微型计算机的基本工作原理ppt课件

第3章微型计算机的基本工作原理,2004-3-4,.,2,本章教学目的,本章以一个简化了的计算机作为分析对象，逐步讲述一般计算机的各种基本功能，从而概括出微型计算机的基本工作原理。,2004-3-4,.,3,主要内容,微型计算机结构的简化形式指令系统程序设计执行指令的例行程序控制部件微型计算机功能的扩展初级程序设计举例控制部件的扩展现代技术在微型计算机中的应用,2004-3-4,.,4,3.1微型计算机结构的简化形式,微型计算机的基本功能能运算、能判别及能决策;速度快模型机简化了的微型计算机可以根据模型机理解各个基本电路和部件之间的信息流通过程，指令系统的意义，程序设计的步骤，控制部件的功能及其结构，还有控制矩阵产生控制字的过程等等,2004-3-4,.,5,模型机的结构特点,功能简单：只能做两个数的加减法。内存量小：只有一个168PROM(可编程序只读存储器)。字长8位：二进制8位显示。手动输入：用拨动开关输入程序和数据,2004-3-4,.,6,模型机的硬件结构1,2004-3-4,.,7,模型机的硬件结构2,1.程序计数器PC计数范围由00001111(0F)。每次运行之前，先复位至0000。当取出一条指令后，PC应加1。2.存储地址寄存器MAR接收指令和数据地址，送至PROM去。,2004-3-4,.,8,模型机的硬件结构3,可编程序只读存储器PROM可编程序ROM，每条横线与竖线都有一条由开关和二极管串联的电路将它们连接起来。因此，只要拨动开关，即可使该数据位置1或置0PROM同时具有RAM和ROM功能。右图是44PROM的电路图168PROM的横线应为16条(R0R15)，竖线为8条(D7D6D0)，地址码线应为4条(A3A2A1A0),2004-3-4,.,9,模型机的硬件结构4,4.指令寄存器IRIR从PROM接收指令字(当LI=1，ER=1)，同时将指令字分送到控制部件CON和W总线上去。指令字是8位的：MSBLSB左4位为最高有效位(高4位)，称为指令字段；右4位为最低有效位(低4位)，称为地址字段。5.控制部件CON(1)每次运行前，CON先发出CLR=1，使有关的部件清0。此时：PC=0000IR=00000000(2)CON能发出同步脉冲CLK到各个部件去，使它们同步运行。(3)在CON中有控制矩阵CM，能根据IR送来的指令发出12位的控制字：CON=CPEPLMERLIEILAEASUEULBLO根据控制字中各位的置1或置0情况，计算机就能自动地按指令程序运行,2004-3-4,.,10,模型机的硬件结构5,6.累加器A用以储存计算机运行期间的中间结果。它能接收W总线送来的数据(LA=1)，也能将数据送到W总线上去(EA=1)。它还有一个数据输出端，将数据送至ALU去进行算术运算。这个输出是双态的，即是立即地送去，而不受E门的控制。7.算术逻辑部件ALU它只是一个二进制补码加法器减法器(参见图1.9)。当SU=0，ALU进行加法A+B；当SU=1，ALU进行减法A-B。8.寄存器B将要与A相加减的数据暂存于此寄存器。它到ALU的输出也是双态的，即无E门控制。,2004-3-4,.,11,模型机的硬件结构6,9.输出寄存器O计算机运行结束时，累加器A中存有答案。如要输出此答案，就得送入O。此时EA=1，LO=1，则O=A。典型的计算机具有若干个输出寄存器，称为输出接口电路。这样就可以驱动不同的外围设备，如打印机、显示器等。10.二进制显示器D这是用发光二极管(LED)组成的显示器。每一个LED接到寄存器O的一位上去。当某位为高电位时，则该LED发光。因为寄存器O是8位的，所以这里也由8个LED组成显示器。,2004-3-4,.,12,模型机的硬件结构7,总体来说，模型机可以如下划分中央处理器CPU(包括PC，IR，CON，ALU，A及B)；记忆装置M(MAR及PROM)；输入输出IO接口(包括O及D）,2004-3-4,.,13,模型机的硬件结构8,中央处理器(centralprocessingunit,CPU)将程序计数功能(PC)、指令寄存功能(IR)、控制功能(CON)、算术逻辑功能(ALU)以及暂存中间数据功能(A及B)集成在一块电路器件上的集成电路(IC)。存储器M(memory)此图例中只包括存储地址寄存器(MAR)及可编程存储器(实际还包括了地址译码功能)，这就是微型计算机的“内存”。实际的“内存”要包括更多的内容(如ROM，RAM及EPROM等)和更大的存储容量。输入及输出接口(IO)是计算机实行人机对话的重要部件。