微机原理与接口技术专升本重点难点必考点整理

1、 第1章 微型计算机基础 1计算机中数的表示和运算 1.1.1 计算机中的数制及转换 在微型计算机中，常见和常使用的数制十进制二进制八进制 十六进制等。 1.十进制 十进制计数特征如下： 使用10个不同的数码符号0，1，2，3，4，5，6，7，8，9 基数为10 每一个数码符号根据它在数中所处的位置(即数位)，按逢十进一决定其实际数值。 任意一个十进制正数D，可以写成如下形式：(D)10Dn-l10 n-1 +Dn-210 n-2 +Dl101+D0100+Dl10 -1+D-210-2+D-n10-n2.二进制 在二进制计数制中，基数是2，计数的原则是“逢2进1”。特征如下： 使用两个不同的

2、数码符号0和l 基数为2 每一个数码符号根据它在数中所处的位置(即数位)，按逢二进一决定其实际数值。 任意一个二进制正数B，可以写成如下形式：(B)2Bnl2 n-1 +Bn22 n-2+Bl21+B020+Bl2 -1+B-21-2+B-n1-n 十进制TO二进制 把十进制整数转换成二进制整数通常采用的方法是“除以2取余数”。 把十进制小数转换成二进制小数所采用的规则是“乘2取整”。 在计算机中，数的存储、运算、传输都使用二进制。 例 1-2 将十进制小数0.6875转换成二进制小数 3八进制在八进制计数制中，基数是8，计数的原则是“逢8进1”。特征如下：使用8个不同的数码符号0，1，2，3

3、，4，5，6，7基数为8每一个数码符号根据它在数中所处的位置(即数位)，按逢八进一来决定其实际数值。 任意一个八进制正数S，可表示为：(S)8Snl8 n-1+Sn28 n-2+S18 1+S08 0 +Sl8 1+S-m8-m 转换: 将十进制整数转换成八进制整数的方法是“除以8取余数”。 将八进制数转换成二进制数的方法是：把八进制数中的每一位数都用相应的三位二进制数来代替。 例1-3 将十进制数59转换成八进制数 例1-4 将十进制小数0.6875转换成八进制小数 4。十六进制 在16进制计数制中，基数是16，计数的原则是“逢16进1”。特征如下：使用16个不同的数码符号，它们是0，l，2

4、，3，4，5，6，7，8，9，A，B，C，D，E，F基数为16每一个数码符号根据它在数中的位置(即数位)，按逢十六进一。 对任意一个十六进制正数H，可表示为： (H) 16Hn-l16 n-1+Hn216 n-2+Hl16 1+H0l16 0+Hl16 1+H-m16-m 转换 将十进制整数转换成十六进制整数的规则是“除16取余”。十六进制数计数的原则是“逢16进1”。 例1-5 将十进制数89转换成十六进制数 将十六进制数转换成二进制数的方法将十六进制数转换成二进制数的方法是：把十六进制数中的每一位数都用相应的四位二进制数来代替。 例1-6 将十六进制数10AC转换成二进制数 1.1.2 数

5、的表示1机器数的特点 机器数表示的数值范围受计算机字长的限制。 机器数的符号位被数值化。 机器数的小数点处于约定的位置。2带符号数的表示带符号数有三种表示方法:原码、反码、补码。原码特征如下： 原码形式与二进制数的原来表示方法基本一样。 原码中增加了专门表示数的正、负的符号位，也就是用0表示正号，用1表示负号。 最左边一位的0和1不代表具体数值，而分别表示“+”和“-”。反码正数的原码和反码完全一样。 负数的反码是由其原码的数值部分求反(即由0变为1，1变为0)而得到的。补码 补码是计算机中带符号数的实用表示方法。规定如下： 正数的补码与原码和反码是一样的。 负数的补码可由其反码的末位加1。即

6、负数的补码是对其原码除符号位外各数值位求反并在末位加1而得到的 3数中小数点的表示 数的定点表示: N2PS( 式中S称为数N的尾数，P称为数N的阶码，2称为阶码的底。) 数的浮点表示负数的表示1.1.3 数的运算 1定点数运算 定点补码加减法的运算规则： 操作数均为补码表示； 符号位一起参加运算； 加法：做X补+Y补； 减法：做X补+Y补； 运算过程中，符号位向前的进位为模，舍弃； 运算结果仍为补码。 2.浮点数的运算 浮点数的运算规则如下： 对阶：其原则为小阶向大阶看齐。 尾数加减：按定点数加减运算规则求两数的和（差）。 结果规格化 舍入规则1.2 基本逻辑电路 1逻辑门电路 与门:与门的

7、逻辑式为 Y=AB 或门:或门的逻辑式为 Y=A+B 非门:非门的逻辑式为 Y=Y上有一个横线加法器（1）半加器 “半加”是只求本位相加的和，而不管低位来的进位。半加器的逻辑状态表如表1-2所示。表1-2中A和B是两个加数，C是进位，S是半加和。半加器（1）全加器 多位数相加时，最低位可以用半加器求本位和，另外给出进位位；第二位相加则要求有本位两个数Ai、Bi及低位的进位Ci-1之和；同时给出向高位的进位Ci。全、半加器的逻辑状态表如表1-3所示。 1.2.2译码器、触发器和寄存器2触发器 门电路是组合逻辑电路的基本单元。触发器是时序逻辑电路的基本单元。双稳态触发器具有置位、复位、计数、记忆等

