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复习日志：微型计算机原理及接口技术

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By Shupei Li 63 min read

基本概念

  • 例题：接口的基本功能就是（C）与（D）。
    • A. 输出锁存
    • B. 输入锁存
    • C. 输出缓冲
    • D. 输入缓冲
    • 解析：
      • 输入缓冲：输入缓冲用于接收外部设备发送的数据，并将其暂存，以便 CPU 能够稳定读取。它可以防止外部信号的抖动或不稳定影响 CPU 的工作。
      • 输出缓冲：输出缓冲用于暂存 CPU 发送的数据，并将其稳定地传输到外部设备。它可以确保数据在传输过程中不会丢失或失真。
      • 锁存功能：锁存功能通常用于在特定时刻保存数据，但它不是接口的基本功能。锁存功能通常由专门的锁存器实现，而不是接口的核心功能。
  • 一个外设最多可含有控制端口、数据端口、状态端口三种类型的端口。

汇编语言

端口 I/O

  • 向外设端口输出一个数据的指令是：OUT DX, AL。
  • 向外设端口输入一个数据的指令是：IN AL, DX。
  • 8086 CPU 在执行 IN AL, DX 指令时，DX 寄存器的内容输出到地址总线上 。
    • 在指令 IN AL, DX 中，DX 寄存器的内容是端口地址，而 8086 CPU 在执行此指令时会通过地址总线 将端口地址传递给输入/输出 (I/O) 设备，然后通过数据总线获取从该端口读到的数据。
      • IN AL, DX 指令的作用是从 DX 指定的端口读取数据，并将其存入 AL 寄存器中。
      • DX 寄存器包含的是端口地址。CPU 通过地址总线将这个端口地址发送到 I/O 设备。
      • 然后，设备会将数据通过数据总线传送到 AL 寄存器。
    • 换句话说，DX 寄存器的内容（端口地址）会通过地址总线被传送到设备，而读取的数据会通过数据总线被送到 AL 寄存器。所以，虽然最终数据是通过数据总线传送到寄存器，但 DX 寄存器本身决定了端口地址，而端口地址是通过地址总线传递的。
  • OUT 指令的语法：
    • OUT port, AL：将 AL 中的 8 位数据输出到指定的 8 位端口。
    • OUT port, AX：将 AX 中的 16 位数据输出到指定的 16 位端口。
    • 端口地址的范围：
    • 如果端口地址是 8 位（范围：00H 到 FFH），可以直接在指令中指定。
              OUT 20H, AL
    • 如果端口地址是 16 位（范围：0100H 到 FFFFH），必须先将端口地址加载到 DX 寄存器，然后使用 DX 作为端口地址。
          MOV DX, 2000H
      OUT DX, AL

数据传送指令

  • 交换寄存器值
    • 使用 XCHG 指令：XCHG AX, BX。
    • 使用 MOV 指令：
      MOV CX, AX; 将 AX 的值保存到临时寄存器 CX
  MOV AX, BX; 将 BX 的值复制到 AX
  MOV BX, CX; 将临时寄存器 CX 的值复制到 BX
    • 使用堆栈进行交换：
      PUSH AX
  MOV AX, BX
  POP BX

转移指令

在 8086/8088 汇编中，转移指令分为段内转移和段间转移。

段内转移指令

  • 特点：
    • 段内转移指令只改变 IP（Instruction Pointer）的值，而不改变 CS（Code Segment）的值。
    • 因为段内转移是在当前代码段内跳转，所以不需要改变段地址。
  • 示例：
    • JMP 指令（段内跳转）：JMP LABEL。
    • 这条指令只会修改 IP，而不会修改 CS。

段间转移指令

  • 特点
    • 段间转移指令会同时改变 IP 和 CS 的值。
    • 因为段间转移需要跳转到另一个代码段，所以需要修改段地址。
  • 示例：
    • JMP FAR 指令（段间跳转）：JMP FAR PTR LABEL。
    • 这条指令会同时修改 IP 和 CS。

指令前缀

在 8086/8088 处理器中，REP 是一个指令前缀，用于重复执行接下来的字符串操作指令（如 MOVSB, MOVSW, CMPSB, CMPSW 等）。它会根据 CX（计数寄存器）的值决定重复的次数：

  • 如果 CX ≠ 0，则指令会重复执行。
  • 每执行一次操作后，CX 的值会自动减少，直到 CX 为 0 时停止。 因此，REP 指令前缀的功能是根据 CX 寄存器的值来决定是否继续执行重复操作。

汇编语言变量定义

变量名DB表达式 ；定义字节变量，即8位(1字节)变量
变量名DW表达式 ；定义字变量，即16位(2字节)变量
变量名DD表达式 ；定义双字变量，即32位(4字节)变量
变量名DQ表达式 ；定义长字变量，即64位(8字节)变量
变量名DT表达式 ；定义一个10字节的变量
  • 例题：执行下列指令后寄存器 CL 的值就是（D）。
    • A. 0FH
    • B. 0EH
    • C .12H
    • D. 10H
STR1 DW 'NO'; 定义一个双字节变量 'NO'，占 2 字节。
STR2 DB 14 DUP(?); 定义一个 14 字节的未初始化数据块。
CONT EQU $-STR1; 定义了一个符号常量 `CONT`。`STR1` 到当前位置的字节数。
MOV CX, CONT; CX = 16 = 0010H。CL 值只考虑低 4 位，即 10H。
MOV AX, STR1; 将 `STR1` 的地址加载到 `AX` 寄存器中。
HLT; 此指令停止程序的执行。
  • 例题：下面指令执行后，变量 DAB 中的内容就是（C）。
    • A. ODAH
    • B. 0FAH
    • C. 0F5H
    • D. 0D0H
DAW DW 2A05H; 定义一个字（2字节）变量 `DAW`，值为 `2A05H`。
DAB DB OFAH; 定义一个字节变量 `DAB`，值为 `0FAH`。
MOV AL, BYTE PRT DAW; `BYTE PTR DAW` 表示取 `DAW` 的低字节。`DAW` 的值为 `2A05H`，低字节是 `05H`。因此，`AL = 05H`。
SUB DAB, AL; 计算：`0FAH - 05H = 0F5H`。结果存入 `DAB`，因此 `DAB = 0F5H`。

