微型计算机原理(16位).ppt
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1、微型计算机原理 基于16位机,微处理器,指令系统,概述,第一章,微型计算机概述,1946年,世界上出现第一台数字式电子计算机ENIAC(电子数据和计算器) 发展到以大规模集成电路为主要部件的第四代,产生了微型计算机 1971年,Intel公司设计了世界上第一个微处理器芯片Intel4004,开创了一个全新的计算机时代,1.1 微型计算机的发展和应用,1.1.1 微型计算机的发展,第1代:4位和低档8位微机 400440408008 第2代:中高档8位微机 Z80、I8085、M6800,Apple-II微机 第3代:16位微机 8086808880286,IBM PC系列机,1.1.1 微型计
2、算机的发展(续),第4代:32位微机 8038680486PentiumPentium II Pentium III Pentium 4 32位PC机、Macintosh机、PS/2机 第5代:64位微机 Itanium、64位RISC微处理器芯片 微机服务器、工程工作站、图形工作站,1.1.2 微型计算机的应用,计算机应用通常分成如下各个领域 科学计算,数据处理,实时控制 计算机辅助设计,人工智能, 由于微型计算机具有如下特点 体积小、价格低 工作可靠、使用方便、通用性强 所以,可以分为两个主要应用方向,1.1.2 微型计算机的应用,用于数值计算、数据处理及信息管理方向 通用微机,例如:PC
3、微机 功能越强越好、使用越方便越好 用于过程控制及智能化仪器仪表方向 专用微机,例如:单片机、工控机 可靠性高、实时性强 程序相对简单、处理数据量小,将CPU以及其他主要部件(如ROM、RAM、I/O接口)都集成在一个微处理器芯片中 例如:常用的MCS-51、MCS-96,1.2 微型计算机的系统组成,区别,1.2.1 微型计算机的硬件组成,微处理器子系统 存储器 I/O设备和I/O接口 系统总线,系统总线,总线是指传递信息的一组公用导线 总线是传送信息的公共通道 微机系统采用总线结构连接系统功能部件 总线信号可分成三组 地址总线AB:传送地址信息 数据总线DB :传送数据信息 控制总线CB
4、:传送控制信息,总线信号,地址总线AB 输出将要访问的内存单元或I/O端口的地址 地址线的多少决定了系统直接寻址存储器的范围 数据总线DB CPU读操作时,外部数据通过数据总线送往CPU CPU写操作时,CPU数据通过数据总线送往外部 数据线的多少决定了一次能够传送数据的位数 控制总线CB 协调系统中各部件的操作,有输出控制、输入状态等信号 控制总线决定了系统总线的特点,例如功能、适应性等,举例,举例,特点,1.2.2 微型计算机的软件系统,为什么采用汇编语言?,1.3 IBM PC系列机系统,16位IBM PC系列机是32位微机的基础,8088CPU,IBM PC机,IBM PC/AT机,I
5、BM PC/XT机,1.3.1 硬件基本组成,16位和 32位PC机的基本部件相同,1.3.2 主机板组成,微处理器子系统 8088:16位内部结构、8位数据总线、20位地址总线、4.77MHz主频 存储器 ROM-BIOS、主体为RAM I/O接口控制电路 8259A、8253、8237A、8255等 I/O通道 62线的IBM PC总线,1.3.3 存储空间的分配,常规内存:1MB 基本RAM区:640KB 保留RAM区:128KB 扩展ROM区:128KB 基本ROM区:64KB 扩展内存:用作RAM区,1.3.4 I/O空间的分配,80x86访问外设时,只使用低16位A0A15,寻址6
6、4K个8位I/O端口 PC机仅使用低10位A0A9,寻址1024个8位I/O端口,第1章:1.4 计算机中的数据表示,存储容量的表达 比特b(二进制1位) 字节B (二进制8位) 1KB210B1024B 1MB220B、1GB230B 进制的表示 二进制数用B或b结尾 十进制数可不用结尾字母, 也可用D或d结尾 十六进制数用H或h结尾,返回,世界上第一台计算机ENIAC,Intel4004和采用4004的计算器,返回,Apple微型计算机,Apple-I,Apple-II,返回,IBM PC系列机,8088CPU,IBM PC机,IBM PC/AT机,IBM PC/XT机,返回,英特尔微处理