8、多种功能。由它可以构成多种形式的触发器，如R-S触发器、J-K触发器和D触发器。 D触发器是由J-K触发器和反相器结合构成。当D=1时，在CP时钟上升沿Q=1；当D=0时，在CP时钟上升沿Q被复位为0，其逻辑功能为Qn+1=Dn，即触发器的输出状态取决于其输入状态，其逻辑状态真值表如表1-5所示。 3寄存器 寄存器是用来暂时存放数码的常用时序逻辑部件。它由触发器及有关逻辑门电路构成。计算机中的8位、16位或32位寄存器，分别由8个、16个或32个触发器组成，由逻辑门电路控制数码的存入和取出。1.3 微型计算机 1.3.1 电子数字计算机概述 电子数字计算机是一种能按照事先编好的程序（指令序列）

9、自动地、高速地、准确地进行大量运算和对信息进行加工处理的电子设备。 第一代：电子管时代。计算机采用电子管作为逻辑元件。 第二代：晶体管时代。 第三代：集成电路时代。 第四代：大规模集成电路时代。 未来的计算机将朝巨型化、微型化、网络化与智能化的方向发展。第五代计算机将是完全新型的一代计算机。 电子计算机的特点和分类1电子计算机的特点和分类特点: 运算速度快 计算精度高 记忆能力强 具有复杂的逻辑判断能力和自动执行程序的能力。分类:目前国际上把计算机分为巨型计算机、大型主机、小型计算机、个人计算机、工作站和小巨型计算机六大类。 计算机系统组成2计算机系统组成 任何计算机系统都由硬件系统和软件系统

10、两部分组成。 硬件系统主要包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个部分。 软件系统包括计算机本身运行所需的系统软件和用户完成任务所需的应用软件。 计算机是依靠硬件和软件的协同工作来执行给定任务的。 计算机的硬件系统 所有冯诺依曼结构的计算机都由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五部分组成,其中运算器和控制器又称为中央处理单元（CPU）。运算器：负责数据的算术运算和逻辑运算，即数据的加工处理部件。控制器：对程序规定的控制信息进行分析、控制，并协调输入、输出操作或内存访问。存储器：存储程序和数据，是具有记忆功能的部件。输入设备：把用户的程序和数据输入到计算机的存储器。输出设备：从

11、计算机中取出程序执行结果或其它信息。 计算机硬件结构图 4计算机软件系统 软件是组成计算机系统必不可少的、以程序为主体、包括相应文档和使用说明书的非实体性部件。 程序是组成软件的主体，是用程序设计语言表达计算机的处理步骤、指挥计算机进行某种操作的指令序列。 文档是指在软件开发计划、设计、制作、维护等过程中产生的文件、资料、说明、程序等必备的资料。使用说明书包括软件的用户手册、操作手册、维护手册等。 计算机软件系统由系统软件和应用软件组成。 系统软件 系统软件是管理、监控和维护计算机资源的软件。 系统软件主要包括各种操作系统，各种程序设计语言及其解释程序和编译程序，机器的监控管理程序，调试程序，

12、故障检查和诊断程序等。 操作系统是系统软件中的核心。 应用软件 应用软件是用户为使用计算机解决实际问题所开发的软件的总称。应用软件分为两类,即公共应用软件和按行业、业务分类的应用软件。 公共应用软件是不分业务、行业，基本上可公共使用的软件。它主要包括数据处理类软件，声音、图形、图像、文献等信息处理软件，信息检索软件、人工智能方面的软件和CAD/CAM、CAICMI、DSS等方面的通用软件。 5 计算机工作过程首先要编制程序。通过输入设备将程序和原始数据送入存储器在程序运行后，计算机就从存储器中取出指令，送到控制器中去分析、识别。 控制器根据指令的含义发出相应的命令，控制存储器和运算器的操作；当

13、运算器任务完成后，就可以根据指令序列将结果通过输出设备输出。操作人员还可以通过控制台启动或停止机器的运行，或对程序的执行进行某种处理。 1.3.2 微型计算机组成与配置 微型计算机是以微处理器为核心，配以大规模集成电路存储器、输入/输出接口电路及系统总线所组成的计算机。1微型计算机的发展阶段 30多年来，微型计算机的发展经历了以下几个发展阶段： 第1阶段(1971年 1972年): 微型计算机采用的微处理器是Intel的4004和8008。 第2阶段(1973年 1977年)：微型计算机采用8位微处理器(如Intel的8080)。其流行机种是TRS-80和AppleII。 第3阶段（1978年

14、 1984年）：微型计算机采用16位微处理器(如Intel的8086和8088)。其流行机种是IBM PC和IBM PC/XT。 微型计算机的发展阶段 第4阶段（1985年 1992年）：微型计算机采用32位微处理器(如Intel的80386、80486等)。其流行机种是PC386和PC486。 第5阶段（1993年至现在）：采用了新一代微处理器，如Pentium。Pentium处理器的内部数据总线为32位，外部数据总线为64位。目前流行机种是PIV。近来，出现了采用 64位的微处理器作为CPU的微型计算机，64位微型计算机具有64位运算能力、64位寻址空间和64位数据通路。 2 微处理器、微

15、型计算机与微型计算机系统 微处理器是指采用大规模集成电路技术，将具有运算器和控制器功能的电路及相关电路集成在一片芯片上的大规模集成电路。微处理器是微型计算机的核心，又称为微型计算机的中央处理器。 微型计算机是指以微处理器为核心，配以大规模集成电路构成的主存储器、输入输出接口电路及系统总线所组成的计算机。微型计算机又称为个人计算机（PC）、微电脑等。 微型计算机系统是指以微型计算机为核心，配以相应的外部设备、电源、辅助电路以及控制微型计算机工作的系统软件所构成的计算机系统。 3微型计算机硬件系统 微型计算机属于冯诺依曼结构的计算机。但是，微型计算机的运算器、控制器不再是两个独立的部件，它集成在一