8086 CPU

  • 8086 CPU 有 16 条数据总线、20 条地址总线和 16 条控制总线。
  • 当有两个 8286 时，可为 8086CPU 提供数据总线。
    • 当使用两个 8286 数据收发器时，可以为 8086 CPU 提供完整的 16 位双向数据总线接口，这是因为每个 8286 提供 8 位双向数据总线。
  • 8086 CPU 通过总线对外部（存储器或 I/O 接口）进行一次访问所需的时间称为一个总线周期。一个总线周期至少包括 4 个时钟周期即 $T_1$、$T_2$、$T_3$ 和 $T_4$。
    • 例题：8086/8088 的一个典型总线周期需要 4 个 T 状态。

内部结构

从 CPU 的内部结构可以看出，CPU 由四部分构成：算数逻辑运算单元 (ALU)、工作 寄存器、控制器和 I/O 控制逻辑。

  • 算术逻辑单元：它是运算器的核心，完成所有的运算操作。它是一个组合电路，无 记忆功能。它有两个输入端和一个输出端，在控制信号的控制下可以完成不同的操作。
  • 工作寄存器：可以暂存寻址信息和计算过程中的中间结果。数据寄存器用于暂存操 作数和中间结果，地址寄存器用于暂存操作数的寻址信息。
  • 控制器：它是 CPU 的“指挥中心”，完成指令的读入、寄存和译码，并产生控制信号序列，使 ALU 完成指定的操作。控制器由下列部件组成。
    • 程序计数器 (program counter，PC)：用于保存下一条要执行的指令的地址，也称指令指针 (instruction pointer)。
    • 指令寄存器 (instruction register，IR)：保存从存储器中读入的当前要执行的指令。
    • 指令译码器 (instruction decoder，ID)：对指令进行译码。
    • 控制逻辑部件：根据对指令译码的分析，产生控制信号，以完成指令规定的操作。
    • 微处理器状态字 (processor state word，PSW)：寄存处理器当前的状态，如指令结 果是否为 0，结果是正是负，有没有进位、借位，是否溢出等。
    • 堆栈指针 (stack pointer，SP)：指示堆栈的地址。
  • I/O 控制逻辑：处理 I/O 操作。
  • 例题：8086 CPU 的 40 根引脚中，有 21 个就是分时复用的。
    • 这 21 根分时复用引脚是：
      • AD0 - AD15：这 16 根引脚在不同的时钟周期上既作为地址总线，也作为数据总线（即复用了地址和数据功能）。
      • A16 - A19：这 4 根引脚在低时钟周期时用作地址引脚，在高时钟周期时用作控制信号。
      • ALE：地址锁存信号，控制地址总线的数据锁存。
  • 例题：8086 系统的存储器中各段的大小固定为 64KB，同时各段之间可以重叠。
  • 例题：总线控制器 8288 专门用于 8086 最大模式下产生控制信号。

寄存器组织

通用寄存器

通用寄存器可以分成两类：数据寄存器 (AX、BX、CX、DX) 和地址指针/变址寄存器 (SI、DI、SP、BP)。

  • 例题：若当前 DS 的内容为 2000H，则偏移量为 1000H 单元的地址可表示为 21000H。
    • 解析：在 x86 架构中，内存地址是由段地址和偏移量组合起来的。地址的计算方式如下：$\text{物理地址} = (\text{段地址} \times 16) + \text{偏移量}$。由此可以计算得到：$2000H \times 16 + 1000H = 21000H$。
  • 例题：8086 CPU 复位后，CPU 执行的第一条指令的起始地址应就是 RAM, FFFF0H。
    • 在 8086 CPU 复位后，CPU 的程序计数器（CS:IP）被初始化为一个特定的值，以确定从哪里开始执行第一条指令。这与 CPU 的设计有关。
      1. CS (代码段寄存器) 被初始化为 FFFFH。
      2. IP (指令指针寄存器) 被初始化为 0000H。
    • 根据 8086 的段: 偏移地址模式，物理地址的计算公式为：$\text{物理地址} = (\text{CS} \times 16) + \text{IP}$。将初始值代入公式：$\text{物理地址} = (FFFFH \times 16) + 0000H = FFFF0H$。
数据寄存器

8086 CPU 有 4 个 16 位数据寄存器。

  • 累加器 (accumulator，AX)：这是最常用的寄存器，许多操作都可以在 AX 中完成，而且有一些操作只能在 AX 中完成，如乘法和除法操作。
  • 基址寄存器 (base register，BX)：虽然属于数据寄存器，但它经常用作地址寄存器。
  • 计数寄存器 (count register，CX)：经常用作循环的计数寄存器，如在循环语句中，默认 CX 的内容为循环次数。
  • 数据寄存器 (data register，DX)：用于寄存数据，但在 I/O 指令中，DX 用于表示端口地址。 另外，这 4 个 16 位的数据寄存器又可以分成 8 个 8 位的字节寄存器：
AX → AH, AL
BX → BH, BL
CX → CH, CL
DX → DH, DL

