微机原理及接口技术
《微机原理及接口技术 吴宁》 学习记录
微信计算机基础
微型计算机概述
计算机系统是一种由硬件系统和软件系统组成的复杂电子装置，它能够存储程序、存储原始数据、中间结果和最终运算结果，并自动完成运算，是一种能对各种数字化处理的 “信息处理机”。微型计算机是一种小型的、可编程的计算机，它可以用于执行复杂的计算任务。它们通常由一个或多个微处理器组成，可以存储和处理大量的数据，并且可以运行复杂的程序。它们可以用于控制机器和设备，以及用于收集、处理和传输数据。
微机的发展
自1946年第一台计算机问世已在，已经历了由电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机到大规模、超规模集成电路计算机这样五代的更替、并且在不断地向巨型化、微型化、网络化和智能化这4个方向发展。
微机的工作过程
- 冯·诺依曼计算机的主要特点
（1）将计算过程描述为由许多条指令按一定顺序组成的程序、并放入存储器保存
（2）程序中的指令和数据必须采用2进制编码，且能够被执行该程序的计算机所识别
（3）指令按其在存储器中存放的顺序执行，存储器的字长固定并按顺序线性编制
（4）由控制器控制整个程序和数据的存取以及程序的执行
（5）以运算器为核心，所有的执行都经过运算器
微型计算机的工作过程
微机的工作过程就是执行程序的过程，也就是逐条执行指令系列的过程。由于每条指令都包括取指令和执行指令两个基本阶段，所以微机的工作过程也是不断地去取指令和执行指令的过程。当计算机进入运行状态时：
（1）首先将第一条指令由内存取出
（2）将取出的指令送给指令译码器译码，以确定要进行的操作
（3）读取相应的操作数（即执行的对象）
（4）执行指令
（5）存放执行结果
（6）一条指令执行完毕，转到下一条指令的执行阶段
微机的特点
运算速度快、计算精度高、记忆功能和逻辑判断功能强，可自动连续工作等基本特点。
功能强、可靠性高
格低廉
系统设计灵活，适应性强
体积小，重量轻，维护方便
微型计算机系统的组成
硬件系统
CPU（微处理器或中央处理器）
- 运算器
核心部件是算数逻辑单元（ALU，Arithmetic and Logic Unit）,在控制信号的作用下可完成加、减、乘、除四则运算和各种逻辑运算。新型CPU运算器还可完成浮点运算
控制器
一般由指令寄存器、指令译码器和 操作控制电路组成。是CPU的控制中心，它从存储器中依次取出程序的各条指令，并根据指令的要求，向微机的各个部件发出相应的控制信号。
寄存器组
实质上是CPU内部若干个存储单元，可分为专用寄存器和通用寄存器。 专用寄存器：堆栈指针、程序计数器、标志寄存器等 通用寄存器：…….