16、块微处理器上，称为微处理器。高档微机有的使用两个或多个微处理器。采用一个微处理器的微型计算机硬件系统是由微处理器（CPU）、存储器、系统总线及输入输出设备组成，如图1-4所示。 微型计算机硬件系统 图（1）中央处理单元 中央处理单元是一块微处理器芯片，芯片上集成有控制器、运算器、寄存器等功能部件。 运算器又称算术逻辑单元，具有算术运算和逻辑运算功能，是计算机对数据进行加工处理的部件。 控制器主要由指令寄存器、译码器、程序计数器、操作控制器等组成，负责对程序规定的控制信息进行分析、控制，并协调输入、输出操作或内存访问。 寄存器是处理器内部的暂时存储单元。(2)存储器 存储器是计算机实现记忆功能的

17、部件。存储器主要包括主存储器和辅助存储器。主存储器由半导体存储器RAM和ROM组成，又称为内存；辅助存储器又称外存储器，包括软盘存储器、硬盘存储器和光盘等。 （3）输入输出设备 常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、数码相机等。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。一般而言，外存储器也属于输入、输出设备。 （4）总线 微型计算机系统采用总线结构将CPU、存储器和外部设备进行连接。所谓总线就是在两个以上数字设备之间提供传送信息的公用通道。总线通常由数据总线、控制总线和地址总线三部分组成。其中数据总线在CPU与内存或输入输出接口之间传送数据；控制总线用来传送各种控制信号；地址总线用来传送存储单元

18、或输入输出接口的地址信息。(5) 网络设备 随着计算机网络技术的发展，微型计算机适应网络的需求，出现了许多网络设备，如路由器、调制解调器等。将这些设备硬说成是输入输出设备有点牵强附会，因此将这些设备归为网络设备。 这样，微计算机硬件系统又可以说是由微处理器、存储器、输入、输出设备和网络设备等部分组成。4 微型计算机主要组装部件 组成微型计算机的组装部件主要有主机系统板、显示器、键盘、软磁盘驱动器、硬磁盘驱动器及各种适配卡。若要组装一台适合用户需要的兼容机，只要选择合适的一组配套的配件，并按照配件的技术要求，正确组合安装，就可以构成一台微型计算机。 (1)主机系统板 主机系统板位于主机箱内，主机

19、系统板上通常配置中央处理器CPU及其外围电路、基本存储器RAM和ROM、高速缓冲存储器及其控制电路、输入输出控制电路、I/O扩充插槽、键盘接口及扬声器接口、面板控制开关及指示灯连接用接插件及电源接插件等。不同型号的主机系统板的尺寸及元器件配置位置不同。 (1) 电源和机箱 微机机箱的品种和样式较多，目前常见的有立式和卧式两种，又以立式为多。电源盒装配在主机箱内，功率大约分150W，200W，230W，300W等几个档次。(2)显示器和键盘 显示器分单色显示器和彩色显示器。显示器必须通过显示器适配卡与主机相连。键盘通常用101键盘和102键盘，通过电缆与主机连接。 (3)显示器和键盘 显示器分单

20、色显示器和彩色显示器。显示器必须通过显示器适配卡与主机相连。键盘通常用101键盘和102键盘，通过电缆与主机连接。 (4)磁盘驱动器 磁盘驱动器有软磁盘驱动器和硬磁盘驱动器。软磁盘驱动器常用3.5英寸，硬盘多用3.5英寸硬盘机。磁盘驱动器通过磁盘适配(卡)与主机相连。（5）光盘驱动器 目前常用的光盘驱动器多为CD-ROM驱动器，用于读取CD-ROM盘片上的数据。（6）各种适配卡 主机系统板上通常有58个I/O扩充插槽，用于插接各种适配卡。常用的适配卡有：显示器适配卡、软/硬磁盘驱动器适配卡、多功能卡、网络适配器卡、汉字库卡、防病毒卡、A/D及D/A卡、声卡以及各种数字量I/O卡等。5微型计算机

21、性能指标通常用微型计算机的性能指标表述微型计算机的性能。微型计算机的主要性能指标有字长、主存储器容量、时钟频率和运算速度等。 字长字长是计算机中的CPU一次能够同时处理的二进制数据的位数，它直接影响到计算机的计算精度、功能和速度。一般微型计算机字长有8位，16位，高档微机为32位。目前已出现字长64位的微型计算机。根据字长分类，微型计算机可分为16位机，32位机、64位机等。 主存储器容量主存储器的容量指的是主存储器中RAM和ROM的容量总和。主存储器容量越大，运算速度越快，数据处理能力越强。微计算机主存储器以字节为单位存储信息。通常，将1024个字节（Byte）称为1KB，1024KB称为1

22、MB，1024MB称为1G B。目前， Pentium机容量具有256MB，高端PC使用512MB，已经开始向1GB内存发展。 微型计算机性能指标 运算速度 通常运算速度用每秒钟能执行的指令数来表示，单位一般用 MIPS（每百万条指令/秒） 。目前，高档微机的运算速度可达几千万次/秒。 主频主频是指计算机的时钟频率，单位为兆赫兹（MHz） 。时钟频率很大程度上决定了计算机的运算速度，时钟频率越高，运算速度越快。目前，Pentium IV 型芯片主频高达 3000MHz。 可靠性 可靠性是指在给定时间内，计算机系统能正常运转的概率。通常用平均无故障时间MTBF表示，指系统能正常工作的平均时间。

