燕山大学微机原理

微机原理讨论课贾存德140101010120机控2班微机系统的构成微型计算机系统包括硬件和软件两大部分。硬件是指构成计算机的实在物理设备。软件一般是指在计算机上运行的程序，是指计算机工作的命令。微型计算机主要是指的微型计算机的硬件系统，而且其核心是微处理器。1.1.1微型计算机的硬件组成三种进位计数制所谓进位计数制是指按照进位的方法进行计数的数制。在计算机中主要采用的数制是二进制，同时在计算机中还存在八进制、十进制、十六进制的数据表示方法。它们的区分符分别用B、O、D、H来表示。二进制转换成十进制转换原则：二进制各位上的系数乘以对应的权，然后求其和二进制转换成十六进制转换原则：以小数点为中心，整数部分从右向左，小数部分从左向右，“四位一体，不足补零”2・3十进制转换成n进制(n=2,8,16)转换原则：整数部分除n取余倒着写，小数部分乘n取整顺着写2.4十六进制转换成二进制转换原则：将十六进制上的每一位数码用四位二进制表示2・5十六进制转换成十进制转换原则：十六进制各位系数乘对应权然后求其和无符号数和有符号数在计算机中的描述有符号数就是用最高位表示符号(正或负)，其余位表示数值大小，无符号数则所有位都用于表示数的大小。3・1有符号数有符号数是针对二进制来讲的。用最高位作为符号位，"0"代表"+"，"1"代表"-";其余数位用作数值位，代表数值。有符号数的表示:计算机中的数据用二进制表示，数的符号也只能用0/1表示。一般用最高有效位（MSB）来表示数的符号，正数用0表示，负数用1表示。有符号数的编码方式，常用的是补码，另外还有原码和反码等。3.2无符号数无符号数是针对二进制来讲的，无符号数的表数范围是非负数。全部二进制均代表数值，没有符号位。4计算机中的码4.1用于表示有符号数的补码有符号整数有多种表达形式，计算机中默认采用补码。因为采用补码，减法运算可以变换成加法运算，所以硬件电路只需设计加法器。补码中，最高位表示符号：正数用0，负数用1；正数补码与无符号数一样，直接表示数值大小；负数补码是将对应正数补码取反，然后加1形成。原码和反码也是表达有符号整数的编码。正数的原码反码与补码和无符号数一样，而负数的原码是对应正数原码的符号位改为1，负数的反码是对应正数反码的取反。4.2用于表示十进制的BCD码一个十进制数位在计算机中用4位二进制编码表示，这就是所谓的二进制编码的十进制数（BCD）。将8位二进制（即一个字节）的高4位设置为0,仅用低4位表示一位BCD码，称为非压缩BCD码；而通常用一个字节表达两位BCD码，称为压缩BCD码。4.3美国标准信息交换码ASCII码码长7位，用来表示33个外设控制符号和95个可供打印的西文符号。常用的ASCII码：*大写字母A-Z的ASCII码为41H-5AH;*小写字母a-z的ASCII码为61H-7AH;*数字符号0〜9的ASCII码为30H〜39H。*回车的ASCII码为0DH。*换行的ASCII码为0AH。5十六位的CPU和八位的CPU十六位的CPU：—次性能处理的二进制数位为16位，即数据宽度为16位，也就是说处理器一次可以运行16bit数据；八位的CPU：一次性能处理的二进制数位为8位，即数据宽度为8位，也就是说处理器一次可以运行8bit数据。6CPU中的寄存器内部寄存器的类型含14个16位寄存器，按功能可分为三类8个通用寄存器，4个段寄存器，2个控制寄存器通用寄存器数据寄存器（AX，BX，CX，DX）地址指针寄存器（SP,BP）变址寄存器（SI,DI）数据寄存器8088/8086含4个16位数据寄存器，它们又可分为8个8位寄存器，即：AXBXCXDXAX：累加器AH，ALCX：计数寄存器。CH，CLBX：基址寄存器。 BH，BLDX：数据寄存器。 