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微机原理与接口技术

第01章 微机原理概述

基本知识

• CPU：中央处理单元（Central Processor Unit），处理器，能够分析和执行指令的部件，能分析和执行指令的芯片就是CPU

• MPU：微处理器，Micro Processor Unit，CPU集成芯片，比传统CPU功能性能简化，集成度高，价格低廉，性价比高

• 微型计算机(微机：MicroComputer)：MPU+存储器+I/O接口+外设+软件系统，简称微机

• PC机(Personal Computer)

• 计算机的三种典型应用形态：

• 主板为各个部件(CPU、内存、硬盘、显卡、键盘、鼠标等)提供相应接口，并通过总线将它们连结。

• 主板含芯片组、BIOS芯片、CMOS芯片等

• CPU组成及其性能参量
  ■ 组成
  ◆ ALU(算术逻辑运算单元)
  ◆ 控制器
  ◆ 寄存器(Register)组
  ◆ Cache(高速缓存)
  ■ 性能参量
  ◆ 外频：CPU外部输入的时钟频率(MHz)
  ◆ 主频：CPU内部工作频率(MHz) = 外频 * 倍频
  ◆ CPU位数：CPU字长，通用寄存器位数。
  □ 32位：例如386，PIII、PIV，i3，…等；
  □ 64位CPU：Itanium（安腾）

• Memory
  ■ 功能：
  ◆ 存放程序和数据
  ■ 分类
  ◆ RAM/ROM：掉电后所存储的数据丢失/不丢失
  ◆ 主存（属于RAM型）：
  □ 运行速度非常快，能与CPU直接交换信息
  □ CPU将执行的指令是从内存中取得的
  □ CPU访问内存通过系统的地址总线、数据总线、MEMR、MEMW 控制线来进行
  ◆ 外存： 间接读写（软盘/硬盘/光盘/U盘等）

• 主板接口：P37

• CPU通过地址总线,数据总线,控制总线连接外部设备：

• 地址总线
  通常为32位，即A31～A0，因此，可寻址的内存单元为2^32=4GB。I/O接口也是通过地址总线来寻址的，它可寻址64KB的外设端口。
• 数据总线
  通常为32位，即D31～D0。数据在CPU与存储器和I/O接口之间双向传输。
• 控制总线
  传送各种控制信号：有CPU到存储器和外设接口的控制信号：存储器请求（MREQ）、I/O请求（IORQ）、读信号（RD）、写信号（WR）等；有外设到CPU的信号：READY、INT等

IA- Intel Architecture（x86架构）

• CPU架构的概念
  ■ 指令,寻址,内存接口,外部接口,扩展,……

• Inte Architecture 32 = I.A. 32位

• IA-32结构的最重要成就：向后兼容性

• IA-32结构起源：Inte 8088/8086

• IA-32结构同时包括16位处理器和32位处理器

• 个人计算机的标准平台，最成功的CPU架构

• 其他CPU架构：
  ■ 51单片机，ARM，MIPS，PowerPC，……

• I.A.结构向后兼容：“冯.诺依曼”结构+I.A.规范
  ■ 内存储器：存有数据和程序

  ■ 部件之间的交互遵循I.A.规范

计算机存储器模型

*(1)读操作

*(2)写操作

计算机指令执行过程：

汇编语言

寻址——寻找物理地址(PA)

寻址方式——寻找操作数的物理地址的方式

操作数的存放地点：

• (1)操作数在指令中
  ■ 指令的操作数部分就是操作数本身。
  ■ 也叫立即数
• (2)操作数存放在CPU寄存器中
  ■ 指令的操作数部分是寄存器的编码
  ■ 也叫寄存器操作数。
• (3)操作数存放在内存中
  ■ 指令的操作数部分包含操作数所在的内存地址
  ■ 也叫存储器操作数。

