微机原理与接口技术：重点内容｜计算机系统

系列目录

前言

只将最重要的知识点考点列出来方便学习复习

系列目录
前言
第1章微型计算机概述
第2章 16位和32位微处理机
- 🌟16位微处理器 8086
第3章 Pentium 的指令系统
- 常用指令
第4章存储器、存储管理和高速缓存技术
第5章微型计算机和外设的数据传输
第6章串并行通信和接口技术
- 可编程串行接口
- - 8250
  - 8251A
- 可编程并行接口
- - 8255A
第7章中断控制器
第8章 DMA控制器
第9章计数器/定时器和多功能接口芯片
第10章模/数和数/模转换
第11～13章 I/O设备
第11章键盘和鼠标
第12章显示器的工作原理和接口技术
第13章打印机的工作原理和接口技术
第14章辅存
第14章软盘、硬盘和光盘子系统
第15章总线

参考教材《微型计算机技术及应用》

请添加图片描述

第1章微型计算机概述

1、微型机的主要特点

1 )体积小、重量轻

2 )价格低廉

3 )可靠性高、结构灵活

4 )应用面广

2、微型计算机的分类

最通常的做法是把微处理器的字长作为微型机的分类标准

1 )4位微处理器

2 )8位微处理器

3 )16位微处理器

4 )32位微处理器

3、微处理机

微处理机即CPU

CPU=运算器+控制器

由算术逻辑部件ALU、控制单元CU、寄存器、中断系统(总线、接口)构成

PS：不同于课本上的细分为ALU、累加器和寄存器组、控制器；个人觉得上面的细分更好

4、微型计算机

(这里讨论的范畴 )微型计算机即计算机

由CPU、存储器、I/O接口和系统总线构成

5、微型计算机系统

以微型计算机为主体，配上系统软件、应用软件和外设，便组成了微型计算机系统

6、微型计算机的性能指标

CPU的位数(字长)

CPU的主频

内存容量和速度

硬盘容量

补充：

字长

又称数据宽度，指CPU能同时处理的数据位数

主频

即CPU的时钟频率

K是kelo的缩写，1K = $2^{10}$

M是Mega的缩写，1M = $2^{20}$

G是Giga的缩写，1G = $2^{30}$

T是Tera的缩写，1T= $2^{40}$

第2章 16位和32位微处理机

主要讨论80x86微处理器

1、基本概念

寄存器

在这里插入图片描述

32位处理器的工作模式

三种工作模式：实地址模式、保护虚地址模式、虚拟8086模式

实地址模式下，物理地址的计算

逻辑地址 = 段基址：偏移地址

如：1000H：2345H

物理地址 = 段基址 * 16 + 偏移地址

其中，段基址 * 16 相当于十六进制定点数算数左移一位

如：12345H

2、补充

实地址模式下，最多能访问主存储器最低端1MB的存储空间；

对存储器采用分段技术，一个逻辑段的体积最大为64KB

🌟16位微处理器 8086

8086是16位处理器

包含16根数据线和20根地址线，可寻址的范围为 $2^{20}B$ ，即 $1 MB$

1、8086的分类

从功能上，8086分为两部分

BIU(Bus Interface Unit, 总线接口部件)和EU(Execution Unit, 执行部件)

总线接口部件BIU

功能：负责与存储器、I/O端口传送数据

组成部分：

4个段地址寄存器
- 代码段地址寄存器CS——Code Segment
- 数据段地址寄存器DS——Data
- 附加段地址寄存器ES——Extra
- 堆栈段地址寄存器SS——Stack
16位的指令指针寄存器IP(Instruciton Pointer)
20位的地址加法器
6字节的指令队列缓冲器

执行部件EU

功能：负责指令的执行

组成部分：

通用寄存器——AX、BX、CX、DX
专用寄存器
- 基地址指针寄存器BP——Base Pointer
- 堆栈指针寄存器SP——Stack Pointer
- 源变址寄存器SI——Source Index
- 目的变址寄存器DI——Destination Index
标志寄存器(FR, Flag Register)