7、器芯片,80386,Pentium,Pentium 4,返回,明确3个概念的区别,微处理器(Microprocessor) 一个大规模集成电路芯片 内含控制器、运算器和寄存器等 微机中的核心芯片 微型计算机(Microcomputer) 通常指微型计算机的硬件系统 还有一般的说法:微机、微型机 微型计算机系统(Microcomputer system) 指由硬件和软件共同组成的完整的计算机系统,返回,Intel 80x86CPU的地址线条数,Intel80x86 地址条数 存储容量 8086 20 1MB 8088 20 1MB 80286 24 16MB 80386 32 4GB Penti
8、um4,返回,Intel 80x86CPU的数据线条数,Intel 80x86 数据位数 8086 16 8088 8 80286 16 80386Pentium 4 32,返回,系统总线的使用特点,除了CPU外,还有DMA控制器和协处理器都具有控制系统总线的能力。它们被称为“总线主控设备” 在某一个时刻,只能由一个总线主控设备来控制系统总线 在连接系统总线的各个设备中,某一个时刻只能有一个发送者向总线发送信号;但可以有多个设备从总线上同时获得信号,返回,第二章,微处理器,微处理器主要的性能指标,主频,第二章,外频,工作电压,制造工艺,地址线宽度,数据线宽度,内置协处理器,微处理器飞速发展,8
9、0386,80486,奔腾,奔腾2代,奔腾4代,80286,8086,奔腾3代,IA-64 (安腾),4004,2.1 8086/8088微处理器,Intel公司1978年推出8086,1979年推出8088,于1981年用于IBM PC/XT中,2.11 8086/8088的内部结构,一、总线接口部件BIU(Bus interface Unit),二、执行部件(Execution Unit),结构,第2章: 2.1.2 8088/8086的功能结构,8088的内部结构从功能上分成两个单元 1. 总线接口单元BIU 管理8088与系统总线的接口 负责CPU对存储器和外设进行访问 2. 执行单元
10、EU 负责指令的译码、执行和数据的运算 两个单元相互独立,分别完成各自操作,还可以并行执行,实现指令预取(指令读取和执行的流水线操作),第2章:2.1.3 8088/8086的寄存器结构,8088/8086的寄存器组有 8个通用寄存器 4个段寄存器 1个标志寄存器 1个指令指针寄存器 他们均为16位!,图示,汇编语言程序员看到的处理器,就是寄存器 所以,一定要熟悉这些寄存器的名称和作用,第2章:1. 通用寄存器,8088有8个通用的16位寄存器 (1)数据寄存器: AX BX CX DX (2)变址寄存器: SI DI (3)指针寄存器: BP SP 4个数据寄存器还可以分成高8位和低8位两个
11、独立的寄存器,这样又形成8个通用的8位寄存器 AX: AH AL BX: BH BL CX: CH CL DX: DH DL,内部结构,第2章:(1)数据寄存器,AX称为累加器(Accumulator) 使用频度最高。用于算术、逻辑运算以及与外设传送信息等 BX称为基址寄存器(Base address Register) 常用做存放存储器地址 CX称为计数器(Counter) 作为循环和串操作等指令中的隐含计数器 DX称为数据寄存器(Data register) 常用来存放双字长数据的高16位,或存放外设端口地址,第2章:(1)数据寄存器,AX称为累加器(Accumulator) 使用频度最高
12、。用于算术、逻辑运算以及与外设传送信息等 BX称为基址寄存器(Base address Register) 常用做存放存储器地址 CX称为计数器(Counter) 作为循环和串操作等指令中的隐含计数器 DX称为数据寄存器(Data register) 常用来存放双字长数据的高16位,或存放外设端口地址,内部结构,第2章:(2)变址寄存器,16位变址寄存器SI和DI 常用于存储器变址寻址方式时提供地址 SI是源地址寄存器(Source Index) DI是目的地址寄存器(Destination Index) 在串操作类指令中,SI、DI还有较特殊的用法,现在不必完全理解,以后会详细展开,内部结构
