微机原理基础

一、数值信息

编码

1. 编码是指将多种形式转换成一种特定形式（高低电平去表示图像、数字、音频等）
2. BCD：以4位二进制数表示一位十进制数，再拼凑起来表示十进制数。
3. 一个存储单元常有8个二进制码、相当于2个BCD
4. ASCLL：有效位只有7位，一位符号位。校验：约定8位ASCLL中的1的个数是奇/偶，若符合，则去掉符号位的ASCLL为传输的字符。

• 位、比特、字节
  1. 带宽即位、即比特。1B（Byte）=8b
  2. 1K=1024b；1KB=1024*8b 例：16位的寄存器：(2^16)/1024=64K

数

1. 无符号数：
   • 首位也算在所表示的真值中。每当乘或除2时，二进制整体向左/右移动一位。
   • 溢出判断：最高位有向下一位的进位时，溢出到标志寄存器中。
2. 有符号数：
   • 原码：第一位符号位，其余数值位。但0的表示不唯一，不用。
   • 反码：当原码表示复数时，原码符号位不变，其余取反。0不唯一，不用。
   • 补码：正数时，原码=反码=补码；复数时，补码=反码+1。0唯一，计算机使用。（补码使减法等效于加法于移位的操作，省钱省空间。X-Y=[X+(-Y)]补=[X]补+[-Y]补）（特殊：补码10000000表示-128）；补码表示负数时，想求其真值可通过再求补码的方式，而不是通过-1取反。
   • 溢出：次高位进位异或最高位进位，为1即溢出。

逻辑运算

• 与算术运算的区别：逻辑运算不产生进位

• 与

  

  

• 或

  

  

• 异或 相同为0相异为1

  

• 同或 是对异或进行一个非运算

二、微型机基本原理

构成

1. CPU

   • 运算器、寄存器（如5+4+3=9+3，9先放在CPU中）、控制器

2. 存储器

   • 分为内存储器（内存条）和外存储器（U盘-脱机外存、固态/机械硬盘-联机外存）
   • 存储方式：RAM随机存储器（需要后备电源-大部分电脑的内存都是）；ROM只读存储器（不需-U盘）

3. I/O接口

   • 作用：1.协调CPU的高速与外设的低速（数据缓存）。2.作为不同信号的翻译。

4. 总线

   • what：是导线与控制、驱动电路的集合。
   • why：信息的总类主要有三：地址、数据、控制。因此总线也有不同的传输单元。

工作过程

1. 指令需要放在内存中（于CPU直接相连）
2. 指令执行：CPU取指令-CPU分析指令-CPU取数据-CPU执行指令-CPU送回数据（取数据和送回不一定发生）（分为顺序于并行执行）
3. 并行在于高效地利用了总线（分析指令时，让总线去取下一条指令-总线忙碌）
4. 冯·诺依曼机：加入了程序计数器PC，用于存储内存中指令所在的地址，每次传给地址寄存器AR后，PC自动加一。之后总线把地址由AR传给内存，并将其地址译码。CPU发出读命令。由数据总线取出指令操作码传至数据寄存器DR-指令寄存器IR-指令译码器IL （顺序存储）

8088/8086

• 区别：主要体现在外部的数据总线的宽度，前者有8位，8086有16位

1. 结构

   • 为什么可以并行？因为BIU中指令队列缓存器与（？）实现的指令与数据预取加之现在软件对转移、循环指令的处理使得流水线“不断流”。
   • 为什么可以存储分段？好处？
   • 支持协处理器。Q：什么是协处理器？

2. 工作模式

   • 最小模式/最大模式：1.切换方式：MN/MX引脚；2.区别：否/是使用协处理器。

3. 引脚

   • 地址位有16位，AD0~AD7位地址和数据的分时复用线（地址先、数据后）。A8~A15为8位的地址线。A16~A19分时复用地传输地址与#状态信号（看ALE）。
   • 引脚的上划线与#表示低电平（0）有效
   • #DEN数据允许信号，IO/#M，区分接口/存储器访问
   • #WR读，#RD写，不可同时为1。针对储存器或IO
   • DT/#R是CPU的写/读
   • ALE地址锁存信号，1时表示已经取到地址，准备去取数据
   • 总线保持信号：
   • 中断信号：

