2.5 16位结构的CPU
我们说8086CPU的上一代CPU(8080、8085)等是8位机，而8086是16位机，也可以说8086是16位结构的CPU。那么什么是16位结构的CPU呢？
概括地讲，16位结构(16位机、字长为16位等常见说法，与16位结构的含义相同)描述了一个CPU具有下面几方面的结构特性。
运算器一次最多可以处理16位的数据；
寄存器的最大宽度为16位；
寄存器和运算器之间的通路为16位。
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位的。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，对于16位CPU，能一次性处理、传输、暂时存储16位的地址。
2.6 8086CPU给出物理地址的方法
8086CPU有20位地址总线，可以传送20位地址，达到1MB寻址能力。8086CPU又是16位结构，在内部一次性处理、传输、暂时存储的地址为16位。从8086CPU的内部结构来看，如果将地址从内部简单地发出，那么它只能送出16位的地址，表现出的寻址能力只有64KB。
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。
8086CPU相关部件的逻辑结构如图2.6所示。
图2.6 8086CPU相关部件的逻辑结构
如图2.6所示，当8086CPU要读写内存时：
(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。
地址加法器采用 物理地址=段地址*16+偏移地址 的方法用段地址和偏移地址合成物理地址。例如，8086CPU要访问地址为123C8H的内存单元，此时，地址加法器的工作过程如图2.7所示(图中数据皆为十六进制表示)。
图2.7 地址加法器的工作过程
由段地址*16引发的讨论
"段地址*16"有一个更为常用的说法是左移4位。计算机中的所有信息都是以二进制的形式存储的，段地址当然也不例外。机器只能处理二进制信息，"左移4位"中的位，指的是二进制位。
我们看一个例子，一个数据为2H，二进制形式为10B，对其进行左移运算：
左移位数 二进制 十六进制 十进制 0 10B 2H 2 1 100B 4H 4 2 1000B 8H 8 3 10000B 10H 16 4 100000B 20H 32 |
观察上面移位次数和各种形式数据的关系，我们可以发现：
(1) 一个数据的二进制形式左移1位，相当于该数据乘以2；
(2) 一个数据的二进制形式左移N位，相当于该数据乘以2的N次方；
(3) 地址加法器如何完成段地址*16的运算？就是将以二进制形式存放的段地址左移4位。
进一步思考，我们可看出：一个数据的十六进制形式左移1位，相当于乘以16；一个数据的十进制形式左移1位，相当于乘以10；一个X进制的数据左移1位，相当于乘以X。
2.7 "段地址*16+偏移地址=物理地址"的本质含义
注意，这里讨论的是8086CPU段地址和偏移地址的本质含义，而不是为了解决具体的问题而在本质含义之上引申出来的更高级的逻辑意义。不管以多少种不同的逻辑意义去看待"段地址*16+偏移地址=物理地址"的寻址模式，一定要清楚地知道它的本质含义，这样才能更灵活地利用它来分析、解决问题。如果只拘泥于某一种引申出来的逻辑含义，而模糊本质含义的话，将从意识上限制对这种寻址功能的灵活应用。
"段地址*16+偏移地址=物理地址"的本质含义是：CPU在访问内存时，用一个基础地址(段地址*16)和一个相对于基础地址的偏移地址相加，给出内存单元的物理地址。
更一般地说，8086CPU的这种寻址功能是"基础地址+偏移地址=物理地址"寻址模式的一种具体实现方案。8086CPU中，段地址*16可看作是基础地址。
下面，我们用两个与CPU无关的例子做进一步的比喻说明。
第一个比喻说明"基础地址+偏移地址=物理地址"的思想。
比如说，学校、体育馆、图书馆同在一条比直的单行路上(参考图2.8)，学校位于路的起点(从路的起点到学校距离是0米)。
你要去图书馆，问我那里的地址，我可以用两种方式告诉你图书馆的地址：
(1) 从学校走2826m到图书馆。这2826m可以认为是图书馆的物理地址。
(2) 从学校走2000m到体育馆，从体育馆再走826m到图书馆。第一个距离2000m，是相对于起点的基础地址，第二个距离826m是相对于基础地址的偏移地址(以基础地址为起点的地址)。
第一种方式是直接给出物理地址2826m，而第二种方式是用基础地址和偏移地址相加来得到物理地址的。
第二个比喻进一步说明"段地址*16+偏移地址=物理地址"的思想。
我们为上面的例子加一些限制条件，比如，只能通过纸条来互相通信，你问我图书馆的地址我只能将它写在纸上告诉你。显然，我必须有一张可以容纳4位数据的纸条，才能写下2826这个数据。
可以写下4位数据的纸条
| 2 |
