微机原理及应用,实验一

1、微机原理及应用实验指导南阳理工学院计算机与信息工程学院教师教师 李云强李云强微机原理及应用微机原理及应用l授课教师：李云强l计算机与信息工程学院l电话办公室：三层副楼207号lE-mail:liyq_选用教材：选用教材：l参考教材：参考教材：l主要内容主要内容：l微机原理部分l汇编语言程序设计l接口技术及应用学习方法和成绩评定学习方法和成绩评定实验一： 排序实验一、预习内容一、预习内容1多重循环程序和排序程序设计方法。多重循环程序和排序程序设计方法。2带符号数的比较转移指令带符号数的比较转移指令:JL,JLE,JG,JGE二、目的要求二、目的要求1掌握多重循环程序和排

2、序程序设计方法。掌握多重循环程序和排序程序设计方法。2掌握带符号数的比较转移指令掌握带符号数的比较转移指令:JL,JLE,JG,JGE的用法。的用法。3. 熟悉汇编语言编译，调试的方法。熟悉汇编语言编译，调试的方法。实验要点三、三、实验内容实验内容建立学生名次表，（以建立学生名次表，（以grade为首地址为首地址的数组中保存了学生的成绩，其中的数组中保存了学生的成绩，其中 grade+i 保存学号为保存学号为i+1的学生的成绩的学生的成绩。）要求建立一个。）要求建立一个10个字的个字的rank数组数组，并根据，并根据grade中的学生成绩将学生名中的学生成绩将学生名次填入次填入rank数组中，

3、其中数组中，其中rank+i的内的内容是学号为容是学号为i+1学生的名次（学生的名次（提示：一提示：一个学生的名次等于成绩高于该学生的个学生的名次等于成绩高于该学生的人数加人数加1。）（提示：本题可以用2层循环结构实现。内层对应每个学生的名次计算，外层则解决所有学生的名次计算。由于数组的长度是确定的，内外层可以用计数值控制循环的结束。寄存器的分配情况如下：AX 存放当前被测学生的成绩BX 存放当前被测学生的相对地址指针CX 内循环计数值DX 存放当前被测学生的名次计数值SI 内循环测试时的地址指针DI 外循环计数值 ）四、实验步骤:1输入，汇编并连接此程序。（要用MASM615来编译）2在DE

4、BUG下运行此程序，记录运行结果。3将转移指令JGE改为JG，JL，JLE分别运行记录排序结果，察看结果是否正确不对，并分析原因。五五、实验报告或作业、实验报告或作业1分析程序，画出程序流程图2汇编,连接及调试时产生的错误，其原因及解决办法。3记录JGE情况下的排序结果，同时比较将转移指令JGE改为JG,JL,JLE 时的排序结果，并分析结果正确与否,如果不正确，写出原因和解决办法。4思考:如果想外循环也用loop实现，应该怎样修改程序？参考程序参考程序DSEG SEGMENTgrade dw 88,75,95,63,98,78,87,78,90,60 rank dw 10 dup(?)DSE

5、G ENDS / CSEG SEGMENT assume cs:CSEG, ds:DSEGstart: mov ax, dseg mov ds, axmov di,10mov bx,0loop: ；（注意这个标号合适吗？）/ lp mov dx,1mov cx,10 mov ax,gradebx ; lea si,grade ; next:cmp ax, sijge no_countinc dxno_count:add si,2loop nextmov rankbx,dx add bx,2 dec di jne lpmov ax, 4c00hint 21h CSEG ENDSend start

6、mov rankbx,dx ; ; 参考答案参考答案mov ax,gradebx ; lea si,grade ; mov rankbx,dx ;dec di ; 程序运行结果图如下：程序运行结果图如下：l数据段DS地址为13D9,前面20个字节分别存放10个学生的成绩，即0058H,004BH,.003CH,接下来的20个单元存放成绩的名次，依次为：4，7，2，9，1，6，5，8，3，10. （3）总线总线 (Bus)。计算机部件与部件之间进行数据信息传输的一组公共信号线及相关的控制逻辑。（4）I/O接口和接口和I/O设备。设备。I/O接口：接口：是微机与I/O设备之间的桥梁，是数据进出微机

