微机原理知识汇总

计算机组成

冯诺依曼计算机架构

• 以运算器为核心、以存储程序原理为基础
• 组成
  • 运算器
  • 控制器
  • 存储器
  • 输入设备
  • 输出设备
• 采用二进制进行运算，数据与程序均以二进制形式存放在存储器中
• 将计算任务分解为若干步骤，每个步骤用指令实现，指令序列即为程序
• 在CPU的控制下自动进行运算
• 特点
  • 程序存储，共享数据，顺序执行
  • 属于顺序处理机，适合确定的算法和数值数据的处理
• 不足
  • 与存储器间大量数据交互，对总线要求高
  • 执行顺序由程序决定，对大型复杂任务较困难
  • 以运算器为核心，处理效率较低
  • 由PC(Program Count)控制执行顺序，难以实现真正的并行处理

微型计算机的工作过程

• 取一条指令的工作过程
  

1. 指令所在地址赋给程序计数器PC并送到地址寄存器AR
2. PC自动地址加1，AR的内容不变
3. 将地址寄存器AR的内容放在地址总线上，并送至内存储器，经地址译码器译码，选中相应单元
4. CPU控制器发出读指令
5. 在读指令的控制下，把选中内存单元的内容读到数据总线DB
6. 将读出的内容经过数据总线送到数据寄存器DR
7. 指令译码，DR将指令送到指令寄存器IR，然后再送到指令译码器ID

微处理器

指令的执行过程

执行一条指令需要执行的步骤

1. 从存储器中取出指令
2. 指令译码
3. 读操作数(如果需要)
4. 执行指令
5. 写结果(如果需要)

微处理器组成

• 运算器
  • 组成
    • 算术逻辑单元
    • 通用或专用寄存器组(可单独看成一个组成部分)
    • 内部总线
  • 功能
    • 实现数据的算术运算及逻辑运算
• 控制器
  • 组成
    • 程序计数器
    • 指令寄存器
    • 指令译码器
    • 时序控制部件
    • 微操作控制部件
  • 功能
    • 指令控制
    • 时序控制
    • 操作控制

8086/8088

• 16位CPU
• 20位地址线，可寻址1M空间
• 8086总线宽度16位，8088总线宽度8位
• 采用+5V电源，频率位5MHz
• 采用并行流水线工作方式，通过设置指令预取队列实现(相当于有指令缓冲区)
• 对内存空间实行分段管理
• 支持多处理器系统
• 内部结构框图
  

8086/8088管脚及功能

• 管脚示意图

1. $A_{16}-A_{19}/S_{3}-S_{6}$: 地址、状态复用的引脚，三态输出
2. $A_{8}-A_{15}$: 中8位地址信号，三态输出
3. $AD_0-AD_7$: 地址、数据分时复用的双向信号线，三态
4. $IO/\overline{M}$: 输入输出/存储器控制信号，三态。低电平访问存储器，高电平访问$I/O$端口
5. $\overline{WR}$: 写信号输出，三态。低电平为写操作
6. $DT/\overline{R}$: 数据传送方向控制信号，三态。高电平CPU发送数据，低电平CPU接受数据
7. $\overline{DEN}$: 数据允许输出，三态。低电平表示DB的数据有效
8. $ALE$: 地址锁存信号，三态输出。高电平有效
9. $\overline{RD}$: 读选通信号，三态输出，低电平有效
10. $READY$: 外部同步控制输入信号，高电平有效
11. $INTR$: 可屏蔽中断请求输出信号，高电平有效
12. $NMI$: 非屏蔽中断请求输入信号，上升沿触发
13. $\overline{INTA}$: 中断响应信号输出，低电平有效
14. $HOLD$: 总线保持请求信号输入，高电平有效
15. $HLDA$: 总线保持响应信号输入，高电平有效

• 工作模式
  • 最小模式
    系统中只有8086/8088一个处理器，所有的控制信号都由8086/8088CPU产生
  • 最大模式
    系统可包含一个以上的处理器

当$MN/\overline{MX}$加上低电平时，CPU工作在最大模式，反之则在最小模式下

8086/8088寄存器

数据寄存器

为避免累赘，例如AL，AH类8位寄存器不列举

• AX(Accumulator): 累加器，通常用作数据传输媒介
• BX(Base): 基址寄存器，通常用作存放内存的基地址，常与DS配合使用
• CX(Count): 计数寄存器，在循环和串操作指令中做计数器
• DX(Data): 数据寄存器，在寄存器间接寻址的I/O指令中存放I/O端口地址

地址指针寄存器

• SP(Stack Pointer): 堆栈指针寄存器，它指向栈顶
• BP(Bace Pointer): 基址指针寄存器，常用来存放内存的基地址，常配合SS来使用

变址寄存器

• SI(Source Index): 源变址寄存器，用作索引指针
• DI(Destination Index): 目的变址寄存器，用作索引指针

段寄存器

存放相应段的段地址

• CS(Code Segment): 代码段寄存器
• SS(Stack Segment): 堆栈段寄存器
• DS(Data Segment): 数据段寄存器
• ES(Extra Segment): 附加段寄存器

控制寄存器

• IP(Instructions Pointer): 指令指针寄存器
• FLAGS: 标志寄存器

物理地址与逻辑地址的转换(存储器分段)

