是从全是0~全是1这么多个
000...00
010...00
001...00
...
111...11
```
那么一个存储单元能存储多少信息呢?
我们知道电子计算机的最小信息单位是bit(比特),也就是一个二进制位。8个bit组成一个Byte,也就是通常讲的一个字节。微型机存储器的存储单元可以存储一个Byte, 即8个二进制位。假如一个存储器有128个存储单元,它可以存储128个Byte.微机存储器的容量是以字节为最小单位来计算的。对于拥有128个存储单元的存储器,我们可以说,它的容量是128个字节。
## **总线(BUS)**
那么CPU是通过什么将地址、数据和控制信息传到存储器芯片中的呢?电子计算机能处理、传输的信息都是电信号,电信号当然要用导线传送。在计算机中专门有**连接CPU和其他芯片的导线,通常称为总线(BUS)**。总线从物理上来讲,就是一根根导线的集合（在物理上表现为一根根的密密麻麻的针脚【引脚】）。
根据传送信息的不同,总线从逻辑上又分为3类,**地址总线**、**控制总线**和**数据总线**。
### **地址总线**
CPU是通过地址总线来指定存储器单元的。可见地址总线上能传送多少个不同的信息, CPU就可以对多少个存储单元进行寻址。
一根地址总线可以表示两种状态(高电平、低电平二进制表示0、1)
20根地址总线(可表示1048576种状态)=2*20次方=1024Byte*1024Byte=1048576=1MB
一个CPU有N根地址线,则可以说这个CPU的地址总线的宽度为N。这样的CPU,最多可以寻找2的N次方个内存单元。
下图是具有10根地址线的CPU向内存发出地址信息11时10根地址线上·传送的二进制信息(10根地址总线即地址总线宽度为10)：
8086pc机 内存地址空间分配方案（每个指令集分配方案都不一样，所以每个指令集首先要找到它的分配方案）
### **数据总线**
CPU与内存或其他器件之间的数据传送是通过数据总线来进行的。
数据总线的宽度决定了CPU和外界的数据传送速度。
* 8根数据总线一次可传送一个8位二进制数据(即一个字节)。
* 16根数据总线一次可传送两个字节。
8088CPU的数据总线宽度为8, 8086CPU的数据总线宽度为16,
我们来分别看一下它们向内存中写入数据89D8H时,是如何通过数据总线传送数据的。图1.5展示了8088CPU数据总线上的数据传送情况:图1.6展示了8086CPU数据总线上的数据传送情况。
8086有16根数据线,可一次传送16位数据,所以可一次传送数据89D8H;而8088只有8根数据线,一次只能传8位数据,所以向内存写入数据89D8H时需要进行两次数据传送。
数据总线的宽度决定了数据的传输速度是多少位
windows64位的数据总线宽度为64
### **控制总线**
CPU对外部器件的控制是通过控制总线来进行的。在这里控制总线是个总称,控制总线是一些不同控制线的集合。有多少根控制总线,就意味着CPU提供了对外部器件的多少种控制。所以,控制总线的宽度决定了CPU对外部器件的控制能力。前面所讲的内存读或写命令是由几根控制线综合发出的,其中有一根称为“读信号输出”的控制线负责由CPU向外传送读信号, CPU向该控制线上输出低电平表示将要读取数据;有一根称为“写信号输出”的控制线则负责传送写信号。
### **cpu从存储器读写数据**
8086cpu有20条地址总线，那么他最大寻址为0~1048575(0~FFFFF)
而它的寄存器确实16位的，那么寄存器只能存放0~65535(0~FFFF)
解决办法是段地址*16+偏移地址组合成0~FFFFF
cpu从3号单元读取数据过程：
* (1) CPU通过地址线将地址信息3发出。
* (2) CPU通过控制线发出内存读命令,选中存储器芯片,并通知它,将要从中读取数据。
* (3)存储器将3号单元中的数据8通过数据线送入CPU.
cpu写入数据同理，如向3号单元写入数据26：
* (1) CPU通过地址线将地址信息3发出。
* (2) CPU通过控制线发出内存写命令,选中存储器芯片,并通知它,要向其中写入数据。
* (3) CPU通过数据线将数据26送入内存的3号单元中。
## **小结**
(1)汇编指令是机器指令的助记符,同机器指令一对应。
(2)每一种CPU都有自己的汇编指令集。
(3) CPU可以直接使用的信息在存储器中存放。
(4)在存储器中指令和数据没有任何区别,都是二进制信息。
(5)存储单元从零开始顺序编号。
(6)一个存储单元（即1字节）可以存储8个bit,即8位二进制数。
(7) 1Byte=8bit 1KB=1024B 1MB=1024KB 1GB=1024MB.