4. 寄存器
   

   • 通用寄存器：用于暂时存储运算的数据
     • 都是16位的，可以拆分成两个8位，但只有16位可以存地址，因为8088是16位的，它最小的地址也是16位的
     • AX累加器：AH、AL
     • BX基地址寄存器
     • CX计数寄存器
     • DX数据寄存器：存I/O地址或存16位数据。
   • 标志寄存器FLAGS：反应运算结果与特征
     • CF、PF、AF、ZF、SF、OF、DF、IF、TF
   • 段寄存器：用于存放段地址
     1. 类型：CS-代码段寄存器、DS数据_、ES附加、SS堆栈~
     2. 同一个内存单元可以分属于多个段（分时复用；储存时用的是逻辑内存-会浮动）
     3. 20位逻辑段表示 eg：

4. 堆栈段：栈底→栈顶（指针SP）→栈首/段首；SS的值是栈首地址，栈顶是偏移地址；从下向上存入。

• 扩充内存
  • 如何让16位带宽的处理器管理1M的地址?（1M需要20位）
    1. 每单元运用16位段（基）地址+16位段内地址可以获得32位的存储空间（利用分时复用）。
    2. 如何压缩？每单元用前段基地址*16（二进制右移4位）+偏移地址表示，即段前16+4=20位，对齐相加也20位

5. 总线

   • 应用多总线通道的原因
     1. 单通道使得接口与内存共用一条到CPU的通道，会造成等待与争抢
     2. 双通道导致内存与接口没有通道，导致每次都需要通过CPU
   • 基本功能
     1. 数据传送
        • 同步：同时传给多个，不需要知道对方是否收到
        • 异步：一个个传，需要应答信号
     2. 仲裁控制
        • 用于处理争抢
     3. 出错处理
     4. 总线驱动
   • 总线带宽（单位时间的可传输数据量）=位宽（bit）*工作频率

三、80X86指令系统

数与地址

1. 指令形式：操作码 目标操作数，源操作数

2. 源操作数分类：

   • 立即数 MOV AL,22H
   • 来自寄存器（速度最快-在cpu中） MOV AH,AL
   • 来自存储器（速度最慢）：MOV AL,[1200H] （ps：带有[]必在内存中，1200H表示偏移地址，AL是8位故取8位地址即1字长，若取到AX,取出16位）

3. 寻址方式：表示了运算对象的来源或去向

   • 立即寻址：源操作数参与到运算中：MOV AX,1200H,MOV AX,'B'（此时，B是字符，ASCLL码为42H）
   • 寄存器寻址：寄存器中的值参与运算：MOV AX,BX
   • 直接寻址：利用[]表明偏移地址，默认在数据段中寻找操作数，可以修改：MOV AX,ES:[1200H]
   • 寄存器的间接寻址
     • 以寄存器中的数值为地址（相当于指针p），MOV AX [BX]
     • 可存储地址的寄存器：BX、BP、SI、DI (除BP默认在堆栈段外，其他都默认数据段)
     • 好处：用BX+1配合循环来减少指令长度。
   • 寄存器相对寻址：使用间接寻址的地址再加上常数表示要寻址的地址 MOV AX,[BX]5(后面那相当于[BX+5])
   • 基址、变址寻址：利用BX、BP作为基址，使它们值不变，改变SI/DI来改变地址。默认寻址段看基址。MOV AX,[BX+SI] 或 MOV AX,[BX][SI]
   • 基址、变址、相对寻址
   • 隐含寻址：操作数为默认，将其省略了

