燕山大學(xué)微機(jī)原理

微機(jī)原理討論課賈存德140101010120機(jī)控2班微機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大部分。硬件是指構(gòu)成計(jì)算機(jī)的實(shí)在物理設(shè)備。軟件一般是指在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的程序，是指計(jì)算機(jī)工作的命令。微型計(jì)算機(jī)主要是指的微型計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)，而且其核心是微處理器。1.1.1微型計(jì)算機(jī)的硬件組成三種進(jìn)位計(jì)數(shù)制所謂進(jìn)位計(jì)數(shù)制是指按照進(jìn)位的方法進(jìn)行計(jì)數(shù)的數(shù)制。在計(jì)算機(jī)中主要采用的數(shù)制是二進(jìn)制，同時(shí)在計(jì)算機(jī)中還存在八進(jìn)制、十進(jìn)制、十六進(jìn)制的數(shù)據(jù)表示方法。它們的區(qū)分符分別用B、O、D、H來表示。二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制轉(zhuǎn)換原則：二進(jìn)制各位上的系數(shù)乘以對(duì)應(yīng)的權(quán)，然后求其和二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換原則：以小數(shù)點(diǎn)為中心，整數(shù)部分從右向左，小數(shù)部分從左向右，“四位一體，不足補(bǔ)零”2?3十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成n進(jìn)制(n=2,8,16)轉(zhuǎn)換原則：整數(shù)部分除n取余倒著寫，小數(shù)部分乘n取整順著寫2.4十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制轉(zhuǎn)換原則：將十六進(jìn)制上的每一位數(shù)碼用四位二進(jìn)制表示2?5十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制轉(zhuǎn)換原則：十六進(jìn)制各位系數(shù)乘對(duì)應(yīng)權(quán)然后求其和無符號(hào)數(shù)和有符號(hào)數(shù)在計(jì)算機(jī)中的描述有符號(hào)數(shù)就是用最高位表示符號(hào)(正或負(fù))，其余位表示數(shù)值大小，無符號(hào)數(shù)則所有位都用于表示數(shù)的大小。3?1有符號(hào)數(shù)有符號(hào)數(shù)是針對(duì)二進(jìn)制來講的。用最高位作為符號(hào)位，"0"代表"+"，"1"代表"-";其余數(shù)位用作數(shù)值位，代表數(shù)值。有符號(hào)數(shù)的表示:計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)用二進(jìn)制表示，數(shù)的符號(hào)也只能用0/1表示。一般用最高有效位（MSB）來表示數(shù)的符號(hào)，正數(shù)用0表示，負(fù)數(shù)用1表示。有符號(hào)數(shù)的編碼方式，常用的是補(bǔ)碼，另外還有原碼和反碼等。3.2無符號(hào)數(shù)無符號(hào)數(shù)是針對(duì)二進(jìn)制來講的，無符號(hào)數(shù)的表數(shù)范圍是非負(fù)數(shù)。全部二進(jìn)制均代表數(shù)值，沒有符號(hào)位。4計(jì)算機(jī)中的碼4.1用于表示有符號(hào)數(shù)的補(bǔ)碼有符號(hào)整數(shù)有多種表達(dá)形式，計(jì)算機(jī)中默認(rèn)采用補(bǔ)碼。