其中，“H” 表示高 8 位 (高字节)，“L” 表示低 8 位 (低字节)，在程序设计中可以独立使用这 8 个字节寄存器。

地址寄存器

8086 CPU 有 4 个 16 位的地址寄存器。

  • 变址寄存器 (source index，SI)：在字符串操作指令中，SI 提供源操作数的段内偏移地址，当然也可以在其他指令中，用作地址寄存器。
  • 变址寄存器 (destination index，DI)：在字符串操作指令中，DI 提供目的操作数的段内偏移地址，当然也可以在其他指令中，用作地址寄存器。
  • 堆栈指针 (stack pointer，SP)：用于保存堆栈段的段内偏移地址。段地址由段寄存器 SS 提供。堆栈是一块特殊的内存区域，它以“先进后出”的方式保存各寄存器、返回地址等信息。
  • 基址指针 (base pointer，BP)：BP 可以指定段内偏移地址，但将 BP 用作地址寄存器时，一般情况下，其默认的段地址为 SS。 在将这 4 个寄存器 (SI、DI、SP、BP) 用作地址寄存器时，它们只提供了 16 位的偏移地址。要形成 20 位的物理地址，还需要由段寄存器提供段地址，它们之间的关系为：$\text{物理地址} = \text{段地址} \times10 H + \text{偏移地址}$。
  • 合法的内存寻址方式：
    • [BX + SI]
    • [BX + DI]
    • [BP + SI]
    • [BP + DI]
    • [SI + 偏移量]
    • [DI + 偏移量]
    • [BX + 偏移量]
    • [BP + 偏移量]

段寄存器

8086 CPU 的段寄存器有 4 个。

  • 代码段 (code segment，CS) 寄存器：用于存放当前执行程序的段地址，IP 为指令指针。
  • 数据段 (data segment，DS) 寄存器：用于存放当前数据段的段地址。
  • 附加段 (extra segment，ES) 寄存器：用于存放当前附加数据段的段地址。
  • 堆栈段 (stack segment，SS) 寄存器：用于存放当前堆栈段的段地址。 由段地址和偏移地址可以构成物理地址，这一点与存储器的分段结构有关。
  • 在 8086/8088 指令集中，PUSH 指令可以用于将段寄存器（如 CS、SS、DS、ES）的值压入堆栈。
  • 例题：在 8086/8088 系统中，堆栈操作所访问的段是由 SS（Stack Segment）寄存器指定的，而不是由 ES（Extra Segment）寄存器指定的。

控制寄存器

8086 CPU 有两个控制寄存器。

  • 指令指针 (instruction pointer，IP)：也称程序计数器 (program counter，PC)，用于保存下一条即将要执行指令的段内偏移地址。改变 IP 的值就意味着改变程序的流程，不能通过普通的传送类指令修改 IP 的值，但某些指令可以改变 IP 的内容，如转移指令、子程序调用和返回指令等。
  • 微处理器状态字 (processor state word，PSW)：它是一个 16 位的寄存器，一共设定了 9 个标志位，其中 6 个标志位用于反映 ALU 前一次操作的结果状态，另 3 个标志位用于控制 CPU 操作。

PSW 中的标志位

反映 ALU 前一次操作结果状态的标志位如下。

  • 进位标志 (carry flag，CF)：在加减运算时，最高位 (D7 或 D15) 有无进 (借) 位的标志。
\[\begin{cases} \text{有进（借）位时，}\quad CF = 1\\ \text{无进（借）位时，}\quad CF = 0 \end{cases}\]
  • 奇偶标志 (parity flag，PF)：操作结果的低 8 位中含有”1“的个数。
\[\begin{cases} \text{偶数个“1”，}\quad PF = 1\\ \text{奇数个“1”，}\quad PF = 0 \end{cases}\]
  • 辅助进位标志 (auxiliary carry flag，AF)：在加减运算时，D3 位有无进 (借) 位的标志。
\[\begin{cases} \text{有进（借）位时，}\quad AF = 1\\ \text{无进（借）位时，}\quad AF = 0 \end{cases}\]
  • 零标志 (zero flag，ZF)：运算结果是否为 0。
\[\begin{cases} \text{结果为 0，}\quad ZF = 1\\ \text{结果不为 0，}\quad ZF = 0 \end{cases}\]
  • 符号标志 (sign flag，SF)：操作结果的符号，它等同于操作的最高位 D7（或 D15）。
\[\begin{cases} \text{操作结果为负，}\quad SF = 1\\ \text{操作结果为正，}\quad SF = 0 \end{cases}\]
  • 溢出标志 (overflow flag，OF)：有符号数运算时是否溢出的标志。
\[\begin{cases} \text{溢出，}\quad OF = 1\\ \text{无溢出，}\quad OF = 0 \end{cases}\]
  • 例题：下列指令执行后总就是使 CF = 0，OF = 0 的就是（A）。
    • A. AND
    • B. NEG
    • C. NOT
    • 解析：
      1. A. AND 指令：
        • AND 是逻辑与操作，按位与运算。
        • 对标志位的影响：
          • CF 会被清零。
          • OF 会被清零。
        • 符合条件：CF=0，OF=0。
      2. B. NEG 指令：
        • NEG 是取负操作，计算二进制补码。
        • 对标志位的影响：
          • 如果操作数为 0，CF 会被清零；否则，CF 会被置 1。
          • 如果结果超出范围，OF 会被置 1。
        • 不符合条件：CF 和 OF 可能为 1。
      3. C. NOT 指令：
        • NOT 是按位取反操作。
        • 对标志位的影响：
          • CF 和 OF 不受影响（保持不变）。
        • 不符合条件：CF 和 OF 可能不为 0。

