第3章 存儲器的分段

本章要求教學(xué)重點及難點:物理地址計算1.了解存儲器地址和內(nèi)容的概念；2.了解存儲器地址分段的方式；3.掌握邏輯地址和物理地址的概念及計算方式；4.了解堆棧的概念及外部設(shè)備。計劃學(xué)時:2學(xué)時第3章存儲器的分段

3.1存儲單元的地址和內(nèi)容基本概念：

計算機(jī)存儲信息的基本單位是位（Bit），一位可存儲一個二進(jìn)制數(shù)。每8個位組成一個字節(jié)。

存儲器存儲信息的基本單位是字節(jié)（Byte）,由8個二進(jìn)制位組成。位編號如下：

在存儲器中，每一個字節(jié)單元都有一個與之對應(yīng)的、唯一的存儲器地址。稱為物理地址。對于16位字長的PC機(jī)（8086/8088），由兩個字節(jié)組成一個字（Word）。其位編號如下：

01234567

0123456789101112131415高位字節(jié)MSB低位字節(jié)LSB地址的定義每一個字節(jié)單元都有一個與之對應(yīng)的單元地址。對于字單元，由兩個字節(jié)單元組成，其地址是采用低位字節(jié)地址來表示的。對于多字單元（雙字，4字等），其地址同樣是采用最低位字節(jié)地址來表示的。地址范圍：不同機(jī)器，其可以訪問的物理地址范圍是不同的，一般由系統(tǒng)的地址總線寬度決定。例如：8086的地址總線為20位，其地址訪問范圍是：0H---0FFFFFH。而PentiumII的地址總線為36位，則地址范圍是：0H---0FFFFFFFFFH。存儲單元的內(nèi)容定義:存儲單元中存放的信息稱為該存儲單元的內(nèi)容表示:存儲地址加”()”如果用X表示某存儲單元的地址，則X單元的內(nèi)容可以表示為(X)；假如X單元中存放著Y，而Y又是一個地址，則可用(Y)=((X))來表示Y單元的內(nèi)容。

34H12H…1EH2FH字節(jié)0000H0001H0002H0003H0004H0005H0006H1234H1235H0004H字節(jié)單元的內(nèi)容：（0004H）=34H0004H字單元的內(nèi)容：（0004H）=1234H0004H字單元的內(nèi)容為1234H，表示為：

(0004H)=1234H0004H字節(jié)單元存放的信息為34H，表示：(0004H)=34H

字單元由兩個字節(jié)單元組成，其地址采用它的低地址來表示。字存入存儲器：低位字節(jié)存入低地址單元，高位字節(jié)存入高地址單元。假如X單元中存放著Y，而Y又是一個地址，則可用(Y)=((X))來表示Y單元的內(nèi)容。

34H12H…1EH2FH字節(jié)0000H0001H0002H0003H0004H0005H0006H1234H1235H直接表示1234H字單元的內(nèi)容：

S=（1234H）=2F1EH直接給出S的單元地址，(1234H)=2F1EH例如，1234H字單元的內(nèi)容為S，有兩種表示方式：間接表示1234H字單元的內(nèi)容：

S=（（0004H））=（1234H）=

2F1EHS的單元地址存放在0004H字單元中，(0004H)=1234H從0004H字單元中取出S的單元地址，再把S的內(nèi)容讀出來：（(0004H)）=2F1EH

8086/8088CPU有20根地址總線A19A18…A1A0，可以訪問存儲器的最大容量為：220B=1024KB=1MB，在8086CPU中所有可用來存放地址的寄存器都是16位的。3.2存儲器地址的分段

在IBMPC機(jī)里采用了存儲器地址分段的辦法。把1MB的存儲空間劃分成若干個段（Segment）,每個段可由1~64KB（即65536B）個連續(xù)的字節(jié)單元組成。每個段是一個可獨立尋址的邏輯單位。在8086/8088的程序設(shè)計中，需要設(shè)立幾個段，每個段有多少個字節(jié)以及每個段的用途完全由用戶自己確定。同時每個段中存儲的代碼或數(shù)據(jù)，可以存放在段內(nèi)任意單元中。

那么在16位字長的機(jī)器里，用什么辦法來提供20位地址呢？分段的基本規(guī)則

在編制程序時，要把存儲器劃分成段，每個段最大可達(dá)64KB，這樣段內(nèi)地址可以用16位表示。

PC機(jī)對段的起始地址有限制，段不能起始于任意地址，而必須從任一小段（Paragraph）的首地址開始。機(jī)器規(guī)定：從0地址開始，每16個字節(jié)為一小段。00000，00001，00002，……，0000E，0000F；00010，00011，00012，……，0001E，0001F；00020，00021，00022，……，0002E，0002F；在十六進(jìn)制表示的地址中，最低位為0（即20位地址的低4位為0）。

