第三讲微型计算机的基本工作原理

1、第三讲第三讲 微型计算机的基本工作原微型计算机的基本工作原理理曾铁军主要内容主要内容微型计算机结构的简化形式微型计算机结构的简化形式1 指令系统指令系统2 程序设计程序设计3 执行指令的例行程序执行指令的例行程序4 控制部件控制部件5 微型计算机功能的扩展微型计算机功能的扩展6 初级程序设计举例初级程序设计举例7 控制部件的扩展控制部件的扩展8 现代技术在微型计算机中的应用现代技术在微型计算机中的应用9微型计算机结构的简化形式微型计算机结构的简化形式简化了的微型计算机硬件结简化了的微型计算机硬件结构特点如下：构特点如下：(1) 功能简单：只能做两功能简单：只能做两个数的加减法。个数的加减法。(

2、2) 内存量小：只有一个内存量小：只有一个168PROM(可编程可编程序只读存储器序只读存储器)。(3) 字长字长8位：二进制位：二进制8位位显示。显示。(4) 手动输入：用拨动开手动输入：用拨动开关输入程序和数据。关输入程序和数据。将将01、10送入送入PROM：01置于置于A、10置于置于B。加法在加法在ALU实现。实现。将结果将结果11置于置于O、D中中程序存于程序存于PROM程序计数程序计数PC(LDA、ADD、OUT)取指令，需先给出指令存于取指令，需先给出指令存于PROM中的地址（中的地址（MAR）从从PROM取指令并送至取指令并送至CON(IR)翻译指令，并给出控制字翻译指令，并

3、给出控制字（CON）1. 程序计数器程序计数器PC 计数范围计数范围00001111。 每次运行之前，先复位至每次运行之前，先复位至0。 跳转指令时可以不从跳转指令时可以不从0开始开始 取出一条指令后，取出一条指令后，PC应加应加1。2. 存储地址寄存器存储地址寄存器MAR 接收来自接收来自PC的二进制程序号，的二进制程序号，作为地址码送至作为地址码送至PROM去。去。3. 可编程序只读存储器可编程序只读存储器PROMPROM地址码线地址码线存储器存储器输出控制输出控制4. 指令寄存器指令寄存器IR 接收的数据：接收的数据：8位位 最高有效位最高有效位 最低有效位最低有效位 指令字段指令字段

4、地址字段地址字段 指令字段指令字段 CON 地址字段地址字段 MAR5. 控制部件控制部件CON 每次运行之前，每次运行之前，CON先发出先发出CLR=1，使有关的部件清，使有关的部件清0。此时：此时：PC=0000IR=00000000 CON有一个同步时钟，能发出有一个同步时钟，能发出脉冲脉冲CLK到各个部件去，使它到各个部件去，使它们同步运行。们同步运行。 在在CON中有一个控制矩阵中有一个控制矩阵CM，能根据能根据IR送来的指令发出送来的指令发出12位位的控制字：的控制字：6. 累加器累加器A 存放存放ALU运算的中间结果运算的中间结果 从总线接收数据受从总线接收数据受LA控制控制 往

5、总线发送数据受往总线发送数据受EA控制控制 往往ALU送数据不受送数据不受EA控制控制7. 算术逻辑器件算术逻辑器件ALU 只是一个二进制补码加法器只是一个二进制补码加法器减法器减法器 当当SUB=0，加法，加法A+B 当当SUB=1，减法，减法A B8. 寄存器寄存器B 存放存放ALU运算的中间结果运算的中间结果 从总线接收数据受从总线接收数据受LB控制控制 往往ALU送数据不受送数据不受EA控制控制9. 输出寄存器输出寄存器O 计算机运行结束时，累加器计算机运行结束时，累加器A中存有答案。如要输出此中存有答案。如要输出此答案，就得送入答案，就得送入O 这些输出寄存器与外设存在这些输出寄存器