通用传送指令的数据传送路径

  • 例题：（A）寻址方式的跨段前缀不可省略。
    • A. DS:［BP］
    • B. DS:［SI］
    • C. DS:［DI］
    • D. SS:［BP］
    • 解析：在 x86 架构中，跨段寻址是指访问的数据不在当前段内，而是在其他段内。为了确保正确的寻址和数据访问，处理器使用段寄存器来指定访问的段。某些寻址方式需要明确的跨段前缀，以确保数据的正确访问。
      • A. DS:［BP］。DS（数据段寄存器）通常用于访问数据。［BP］是基于 BP 寄存器的偏移寻址，通常用于栈段中的数据访问。这个寻址方式是跨段寻址，因为 BP 通常指向栈段（SS），而 DS 指向数据段。需要跨段前缀，即必须显式地指定段寄存器（如 DS）来避免冲突。
      • B. DS:［SI］。DS（数据段寄存器）和 SI（源索引寄存器）用于字符串操作或数组访问。在 DS 中进行数据寻址时，SI 是用来存放偏移量的。这通常是同段寻址，不需要跨段前缀。
      • C. DS:［DI］。DI（目标索引寄存器）用于字符串操作或数组访问，类似于 SI。DS:［DI］是同段寻址，不需要跨段前缀。
      • D. SS:［BP］。SS（栈段寄存器）和 BP（基指针寄存器）用于栈的访问。由于栈总是通过 SS 寄存器访问，因此 SS:［BP］是栈段寻址，并且不需要跨段前缀。
  • 例题：下列存储器操作数的跨段前缀可省略的就是（B）。
    • A. DS:［BP］
    • B. SS:［BP］
    • C. ES:［BX］
    • D. ES:［SI］
  • 例题：下述指令，正确的指令就是 （D）（设 BUF 就是字节变量，LAB 为标号）。
    • A. MOV BX, AL
    • B. MOV BX, BUF
    • C. MOV BX, LAB
    • D. MOV BX, OFFSET BUF
    • 解析：
      • 选项 A：MOV BX, AL。AL 是一个字节寄存器，而 BX 是一个字寄存器。字节寄存器（如 AL）与字寄存器（如 BX）不能直接进行数据传送，因为它们的大小不一致。
      • 选项 B：MOV BX, BUF。BUF 是一个字节变量，而 BX 是一个 16 位寄存器。字节变量（如 BUF）通常代表的是一个内存地址或存储空间的内容，但 MOV BX, BUF 不能直接将一个字节变量的值存储到一个 16 位寄存器中，除非 BUF 代表的是一个内存地址，这样应该使用 MOV BX, OFFSET BUF。
      • 选项 C：MOV BX, LAB。LAB 是一个标号。标号通常指向程序中的某个地址位置，直接把标号赋值给 BX 寄存器是错误的，因为标号需要通过计算地址偏移量来处理。
      • 选项 D：MOV BX, OFFSET BUF。OFFSET BUF 是 BUF 变量的地址。MOV BX, OFFSET BUF 是合法的指令，它将 BUF 的地址（即偏移量）加载到 BX 寄存器中。OFFSET 是用来获取变量或数据的内存地址的关键字。

MOV 指令数据传送路径

  • 立即数 $\rightarrow$ 通用寄存器或存储单元。
MOV AX, 0210H; (AX) ← 0210H
MOV VAR2, 27H; (VAR2) ← 27H
  • 通用寄存器 $\rightarrow$ 存储单元。
MOV [BX], AX; ((BX)) ← (AX)
MOV [DI], AL; ((DI) + 4) ← AL
  • 存储单元 $\rightarrow$ 通用寄存器。
MOV AX, [SI]; (AX) ← ((SI))
MOV DX, VAR1 + 5; (DX) ← (VAR1 + 5)
MOV BL, BYTE PTR VAR1 + 5; (BL) ← (VAR1 + 5)
  • 通用寄存器 $\leftarrow\rightarrow$ 通用寄存器。
MOV AX, BX; (AX) ← (BX)
MOV DL, AL; (DL) ← (AL)
  • 通用寄存器 $\leftarrow\rightarrow$ 段寄存器。
MOV BX, ES; (BX) ← (ES)
MOV DS, AX; (DS) ← (AX)
  • 段寄存器 $\leftarrow\rightarrow$ 存储单元。
MOV DS, [SI + 2]; DS ← ((SI) + 2)
MOV [DI], ES; ((DI)) ← ES

注意： MOV 指令不能直达的路径。

  • 立即数 $\times\rightarrow$ 段寄存器。
  • 存储单元 $\times\rightarrow$ 存储单元。
  • 段寄存器 $\times\rightarrow$ 段寄存器。 如果要完成数据在这些路径上的传送，则应该分以下步骤操作。
  • 立即数 $\rightarrow$ 段寄存器。一般可以通过立即数 $\rightarrow$ 通用寄存器 $\rightarrow$ 段寄存器来完成，例如：
MOV AX, 3A01H
MOV DS, AX; (DS) ← 3A01H
  • 存储单元 $\rightarrow$ 存储单元。一般可以通过存储单元 $\rightarrow$ 通用寄存器 $\rightarrow$ 存储单元来完成，例如：
MOV AX, VAR1
MOV [DI + 10], AX; ((DI) + 10) ← VAR1
  • 段寄存器 $\rightarrow$ 段寄存器。一般可以通过段寄存器 $\rightarrow$ 通用寄存器 $\rightarrow$ 段寄存器来完成，例如：
MOV AX, CS
MOV DS, AX; (DS) ← (CS)
  • 应该注意，CS 不能作为目的寄存器。

中断响应

  • 外部可屏蔽中断（INTR）：中断允许标志位 IF = 0 时，微处理器不响应请求；IF = 1 时，微处理器响应请求。
  • 外部非可屏蔽中断（NMI）：只要 NMI 信号有效，8086 现行指令执行结束都会响应 NMI 中断请求。
  • 内部中断：内部中断是执行 INT n 、INTO 等指令，或由于除法出错，或进行单步操作而引起的中断。