7、的通道和协调者。I/O设备：设备：即输入设备(如扫描仪、键盘、鼠标等)和输出设备(如打印机、显示器等) 1.2.1 微型计算机结构组成微型计算机结构组成 1.2.2 CPU的组成与功能的组成与功能 CPU是微型计算机的核心部件，主要包括运算器、控制器、寄存器阵列、内部总线。典型的CPU结构如图1-6所示 。 运算器。运算器。 控制器。控制器。 寄存器阵列。寄存器阵列。 内部总线内部总线。图1-6 CPU的典型结构 1.3 微机的工作过程微机的工作过程1.3.1 指令与程序指令与程序 指令是用来指挥和控制计算机执行某种操作的命令。一条指令包括操作码操作码和操作数操作数两部分，操作码，指出操作性质

8、；操作数指明操作数(即参与运算的数)或操作数的地址。 逐条执行进入到内存中的二进制机器指令流的过程。介绍指令和程序，接着介绍微机的工作原理与工作过程。1.3.2 微机的工作过程微机的工作过程1 .微机的工作原理微机的工作原理即“存储程序”和“程序控制”。2 .从程序到电子信号从程序到电子信号 用汇编语言的指令代码必须转换成机器能够识别的二进制指令流。图1-7给出了这样一个转换的大致流程。 概括为3个基本阶段（过程），即取指令、取指令、分析指令和执行指令分析指令和执行指令。各阶段的详细过程如下。（1）执行前，PC中保存第一条指令的地址。 （2）控制器把PC中保存的内容，送往存储器地址寄存器AR，

9、并发出“读命令”；存储器读出指令，经由DR送往控制器的IR中。控制器把PC的内容自动增一；而在遇到转移指令时，控制器则把“转移地址”送到PC中。 （3）指令译码器ID对IR中进行译码，分析指令的操作性质，并由控制逻辑阵列向存储器、运算器等有关部件发出微操作命令。3 指令的执行过程指令的执行过程3 指令的执行过程指令的执行过程l（4）控制器根据指令的二进制编码部分，找到操作数所在的存储单元地址，并送往存储器的MAR，然后向存储器发出“读命令”。（寻址过程）l（5）从存储器读出的操作数经由MDR直接送往运算器。与此同时，控制器命令运算器对数据进行指令规定的运算。运算完之后，结果转移到指定的存储单元

10、存放。l（6）一条指令执行完毕后，控制器接着重复步骤（2）（5），每重复一次，就执行了一条指令，直到整个程序执行完毕。l程序的执行过程就是周期性和重复性地进行上述过程的操作。假设要计算12H+18H，结果存入20H地址单元。完成这一过程的程序和机器代码如表1-3所示。1.3.3 微机的工作过程实例微机的工作过程实例图1-8中存储器的内容表示程序被调进内存后的情况。(1)第一条指令取指取指过程（mov A,12h）1） CPU将PC的内容00H送到地址寄存器AR；2） PC内容送入AR后，PC自动加1，即PC=01H；3） AR的内容00H，经过总线控制逻辑被放到地址总线AB上，送至存储器，经过

11、地址译码，选中选中00H单元单元；4) CPU的控制逻辑通过控制总线发出读控制信号发出读控制信号；5)所选的00H单元的内容B8H经过DB被读到总线控被读到总线控制逻辑中制逻辑中；6） 总线控制逻辑将B8H送到指令寄存器IR中，然后再送到指令译码ID与控制逻辑单元。 (2)第一条指令执行执行过程1) ID对指令译码的结果进行识别，知将存储器下一个字节的数存到累加器A中；2） CPU将PC的内容01H送到地址寄存器AR；3）当PC内容送入AR后，PC自动加1，变成02H；4）AR内容01H，经过总线控制逻辑被放到地址总线AB上，送至存储器，经过地址译码，选中送至存储器，经过地址译码，选中01H单