1.立即数寻址方式

举例：

MOV AL, 10 ;十进制数（Ｄ）
MOV AL, 00100101B ; 二进制数（Ｂ）
MOV AX, 263AH ; 十六进制数（Ｈ）

特点：

• 操作数直接存放在指令中，紧跟在操作码之后

2.寄存器寻址方式

举例：

INC SI
MOV AX，BX

特点：

• 指令中直接给出寄存器名，寄存器的内容即为操作数
• 不需要访问总线周期，因此指令执行速度比较快
• 16位操作数：AX、BX、CX、DX、SI、DI、SP、BP等
• 8位操作数：AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH、DL等

3.存储器寻址方式

举例：

MOV AL， [2000H] ; AL ← PA=DSx16+ 2000
MOV AX，[SI] ; AX ← DSx16 + [SI],[SI＋1]
MOV BH，[BP] ; BH ← SSx16 + [BP]
MOV AX, [BX+10H] ; EA=(BX)+10H
MOV AX, [BX+SI] ; EA=(BX)+(SI) ; DS段

特点：

• 指令直接或间接给出有效地址EA，物理地址PA需计算.

• 计算物理地址分2步
  ■ （1）先计算有效地址EA（与寻址方式有关）
  ■ （2）再计算物理地址PA（与存放的段有关）

3.1 寄存器直接寻址方式

举例：

MOV AL，[2000H] ; AL ← PA=DSx16+2000

特点：

• 指令中直接给出有效地址EA：8位或16位位移量

• PA = （段寄存器）X 10H +指令中的EA

• 默认方式下：段寄存器是数据段DS

• 段跨越：指令增加段寄存器名前缀：CS,ES,SS等

段超越的例子：

MOV AX，ES:[2000H]
ES:MOV AX， [2000H]

3.2 寄存器间接寻址方式

举例：

MOV AX，[SI] ;AX ← DSx16 + [SI],[SI＋1]
MOV BH，[BP] ;BH ← SSx16 + BP
MOV CX，ES:[BX] ;将ES段[BX][BX+1]内容送CL,CH

特点：

• 操作数的有效地址EA在寄存器中
• 对16位寻址，EA只能放在DI、SI、BX、BP中
  ■ 若EA在DI、SI、BX中，默认段为数据段DS
  ■ 若EA在BP中，默认段为堆栈段SS
  ■ 支持段跨越

3.3 寄存器相对寻址方式

举例：

MOV AX, [BX+10H] ; EA=(BX)+10H

特点：

• 给定基址/变址寄存器和相对偏移量，两者之和为EA
• 寄存器BX、SI、DI默认是数据段DS
• 寄存器BP默认堆栈段SS
• 支持段跨越

3.4 基址变址寻址方式

举例：

MOV AX, [BX+SI] ; EA=(BX)+(SI) ;DS段

特点：

• 有效地址EA是基址寄存器与变址寄存器的和
• 默认段由基址寄存器决定
• 支持段跨越

3.5 相对基址变址寻址方式

特点：

• 有效地址EA是基址寄存器+变址寄存器+偏移量三者之和

• 基址寄存器可取BX或BP，变址寄存器可取SI或DI

• 段寄存器由基址寄存器决定

  ■ 基址寄存器是BX，则默认段为DS

  ■ 基址寄存器是BP，则默认段为SS

第02章 微机原理(8088)

2.1 8088CPU的基本原理

8086/8088 CPU的特点

• 采用并行流水线工作方式

• 支持多处理器系统

• 片内无浮点运算部件，浮点运算由数学协处理器8087支持（也可用软件模拟）

  ■ 注：80486DX以后的CPU均将数学协处理器作为标准部件集成到CPU内部

• 对内存空间实行分段管理

8086/8088 MPU

相同点：

• 寄存器：16位
• 地址线：20根，1MB内存

差异：数据总线，指令队列

• 数据总线：

  ■ 8086：16根

  ■ 8088： 8根（准16位机）

• 指令队列：

  ■ 8086：6字节

  ■ 8088：4字节

8088内部结构：EU和BIU

• EU（Execute Unit，执行单元）：负责执行指令或运算
• BIU (Bus Interface Unit，总线接口单元）：负责读指令和数据

EU功能和内部构成

• 内部构成
  ■ 1）ALU：执行基本运算和处理.
  ■ 2）一组通用寄存器 + 标志寄存器
  ■ 3）EU控制系统：队列控制和时序控制
• 功能：负责执行指令或运算
  ■ 从指令队列中取指令代码，译码，在ALU中完成数据的运算，结果的特征保存在标志寄存器中

