寄存器基本原理介绍(上篇)

寄存器的类型众多,简要阐述几个最重要的,在此之前先来看看存储单元和总线

存储单元一般应具有存储数据和读写数据的功能,以8位二进制作为一个存储单元,也就是一个字节。每个单元有一个地址,是一个整数编码,可以表示为二进制整数。程序中的变量和主存储器的存储单元相对应。变量的名字对应着存储单元的地址,变量内容对应着单元所存储的数据。存储地址一般用十六进制数表示,而每一个存储器地址中又存放着一组二进制(或十六进制)表示的数,通常称为该地址的内容。

存储器被划分为若干个存储单元,编号顺序是从0开始,,比如一个和存储器有100个存储单元,那么他的编号就是0-99。

微型储存器的容量是以字节为最小单位来计算的,对于拥有100的存储单元的存储器,他的容量是100个字节。

以上说到,存储器被划分为多个存储单元,从零开始编号,就像是一条街上的门牌号一样,那么CPU要读取这些数据,就像是在这一条街里找这个门牌号一样,先要确定在哪里住。

由此可见,CPU要相对数据进行读写,必须和芯片进行下面3类交互:

  • 存储单元的地址(地址信息)
  • 器件的选择,读或者写命令(控制信息)
  • 读或写的数据(数据信息)

那么,CPU是如何让将这些新词传输到存储器的芯片中的,这就涉及到一个概念,我们都知道,计算机能够处理的信息都是电信号,也就是高低电平,电信号当然是由导线来传送。在计算机中,由专门连接CPU和其他芯片的导线,我们通常称为总线,总线从物理的概念来讲,就是一根根导线的集合。根据传出信息的不同,总线从逻辑上讲主要分为3类:地址总线,控制总线以及数据总线。

分析上图,三个基础导线首先CPU通过地址线将信息发出,然后通过控制线发出内存读写任务,选中存储器芯片,并命令从中读取数据,最后通过数据线将数据送入CPU。

接下来,详细介绍一下。

地址总线

现在,我们知道CPU是通过地址总线来指定存储单元的,那么可见地址总线上能传递多少不同的信息,就能对多少个存贮单元进行寻址。

现在假设,一个CPU有10根地址线,一根导线能传递的状态只有两种,一种是高电平,一种是低电平,就是二进制的0和1,那么10根导线就是10位2进制数据,那么10位进制能组成多少不同的数据呢?2的10次方个,最小为0,最大是1023。如果一个CPU由N根地址总线,那么可以说这个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。

地址总线由微处理器产生,主要用来存储输入输出接口,传送地址信息,是一条单向总线。

上图就是对地址总线一个简单的概述,帮助大家理解。上图共有5条地址线,一次传输五位二进制数。

数据总线

数据总线主要负责CPU与其他部件的数据传送,数据总线的宽度决定了CPU和外界的数据传输速度,8根数据线一次性可传送一个8位二进制数,也就是一根一个数据,共一个字节,16根就是传输两个字节。

数据总线是一条双向总线,CPU和其他部件的双向传输信号。

8088CPU的数据总线宽度为8,8086CPU的数据总线宽度为16,8086的数据传送要快一些。

控制总线

控制总线控制外部器件,控制总线只是一个总称,其实是由一些不同的控制线集合,有多少根控制总线就意味着对外部器件有多少种控制,控制总线决定着CPU对外部器件的控制能力。

控制总线主要传输控制信号、时序信号和状态信号,也是一条双向总线。

以上简单说了总线相关的问题,对于理解寄存器有很大帮助,接下来聊聊寄存器。寄存器是中央处理器内的组成部分,寄存器是有限存储容量的高速存储部件,可用来暂存指令、数据和地址。

寄存器是集成电路中非常重要的一种存储单元,通常由触发器组成。在集成电路设计中,寄存器可分为电路内部使用的寄存器和充当内外部接口的寄存器这两类。内部寄存器不能被外部电路或软件访问,只是为内部电路的实现存储功能或满足电路的时序要求,而接口寄存器可以同时被内部电路和外部电路或软件访问,CPU中的寄存器就是其中一种,作为软硬件的接口,为广泛的通用编程用户所熟知。

在计算机领域,寄存器是CPU内部的元件,包括通用寄存器、专用寄存器和控制寄存器。寄存器拥有非常高的读写速度,所以在寄存器之间数据传送非常快。不同的CPU寄存器是不相同的,在此以8086CPU为例,8086CPU一共有14个寄存器。这里不依次介绍,先介绍最主要的。

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和DX这四个寄存器主要用来存放一般性数据,也称为通用寄存器。以AX为例,来看下其内部结构。

上图只是一个简易的逻辑图,每一个小格就是一个存储单元,一共16个 ,编号0-15,左边是高位,右边低位,这四个寄存器每一个8位都可以当作独立的寄存器来使用:

  • AX可以分为AH和AL
  • BX可以分为BH和BL
  • CX可以分为CH和CL
  • DX可以分为DH和DL

AX的低八位,也就是0到7位,构成了AL寄存器,高八位,8到15位,构成了AH寄存器,AH和 AL是可以独立使用的8位寄存器。例如,数据1001 1100 0100 000(4E20H)是在寄存器中的数据。

寄存器AH(4EH)

寄存器AH(20H)

由此可见,在寄存器中高位存高位,当然以后会涉及到大端小端的问题,目前只需要理解高位存高位,低位存低位就可以了。

最后简单介绍计算机中较为常用的单位。我们大家应该都了解基本的换算单位,1KB=1024B,1MB=1024KB,1GB=1024MB,1TB=1024GB。在这个里面有一个新的单位—字(word),一个字由两个字节构成,这两个字节称为这个字的高位字节和低位字节,这就能够很好的理解通用寄存器的问题,一个通用寄存器是16位,两个字节也就是一个字,AH就是对应的高位字节,AL也就是低位字节,这两个字节可以划分为两个独立的数据。

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