CPU确定物理地址的玄机


今天是汇编专辑第二弹,以8086CPU抛砖引玉,讨论一下CPU确定物理地址平凡又神奇的操作!

我们知道,CPU 访问内存单元时,要给出内存单元的地址。所有的内存单元构成的存储空间是一个一维的线性空间,每一个内存单元在这个空间中都有唯一的地址,我们将这个唯一的地址称为物理地址。

8086是16位结构的CPU,这也就是说,在8086内部,能够一次性处理、传输、暂时存储的信息的最大长度是16位。内存单元的地址在送上地址总线之前,必须在CPU中处理、传输、暂时存放。

而上一篇我们讲到,地址总线的宽度决定CPU的寻址能力。8086有20根地址总线,可以传送20位地址,所以其寻址能力为2^20B,即1M。(传送门:计算机中的三类总线 )

很自然地,这里产生了矛盾:如果只是简单地将地址从内部发出,那么8086只能发出16位的地址,表现的寻址能力也就只有2^16byte,即64KB。这这与1M的寻址能力不符!

那么如何解决该矛盾呢?

在正式讨论之前,我们换一个话题。如下图所示,假如大熊要去图书馆,询问胖虎图书馆的具体位置(物理地址),于是胖虎告诉他:



(1)你可以从从学校走2826米能到图书馆;

(2)也可以从学校走2000米到体育馆,再走826米就是图书馆。

显然,两种方式大熊都能找到图书馆的位置。

那么现在加一些限制条件,比如大熊和胖虎之间用如下的方格纸进行通信,那么按照第一种方式直接写入2826表示图书馆的位置就能准确定位。



如果现在再加一个限定条件:假如方格个数只有三个,如何才能定位图书馆的位置呢?

只能采用第二种方式咯:先找到体育馆,再通过偏移的826米找到图书馆。



概括表述为:先用200米表示起始位置,我给它起个名字叫段地址,将200米乘以10的位置我们叫它基地址,基地址再加上偏移位置826米,正好是2826米,也就是图书馆的位置!

好了,我们再回到8086CPU确定物理地址的方式上来,根据上面的例子我们就能解决CPU内部与数据总线的矛盾。8086CPU采用一种在内部用两个16位地址合成的方法来形成一个20位的物理地址。

(1) CPU中的相关部件提供两个16位的地址,一个称为段地址,另一个称为偏移地址;

(2)段地址和偏移地址通过内部总线送入一个称为地址加法器的部件;

(3)地址加法器将两个16位地址合成为一个20位的物理地址;

(4)地址加法器通过内部总线将20位物理地址送入输入输出控制电路;

(5)输入输出控制电路将20位物理地址送上地址总线;

(6)20位物理地址被地址总线传送到存储器。

动图演示如下:

地址加法器采用物理地址=段地址x16+偏移地址的方式合成物理地址,其思想和上述例子中找图书馆的位置时如出一辙的,只不过从10进制变成了计算机的16进制。


当个体受限时,借助外力以及互相配合则显得尤为重要!


君子性非异也,善假于物也。——荀子

两点注意:

(1)段地址×16必然是16的倍数,所以一个段的起始地址也一定是16的倍数;

(2)偏移地址为16位,16位地址的寻址能力为64KB,所以一个段的长度最大为64KB。

  • CPU将若干地址连续的内存单元看作一个段,用段地址x16定位段的起始地址(基础地址),用偏移地址定位段中的内存单元;

  • 物理地址=段地址x16+偏移地址


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