共16位，9位使用，7位未使用
- 标志分类
  - 状态标志6位
    - SF符号标志——Sign Flag
    - ZF零标志——Zero Flag
    - PF奇偶标志——Parity Flag
    - CF进位标志——Carry Flag
    - AF辅助进位标志——Auxiliary carry Flag
    - OF溢出标志——Overflow Flag
  - 控制标志3位
    - DF方向标志——Direction Flag
    - IF中断允许标志——Interrput enable Flag
    - TF跟踪标志——Trace Flag
算术逻辑单元ALU, Arithmetic Logic Unit

2、8086的工作模式

有两种工作方式：最小方式和最大方式

(1 )系统中只有一个CPU，对存储器和 I/O接口的控制信号由CPU 直接产生的单处理机方式称为最小方式，此时 MN/MX接高电平；

(2 ) 对存储器和1/O接口的控制信号由8288总线控制器提供的多处理机方式称为最大方式，此时 MN/MX接低电平，在此方式下可以接入8087或8089

3、补充：

使用DOS功能调用时，子程序的功能号应放在 $\underline{AH}$ 寄存器中

第3章 Pentium 的指令系统

1、指令的格式

由操作码助记符、操作数组成

2、寻址方式

立即寻址方式 (立即数寻址方式 )
寄存器寻址方式
存储器寻址方式(其中存储器寻址方式可分为）

直接寻址

       MOV BX, DS:[1234H]	; 寄存器寻址、直接寻址
       MOV BX, [1234H]		; 寄存器寻址、直接寻址

特点：中括号+寄存器

寄存器间接寻址 (间接寻址或间址寻址 )

       MOV DX, [BX]	; 寄存器寻址

特点：中括号+寄存器

基址寻址

MOV AL, [BX + 6]	; 寄存器寻址、基址寻址
MOV AL, [BP + 6]	; 寄存器寻址、基址寻址

特点：中括号+BX+数字

中括号+BP+数字

中括号+BP

变址寻址

MOV AL, [SI + 6]	; 寄存器寻址、变址寻址

特点：中括号+SI (DI )
中括号+SI(DI)+数字

基址+变址寻址

MOV AX, [BX + SI + 6]	; 寄存器寻址、基址+变址寻址

特点：中括号+BX+SI(DI)+数字

常用指令

传送指令

通用传送指令 MOV

MOV DX, AL			; 寄存器AL中的移动(复制)到DX中

输入/输出指令 IN/OUT

IN	AL, 50H			; 将50H端口的字节读入寄存器AL
OUT 80H, AX			; 将Ax中的内容输出到80H、81H端口

算术运算指令

加法类指令 ADD/INC

不带进位位的加法指令 ADD

ADD CX, 1000H		; CX中内容和1000H相加，结果放在CX中
ADD [BX + DI], AX	; 将BX+DI和BX+DI+1所指两单元内容和AX中的数相加，
					; 结果放在BX+DI和BX+DI+1所指的存储单元中

增量指令 INC

INC(Increase)指令只有1个操作数，执行1次操作数加1

一般用于循环程序中修改和循环次数

不会对循环中的算术运算产生的状态产生干扰

INC AL				; 将AL中的内容加1

减法类指令 SUB/DEC/CMP

不考虑借位的减法指令 SUB(Subtract)

SUB SI, 5010H		; SI中的数减去5010H，结果在SI中
SUB	[BP + 2], CL	; 将SS段的BP+2所指单元中的值减去CL中的值，
					; 结果在BP+2所指的堆栈空间中

减量指令 DEC

DEC(Decline)指令只有1个操作数，执行1次操作数减1

一般用于循环程序中修改和循环次数

不会对循环中的算术运算产生的状态产生干扰

DEC	AX					; 将AX的内容减1，再送回AX中
DEC BYTE PTR[DI + 2]	; 将DI+2所指的单元的内容减1，结果送回此单元

比较指令 CMP

CMP(Compare)指令也是执行两个数的相减操作，但不送回相减结果，只是是结果影响标志位

CMP	AX, 2000H				; 将AX的内容和2000H相比较，结果影响标志位
CMP EAX, [EBX + EDI + 100]	; 将累加器内容和4个存储单元的数相比