实际微型计算机的输入设备多为键盘，输出则为监视器(即电视屏显示器)，因而必须有专用的输出接口电路。,2004-3-4,.,14,3.2指令系统,指令系统就是用来编制计算程序的一个指令集合本模型机有5条指令LDA将数据装入累加器A；ADD进行加法运算；SUB进行减法运算；OUT输出结果；HLT停机。不同型号的微处理机的指令系统是不同的，指令的条数也不相同。例如，Z80型的指令系统可达158条，M6800型有72条，6502型则有56条指令，而Intel80386则为152条。,2004-3-4,.,15,指令系统2,例如一个计算程序的格式如下：助记符操作数注释LDAR9；把R9中的数据存入AADDRA；把RA中的数据与A的相加ADDRB；把RB中的数据与A的相加ADDRC；把RC中的数据与A的相加SUBRD；把A中的数据与RD的相减OUT；输出A中的数据，即结果HLT；停机,2004-3-4,.,16,指令系统3,指令执行结果(A)=(R9)+(RA)+(RB)+(RC)-(RD)(D)=(A)加括号的意义是指被括上的寄存器或存储单元的内容。如(A)是指累加器A中的内容，(D)是指显示器显示出的数据，(R9)是存储单元R9中的数据，等等。(MAR)呢？HLT指令，使时钟脉冲停发，计算机停止运行，但电源未切断，显示器仍继续显示计算结果,2004-3-4,.,17,3.3程序设计,程序设计中要包括：(1)编制汇编语言写的程序；(2)助记符的翻译；(3)存储器的分配。指令清单是程序设计的重要步骤上面讲的微型计算机并不认识助记符的意义，因此必须将指令清单中每一条指令都翻译成二进制码机器码。存储器中既要写入计算程序，也要存放参与运算的数据，因此，需要决定存储器中的存储单元应如何分配，这称为存储空间分配。,2004-3-4,.,18,程序设计2,3.3.1操作码表这是由计算机制造厂提供的翻译表，它是每个助记符与二进制码的相应对照表。由于我们的计算机很简单，只有5个助记符，列成对照表助记符操作码LDA0000ADD0001SUB0010OUT1110HLT11113.3.2存储器分配在本微型机中就是要把PROM中的16个存储单元分配成两个区：程序存放区(指令区)和数据存放区(数据区)。,2004-3-4,.,19,源程序目的程序存储单元指LDAR9000010010000(R0)ADDRA000110100001(R1)令ADDRB000110110010(R2)ADDRC000111000011(R3)区SUBRD001011010100(R4)OUT11100101(R5)HLT11110110(R6)数1610000100001001(R9)2010000101001010(RA)据2410000110001011(RB)2810000111001100(RC)区3210001000001101(RD),3.3.3将源程序翻译成目的程序根据助记符与二进制的对照表(操作码表)将上节例题中的每条指令的助记符译成二进制码，并将存储单元符号写成地址码(即R00000，R10001，R91001),2004-3-4,.,20,3.3.4程序及数据的输入方法,2004-3-4,.,21,程序及数据的输入方法2,PROM分成两区，指令区一旦存入指令，就不许再改(除非要计算的公式改变了)。数据区是可以随时存入要参与运算的数据，并在计算过程中可以取出来将PROM的每个数据位的开关拨向置0或置1的位置输入在前面例题的计算程序设计好，并输入至PROM之后，就可以开始执行程序了。程序执行的第一步必须先使计算机复位，此时控制器先发出一个CLR为高电位的脉冲，同时时钟脉冲开始工作，即发出脉冲电压系列到各个部件去。执行LDA9H后A=0001000016(10)执行ADDAH后A=0010010036(10)执行ADDBH后A=0011110060(10)执行ADDCH后A=0101100088(10)执行SUBDH后A=0011100056(10)执行OUT后D=0011100056(10)执行HLT后D=00111000(不变),2004-3-4,.,22,3.4执行指令的例行程序,在程序和数据装入之后，启动按钮将启动信号传给控制部件CON，然后控制部件产生控制字，以便取出和执行每条指令。一个机器周期为执行一条指令的时间。机器周期又可分为取指周期和执行周期。取指过程和执行过程机器都得通过不同的机器节拍。在这些节拍内，每个寄存器(PC，MAR，IR，A，B，O等)的内容可能发生变化。,2004-3-4,.,23,执行指令的例行程序2,环形计数器及机器节拍各位输出端Q0Q5的电位就是机器节拍T0T5的电位，由于时钟脉冲是经过反相器再接到环形计数器(图中的“汽泡”表示非门)的CLK端的，所以各节拍之间的转换是在时钟脉冲的负边缘开始的。