   8086CPU指令

   数据传送

   1. MOV 格式：MOV DST,SRC
      1. 功能：实现数据从右向左传送
      2. 注意：
         • 不能对CS、IP（代码段、指针寄存器）操作
         • 两个段寄存器（CS、DS、SS、ES）间无法传送、段寄存器不可用立即寻址赋值
         • 不允许两个寄存器间传送（即不允许两个数都是间接寻址）
   2. 栈指令
      1. 要求：不可使用立即数（因为栈顶指针按字存储，对源操作数字长有要求）、不能用CS
      2. PUSH 格式 PUSH 源操作数
         • 过程：源操作数有2B及空栈时，SP指向栈底，PUSH后SP=SP-2，将低位传入SP，高位传入（SP+1）
      3. POP 格式 POP 源操作数
         • 过程：SP累加取数
   3. 交换指令 XCHG 格式 XCHG DST,SRC
   4. 查表指令 XLAT 格式 XLAT
      1. 说明：表头需先存放于BX、偏移量需先存于AL
      2. 操作：读出表格数据存于AL (猜测：用于初始化某些表格)
   5. 有符号数的拓展：CBW（8→16）与CWD（16→32 ）
   6. 地址传送指令
      1. 同一内存中传送：LEA REG16, SRC
         • 说明：目标操作数需是16位，原操作数可以是表示偏移地址的变量/间接寻址。
         • 传输后，目标操作数相当于指针，当INC（累加）时，是按照一个字节单元累加
      2. 不同内存传送：LES、LDS
   7. 标志位传送
      1. LAHF(load AH form flag) 、SAHF（Store AH to flag）分别是：将flag低八位（flag高八位为空闲位）存到AH、AH存到flag
      2. PUSHF（push flag into stack）、POPF(pop flag off stake)
   8. 输入输出指令
      1. 作用：进行端口地址数据（PORT-以8位立即数表示）与数据累加器（AL/AX）的读入或输出
      2. 输入IN AL/AX，PORT
      3. 输出OUT PORT，AL/AX

   算术运算类

   1. 加法
      1. ADD DST，SCR （DST=DST+SCR）
      2. ADC DST，SCR （DST=DST+SCR+CF）
      3. INC DST +1指令，常用于指针 （不会影响标志位）
   2. 减法
      1. SUB DST，SCR，对标ADD（DST=DST-SCR）
      2. SBB DST，SCR，对标ADC （DST=DST-SCR-CF）
      3. DEC DST，对标INC ，常用于修改计数值
      4. NEG DST 求补指令（DST=0-DST）
      5. CMP SCR1，SCR2 比较指令：执行SCR1-SCR2，仅改变标志位CF（有借位时CF=1）（两操作数相等时ZF=1）
   3. 乘法
      1. 无符号：MUL SCR 。有符号：IMUL SCR
      2. 注意：存放空间需是SCR的双倍字长，如SCR是1B（1字节，8位）则执行后AX=ALSCR；如SCR是2B，则执行后DXAX=AXSCR
   4. 除法
      1. 无符号：DIV SCR。有符号：IDIV SCR
      2. 注意：被除数是SCR的双倍字长：如SCR是1B则AX/SCR后AL为商，AH为余数；如SCR是2B，执行DXAX/SCR，AX为商，DX为余数。

   逻辑运算和移位类

   • 逻辑运算
     1. 逻辑运算对大多标志位无影响，除了每一次操作会使CF、OF为0
     2. 与 AND DST，SRC 结果放到DST中，每次操作都会将CF、OF清0
     3. 或 OR DST，SRC
     4. 非 NOT DST，SRC
     5. 异或 XOR DST，SRC 此外，由于逻辑运算相比数值运算快，因此最好的清零方式是异或自己。
     6. 测试 TEXT DST，SRC 用于测试某位的状态：将两数向与，但结果不返回到DST，可以接着用JZ WATT（当ZF=1时转移）等跳转指令
   • 移位
     1. 目标操作数都为要移位的单元，源操作数都为移位次数
     2. 移位次数需要存放在CL中。当仅移位一次时，1 可直接写出
     3. 向左移位时最高位放入到CF中，右移时最低位送到CF。
     4. 移位指令的分类：非循环/循环、逻辑/算术（区别在于它们用于无符号数/有符号数）、带进位/不带进位、左移/右移
     5. 非循环类（用于实现乘除运算）：移动后会补零。具体指令：算术左移/右移：SAL/SAR 、逻辑左移/右移：SHL/SHR
     6. 循环类：相当于整个数在转圈。分类：带进位（相当于CF的值放在最左/最右，一起转圈），不带进位（目标数转圈，但从最高/低位跑到最低/高位的数拷贝一份给CF）具体指令：带进位左/右：RCL/RCR; 不带进位左右：ROL/ROR
     7. 算术移位（有符号数移位）：将最高位（符号位）copy，待整体移位后再把最高位附上原来的数值。