乘法指令 MUL

无符号数的乘法指令 MUL(Multiple)

MUL CX				; AX中和CX中的两个16位数相乘，结果在DX和AX中
MUL WORD PTR [SI]	; AX中的16位数和SI、SI+1所指单元中的16位数相乘
					; 结果在DX和AX中

除法指令 DIV

无符号数的除法指令 DIV(Division)

DIV	CL				; AX中的数据除以CL中的数据，商在AL中，余数在AH中
DIV WORD PTR

逻辑运算(和移位)指令

逻辑运算指令 AND/OR/XOR/NOT/TEST

分别执行与、或、异或、非(取反)、测试操作

AND\OR\XOR

AND AX, 1000H			; AX中的16位数和1000H相与，结果在AX中

OR AX, 00F0H			; AX和00F0H相或，结果在AX中

XOR AL, 0FH				; AL和0FH相异或，结果在AL中
XOR EAX, EAX			; EAX的内容本身进行异或，结果使EAX清0
XOR ECX, 100			; ECX寄存器和立即数相异或
XOR ECX, 10000000H		; ECX的内容和1000 0000H异或，结果在ECX中

TEST\NOT

TEST不仅执行AND指令的操作，而且把OF和CF标志清0，修改SF、ZF和PF标志

不送回操作结果，仅仅影响标志位(类似INC、DEC)

TEST AL, 01				; 如AL的最低位为1，则ZF=0，否则ZF=1
TEST EAX, 80000000H		; 如EAX的最高位为1，则ZF=0，否则ZF=1

NOT AL					; AL中内容求反码，结果在AL中

调用/转移/循环控制/中断指令

子程序调用和返回指令 CALL/RET

CALL 1000H	;

RET 6		; 带参数的返回指令，n为0～FFFFH中的任一偶数
			; 表示从栈顶弹出返回地址后，再使ESP或SP的值加上6

无条件转移指令和条件转移指令 JMP/J * (其中，*表各种条件 )

JMP	1000H	; 段内直接转移，转移地址的偏移量由指令给出

JE/JZ		; 结果为0，则转移
JNE/JNZ		; 结果不为0，则转移
JS			; 符号标志SF为1，则转移

循环控制指令 LOOP

		MOV CX, 0100H	; 设置循环次数
KKK:	LOOP KKK		; CX减1，如不为0，则循环
		...				; 后续处理

中断指令 INT和中断返回指令 IRET/IRETD

第4章存储器、存储管理和高速缓存技术

计算的存储器按用途和特点可分为两大类：内部存储器和外部存储器

内部存储器，简称内存或主存

外部存储器，简称外存

1、选择存储器考虑的几个方面

易失性

只读性

存储容量

速度

功耗

2、随机存取存储器RAM

在这里插入图片描述

SRAM

基于双稳态触发器(6个MOS管)

高速缓存Cache主要由SRAM组成

DRAM

基于栅极电容(1个MOS管)

主存主要由DRAM组成

3、只读存储器ROM

一般分为以下五类

掩模式只读存储器 $ROM(Read-Only\ Memory)$

(一次)可编程只读存储器 $PROM(Programmable\ Read-Only\ Memory)$

可擦除可编程只读存储器 $EPROM(Erasble\ Programmable\ Read-Only\ Memory)$

电擦除可编程只读存储器 $EEPROM/E^{2}PROM(Electrically\ Erasble\ Programmable\ Read-Only\ Memory)$

闪烁存储器(闪存) $Flash\ Memory$

4、层次化的存储器体系结构

Cache、内存(内存)和辅存(外存)

