微型计算机原理与应用-第3章.ppt

1、第三章微型计算机的基本工作原理，唐世平，北京理工大学，目录，3.1微型计算机结构的简化形式3.2指令系统3.3程序设计3.4执行指令的例行程序3.5控制部件3.6微型计算机功能的扩展3.7主要程序设计实例3.8控制部件的扩展3.9现代技术在微型计算机中的应用。微机的基本功能可以概括为“三能一速”:它能计算(加、减、乘、除)、判别(大于、小于、等于、真或假)、决策(根据判别决定下一步)。“快速”是微型计算机的基础、基本工作原理和各种部件之间的信息流。微型计算机有大量的信息。3.1微机结构的简化形式，如图3.1(a)所示，其硬件结构特点如下：(1)功能简单：只能加减两个数。(2)少量内存：只有一个

2、168可编程只读存储器。(3) 8位字长：8位二进制显示。(4)手动输入：使用拨动开关输入程序和数据。图3.1，主要部件，程序计数器PC存储地址寄存器MAR可编程只读存储器PROM指令寄存器IR CONtrol部件con累加器a算术逻辑部件ALU寄存器b输出寄存器o二进制显示D，(1)程序计数器PC，计数范围为00001111(可记录为0F十六进制)。每次操作前重置为0000。当一个指令被提取时，个人计算机应该增加1。(2)存储地址寄存器MAR从计算机接收二进制程序号，并将其作为地址码发送给可编程只读存储器PROM。(3)可编程只读存储器，其原理如图3.2所示。这是一个44英寸的只读存储器。图

3、2.30中只读存储器和只读存储器的区别在于，每条水平线和垂直线都有一个由开关和二极管串联的电路。只要切换开关，数据位置就可以设置为1或0，从而达到在每个存储单元中“写入”数据的目的。因此，这种只读存储器被称为可编程只读存储器。可编程只读存储器实际上同时具有随机存取存储器和只读存储器的功能。这里，为了简化绘图，只使用了44只读存储器。如果是168可编程只读存储器，应该有16条水平线(R0R15)、8条垂直线(D7D6D0)和4条地址代码线(A3A2A1A0)。图3.2，(4)指令寄存器IR、IR从PROM接收指令字(当LI=1，ER=1时)，并将指令字同时分配给控制单元con和w总线。指令字为8

4、位：MSBLSB最高有效位最低有效位的左4位为最高有效位(高4位)，称为指令字段；右边的4位是最低有效位(低4位)，称为地址字段。(5)控制组件CON。在每次操作之前，CON发送CLR=1以清除相关组件。此时：PC机=0000 IR=0000000 CON有一个同步时钟，它可以向所有组件发送脉冲CLK，使它们同步运行。CON中有一个控制矩阵CM，它可以根据IR发送的指令发出一个12位的控制字：CON=CPEPLMERLIEILAEASUEULBLO根据控制字中每个位的1或0的设置，计算机可以根据指令程序自动有序运行。(6)累加器A，用于存储计算机运行期间的中间结果。它可以从w总线(LA=1)接

5、收数据，并向w总线(EA=1)发送数据。它还有一个数据输出端，向算术逻辑单元发送数据进行算术运算。这个输出是双态的，也就是说，它被立即发送而不受电子门的控制。(7)算术逻辑单元ALU是一个二进制补码加法器减法器(见图1.9)。增加甲和乙；当SU=0时；当SU=1时，减去A-B，即(甲乙)。(8)寄存器B，临时存储要与A相加和相减的数据.它到ALU的输出也是双态的，也就是说，它没有E门控制。(9)输出寄存器0。当计算机运行时，答案存储在累加器A中。要输出该答案，您必须输入0。此时EA=1，LO=1，然后O=A.典型的计算机有几个输出寄存器，称为输出接口电路。这样，可以驱动不同的外围设备，如打印机

6、和显示器。(10)二进制显示d，由发光二极管组成的显示器，每个发光二极管连接到寄存器0的一个位，当一个位处于高电位时，发光二极管发光。因为寄存器o是8位，所以这里的显示器也是由8个发光二极管组成的。，功能分解，可分为三个部分，如图3.1(b)所示的中央处理器的中央处理器(包括PC机、红外、CON、ALU、A和B)；存储设备M(MAR和PROM)；I/o(包括o和d，d也可称为其外围设备)。(1)中央处理器(简称CPU)是一种集成电路，它将程序计数功能(PC)、指令寄存器功能(IR)、控制功能(con)、算术逻辑功能(ALU)和中间数据临时存储功能(a和b)集成在一个电路设备上。实际的中央处理器