6、与外设存在一定的对应关系一定的对应关系10. 二进制显示器二进制显示器D 这是用发光二极管这是用发光二极管(LED)组组成的显示器。成的显示器。 每一个每一个LED接到寄存器接到寄存器O的的一位上去。当某位为高电位一位上去。当某位为高电位时，则该时，则该LED发光。发光。 因为寄存器因为寄存器O是是8位的，所以位的，所以这里也由这里也由8个个LED组成显示组成显示器。器。 这种结构，一般可分成这种结构，一般可分成3大大部分，如图所示：部分，如图所示： 中央处理器中央处理器CPU(包括包括PC，IR，CON，ALU，A及及B)； 记忆装置记忆装置M(MAR及及PROM)； 输入输出输入输出IO(

7、包括包括O及及D，D也可称为其外围设备也可称为其外围设备)。微型计算机结构的简化形式微型计算机结构的简化形式1 指令系统指令系统2 程序设计程序设计3 执行指令的例行程序执行指令的例行程序4 控制部件控制部件5 微型计算机功能的扩展微型计算机功能的扩展6 初级程序设计举例初级程序设计举例7 控制部件的扩展控制部件的扩展8 现代技术在微型计算机中的应用现代技术在微型计算机中的应用9指令系统指令系统 指令系统就是用来编制计算程序的一个指令集合。在指令系统就是用来编制计算程序的一个指令集合。在未编制出计算程序之前，计算机是一堆无价值的电路未编制出计算程序之前，计算机是一堆无价值的电路硬件。硬件。 这

8、台微型机有这台微型机有5条指令，即其控制部件能完成一系列条指令，即其控制部件能完成一系列例行程序以执行例行程序以执行5种命令：种命令：LDA将数据装入累加器将数据装入累加器A；ADD进行加法运算；进行加法运算；SUB进行减法运算；进行减法运算；OUT输出结果；输出结果；HLT停机。停机。 这这5条指令在一起就称为这台计算机的指令系统。条指令在一起就称为这台计算机的指令系统。例：一个计算程序的格式如下：例：一个计算程序的格式如下：助记符助记符 操作数注释操作数注释LDA R9；把把R9中的数据存入中的数据存入AADD RA ；把把RA中的数据与中的数据与A的相加的相加ADD RB ；把把RB中的

9、数据与中的数据与A的相加的相加ADD RC ；把把RC中的数据与中的数据与A的相加的相加SUB RD ；把把A中的数据与中的数据与RD的相减的相减OUT ； 输出输出A中的数据，即结果中的数据，即结果HLT； 停机停机例：一个计算程序的格式如下：例：一个计算程序的格式如下：助记符助记符 操作数操作数 执行结果执行结果LDA R9；ADD RA ；ADD RB ；ADD RC ；SUB RD ；OUT ； HLT； 微型计算机结构的简化形式微型计算机结构的简化形式1 指令系统指令系统2 程序设计程序设计3 执行指令的例行程序执行指令的例行程序4 控制部件控制部件5 微型计算机功能的扩展微型计算机

10、功能的扩展6 初级程序设计举例初级程序设计举例7 控制部件的扩展控制部件的扩展8 现代技术在微型计算机中的应用现代技术在微型计算机中的应用9程序设计程序设计上节讲的指令清单可以说是将求上节讲的指令清单可以说是将求4个数相加再减去一个数相加再减去一个数的公式而写成的计算程序：个数的公式而写成的计算程序：D=(R9)+(RA)+(RB)+(RC)-(RD)程序设计中要包括：程序设计中要包括：编制汇编语言写的程序；编制汇编语言写的程序；助记符的翻译；助记符的翻译；存储器的分配等几部分。存储器的分配等几部分。先要有一个操作码表先要有一个操作码表将源程序翻译成目的程序将源程序翻译成目的程序源程序目的程序

11、源程序目的程序 存储单元存储单元指指LDAR9 0 0 0 0 1 0 0 10 0 0 0 (R0)ADDRA0 0 0 1 1 0 1 00 0 0 1 (R1)令令ADDRB0 0 0 1 1 0 1 10 0 1 0 (R2)ADDRC0 0 0 1 1 1 0 00 0 1 1 (R3)区区SUBRD0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 (R4)OUT 1 1 1 0 0 1 0 1 (R5)HLT 1 1 1 1 0 1 1 0 (R6)程序及数据的输入方法程序及数据的输入方法D=16+20+24+28-32=?执行执行LDA 9H后后A=0001000016(10)执行