存储器
主机系统的存储器又叫做主存或内存，用以存放数据（包括原始数据、中间结果、最终结果）和当前执行的程序
输入输出接口和输入输出设备（I/O接口与I/O设备）
常用的输入设备有：键盘、鼠标器、扫描仪等 常用的输出设备有：显示器、打印机、绘图仪等 I/O接口：I/O设备之间信息交换的桥梁
总线
数据总线DB：传输数据信息、双向 地址总线AB：传送CPU发出的地址信息、单向，指明与CPU交换信息的内存单元或者I/O设备 控制总线CB：传送控制信号、时序信号和状态信息等，CB中的每根线是单向的，但CB整体是双向的
软件系统
系统软件
系统软件包括操作系统（OS）和系统实用程序。 操作系统：用于管理计算机的硬件和软件资源、进行任务调度、提供文件管理系统、人机接口等，包含了各种I/O设备的驱动程序 系统实用程序： 包括各种高级语言的翻译/编译程序、汇编程序、数据库系统、文本编辑程序以及诊断和调试程序，此外还包括许多系统工具程序等。
应用软件
应用软件是用户为解决各种实际问题（如数学计算、检测与实时控制、音乐播放等）而编制的程序。
数制与编码
进制
十进制：所有数都用0~9这10个符号的组合来表示，用D标识，逢十进一
二进制：每一位只取0和1两个数字符号，用B标识，逢二进一
十六进制：每一位数都用0 -9和A~F这10个字符来组合，用H标识，逢十六进一
进制转换
十进制 ==> 二进制：
整数部分：除“2”取余，直到商为0；
小数部分：乘“2”取余，直到满足精度要求
十进制 ==> 十六进制：**
整数部分：除“16”取余，直到商为0；
小数部分：乘“16”取余，直到满足进度要求
二进制 ==> 十进制 && 二进制 ==> 十六进制：**
按权展开
BCD码
计算机用二进制数编码来表示十进制数，常见的有用四位二进制来表示一位十进制
非压缩BCD码：
用一个字节（8位）来表示一位十进制，高四位清零
压缩BCD码：
用一个字节（8位）来表示两位十进制
二进制数的运算
算术运算：
加：逢二进一
减：借一当二
乘除：
逻辑运算：
与：有一个0即为0
或：有一个1即为1
非：取反
异或：相同为0，不同为1
带符号在计算机中的表示
机器数：连同书的符号一起数字化了的数据称为机器数。例如：X = +91 = 01011011B
真值：与机器数相应的用正、负符号加绝对值来表示的世界数值。例如：X = +91 = +1011011B
原码：是一种简单直观的机器数表示方法 反码：正数不变，负数符号位不变，取反加1
补码：正数不变，负数符号位不变，取反加1
8086微处理器
微处理器概述
运算器：
- 单总线结构运算器：通过一条内部总线传递信息
- 双总线结构运算器：通过两条内部总线传递信息
- 三总线结构运算器：通过三条内部总线传递信息
控制器：
基本功能：
指令控制、时序控制、操作控制功能
对异常情况及某些外部请求的处理能力，如运算溢出、中断请求等
组成部分：
程序计数器：存放下一条要执行的指令在存储器中的地址，程序执行前应将程序的首地址置于程序计数器
指令寄存器（Instruction Register, IR）：存放从存储器中取出的待执行的指令
指令译码器（Instruction Decoder, ID）：“ 翻译 ”指令寄存器中的指令，即指令译码
时序控制部件：产生计算机工作中所需的各种时序信号
微操作控制部件：产生与各条指令对应的微操作
8088CPU的外部引脚及其功能
最小模式和最大模式
最小模式：
是8088微处理器的一种操作模式，它只使用一个段寄存器来指定内存地址，这种模式下，8088只能使用1KB的内存空间。
最大模式：
是8088微处理器的另一种操作模式，它使用两个段寄存器来指定内存地址，这种模式下，8088可以使用1MB的内存空间。
8088/8086CPU的功能结构
内部结构
EU（执行单元）：执行命令、分析命令、暂存中间运算结果并保留结果的特征。由ALU、通用寄存器、标志寄存器和EU控制电路组成。
