微机原理讲义.docx
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微机原理讲义
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前言
微型计算机是电子计算机技术飞速发展的产物，具有体积小、重量轻、耗电少、价格低廉、可靠性高、结构灵活等特点。
微型计算机最早的是美国IBM公司用INTEL公司的8086CPU芯片制造的IBM-PC机，现在已经由低档的8位机8080、8086、8088，发展到16位的80286，32位的80386、80486、PENTUIM、PENTUIMII、PENTUIMIII等高档机型。
主机的内存容量也由最初的48K字节增加到640K、2M、…、128M甚至更大。
处理速度也越来越快，工作稳定性显著提高。
当前，微型机技术正往两个方向发展，一个是高性能、多功能的方向，另一个是价格低廉、功能转移的方向。
在不久的将来，微型机将发展成为融工作、学习、娱乐于一体，集电脑、电视、电话于一身的综合办公设备和新型家用电器，以及信息高速公路上的数字化、多媒体智能终端。
未来的微机在我们工作学习和日常生活中将会充当重要角色，它不仅会改变我们的生活方式，而且会改变我们的文化特征，会出现我们今天无法想象的事物，微机必将成为人类文明之侣。
通过本课程掌握微机关键技术的原理和实现方法，使用户深入理解、牢固掌握、灵活运用微型机最主要的技术，从而能够在日新月异的计算机领域更快地理解、熟悉、掌握新的发展。
在软件方面，本教学软件以介绍8086指令系统为基础，重点讨论Intel公司的ASM-86汇编语言程序设计；而在硬件方面则着重讨论8086的体系结构、接口技术、Intel公司的I/O配套支持器件及其应用，为用户开发应用8086系列微型计算机（包括IBM-PC机）打下必要的基础。
第一章绪论
本章介绍计算机基础知识，内容包括计算机的发展、特点、分类及应用；计算机中常用的数制以及不同数制间的相互转换；数据的编码；二进制数的算术运算和逻辑运算；数据的存贮组织等。
其中涉及到不少名词、术语及其相关概念，必须弄懂和掌握，为我们以后学习作好必要的知识准备。
世界上第一台计算机，是1946年2月由美国宾夕法尼亚大学研制成功的。
之后计算机获得了突飞猛进的发展。
人们依据计算机性能和当时软硬件技术（主要根据所使用的电子器件），将计算机的发展划分成四个阶段。
每一个阶段在技术上都是一次新的突破，在性能上都是一次质的飞跃。
第二章8086的体系结构
8086是高性能的第三代微处理器，是Intel系列的16位微处理器，它是采用HMOS工艺制造的，内部包含约29,000个晶体管。
8086有16根数据线和20根地址线，因为可用20位地址，所以可寻址的地址空间达220即1M字节。
8086工作时，只要一个5V电源和一相时钟，时钟频率为5MHz。
后来，Intel公司推出的8086-1型微处理器时钟频率高达10MHz，8086-2型微处理器时钟频率达8MHz。
几乎在推出8086微处理器的同时,Intel公司还推出了一种准16位微处理器8088。
推出8088的主要目的是为了与当时已有的一整套Intel外围设备接口芯片直接兼容。
8088的内部寄存器、内部运算部件以及内部操作都是按16位设计的，但对外的数据总线只有8条。
这两种微处理器除了数据总线宽度不同外，其他方面几乎完全相同。
8086/8088的另一个突出特点是其多重处理的能力，它们都能极方便的和数值数据处理器（NPX）8087，I/O处理器（IOP）8089或其他处理器组成多处理器系统，从而极大地提高系统数据吞吐能力和数据处理能力。
2.0 计算机的工作过程
了解了“程序存储”，再去理解计算机工作过程变得十分容易。