12、执行ADDAH后后A=0010010036(10)执行执行ADDBH后后A=0011110060(10)执行执行ADDCH后后A=0101100088(10)执行执行SUBDH后后A=0011100056(10)执行执行OUT 后后 D=0011 100056(10)执行执行HLT 后后 D=00111000(不变不变)执行执行HLT(停机停机)指令后，电源并不切断，只是指令后，电源并不切断，只是CLK停发脉冲，停发脉冲，所以显示器所以显示器D上仍旧显示出计算结果。上仍旧显示出计算结果。微型计算机结构的简化形式微型计算机结构的简化形式1 指令系统指令系统2 程序设计程序设计3 执行指令的例行程

13、序执行指令的例行程序4 控制部件控制部件5 微型计算机功能的扩展微型计算机功能的扩展6 初级程序设计举例初级程序设计举例7 控制部件的扩展控制部件的扩展8 现代技术在微型计算机中的应用现代技术在微型计算机中的应用9执行指令的例行程序执行指令的例行程序 执行一条指令的时间为一个执行一条指令的时间为一个机器周期机器周期。机器周期又可。机器周期又可分为分为取指周期取指周期和和执行周期执行周期。取指过程和执行过程机器。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，每个寄存都得通过不同的机器节拍。在这些节拍内，每个寄存器器(PC，MAR，IR，A，B，O等等)的内容可能发生的内容可能发生变

14、化。变化。 取出指令的过程需要取出指令的过程需要3个机器节个机器节拍，在清零和启动之后第拍，在清零和启动之后第1个节个节拍为拍为T0。1.地址节拍地址节拍(T0=1) 将将PC的内容的内容(即第即第1个地址码个地址码)送入送入MAR(并通过并通过MAR而达到而达到PROM)， 此时应有：此时应有：EP=1，即，即PC准备放出数据准备放出数据LM=1，即，即MAR准备接收数据准备接收数据2.储存节拍储存节拍(T1=1) PROM中由中由PC送来的地址码所送来的地址码所指定的存储单元中的内容送到指定的存储单元中的内容送到IR，同时，同时IR立即将其高立即将其高4位送位送至控制部件。至控制部件。 此

15、时应有：此时应有： ER=1 PROM准备放出数据准备放出数据 LI=1 IR准备接收数据准备接收数据3.增量节拍增量节拍(T2=1) PC加加1，做好下一条指令的取，做好下一条指令的取指准备。指准备。 CP=1，即命令，即命令PC计数。计数。取指周期对任何取指周期对任何指令都是一样的指令都是一样的以以LDA指令来考察执行周期指令来考察执行周期4.(T3=1)T3=1时，控制部件经过分析后时，控制部件经过分析后就发出命令：就发出命令：EI=1，IR的低的低4位送至位送至W总线；总线；LM=1，MAR接收此低接收此低4位数作位数作为地址并立即送至为地址并立即送至PROM；5.(T4=1)T4=1

16、时，将时，将PROM的数据区的的数据区的存储单元存储单元(如如R9，即，即1001)的的内容送入累加器内容送入累加器A，即：，即：ER=1，PROM准备放出数据；准备放出数据；LA=1，A准备接收数据；准备接收数据；6.(T5=1)因为因为T4=1时，已将数据存放入时，已将数据存放入A中，所以，中，所以，LDA的例行程序就的例行程序就已完成，已完成，T5节拍就变成空拍节拍就变成空拍表表3-3 执行指令的过程执行指令的过程微型计算机结构的简化形式微型计算机结构的简化形式1 指令系统指令系统2 程序设计程序设计3 执行指令的例行程序执行指令的例行程序4 控制部件控制部件5 微型计算机功能的扩展微型