BIU（总线接口单元）：BIU负责CPU与存储器、I/O接口之间的信息传递。由段寄存器、指令寄存器、指令队列、地址加法器以及总线控制逻辑组成
内部寄存器
通用寄存器（8个）
数据寄存器：AX、BX、CX、DX
AX：累加器，常用于存放算术逻辑运算中的操作数，所有的I/O指令都使用累加器与外设接口传送信息BX：基址寄存器，常用来存放访问内存时的基地址CX：计数寄存器，在循环和串操作指令中用作计数器DX：数据寄存器，在寄存器间接寻址的I/O指令中存放I/O端口的地址。
注：在做双字长乘除运算时，DX与AX合起来存放一个双字长数（32位），其中DX存放高16位，AX存放低16位。地址指针寄存器：SP、BP
SP(Stack Pointer)： 堆栈指针寄存器，堆栈操作中用来存放栈顶偏移地址，永远指向堆栈的栈顶BP(Base Pointer)： 基址指针寄存器，常用来存放访问内存时的基地址，通常与SS搭配使用变址寄存器：SI、DI
SI(Source Index)：源变址寄存器DI： 目的变址寄存器段寄存器（4个）
段寄存器用于存放短地址，段起始地址的高16位
CS： 代码段寄存器SS：堆栈段寄存器DS：数据段寄存器ES： 附加段寄存器
控制寄存器（2个）
IP（指令指针寄存器）用于存放预取指令的偏移地址。CPU取指令时总是以CS为段基址，以IP为段内偏移地址。
CPU从CS段中偏移地址为IP的内存单元中取出指令代码的一个字节后，IP自动加1，只想指令代码的下一个字节。
用户程序不能直接访问IPFLAGS（标志位寄存器）状态标志位
主要作用： 记录算术和逻辑运算结果的一些特征
CF：进位标志位，加（减）运算时，最高位向更高位有进（借）位时，CF = 1，否则，CF =0
PF：奇偶标志位，运算结果低8位中1的个数为偶数时PF = 1，为奇数时，PF =0
AF：辅助进位标志位，$D_3D3D_3D3$向$D_4D4D_4D4$ 有进（借）位时AF=1，否则AF=0
ZF：零标志位，运算结果为0时ZF = 1,否则ZF = 0
SF：符号标志位，运算结果的最高位为1时SF = 1，否则SF = 0
OF：溢出标志位，有溢出OF = 1,无溢出OF = 0控制标志位TF
TF：陷阱标志位，
TF = 1时激活处理器的调试特性，使CPU处于单步执行指令的工作方式。每执行一条指令自动产生一次单步中断，从而达到检查程序的目的。
IF：中断允许标志位，IF = 1，CPU可响应可屏蔽中断请求；IF = 0，CPU禁止响应可屏蔽中断请求。对不可屏蔽中断及内部中断没有影响。
DF：方向标志位，执行串操作指令时控制操作的方向。DF = 1，向减地址方向进行，即从高地址开始，每进行一次操作，地址指针自动减1（或减2）；DF = 0，则按增地址方式进行。
寻址方式
立即寻址
只针对源操作数，此时源操作数是一个立即数（8位或16位），存放于内存的代码段中。
当立即数为16位时高地址存放高8位，低地址存放低8位。
例如：MOV AX, 3120H（20H——> AL; 31H ——> AH）
直接寻址
表示参数运算的数据存放在内存中，存放的地址由指令直接给出，即指令中的操作数时存储器操作数（带有’[ ]’）；
"[ ]"内用16位常数表示存放数据的偏移地址，数据的段基地址默认位数据段，可以允许重设。
存储器寻址
指令的操作数为CPU的内部寄存器，可以是数据寄存器（8位或16位），也可以是地址指针、变址寄存器或段寄存器。 指令操作码存放在代码段，操作数在内部寄存器中，指令执行时不必通过访问内存就能取得操作数，执行速度较快 例如：
MOV SI, AX（将AX中的内容送到寄存器SI中）
寄存器间接寻址
用寄存器的内容表示操作数的偏移地址。 存放操作数偏移地址的寄存器只允许是SI、DI、BX和BP，他们可简称位间接寄存器或地址指针。 默认情况下，选择SI、DI、BX，操作数在数据段，段地址由DS决定；选择BP作间址寄存器，则操作数在堆栈段，段地址由SS决定。 无论哪个简介寄存器都允许重设 指令中 间接寄存器要加 [ ] 例如：