雖然存儲器可以劃分成若干個段，但在任何時刻，一個程序只能訪問4個段中的內(nèi)容，這4個段分別是代碼段（CodeSegment），堆棧段（StackSegment），數(shù)據(jù)段（DataSegment）和附加段（ExtraSegment）。它們的段首地址的段基值分別由對應(yīng)的4個段寄存器CS，SS，DS，ES指明。它們分別保存各自段首地址的高16位值（A19~A4），由4個段寄存器指向的那些段叫當(dāng)前段（CurrentSegment）。所以當(dāng)前段至多可容納64KB的程序代碼，64KB的堆棧和128KB的數(shù)據(jù)（分別由DS、ES指向的當(dāng)前段）在規(guī)模不是很大的應(yīng)用程序中，這些容量是足夠使用。如果應(yīng)用規(guī)模較大，可以在程序中通過修改相應(yīng)段寄存器的內(nèi)容，從而訪問其他段，如可用LDS，LES指令等方式來改變當(dāng)前段。

CPU訪問主存必須傳送出物理地址，而用戶編程則使用邏輯地址，于是在8086/8088系列微型機(jī)中，每個存儲單元都有兩種形式的地址：物理地址（PhsysicalAddress）和邏輯地址（LogicalAddress）以及CPU內(nèi)如何把程序員使用的邏輯地址形成物理地址（真實地址）的問題。每一個存儲單元的物理地址是唯一的，就是這個單元的地址編碼。CPU與存儲器之間的任何信息交換，都必須使用20位的物理地址先行，經(jīng)地址譯碼器后形成開門信號，把被訪問的存儲單元的“門”打開，方能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在程序設(shè)計中，程序員使用的是邏輯地址，而不使用物理地址，這不僅有利于程序的開發(fā)，且對存儲器的動態(tài)管理也是有利的。一個邏輯地址是由段基值和偏移量（OFFSET）兩部分組成，而且都是無符號的16位二進(jìn)制數(shù)。3.3邏輯地址與物理地址段基值是一個段首地址的高16位，它存放在某一個16位段寄存器中。段首址的低4位為0，即A3A2A1A0=0000。偏移量表示了某存儲單元與它所對應(yīng)的段的段首地址之間的字節(jié)距離。如當(dāng)偏移量為‘0’時，就在這個段的起始單元，當(dāng)偏移量為0FFFFH時，就是這個段（最大）最末一個字節(jié)單元。每當(dāng)CPU訪問存儲器時，總線接口部件BIU便把邏輯地址轉(zhuǎn)換成物理地址。

轉(zhuǎn)換方法是：首先把邏輯地址中的段寄存器保存的段基值左移4位(把段寄存器的內(nèi)容乘以16)，其本質(zhì)是恢復(fù)A3A2A1A0的四位二進(jìn)制的0或一位16進(jìn)制的0，使之形成一個完整的段首地址。這也就是為什么段首址要從小段的首地址開始的原因。形成了20位的段起始地址（段基址）之后，再加上16位的無符號偏移量，即產(chǎn)生了CPU訪問主存單元的20位物理地址，從地址總線輸出。物理地址的計算計算公式：

物理地址=段地址×10H+偏移地址每個存儲單元只有唯一的物理地址，但它卻可以由不同的段地址和不同的偏移地址組成。

16位段地址15016位偏移地址150+20位物理地址190【例】

：計算下列存儲單元的物理地址：（1）2000：3000；（2）2100：2000；（3）2280：0800；（4）2250：0500；【解】：（1）物理地址=2000H×10H+3000H=23000H；（2）物理地址=2100H×10H+2000H=23000H；（3）物理地址=2280H×10H+0800H=23000H；（4）物理地址=2250H×10H+0500H=22A00H；

每個段寄存器可以按規(guī)定給出一個段的起始地址的段基值，每個段都有各自的用途。如前所述，代碼段存放的是要運行的程序及數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)段存放運行程序所用的數(shù)據(jù)，如果在程序中使用了串操作處理指令，則其源操作數(shù)默認(rèn)存放在數(shù)據(jù)段中（源串可允許段超越）。堆棧段定義了堆棧的所在區(qū)域，堆棧是一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它開辟了一個比較特殊的存儲區(qū)，并以“后進(jìn)先出”的原則訪問這一區(qū)域。附加段是附加的數(shù)據(jù)段，它是一個輔助的數(shù)據(jù)區(qū)，對于串處理指令，它是目的串操作數(shù)存放的區(qū)域，它不允許進(jìn)行段跨越。當(dāng)用戶在編制程序時，應(yīng)該按照上述規(guī)定把程序的各部分放在規(guī)定的區(qū)段之中。除非專門指定，如用戶自行設(shè)定之外，在一般情況下，各段在存儲器中的分配是由操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)的。每個段可以獨立地占用64KB存儲區(qū)。各段也允許部分重疊或完全重疊，下面的例子可以說明這種情況。