BIU功能和内部构成

构成：

• 1)四个段寄存器+ 指令指针IP
• 2)地址加法器：段地扯和偏移地址相加，形成20位物理地址
• 3)指令队列缓冲器： 6或4字节
• 4)总线控制逻辑：内外总线接口

功能：

• 具有预取指令的功能
  ■ 执行指令的同时从内存取下一条或几条指令放在队列中
• 指令执行顺序
  ■ 顺序指令执行
  ■ 执行转移指令后： 清除队列。从新地址取指并立即送往执行单元

8088工作原理：取指令-执行指令不断循环

8088并行工作方式：流水线

• 指令预取队列的存在使EU和BIU可同时工作
• 2级流水线

2.2 8088的运行（执行）环境

14个基本寄存器

• 8个通用寄存器

  ■ General Registers

  ■ 数据和地址寄存器各4个

• 1个指令指针寄存器
  ■ IP: Instruction Point

• 1个状态标志寄存器
  ■ Flags Register

• 4个段寄存器
  ■ Segment Registers
  ■ CS,DS,SS,ES

4个数据相关的寄存器：AX,BX,CX和DX

• 常用来存放参与运算的操作数或运算结果
• 16位数据寄存器，分为8个8位寄存器
  ■ AX： AH，AL
  ■ BX： BH，BL
  ■ CX： CH，CL
  ■ DX： DH，DL
• 8位可以单独操作位

• 习惯使用
  ■ AX：累加器。多用于存放运算结果及与外设信息等
  ■ BX：基址寄存器。常用于存放内存地址
  ■ CX：计数寄存器。循环或串操作存放循环或重复次数
  ■ DX：数据寄存器。在32位乘除法运算存放高16位数

4个地址相关的寄存器：SP,BP,SI,DI

• SP,BP,SI,DI：段内寻址时存放偏移地址

  ■ SP(Stack pointer)——堆栈指针寄存器

  用来指示栈顶的偏移地址，必须与SS段寄存器联合使用确定实际地址

  ■ BP(base pointer)——基址指针寄存器

  可以与SS寄存器联合使用来确定堆栈段中某一存储器单元地址

  ■ SI——Source Index Register 源变址寄存器

  ■ DI——Destination Index 目的变址寄存器

1个指令指针寄存器：IP

• 存储CPU将要执行的下一条指令的偏移地址
• CPU在执行完一条指令之后，会自动将下一条指令的偏移地址存入到IP中

1个状态标志寄存器：PSW

16位，包含9个标志位(6个状态位，3个控制位)

• 状态位：由算术、逻辑运算结果结果自动设置

  ■ 作为条件转移指令的转移控制条件

• 控制位：由用户或程序直接或间接设置。

• 状态位的例子

  ■ OF(Overflow Flag)，溢出标志位

  ​ 功能：标示符号数的运算结果是否溢出

• 控制位的例子

  ■ DF(Direction Flag)，方向位

  功能：用于控制字符串操作的地址步进方向

4个段寄存器：CS,DS,SS,ES

段寄存器和其他寄存器组合起来指向某个内存单元

数据存放规律

堆栈

• 例子：子程序调用的过程

调用发生后，主程序在CPU中的运行环境被破坏调用返回时，必须恢复主程序之前的运行环境

堆栈（STACK）：

• 在子程序调用和中断服务时存储参数和现场数据
• 特殊内存
  ■ “后进先出”(LIFO)存储
  ■ 堆栈一端固定(栈底)，另一端活动(栈顶)，数据只允许从栈顶存取（进或出）
  ■ 栈指针：指示栈顶位置（Stack Poniter，SP）
• 堆栈的伸展方向
  ■ 栈底的地址大，栈顶的地址小
• 栈的操作（PC）
  ■ 入栈：将一个数存入栈顶，并改变SP （变小）
  ■ 出栈：从栈顶读出一个数据，并改变SP （变大）