如果想叫计算机工作，就得先把程序编出来，然后通过输入设备送到存储器中保存起来，即程序存储。
下面就是执行程序的问题了。
根据冯.诺依曼的设计，计算机应能自动执行程序，而执行程序又归结为逐条执行指令。
执行一条指令又可分为以下四个基本操作：
①取出指令：
从存储器某个地址中取出要执行的指令送到CPU内部的指令寄存器暂存；
②分析指令：
把保存在指令寄存器中的指令送到指令译码器，译出该指令对应的微操作；
③执行指令：
根据指令译码，向各个部件发出相应控制信号，完成指令规定的各种操作；
④为执行下一条指令作好准备，即形成下一条指令地址；
2.1 8086的编程结构
要掌握一个CPU的工作性能和使用方法，首先应该了解它的编程结构。
所谓编程结构，就是指从程序员和使用者的角度看到的结构，当然，这种结构与CPU内部的物理结构和实际布局是有区别的。
在下图中可以看到，从功能上，8086分为两部分，即总线接口部件BIU（BusInterfaceUnit）和执行部件EU（ExecutionUnit）。
这两个单元在CPU内部担负着不同的任务。
下图即为8086的编程结构图。
这两个单元并行地工作，能使大部分取指令操作与执行指令操作重叠的进行（即所谓“流水线”结构）。
由于EU执行的是BIU已从存储器取出的指令，所以在大多数情况下取指令的时间“消失了”，从而加快了程序的运行速度。
2.1 8086的编程结构
总线接口部件（BIU）
总线接口部件的功能是负责与存储器、I/O端口传送数据。
总线接口部件要从内存取指令送到指令队列；CPU执行指令时，总线接口部件要配合执行部件从指定的内存单元或者外设端口中取数据，将数据传送给执行部件，或者把执行部件的操作结果传送到指定的内存单元或外设端口中。
具体讲，BIU根据执行部件EU算出来的16位偏移地址及16位段寄存器提供的16位地址段，通过地址加法器产生20位物理地址，根据EU单元的请求，用20位物理地址对存储器进行读写操作，亦可对I/O接口进行读写操作。
在取出指令的同时，从内存中取下一条或几条指令放在指令队列中。
这样，在一般情况下CPU执行完一条指令，就可以立即执行下一条指令，而不象8位机那样让CPU轮番地进行取指令和执行指令，从而提高了CPU的效率。
总线接口部件由下列各部分组成：
∙4个段地址寄存器；
oCS——16位的代码段寄存器；
oDS——16位的数据段寄存器；
oES——16位的扩展段寄存器；
oSS——16位的堆栈段寄存器；
oCS——16位的代码段寄存器；
oDS——16位的数据段寄存器；
oES——16位的扩展段寄存器；
oSS——16位的堆栈段寄存器；
∙16位的指令指针寄存器IP；
∙20位的地址加法器；
∙6字节的指令队列。
执行部件EU
执行部件的功能就是负责指令的执行。
从编程结构图可见，执行部件由下列几个部分组成：
∙4个通用寄存器，即AX、BX、CX、DX；
∙4个专用寄存器；
o基数指针寄存器BP；
o堆栈指针寄存器SP；
o源变址寄存器SI；
o目的变址寄存器DI；
o基数指针寄存器BP；
o堆栈指针寄存器SP；
o源变址寄存器SI；
o目的变址寄存器DI；
∙标志寄存器；
∙算术逻辑单元ALU。
“流水线”结构
总线接口部件BIU和执行部件EU并不是同步工作的，两者的动作管理遵循如下原则：
1.每当8086的指令队列中有2个空字节，BIU就会自动把指令取到指令队列中。
2.而同时EU从指令队列取出一条指令，并用几个时钟周期去分析、执行指令。
3.当指令队列已满，而且EU对BIU又无总线访问请求时，BIU便进入空闲状态。
4.在执行转移、调用和返回指令时，指令队列中的原有内容被自动清除。
在8086/8088中，EU和BIU这种并行的工作方式不仅有力地提高了工作效率，而且这也是它们的一大特点。