因?yàn)椴捎醚a(bǔ)碼，減法運(yùn)算可以變換成加法運(yùn)算，所以硬件電路只需設(shè)計(jì)加法器。補(bǔ)碼中，最高位表示符號(hào)：正數(shù)用0，負(fù)數(shù)用1；正數(shù)補(bǔ)碼與無符號(hào)數(shù)一樣，直接表示數(shù)值大??；負(fù)數(shù)補(bǔ)碼是將對(duì)應(yīng)正數(shù)補(bǔ)碼取反，然后加1形成。原碼和反碼也是表達(dá)有符號(hào)整數(shù)的編碼。正數(shù)的原碼反碼與補(bǔ)碼和無符號(hào)數(shù)一樣，而負(fù)數(shù)的原碼是對(duì)應(yīng)正數(shù)原碼的符號(hào)位改為1，負(fù)數(shù)的反碼是對(duì)應(yīng)正數(shù)反碼的取反。4.2用于表示十進(jìn)制的BCD碼一個(gè)十進(jìn)制數(shù)位在計(jì)算機(jī)中用4位二進(jìn)制編碼表示，這就是所謂的二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)（BCD）。將8位二進(jìn)制（即一個(gè)字節(jié)）的高4位設(shè)置為0,僅用低4位表示一位BCD碼，稱為非壓縮BCD碼；而通常用一個(gè)字節(jié)表達(dá)兩位BCD碼，稱為壓縮BCD碼。4.3美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼ASCII碼碼長(zhǎng)7位，用來表示33個(gè)外設(shè)控制符號(hào)和95個(gè)可供打印的西文符號(hào)。常用的ASCII碼：*大寫字母A-Z的ASCII碼為41H-5AH;*小寫字母a-z的ASCII碼為61H-7AH;*數(shù)字符號(hào)0?9的ASCII碼為30H?39H。*回車的ASCII碼為0DH。*換行的ASCII碼為0AH。5十六位的CPU和八位的CPU十六位的CPU：—次性能處理的二進(jìn)制數(shù)位為16位，即數(shù)據(jù)寬度為16位，也就是說處理器一次可以運(yùn)行16bit數(shù)據(jù)；八位的CPU：一次性能處理的二進(jìn)制數(shù)位為8位，即數(shù)據(jù)寬度為8位，也就是說處理器一次可以運(yùn)行8bit數(shù)據(jù)。6CPU中的寄存器內(nèi)部寄存器的類型含14個(gè)16位寄存器，按功能可分為三類8個(gè)通用寄存器，4個(gè)段寄存器，2個(gè)控制寄存器通用寄存器數(shù)據(jù)寄存器（AX，BX，CX，DX）地址指針寄存器（SP,BP）變址寄存器（SI,DI）數(shù)據(jù)寄存器8088/8086含4個(gè)16位數(shù)據(jù)寄存器，它們又可分為8個(gè)8位寄存器，即：AXBXCXDXAX：累加器AH，ALCX：計(jì)數(shù)寄存器。CH，CLBX：基址寄存器。 BH，BLDX：數(shù)據(jù)寄存器。 DH，DL地址指針寄存器SP堆棧指針寄存器，其內(nèi)容為棧頂?shù)钠频刂稡P基址指針寄存器，常用于在訪問內(nèi)存時(shí)存放內(nèi)存單元的偏移地址變址寄存器SI：源變址寄存器DI：目標(biāo)變址寄存器控制寄存器CF(CarryFlag)進(jìn)位標(biāo)志位。加(減)法運(yùn)算時(shí)，若最高位有進(jìn)(借)位則CF=1OF(OverflowFlag)溢出標(biāo)志位。當(dāng)算術(shù)運(yùn)算的結(jié)果超出了有符號(hào)數(shù)的可表達(dá)范圍時(shí)，OF=IZF(ZeroFlag)零標(biāo)志位。當(dāng)運(yùn)算結(jié)果為零時(shí)ZF=1SF(SignFlag)符號(hào)標(biāo)志位。當(dāng)運(yùn)算結(jié)果的最高位為1時(shí)，SF=lPF(ParityFlag)奇偶標(biāo)志位。