23、可维护性 指计算机的维修效率。通常用平均修复时间MTTR来表示，即从故障发生到故障修复所需的平均时间。6.微型计算机应用微型计算机应用已经涉及各个领域，成为人类社会生活不可缺少的工具。目前，微型计算机应用主要集中在以下几个方面： 科学计算解决科学技术和工程设计中的数据量很大、计算复杂的数学问题，如人造卫星与运载火箭的轨道设计，导弹发射的飞行轨迹计算等。 信息处理 利用计算机可以对任何形式的数据进行加工和处理，例如文字处理、图形图像处理和声音信号处理等。自动控制 利用计算机对生产过程进行控制，可以提高生产的自动化水平，减轻劳动强度，提高劳动生产率和产品质量。目前，计算机过程控制已广泛应用于机械、

24、电力、石油、化工、冶金、纺织等行业，使生产过程的自动控制达到新的阶段，大大提高劳动生产率和产品质量。计算机辅助工程应用所谓计算机辅助设计（CAD：Computer Aided Design）就是用计算机来帮助设计人员进行设计。常用于飞机、轮船、建筑工程等复杂设计工程中，利用计算机进行设计可以提高设计质量，缩短设计周期，提高设计的自动化水平。由计算机辅助设计派生出计算机辅助制造（CAM） ，计算机辅助教学（CAI）等。 计算机网络通信 计算机网络是计算机技术与现代通信技术相结合的产物。利用计算机网络，可以使一个地区、一个国家甚至全世界范围内实现计算机软、硬件资源共享，从而使众多的计算机可以方便的

25、进行信息交换和相互通信。第2章 微处理器2.1 微处理器的原理与组成2.1.1 微处理器的基本结构 微处理器:是一种采用大规模集成电路技术，将具有运算器和控制器功能的电路及相关电路集成在一片芯片上的大规模或超大规模集成电路。 微处理器的硬件1 微处理器的硬件组成 一般而言，微处理器芯片上集成有控制器、运算器、寄存器以及连接它们的内部总线等部件。 运算器具有算术运算和逻辑运算功能，是对数据进行加工处理的部件，又称为算术逻辑单元。微处理器的硬件 控制器主要由指令寄存器、译码器、程序计数器、操作控制器等组成，负责对程序规定的控制信息进行分析、控制，协调输入、输出操作或内存访问。 寄存器是微处理器内部

26、的暂时存储单元。各部件之间通过内部总线交换信息。 2.微处理器的功能部件 随着超大规模集成技术的发展，微处理器内部主要功能部件也由8086的两个功能部件（执行部件、总线接口部件）扩展到有总线接口部件、高速缓存（Cache）部件、取指/译码部件、指令缓冲池部件、调度/执行部件、回退部件、寄存器组部件等. 图2-1 微处理器内部功能结构 2.1.2 微处理器的工作原理 微处理器的工作过程就是执行程序的过程，而执行程序就是逐步执行一条条指令。微处理器在执行一条指令的步骤如下。 1. 取指令 指令预取部件向指令快存提取一条指令。 2.指令译码 指令译码部件将取得的指令翻译成起控制作用的微指令。 3.取

27、操作数 根据计算出的该指令所使用的操作数的物理地址，请求总线接口部件，通过总线从存储器取得该操作数。4.执行运算 按照指令操作码的要求，通过执行微指令，对操作数完成规定的运算处理。5.回送结果 将指令的执行结果回送内存或某寄存器中。微处理器的工作过程是取指令、指令译码、取操作数，再取指令，周而复始地进行。 2.1.3微处理器特点与分类1微处理器的特点（1）体积小，功耗低 一个单片微型计算机，可以做在仅几十平方毫米的硅片上。如32位微处理器Pentium片内集成有310万个晶体管。（2）可靠性高，使用环境要求低 由于使用大规模集成电路和超大规模集成电路，简化了外接线和外加逻辑，安装容易，大大提高

28、了可靠性。（3）系统设计灵活，使用方便。2微处理器分类 微处理器分类方法很多，主要有两种。 按微处理器位数分类有：位片、4位、8位、12位、16位、32位、64位等微处理器。 按微处理器的应用领域分类有： 通用高性能微处理器； 嵌入式微处理器； 数字信号处理器（DSP) 微控制器 主要用于汽车、空调、自动机械等领域的自动控制设备。 2.2 8086/8088微处理器2.2.1 8086/8088主要特征 Intel8086采用HMOS工艺制造，内含29000多个晶体管，双列直插式封装，40引脚，采用单个+5V电源供电,时钟频率5MHz 10MHz。 8086主要特性8086主要特性是：16位数

29、据总线（8088外部数据总线为8位）。 20位地址总线，其中低16位与数据总线复用。 24位操作数寻址方式 。 16位端口地址线可寻址64K个I/O端口。 7种基本寻址方式。 99条基本指令。具有对字节、字和字块进行操作的能力。可处理内部软件和外部硬件中断，中断源多达256个。 支持单处理器、多处理器系统工作。 2.2.2 8086 CPU内部结构 8086微处理器的内部结构 它由两大部分组成： 总线接口部件BIU(Bus Interface Unit) 执行部件EU(Execution Unit)。 和一般的计算机中央处理器相比较，8086的EU相当于运算器，而BIU则类似于控制器。 808