(8)每一个CPU芯片都有许多管脚,这些管脚和总线相连。也可以说,这些管脚引出总线。一个CPU可以引出3种总线的宽度标志了这个CPU的不同方面的性能:
* 地址总线的宽度决定了CPU的寻址能力（2^N，N为地址总线宽度）
* 数据总线的宽度决定了CPU与其他器件进行数据传送时的一次数据传送量;
* 控制总线的宽度决定了CPU对系统中其他器件的控制能力。
## **测验**
(1) 1个CPU的寻址能力为8KB,那么它的地址总线的宽度为？
```
1024*8=8192字节=2^13
```
(2) 1KB的存储器有？个存储单元。存储单元的编号从 ？到？
```
1024
0~1023
```
(3) 1KB的存储器可以存储？个bit，？个Byte
```
1024*8=8192
1024
```
(4) 1GB. 1MB. 1KB分别是？Byte.
```
1024*1024*1024
1024*1024
1024
```
(5) 8080, 8088, 80286, 80386的地址总线宽度分别为16根、20根、24根、32根,则它们的寻址能力分别为:(KB)、(MB)(MB).(GB).
```
2^16=640KB
2^20=1MB
2^24=16MB
2^32=4GB
```
(6) 8080, 8088, 8086, 80286, 80386的数据总线宽度分别为8根、8根、16根、16根、32根,则它们一次可以传送的数据分别为:？(Byte)
```
8/8=1Byte
8/8=1Byte
16/8=2Byte
16/8=2Byte
32/8=4Byte
```
(7)从内存中读取1024字节的数据, 8086至少要读次, 80386至少要读次.
```
1024/(16/8)=1024/2Byte=512
1024/(32/8)=1024/4Byte=256
```
(8)在存储器中,数据和程序以？形式存放。
```
二进制代码
```
## **内存地址空间**
什么是内存地址空间呢?
举例来讲,一个CPU的地址总线宽度为10,那么可以寻址1024个内存单元,这1024个可寻到的内存单元就构成这个CPU的内存地址空间。下面进行深入讨论。首先需要介绍两部分基本知识,主板和接口卡。
**主板**
在每一台PC机中,都有一个主板,主板上有核心器件和一些主要器件,这些器件通过总线(地址总线、数据总线、控制总线)相连。这些器件有CPU,存储器、外围芯片组、扩展插槽等。扩展插槽上一般插有RAM内存条和各类接口卡。
**接口卡**
计算机系统中,所有可用程序控制其工作的设备,必须受到CPU的控制。CPU对外部设备都不能直接控制,如显示器、音箱、打印机等。直接控制这些设备进行工作的是插在扩展插槽上的接口卡。扩展插槽通过总线和CPU相连,所以接口卡也通过总线同CPU相连。CPU可以直接控制这些接口卡,从而实现CPU对外设的间接控制。简单地讲,就是CPU通过总线向接口卡发送命令,接口卡根据CPU的命令控制外设进行工作。
一台PC机中,装有多个存储器芯片,这些存储器芯片从物理连接上看是独立的、不同的器件。从读写属性上看分为两类:随机存储器(RAM)和只读存储器(ROM),随机存储器可读可写,但必须带电存储,关机后存储的内容丢失;只读存储器只能读取不能写入,关机后其中的内容不丢失。这些存储器从功能和连接上又可分为以下几类。
* **随机存储器**
用于存放供CPU使用的绝大部分程序和数据,主随机存储器一般由两个位置上的RAM组成,装在主板上RAM和插在扩展插槽上的RAM.