運(yùn)算結(jié)果的低8位中“1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù)時(shí)PF=lAF(AuxiliaryCarryFlag)輔助進(jìn)位標(biāo)志位。加(減)操作中，若Bit3向Bit4有進(jìn)位(借位)，AF=1控制標(biāo)志位TF(TrapFlag)陷井標(biāo)志位，也叫跟蹤標(biāo)志位。TF=1時(shí)，使CPU處于單步執(zhí)行指令的工作方式。IF(InterruptEnableFlag)中斷允許標(biāo)志位。IF=1使CPU可以響應(yīng)可屏蔽中斷請(qǐng)求。DF(DirectionFlag)方向標(biāo)志位。在數(shù)據(jù)串操作時(shí)確定操作的方向。十六位CPU的兩個(gè)功能模塊執(zhí)行單元構(gòu)成：運(yùn)算器8個(gè)通用寄存器；1個(gè)標(biāo)志寄存器；EU部分控制電路。功能：指令譯碼，指令執(zhí)行，暫存中間運(yùn)算結(jié)果，保存運(yùn)算結(jié)果特征總線接口單元功能：從內(nèi)存中取指令到指令預(yù)取隊(duì)列指令預(yù)取隊(duì)列是并行流水線工作的基礎(chǔ)負(fù)責(zé)與內(nèi)存或輸入/輸出接口之間的數(shù)據(jù)傳送在執(zhí)行轉(zhuǎn)移程序時(shí)，BIU使指令預(yù)取隊(duì)列復(fù)位，從指定的新地址取指令，并立即傳給執(zhí)行單元執(zhí)行。標(biāo)志寄存器狀態(tài)標(biāo)志CF(CarryFlag)進(jìn)位標(biāo)志位。加(減)法運(yùn)算時(shí)，若最高位有進(jìn)(借)位則CF=1。OF(OverflowFlag)溢出標(biāo)志位。當(dāng)算術(shù)運(yùn)算的結(jié)果超出了有符號(hào)數(shù)的可表達(dá)范圍時(shí)，OF=l。ZF(ZeroFlag)零標(biāo)志位。當(dāng)運(yùn)算結(jié)果為零時(shí)ZF=1SF(SignFlag)符號(hào)標(biāo)志位。當(dāng)運(yùn)算結(jié)果的最高位為1時(shí)，SF=l。PF(ParityFlag)奇偶標(biāo)志位。運(yùn)算結(jié)果的低8位中“1”勺個(gè)數(shù)為偶數(shù)時(shí)PF=lAF(AuxiliaryCarryFlag)輔助進(jìn)位標(biāo)志位。加(減)操作中，若Bit3向Bit4有進(jìn)位(借位)，AF=1?？刂茦?biāo)志TF(TrapFlag)陷井標(biāo)志位，也叫跟蹤標(biāo)志位。TF=1時(shí)，使CPU處于單步執(zhí)行指令的工作方式。IF(InterruptEnableFlag)中斷允許標(biāo)志位。IF=1使CPU可以響應(yīng)可屏蔽中斷請(qǐng)求。DF(DirectionFlag)方向標(biāo)志位。在數(shù)據(jù)串操作時(shí)確定操作的方向。地址加法器段基地址：說明邏輯段在主存中的位置，簡(jiǎn)稱段地址。為了能用16位寄存器表達(dá)段地址，8088規(guī)定段地址必須是模16地址，即xxxxOH形式。省略二進(jìn)制的低4位0，段地址就可以用二進(jìn)制的16位數(shù)據(jù)表示，通常被保存在16位的寄存器中。段內(nèi)偏移地址：說明主存單元距離段起始位置的偏移量，簡(jiǎn)稱偏移地址。由于限定每段不超過64KB，所以偏移地址也可以用16位數(shù)據(jù)表示。物理地址：對(duì)于每個(gè)存儲(chǔ)單元都有一個(gè)唯一的20位地址，我們稱之為物理地址或絕對(duì)地址。微處理器通過總線存取儲(chǔ)存數(shù)據(jù)時(shí)，就采用這個(gè)物理地址。邏輯地址：在8088內(nèi)部和用戶編程時(shí)，所采用的“段地址：偏移地址”形式，我們稱為邏輯地址。