5、Cache

现代的Cache通常又被分为L1、L2、L3层

参考《深入理解计算机系统》

在这里插入图片描述

第5章微型计算机和外设的数据传输

1、传输信号分类

指CPU和I/O设备之间

数据信息

状态信息

控制信息

2、接口的功能

寻址功能

输入/输出功能

数据转换功能

联络功能

中断管理功能

复位功能

可编程功能

错误检测功能

3、数据传送方式

指CPU和I/O设备之间

程序方式(又分为)

无条件传送方式
条件传送方式

中断方式

DMA方式

第6章串并行通信和接口技术

以下汇编代码均基于MASM风格的语法

考试或自学推荐～

一、基础知识

串行通信

按数据传输时发送过程和接收过程的关系
- 全双工方式
- 半双工方式
- 单工方式
按时钟对通信过程的定时方式
- 同步通信
- 异步通信

串行通信的传输率

又称波特率，指每秒传输位数

二、编程

可编程串行接口

8250

串行通信芯片 8250 模板

基于MASM风格的语法

/*	
	<value> 指 要填的数
	__ 指相邻要填的 两位
*/
	PROC					; Process 进程
	MOV DX, 3FBH			; I
	MOV AL, 80H				; 照抄
	OUT DX, AL
	
	MOV DX, 3F9H			; II
	MOV AL, <value>			; 分频系数(除数) 高8位
	OUT DX, AL
	
	MOV DX, 3F8H			; III
	MOV AL,	<value>			; 分频系数 低8位
	OUT DX, AL
	
	MOV DX, 3FBH			; IV
	MOV AL, <value>			; 查表(通信线控制寄存器)——填 数据帧格式D7~D0位
	OUT DX, AL
	
	MOV DX, 3F9H			; V
	MOV AL, 000000__B		; 查表(中断允许寄存器)——只需填 D1 D0位
	OUT DX, AL
	
	MOV DX, 3FCH			; VI
	MOV AL,	000__000B		; 查表(Modem控制寄存器)——只需填 D4 D3位
	OUT DX, AL
	RET						; return
	ENDP					; end_process

注解：

LaTeX中，\div表示除号；\times表示乘号

$\frac{1843200}{(波特率 \times 16)} \\一般题目会直接给算好的分频系数$

通信线控制寄存器

我们要填 8位数字——查表(附录)比较容易

中断允许寄存器

只需填D1 D0位

查询方式——D1 D0位均置0；中断——相应位置1

Modem控制寄存器

只需填D4 D3位

正常通信D4 0

查询方式D3 0

8251A

异步模式下的初始化程序举例

同步模式下的初始化程序举例

利用状态字进行编程的举例

但凡提到“波特率因子”，就是异步传输

若波特率因子为 16 方式字(模式字)的 D1 D0 位分别为 1 0

波特率因子为 64 方式字(模式字)的 D1 D0 位分别为 1 1

异步模式初始化

波特率因子为16，7个数据位，2个停止位，偶校验

	MOV AL, 0FAH
	OUT 42H, AL		; 设置模式字为异步模式
	
	MOV AL, 37H		; 设置控制字，使发送启动、接收启动
					; 并设置有关信号
	OUT 42H, AL

同步模式

2个同步字符，7个数据位，偶校验

	MOV AL, 38H
	OUT 42H, AL		; 设置模式字为同步模式
	
	MOV AL, 16H
	OUT 42H, AL
	OUT 42H, AL		; 两个同步字符均为16H
	
	MOV AL, 97H
	OUT 42H, AL		; 设置控制字，并启动

利用状态字的编程

波特率因子为16，7个数据位，2个停止位，偶校验

    MOV AL, 0FAH  
    OUT 42H, AL  
  
    MOV AL, 35H  
    OUT 42H, AL  
  
    MOV DI, 0000H  
    MOV CX, 80  			; 这里的AL DI CX都是寄存器
  
BEGIN:  					; 标记一个标签，用于循环的开始。  
    IN AL, 42H  			; 从地址42H的端口读取一个字节到AL
    TEST AL, 02H  			; 对AL中的值和02H进行位测试操作，检查AL的最低位是否为1
    JZ BEGIN  				; 如果AL的最低位为0（即TEST的结果为0），则跳转到BEGIN标签继续循环。  
  