30、6微处理器的内部结构 图 1. 执行部件 EU 执行部件EU是进行数据处理、加工和有效地址计算的部件，即完成指令译码和执行指令操作。它主要由算术逻辑运算单元、标志寄存器、通用数据寄存器组、专用寄存器组和EU控制电路等组成。（1）算术逻辑运算单元(ALU) 算术逻辑运算单元是一个16位的运算器，可用于8位、16位二进制算术和逻辑运算，也可按指令的寻址方式计算寻址存储器所需的16位偏移量。 （2）标志寄存器 标志寄存器是一个16位的寄存器，反映CPU运算的状态特征和存放某些控制标志。8086使用了9位。标志寄存器如图2-3所示。其中6个标志位用来反映CPU的运行状态信息 CF 进位标志：当执行一个

31、加法(或减法)运算使最高位产生进位(或借位)时，CF为1；否则为0。此外循环指令影响CF。 PF 奇偶标志：当指令执行结果的低8位中含有偶数个1时，PF为1；否则为0。 AF 辅助进位标志：当执行一个加法(或减法)运算使结果的低4位向高4位有进位(或借位)时，AF为1；否则为0。 ZF 零标志：若当前的运算结果为零，ZF为1；否则为0。 SF 符号标志：它和运算结果的最高位相同。 OF 溢出标志：当补码运算有溢出时，OF为1；否则为0。 标志寄存器控制标志位 3个控制标志位 用来控制CPU的操作，由程序进行置位和复位。它们是： TF 跟踪(陷阱)标志：为方便程序调试而设置。若TF置1，8086

32、处于单步工作方式；否则将正常执行程序。 IF 中断允许标志：用来控制可屏蔽中断的响应。 DF 方向标志：用来控制数据串操作指令的步进方向。若DF置1，则串操作过程中地址会自动递减；否则自动递增。 （3）数据寄存器 4个16位的数据寄存器AX、BX、CX、DX用于暂存计算过程中所用到的操作数及结果。数据寄存器既可作为16位，也可作为8位数据寄存器使用。 4个16位的数据寄存器除用作通用寄存器外，还有各自的专门用途，例如: AX在算术运算中用做累加器；BX在计算存储器地址时常用做基址寄存器；CX在串操作指令及循环中用做计数器等。 （4）专用寄存器 8086提供了4个专用寄存器，即基数指针寄存器BP

33、、堆栈指针寄存器SP、源变址寄存器SI和目的变址寄存器DI。 地址指针和变址寄存器一般用来存放地址的偏移量； SP和BP是用来指示存取位于当前堆栈段中的数据所在的偏移地址； 变址寄存器SI和DI用来存放当前数据段的偏移地址。 （5）EU控制电路 EU控制电路负责从BIU的指令队列缓冲器中取指令，并对指令译码，根据指令要求向EU内部各部件发出控制命令，以完成各条指令规定的功能。 2总线接口部件BIU概述： 总线接口部件BIU负责与存储器及外部设备接口，完成8086/8088CPU与存储器间的信息传送。 总线接口部件BIU由20位地址加法器、段寄存器、16位指令指针、指令队列缓冲器和总线控制电路等

34、组成。 地址加法器和段寄存器（1）地址加法器和段寄存器 8086的20条地址线，可直接寻址1MB存储器物理空间。从CPU内部看，它均为16位的寄存器，所以CPU不能直接寻址1MB空间。为此，8086用一组段寄存器将这1MB存储空间分成若干个逻辑段，每个逻辑段长度64KB，用4个16位的段寄存器分别存放各个段的起始地址(又称段基址)。用16位的寄存器实现20位物理地址的形成过程如图2-4所示。它是由专门的地址加法器将有关段寄存器内容左移4位后，与16位偏移地址相加，形成一个20位物理地址。 20位物理地址的形成过程图 代码段寄存器CS 存放当前执行程序所在代码段的段基址。 数据段寄存器DS 存放

35、程序当前使用的数据段的段基址。 堆栈段寄存器SS 存放程序当前使用的堆栈段的段基址，堆栈操作的数据就在这个段中。 附加段寄存器ES 存放程序当前使用的附加段的段基址。（2）16位指令指针IP(Instruction Pointer) 16位指令指针IP用来存放将要取出的指令在现行代码段中的偏移地址。它与CS组合使用，才能确定下一条指令存放单元的物理地址。 （3）指令队列缓冲器 8086的指令队列为6个字节，在EU执行指令的同时，从内存中取下面一条或几条指令，取来的指令依次存放在指令队列中。它们按“先进先出”的原则存放，并按顺序取到EU中执行。 （4）总线控制电路 总线控制电路将8086的内部总

36、线和外部总线相连，是8086与内存单元和IO端口进行数据交换的必经之路。 它包括16条数据总线、20条地址总线和若干条控制总线，CPU通过这些总线与外部世界取得联系，从而形成各种规模的8086微型计算机系统。 2.3 802868038680486微处理器2.3.1. 80286微处理器1. 80286的特征 第二代微处理器。是一种高性能的16位微处理器 具有高效率的任务转换功能，适用于多用户、多任务系统。 引入虚拟地址空间的概念 具有保护功能 工作时钟为812MHz，工作时钟多样化，便于组成高性能价格比的系统。2. 80286的结构 与8086相比，80286内部结构中，除了EU执行单元外，

37、总线接口部件BIU又细分成地址部件AU、指令部件IU和总线部件BU。 这四个部件能够并行工作，构成了取指、指令译码和指令执行重叠进行的流水线工作方式，提高了数据的吞吐率，提高了微处理器的处理速度，从而形成了现代微处理器一个重要的特征。 3.80286的工作方式 80286微处理器有两种工作方式：实地址方式和保护虚拟地址方式。 80286有24根地址线，在实地址方式下，只使用其中的低20位地址(A0 A19)，实际寻址能力和8086的一样为1MB。 80286在保护虚拟方式下，同样利用段选择器和偏移量组成逻辑地址。其逻辑寻址空间达230(1 000MB)字节。但由于地址总线只有24根，因而实际的