* **装有BIOS(Basic Input/Output System,基本输入/输出系统)的ROM**
BIOS是由主板和各类接口卡(如显卡、网卡等)厂商提供的软件系统,可以通过它利用该硬件设备进行最基本的输入输出。在主板和某些接口卡上插有存储相应BIOS的ROM,例如,主板上的ROM中存储着主板的BIOS(通常称为系统BIOS):显卡上的ROM中存储着显卡的BIOS:如果网卡上装有ROM,那其中就可以存储网卡的BIOS.
* **接口卡上的RAM**
某些接口卡需要对大批量输入、输出数据进行暂时存储,在其上装有RAM,最典型的是显示卡上的RAM,一般称为显存。显示卡随时将显存中的数据向显示器上输出。换句话说,我们将需要显示的内容写入显存,就会出现在显示器上。
上述的那些存储器,在物理上是独立的器件,但是在以下两点上相同。都和CPU的总线相连。CPU对它们进行读或写的时候都通过控制线发出内存读写命令。
这也就是说, CPU在操控它们的时候,把它们都当作内存来对待,把它们总的看作一个由若干存储单元组成的逻辑存储器,这个逻辑存储器就是我们所说的内存地址空间。在汇编这门课中,我们所面对的是内存地址空间。
在上图中,所有的物理存储器被看作一个由若干存储单元组成的逻辑存储器,每个物理存储器在这个逻辑存储器中占有一个地址段,即一段地址空间。CPU在这段地址空间中读写数据,实际上就是在相对应的物理存储器中读写数据。
假设,上图中的内存地址空间的地址段分配如下。
地址0-7FFFH的32KB空间为主随机存储器的地址空间;
地址8000H-9FFFH的8KB空间为显存地址空间;
地址A000H-FFFH的24KB空间为各个ROM的地址空间。
这样, CPU向内存地址为1000H的内存单元中写入数据,这个数据就被写入主随机存储器中; CPU向内存地址为8000H的内存单元中写入数据,这个数据就被写入显存中,然后会被显卡输出到显示器上: CPU向内存地址为C000H的内存单元中写入数据的操作是没有结果的, C000H单元中的内容不会被改变, C000H单元实际上就是ROM存储器中的一个单元。
内存地址空间的大小受CPU地址总线宽度的限制。8086CPU的地址总线宽度为20,可以传送20个不同的地址信息(大小从0至20-1),即可以定位220个内存单元,则8086PC的内存地址空间大小为1MB。同理, 80386CPU的地址总线宽度为32,则内存地址空间最大为4GB.
我们在基于一个计算机硬件系统编程的时候,必须知道这个系统中的内存地址空间分配情况。因为当我们想在某类存储器中读写数据的时候,必须知道它的第一个单元的地址和最后一个单元的地址,才能保证读写操作是在预期的存储器中进行。比如,我们希望向显示器输出一段信息,那么必须将这段信息写到显存中,显卡才能将它输出到显示器上。要向显存中写入数据,必须知道显存在内存地址空间中的地址。
不同的计算机系统的内存地址空间的分配情况是不同的,图1.9展示了8086PC机内存地址空间分配的基本情况。
不同的计算机系统的内存地址空间的分配情况是不同的,上图展示了8086PC机内·存地址空间分配的基本情况。
即8086PC机,从地址0-9FFFF的内存单元中读取数据,实际上就是在读取主随机存储器中的数据;向地址A0000-BFFFF的内存单元中写数据,就是向显存中写入数据,这些数据会被显示卡输出到显示器上;我们向地址C00-FFF的内存单元中写入数据的操作是无效的,因为这等于改写只读存储器中的内容。
内存地址空间
最终运行程序的是CPU,我们用汇编语言编程的时候,必须要从CPU的角度考虑问题。对CPU来讲,系统中的所有存储器中的存储单元都处于一个统一的逻辑存储器中,它的容量受CPU寻址能力的限制。这个逻辑存储器即是我们所说的内存地址空间。对于初学者,这个概念比较抽象,我们在后续的课程中将通过一些编程实践,来增加感性认识。