7、比这里的插图更复杂，但它的主要功能基本相同。(2)存储器M(memory)在本图中，它只包括一个存储器地址寄存器(MAR)和一个可编程存储器(实际上包括一个地址解码功能)，它是微型计算机的“存储器”。实际的“内存”应该包括更多的内容(如只读存储器、随机存取存储器、可编程只读存储器等)。)和更大的存储容量。(3)输入输出接口，是实现人机对话的重要组成部分。在这个简单的例子中，输入将是手动设置的可编程只读存储器(见第3.3节的解释)，并且没有输入电路接口，只有输出有一个接口。在实践中，微机的输入设备大多是键盘，输出是监视器(即电视屏幕显示器)，因此有必要有专门的输出接口电路。3.2指令系统，这是一

8、组用于编译计算程序的指令。在计算程序编制出来之前，计算机是一堆毫无价值的电路硬件。该微机有五条指令，即它的控制单元可以完成一系列程序来执行五条命令：线性判别分析将数据装入累加器A；添加到添加；SUB执行减法运算；输出结果；HLT关闭。这五条指令合起来称为这台计算机的指令系统。指令系统，不同类型的微处理器的指令系统是不同的，而且指令的数量也不同。Z80中有158条指令，M6800中有72条，6502中有56条，英特尔80386中有152条。例如：一个计算程序，助记操作数注释LDAR9将R9中的数据存储到ADDRA中；在随机存取存储器中添加数据，在随机存取存储器中添加数据；在RB和一个ADDRC中

9、添加数据；将数据添加到钢筋混凝土和子钢筋混凝土中；从研发输出中减去数据；输出一个中的数据，即HLT的结果；停止机器并执行程序。第一条指令的结果：(A)=(R9)第二条指令：(A)=(R9) (RA)第三条指令：(A)=(R9) (RA) (RB)第四条指令：(a)=(r9) (ra) (Rb)执行第六条指令的结果：(D)=(A)执行第七条指令的结果：CLK停止脉冲，表示括号的含义是指封闭寄存器或存储单元的内容。例如，(A)指累加器A中的内容，(d)指显示器显示的数据，(R9)指存储单元R9中的数据，等等。当最后一条指令停止时钟脉冲时，计算机停止运行，但电源没有切断，因此计算结果继续显示在显示器

10、上。3.3编程，写这个列表只表明你已经列出了要计算的题目的计算步骤。如果这台计算机能“知道”你用汇编语言写的汇编程序，它就能直接输入上面的指令表，而计算机内部的编译器会自动把这个指令表中的每一条指令翻译成机器代码，使计算机工作。用汇编语言编写的程序助记符的翻译微型计算机不知道助记符的含义，所以指令表中的每条指令都必须翻译成二进制机器代码。内存的分配内存不仅要写计算程序，还要存储操作中涉及的数据。因此，有必要决定如何分配内存中的存储单元，这称为存储空间分配。3.3.1操作码表是计算机制造商提供的翻译表，是每种助记码和二进制码的对应对照表。因为我们的电脑很简单，只有五个助记符，它们被列为对照表，相

11、对简单，容易记住。然而，如果指令系统太大，表太大而记不住，所以必须采用特殊的方法来快速可靠地使用它。3.3.2存储器分配在本微型计算机中，可编程只读存储器中的16个存储单元被分配到两个区域：程序存储区(指令区)数据存储区(数据区)。3.3.3将源程序翻译成目的程序，根据助记符与二进制码的对照表(操作码表)将每条指令的助记符翻译成二进制码，并将存储单元符号写成地址码(即R00000、R10001、R91001)，指令区， 源程序的程序存储单元指LDAR 9 00001 001 0000(R0)ADDRA 0 001 0001(R1)ADD RB0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0