8086 CPU VS. 8088 CPU

特性80868088
数据总线宽度16 位数据总线8 位数据总线
内存寻址能力1 MB（20 位地址总线）1 MB（20 位地址总线）
性能更高的数据传输速度和处理能力较低的数据传输速度和处理能力
指令集架构完全相同，16 位架构完全相同，16 位架构
外部总线宽度16 位8 位
时钟周期与速度适用于高性能需求适用于低成本应用
应用场景高性能计算和嵌入式应用IBM PC 和低成本个人计算机
  • 8086 的外部数据总线是 16 位的，因此每个总线周期可以传输 2 字节的数据。8088 微处理器是一种 16 位处理器，但其外部数据总线是 8 位的。因此，每个总线周期只能交换 1 字节的数据。
  • 例题：由 8088 CPU 组成的 PC 机的数据线就是 8 条双向线。
  • 在 8088 微处理器中，取指令和执行指令可以重叠操作，这是通过流水线技术实现的。
  • 在 8088 微处理器中，数据可以存放在多个不连续的段中。这是因为 8088 采用了分段内存管理机制。
  • 在 8088 微处理器中，INTA（Interrupt Acknowledge）信号用于响应外部中断请求，并读取中断向量。
  • 在 8088 微处理器中，Ready 信号是由外部硬件产生的，用于控制 CPU 与外部设备之间的数据传输同步。
    • Ready 信号的作用：
      • Ready 信号用于指示外部设备是否已准备好与 CPU 进行数据传输。
      • 当 Ready 信号为高电平（1）时，表示外部设备已准备好，CPU 可以继续执行总线周期。
      • 当 Ready 信号为低电平（0）时，表示外部设备未准备好，CPU 会插入等待状态（Tw），直到 Ready 信号变为高电平。
    • Ready 信号的来源：
      • Ready 信号是由外部硬件（如存储器或 I/O 设备）产生的。
      • 外部硬件根据自身的状态决定是否将 Ready 信号置为高电平或低电平。
    • CPU 的响应：
      • 8088 CPU 在每个总线周期的 T3 状态采样 Ready 信号。
      • 如果 Ready 信号为低电平，CPU 会插入一个或多个等待状态（Tw），直到 Ready 信号变为高电平。
  • 在 8086/8088 系统中，RQ/GT 和 HOLD/HLDA 信号是与系统中其他总线主设备（如：DMA 控制器）通信的信号。
    • HOLD/HLDA 信号：
      • HOLD 是总线请求信号，由其他总线主设备（如 DMA 控制器）发出，请求占用总线。
      • HLDA 是总线响应信号，由 CPU 发出，表示 CPU 已释放总线，其他总线主设备可以占用总线。
    • RQ/GT 信号：
      • RQ/GT（Request/Grant）是总线请求/授权信号，用于在多个总线主设备之间仲裁总线使用权。
      • RQ 是总线请求信号，由其他总线主设备发出。
      • GT 是总线授权信号，由 CPU 发出，表示总线使用权已授予请求的设备。
  • 例题：IBM PC 机的 8088 处于最大模式，其总线仲载就是由（B）裁决。
    • A. 非 RQ/ 非 GT
    • B. 8289
    • C. 8087
    • D. 8288
    • 解析：
      • A. 非 RQ/非 GT：这是 8088 的信号线，用于请求和释放总线控制权。但它本身并不负责仲裁，而是用于与总线仲裁器通信。
      • B. 8289：8289 是总线仲裁器芯片，专门用于在最大模式下管理总线仲裁。它根据设备的优先级和请求来决定哪个设备可以获得总线控制权。
      • C. 8087：8087 是数学协处理器，用于浮点运算，与总线仲裁无关。
      • D. 8288：8288 是总线控制器芯片，用于生成控制信号（如读/写信号），但不负责总线仲裁。

8286 芯片

8286 是 Intel 生产的一个双向数据收发器，用于在微处理器和外设或其他系统组件之间进行数据交换。它主要用于控制数据流的方向，使得数据总线能够在输入和输出状态之间切换。

  • 8286 是一种 8 位双向数据收发器，主要用于 I/O 设备接口，它能够在微处理器和外设（如内存、I/O 端口等）之间传递数据。
  • 双向意味着它既可以用来将数据从 CPU 发送到外部设备，也可以从外部设备接收数据传送到 CPU。

8282 芯片

8282 是 Intel 生产的一款地址锁存器，用于在计算机系统中将地址总线和数据总线分离，确保处理器能够正确地处理地址与数据。它常常被用于与处理器和其他外设（如 8255）的连接中，特别是在 8086/8088 系列处理器中。

  • 8282 是一种 8 位地址锁存器，它用于将地址总线从数据总线中分离，使得处理器能够有效地访问内存和 I/O 设备。
  • 它通过锁存功能（latch）在数据传输周期内将地址信号保存在内部寄存器中，避免地址信号在不同的总线周期中混乱。