DH，DL地址指针寄存器SP堆栈指针寄存器，其内容为栈顶的偏移地址BP基址指针寄存器，常用于在访问内存时存放内存单元的偏移地址变址寄存器SI：源变址寄存器DI：目标变址寄存器控制寄存器CF(CarryFlag)进位标志位。加(减)法运算时，若最高位有进(借)位则CF=1OF(OverflowFlag)溢出标志位。当算术运算的结果超出了有符号数的可表达范围时，OF=IZF(ZeroFlag)零标志位。当运算结果为零时ZF=1SF(SignFlag)符号标志位。当运算结果的最高位为1时，SF=lPF(ParityFlag)奇偶标志位。运算结果的低8位中“1”的个数为偶数时PF=lAF(AuxiliaryCarryFlag)辅助进位标志位。加(减)操作中，若Bit3向Bit4有进位(借位)，AF=1控制标志位TF(TrapFlag)陷井标志位，也叫跟踪标志位。TF=1时，使CPU处于单步执行指令的工作方式。IF(InterruptEnableFlag)中断允许标志位。IF=1使CPU可以响应可屏蔽中断请求。DF(DirectionFlag)方向标志位。在数据串操作时确定操作的方向。十六位CPU的两个功能模块执行单元构成：运算器8个通用寄存器；1个标志寄存器；EU部分控制电路。功能：指令译码，指令执行，暂存中间运算结果，保存运算结果特征总线接口单元功能：从内存中取指令到指令预取队列指令预取队列是并行流水线工作的基础负责与内存或输入/输出接口之间的数据传送在执行转移程序时，BIU使指令预取队列复位，从指定的新地址取指令，并立即传给执行单元执行。标志寄存器状态标志CF(CarryFlag)进位标志位。加(减)法运算时，若最高位有进(借)位则CF=1。OF(OverflowFlag)溢出标志位。当算术运算的结果超出了有符号数的可表达范围时，OF=l。ZF(ZeroFlag)零标志位。当运算结果为零时ZF=1SF(SignFlag)符号标志位。当运算结果的最高位为1时，SF=l。PF(ParityFlag)奇偶标志位。运算结果的低8位中“1”勺个数为偶数时PF=lAF(AuxiliaryCarryFlag)辅助进位标志位。加(减)操作中，若Bit3向Bit4有进位(借位)，AF=1。控制标志TF(TrapFlag)陷井标志位，也叫跟踪标志位。TF=1时，使CPU处于单步执行指令的工作方式。IF(InterruptEnableFlag)中断允许标志位。IF=1使CPU可以响应可屏蔽中断请求。DF(DirectionFlag)方向标志位。在数据串操作时确定操作的方向。地址加法器段基地址：说明逻辑段在主存中的位置，简称段地址。为了能用16位寄存器表达段地址，8088规定段地址必须是模16地址，即xxxxOH形式。省略二进制的低4位0，段地址就可以用二进制的16位数据表示，通常被保存在16位的寄存器中。段内偏移地址：说明主存单元距离段起始位置的偏移量，简称偏移地址。由于限定每段不超过64KB，所以偏移地址也可以用16位数据表示。物理地址：对于每个存储单元都有一个唯一的20位地址，我们称之为物理地址或绝对地址。微处理器通过总线存取储存数据时，就采用这个物理地址。逻辑地址：在8088内部和用户编程时，所采用的“段地址：偏移地址”形式，我们称为逻辑地址。地址加法器：在8088的总线接口单元含有一个20位地址加法器。它可以将逻辑地址中的段地址左移二进制4位（对应16进制是一位，即乘以16），加上偏移地址就得到20位物理地址。10CPU内部的总线和外部的总线总线：是一组导线和相关的控制、驱动电路的集合。是计算机系统各部件之间传输地址、数据和控制信息的通道。地址总线（AB）数据总线（DB）控制总线（CB）总线的基本功能：数据传送仲裁控制出错处理总线驱动。