17、计算机功能的扩展6 初级程序设计举例初级程序设计举例7 控制部件的扩展控制部件的扩展8 现代技术在微型计算机中的应用现代技术在微型计算机中的应用9控制部件是使计算机能够控制部件是使计算机能够成为自动机的关键部件成为自动机的关键部件.环形环形计数器计数器(RC)指令指令译码器译码器(ID)控制控制矩阵矩阵(CM)其他其他控制控制电路电路控制部件控制部件指令译码器指令译码器图图3.5 指令译码器指令译码器控制矩阵控制矩阵 控制矩阵（控制矩阵（CM）是控制部件的核心，其输入为节拍信是控制部件的核心，其输入为节拍信号和经译码后的指令信号，输出为号和经译码后的指令信号，输出为12位控制字。位控制字。如果

18、从译码器来的译码结果是使如果从译码器来的译码结果是使LDA=1，那么，试，那么，试看一下这条指令的看一下这条指令的6个节拍中个节拍中6个控制字是怎样实现的。个控制字是怎样实现的。T0=1时，时，EP=1；LM=1。(因为因为T0直接接至直接接至EP并通过或门并通过或门I接至接至LM)T1=1时，时，LI=1(因为因为LI端与端与T1直接相连直接相连)；ER=1(因为因为T1通过或门通过或门至至ER端端)。T2=1时，时，CP=1(因为因为T2直接通至直接通至CP端端)。T3=1时，时，LM=1(因为与门因为与门1的两个输入都是高电位，使或门的两个输入都是高电位，使或门导通导通)。EI=1(因为

19、与门因为与门7的两个输入都是高电位，使或门的两个输入都是高电位，使或门导通导通)。T4=1时，时，ER=1(与门与门4的两个输入都是高电位，使或门的两个输入都是高电位，使或门导通导通);LA=1(因为与门因为与门10的两个输入都是高电位，使或门的两个输入都是高电位，使或门导通导通)。T5=1时，没有任何位为高电位时，没有任何位为高电位(空拍空拍)。其他控制电路其他控制电路时钟脉冲发生器时钟脉冲发生器这一般可分成两部分，即时钟振荡器及这一般可分成两部分，即时钟振荡器及射极跟随器。前者一般都是石英晶体振荡器，后者则用以射极跟随器。前者一般都是石英晶体振荡器，后者则用以降低输出电阻，以便有更大的电流

20、输出，因为时钟脉冲发降低输出电阻，以便有更大的电流输出，因为时钟脉冲发生器同时要推动很多的电路。生器同时要推动很多的电路。运行停车触发器运行停车触发器这个电路既接收来自按钮的这个电路既接收来自按钮的“运行运行”脉冲信号，也接收来自指令译码器的脉冲信号，也接收来自指令译码器的“HLT”停车信号，停车信号，而其输出就去启动时钟振荡器。而其输出就去启动时钟振荡器。“启动启动”和和“清除清除”按钮按钮这是由人直接操作的主令电器，这是由人直接操作的主令电器，命令都是由此开始的。命令都是由此开始的。微型计算机结构的简化形式微型计算机结构的简化形式1 指令系统指令系统2 程序设计程序设计3 执行指令的例行程

21、序执行指令的例行程序4 控制部件控制部件5 微型计算机功能的扩展微型计算机功能的扩展6 初级程序设计举例初级程序设计举例7 控制部件的扩展控制部件的扩展8 现代技术在微型计算机中的应用现代技术在微型计算机中的应用9微型计算机功能的扩展微型计算机功能的扩展 作为引导入门的模型机功能太简单。其原因：作为引导入门的模型机功能太简单。其原因： 首先是硬件过于简单，只能接受五条指令而产生相应首先是硬件过于简单，只能接受五条指令而产生相应的例行程序。的例行程序。 其次是软件开发问题，即如何利用现有的指令系统，其次是软件开发问题，即如何利用现有的指令系统，经过灵活的编程以解决更复杂的问题。经过灵活的编程以解

