第三节 存储器

存储器是用来存放程序和数据的。计算机的存储系统由内存（主存储器）和外存（辅助存储器）组成。内存设在主机内部，用来暂时存放当前运行的程序和使用的数据，其特点是存取速度快，但比外存容量小，且掉电后信息全部消失。外存设在主机外部（磁盘、光盘等），属于计算机外部设备，用来存放当前不参与运行的程序和数据。其特点是能永久存放信息，存储容量大，但存取速度较低。

本书所讲的存储器均指内存。

一、存储器的组成

存储器的基本单位是位，它能存储一位二进制数的0或1。每8位组成一个字节，每相邻的2个字节还可组成一个字，每相邻的4个字节又可组成双字，依此类推。

存储器存取的最小单位是一个字节信息，叫作一个存储单元，存储器是由若干个存储单元组成的。存储器的容量就是存储单元的个数。

为了访问不同的存储单元，每一单元都被指定一个编号，这个编号叫作该存储单元的物理地址。8086/8088 CPU有20条地址线，因此具有1MB的寻址能力（220=1MB），最低地址编号为00000H，最高地址编号为0FFFFFH，如图2-8所示。

对存储器的一次访问可以读写一个字节或一个字，甚至可以访问一个双字。

二、存储器的段结构

8086/8088 CPU有20条地址总线传输地址，即使用20位的物理地址编号，直接寻址范围为1MB，而CPU内部的运算器和寄存器都是16位结构，只能表示和处理16位地址，16位地址范围最大只能是64KB。为了能寻址1MB范围的存储空间，所以采用了存储器的分段技术。

所谓存储器分段技术，就是把1MB的存储空间划分成任意的一些段，每个段是一个可独立寻址的逻辑单位，其最大长度不超过64KB，这样段内的地址就可以用16位表示。每个段的起始地址叫段基址，且规定，各段的起始地址都从能被16整除的地址开始。也就是说，段基址的最低4位总是0，段基址的高16位放入段寄存器中。

在8086/8088的程序中，需要设立几个段，每个段有多少个字节以及每个段有什么用途完全由用户自己确定。每个段中存储的代码或数据，可以存放在段内任意单元中。

在程序中设置的段叫逻辑段，各个逻辑段在物理存储器中可以是邻接的、间隔的、部分重叠的和完全重叠的4种情况，如图2-9所示。所以一个物理存储单元可映像到一个或多个逻辑段中。例如图2-9中DATA_BYTE单元可映像到段2、段3和段4中。

存储器虽然可以划分成若干个段，但是在任何时刻，一个程序只能访问4个段中的内容，这4个段分别是代码段（Code Segment）、数据段（Data Segment）、堆栈段（Stack Segment）和附加段（Extra Segment）。它们分别由对应的4个段寄存器CS、DS、SS、ES指向。这4个段寄存器分别保存4个段的段基址高16位二进制数，即段基值。由4个段寄存器指向的那些段叫当前段。所以，当前段至多可容纳64KB的代码、64KB堆栈和128KB的数据（分别由DS、ES指向的当前段）。如果应用规模较大，可以在程序中通过修改相应段寄存器的内容而访问其他段。如图2-10所示，由于4个段寄存器有段B、F、I、K的段基值，所以段B、段F、段I、段K是当前段。如果程序需要访问其他段（如段J）中的数据，那么可用程序办法修改DS或ES的内容为J的段基值，改变当前段。

三、逻辑地址与物理地址

在8086/8088微机中，每个存储单元有两种地址：物理地址（Physical Address）和逻辑地址（Logical Address）。在1MB的存储空间中，每一个存储单元（即一个字节单元）的物理地址是唯一的，就是这个单元的地址编码。物理地址由二进制的20位组成，它的范围是00000H～FFFFFH。CPU与存储器之间的任何信息交换，都使用物理地址。

在程序设计中，使用逻辑地址而不使用物理地址，这不仅有利于程序的开发，且对存储器的动态管理也是有利的。一个逻辑地址是由段基值和偏移量两部分组成的，且都是无符号16位二进制数。表达形式为“段基值：偏移量”，如2010H:0100H，或DS:10A2H。

段基值是一个段起始单元地址（段基址）的高16位，它存放在某一个段寄存器中。偏移量（偏移地址）表示某存储单元与它所在段的段基址之间的字节距离。当偏移量为0时，就是这个段的起始单元。当偏移量为0FFFFH时，就是这个段的最后一个字节单元。由于逻辑段可以重叠，因此，同一个物理地址可以得到不同的逻辑地址。例如，两个逻辑地址2010H:1000H和2000H:1100H对应同一物理地址21100H，即它们指向同一存储单元。

由于段基值由段寄存器指出，因此，在程序中要对某个存储单元的数据进行存取时，只需要给出偏移量。程序中给出偏移量常用符号或某种寻址表达式，然后由计算机计算出偏移量。这种由计算机根据寻址表达式计算出的偏移地址叫有效地址，用EA表示。

每当CPU访问存储器时，总线接口单元BIU会把逻辑地址转换成物理地址。转换方法是：首先把逻辑地址中的段基值（在段寄存器中）左移4位，形成20位的段起始地址（段基址），然后再加上16位的偏移量，产生20位的物理地址，转换过程如图2-11所示。

四、堆栈

堆栈是用程序在内存中定义的一个段（段值由SS指示）。这个段是按照“后进先出”的规则进行数据存取的特殊存储区域，主要用于暂存数据以及在过程调用或中断处理时暂存断点信息。

堆栈是一端固定、另一端浮动的存储区。所有信息的存取都在浮动的一端进行。这个存储区最大地址的字存储单元为堆栈底部，叫栈底（Bottom）。在堆栈中存放的数据从这里开始，逐渐向地址小的方向“堆积”。在任何时刻，存放最后一个信息的存储单元（即已存放信息的最小地址单元）为堆栈顶部，叫栈顶（Top）。栈顶是随着存放信息的多少而变的，它是这个存储区的浮动“端头”，而栈底是固定不变的，它是固定“端头”，如图2-12所示。

由于堆栈顶部是浮动的，为了指示现在堆栈中存放数据的位置，设置了一个堆栈指针SP（Stack Pointer）指向堆栈的顶部。这样，堆栈中数据的进出都由SP来“指挥”。

在堆栈中存取数据的规则是“先进后出”。就是说最先进入堆栈的数据（在栈顶底部），最后才能取出。相反，最后送入堆栈的数据（在堆栈顶部），最先取出。