Principle and Application of Microcomputer 微机原理及应用

Principle and Application of Microcomputer微机原理 及应用 R2 教师：田行斌单位：机电系

学习内容 • 微型计算机系统概述 • 微处理器指令系统 • 汇编语言程序设计 • 微处理器外部特性 • 半导体存储器系统 • 基本输入输出接口 • 并行接口及其应用

学习目的 • 了解微型计算机的硬件知识 • 熟练掌握汇编语言程序设计 • 建立微机系统的整体概念，为接口开发及应用奠定基础

微型计算机系统概述 • 微型计算机的发展和应用 • 微型计算机的系统组成 • 计算机中的数据表示

微型计算机的发展 • 第1代：4位微机。 CPU：4004 • 第2代：8位微机。 CPU：8080 • 第3代：16位微机。CPU：8086、8088 • 第4代：32位微机。CPU：80386、Pentium • 第5代：64位微机。CPU：Itanium

微型计算机的应用 • 用于数值计算、数据处理及信息管理 • 用于过程控制及嵌入应用方向

微型计算机系统的组成 • 硬件系统：CPU、存储器、I/O接口、I/O设备、系统总线 • 软件系统：系统软件－操作系统、语言处理软件等应用软件－为某个应用编制的程序

系统总线 地址总线AB 系统总线形成处理器子系统数据总线DB 控制总线CB 存储器 I/O接口 I/O设备微机系统的硬件组成

IBM PC系列计算机 IBM PC/XT IBM PC/AT

计算机中的数据表示 • 计算机中各种信息均表示为二进制数据。 • 数：用来直接表征量的多少，可进行运算。 • 码：指代码或编码，用来代表某个事物。

基本术语 • 位 (Bit) ：二进制位，为0或1。 • 字节(Byte)：8个二进制位。 • 字 (Word)：2字节(16位)数据。 • 双字(Double Word)：4字节数据。 • 千字节(KB)：210个字节。 • 兆字节(MB)：220个字节。

计算机中的数 • 二进制数后缀为B或b，十进制数后缀为D或d，十六进制数后缀为H或h。 • 二进制数：由数字0和1组成，基数为2，逢2进1，各个数位的权值由右向左依次为20、21、22、23、…。 • 十六进制数：由数字符号0-9、A-F组成，基数为16，逢16进1，各个数位的权值由右向左依次为160、161、162、163、…。

二进制数与十进制数之间的转换 • 二进制数到十进制数的转换：按权展开求和00001011B＝1×23＋1×21＋1×20＝11D • 十进制数到二进制数的转换：除基取余建议按照按权展开的逆过程进行

二进制数与十六进制数之间的转换 • 每4位二进制数对应1位十六进制数0000B=0H 0100B=4H 1000B=8H 1100B=CH0001B=1H 0101B=5H 1001B=9H 1101B=DH0010B=2H 0110B=6H 1010B=AH 1110B=EH0011B=3H 0111B=7H 1011B=BH 1111B=FH • 十六进制数常用来简化对二进制数的书写

计算机中的码 • 用于表示有符号数的补码。 • 用于表示十进制数的BCD码。 • 美国标准信息交换码ASCII码。

补码 • 计算机内部默认采用补码表示有符号数。规定：最高有效位为符号位，0表示正数，1表示负数。 • 正数的补码：最高有效位为0，其余各位为该整数的二进制表示。如：(＋2)＝（00000010B）补 • 负数的补码：最高有效位为1，其余各位可对该整数的二进制表示求补（即按位取反再加1）得到。如：(－2)＝（11111110B）补

补码的性质 • (X)补＋ (Y)补＝(X ＋Y)补＝(X)补＋ (＋Y)补 • (X)补- (Y)补＝(X - Y)补＝(X)补＋ (- Y)补 • 采用补码表示有符号数可将减法转换为加法。

有关补码的问题 • 1) 已知（负数）补码求真值　按权展开求和，但符号位的权值要取为相反数。(10000010B)补＝1×(－128)＋1×2＝－126 • 2)已知补码求相反数的补码(+4)=(00000100B)补 (-4)=(11111100B)补由右向左抄写，遇到０照写，遇到第一个１也照写，其后各位按位取反。据此，可根据一个正数的补码得到其相反数(负数)的补码。