地址加法器：在8088的總線接口單元含有一個(gè)20位地址加法器。它可以將邏輯地址中的段地址左移二進(jìn)制4位（對(duì)應(yīng)16進(jìn)制是一位，即乘以16），加上偏移地址就得到20位物理地址。10CPU內(nèi)部的總線和外部的總線總線：是一組導(dǎo)線和相關(guān)的控制、驅(qū)動(dòng)電路的集合。是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各部件之間傳輸?shù)刂?、?shù)據(jù)和控制信息的通道。地址總線（AB）數(shù)據(jù)總線（DB）控制總線（CB）總線的基本功能：數(shù)據(jù)傳送仲裁控制出錯(cuò)處理總線驅(qū)動(dòng)?？偩€的主要性能指標(biāo)?？偩€帶寬（B/S）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)總線上可傳送的數(shù)據(jù)量總線帶寬=位寬X工作頻率?？偩€位寬（bit）：能同時(shí)傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)?？偩€的工作頻率（MHz）?？偩€帶寬=（位寬/8）x（工作頻率/每個(gè)存取周期的時(shí)鐘數(shù)。數(shù)據(jù)總線和地址總線及控制總線數(shù)據(jù)總線微處理器進(jìn)行讀操作時(shí)，主存或外設(shè)的數(shù)據(jù)通過該組信號(hào)線輸入微處理器；微處理器進(jìn)行寫操作時(shí)，微處理器的數(shù)據(jù)通過該組信號(hào)線輸出到主存或外設(shè)。數(shù)據(jù)總線可以雙向傳輸信息，為雙向總線。數(shù)據(jù)線的多少?zèng)Q定了一次能夠傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)。地址總線在該組信號(hào)線上，微處理器單向輸出將要訪問的主存單元或I/O端口的地址信息。地址線的多少?zèng)Q定了系統(tǒng)能夠直接尋址存儲(chǔ)器的容量大小和外設(shè)端口范圍。控制總線控制總線用于協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各部件的操作?？刂瓶偩€決定了總線的功能強(qiáng)弱，適應(yīng)性的好壞。各類總線的特點(diǎn)主要取決于其控制總線。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器是存放程序和數(shù)據(jù)的部件。高性能微機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)由微處理器內(nèi)部的寄存器，高速緩沖儲(chǔ)存器，主板上的主儲(chǔ)存器，和以外設(shè)形式出現(xiàn)的輔助儲(chǔ)存器構(gòu)成。程序運(yùn)行所需要的數(shù)據(jù)、程序執(zhí)行的結(jié)果以及程序本身均保存在存儲(chǔ)器中。計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)信息的基本單位是二進(jìn)制（bit），—個(gè)字可存儲(chǔ)一位二進(jìn)制數(shù)：0或1。8個(gè)二進(jìn)制位組成一個(gè)字節(jié)（byte）。輸入輸出接口為了增強(qiáng)微處理器功能，微機(jī)主板以I/O操作形式設(shè)置了中斷控制器8259A和定時(shí)控制器等I/O接口電路。中斷時(shí)微處理器正常執(zhí)行程序的流程被某種原因打斷并暫時(shí)停止，轉(zhuǎn)向執(zhí)行事先安排好的一段處理程序，待該處理程序結(jié)束后仍返回被中斷的指令處繼續(xù)執(zhí)行的過程。中斷來自微處理器內(nèi)部就是內(nèi)部中斷，也成為異常；中斷來自外部就是外部中斷。14外設(shè)外部設(shè)備簡(jiǎn)稱“外設(shè)”，是指連在計(jì)算機(jī)主機(jī)以外的硬件設(shè)備。