    IN AL, 40H  			
  
    MOV DX, OFFSET BUFFER	; 将BUFFER标签的地址(即偏移量)移动到DX寄存器中
    MOV [DX + DI], AL		; 将AL中的值移动到以DX+DI的地址处(即BUFFER的某个位置)			
    INC DI  				; 将DI的值加1，准备下一次存储
  
    IN AL, 42H  
    TEST AL, 078H  
  
    JNZ ERROR  				; 如果AL的这些位中有任何一位为1（即TEST的结果不为0），则跳转到ERROR标签。  
  
    LOOP BEGIN  			; 减少CX的值，如果不为0，则跳转到BEGIN标签继续循环。  
    
    JMP EXIT				; 如果CX为0，则跳转到EXIT标签
  
EXIT:  
    ; ... 后续代码  
  
ERROR:  
    CALL ERR_OUT  
    ; ... 错误处理代码

注解：

JNZ (Jump if Not Zero )
- 功能：当ZF (零标志 )为0时，执行跳转这通常表示上一次比较或计算的结果不为零
- 语法：JNZ label，其中label是跳转的目标标签
- 执行过程：首先检查ZF的状态如果ZF为0 (即结果不为零 )，则跳转到指定的label位置执行；如果ZF为1 (即结果为零 )，则继续执行下一条指令
- 应用场景：JNZ指令常用于各种条件判断和循环结构中，特别是当需要基于某个非零条件进行分支处理时
JZ (Jump if Zero )或 JE (Jump if Equal )
- 功能：当ZF (零标志 )为1时，执行跳转这通常表示上一次比较或计算的结果为零，或者两个值相等
- 语法：JZ label或 JE label，其中label是跳转的目标标签注意，JE是JZ的另一种写法，它们的功能完全相同
- 执行过程：首先检查ZF的状态如果ZF为1 (即结果为零或两个值相等 )，则跳转到指定的label位置执行；如果ZF为0 (即结果不为零或两个值不相等 )，则继续执行下一条指令
- 应用场景：JZ/JE指令也常用于条件判断和循环结构中，特别是当需要基于某个零条件或相等条件进行分支处理时

8251A 异步模式初始化模板

		MOV DX, ___H			; 输出端口地址
		MOV AL, 40H
		OUT DX, AL
		
		MOV AL, ________B		; 方式字(模式字)
		OUT DX, AL
		
		MOV AL, ________B		; 命令字
		OUT DX, AL
		
		MOV CX, ___				; 字节数(字符数)
		
NEXT:	MOV DX, ___H			; DX 地址发生过变化，需要二次传入输出端口地址
		IN AL, DX
		TEST AL, 01H			; 对 状态位最低位进行 位测试操作	TxRDY?
		JZ NEXT
		
		MOV AL, CL
		MOV DX, ___H			; 输入端口地址
		OUT DX, AL
		LOOP NEXT

例题

编写8251异步模式下的接收和发送程序，完成256个字符的发送和接收

设端口地址：208H，209H，波特率因子16，每字符8位，无奇偶校验，1停止位，1起始位

        PROC 
        MOV DX, ___H			; 输出端口地址
        MOV AL, 40H
        OUT DX, AL

        MOV AL, ________B		; 查表——填 方式字(模式字)
        OUT DX, AL

        MOV AL, ________B		; 查表——填 命令字
        OUT DX, AL
	
		MOV CX, ___				; 字节数(字符数)
	
NEXT:	MOV DX, ___H			; 循环——1次循环输入1个字符
		IN AL, DX
		TEST AL, O1H			; 对 最低位 进行 位测试操作
		