12、元；单元；5） CPU的控制逻辑通过控制总线发出读控制信号发出读控制信号；6）01H单元内容单元内容12H经过DB被读到总线控制逻辑中；7） 将12H送到数据寄存器DR中，根据指令要求，12H最终被送到累加器最终被送到累加器A中。到此，第一条指令执行完毕。 (3)第二条指令取指过程与上面基本一样，读出的操作码是05H，PC为03H。(4)第二条指令执行过程1） ID译码识别出是加法加法运算，一个操作数A中，另一个操作数在存储器的下一个字节中；2）6）与第一条指令执行的相应步骤类似，取出的取出的数据是数据是18H，PC变为04H；7） 总线控制逻辑将28H送到数据寄存器DR中；8） 根据加法指令

13、的要求，将DR中的18H装入到运算寄存器的I2处，同时将累加器A中的12H装入到运算寄存器的I1处；9） 运算器做加法；运算的结果2AH从ALU中出来，经过内部数据总线传送到累加器A中到此，第二条指令执行完毕。 (5)第三条指令取指过程读出的操作码是A3H，PC值变为05H。(6)第三条指令执行过程1）ID对指令译码是数据存储指令数据存储指令，存储的地址在存储器的下一个字节中；2）6）类似以前步骤，取出的数据是20H，PC变为06H；7） 总线控制逻辑将20H送到数据寄存器DR后，进一步转到AR中；8） AR中的20H经过总线控制逻辑被放到地址总线AB上，经过地址译码，选中选中20H单元单元；

14、9） CPU的控制逻辑通过控制总线发出写控制信号通过控制总线发出写控制信号；10） 累加器A中的数据2AH经内部数据总线送到DR中，再由DB总线输出并存储到存储器的输出并存储到存储器的20H单元单元中。到此，第三条指令执行完毕。进入到最后一条指令的执行。最后一条指令用前面类似的方法取指，译码后发现是终止指令，于是控制器停止产生任何控制命令，计算机停止全部操作。 1.4 微型计算机系统微型计算机系统1.4.1 组成组成 硬件。主要包括主机(即微型计算机)和外围设备。 软件。为运行、管理和维护计算机系统或为实现某一功能而编写的各种程序的总和及其相关资料。它是程序、数据和有关文档的集合，其中程序是完

15、成任务所需要的一系列指令序列，文档则是为了便于了解程序所需要的阐明性资料。微型机系统微型机系统硬件硬件外围设备外围设备过程控制过程控制I/O通道通道A/D,D/A转换器转换器开关量等开关量等外部设备外部设备键盘、鼠标等输入设备键盘、鼠标等输入设备显示器、打印机等输出设备显示器、打印机等输出设备 软驱、硬盘及磁带等外存储软驱、硬盘及磁带等外存储器器主主 机机微处理器微处理器(CPU)运算器运算器(ALU，算术逻辑运算单元，算术逻辑运算单元)控制器控制器(控制单元控制单元CU)寄存器阵列寄存器阵列(RA) 内存储器内存储器RAM ROM, EPROM，E2PROM, Cache等软件软件系统软件系

16、统软件应用软件应用软件图1-9 微型计算机系统组成图支撑软件支撑软件BIOS与操作系统与操作系统系统总线系统总线数据总线数据总线地址总线地址总线控制总线控制总线 I/O接口接口电路电路并行并行I/O 串行串行I/O1.4.2 微型计算机的分类微型计算机的分类1.按微处理器CPU字长字长分类：(1)4位微机； (2)8位微机；(3)16位微机(4)32位微机；(5)64位微机。2. 按微型计算机的组装形式组装形式分类 (1)单片机：将CPU、部分存储器、部分I/O接口集成在一个芯片上，一个芯片就是一台微型机，简称单片机。 单板机 ：将CPU、存储器、I/O接口及部分I/O设备安装在一个印刷线路板

17、上。这块印刷线路板就是一台完整的微型机，称为单板微型计算机，简称单板机。 个人计算机 (Personal Computer，PC)。3. 按综合性能指标综合性能指标分类 ：巨型机、大型机、小型机、微型机、工作站。1.4.3 微型机的主要技术指标微型机的主要技术指标1.主频主频：也叫时钟频率，时钟脉冲的固定频率。单位MHz、GHz。从486开始，主频=外部总线频率倍频系数。2. 字长字长：微机系统中CPU一次能处理的二进制位数。3. 运算速度运算速度：衡量计算机性能的一个重要指标。常用百万条指令每秒(Millions of Instruction Per Second)表示，并以MIPS作为缩写