总线的主要性能指标。总线带宽（B/S）：单位时间内总线上可传送的数据量总线带宽=位宽X工作频率。总线位宽（bit）：能同时传送的数据位数。总线的工作频率（MHz）。总线带宽=（位宽/8）x（工作频率/每个存取周期的时钟数。数据总线和地址总线及控制总线数据总线微处理器进行读操作时，主存或外设的数据通过该组信号线输入微处理器；微处理器进行写操作时，微处理器的数据通过该组信号线输出到主存或外设。数据总线可以双向传输信息，为双向总线。数据线的多少决定了一次能够传送数据的位数。地址总线在该组信号线上，微处理器单向输出将要访问的主存单元或I/O端口的地址信息。地址线的多少决定了系统能够直接寻址存储器的容量大小和外设端口范围。控制总线控制总线用于协调系统中各部件的操作。控制总线决定了总线的功能强弱，适应性的好坏。各类总线的特点主要取决于其控制总线。存储器存储器是存放程序和数据的部件。高性能微机的存储系统由微处理器内部的寄存器，高速缓冲储存器，主板上的主储存器，和以外设形式出现的辅助储存器构成。程序运行所需要的数据、程序执行的结果以及程序本身均保存在存储器中。计算机存储信息的基本单位是二进制（bit），—个字可存储一位二进制数：0或1。8个二进制位组成一个字节（byte）。输入输出接口为了增强微处理器功能，微机主板以I/O操作形式设置了中断控制器8259A和定时控制器等I/O接口电路。中断时微处理器正常执行程序的流程被某种原因打断并暂时停止，转向执行事先安排好的一段处理程序，待该处理程序结束后仍返回被中断的指令处继续执行的过程。中断来自微处理器内部就是内部中断，也成为异常；中断来自外部就是外部中断。14外设外部设备简称“外设”，是指连在计算机主机以外的硬件设备。对数据和信息起着传输、转送和存储的作用，是计算机系统中的重要组成部分。15根据存放地点计算机中的数据分成哪三类15.1立即数操作数立即数操作数(imm)是一个具体的数值，存放于指令中操作码之后。它可以是8位数值(i8),或者是16位数值(i16)。15.2寄存器操作数寄存器操作数(reg)存放于CPU的内部寄存器中。它可以是8位寄存器(⑻，或16位寄存器(r16)。15.3存储器操作数存储器操作数(mem)存放于存储器单元中。指令中给出的是操作数所在的存储器单元的逻辑地址。因段地址默认在DS中，故只给出偏移地址即可。16寻址16.1寻址方式指令由操作码和操作数两部分组成。操作码说明计算机要执行哪种操作。操作数就是各种操作的对象。操作数分为三类立即数操作数(Immediate)寄存器操作数(Register)存储器操作数(Memory)操作数的存在位置不同分为三种寻址方式立即数寻址方式立即数寻址方式的操作数就直接存放在机器代码中，紧跟在操作码之后。例如MOVAX,0102H ;AX=0102H其中0102H就是立即数操作数，它可以是8位数值(i8),或者是16位数值(i16)。立即数寻址方式常用来给寄存器和存储器单元赋值。寄存器寻址方式寄存器寻址方式的操作数存放于CPU的内部寄存器(reg)中。它可以是8位寄存器(r8)，或16位寄存器(r16)。另外还可以存放在4个段寄存器(seg)中MOVAX，BX；操作数AX、BX均为寄存器操作数。寄存器寻址方式的操作数存放于CPU的内部寄存器中，不需要访问存储器，因而执行速度较快时经常使用的方法存储器寻址方式存储器操作数存放于存储器单元中。指令中给出的是操作数所在的存储器单元的逻辑地址。有以下5种具体方式：一、 直接寻址方式：指令中直接给出操作数的偏移地址。段地址默认在DS中，可用段超越前缀来改变。二、 寄存器间接寻址方式：操作数的偏移地址存放于寄存器BX/BP/SI/DI中。