EU和BIU之间是通过指令队列相互联系的。
指令队列可以被看成一个RAM区，EU对其执行读操作，BIU对其执行写操作。
通用寄存器的用法
寄存器的隐含用法
寄存器
执 行 操 作
AX
整字乘法，整字除法，整字I/O。
AL
字节乘法，字节除法，节字I/O。
翻译，十进制算术运算。
AH
字节乘法，字节除法。
BX
翻译。
CX
字符串操作，循环。
CL
变量的移位和循环移位。
DX
整字乘法，整字除法，间接I/O。
SP
堆栈操作。
SI
字符串操作。
DI
字符串操作。
通用寄存器组包括AX，BX，CX，DX。
主要用来保存算术或逻辑运算的操作数、中间运算结果。
它们既可以作为一个16位的寄存器使用，也可以分别作为两个8位的寄存器使用。
由于这些寄存器具有良好的通用性，使用十分灵活，因而称为通用寄存器。
但在某些指令中规定了某些通用寄存器的专门用法，这样可以缩短指令代码长度；或使这些寄存器的使用具有隐含的性质，以简化指令的书写形式（即在指令中不必写出使用的寄存器名称）。
通用寄存器的隐含用法如上表所示。
2.2 8086的工作模式
为了尽可能适应各种各样的使用场合，在设计8086CPU芯片时，使它们可以在两种模式下工作，即最小模式和最大模式。
所谓最小模式，就是在系统中只有8086一个CPU，而所有的总线控制信号都由8086直接产生，因此系统中的总线控制电路被减到最少。
而最大模式是相对最小模式而言的，此时系统中有两个或多个微处理器，其中有一个是主处理器8086，其它的处理器称为协处理器，它们协助主处理器工作。
一、最小工作模式
由图可知，在8086的最小模式中，硬件连接上有如下几个特点：
1.MN/MX端接+5V，决定了8086工作在最小模式。
2.有一片8234A，作为时钟发生器。
3.有三片8282或74LS373，用来作为地址锁存器。
4.当系统中所连接的存储器和外设比较多时，需要增加系统数据总线的驱动能力，这时，要用两片8286/8287作为总线收发器。
第一周期
CPU输出20位地址、ALE信号，及地址A0---A19
第二周期
A19/S6---A16/S3，!
BHE/S7输出状态S7---S3；同时!
RD和!
DEN变有效（低电平）。
第三周期
数据输入。
第四周期
从AD15---AD0读入数据，并使!
RD 信号和!
DEN信号处于无效状态。
最小方式适用于由单微处理器组成的小系统。
在这种系统中，8086/8088CPU直接产生所有的总线控制信号，因而省去了总线控制逻辑。
二、最大工作模式
由下图可知，最大模式配置和最小模式配置有一个主要的差别：
最大模式下多了8288总线控制器。
这是因为在最大模式系统中一般包含两个或多个处理器，这样就要解决主处理器和协处理器之间的协调工作问题和对总线的共享控制问题。
8288总线控制器对CPU发出的控制信号进行变换组合，以得到对存储器和I/O端口的读/写信号和对8282及8286的控制信号。
在最大模式系统中，一般还会有中断优先级管理部件，当然，在系统所含的设备较少时，该部件也可省去。
而反过来，在最小模式系统中，如果所含的设备较多，也要加上中断优先级管理部件。
三、8086CPU的引脚信号
8086CPU采用双列直插式的封装形式，具有40条引脚，它采用分时复用的地址/数据总线，所以有一部分引脚具有双重功能。
引脚33用于确定配置方式，如该引脚接+5V,则工作于最小模式；如该引脚接地，则工作于最大模式。
这两种CPU都有20条地址引脚，其中高4位地址引脚（A19/S6-A116/S3）以分时转换方式传送地址和状态信号。
在实际使用中，8086的一些引脚信号还可用来配合读/写操
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