22、决更复杂的问题。 总之，计算机的功能在很大程度上取决于中央处理器总之，计算机的功能在很大程度上取决于中央处理器部分，而中央处理器的功能又取决于控制器的功能。部分，而中央处理器的功能又取决于控制器的功能。 图图3-8是功能扩充的微机结构简图。是功能扩充的微机结构简图。图图3.8功能扩功能扩充后的充后的微机的微机的结构图结构图1. 子程序计数器子程序计数器SC这是第这是第2章的微型计算机章的微型计算机所没有的。它本身也相所没有的。它本身也相当于一个程序计数器，当于一个程序计数器，不过它不由不过它不由CLR来清零，来清零，而可由而可由LS门来置数。一门来置数。一旦置数，即为其子程序旦置数，即为其子程

23、序的开始地址。的开始地址。SC的位数为的位数为8位。位。LS“装入装入”的可控门；的可控门；ES“输出输出”的可控门，的可控门，即即3态门；态门；CS“计数计数”的控制端。的控制端。2. 程序计数器程序计数器PCPC增加了一个增加了一个LP门，门，这就使得这就使得PC可以接可以接收跳转地址。这样收跳转地址。这样扩大了计算机的功扩大了计算机的功能，换句话说，能，换句话说，PC可以不从可以不从00H开始。开始。3. 随机存取存储随机存取存储器器RAM这里不用这里不用PROM而而用用RAM作为主存储作为主存储器。器。RAM的存储单的存储单元为元为256个，字长个，字长为为12位。因为可以位。因为可以

24、随机存取，故除随机存取，故除MAR(存储地址寄存储地址寄存器存器)外，还得有一外，还得有一个个MDR(存储数据存储数据寄存器寄存器)。4. 控制部件控制部件CON此此CON将要产生一将要产生一个个28位的控制字：位的控制字：LSCSESLPCPEPLMWEMELDEDLIEILNENLAEAS3S2S1S0EULBLXINXDEXEXLO。5. 算术逻辑部件算术逻辑部件ALU上面的简化型计算机的上面的简化型计算机的ALU是一个二进制补码是一个二进制补码加法器减法器。只有加法器减法器。只有算术加法及减法两种运算术加法及减法两种运算。其控制端为算。其控制端为Su，即，即只有一位。只有一位。这里的控

25、制端改为这里的控制端改为S=S3S2S1S0，即有，即有4位。位。4位则有位则有16种可能种可能的组合，本机只用其中的组合，本机只用其中的的10种，以得到种，以得到3种算种算术运算和术运算和7种逻辑运算。种逻辑运算。6. 变址寄存器变址寄存器X这是新增加的一种寄存这是新增加的一种寄存器，它可以用指令使其器，它可以用指令使其加加1或减或减1：INX加加1指令助记指令助记符，其控制端符号为符，其控制端符号为INX；DEX减减1指令助记指令助记符，其控制端符号为符，其控制端符号为DEX。7. 指令寄存器指令寄存器IR这是一个这是一个12位的寄存器，位的寄存器，其指令字段和地址字段其指令字段和地址字段

26、的位数不是固定不变的。的位数不是固定不变的。在访问存储器指令在访问存储器指令(MRI)和转移指令的执和转移指令的执行期间行期间，高，高4位代表指令位代表指令字段，低字段，低8位代表地址字位代表地址字段。所以高段。所以高4位要被送到位要被送到CON去分析，而低去分析，而低8位位被送到被送到W总线上去：总线上去：(MSB4位位)CON (LSB8位位) W总线总线7. 指令寄存器指令寄存器IR这是一个这是一个12位的寄存器，位的寄存器，其指令字段和地址字段其指令字段和地址字段的位数不是固定不变的。的位数不是固定不变的。在运算指令执行期间，在运算指令执行期间，高高8位代表指令字段，而位代表指令字段，

27、而低低4位可为任意数，因为位可为任意数，因为它不代表任何意义它不代表任何意义：(MSB8位位)CON (LSB4位位) 不用不用微型计算机结构的简化形式微型计算机结构的简化形式1 指令系统指令系统2 程序设计程序设计3 执行指令的例行程序执行指令的例行程序4 控制部件控制部件5 微型计算机功能的扩展微型计算机功能的扩展6 初级程序设计举例初级程序设计举例7 控制部件的扩展控制部件的扩展8 现代技术在微型计算机中的应用现代技术在微型计算机中的应用9所谓初级程序是包括下列的程序模式：所谓初级程序是包括下列的程序模式：(1) 简单程序简单程序程序一统到底，中间没有任何分支和程序一统到底，中间没有任何