8 |
2 |
6 |
可不巧的是，我没有能容纳4位数据的纸条，仅有两张可以容纳3位数据的纸条。这样我只能以这种方式告诉你2826这个数据。
两张可以写下3位数据的纸条
| 2 |
0 |
0 |
| 8 |
2 |
6 |
在第一张纸上写上200(段地址)，在第二张纸上写上826(偏移地址)。假设我们事前对这种情况又有过相关的约定：你得到这两张纸后，做这样的运算：200(段地址) *10+826(偏移地址)=2826(物理地址)。
8086CPU就是这样一个只能提供两张3位数据纸条的CPU。
2.8 段的概念
我们注意到，"段地址"这个名称中包含着"段"的概念。这种说法可能对一些学习者产生了误导，使人误以为内存被划分成了一个一个的段，每一个段有一个段地址。如果我们在一开始形成了这种认识，将影响以后对汇编语言的深入理解和灵活应用。
其实，内存并没有分段，段的划分来自于CPU，由于8086CPU用"基础地址(段地址*16)+偏移地址=物理地址"的方式给出内存单元的物理地址，使得我们可以用分段的方式来管理内存。如图2.9所示，我们可以认为：地址10000H~100FFH的内存单元组成一个段，该段的起始地址(基础地址)为10000H，段地址为1000H，大小为100H；我们也可以认为地址10000H~1007FH、10080H~100FFH的内存单元组成两个段，它们的起始地址(基础地址)为：10000H和10080H，段地址为：1000H和1008H，大小都为80H。
图2.9 分段
以后，在编程时可以根据需要，将若干地址连续的内存单元看作一个段，用段地址*16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。有两点需要注意：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；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。
内存单元地址小结
CPU访问内存单元时，必须向内存提供内存单元的物理地址。8086CPU在内部用段地址和偏移地址移位相加的方法形成最终的物理地址。
思考下面的两个问题。
(1) 观察下面的地址，你有什么发现？
物理地址 段地址 偏移地址
21F60H 2000H 1F60H
2100H 0F60H
21F0H 0060H
21F6H 0000H
1F00H 2F60H |
结论：CPU可以用不同的段地址和偏移地址形成同一个物理地址。
比如CPU要访问21F60H单元，则它给出的段地址SA和偏移地址EA满足SA×16+EA=21F60H即可。
(2) 如果给定一个段地址，仅通过变化偏移地址来进行寻址，最多可定位多少个内存单元？
结论：偏移地址16位，变化范围为0~FFFFH，仅用偏移地址来寻址最多可寻64KB个内存单元。
比如给定段地址1000H，用偏移地址寻址，CPU的寻址范围为：10000H~1FFFFH。
在8086PC机中，存储单元的地址用两个元素来描述，即段地址和偏移地址。
"数据在21F60H内存单元中。"这句话对于8086PC机一般不这样讲，取而代之的是两种类似的说法：①数据存在内存2000:1F60单元中；②数据存在内存的2000段中的1F60单元中。这两种描述都表示"数据在内存21F60单元中"。
可以根据需要，将地址连续、起始地址为16的倍数的一组内存单元定义为一个段。
检测点2.2
(1) 给定段地址为0001H，仅通过变化偏移地址寻址，CPU的寻址范围为 到 。
(2) 有一数据存放在内存20000H单元中，现给定段地址为SA，若想用偏移地址寻到此单元。则SA应满足的条件是：最小为 ，最大为 。
提示，反过来思考一下，当段地址给定为多少，CPU无论怎么变化偏移地址都无法寻到20000H单元？
答案：
(1)00010H,1000FH
(2)1001H, 2000H
SA*16+FFFFH=20000H
SA*16=20000H-FFFFH
SA*16=10001H
(因为段的起始地址必须是16的倍数 即SA*16=10001H = 1* 16^4 + 1*16^0 = 1* 16^4 + 1 ，不是16的整数倍，不满足要求 ,所以这里的10001H 我们取值为10010H = 1* 16^4 + 1*16^1)
SA*16=10010H
SA=10010H/16(10H)
SA=1001H
所以SA应满足的条件是最小值为1001H 最大值为2000H
2.9 段寄存器
我们前面讲到，8086CPU在访问内存时要由相关部件提供内存单元的段地址和偏移地址，送入地址加法器合成物理地址。这里，需要看一下，是什么部件提供段地址。段地址在8086CPU的段寄存器中存放。8086CPU有4个段寄存器：CS、DS、SS、ES。当8086CPU要访问内存时由这4个段寄存器提供内存单元的段地址。本章中只看一下CS。