13、,第2章:(3)指针寄存器,指针寄存器用于寻址内存堆栈内的数据 SP为堆栈指针寄存器(Stack Pointer),指示堆栈段栈顶的位置(偏移地址) BP为基址指针寄存器(Base Pointer),表示数据在堆栈段中的基地址 SP和BP寄存器与SS段寄存器联合使用以确定堆栈段中的存储单元地址,堆栈(Stack)是主存中一个特殊的区域,采用“先进后出”或“后进先出”存取操作方式、而不是随机存取方式。 用8088/8086形成的微机系统中,堆栈区域被称为堆栈段,内部结构,第2章:2. 指令指针寄存器,IP(Instruction Pointer)为指令指针寄存器,指示主存储器指令的位置 随着指令
14、的执行,IP将自动修改以指示下一条指令所在的存储器位置 IP寄存器是一个专用寄存器 IP寄存器与CS段寄存器联合使用以确定下一条指令的存储单元地址,内部结构,第2章:3. 标志寄存器,标志(Flag)用于反映指令执行结果或控制指令执行形式 8088处理器的各种标志形成了一个16位的标志寄存器FLAGS(程序状态字PSW寄存器),程序设计需要利用标志的状态,内部结构,第2章:标志寄存器-分类,状态标志用来记录程序运行结果的状态信息,许多指令的执行都将相应地设置它 CF ZF SF PF OF AF 控制标志可由程序根据需要用指令设置,用于控制处理器执行指令的方式 DF IF TF,标志寄存器FL
15、AGS,存储,内部结构,第2章:进位标志CF(Carry Flag),当运算结果的最高有效位有进位(加法)或借位(减法)时,进位标志置1,即CF1; 否则CF0,3AH + 7CHB6H,没有进位:CF = 0 AAH + 7CH(1)26H,有进位:CF = 1,第2章:零标志ZF(Zero Flag),若运算结果为0,则ZF1; 否则ZF0,3AH7CHB6H,结果不是零:ZF0 84H7CH(1)00H,结果是零:ZF1,注意:ZF为1表示的结果是0,第2章:符号标志SF(Sign Flag),运算结果最高位为1,则SF1; 否则SF0,3AH7CHB6H,最高位D71:SF1 84H7
16、CH(1)00H,最高位D70:SF0,有符号数据用最高有效位表示数据的符号 所以,最高有效位就是符号标志的状态,第2章:奇偶标志PF(Parity Flag),当运算结果最低字节中“1”的个数为零或偶数时,PF1;否则PF0,3AH7CHB6H10110110B 结果中有5个“1”,是奇数:PF0,PF标志仅反映最低8位中“1”的个数是 偶或奇,即使是进行16位字操作,第2章:溢出标志OF(Overflow Flag),若算术运算的结果有溢出,则OF1; 否则 OF0,3AH + 7CHB6H,产生溢出:OF1 AAH + 7CH(1)26H,没有溢出:OF0,?,返回,第2章:什么是溢出,
17、处理器内部以补码表示有符号数 8位表达的整数范围是:127 128 16位表达的范围是:32767 32768 如果运算结果超出这个范围,就产生了溢出 有溢出,说明有符号数的运算结果不正确,3AH7CHB6H,就是58124182, 已经超出128127范围,产生溢出,故OF1;补码B6H表达真值是74,显然运算结果也不正确,B6H10110110B,最高位为1, 作为有符号数是负数 对B6H求反加1等于: 01001001B101001010B4AH74 所以,B6H表达有符号数的真值为74,第2章:溢出和进位的区别,溢出标志OF和进位标志CF是两个意义不同的标志 进位标志表示无符号数运算结
18、果是否超出范围,运算结果仍然正确 溢出标志表示有符号数运算结果是否超出范围,运算结果已经不正确,?,第2章: 溢出和进位的对比,例1:3AH7CHB6H 无符号数运算: 58124182 范围内,无进位 有符号数运算: 58124182 范围外,有溢出,例2:AAH7CH(1)26H 无符号数运算: 170124294 范围外,有进位 有符号数运算: 8612428 范围内,无溢出,第2章:溢出和进位的应用场合,处理器对两个操作数进行运算时,按照无符号数求得结果,并相应设置进位标志CF;同时,根据是否超出有符号数的范围设置溢出标志OF 应该利用哪个标志,则由程序员来决定。也就是说,如果将参加运