38、物理存储空间最大为16MB(224B)。 2.3.2 80386微处理器 80386与80286相比，其主要改进是： 80386是一种32位微处理器； 引进了线性地址和分页处理的概念； 采用了流水线结构； 引入高速缓冲存储器。1. 80386的特征 32位结构的微处理器。 32位的物理地址，最大可支持4GB字节的物理内存空间。在保护方式下，其逻辑地址空间可高达64M字节。 引进了线性地址和分页处理的概念。 采用了流水线结构，引入高速缓冲存储器 具有32位的内部和外部数据通道 通过协处理器80287或80387，支持数据的高速处理。 2. 80386微处理器内部结构 80386的内部结构是由6个

39、能并行操作的功能部件组成：总线接口部件代码预取部件指令译码部件存储器管理部件指令执行与控制部件。 这些部件按流水线结构设计，指令的预取、译码、执行等步骤由各自的处理部件并行处理。这样，可同时处理多条指令，提高微处理器的处理速度。3. 80387协处理器 为提高微处理器的数据处理速度，Intel公司还陆续开发了8087、80287和80387三种数值协处理器，形成了80868087、8028680287、8038680387构成的微计算机系统。协处理器的作用是专门进行实型数据的运算。由于引入的协处理器均为80位，使处理机的速度大大加快，处理的数据流量也大大增加。在进行浮点算术运算时，微处理机协处

40、理器系统比仅用微处理器组成的系统在进行运算方面，其速度要高出50 100倍。2.3.3. 80486微处理器1. 80486的特征 80486是Intel公司于1989年生产出80X86系列的第四代微处理器。 80486完全兼容80386系列机体结构和软件。 80486采用RISC技术。 将8KB的数据和指令混合型高速缓冲存储器和浮点运算部件FPU集成在芯片内。内部数据总线宽度为64位。2. 80486微处理器内部结构 80486的内部结构由执行部件(EU)、总线接口部件、指令译码部件、指令预取部件、分段管理部件、分页管理部件、高速缓存管理部件、浮点运算部件等8部分组成。其中，执行部件、总线接

41、口部件、指令译码部件、指令预取部件、分段管理部件和分页管理部件与80386的相似，但对指令预取部件、指令译码部件及控制逻辑部件均进行了调整，同时把高速缓冲存储器Cache都集中到指令流水线中，使这些部件都达到了最佳状态。 2.4 Pentium微处理器 2.4.1 Pentium特征 Pentium微处理器在80486的基础上作了很大改进，不仅增加了片内集成度，而且采用了新的体系结构。其主要特点是: 集成度高，片内集成有310万个晶体管。 时钟频率高。早期的Pentium为60MHz或66MHz。目前已发展到1800MHz。 采用超标量流水线结构，比相同频率的486DxCPU性能提高一倍。 P

42、entium特征 数据总线带宽增加。外部数据总线宽度为64位。 采用分立的指令Cache和数据Cache 结构。 采用新型的分页模式。 固化常用指令 内部提供了一个称之为分支目标缓冲器，从而加快了循环操作的速度。 重新设计的浮点运算部件。 在数据的完整性、容错性和节电性等方面采用了新的设计方法。 2.4.2 Pentium的内部结构 Pentium新技术1超标量流水线2分立的指令Cache和数据Cache3新型的分页模式4. 数据总线带宽增加5. 重新设计的浮点运算部件6. 固化常用指令7. 采用动态转移预测技术 2.4.3 Pentium的工作模式 Pentium亦支持三种工作模式：实地址模

43、式、受保护的虚拟地址模式和虚拟8086(V86)模式。 1实地址模式 2保护模式 3虚拟86模式 2.4.4 Pentium 处理器的发展 1. Pentium 处理器 1997年5月Intel公司正式推出Pentium微处理器。Pentium处理器提供了整数运算、浮点数运算和多媒体等三方面的优异计算能力。Pentium 处理器共有4档产品，处理器工作时钟频率分别为233、266、300和333MHz。 2Pentium 处理器 Intel公司于1999年2月发布。 Pentium 最重要的技术创新之一是增加了71条称为互联网SSE(Streaming SIMD Extensions，直译为数

44、据流单指令多数据扩展)的指令和处理机序列号。SIMD意为单指令多数据操作，就是让Pentium 用一条指令完成以往需4条指令才能完成的任务，即在相同的时间周期内，Pentium 可以处理4倍于原来的浮点运算数据。 3Pentium 微处理器 Pentium 处理器采用全新的内核结构，是Intel公司自1995年推出Pentium Pro处理器以来专门为桌面型电脑设计的新型处理器，是新一代32位处理器。 Pentium处理器运用Hyper Pipellined通道技术，实现处理器性能和频率的大幅提高。通过Rapid Execution Engine技术，处理器的算术逻辑单元运行在两倍的核心频率上

45、，允许在1/2时钟周期里执行某一指令，大大降低了运算中的延迟。400MHz系统总线，新的总线结构相当于3倍的Pentium 总线，它有128字节行，外部传输速率高达3.2GB/s。 Pentium采用Execution Trace Cache技术，Pentium的L1 Cache采用新的解码结构，可以更加有效的使用Cache的存储区。指令集SSE2在MMX和SSE指令集的基础上新增144条指令集，提高了应用程序的处理能力。 Pentium 处理器具备更高的性能和频率：拥有4200万个晶体管，比Pentium 多了50%；数据传输率可以达到44.8GB/s，几乎是Pentium 1G的3倍之多；