		JZ NEXT					; 循环结束 跳转回 NEXT标签，即循环的起始位置
		
		MOV AL, CL				
		MOV DX, ___H			; 输入端口地址
		OUT DX, AL
		LOOP NEXT				; 减少CX的值，若不为0，则跳转到NEXT标签继续循
		RET
		ENDP

可编程并行接口

8255A

第7章中断控制器

主要介绍Interl系列的可编程中断控制器8259A
在这里插入图片描述

第8章 DMA控制器

DMA控制器可以像CPU那样得到总线控制权、用DMA方式实现外设和存储器之间的数据高速传输

主要介绍Intel系列的可编程DMA控制器
请添加图片描述

第9章计数器/定时器和多功能接口芯片

1、8254 的内部结构

8254 内部集成了3个16位的计数器，每个计数器有6种工作方式，计数初值可设定为二进制码或BCD码，最高工作频率10兆

2、8254 内部寄存器/计数器口地址

$在\overline{CS}=0前提下 \\ A_1 \quad A_0$	选中
0 $\quad$ 0	0#计数器
0 $\quad$ 1	1#计数器
1 $\quad$ 0	2#计数器
1 $\quad$ 1	控制寄存器

3、8254 的工作方式(最重要的是方式2、方式3)

其实是8254的应用

方式2对应分频器

方式3对应方波

4、补充

二进制计数比BCD码计数范围更大，因二进制初值为0

🌟5、8254初始化编程

个人建议写汇编语言的时候，长按键盘的键Caps Lock，进行大写锁定会很方便

基于MASM风格的语法

/* C语言的注释语法在编译器MASM中是被支持的 */
/* 以下是可编程定时器/计数器的代码模板 */
/* <some_value> 表示我们要填写的值～ */
/* 这里的PROC, RET, ENDP并非严格的汇编语法, 纸面书写这样更佳清晰*/

    PROC				 ; 卷面上可写为 I8254_Proc / I8254	PROC
    MOV DX, <some_value> ; MOV 表传送
    MOV AL, <some_value>
    OUT DX, AL			 ; 将 AL中的数输出到 DX内，OUT 表输出 

    MOV DX, <some_value>
    MOV AX, <some_value>
    OUT DX, AL			 ; 先输出低字节

    MOV AL, AH			 ; 将AX的高字节移动到AL
    OUT DX, AL			 ; 再输出高字节
    RET
    ENDP				 ; I8254_Proc / I8254	ENDP

例题1

设PC系统机外扩一片8254及相应实验电路

口地址为200H~203H, 设CLK0接8MHz时钟, 从OUT0 输出4KHz 的方波,

编写8254初始化程序, 其中0#定时计数器工作在二进制方式

	PROC
	MOV DX,				; 控制寄存器地址
	MOV AL,				; 查表 填 数据帧格式
	OUT DX, AL
	
	MOV DX,				; 选择 计数器地址
	MOV AX,				; 计算 向寄存器中填 初值
	OUT DX, AL			; 先输出 低字节地址——低8位
	
	MOV AL, AH			; 将AX寄存器中的高字节地址AH复制(移动)到AL中
	OUT DX, AL			; 再输出高字节地址——复制到AL寄存器中输出——高8位
	RET
	ENDP

例题2

设 PC 系统机外扩了一片8254及相应的实验电路

该 8254 的口地址为290H-293H，己知 1号计数器的输入时钟为 2MHz，要求输出 2KHz的方波

请编写8254 初始化程序段 (采用二进制计数方式 )

	PROC				; process
	MOV DX, 293H		; 控制寄存器地址——一般都是XX3H
	MOV AL,	01110110B	; 查表
	OUT DX, AL
	
	MOV DX,	291H		; 选择 计数器地址
	MOV AX,	1000		; 计算——Flck / Fout
	OUT DX, AL			; 先输出低字节地址
	
	MOV AL, AH			; 将AX的高字节复制到AL寄存器中
	OUT DX, AL			; 再输出高字节——将高字节地址复制到AL寄存器中输出
	RET					; return
	ENDP				; end_process

注解：

$\\ 方波 <=>方式3$