19、算的操作数认为是无符号数,就应该关心进位;认为是有符号数,则要注意是否溢出,第2章:溢出的判断,判断运算结果是否溢出有一个简单的规则: 只有当两个相同符号数相加(包括不同符号数相减),而运算结果的符号与原数据符号相反时,产生溢出;因为,此时的运算结果显然不正确 其他情况下,则不会产生溢出,例1:3AH7CHB6H 溢出 例2:AAH7CH 无溢出 例3:3AH7CH 无溢出 例4:AAH7CH2DH 溢出,返回,第2章:辅助进位标志AF(Auxiliary Carry Flag),3AH7CHB6H,D3有进位:AF1,运算时D3位(低半字节)有进位或借位时,AF1;否则AF0,这个标志主要由
20、处理器内部使用, 用于十进制算术运算调整指令中, 用户一般不必关心,第2章:方向标志DF(Direction Flag),用于串操作指令中,控制地址的变化方向: 设置DF0,存储器地址自动增加; 设置DF1,存储器地址自动减少,CLD指令复位方向标志:DF0 STD指令置位方向标志:DF1,第2章:中断允许标志IF(Interrupt-enable Flag),控制可屏蔽中断是否可以被处理器响应: 设置IF1,则允许中断; 设置IF0,则禁止中断,CLI指令复位中断标志:IF0 STI指令置位中断标志:IF1,第2章:陷阱标志TF(Trap Flag),用于控制处理器进入单步操作方式: 设置T
21、F0,处理器正常工作; 设置TF1,处理器单步执行指令,单步执行指令处理器在每条指令执行结束时,便产生一个编号为1的内部中断 这种内部中断称为单步中断 所以TF也称为单步标志 利用单步中断可对程序进行逐条指令的调试 这种逐条指令调试程序的方法就是单步调试,第2章:2.1.4 8088/8086的存储器结构,存储器是计算机存储信息的地方。掌握数据存储格式,以及存储器的分段管理对以后的汇编程序设计非常重要 你能区别寄存器、存储器(主存)、外存(包括硬盘、光盘、磁带等存储介质)吗?,答案,第2章:寄存器、存储器和外存的区别,寄存器是微处理器(CPU)内部暂存数据的存储单元,以名称表示,例如:AX,B
22、X.等 存储器也就是平时所说的主存,也叫内存,可直接与CPU进行数据交换。主存利用地址区别 外存主要指用来长久保存数据的外部存储介质,常见的有硬盘、光盘、磁带、U盘等。外存的数据只能通过主存间接地与CPU交换数据 程序及其数据可以长久存放在外存,在运行需要时才进入主存,第2章:1. 数据的存储格式,计算机中信息的单位 二进制位Bit:存储一位二进制数:0或1 字节Byte:8个二进制位,D7D0 字Word:16位,2个字节,D15D0 双字DWord:32位,4个字节,D31D0 最低有效位LSB:数据的最低位,D0位 最高有效位MSB:数据的最高位,对应字节、字、双字分别指D7、D15、D
23、31位,图示,第2章:存储单元及其存储内容,每个存储单元都有一个编号;被称为存储器地址 每个存储单元存放一个字节的内容,图示,0002H单元存放有一个数据34H 表达为 0002H34H,第2章:多字节数据存放方式,多字节数据在存储器中占连续的多个存储单元: 存放时,低字节存入低地址,高字节存入高地址; 表达时,用它的低地址表示多字节数据占据的地址空间。,图2-5中0002H“字”单元的内容为: 0002H = 1234H 0002H号“双字”单元的内容为: 0002H = 78561234H,80x86处理器采用“低对低、高对高”的存储形式,被称为“小端方式Little Endian”。 相
24、对应还存在“大端方式Big Endian”。,图示,第2章:数据的地址对齐,同一个存储器地址可以是字节单元地址、字单元地址、双字单元地址等等(视具体情况来确定) 字单元安排在偶地址(xxx0B)、双字单元安排在模4地址(xx00B)等,被称为“地址对齐(Align)” 对于不对齐地址的数据,处理器访问时,需要额外的访问存储器时间 应该将数据的地址对齐,以取得较高的存取速度,第2章:2. 存储器的分段管理,8088CPU有20条地址线 最大可寻址空间为2201MB 物理地址范围从00000HFFFFFH 8088CPU将1MB空间分成许多逻辑段(Segment) 每个段最大限制为64KB 段地址
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- 微型计算机 原理 16
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