   串操作

   • 初始化
     1. 设立源串与目标串：源串一般放在数据段，指定SI指针的数据。目标串必须放在附加段，指定指针DI。（除非进行串重设）
     2. 串需指定方向：DF=0表示增地址方向、DF=1表示减地址方向
     3. 串长度由CX指定。
     4. 重复前缀：如CX不断递减，当CX=0时停止（串操作实际上还是字节操作的重复执行，毕竟总线是有带宽的）具体有指令REP（CX！=0）、REPE/RRPZ、REPNE/REPNZ
   • 指令
     1. 串传送 MOVS DST，SRC（需要串重设，即初始化工作） 、MOVSB（按字节）、MOVSW（按字传） 如： REP MOVSB是将SI所指的1字节单元数据放到DI所指位置。
     2. 串比较：CMPS DST，SRC、CMPSB、CMPSW。与CMP一样：相减→看CF位。例如：REPE CMPSB；JZ STOP；...;STOP :HLT （两数相等是ZF=1，REPE当CX=0或ZF=0时取消重复，第二条指令意味着ZF=1时跳转。）
     3. 串扫描：SCANS SRC（查附加段中是否有该数）、SCANSB（源操作数在AL）、SCANSW（源操作数在AX）。串扫描与CMPS类似，相减→看ZF位。
     4. 串装入：LODS SRC（同样地，需要串重设，不常用）、LODB（将[DS:SI]装入AL）、LODW（将[DS:SI]装入AX）。可以用于显示/输出到外设。
     5. 串存储：STOS SRC、STOSB（AL传到[ES:DI]）、STOSW（AX传到[ES:DI]）

   程序控制

   转移

   • 前言：
     1. CS（代码段寄存器）用于存放指令的地址，将其左移4位（变为段基地址），加上存在IP（指令指针）中的偏移地址，即可得到待执行指令的地址。
     2. 程序控制的要义在于改变CS、IP
   • 分类：无条件转移/有条件转移（条件一般指标志位）、近地址/远地址（即：段内/段间）、直接/间接（体现在执行的源操作数上，一个是立即数，一个是寄存器）
   • 无条件：
     1. 段内直接：JMP Label LabelLabel是个在程序中出现两次的标号，偏移量=Label所指指令的地址-IP，执行后IP = IP+偏移量
     2. 段内间接： JMP BX (源操作数需是16位的)需要实现定义BX的值，执行后IP = BX
     3. 段间直接：JMP FAR Label
     4. 段间间接： JMP DWROD PTR[BX] 由于源操作数需是4字节数（4*8=32位），高16位存CS、低16存IP，因此要用DWORD PTR[指针]，取出该地址下的数据作为地址。
   • 条件转移： 示例：JZ LabelZF=1时跳转。
     

   循环

   • 循环经由CX判断次数，分为无条件循环/有条件循环（此处条件是指ZF）,只能将IP在-128~+127的范围内移动
   • 无条件循环LOOP Label，会自动DEC CX
   • 有条件循环LOOPZ Label，继续循环的条件：CX！=0 && ZF = 1 .可类推LOOPNZ Label

   调用

   • 调用子程序其实就是把指针修改到子程序的入口处，之后一路执行子程序，子程序最后都要写一个RET指令，用来返回断点。
   • 所谓断点，就是主程序发生跳转的位置，在调用前，断点地址会被存入堆栈段保护起来。
   • 段内调用：CALL TIMER 或 CALL WORD PTR[SI] 前者时直接调用，后者是间接调用
   • 段间调用：CALL FAR TIMER 或 CALL DWORD PTR[SI] 前者时直接调用，后者是间接调用

   中断

   • 区别于子程序调用的地方：1.子程序近地址调用不需要存段基地址，而中断都要存下段基与偏移地址（还要存flags）。2.中断被认为是异常，不知道发生的时间。
   • 指令 INT n n是一个立即数，0~255H范围内，成为中断码。
   • 执行前：系统会将flags、段基地址CS、偏移地址IP依次压入堆栈段中。
   • 执行时：CPU按中断码去取指令IP=n*4；CS=(n*4)+2;
   • 结束：中断子程序的出口是IRET