18、。4. 主存容量和存取时间主存容量和存取时间。主存容量是指主存储器所能存储二进制信息的总量。1.4.3 微型机的主要技术指标微型机的主要技术指标5. 可靠性可靠性：是一个综合的指标，一般常用平均无故障运行时间来衡量。6. 性价比性价比：机器性能与价格的比值，衡量计算机产品性能优劣的一个综合性指标。性价比的比值越大越好。1.4.4 应用应用l科学计算与数据处理、工业控制、自动化仪器、仪表装置、计算机辅助设计、计算机仿真、人工智能、信息管理与办公自动化。1.5 PC系列微机的体系结构系列微机的体系结构 微机主要由主板和各类I/O接口板组成。 主板上的元件分为CPU、系统支持芯片、存储器、I/O接口

19、电路和I/O接口插槽，用总线相连接。I/O接口扩展卡是插在I/O接口扩展槽上的各类设备的接口电路板，如显示卡、声卡及网卡等。1.5.1 PC/XT机的基本结构 PC/XT机是采用8088微处理器构造的第一代通用微机，通过PC总线进行全系统调度和控制，并和系统中的其他部件进行数据交换 。如图1-12所示。 其中，PC总线是微机最早的总线，其数据总线宽度为8位，地址总线宽度为20位。 除微处理器之外的其它部件主要有： 系统支持芯片 ROM RAM(主存) I/O接口电路 I/O扩展槽微处理器微处理器8088协处理器协处理器80878253定时定时/计数器计数器PC总线总线ROM BIOSDRAM控

20、制器控制器主板上的主板上的RAM8237DMA控制器控制器8259中断控制器中断控制器DMA页面寄存器页面寄存器8250串行串行通信控制器通信控制器8255并行接口并行接口扩展扩展总线总线缓冲缓冲器器8个个62引脚扩展插槽引脚扩展插槽图1-12 8088/8086微机的基本结构 1.系统支持芯片系统支持芯片 这些控制机构就由系统支持芯片组成。 (1) 8087协处理器 。(2) 可编程定时/计数器8253/8254 。(3) DMA控制器8237 。(4) 可编程中断控制器8259 。(5) 串行通信控制器8250 。(6) 可编程并行接口8255 。2.ROMPC/XT的ROM的容量为64

21、KB。早期的机器上在F6000HFDFFFH中固化了32 KB的BASIC解释程序，以后的机器上已经不再固化BASIC解释程序。FE000HFFFFFH中固化了基本输入/输出系统(BIOS)。3.RAM(主存)在PC/XT系统板上的存储器芯片共4列，每列9片组成带奇偶校验的64 KB内存。4列构成256 KB的主存空间。后来的一些主板上插接了640 KB内存。4.I/O接口电路接口电路在系统板上还有IBM PC和IBM PC/XT的音频盒式磁带机、键盘和扬声器的接口电路。后来，磁带机的接口从微机中逐渐被去掉了。5.I/O扩展槽扩展槽PC/XT有8个62芯的I/O扩展槽，它符合PC总线的规范，可

22、以插接各种接口扩展卡，例如显示卡、硬盘卡等。1.5.2 80386/80486微机的基本结构微机的基本结构 386和486，不再有专门的协处理器，都采用ISA总线将系统的各个部件连接起来，而且都具有高速缓冲存储器(Cache)，并且都采用了一组多功能芯片来代替原来的单功能的接口控制芯片，如图1-13所示。 图1-13 80386/80486微机的基本结构 微处理器微处理器80386/80486Cache控制器80387(仅仅386微机有微机有)总线控制器总线控制器集成外围集成外围控制器控制器扩展总线扩展总线控制器控制器实时时钟实时时钟/日历日历CMOS RAMCache主存主存CPU局部总局部