46、Pentium 管道总线频率高达400MHz，是目前PC133总线的Pentium 的三倍，可以提供高达2.1GB/s的内存通道，远远超过Pentium 的1.06 GB/sec。 Pentium 处理器为因特网、图形处理、数据流视频、语音、3D和多媒体等多种应用模式提供了强大功能，可谓是数字时代的核芯动力，融合众多先进技术的Pentium 处理器，性能全面提升，可同时流畅运行多个程序而速度不减，极大的提高了工作效率。Pentium Net Burst微架构带来更逼真的三维环境、更流畅的动画，同时，极大地加速视频编辑、处理过程，可用于自制家庭电影。2.5 64位微处理器 上个世纪90年代末，就

47、已经有了64位处理器，例如SUN公司的UltraSparc 、IBM公司的Power5、HP公司的Alpha等产品。目前市场上主流的64位处理器主要是Intel的IA-64处理器和AMD的x86-64。1. Intel的IA-64 IA-64是Intel和Hp共同开发的64位CPU架构。IA-64可以运行在Unix、Windows等三种不同的操作系统上。作为64位微处理器架构，IA64 代表了一种新的微处理器的发展方向。IA64 微处理器采用显示并行指令计算（简称EPIC）技术和分支预测、动态执行等技术，以提高指令执行的并行性。 （1）Itaniums（安腾）处理器安腾处理器是Intel第一个

48、执行IA-64指令的微处理器。安腾处理器具有浮点运算性能好、64位寻址能力、更大的缓存和高带宽总线等特点，所构成的高性能的服务器与工作站广泛适用于电子商务安全和交易处理、大型数据库和数据挖掘、机械设计以及科学和技术计算应用。Itaniums的功能包括平行执行指令，大型内存寻址、检纠错，2/4M的L3 Cache（三级内置缓存），高带宽，2.1GB/S的总线速度，目前最强大的浮点运算性能等。其初期产品的工作频率却仍然较低，只有733MHZ和800MHZ。（2）Itanium2Intel的64位处理器Itanium2（McKinley/Gallatin）主要用于服务器。 Itanium2处理器主频

49、为1GHz，三级缓存容量为3MB，需要E8870芯片组的支持。其速度达到前代Itanium处理器的两倍，新Itanium2处理器的运行速度比具有4MB三级缓存的Itanium 800MHz处理器快1.7-2.6倍，比Sun UltraSparc III 1050MHz快1.5倍。2AMD的x86-64为了使用户的计算平台实现从32位到64位体系结构的平滑过渡，在当Intel开发IA-64的同时，AMD公司开发了独特的X86-64结构。与目前的一些64位平台相比，基于X86结构的处理器可以实现对现有32位程序的完全兼容，可以在X86-64平台上继续使用现有的应用程序，不必等待开发人员或软件厂商对

50、程序的源代码进行重新编译，这将为用户省去大量的购买以及相关的培训费用。 目前，AMD推出了三个系列的64位处理器：面向服务器和工作站的Opteron系列，这个系列的处理器集成双通道DDR控制器，只支持带ECC校验的内存；面向高级个人电脑的Athlon FX系列（双通道DDR控制器，支持带或者不带ECC校验的内存）和面向高性能、低价格桌面电脑的Athlon 64系列（单通道DDR控制器，支持不带ECC校验的内存），并且正在推出面向笔记本市场的Moblie Athlon 64系列。第3章 80 x86指令系统3.1 指令和指令系统3.1.1概述1.指令 指令是计算机能够识别和执行的某种操作命令，每

51、条指令都严格规定了在机器运行时必须完成的一种操作。 指令主要由操作码和操作数地址两个部分组成。操作码是用来指出计算机应执行何种操作的一个二进制代码。操作数地址指出该指令所操作(处理)的对象(称为操作数)所在的存储单元的地址。指定操作数所在位置的方法称为寻址方式。 一条指令的取出和执行所必须的时间，称为指令周期。指令周期的大小依指令不同而异。指令周期通常用几个机器周期来表示，一个机器周期又包含若干个时钟周期（或时钟节拍） 。 2指令系统每一种微处理器有它自己独有的一组指令。大体上分类如下 。 (1) 数据传送指令。 (2) 算术运算指令。 (3) 逻辑运算指令。 (4) 移位运算指令。 (5)

52、位与位串操作指令。 (6) 控制转移指令。 (7) 输入输出指令。 (8) 其他指令。包括各种处理器控制指令，它们往往由操作系统专用。 3精简指令集(RISC)技术 RISC结构的计算机具有相对十分简单的指令系统，指令长度固定，指令格式与种类简单，寻址的方式也少，在处理器中增设大量的通用寄存器，采用硬件控制，从而使指令执行速度提高，同时依靠编译软件的支持调度指令的流水线执行，这样RISC系统获得了较高的性能价格比。 从80486开始到奔腾系列，均采用了精简指令集(RISC)技术。4指令的特征 指令系统应该具备下述特性： (1)指令的完备性。是指一个指令系统应满足给定的算法，可编出程序并实现之。

53、 (2)指令的有效性。指令系统中所包含的指令必须是有效的，从而可用相当少的指令编出实现某种算法的程序。 （3）指令的简明性。指一个指令系统能简化指令处理机的操作，又能简化编程。 （4）指令的效率。指系统中指令的执行时间。3.1.2 指令格式 指令一般由操作码和一个或多个操作数组成。 操作码指示指令所要完成的操作，例如数据传送、加法、减法等； 操作数指示指令执行过程中所需要的数据，如加法指令中加数、被加数等，这些数据可以是操作数本身，也可以来自某寄存器或存储器单元。一条指令中可以包含一个操作数，也可以包含一个以上的操作数。 80 x86微处理器机器指令编码的一般格式 : 8086指令格式2Pen

