《微机原理与接口技术》期末复习笔记「建议收藏」

全栈程序员站长

发布于 2022-11-10 15:46:15

2K0

发布于 2022-11-10 15:46:15

文章被收录于专栏：全栈程序员必看

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

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：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-r9qXO3lp-1588256227267)(2.jpg)]

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：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-CqdbMNUJ-1588256227270)(1.jpg)]

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-EXf28Pki-1588256227271)(4.jpg)]

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

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-4yBp3NGm-1588256227274)(3.jpg)]

计算机存储器模型

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-NeolVLdc-1588256227276)(5.jpg)]

*(1)读操作

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-EJHv52SH-1588256227277)(6.JPG)]

*(2)写操作

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-w7ztmVPn-1588256227279)(7.JPG)]

计算机指令执行过程：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ShRnB1x4-1588256227280)(8.jpg)]

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-zdJXUDgp-1588256227281)(9.jpg)]

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

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-A6iMf5E2-1588256227283)(10.jpg)]

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

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-AcbNlpeI-1588256227284)(11.jpg)]

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

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-OBT52ak9-1588256227286)(12.jpg)]

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)

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-3Gtq19Qp-1588256227287)(13.jpg)]

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

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ZbKEW6NV-1588256227288)(14.jpg)]

数据存放规律

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-lJK4cRyK-1588256227289)(15.jpg)]

堆栈

例子：子程序调用的过程

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-OhlXHr7L-1588256227289)(16.jpg)]

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）