28、分支和跳转。跳转。(2) 分支程序分支程序程序进行中，根据判断程序执行的不程序进行中，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。同结果而分别跳转至其他子程序去。(3) 循环程序循环程序程序进行过程中，在某一循环体进行程序进行过程中，在某一循环体进行若干次循环运行，然后再继续前进。若干次循环运行，然后再继续前进。(4) 调用子程序调用子程序程序进行至某一阶段，调用存储于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。行下去。【例例3.1】程序清单程序清单指指R0LDA6H把把(R6)装入装入A去去令令R1

29、SUB7H从从(A)减去减去(R7)区区R2JAM5H(A)=负，则转移至负，则转移至R5R3JAZ5H(A)=0，则转移至，则转移至R5R4JMP1H无条件转移至无条件转移至R1R5HLT数数R6 25(10)据据区区R7 9(10)指令执行结果指令执行结果R0LDA 6HA中的内容中的内容=25(10)R1SUB 7HA中的内容中的内容=25-9=16(10)R2 JAM 5H因为因为(A)负，所以不转移负，所以不转移R3JAZ 5H 因为因为(A)0，所以不转移，所以不转移R4 JMP 1H 无条件转移至无条件转移至R1从从R1起再执行第起再执行第2次：次：R1 SUB7HA中的内容中的

30、内容=16-9=7(10)R2JAM5H因为因为(A)负，所以不转移负，所以不转移R3JAZ 5H因为因为(A)0，所以不转移，所以不转移R4JMP1H无条件转移至无条件转移至R1从从R1起再执行第起再执行第3次：次：R1 SUB7HA中的内容中的内容=7-9=-2(10)R2JAM5H因为因为(A)=负，所以转移至负，所以转移至R5R5HLT 停机停机这个程序可以理解为求这个程序可以理解为求(R6)(R7)的除法运算。这里是的除法运算。这里是259，除的结果应得商为，除的结果应得商为2，余数为，余数为7。程序循环运行的。程序循环运行的次数即为商，余数即为第次数即为商，余数即为第2次执行后次执

31、行后A中的内容。中的内容。【例例3.2】循环程序循环程序利用变址寄存器可以设计一个循环程序：利用变址寄存器可以设计一个循环程序：R0LDX5H将将(R5)装入变址器装入变址器XR1DEX 命命(X)减减1R2JIZ 4H(X)=0，则转移至，则转移至R4R3JMP1H无条件转移至无条件转移至R1sR4HLT停机停机R53(10)(R5)=3(10)(数据数据)第第1次执行结果：次执行结果：R0LDX5H(X)=(R5)=3(10)R1DEX(X)=3-1=2(10)R2JIZ4H因为因为(X)0，所以不转至，所以不转至R4R3JMP1H无条件转回无条件转回R1第第2次执行结果：次执行结果：R1

32、DEX(X)=2-1=1(10)R2JIZ4H因为因为(X)0，所以不转至，所以不转至R4R3JMP1H无条件转回无条件转回R1第第3次执行结果：次执行结果：R1DEX(X)=1-1=0R2JIZ因为因为(X)=0，所以转至，所以转至R4R4HLT停机停机【例例3.3】乘法计算的程序乘法计算的程序要求要求12(10)8(10)，就是要求将，就是要求将12(10)连加连加8次。次。R0NOPR1LDXAHR2CLAR3DEXR4ADD9H7次返回次返回R5JIZ 7HR6JMP3HR7OUT转出循环转出循环 R8HLT R912(10) RA8(10)【例例3.4】逻辑运算的例子逻辑运算的例子