   处理器控制

   • 是CPU对自己内部的控制

四、程序设计

前言

• 每个.ASM都要经历：编译（生成obj）-链接（生成.exe）的过程。
• 语句分为两类：指令语句、指示性语句（CPU不执行）。
  1. 指令语句的构成：[标号:] 助记符 操作数 [;注释] 例如 NEXT： CMP SUM，100
  2. 指示性语句：[名称] 伪助记符 操作数 [;注释] 作用：用于提前声明空间等预处理操作。如DATA1 DB 30H

指令助记符

取值类

• SEG 取出段地址
• OFFSET 取偏移地址
• TYPE 取类型
• LENGTH 取长度
• SIZE 取大小

伪指令助记符

• 数据定义：DB、DW、DD声明存储空间 ，可配合重复运算符定义: DATA1 DB 5 DUP(?)

• 符号定义：用一个符号表达一个数/符号，符号名 EQU 表达式特点：只可以定义一次、不占用内存空间 如：CONSTANT EQU 100

• 段声明：

  段名 SEGMENT
  			ASSUME 寄存器：段名
  			...
  段名 ENDS
  		END
  

  1. 段定义 段名 SEGMENT...段名 ENDS 段名是一个符号地址，作为源操作数时，它是个立即数。
  2. 说明当前定义的段的性质 ASSUME 段寄存器：段名,段寄存器：段名,…
  3. 段完整的使用方式是：段定义-声明类型-写入寄存器

• 结束：END标志汇编程序的结束。

• 过程（子程序）定义：

  过程名 PROC [类型]
  			PUSH 寄存器 ;不一定写，用于保护数据
  			...
  			PUSH 寄存器 ;不一定写，用于保护数据
  			RET
  过程名 ENDP
  

  1. 调用时，用CALL 过程名，原理与RET一样是修改CX、IP
  2. 类型有NEAR、FAR，主要看调用处和过程是否在同一个代码段中。

• 宏定义：很像高级语言了的函数定义！宏与过程的不同之处在于： 宏需要写在主程序中，不能跨程序。

  宏命名 MACRO <形式参数>
  		...
  		ENDM
  

• 调整偏移量指令：ORG 下个偏移量 使得下一个定义的变量偏移地址改变。

操作数

运算符

• 重复：重复次数 DUP（表达式）
• 合成（将某变量作为某类型使用）：类型 PTR 表达式 类型可以是BYTE、WORD之类

DOS系统功能调用

前言

• DOS与BIOS一样都是嵌在ROM中
• 对DOS的调用相当于产生中断：INT 21H；DOS的功能号需事先存放于AH中

DOS的输入输出

• 凡是输入都会存放在AL中，输出时是输出存放在DL的数据

• 字符串输出/输出会用到缓存区，由于缓存区的容量是用一个字节变量表示，因此，字符串长度最多为255

• 定义字符串需要以‘$’结尾，若输入字符串，还需要填上功能号‘0A’（输入字符串）‘0D’（以回车结束）如

  MESS DB 'Plz input:', 0DH , 0AH, '$' 
  BUFF DB 20,?,20,DUP(?) ;BUFF的第一个单元存放着长度（即20的ASCLL），第二个单元存放着实际敲下的（目前是？）
  

五、半导体存储器与接口技术

概述

• 微机中的存储器（底层→顶层）：通用寄存器组及栈（ROM\RAM→都属半导体存储器）、高速缓存（Cache）、主存储器、联机外存、脱机外存
• Cache也称‘快表’，用于协调CPU与主存之间的传输速度差距。主存中最常用的指令会被映射到Cache中。目的：加快访问速度
• 虚拟存储器系统：由主内存和部分磁盘构成，可以加大存储空间。
• 半导体存储器的容量指标=单元个数*每单元位数

内存单元编址

• 地址的高位为片选位，用于选择存储的范围，可由译码电路更改。

存储器接口

RAM

• A？表示地址线、D？表示数据线；#OE输出（读）允许，#WE写允许；CS片选
• 全地址译码：以CPU的8根地址线（A？）作为译码器的输入，让它们仅在某一状态下通过译码器输出低电平
• 部分地址译码：用少于8根的地址线作为译码器的输入

ROM

• 读取随意，写操作需要脉冲与电压
• 擦除需用紫外光

Flash

• 通过寄存器状态来确定读写操作
• 擦除有：字节、块、片擦除。擦除挂起（暂停）。

六、输入输出技术