物理地址 = 段基址 * 16 + 段内偏移地址

如段地址为1000H，偏移地址为1234H，则

物理地址 = $1000H * 16 + 1234H = 10000H + 1234H = 11234H$

堆栈操作

• 每次压栈(PUSH)和退栈操作(POP)均以字(双字节)为单位
• 栈的增长方向是从高地址到低地址

如将82F0H压栈，[SP] = F0H，[SP+1] = 82H，如下图所示

内存中的数据特点

• 数据再内存中从低地址到高地址顺序存放
• 数据位大于8位时，高字节放在高地址，低字节放在低地址
• 数据的地址指它的最低字节所在内存单元的地址

系统总线

• 按传输数据类型分类
  • 数据总线
  • 地址总线
  • 控制总线
• 按相对CPU位置分类
  • 片内总线
  • 片外总线

• 按层次结构分

  • CPU总线
  • 系统总线
  • 外部总线

• 总线结构

  • 单总线结构：简单，但竞争严重
  • 多总线结构：性能高，但组成复杂

• 性能指标

  • 带宽
  • 位宽
  • 工作频率

$总线带宽 = (位宽/8)*(工作频率/每个存取周期的时钟数)$

8086/8088指令系统

寻址方式

• 立即寻址
  eg. MOV AX, 1200H
• 直接寻址
  eg. MOV AX, [8000H]
• 寄存器寻址
  eg. MOV AX, BX
• 寄存器间接寻址
  eg. MOV AX, [BX]
• 寄存器相对寻址
  eg. MOV AX, [BX + 1]
• 基址-变址寻址
  指令中不允许同时出现两个基址寄存器或者两个变址寄存器
  eg. MOV AX, [BX][SI] or MOV AX, [BX + SI]
• 基址-变址-相对寻址
  eg. MOV AX, [BX][SI]5

数据传送指令

• MOV: 一般传输指令(源操作数和目标操作数不能同时为存储器操作数)
• PUSH/POP: 堆栈操作指令
• PUSHF/POPF: 将标志寄存器压栈或者从堆栈弹出
• XCHG: 交换指令
• IN/OUT: 输入输出指令
• LEA: 取偏移地址指令

算术运算指令

加法指令

• ADD: 不考虑进位的加法指令
• ADC: 带进位的加法指令
• INC: 加一指令

减法指令

• SUB: 不考虑借位减法指令
• SBB: 带借位的减法指令
• DEC: 减一指令
• NEG: 求补指令
• CMP: 比较指令

乘法指令

• MUL: 乘法指令

除法指令

• DIV: 除法指令

逻辑运算与移位指令

逻辑指令

• AND: 逻辑‘与’指令
• OR: 逻辑‘或’指令
• NOT: 逻辑‘非’指令
• XOR: 逻辑‘异或’指令
• TEST: 测试指令

移位指令

• SAL: 算术左移指令
• SAR: 算术右移指令
• SHL: 逻辑左移指令
• SHR: 逻辑右移指令
• ROL: 不带进位的循环左移指令
• ROR: 不带进位的循环右移指令
• RCL: 带进位的循环左移指令
• RCR: 带进位的循环右移指令

串操作指令

要预先设置源串指针(DS:[SI])，目标串指针(ES:[DI])，重复次数(CX)，操作方向(DF)，使用CLD or STD

重复前缀

共同特点，使用前要设置CX，每重复一次CX自减1，为0时停止

• REP: 无条件重复
• REPE(Repeat if Equal): 相等重复
• REPZ(Repeat if Zero): 为0重复
• REPNE(Repeat if Not Equal): 不相等重复
• REPNZ(Repeat if Not Zero): 不为0重复

串操作指令

每次循环会使SI和DI自增一个字或者字节(取决于指令)

• MOVS, MOVSB, MOVSW: 串传送
• CMPS, CMPSB, CMPSW: 串比较
• SCAS, SCASB, SCASW: 串扫描
• LODS, LODSB, LODSW: 串装入
• STOS, STOSB, STOSB: 串送存

每种串操作有三种格式，第一种格式是需要手动设置操作数的，第二种是默认使用预先设置的源串指针(DS:[SI])，目标串指针(ES:[DI])来按字节操作，第三种则是按字操作

程序控制指令

转移指令

• JMP: 无条件转移指令(加修饰符FAR可段间调用)
• JC/JNC: 判断CF的状态，常用于比大小
• JZ/JNZ: 判断ZF的状态，常用于循环体的结束判断
• JO/JNO: 判断OF的状态，常用于有符号数的溢出判断
• JP/JPE: 判断PF的状态，用于判断运算结果低八位1的个数是否为偶数
• JA/JAE/JB/JBE: 判断CF或CF+ZF的状态，常用于无符号数的比较

更多指令查看下表

循环指令

循环次数由预先设置的CX决定

• LOOP: 无条件循环指令

过程调用和返回

调用时将IP压入堆栈，如果是段间调用(FAR)还要先将CS压入堆栈

• CALL: 调用子程序(加修饰符FAR可实现段间调用)
• RET: 从堆栈中弹出IP，返回到原程序

中断指令

• INT: 中断程序调用，后跟中断类型码

• 执行过程

  • 将FLAGS压入堆栈
  • 将INT指令的下一条指令的CS、IP压栈
  • 由中断类型码乘4获得中断向量存放的地址
  • 将中断向量(中断服务程序入口地址)放入CS、IP
  • 转入中断服务程序运行

• IRET: 中断程序返回，恢复原程序的CS、IP、FLAGS

汇编