33、测试某个来自接口电路的输入数测试某个来自接口电路的输入数I0(12位位)，以确定该数是，以确定该数是否为奇数。如否为奇数。如I0为奇数为奇数(即最后一位为即最后一位为1)，则显示一个，则显示一个111111111111；如；如I0是偶数是偶数(最后一位为最后一位为0)，则，则显示一个显示一个00000000 0000。程序清单如下：程序清单如下：R0INP；将；将I0装入累加器装入累加器AR1LDB9H；将；将(R9)装入寄存器装入寄存器BR2AND；将；将(B)与与(A)进行进行“与与”运算运算R3JAZ6H；(A)=0，则转移至，则转移至R6R4LDAAH；将；将(RA)装入累加器装入累加

34、器AR5JMP7H；无条件转至；无条件转至R7R6LDABH；将；将(RB)装入累加器装入累加器AR7OUT；输出；输出(A)至显示器至显示器R8HLT；停机；停机R90 0 0 00 0 0 00 0 0 1(掩码掩码)RA1 1 1 11 1 1 11 1 1 1奇数标志奇数标志RB0 0 0 00 0 0 00 0 0 0偶数标志偶数标志【例例3.5】子程序设计子程序设计设计一个计算设计一个计算x2+y2+z2=?的计算程序。由于的计算程序。由于x2，y2和和z2在在形式上都是一样的，是求一个数的平方值，这不但本题用形式上都是一样的，是求一个数的平方值，这不但本题用得着，在做其他数学运算

35、时也常用得着，因此可将得着，在做其他数学运算时也常用得着，因此可将x2做成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，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。即可将其调出使用。如将此子程序存于以如将此子程序存于以RF2为起始地址为起始地址(其地址为其地址为F2H，即，即1111 0010的存储单元的存储单元)的一个区域中，则可设计其程的一个区域中，则可设计其程序如下：序如下：RF2STACAH；将；将(A)暂存于暂存于RCARF3LDXCAH；将；将(RCA)装入装入XRF4CLA；累加器；累加器A清零清零循环程序循环程序RF5DEX； (X)减减1循环体

36、循环体RF6ADDCAH；将；将(RCA)与与(A)相加相加RF7JIZF9H；(X)=0,则转移到则转移到RF9RF8JMPF5H；无条件转移至；无条件转移至RF5RF9BRB；返回主程序；返回主程序RC6RC6xRC7y；被运算的数据；被运算的数据RC8zRC9RCA；运算过程暂存地址；运算过程暂存地址主程序：主程序： 子程序：子程序：R R00 00 LDA C6H LDA C6H 1 1 R RF2 F2 STA CAH STA CAH R R0101 JMS F2H JMS F2H R RF3F3 LDX CAH LDX CAH R R0202 STA C9H STA C9H 1 1

37、 R RF4F4 CLA CLA R R03 03 LDA C7H LDA C7H R RF5 F5 DEX DEX R R0404 JMS F2H JMS F2H 2 2 R RF6F6 ADD CAH ADD CAH R R0505 ADD C9H ADD C9H 2 2 R RF7F7 JIZ F9H JIZ F9H R R0606 STA C9H STA C9H R RF8 F8 JMP F5H JMP F5H R R07 07 LDA C8H LDA C8H R RF9F9 BRB BRB R R0808 JMS F2H JMS F2H 3 3R R0909 ADD C9H ADD

38、C9H 3 3R R0A0A OUT OUTR R0B0B HLT HLT微型计算机结构的简化形式微型计算机结构的简化形式1 指令系统指令系统2 程序设计程序设计3 执行指令的例行程序执行指令的例行程序4 控制部件控制部件5 微型计算机功能的扩展微型计算机功能的扩展6 初级程序设计举例初级程序设计举例7 控制部件的扩展控制部件的扩展8 现代技术在微型计算机中的应用现代技术在微型计算机中的应用9控制部件的扩展控制部件的扩展图图3.10 控制器的结构控制器的结构和上述的微型计算机一样，这也是一台固定机器周期的计算和上述的微型计算机一样，这也是一台固定机器周期的计算机。一个机器周期也是包含机。一个机