补码的符号扩展 • 补码的符号扩展是指将有符号数的长度扩展而不改变其值。原则是：新扩的左侧各位均复制原符号位上的值。(68H)补= (0068H)补(86H)补= (FF86H)补

BCD码 • Binary Code Decimal：二进制编码的十进制数 • 压缩的8421BCD码0000B=0 0011B=3 0110B=6 1001B=9 0001B=1 0100B=4 0111B=7 0010B=2 0101B=5 1000B=8

ASCII码 • 美国标准信息交换码。码长7位，用来表示34个外设控制符号和94个可供打印的西文符号。数码0~9的ASCII码为30H~39H；大写字母A~Z的ASCII码为41H~5AH；小写字母a~z的ASCII码为61H~7AH；0DH表示回车，0AH表示换行。

第一章教学要求 • 掌握微机系统的组成 • 熟练二进制数与十进制数的转换、二进制数与十六进制数的转换 • 熟练掌握有符号数的补码表示、BCD码

第一章练习 • 8位机器数所能表示的无符号数和有符号数的范围是多少？16位机器数呢？ • （＋37）和（－37）的补码是多少？ • 数据50和50H所对应的BCD码是多少？ • 8位机器数46H，若作为无符号数、有符号数补码、BCD码、ASCII码，各代表什么？

微处理器指令系统 • 微处理器的内部结构 • 8086/8088的寻址方式 • 8086/8088指令系统

微处理器的基本结构 • 算术逻辑单元ALU(运算器) • 寄存器组：包括通用寄存器，地址寄存器，标志寄存器。 • 指令处理单元(控制器)：包括指令寄存器，指令译码逻辑，时序和控制逻辑。

8086/8088的功能结构 • 总线接口单元BIU：由指令队列、指令指针IP 、段寄存器、地址加法器和总线控制逻辑等组成，负责CPU对存储器和外设进行访问。 • 执行单元EU：由ALU、数据寄存器、地址寄存器、标志寄存器和指令译码逻辑等组成，负责指令的译码、执行和数据的运算。

8086的内部结构图

8086/8088的寄存器结构 • 8086/8088中有14个16位寄存器 • 通用寄存器AX、BX、CX、DX、SI、DI、BP、SP • 指令指针IP • 标志寄存器FLAGS • 段寄存器CS、SS、DS、ES

通用寄存器 • 16位的通用寄存器有8个，它们是：AX、BX、CX、DX、SI、DI、BP、SP • 其中，前4个寄存器（即AX、BX、CX、DX）还可以各分成高8位和低8位的两个独立的8位寄存器，它们分别是：AH、AL，BH、BL，CH、CL，DH、DL

寄存器AX/BX/CX/DX • AX：16位累加器，用于算术运算以及与外设传送信息等；AL为8位累加器。 • BX：基址寄存器，常用来做基址指针，指向一批连续存放的操作数的基地址。 • CX：计数器，作为循环和串操作等指令中的隐含计数器。 • DX：数据寄存器，用来存放外设端口的16位地址，或双字长数据的高16位。

变址寄存器SI/DI • 变址寄存器常用于存储器寻址时提供地址。 • SI是源变址寄存器。 • DI是目的变址寄存器。 • 在串操作类指令中，SI和DI具有特别的功能。

指针寄存器SP/BP • 指针寄存器用于寻址内存堆栈中的数据。 • SP为堆栈指针寄存器，指示栈顶的偏移地址。SP不能再用于其他目的，具有专用性。 • BP为基址指针寄存器，表示数据在堆栈段中的基地址。 • SP/BP寄存器与SS堆栈段寄存器联合使用以确定堆栈段中的存储单元地址。

指令指针IP • 指令指针IP，指示代码段中指令的偏移地址。 • 它与代码段寄存器CS联用，确定下一条指令的物理地址。CPU通过CS:IP来取指，从而控制指令序列的执行流程。 • IP是一个专用寄存器，用户不能直接访问。

标志寄存器FLAGS • 标志（Flag）用于反映指令的执行结果或控制指令的执行形式。各种标志存放于一个16位的标志寄存器FLAGS中。 • 标志分成两类状态标志：用来记录程序运行结果的状态信息；控制标志：用于控制处理器的具体工作方式。

状态标志CF/PF/AF • CF—进位标志位。做加减运算时，若最高有效位有进位或借位，则CF置1，反之置0。 • PF—奇偶标志位。当运算结果的低8位中l的个数为偶数时，则PF置1，反之置0。 • AF—半进位标志位。做加减运算时，若Bit3有向Bit4的进位或借位，则AF置1，反之置0。