MOV AX, [SI]（将数据段（DS）中以SI为偏移地址的单元中的内容送到AX中） 若操作数存放在附加段，则指令应为：MOV AX, ES:[SI]
寄存器先对寻址
操作数在内存中存放地址（偏移地址）由间址寄存器的内容加上指令中的一个8位或者16位的位移量组成。 操作数所在段由所使用的间址寄存器决定（规则与寄存器间接寻址方式相同） 例如：
MOV AX, DATA[BX]（执行完后AX的物理地址为 DS*16 + BX+DATA）
基址、变址寻址
基址-变址寻址方式由一个基址寄存器（BX或BP）的内容和一个变址寄存器（SI或DI）的内容相加而形成操作数的偏移地址。 默认情况下，若用BX作为基址寄存器，则段地址在DS中；如果用BP作为基址寄存器，则段地址在SS中。 允许段重设 使用基址-变址寻址方式，不允许同时出现两个基址寄存器或两个变址寄存器。 例如：
MOV AX, [BX][SI]（执行后AL的物理地址 = DSx16 + BX+SI， AH的物理地址 = DS x16 + BX+SI +1 ）
基址、变址、相对寻址
基址-变址-相对寻址方式是基址-变址寻址方式的扩充，指令中指定一个基址寄存器和一个变址寄存器，同时还各处一个8为或者16位的位移量。 操作数的偏移地址 等于 三者之和 默认情况下，段寄存器由基址寄存器决定 允许段重设 同样，不允许同时出现两个基址寄存器或两个变址寄存器。 例如：
MOV AX, 5[DI][BX]（段寄存器为DS，偏移地址为BX + DI + 5 的连续两个单元的内容送到AX中）
隐含寻址
操作数隐含在指令码中 例如：
MUL（AL x BL ——>AX）
指令系统
指令的概述
CISC指令系统
CISC(Complex Instruction Set Computer)，复杂指令系统计算机。
CISC指令的设计目标是增强指令的功能，将一些原来用软件是西安的、常用的功能变成用硬件的指令系统来实现。
缺点
难以使用
优点：
指令经编译后生成的指令程序较小、执行起来较快、节省硬件资源、存取指令的次数少、占用较少的存储器。
存在的三个方面的问题：
- “8020规律”：20%的指令在各种应用程序中出现频率占整个指令系统的80%。
- CISC指令系统中有大量的复杂指令，控制逻辑极不规整，给VLSI（超大规模集成电路）工艺造成了极大的困难
- CISC增加了许多复杂指令，这些指令虽然简化了目标程序、缩小了高级语言与机器语言之间的差距，但使程序总的执行时间变长、硬件的复杂度增加。
RISC指令系统
RISC，精简指令系统计算机。
一种计算机体系结构的设计思想，不是产品
核心思想是通过简化指令来使计算机的结构更加简单、合理，从而提高CPU的运算速度。
RISC的特点：
- 大多数指令在一个计算机周期内完成
- 指令系统中应尽量减少访问存储器的指令，而采用寄存器与寄存器之间的操作
- 减少寻址方式的种类。复杂的寻址方式用简单的寻址方式合成
- 减少指令的种类。复杂的指令用软件实现
- 指令格式简单
8086指令系统
指令概述
指令
指令的一般格式为 操作码 目标操作数 源操作数
零操作数指令：
形式上只有操作码，操作数是隐含存在的，操作对象通常为处理器本身
单操作数指令：
指令中仅给出一个操作数，另一个操作数隐含存在
双操作数指令：
一般格式
操作数
*立即操作数：
立即数是指具有固定数值的操作数，即常数，不因指令的执行而发生变化。8086系统中字长可以是1字节或者2字节；可以是无符号数或有符号数
寄存器操作数：
8086CPU的8个通用寄存器和4个段寄存器可以作为指令中的寄存器操作数，源操作数和目标操作数均可
存储器操作数：
其含义是参加运算的数据是存放在内存中的。通常为8位或16位字长
数据传送指令
通用数据传送指令
一般数据传送指令
原则：
（1）两操作数字长必须相同
（2）两操作数不允许同时为存储器操作数
（3）两操作数不允许同时为段寄存器
（4）在源操作数是立即数时，目标操作数不能是段寄存器
（5）IP和CS不作为目标操作数，FLAGS一般也不作为操作数在指令中出现MOV- 格式：