使用寄存器BP寻址时，默认的段寄存器为SS；使用其他寄存器寻址，默认的段寄存器为DS。均可以使用段超越前缀改变。三、 寄存器相对寻址方式：操作数的偏移地址是寄存器（BX/BP/SI/DI）的内容与有符号的8位或16位位移量之和。其中BX、SI、DI寄存器默认是数据段DS，BP寄存器默认是堆栈段SS;但都可用段超越前缀改遍。四、 基址变址寻址方式：操作数的偏移地址是一个基址类寄存器（BX或BP）的内容与另一个变址类寄存器（SI或DI）的内容之和。若机制寄存器使用BX，其默认段为数据段DS;若机制寄存器使用BP，其默认段为堆栈段SS；都可用段超越前缀改变。五、 相对基址变址寻址方式：操作数的偏移地址是一个基址类寄存器（BX或BP）的内容，一个变址类寄存器（SI或DI）的内容与有符号的8位或16位位移量之和。与BX约定的段为数据段DS,与BP约定的段为堆栈段SS。；都可用段超越前缀改变。逻辑地址和物理地址逻辑地址：在8088内部和用户编程时，所采用的“段地址：偏移地址”形式，我们称之为逻辑地址。物理地址：对于每个存储单元都有唯一的20位地址，我们称之为物理地址或者绝对地址；微处理器通过总线存取存储器数据时，就采用这个地址。内存的分段管理8088CPU有20根地址线，最大可寻址内存空间为1MB。而8088的寄存器只有16位，指令指针（IP）和变址寄存器（SI、DI）也是16位的。用16位的地址寻址1MB空间是不可能的。所以就要把内存分段，也就是把1MB空间分为若干个段，每段不超过64KB，在8088中设置4个16位的段寄存器，用于管理4种段：CS是代码段,DS是数据段,SS是堆栈段,ES是附加段。把内存分段后，每一个段就有一个段基址，段寄存器保存的就是这个段基址的高16位，这个16位的地址左移四位（后面加上4个0）就可构成20位的段基址。这样，每个存储器单元还可以用“段基地址：段内偏移地址”表达其精准的物理位置。19MOV指令的格式MOVreg/mem，imm；立即数送寄存器或主存，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把待查表格的一个字节内容送到AL累加器中。在执行该指令前，应将TABLE（字节表格的变量名）先送至BX寄存器中，然后将待查字节与其在表格中距表首地址位移量送AL,即AL<--（（BX）+（AL））.执行XLAT将使待查内容送到累加器。该指令又可以称为翻译指令。在程序设计中，有时要把一种代码转化为另一种代码，如：数字0~9转化为7段显示器件所需要的驱动代码等，就可以采用XLAT指令来实现。21段寄存器21.1代码段：用来存放程序的指令序列。代码段寄存器CS存放代码段的段地址，指令指针寄存器IP指示代码段中指令的偏移地址。处理器利用CS:IP取得要执行的指令。21.2堆栈段：是堆栈所在的主存区域。用来暂时存放数据、保存程序断点、和向子程序传递参数等。堆栈段寄存器SS存放堆栈段的段地址，堆栈指针寄存器SP指示堆栈栈顶的偏移地址。处理器利用SS:SP操作堆栈中的数据。21・3数据段：存放当前运行程序所用的数据。数据段寄存器DS存放数据段的段地址，存储器中操作数的偏移地址由各种主存寻址方式得到，称之为有效地址EA。21.4附加段：是附加的数据段，也用于数据的保存。附加段寄存器ES存放附加段的段地址，串操作指令将附加段作为其目的操作数的存放区域22段超越段寄存器的使用规定有时允许段超越的情况。例如，一般数据访问使用DS,也允许进行段超越，即可以是其他段；使用BP基址指针寄存器访问主存，则默认是SS段，同时也允许段超越。段超越前缀用来改变默认段寻址，通常内址寻址是数据段或者堆栈段，但你可以在指令前面加上段超越前缀，就可以访问到其它段内的数据。我们通常用到