中断及 8259A 可编程中断控制器

中断

  • 中断向量表结构：
    • 中断向量表位于内存的 0000:0000 到 0000:03FF 区域，共有 256 个中断向量。
    • 每个中断向量占用 4 个字节：
      • 前 2 字节存储中断服务程序的偏移地址（IP）。
      • 后 2 字节存储中断服务程序所在段地址（CS）。
    • 第 n 个中断向量的地址为： $\text{地址} = n \times 4$。
  • 例题：内部中断的优先级通常高于可屏蔽中断（INTR）。但非屏蔽中断（NMI）的优先级高于某些内部中断（如单步中断）。
  • 例题：中断服务程序的代码可以存放在用户可用的内存区域，但需要满足一定的条件（如通过中断向量表正确指向，并确保内存区域的安全性）。
  • 例题：在 PC/XT 机中键盘的中断类型码就是 09H，则键盘中断矢量存储在 24H - 27H。
  • 例题：在 8086 微机系统中，外部设备的中断请求通常通过 8259A 管理，8259A 的中断请求输出连接到 CPU 的 INTR 引脚。
  • 例题：下述中断，优先权级别最高的中断就是 （A）。
    • A. NMI
    • B. INTR
    • C. 单步中断
    • D. INTn
    • 解析：
      • 选项 A：NMI（非屏蔽中断）。NMI 是一种硬件中断，表示不能被屏蔽的中断。它的优先级非常高，通常用于处理如硬件故障等紧急情况。优先级：最高。NMI 无法被屏蔽，即使其他中断处于挂起状态，NMI 仍然会被立即处理。
      • 选项 B：INTR（可屏蔽中断）。INTR 是普通的可屏蔽中断，它是由外部设备发起的中断，处理器可以通过设置标志位来屏蔽或允许这个中断。优先级：低于 NMI。因为它是可屏蔽的，可以被其他更高优先级的中断（如 NMI）或中断屏蔽标志（IF）屏蔽。
      • 选项 C：单步中断。单步中断是一种特殊的中断类型，用于调试程序时，每执行一条指令就触发一次中断。优先级：较低。单步中断用于调试，通常其优先级较低，不会干扰正常的中断处理流程。
      • 选项 D：INTn（软件中断）。INTn 是一种由程序主动触发的中断，它的优先级取决于中断向量表中的位置。它通常用来进行系统调用或其他任务。优先级：低于 NMI 和单步中断。INTn 中断可以被屏蔽，且通常是软件触发的，优先级较低。

8259A 的基本特性

  • 每片 8259A 提供 8 个中断请求输入（IR0-IR7），即最多处理 8 级中断。
  • 通过级联可以扩展中断级数，一片 8259A 主片最多可以级联 8 个从片。
  • 主片的一个中断请求输入（如 IR2）用于接收从片的中断信号。
  • 例题：3 片 8259A 级联，最多可管理 22 级中断。
    • 主片的 6 个独立中断 + 从片 1 的 8 个中断 + 从片 2 的 8 个中断 = 22 个中断级。
  • 例题：PC/XT 机中若对从片 8259A 写入的 ICW2 就是 70H，则该 8259A 芯片的 $IRQ_5$ 的中断矢量存储的地址就是 1D4H。
    • 前五位为中断类型码，后三位为中断类型号（对应 $IR_0$）。推出 $IRQ_5$ 的中断类型号为 $75H$，乘 4 为 1D4H。
  • 例题：下面就是关于可编程中断控制器 8259A 的叙述，其中错误的就是 (C)。
    • A. 8259A 具有优先级管理的功能。
    • B. 8259A 具有辨认中断源的功能。
    • C. 8259A 具有向 CPU 提供中断向量的功能。
    • D. 一片 8259A 可管理 8 级中断。
    • 解析：
      • A. 8259A 具有优先级管理的功能。正确：8259A 是具有优先级管理功能的中断控制器。它可以按照优先级顺序处理多个中断请求。在默认情况下，8259A 是按照固定优先级来管理中断的，但它也支持轮询优先级的方式。
      • B. 8259A 具有辨认中断源的功能。正确：8259A 的一个重要功能就是能够辨认中断源。当多个外部设备发送中断请求时，8259A 会识别并区分不同的中断源（例如，$IRQ_0$ 到 $IRQ_7$），并将相应的中断请求传递给 CPU。
      • C. 8259A 具有向 CPU 提供中断向量的功能。错误：虽然 8259A 能够生成中断请求并控制中断优先级，但它不直接提供中断向量。中断向量是由初始化命令字（ICW2）来设置的，它决定了中断类型码，而 8259A 本身并不生成完整的中断向量。8259A 向 CPU 提供的是中断请求信号，具体的中断向量信息通常由中断向量表提供。
      • D. 一片 8259A 可管理 8 级中断。正确：单片 8259A 可以管理 8 个中断请求，分别对应 $IRQ_0$ 到 $IRQ_7$。每个中断请求都可以有不同的优先级，并且可以根据需要屏蔽或响应。

8259A 的优先权管理

在中断管理中，中断优先权的管理是一个核心。8259A 有两类确定优先权的方法：固定优先级和循环优先级。每一类中又有一些不同的实现方法。

固定优先级

这种方式下，各个中断源的优先级由它所连接的引脚编号决定，一旦连接，它的优先级就已经确定。具体有全嵌套方式和特殊全嵌套方式两种。

  • 全嵌套方式（正常嵌套）是 8259A 最常用的一种工作方式。如果对 8259A 进行初始化后没有设置其他优先级方式，那么 8259A 就按全嵌套方式工作。在全嵌套方式下，中断优先权的级别是固定的，即 $IR_0$ 优先权最高，$IR_1$ - $IR_6$ 逐级次之，$IR_7$ 最低。
  • 特殊全嵌套方式一般用于 8259A 级联的情况下。此时，系统中有多片 8259A，一片为主片，其他为从片。从片上的 8 个中断请求通过它的 INT 引脚连接到主片的某个中断请求输入端 $IR_i$ 上。从片上的 8 个中断请求有着不同的优先级别，但从主片看来，这些中断请求来自同一个引脚，因此属于同一个级别。假设从片工作在全嵌套方式，先后收到了两次中断请求，而且第二次中断请求有较高的优先级，那么该从片就会两次通过 INT 引脚向上一级申请中断。如果主片采用全嵌套方式，则它不会响应来自同一个引脚的第二次中断请求。而采用特殊全嵌套方式后，就会响应该请求。 系统中只有单片 8259A 时，通常采用全嵌套方式。系统中有多片 8259A 时，主片必须采用特殊全嵌套方式，从片可采用全嵌套方式。
循环优先级