12、1 0(R2)ADD RC 0001100011(R3)sub rd 00101010100(R4)out 1100101(r5)hlt 1110110(R6)，数据区， 源程序的程序存储单元数为16100 001 0001 001(R9)20100 001 001 010(RA)根据24100 001 001 011(Rb)28100 001 1001 100(RC)在区域32100 0 1 0 0 0 0 01 0 1 0 1 0 1(RD)，3.3.4，程序和数据输入方法，PROM具有只读存储器(I)的特点可编程只读存储器分为两个指令区：一旦指令被存储，就不允许改变(除非要计算的公式被改

13、变)。数据区：计算中涉及的数据可以随时存储，也可以在计算过程中取出。当程序第一次被安排时，程序和数据应该被存储。将可编程只读存储器的每个数据位的开关转到0或1。例如，图3.3就是这种可编程只读存储器的输入设备。左边是安装在控制板上的开关，每个存储单元有八个开关。有16个存储单元(R0RF)，总共816=128个开关。右边是根据示例切换的开关状态：将0开关设置为关闭，将1开关设置为打开，其旁边括号中的语句代表每个指令，数字是操作中涉及的十进制数据。将目标代码输入可编程只读存储器，即拨动控制面板上的开关，使其进入图3.3右侧的状态。图3.3，描述，其中开关处于随机状态，因为它是不必要的，例如：OU

14、T1110 HLT1111因为这两个指令不访问任何存储单元，R5和R6的高4位(将被发送到控制单元)具有二进制代码指令，而低4位(代表数据存储的存储地址)可以是随机的。程序执行时，第一步必须是复位计算机，这时，控制器首先发出一个具有高电位的CLR脉冲，同时，时钟脉冲开始工作，即向各种元件发出脉冲电压序列。每个CLK脉冲在控制每个部件的同步操作中起作用。每一个脉冲发出后，哪个元件应该响应由控制元件的控制字决定。数据存储在累加器A中，A=0001000016(ADDAH后10)，A=0010010036(ADDBH后10)，A=0011110060(ADDCH后10)，A=010110088(SU

15、B DH后10)，A=0011100056(10)，D=0011 100056(OUT后10)，D=000056.3.4执行指令的例行程序。程序和数据加载后，启动按钮向控制单元CON发送启动信号，然后控制单元生成控制字，以获取和执行每个指令。执行一条指令的时间是一个机器周期。机器周期可分为获取周期和执行周期。提取过程和执行过程机器都必须经历不同的机器节拍。在这些节拍中，每个寄存器(PC、MAR、IR、a、b、o等)的内容。)可能会改变。3.4.1环形计数器和机器节拍。第二章介绍了环形计数器的电路原理(图2.21)。在这里，让我们看看如图所示的每个位的状态。环形计数器的每个输出端Q0Q5的电位是

16、机器节拍T0T5的电位。由于时钟脉冲通过反相器连接到环形计数器的CLK端(图中的“气泡”表示“非门”)，节拍之间的转换从时钟脉冲的负沿开始。从图中可以看出，如果环形计数器的输出被视为一个字t，那么：t=5t 4 T3 2t 1t 0这是一个6位环形字。它用来控制六个电路，依次将它们转换成高电位。T0、T1、T2、T3、T4和T5被称为机器的节拍。3.4.2取指周期和执行周期，取指令过程需要3个机器节拍，清零启动后的第一个节拍为T0。(1)地址节拍，当T0=1时，PC的内容(即第一个地址码)应该发送到MAR(并通过MAR到达PROM)，所以此时应该是：EP=1，即PC准备发送数据LM=1，即MA

17、R准备接收数据。因此，控制组件应该发送的控制字是：con=cpeplermerlieleiaeaseuulblo=0，(2)存储节拍。当T1=1时，将由可编程只读存储器中的个人计算机发送的地址码指定的存储单元的内容发送给红外，同时红外立即将高4位发送给控制单元。因此，在这个节拍到来之前，我们应该做好准备：ER=1表示PROM准备好释放数据，LI=1表示IR准备好接收数据，所以：CON=00011000000，(3 (3)增量节拍，当T2=1时，PC应该增加1以准备下一个指令。因此，CP=1指示电脑计数。因此，此时：CON=100000000000，这3拍称为取指数周期。这个3拍提取周期对于任何指令都是相同的。因为任何指令都是沿着这个程序取出的，然后高4位被发送到控制单元进行分析，以决定下一步如何执行，接下来的3拍被称为