23、总线线ISA总线总线 广泛采用了ISA总线替代原来的PC总线。 由几个多功能芯片多功能芯片组成的芯片组来替代替代PC/XT机中的多个单功能芯片单功能芯片。 RAM，80386和80486微机均采用单列式存储单列式存储器组件器组件SIMM封装的动态存储器(内存条内存条)。 在I/O插槽方面，80386一般有ISA总线标准的8位和16位的扩展槽若干个；80486有ISA总线标准的8位和16位扩展槽若干个，有些还有VESA标准的32位扩展槽。 后期的80486微机采用了VESA总线及总线及PCI总线总线作为各个部件的连线。由于VESA总线固有的缺点及PCI总线的及时推出，因此VESA总线很快退出市场

24、。而PCI总线在Pentium机中应用广泛，所以常被作为Pentium系列微机的主要总线结构。 1.5.3 现代微机的基本结构现代微机的基本结构 Pentium系列微处理器，改变了主板总线结构，采用更明显的三级总线结构更明显的三级总线结构，即CPU总线(Host Bus)、局部总线(PCI总线)和系统总线系统总线(一般是一般是ISA)。CPU总线为64位数据线、32位地址线的同步总线，66MHz或100MHz总线时钟频率；PCI总线为32位或64位数据，地址分时复用同步总线。PCI局部总线作为高速的外围总线，不仅能直接连高速的外设，且通过桥芯片和更高速的CPU总线与系统总线相连。外围总线由低速

25、总线发展到以高速的PCI总线总线为主。另外，三级总线之间由更高集成度的多功能桥多功能桥路芯片路芯片组成的芯片组相连，形成一个统一的整体。桥路芯片起到信号速度缓冲、电平转换和控制协议信号速度缓冲、电平转换和控制协议转换转换的作用。通过对这些芯片组的功能和连接方法的划分，又可将这种基本结构分为南北桥结构南北桥结构和中心(Hub)结构两种。 1.南北桥结构的微机南北桥结构的微机 通过两个桥片将三级总线连接起来。北桥芯片的CPU总线-PCI桥片(Host Bridge)和被称做南桥芯片的PCI-ISA桥片。南北桥结构的芯片组种类很多，既有Intel芯片组，也有非Intel芯片组。 图1-14所示的是由

26、Intel公司著名的南北桥结构的芯片组440BX所组成的Pentium II微机的基本结构。图1-14 南北桥结构的Pentium微机的基本结构 Pentium II处理器处理器80386/486PCI总线总线82443BX（北桥）（北桥）图形设备图形设备主存主存I/OAPICPCI插槽插槽2个个IDE接口接口2个个USB接口接口CPU总线总线Pentium II处理器处理器80386/486支持支持SDRAM66/100MHZx2AGP总线总线82371EB（PIIX4E）（南桥）（南桥）ISA总线总线ISA插槽插槽440BX芯片组由南北桥芯片组成。 北桥北桥82443BX芯片，芯片，CPU

27、总线与PCI总线的桥梁。集成CPU总线接口，支持单、双处理器单、双处理器（可组成对称多处理机（SMP）结构；同时还集成了主存控制器主存控制器、PCI总线接口、PCI仲裁器及AGP接口，并支持系统管理模式(SMM)和电源管理功能。 南桥南桥8237lEB芯片，芯片， PCI总线和ISA总线的桥梁。集成了PCI-ISA连接器、IDE控制器、2个增强的DMA控制器、2个8259中断控制器、8253/8254时钟发生器和实时时钟等多个部件；还集成了一些新功能，如USB控制器、电源管理逻辑及支持可选的I/O APIC等。USB接口，可连接很多外部设备（扫描仪、打印机、数码相机和摄像头等）。 这个结构的最大特点就是将局部总线PCI直接作为高速的外围总线连接到PCI插槽上。这一变化适应了高速外围设备与微处理器的连接要求。 2.中心结构的微机中心结构的微机 南北桥芯片通过PCI总线连接的，南北桥芯片之间的频繁数据交换必然使得PCI总线信息通路出现一定的拥挤，也使它们之间的信息交换受到一定的影响。为了克服这个问题，也为了进一步加强PCI