这种方式下，各个中断申请具有大体相同的优先级。具体有优先权自动循环方式和优先权特殊循环方式这两种方法。

  • 在优先权自动循环方式下，某一个中断源接受中断服务以后，它的优先权就自动降为最低，而与之相邻的优先级就升为最高。例如，当前 $IR_0$ 优先权最高，$IR_7$ 最低。当 $IR_4$、$IR_6$ 同时有请求时，首先响应 $IR_4$。在 $IR_4$ 被服务后，$IR_4$ 的优先权降为最低，而 $IR_5$ 升为最高。以下依次为 $IR_6$、$IR_7$、$IR_0$、$IR_1$、$IR_2$、$IR_3$。随后，在 $IR_6$ 被响应且服务后，$IR_6$ 又降为最低，$IR_7$ 变为最高，其余以此类推。8259A 在设置优先权自动循环方式之初，总是自动规定 $IR_0$ 具有最高优先权，$IR_7$ 具有最低优先权。优先权自动循环方式由编程决定。
  • 优先权特殊循环方式与优先权自动循环方式仅有一处不同：在优先权自动循环方式下，一开始的最高优先权固定为 $IR_0$；而在优先权特殊循环方式下，由编程确定最初的最低优先权，从而也就确定了最高优先权。例如，编程时确定 $IR_6$ 具有最低优先权，则 IR7 具有最高优先权。

8259A 的操作命令字

8259A 可编程中断控制器（PIC） 是一个用于管理中断请求的芯片。它通过使用 操作命令字（OCW, Operation Command Word） 来配置和控制中断的行为。8259A 具有多个操作命令字来控制不同的功能，下面是 8259A 芯片的几个主要操作命令字。

初始化命令字（ICW, Initialization Command Word）

初始化命令字用于设置 8259A 的工作模式。每次启用 8259A 时，必须首先向其发送初始化命令字。ICW 的格式：

  • ICW1：指定初始化模式和中断控制。
  • ICW2：指定中断类型号的起始值。
  • ICW3：指定主片和从片的连接方式。
  • ICW4：指定工作模式和是否支持 8086/8088 模式。
ICW1 格式
1
2
3
4

D7    D6    D5    D4    D3    D2    D1    D0
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1     0     0     0     0     0     0     0
  • D7-D5：控制初始化（固定为 000）。
  • D4：选择 8259A 是否为主片（0 为主片，1 为从片）。
  • D3：是否启用级联（0 不启用，1 启用）。
  • D2-D0：指定工作模式。
ICW2 格式
1
2
3
4

D7    D6    D5    D4    D3    D2    D1    D0
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0     0     0     0     0     0     0     0
  • D7-D3：中断类型码（7 bits）。可以指定 IRQ 的中断类型号（0x00-0xFF）。
  • D2-D0：常为 0，未使用。
ICW3 格式
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3
4

D7    D6    D5    D4    D3    D2    D1    D0
|     |     |     |     |     |     |     |
|     |     |     |     |     |     |     |
0     0     0     0     0     0     0     0
  • D7-D5：设置从片的 IRQ 连接（在多片级联模式下）。
  • D4-D0：设置 IRQ 线连接方式。
ICW4 格式
1
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4

D7    D6    D5    D4    D3    D2    D1    D0
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|     |     |     |     |     |     |     |
0     1     0     0     0     1     0     1
  • D7：指定是否使用 8086 模式（1 为 8086 模式，0 为 8080 模式）。
  • D6-D4：指定是否支持自动终止（0 为不支持，1 为支持）。
  • D3-D0：用于设置是否支持单/多中断级联。
操作命令字（OCW, Operation Command Word）

OCW 用于控制 8259A 的操作。它有多个版本，最常用的是 OCW1、OCW2 和 OCW3。

OCW1 格式

用于设置 8259A 的中断屏蔽和优先级。

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2
3
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D7    D6    D5    D4    D3    D2    D1    D0
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|     |     |     |     |     |     |     |
0     0     0     0     0     0     0     0
  • D7-D0：控制中断请求的屏蔽、优先级等。
  • 可以设置是否屏蔽某个 IRQ，调整优先级。
OCW2 格式

用于控制中断请求的响应，例如执行中断返回。

1
2
3
4

D7    D6    D5    D4    D3    D2    D1    D0
|     |     |     |     |     |     |     |
|     |     |     |     |     |     |     |
0     0     0     0     0     0     0     0
  • D7-D0：控制是否响应某个中断、是否重新中断等。
OCW3 格式

用于查询 8259A 的状态，如当前中断的状态。

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2
3
4

D7    D6    D5    D4    D3    D2    D1    D0
|     |     |     |     |     |     |     |
|     |     |     |     |     |     |     |
1     0     1     0     0     0     0     1
  • D7-D0：指定需要查询的中断请求的状态。
例子：控制字使用

