【微机原理与接口 3】—— 8088/8086 CPU结构 与 实地址模式存储器寻址 1

这篇 $Blog$ 准备分析微机里面一个比较难理解的，又十分重要的知识点——实地址模式存储器的寻址，下面我们用尽量简单的语言阐述这个过程。我们开始吧！
文章打算从以下几个模块入手：

1. 内存分段管理的思想（从逻辑层面理解 “段” ）
2. 实地址模式下内存的地址变换
3. 段寄存器的作用
4. 堆栈的概念

一、内存分段管理的思想

首先，引入分段管理的思想主要基于以下几个事实：
【事实一】我们知道，8088/8086 CPU 都是16位的，也就是说它们一共可以产生 $2^{16}$ 种不同的二进制编码，也就是 64K 种二进制编码（地址编码）。
【事实二】内存其实是一块一块的，也就是一个单元一个单元的，CPU 要想访问到内存中的某一个单元，就必须通过这个单元的地址编码

OK，现在我们需要 8088/8086 CPU 能够管理到，或者说能够访问到 1M 的内存。是什么概念？1M 的内存，也就是它有 $2^{20}$ 种不同的小单元，即如果需要访问到 1M 内存中任意一个单元，那么总共需要 CPU 能够产生 $2^{20}$ 种不同的二进制编码。

那么，问题来了——现在事实摆在那：8086/8088CPU 一共就只能产生 $2^{16}$ 种编码，这显然是不够的，那么我们应该怎么办呢？？

我们举一个例子就好理解了：假设现在有一栋大楼，一共有100个房间（假设你现在不知道它是可以分楼层的hhh），那么最原始地，对大楼所有房间的编号不就是按顺序一个一个编码嘛：

这样做的话，你需要 100 个不同的号码才能够全部编码完毕。

可现在，你只有1~10 这10个号码，每个号码可以有若干的，但是范围就是从 1~10。
因此，我们可以先分楼层，再对于每一层的房间进行编号，和我们现在一样，我们看看结果：

这样的话，我们就可以这样对不同的房间编码：比如第二层第五间房就是 2-5，第九层第八间房就是 9-8、、、这样一来，我们只需要十种不同的号码就可以对100 间房子进行编码了！

那么，对于内存也是一样，我们先来看看一个 1M 内存：

也是一样，我们把 1M 内存划分成了 16 层，每一层有 64K 个房间。这样一来，我们就可以通过 16位的 CPU 去访问 1M 的内存了！

但是，对于这个楼层，一共是16层（在每一层都是固定不动的前提下），这样就是需要 4 位的二进制编码，也就是我们为了存楼层地址的编码，还需要设计 4 位的寄存器。这显然与我 16 位的 CPU 是不匹配的，这是第一个问题。第二个问题：我们想，假设我们第一条指令用不完第一层，但是第二条指令却不能够再使用第一层了，而是只能去使用第二层。这样就会导致指令在内存中的存储变得分散，断断续续，也造成了内存的浪费。

因此，我们引入了 “逻辑层” 的概念。也就是说：这个层，并非像我们真实盖楼房那样，改好的第一层、第二层、第 n 层就永远不会变了。内存里面的层，它是会动的，比如某一层，它可以宽一点，也可以窄一点；可以在某一时刻属于另外一层，也可以在某一时刻同时属于多个层

因此，如果按照上面右图这种方式，那么楼层地址我们也可以用 16 位二进制代码编号。因此1M 内存中每一个单元的地址可以这样表示：

段基地址相当于楼层的编码，偏移地址相当于某一层的一个房间距该层第一个房间的偏移。还是以楼房编码为例：3-4 表示第三层，4表示这个房间是该层从第一个房间开始数第4个房间。

另外，我们定义：每一层第一个内存单元的地址叫做：段首地址

二、实地址下内存的地址变换

现在问题又来了：我们知道段基地址和偏移地址都是 16 位的了，这没话说。但是我们想访问的是 1M 内存，也就是说，一共需要 20位二进制编码就够了，现在是 32 位。如果做这样的一个变换呢？

我们知道：段基地址就是一层的第一件房子，它的偏移地址就是0！也就是说它的偏移地址是 $(0000)_{H}$，可以如果对于 0 来说，一位二进制是0，二为也是0，四位也是0，都是一样的。那么我们能不能把段首地址的偏移用 4 位二进制代码来表示呢？这样一来整个单元地址不就是 20 位二进制编码表示的了吗？

注意：我们这里只是将段首地址的偏移地址用 4 位二进制表示，对于不是段首的偏移地址，我们仍然是用 16 位二进制来表示的！

这就是实地址下内存的地址变化！

举个栗子：比如我们知道一个段首的段基地址是 $102AH$，那么它的逻辑地址就是： $102A0H$（即在段基地址最低位补上一个0）

举第二个栗子：假如某一个内存单元的段基地址是 $101AH$，偏移地址是 $0009H$，问这个单元的地址是什么？
解：首先，我们要知道这个段的段首地址：因为段基地址是 $101AH$，段首的偏移量我们可以用四位二进制 0000，即： $0H$ 来表示，所以段首地址就是： $101A0H$，再加上这个 4 位十六进制的偏移地址 $0009H$，故最后这个单元的地址就是： $101A9H$

因此，我们完成了从 32 位的地址转换到了 20 位的地址，是不是很神奇哈哈。

那么我们得到一个结论，内存单元的物理地址的表示公式：
物理地址 = 段基地址 x 16 + 偏移地址

三、段寄存器的应用

好啦，现在我们已经有了 “逻辑段” 的概念了，任何一个内存单元的地址都可以由段基地址和偏移地址构成。还记得我们在之前的 $Blog$ 中提到的 CPU 结构吗？

我们看到上图中有一个叫做 “段寄存器” 的模块，这个模块就是用于存放相应的段基地址的

段寄存器组分为了 4 个效小的段寄存器：

1. 代码段寄存器（CS）：用于存放指令代码的段基地址
2. 数据段寄存器（DS）：用于存放操作数据的段基地址
3. 附加段寄存器（ES）
4. 堆栈段寄存器（SS）：用于存放暂时不需要但是要保存下来的数据的段基地址

CS：存储的是将要执行的代指令的段基地址、而 IP 里面存放的就是这个指令的偏移地址。因此，CS: IP 就构成了 CPU 将要执行的指令的逻辑地址。

我们用下面这张图能够更好的观察 CPU 是如何通过 CS:IP 找到并且执行需要的代码指令的：

首先我们看看：

1. CPU 先从 CS和 IP 里面分别读取到一会儿将要取出的指令的段基地址和偏移地址。
2. 然后这两个地址输入进 地址加法器（完成的是合成总的逻辑地址：物理地址 = 段基地址 x 16 + 偏移地址）
3. 得到了需要访问的单元地址之后，读取这个单元的内容，放入指令缓存器，准备执行
4. IP = IP + 所读取指令的长度，从而指向下一条指令；
5. 重复上述的步骤