【例】如果代碼段中的程序占有16KB（4000H）存儲區(qū)，數(shù)據(jù)段占有2KB（800H）存儲區(qū)，堆棧段占有1KB存儲區(qū)。代碼段的區(qū)域本可以為01000H~10FFFH（64KB），由于程序區(qū)只需要16KB，所以程序區(qū)結(jié)束后的第一個小段的首地址就作為數(shù)據(jù)段的起始地址（05000H）。而數(shù)據(jù)段僅需2KB，則數(shù)據(jù)段結(jié)束后的第一個小段的首地址又成為堆棧段的起始地址（05800H）。這樣，代碼段和數(shù)據(jù)段及堆棧段重疊在一起了。

注意：每個存儲單元的內(nèi)容是絕對不允許發(fā)生沖突的，也就是說，某個存儲單元既存儲了指令代碼，又將存儲操作的數(shù)據(jù)，這是絕對禁止的。這里所提到的重疊只是指每個區(qū)段的大小可允許根據(jù)編程的實際情況分配，并非一定要占用64KB的最大段空間。物理地址01000H10FFFH代碼段代碼段實際使用16KB04FFFH數(shù)據(jù)段05000H057FFH數(shù)據(jù)段實際使用2KB堆棧段05800H【例】：已知(CS)=1000H，(DS)=4000H，其中代碼段大小為1KB，數(shù)據(jù)段大小為64KB，試畫出對應(yīng)儲存器分段的示意圖，要求標(biāo)出首尾地址?！痉治觥浚?/p>

對于代碼段，由題意，大小為1KB，即對應(yīng)的偏移地址為：0H---3FFH，且CS為1000H，則對應(yīng)的物理地址為：

10000H---103FFH對于數(shù)據(jù)段，由題意，大小為64KB，即對應(yīng)的偏移地址為：0H---FFFFH，且DS為4000H，則對應(yīng)的物理地址為：

40000H---4FFFFH1000HCS4000HDSSSES代碼段數(shù)據(jù)段10000H103FFH40000H4FFFFH4000:00004000:FFFF

堆棧是一個特定的存儲區(qū)，在這個存儲區(qū)中信息的進(jìn)出嚴(yán)格按照一定的規(guī)則進(jìn)行。堆棧主要用于暫存數(shù)據(jù)以及在“過程”調(diào)用或處理中斷時暫存斷點信息。不僅在現(xiàn)代程序設(shè)計中經(jīng)常使用堆棧，在其他一些領(lǐng)域（如編譯技術(shù)）中亦廣泛地應(yīng)用堆棧的概念。

堆棧的結(jié)構(gòu)現(xiàn)在常采用軟件堆棧，由編程人員用軟件在存儲器中劃出一塊存儲區(qū)作為堆棧。該存儲區(qū)的一端是固定的，另一端是浮動的，所有信息的存取都在浮動的一端進(jìn)行，這是進(jìn)棧與出棧操作的特點。浮動端的地址生長方向一般有兩種方法：一為向高地址方向生長稱為向上生長，另一種為向低地址方向生長，即為向下生長。8086/8088系列微機(jī)屬于向下生長的堆棧。3.4堆棧

這個存儲區(qū)最大地址的字存儲單元為堆棧底部，稱為棧底（Bottom）。在堆棧中存放的數(shù)據(jù)或斷點信息從這里開始，逐漸向地址小的方向“堆積”。在任何時刻，存放最后一個信息的字存儲單元為堆棧頂部，稱為棧頂（Top）。棧頂是隨著進(jìn)出棧信息的多少而變的。而棧底是由軟件設(shè)定后固定不變的。

堆棧指針SP始終指向堆棧頂部的地址。8086/8088堆棧的組織在8086/8088系列微機(jī)中，堆棧是由堆棧段寄存器（SS）指定的一段存儲區(qū)，通常，堆棧段中所包含的存儲單元字節(jié)數(shù)即為堆棧深度或稱為堆棧長度。SP中始終包含段基址與棧頂之間的距離（字節(jié)數(shù)）。當(dāng)SP初始化時，它的值就是這個堆棧的長度，由于SP是16位的寄存器，而堆棧深度最大是64KB，則至多可存放32K個字?jǐn)?shù)據(jù)。

設(shè)SP=2000H，把1234H進(jìn)棧的示意圖如下。【例】：已知CPU各段寄存器的內(nèi)容為：(CS)=3000H，(DS)=1060H，(ES)=1140H，(SS)=2200H，SP=0200H其中代碼段大小為16KB，數(shù)據(jù)段、附加段大小為64KB，試畫出對應(yīng)儲存器分段的示意圖，要求標(biāo)出首尾地址?！痉治觥浚?/p>

對于代碼段，大小為16KB，即對應(yīng)的偏移地址為：0H---3FFFH，