环形计数器的输出看做是一个字T，则：T=T5T4T3T2T1T0下图是一个6位的环形字，用以控制6条电路，使它们依次轮流为高电位，T0，T1，T2，T3，T4和T5称为机器节拍。,2004-3-4,.,24,执行指令的例行程序3,取指周期取出指令的过程需要3个机器节拍，在清零和启动之后第1个节拍为T0。取指周期，对任何一条指令都是一样的。因为任何一条指令都是沿着这个程式而将指令取出来，再将其高4位送入控制部件去进行分析，决定下面应如何执行(1)地址节拍(T0=1)在T0=1时，应将PC的内容(即第1个地址码)送入MAR(并通过MAR而达到PROM)，所以，此时应有：EP=1，即PC准备放出数据；LM=1，即MAR准备接收数据控制字为：CON=CPEPLMERLIEILAEASUEULBLO=011000000000(2)储存节拍(T1=1)在T1=1时，应将PROM中由PC送来的地址码所指定的存储单元中的内容送到IR，同时IR立即将其高4位送至控制部件。因此，在此节拍到来之前，即应准备好：ER=1,即PROM准备放出数据;LI=1,即IR准备接收数据控制字为：CON=000110000000(3)增量节拍(T2=1)在T2=1时，应使PC加1，做好下一条指令的取指准备。因此，CP=1，即命令PC计数。CON=100000000000,2004-3-4,.,25,执行指令的例行程序4,执行周期也需要3拍(T3，T4，T5)，这种程序是由厂家编好了的，所以称为例行程序。以LDA例行程序为例，考查一下在此3节拍中，各个寄存器的内容应有何变化(4)T3=1时，IR已将从PROM来的指令码的高4位送至控制部件进行分析。此高4位是与LDA相应的二进制码“0000”，控制部件经过分析后就发出命令：EI=1，将IR的低4位送至W总线；LM=1，MAR接收此低4位数作为地址并立即送至PROM；CON=001001000000(5)T4=1应将PROM的数据区的存储单元(如R9，即1001)的内容送入累加器A，即ER=1，PROM准备放出数据；LA=1，A准备接收数据。CON=000100100000(6)T5=1因为T4=1时，已将数据存放入A中，所以，LDA的例行程序就已完成，T5节拍就变成空拍。CON=000000000000其余指令的执行过程参见课本50页表33。,2004-3-4,.,26,3.5控制部件,控制部件是使计算机能够成为自动机的关键部件。它包括下列主要部件：环形计数器(RC)；指令译码器(ID)；控制矩阵(CM)；其他控制电路。环形计数器、指令译码器、控制矩阵称为控制器。,2004-3-4,.,27,3.5.1指令译码器,指令寄存器IR高4位被送入控制部件这高4位就是各种控制动作的代码，比如：0000代表LDA的控制动作；0001代表ADD的控制动作；0010代表SUB的控制动作；1110代表OUT的控制动作；1111代表HLT的控制动作。一个控制动作相当于一条控制线，就要使该控制线为高电位。这个由4个位组成的编码，必须被译成一个信号，即译为某一控制线为高电位，这就是译码器的任务。译码器可以由与门和非门组成，下图就是一个4位译码器。4位应该可以有16种编码的可能，由于我们的模拟机功能简单，只有5条指令，所以只要5个与门就够了。,2004-3-4,.,28,2004-3-4,.,29,3.5.2控制矩阵,控制矩阵就是要决定控制字的输出电平高低一般每一节拍大都要求两个控制字位为高电位，有的可能只有一位为高电位的(如CP=1)，也可能是3位为高电位。控制矩阵是控制部件的核心部件下图是一个控制矩阵(CM)电路图控制字有12位，每一指令要执行6拍，每拍均有不同的位为高电位，下图是本模型机中控制矩阵的电路图：,2004-3-4,.,30,控制矩阵,2004-3-4,.,31,控制矩阵2,电路组成环形计数器，使T0至T5的6根横线轮流为高电位；指令控制信号线为中间4根横线，它们的电位高低由指令译码器决定控制字输出CON，最下面部分是由19个与门和6个或门组成一个逻辑电路。这个电路共有12个输出端，就是控制字CON：CON=CPEPIMERLIEILAEASUEULBLO控制矩阵的初始化开机前使CLR为高电位，则此时环形计数器复位至T0=1，其他各位为0。这就是说，每个机器周期都是从T0开始的。