54、tium指令的一般格式 Pentium微处理器的一条指令是由可任选的指令前缀(可以以任何的次序)、一个或两个源操作码字节、有可能要用的地址说明符(由Mod R/M字节和按比例变址基址SIB字节构成)、一个位移量(根据需要)和一个立即操作数数据字段(如果需要的话)等元素组成的。 Pentium指令的一般格式 3.1.3 指令周期微处理器的工作过程，不外乎取出指令、执行指令，再取出指令、执行指令,.这样一个循环过程。一条指令的取出和执行所必需的时间，称为指令周期。指令周期是以一条指令的取出和执行所必须的时间而定义的，其时间的基准是微处理器时钟周期。 3.1.4 指令的流水线和并行控制 在微处理器中

55、，一条指令的执行全过程总是分成几步完成的。 从快存或主存取来指令， 译码此指令，确定指令的操作类型； 若操作需要操作数时，则确定操作数地址并从快存或主存取操作数； 执行所需的操作； 将执行结果写回寄存器或主存的指定位置中。 流水线 如果令实施指令功能的每一步由流水线的相应段来完成，则构成一条指令流水线。例如，一条指令流水线可由如下5个功能步组成： S1 取指令(IF) S2 指令译码(ID) S3取操作数(OF) S4执行(EX) S5写回(WB) 进入流水线的指令流，由于其后一指令的第i功能步与前一指令的第i-1功能步同时进行，从而一串指令总的完成时间大为缩短， 如图3-3所示，完成4条指令

56、的执行只用了8个时钟周期，若非流水线处理而顺序执行，则需用20个时钟周期。 Pentium流水线结构 Pentium系列微处理器的整数部件流水线结构也常分成五个阶段，并且有两条并行流水线，即U流水线和V流水线。这两条流水线中有些处理部件是共用的，有些是分开的，如图3-4所示。其流水线处理过程的五个阶段分别是：指令预取阶段PF、第一指令译码阶段D1、第二指令译码阶段D2、指令执行阶段EX和回写阶段WB。Pentium流水线结构 Pentium系列微处理器的浮点处理部件流水线结构具有8个执行阶段：即指令预取阶段PF、第一指令译码阶段D1、第二指令译码阶段D2、指令执行阶段EX、第一浮点指令执行阶段

57、EX1、第二浮点指令执行阶段EX2、结果回写到寄存器文件阶段WF、错误报告与状态修改阶段ER。前五个处理阶段与整数处理阶段共享，后面的几个处理阶段则不同。 3.2 寻址方式 1 立即寻址 立即寻址又称立即数寻址。操作数紧跟在操作码之后，直接放在指令中，这种操作数称为立即数。立即数规定只能为整数。立即数可以是8位或16位，若是16位，则低字节数放在低位地址中，高字节数放在高位地址中。例如： MOV AX ，2056H MOV指令是一个数据传送指令，它的功能是将数据2056H送AX寄存器，执行后，AL中为56H，AH中为20H。 举例 MOV AX ，3912H这条语句中，MOV指令是一个数据传送

58、指令，它的功能是将数据3912H送入AX寄存器，执行后，AL中为12H，AH中为39H。 直接寻址 在直接寻址方式下，操作数存放在存储单元中，该存储单元的16位段内偏移地址（又称有效地址EA）紧跟在操作码之后，直接包含在指令中，存放在代码段区域内。如果指令中未指定段跨越前缀，即未指明操作数存放在哪一段中，则默认操作数存放在数据段中。操作数的物理地址为：物理地址=16dDS+ 指令中16位地址偏移量（即有效地址EA） 如果操作数存放在数据段以外的段中，则应在指令中指定段跨越前缀。 举例 MOV AX，DS：2000H ；将数据段中偏移地址为2000H中的数送给AL，；2001H中的数送给AH 如

59、果（DS）=1000H，（12000H）=1234H，则EA=2000H，物理地址为12000H 。寄存器寻址 1特征操作数存放在指令指定的寄存器中。对于8位操作数，寄存器可以为AL，AH，BL，BH，CL，CH，DL，DH中的任一个，对于16位操作数，寄存器可为AX，BX，CX，DX，SI，DI，SP或BP之一。在寄存器寻址方式下，操作数从寄存器取得，而无需访问存储器来获取操作数，因此执行速度较快。 寄存器寻址举例MOV DX，AX ；将AX中的内容送入BX如果指令执行前（AX）=5308H，（DX）=1040H则指令执行后（DX）=5308H，（AX）保持不变，如图4-3所示。寄存器间接寻

60、址 1特征 在寄存器间接寻址方式下，操作数存放在存储单元中。操作数地址的16位段内偏移地址包含在寄存器BX、BP、SI和DI之一中，这些寄存器由指令指定。 如果指令中未指定段跨越前缀，则寻址时，对于BX、SI、DI寄存器，默认操作数在数据段中，操作数的物理地址为：物理地址=16dDS+BX/SI/DI 对于BP寄存器，默认的段寄存器为SS，操作数的物理地址为： 物理地址=16dSS+BP。 举例MOV AX，SI 如果（DS）=1000H，（SI）=2000H，（12000H）=1234H，则该指令操作过程如图所示。 寄存器相对寻址 1特征操作数存放在存储单元中，其有效地址由一个基址或变址寄存