對(duì)數(shù)據(jù)和信息起著傳輸、轉(zhuǎn)送和存儲(chǔ)的作用，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的重要組成部分。15根據(jù)存放地點(diǎn)計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)分成哪三類15.1立即數(shù)操作數(shù)立即數(shù)操作數(shù)(imm)是一個(gè)具體的數(shù)值，存放于指令中操作碼之后。它可以是8位數(shù)值(i8),或者是16位數(shù)值(i16)。15.2寄存器操作數(shù)寄存器操作數(shù)(reg)存放于CPU的內(nèi)部寄存器中。它可以是8位寄存器(⑻，或16位寄存器(r16)。15.3存儲(chǔ)器操作數(shù)存儲(chǔ)器操作數(shù)(mem)存放于存儲(chǔ)器單元中。指令中給出的是操作數(shù)所在的存儲(chǔ)器單元的邏輯地址。因段地址默認(rèn)在DS中，故只給出偏移地址即可。16尋址16.1尋址方式指令由操作碼和操作數(shù)兩部分組成。操作碼說明計(jì)算機(jī)要執(zhí)行哪種操作。操作數(shù)就是各種操作的對(duì)象。操作數(shù)分為三類立即數(shù)操作數(shù)(Immediate)寄存器操作數(shù)(Register)存儲(chǔ)器操作數(shù)(Memory)操作數(shù)的存在位置不同分為三種尋址方式立即數(shù)尋址方式立即數(shù)尋址方式的操作數(shù)就直接存放在機(jī)器代碼中，緊跟在操作碼之后。例如MOVAX,0102H ;AX=0102H其中0102H就是立即數(shù)操作數(shù)，它可以是8位數(shù)值(i8),或者是16位數(shù)值(i16)。立即數(shù)尋址方式常用來給寄存器和存儲(chǔ)器單元賦值。寄存器尋址方式寄存器尋址方式的操作數(shù)存放于CPU的內(nèi)部寄存器(reg)中。它可以是8位寄存器(r8)，或16位寄存器(r16)。另外還可以存放在4個(gè)段寄存器(seg)中MOVAX，BX；操作數(shù)AX、BX均為寄存器操作數(shù)。寄存器尋址方式的操作數(shù)存放于CPU的內(nèi)部寄存器中，不需要訪問存儲(chǔ)器，因而執(zhí)行速度較快時(shí)經(jīng)常使用的方法存儲(chǔ)器尋址方式存儲(chǔ)器操作數(shù)存放于存儲(chǔ)器單元中。指令中給出的是操作數(shù)所在的存儲(chǔ)器單元的邏輯地址。有以下5種具體方式：一、 直接尋址方式：指令中直接給出操作數(shù)的偏移地址。段地址默認(rèn)在DS中，可用段超越前綴來改變。二、 寄存器間接尋址方式：操作數(shù)的偏移地址存放于寄存器BX/BP/SI/DI中。使用寄存器BP尋址時(shí)，默認(rèn)的段寄存器為SS；使用其他寄存器尋址，默認(rèn)的段寄存器為DS。均可以使用段超越前綴改變。三、 寄存器相對(duì)尋址方式：操作數(shù)的偏移地址是寄存器（BX/BP/SI/DI）的內(nèi)容與有符號(hào)的8位或16位位移量之和。其中BX、SI、DI寄存器默認(rèn)是數(shù)據(jù)段DS，BP寄存器默認(rèn)是堆棧段SS;但都可用段超越前綴改遍。四、 基址變址尋址方式：操作數(shù)的偏移地址是一個(gè)基址類寄存器（BX或BP）的內(nèi)容與另一個(gè)變址類寄存器（SI或DI）的內(nèi)容之和。若機(jī)制寄存器使用BX，其默認(rèn)段為數(shù)據(jù)段DS;若機(jī)制寄存器使用BP，其默認(rèn)段為堆棧段SS；都可用段超越前綴改變。五、 相對(duì)基址變址尋址方式：操作數(shù)的偏移地址是一個(gè)基址類寄存器（BX或BP）的內(nèi)容，一個(gè)變址類寄存器（SI或DI）的內(nèi)容與有符號(hào)的8位或16位位移量之和。