状态标志ZF/SF/OF • ZF—零标志位。运算结果为0时，ZF置1，否则置0。 • SF—符号标志位。运算结果的最高位为1时，SF置1，否则置0。 • OF—溢出标志位。若有符号数的加减运算有溢出，OF置1，否则置0。

控制标志TF/IF/DF • 陷阱标志TF（单步标志）：TF＝1，CPU单步执行指令；TF＝0，CPU正常工作。 • 中断允许标志IF：控制外部可屏蔽中断是否可以被CPU响应。IF＝1允许中断，IF＝0禁止中断。 • 方向标志DF：用于串操作指令中控制地址的变化方向。DF＝0地址增加；DF＝1地址减少。

8086/8088的存储器结构 • 存储器以字节为单位存储信息。每个存储器单元(字节单元)都有一个地址。 • 8086/8088有20根地址线。最大可寻址的存储器单元数为220＝1MB。 • 其物理地址范围为00000H~FFFFFH。例如：[00002H]＝34H。

小端方式 • 字或双字信息在存储器中占相邻的2个或4个存储单元。 • 多字节数据占据的地址空间用低地址来表示。 • 按“小端方式”存储，即“低字节对低地址、高字节对高地址”。例如：[00002H]＝1234H，意指：[00002H]＝34H， [00003H]＝12H。

存储器的分段管理 • 8086/8088将1MB存储器空间分成若干个逻辑段来管理。每个段最大限制为64KB。 • 采用逻辑地址(段地址：偏移地址)的形式来表达段中每个存储器单元的20位物理地址。 • 段地址和偏移地址都是16位二进制数。

段地址 • 段地址说明该逻辑段在内存中的起始位置，即该段中的第一个内存单元的物理地址。 • 规定段地址必须是模16地址，即××××0H的形式，故可采用16位二进制数据表示，保存在16位的段寄存器(CS,DS,ES,SS)中。

偏移地址 • 偏移地址说明该段中某个内存单元距离该段起始位置的偏移量。 • 由于每个段的长度不超过64KB，故偏移地址也可采用16位二进制数据表示。

逻辑地址和物理地址 • 物理地址＝段地址×10H + 偏移地址。 • 一个存储器单元只有一个唯一的物理地址。 • 但一个存储器单元可以拥有多个逻辑地址。

代码段（Code Segment） • 代码段主要用来存放指令代码（程序），也可存放数据。 • 代码段寄存器CS存放代码段的段地址。 • 指令指针寄存器IP指示下条指令的偏移地址。 • 处理器利用CS:IP取得下一条要执行的指令。

数据段（Data Segment） • 数据段存放程序所使用的数据。 • 数据段寄存器DS存放数据段的段地址。 • 通过各种存储器寻址方式得到存储器中操作数的偏移地址（有效地址EA）。 • 处理器利用DS:EA存取数据段中的数据。

附加段（Extra Segment） • 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。 • 通过各种存储器寻址方式得到存储器中操作数的偏移地址（有效地址EA）。 • 处理器利用ES:EA存取附加段中的数据。

堆栈段（Stack Segment） • 堆栈段用于堆栈(Stack)，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操作堆栈栈顶的数据。

逻辑段的使用 • 程序的指令序列必须安排在代码段。 • 程序使用的堆栈一定在堆栈段。 • 程序中的数据默认是安排在数据段，也经常安排在附加段。数据的存放比较灵活，实际上可以存放在任何一种逻辑段中。

8086/8088的寻址方式 • 指令由操作码和操作数两部分组成。如：MOVAH，0B9H ；将B9H传送到AH寄存器 • 操作码说明计算机要执行何种操作，是指令中不可缺少的部分。操作数就是各种操作的对象。指令可以有一个、两个或没有操作数。 • 寻找操作数的方式（或操作数的存放方式）叫做操作数的寻址方式。

操作数 • 操作数可以是一个具体的数值，存放于操作码之后，称为立即数操作数； • 操作数可以是存放数据的寄存器，数据存放于该寄存器中，称为寄存器操作数； • 操作数可以是用某种方式指明的数据所在的存储器单元的地址，数据存放于该存储器单元中，称为存储器操作数。

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