39、器周期也是包含6拍，前拍，前3拍为取指周期，后拍为取指周期，后3拍为执行周期。拍为执行周期。取指周期的取指周期的3个时钟节拍的动作可以由控制字中为高电位的位个时钟节拍的动作可以由控制字中为高电位的位来表示：来表示：T0Ep=1，LM=1(PCMARRAM)；T1ME=1，LI=1(RAMIR)；T2CP=1，(PC+1PC)。这这3个节拍和上述的微型计算机的一样，请参考个节拍和上述的微型计算机的一样，请参考3.4。执行周期的执行周期的3个节拍，对于每条指令将有很大的不同，即其控个节拍，对于每条指令将有很大的不同，即其控制字中各位的置位情况各不相同。制字中各位的置位情况各不相同。助记符助记符LD

40、A。这是一条指令的操作码。这是一条指令的操作码(0000)，如有一个操作数为，如有一个操作数为nn(8位位)，则形成的指令为，则形成的指令为LDA nn。设此指令存于。设此指令存于RAM的指令区的第一的指令区的第一个存储单元个存储单元(其地址为其地址为0000 0000)，nn是指参与运算的数据在是指参与运算的数据在RAM的数据区中所在的存储单元的地址的数据区中所在的存储单元的地址(n代表一个代表一个4位二进制数位二进制数)，如图如图3.11所示。这条指令的执行过程是：所示。这条指令的执行过程是：(1) 在在T0拍时拍时则程序计数器则程序计数器PC将地址将地址0000 0000送到送到MAR，

41、同时也到，同时也到RAM去。去。(2) 在在T1拍时拍时ME=1LI=1则则RAM中地址为中地址为0000 0000的存储单元的内容的存储单元的内容(0000nn)被读出而送到控制器被读出而送到控制器(0000部分部分)及指令寄存器及指令寄存器IR(nn部部分分)中去。中去。(3) 在在T2拍时拍时CP=1则程序计数器加则程序计数器加1。(4) 在在T3拍时拍时EI=1LM=1则指令寄存器则指令寄存器IR的内容的内容(nn)被送到被送到MAR，同时也进入，同时也进入RAM去。因去。因nn是在数据区，所以其内容是在数据区，所以其内容(mmm)(m也也是一个是一个4位二进制数位二进制数)是一个要送

42、入累加器是一个要送入累加器A中去的数据。中去的数据。(5) 在在T4拍时拍时ME=1LA=1则则RAM中地址为中地址为nn的存储单元的内容的存储单元的内容(mmm)被送到累加被送到累加器器A中去。中去。(6) 在在T5拍时：没有任何操作，所以是空操作。这就是一条拍时：没有任何操作，所以是空操作。这就是一条指令的执行过程。指令的执行过程。对于其他的指令，如对于其他的指令，如SUB，LDX等都可根据上例从表中知道等都可根据上例从表中知道各个组件的操作情况和信息流通的方向。各个组件的操作情况和信息流通的方向。微型计算机结构的简化形式微型计算机结构的简化形式1 指令系统指令系统2 程序设计程序设计3

43、执行指令的例行程序执行指令的例行程序4 控制部件控制部件5 微型计算机功能的扩展微型计算机功能的扩展6 初级程序设计举例初级程序设计举例7 控制部件的扩展控制部件的扩展8 现代技术在微型计算机中的应用现代技术在微型计算机中的应用93.9 现代技术在微型计算机中的应用现代技术在微型计算机中的应用3.9.1 流水线技流水线技术术图图3.12 流水线技流水线技术与顺序术与顺序非流水线非流水线执行的比执行的比较较3.9.2 高速缓冲存储器高速缓冲存储器主存储器的存取时间却要比主存储器的存取时间却要比CPU慢一个数量级，这一慢一个数量级，这一现象严重地影响微型机的运算速度。现象严重地影响微型机的运算速度。在半导体在半导体RAM中，只有价格极为昂贵的双极型中，只有价格极为昂贵的双极型RAM线线路的读写时间可与路的读写时间可与CPU的处理速度处于同一个数量级。的处理速