MOV dest, src - 执行过程：
dest ——> src - 举例：：
MOV AL, BL
- 格式：
堆栈操作指令
原则：
（1）先进后出
（2）以字为单位
（3）指令操作数必须是16位
（4）操作数可以是寄存器或存储器两单元，但不能是立即数
（5）不能从栈顶弹出一个字给CS
（6）PUSH和POP指令在程序中一般成对出现
（7）PUSH指令的操作方向是从高地址向低地址，而POP指令的操作正好相反PUSH（压栈指令）：OPRD：16存储器或存储器两单元格式：
PUSH OPRD执行过程
SP -2 ——>SP
操作数高字节 ——>SP+1
操作数低字节 ——>SP
POP（出栈指令）：格式：
POP OPRD执行过程：
SP——> 操作数低字节SP+ 1——> 操作数高字节SP<——SP +2
交换指令
原则：
（1）两操作数必须有一个是寄存器操作数
（2）不允许使用段寄存器XCHG格式：
XCHG REG, MEM/REG操作：
REG <——> MEM/ REG例子：
XCHG AX, BX
XCHG [2000],CL
查表转换指令
原则：
（1）零操作数指令
（2）用BX的内容代表表格首地址，AL内容为表内偏移量，BX+AL得到要查找元素的偏移地址XLAT
格式：XLAT
操作：
将BX+AL所指单元的内容送给AL
字位扩展指令
原则：
（1）将符号数的符号位扩展到高位
（2）指令为零操作数，采用隐含寻址，隐含的操作数为AX及AX，DX
（3）无符号数的扩展规则为在高位补0CBW（字节到字的扩展指令）格式：
CBW操作：
将AL内容扩展到AX
若最高位 = 1，则执行后 AH =FFH
若最高位 = 0，则执行后AH = 00H
CWD（字到双子的扩展指令）格式：
CWD操作：
将
AX内容扩展到DXAX若最高位 = 1，则执行后DX = FFFFH
若最高位 = 0，则执行后DX = 0000H
输入输出指令
输入指令
IN
指令：
IN acc, PORT操作：
从端口地址读入数据到累加器中
输出指令
OUT
指令：
OUT PORT, acc操作：
将累加器的值输出到端口中
地址传送指令
取近地址指令
LEA：格式：
LEA REG, MEM（必须是存储器操作数）操作：
将变量得16位偏移地址写入到目标寄存器
要求：
源操作数必须是一个存储器操作数，目标操作数通常是间址
取远地址指令
LDS：格式：
LDS通用寄存器，存储器操作数操作：
将源操作数得偏移地址送目标寄存器，将源操作数得地址送DS
LES：格式：
LES通用寄存器，存储器操作数操作：
将源操作数得偏移地址送目标寄存器，将源操作数得地址送ES
标志传送指令
隐含操作数AH
LAHF(Load AH from Flags)格式：
LAHF操作：
将
FLAGS的低8位装入AH
SAHF(Store AH into Flags)格式：
SHAF操作：
与
LAHF相反
隐含操作数FLAGS
- PUSHF(Push flags onto stack)
- POPF(Pop flags off stack)
算术运算指令
加法运算指令
ADD（普通加法指令）ADD指令的执行对全部6个状态标志位都产生影响
格式：
ADD OPRD1, OPRD2操作:
OPRD1 + OPRD2 ——> OPRD1例子：
ADD AL, 99H（）
ADC（带进位的加法指令）ADC指令都用于多字节数相加，使用前要先将CF清零
格式：
ADC OPRD1, OPRD2操作：
OPRD1 + OPRD2 + CF ——> OPRD1
INC（加1指令）常用于程序中修改地址指针
格式：
INC OPRD操作：
OPRD + 1 ——> OPRD
减法运算指令
SUB（普通减法指令）对标志位的影响与ADD指令相同
格式：
SUB OPRD1, OPRD2操作：
OPRD1 - OPRD2 ——> OPRD1
SBB（考虑借位的减法指令）格式：
SBB OPRD1, OPRD2操作：