,2004-3-4,.,32,3.5.3其他控制电路,时钟脉冲发生器，包括时钟振荡器及射极跟随器，输出CLK运行停车触发器，其输出去启动时钟振荡器“启动”和“清除”按钮，由人直接操作的主令电器，命令都是由此开始的,2004-3-4,.,33,3.6微型计算机功能的扩展,模型机的不足硬件过于简单，尤其是控制部件只能接受5条指令而产生相应的例行程序。软件开发问题，即如何利用现有的指令系统，经过灵活的编程以解决更多更复杂的问题。扩展模型机的功能中央处理器控制器算术逻辑部件(ALU)寄存器的个数、性能等,2004-3-4,.,34,算术逻辑部件及控制器的功能有相当的扩展，这样，就既可能进行逻辑运算，也有跳转和循环运算的功能。控制器的增强，指令系统已扩大到28条指令增加的部件子程序计数器SC变址寄存器X随机存取存储器RAMMDR输入寄存器,2004-3-4,.,35,微型计算机功能的扩展5,本机共有28条指令，可分为3类：1.访问存储器指令(memoryreferenceinstruction,MRI)与存储器的读写有关，其地址字段必须为8位(256个地址)。特点：由指令寄存器分出来的地址字段(8位的地址字段)必定进入MAR(存储器地址寄存器)，这就能够识别出MRI这类指令。,2004-3-4,.,36,微型计算机功能的扩展6,2.转移指令可用以改变程序的顺序，可以在规定的某种条件下将程序进程向前转移或向后转移，也可跳过若干条指令语句或去执行某个子程序之后再回至下一条指令语句。特点：由指令寄存器IR分出来的地址段(8位)将进入程序计数器PC(即LP=1)，或子程序计数器(LS=1)。,2004-3-4,.,37,微型计算机功能的扩展7,3.逻辑运算指令控制器只要接到1111的高4位，即知为运算指令，然后控制器再辨认选择码以确定进行什么样的运算。这类指令的特点是与存储器及程序计数器都无关，而是与ALU、A及B寄存器有关。由于这些运算都是在ALU和A，B之间进行的，所以不需地址码。低4位可以不置数，由其随机存在，并不产生任何影响。,2004-3-4,.,38,微型计算机功能的扩展8,2004-3-4,.,39,3.7初级程序设计举例,利用上节提供的指令系统，可以据此进行程序设计。初级程序主要包括下列的程序模式：简单程序程序一统到底，中间没有任何分支和跳转。分支程序程序进行中，根据判断程序执行的不同结果而分别跳转至其他子程序去。循环程序程序进行过程中，在某一循环体进行若干次循环运行，然后再继续前进。调用子程序程序进行至某一阶段，调用存储于某存储区中的某个子程序，然后返回至主程序继续运行下去。,2004-3-4,.,40,初级程序设计举例2,【例3.1】分支程序指R0LDA6H令R1SUB7H区R2JAM5HR3JAZ5HR4JMP1HR5HLT数R625(10)据区R79(10)根据程序清单，分析程序执行的顺序及结果,2004-3-4,.,41,初级程序设计举例4,【例3.2】循环程序利用变址寄存器可以设计一个循环程序：R0LDX5HR1DEXR2JIZ4HR3JMP1HR4HLT停机R53(10)分析程序运行的过程,2004-3-4,.,42,初级程序设计举例6,【例3.3】乘法计算的程序利用循环程序可作乘法计算，例如要求12(10)8(10)，就是要求将12(10)连加8次。这就可以利用循环程序，让它进行8次循环。程序如下：R0NOPR1LDXAHR2CLAR3DEXR4ADD9H7次返回R5JIZ7HR6JMP3HR7OUT转出循环R8HLTR912(10)RA8(10),2004-3-4,.,43,初级程序设计举例7,【例3.4】逻辑运算的例子设计一个程序，用以测试某个来自接口电路的输入数I0(12位)，以确定该数是否为奇数。如I0为奇数(即最后一位为1)，则显示一个111111111111；如I0是偶数(最后一位为0)，则显示一个000000000000。程序清单如下：R0INP；将I0装入累加器AR1LDB9H；将(R9)装入寄存器BR2AND；将(B)与(A)进行“与”运算R3JAZ6H；(A)=0，则转移至R6R4LDAAH；将(RA)装入累加器AR5JMP7H；无条件转至R7R6LDABH；将(RB)装入累加器AR7OUT；输出(A)至显示器R8HLT；停机R9000000000001(掩码)RA111111111111奇数标志RB000000000000偶数标志,2004-3-4,.,44,初级程序设计举例8,【例3.5】子程序设计设计一个计算x2+y2+z2=?的计算程序。由于x2，y2和z2在形式上都是一样的，是求一个数的平方值，可将x2做成一个子程序而存于存储器中一个固定的区域中，用到时，即可将其调出使用。将此子程序存于以RF2为起始地址(其地址为F2H，即11