入栈操作：

• PUSH SRC; SRC 代表寄存器或存储单元地址

• 功能：将寄存器或存储单元中的一个字压入堆栈

• 操作：
  ■ “先减后入”：

  ​ SP-1→SP， 字高位→[SP]

  ​ SP-1→SP， 字低位→[SP]

• 结果：SP-2, 数据高对高，低对低存放

出栈操作：

• POP DST ; DST 代表寄存器或存储单元地址

• 功能：将栈顶一个字传送到寄存器或存储单元中

• 操作

  ■ “先出后加”：

  ​ [SP]→字低位， SP+1→SP

  ​ [SP]→字高位，SP+1→SP

• 结果：SP+2, 数据低对低,高对高存放

2.3 数字电路、常用门和IC芯片

三态门：

典型应用：数据传输方向控制、总线存取控制、模拟开关

触发器——D触发器

锁存器——D锁存器

功能表：

太难了而略过的内容：

锁存器74HC373：8D三态锁存器

Intel 8282：三态锁存器

异步清零的锁存器：74LS273

74LS244 ——缓冲器(实质是三态开关)

74LS245 ——缓冲器(实质是三态开关)

缓冲器—— Intel 8286 (实质是三态开关)

基本芯片–译码器

3-8译码器

2.4 8088微处理的外部结构

[PPT02 P60-87]

2.5 8088处理器时序和总线周期

[PPT02 P89-99]

2.6 IA-32发展历史

[PPT02 P101-115]

第03章 接口概念和原理

3.1 接口/端口的定义

• 任何两电路或设备间的连接电路都可称接口
• 接口是一组特殊控制电路，介于CPU与内存、CPU与外设之间

• 各种外设都必须通过接口才能和CPU（或总线）相连

​ ■ 寻址：确定设备的地址，区分不同的设备；
​ ■ 缓冲：适配外设与CPU的工作速度；
​ ■ 转换：适配外设与CPU的信息格式、类型、幅度；
​ ■ 时序：外设与CPU的工作时序。

• 接口电路的组成：由多类/多个寄存器构成
  ■ 数据寄存器，暂存数据
  ■ 状态寄存器，暂存状态
  ■ 命令寄存器，暂存命令

定义：

端口：寄存器的另一称呼

• 端口**【PORT】**
  ■ 端口就是接口中的寄存器CPU，与外设信息交换场所
  ■ 端口：可寻址（端口地址）

微机的端口

• 16根I/O线：地址空间216 = 64K
• IBM：A0～9线有效，地址空间210 = 1K：000H ~ 3FFH
• PC系统IO端口的分配
  ■ 前256个端口：000h-0FFh，系统外设占用
  ■ 后768个端口：100h-3FFh，常规外设占用

3.2 端口访问指令

3.3 接口/端口地址设计

第05章 定时器/计数器和8253A

定时（计时）

• 为CPU和外设提供时间标记或一段时间
• 时序，各种周期，时间片、系统时间、时间间隔、运行时间

8253A的结构和基本特点

• 有3个16位相互独立的计数器：T0, T1, T2
• 每个计数器都可以按照二进制或二-十进制计数
• 每个计数器可设置6种不同的工作方式
• 每个计数器可以预置计数初值（时间常数）
• 计数器的当前计数值可被CPU读出

略过：8253A

第06章 中断和8259A

略过：8259A

第07章 直接内存存取（DMA）

略过：8237A

第08章 并行接口和8255A

略过：8255A

第09章 串行接口和8251

略过：8251A

第10章 DA转换和AD转换

略过：ADC0809