OPRD1 - OPRD2 - CF——> OPRD1
DEC（减1指令DEC）指令对操作数的要求与INC相同，指令常用于在程序中修改计数值
格式：
DEC OPRD操作：
OPRD -1 ——> OPRD应用程序例子：
CMP（比较指令）用于比较两个数的大小，可作为条件转移指令转移的条件
指令执行的结果不影响目标操作数，仅影响标志位！
对操作数的要求及对标志位的影响与SUB指令相同
格式：
CMP OPRD1, OPRD2操作：
OPRD1 - OPRD2例子：
两个无符号数的比较
CMP AX, BX若 AX >= BX ——> CF =0
若AX < BX ——> CF = 1
若 AX = BX ——> CF =1,ZF =1
两个带符号数的比较
CMP AX, BX
两个数的大小由OF和SF共同决定
OF和SF状态相同 AX >= BX
OF和SF状态不同 AX < BX
NEG（求补指令）对一个负数取补码就相当于用零减去此数
格式：
NEG OPRD操作：
0 - OPRD ——> OPRD说明：
- 执行NEG指令后，一般情况下都会使CF为1，除非给定的操作数为零才会使CF为0；
- 当指定的操作数的值为80H(-128)或为8000H(-32768)，则执行NEG指令后，结果不变，但OF置1，其它情况下OF置0。
乘法指令
乘法指令采用隐含寻址，隐含的是存放被乘数的累加器AL或AX及存放结果的AX，DX
MUL无符号的乘法指令格式：
MUL OPRD（OPRD不能是立即数）操作：
OPRD为8字节数 ===> AL x OPRD ——> AX
OPRD为16位数 ====> AX x OPRD ——> DXAX
例子：
IMUL带符号的乘法指令格式：
IMUL OPRD（OPRD不能是立即数，隐含操作数为AL，存放在AX中）操作：
- 将两个操作数取补码（对负数按位取反加1，正数不变）
- 做乘法运算
- 将乘积按位取反加 1
除法指令
指令要求被除数是除数的双倍字长
无符号除法
格式：
DIV OPRD操作：
若
OPRD是字节数：- 执行：
AX/OPRD - 结果：AL = 商 AH = 余数
若
OPRD是双字节数：- 执行：
DXAX/OPRD - 结果：AX = 商 DX = 余数
- 执行：
有符号除法
格式：
IDIV OPRD操作：
若OPRD是字节数：
- 执行：
AX/OPRD - 结果：AL = 商 AH = 余数
若OPRD是双字节数：
- 执行：
DXAX/OPRD - 结果：AX = 商 DX = 余数
- 执行：
逻辑运算和移位指令
逻辑运算指令
- 对操作数的要求：
- 大多数与
MOV指令相同- “非” 运算指令要求操作数不能是立即数
- 对标志位的影响
- 除“非”运算指令，其余指令的执行都会影响除AF外的五个状态标志
- 无论执行结果如何，都会使标志位
OF=CF=0- “非”运算指令的执行不影响标志位
“与”指令
格式：
AND OPRD1，OPRD2操作：
两操作数相“与”，结果送目标地址。
应用：
- 实现两操作数按位相与的运算：
AND BL, [SI] - 使目标操作数的某些位不变，某些位清零：
AND AL, 0FH - 在操作数不变的情况向使CF和OF清零：
AND AX, AX
- 实现两操作数按位相与的运算：
“或”运算指令
- 格式
- 操作
- 应用
“非”运算指令
格式：NOT OPRD
操作：
操作数按位取反在送回原地址，指令的执行对标志位无影响
例子：
“异或”运算指令
格式：
XOR OPRD1, OPRD2操作：
两操作数“异或”，结果送目标地址
例子：
“测试”指令
格式：
TEST OPRD1, OPRD2操作：
执行“与”运算，但运算的结果不送回目标地址
应用：
常用于测试某些位的状态
串操作指令
程序控制指令
处理器控制指令
汇编语言程序设计
伪指令
BIOS和DOS功能调用
汇编语言程序设计基础
程序设计概述
顺序结构
分支结构
循环结构
子程序
常用程序设计举例