與BX約定的段為數(shù)據(jù)段DS,與BP約定的段為堆棧段SS。；都可用段超越前綴改變。邏輯地址和物理地址邏輯地址：在8088內(nèi)部和用戶編程時(shí)，所采用的“段地址：偏移地址”形式，我們稱之為邏輯地址。物理地址：對(duì)于每個(gè)存儲(chǔ)單元都有唯一的20位地址，我們稱之為物理地址或者絕對(duì)地址；微處理器通過總線存取存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)時(shí)，就采用這個(gè)地址。內(nèi)存的分段管理8088CPU有20根地址線，最大可尋址內(nèi)存空間為1MB。而8088的寄存器只有16位，指令指針（IP）和變址寄存器（SI、DI）也是16位的。用16位的地址尋址1MB空間是不可能的。所以就要把內(nèi)存分段，也就是把1MB空間分為若干個(gè)段，每段不超過64KB，在8088中設(shè)置4個(gè)16位的段寄存器，用于管理4種段：CS是代碼段,DS是數(shù)據(jù)段,SS是堆棧段,ES是附加段。把內(nèi)存分段后，每一個(gè)段就有一個(gè)段基址，段寄存器保存的就是這個(gè)段基址的高16位，這個(gè)16位的地址左移四位（后面加上4個(gè)0）就可構(gòu)成20位的段基址。這樣，每個(gè)存儲(chǔ)器單元還可以用“段基地址：段內(nèi)偏移地址”表達(dá)其精準(zhǔn)的物理位置。19MOV指令的格式MOVreg/mem，imm；立即數(shù)送寄存器或主存，寄存器送（段）寄存器MOVreg/mem/seg，reg；寄存器送主存MOVreg/seg，mem；主存送（段）寄存器MOVreg/mem，seg；段寄存器送寄存器，段寄存器送主存20XLAT把待查表格的一個(gè)字節(jié)內(nèi)容送到AL累加器中。在執(zhí)行該指令前，應(yīng)將TABLE（字節(jié)表格的變量名）先送至BX寄存器中，然后將待查字節(jié)與其在表格中距表首地址位移量送AL,即AL<--（（BX）+（AL））.執(zhí)行XLAT將使待查內(nèi)容送到累加器。該指令又可以稱為翻譯指令。在程序設(shè)計(jì)中，有時(shí)要把一種代碼轉(zhuǎn)化為另一種代碼，如：數(shù)字0~9轉(zhuǎn)化為7段顯示器件所需要的驅(qū)動(dòng)代碼等，就可以采用XLAT指令來實(shí)現(xiàn)。21段寄存器21.1代碼段：用來存放程序的指令序列。代碼段寄存器CS存放代碼段的段地址，指令指針寄存器IP指示代碼段中指令的偏移地址。處理器利用CS:IP取得要執(zhí)行的指令。21.2堆棧段：是堆棧所在的主存區(qū)域。用來暫時(shí)存放數(shù)據(jù)、保存程序斷點(diǎn)、和向子程序傳遞參數(shù)等。堆棧段寄存器SS存放堆棧段的段地址，堆棧指針寄存器SP指示堆棧棧頂?shù)钠频刂?。處理器利用SS:SP操作堆棧中的數(shù)據(jù)。21?3數(shù)據(jù)段：存放當(dāng)前運(yùn)行程序所用的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)段寄存器DS存放數(shù)據(jù)段的段地址，存儲(chǔ)器中操作數(shù)的偏移地址由各種主存尋址方式得到，稱之為有效地址EA。21.4附加段：是附加的數(shù)據(jù)段，也用于數(shù)據(jù)的保存。附加段寄存器ES存放附加段的段地址，串操作指令將附加段作為其目的操作數(shù)的存放區(qū)域22段超越段寄存器的使用規(guī)定有時(shí)允許段超越的情況。例如，一般數(shù)據(jù)訪問使用DS,也允許進(jìn)行段超越，即可以是其他段；使用BP基址指針寄存器訪問主存，則默認(rèn)是SS段，同時(shí)也允許段超越。段超越前綴用來改變默認(rèn)段尋址，通常內(nèi)址尋址是數(shù)據(jù)段或者堆棧段，但你可以在指令前面加上段超越前綴，就可以訪問到其它段內(nèi)的數(shù)據(jù)。我們通常用到