OCW1 示例：如果我们希望屏蔽所有 IRQ，那么可以设置 OCW1 为：

1

OCW1 = 0xFF

OCW2 示例：当响应某个中断请求时，我们设置 OCW2：

1

OCW2 = 0x20   // 发送中断终止命令

8255A 并行接口芯片

原理结构

在 8255A 内部，有三个数据端口寄存器 A、B、C，每个端口均为 8 位，并可以设置成输入和/或输出方式，但各个端口仍有差异。

  • 端口 A ($PA_0$ - $PA_7$)：8 位数据输出锁存/缓冲器，8 位数据输入锁存器。
  • 端口 B ($PB_0$ - $PB_7$)：8 位数据 I/O 锁存/缓冲器，8 位数据输入缓冲器。
  • 端口 C ($PC_0$ - $PC_7$)：8 位输出锁存/缓冲器，8 位输入缓冲器（输入时没有锁存）。 应该注意，端口 C 又可以分成两部分：高 4 位和低 4 位，它们可单独用作输出控制和状态输入。端口 A、B、C 又可组成两组端口（12 位）：A 组和 B 组。在每组中，端口 A 和端口 B 用作数据端口，端口 C 中的一部分用作控制和状态联络线。在 8255A 中，除了这三个端口外，还有一个控制寄存器，用于设定 8255A 的工作方式。因此 8255A 共有 4 个端口寄存器，分别用 $A_0$、$A_1$ 指定。
  • 当 $A_1 = 0，A_0 = 0$ 时，表示访问端口 A。
  • 当 $A_1 = 0，A_0 = 1$ 时，表示访问端口 B。
  • 当 $A_1 = 1，A_0 = 0$ 时，表示访问端口 C。
  • 当 $A_1 = 1，A_0 = 1$ 时，表示访问控制寄存器。
  • 例题：8255 内部共有 4 个端口，即 3 个数据端口（A 口、B 口、C 口）和一个控制端口（控制寄存器），它们可由程序寻址。
  • 例题：8255 的端口 C 一般用作控制或状态信息传输。

8255A 的方式控制字和置位控制字

  • 控制字用于设置其端口的工作方式、输入/输出模式等，置位控制字则用于直接控制端口的状态。
  • 对 8255A 的 A 组可设定成方式 0 - 方式 2，而 B 组只能设定成方式 0 和方式 1，这可以通过 8255A 的方式控制字来设置。当向 $A_0=1$、$A_1 =1$ 的端口寄存器 (即控制寄存器) 发送 $D_7 = 1$ 的控制字时，其作用为方式控制字，各位的含义如下图所示。$D_6D_5$ 用于设置 8255A 的 A 组工作方式，$D_2$ 用于设置 8255A 的 B 组工作方式。$D_4D_3$、$D_1D_0$ 为方向控制位，0 表示端口线为输出；1 表示端口线为输入。

方式控制字

  • 当向 $A_0=1$、$A_1 =1$ 的端口寄存器（即控制寄存器）发送 $D_7 =0$ 的控制字时，其作用为置位控制字，各位的含义如下图所示，表示将端口 C 中的指定位清零或置 1。这就是说，可以对端口 C 中的任一位进行位操作。

置位控制字

  • 例题：对 8255 的 C 口 $D_3$ 位置 1 的控制字为 0000 0111B。

工作方式

  • 8255A 有三种基本工作方式。
    • 方式 0：基本的输入/输出。
    • 方式 1：有联络信号的输入/输出。
    • 方式 2：双向传送。
  • 例题：端口 A 工作在方式 1 或方式 2 时，会使用端口 C 的 INTR、OBF 及 STB 等信号线。

方式 0：基本的输入/输出

当将 8255A 设置成方式 0 时，其端口信号线分成 4 组，分别由方式控制字的 $D_4$、$D_3$、$D_1$、$D_0$ 位控制其传送方向，当某位为 1 时，相应的端口数据线设置成输入方式；当某位为 0 时，相应的端口数据线设置成输出方式。例如，当方式控制字设置成 1000 1010B 时，端口 A 与端口 C 的低 4 位数据线设置成输出方式，端口 B 与端口 C 的高 4 位数据线设置成输入方式。特别注意，当将端口 C 的高 4 位与低 4 位设置成同一传送方向时，则端口 C 可以当作独立的端口使用，这样，8255A 就提供了 3 个独立的 8 位端口。

方式 1：有联络信号的输入/输出

当将 8255A 设置成方式 1 时，其三个端口的信号线分成了 A、B 两组，$PC_7$ - $PC_4$ 用作 A 组的联络信号，$PC_3$ - $PC_0$ 用作 B 组的联络信号。信号线的定义与方式 1 下输入和输出方式有关。但 $PC_3$、$PC_0$ 固定用作 A 组和 B 组向 CPU 发送的中断请求信号。

  • 方式 1 输入：当将 8255A 的 A 组和 B 组设置成方式 1 输入时，方式控制字中的 $D_3$ 位只用于控制 $PC_6$ - $PC_7$ 的传送方向。
  • 方式 1 输出：当将 8255A 的 A 组和 B 组设置成方式 1 输出时，方式控制字中的 $D_3$ 只用于控制 $PC_4$ - $PC_5$ 的传送方向。
  • 8255A 与 CPU 之间的联络：8255A 与 CPU 之间可以采用中断方式联络，其 $PC_3$、$PC_0$ 分别用作 A 组和 B 组的中断请求信号。为了对中断请求信号进行管理，8255A 中专门设置了中断屏蔽触发器 $INTE_A$ 和 $INTE_B$，它们通过对端口 C 某一位的置位控制字进行控制。通过置位控制字，当对 $INTE$ 对应的端口 C 的位置位时，$INTE＝1$，这时允许产生中断请求信号；当对 $INTE$ 对应的端口 C 的位清零时，$INTE＝0$，这时不允许 (屏蔽) 产生中断请求信号。
  • 例题：对 8255 的端口 A 工作在方式 1 输入时，C 口的 $PC_6$、$PC_7$ 一定为空闲的。
  • 例题：8255 工作在方式 1 的输出时，OBF 信号表示输出缓冲器满信号。
  • 例题：当 8255 的 PA 口方式 1 输出时，若外设有负脉冲回答, 则 PC3 定会上升为高电平。

方式 2：双向传送

8255A 的 A 组可以设定成方式 2，$PC_6$ - $PC_7$ 用作输出的联络信号，$PC_4$ - $PC_5$ 用作输入的联络信号，$PC_3$ 仍用作中断请求信号。

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