第三講微型計算機(jī)的基本工作原理

1、第三講第三講 微型計算機(jī)的基本工作原微型計算機(jī)的基本工作原理理曾鐵軍主要內(nèi)容主要內(nèi)容微型計算機(jī)結(jié)構(gòu)的簡化形式微型計算機(jī)結(jié)構(gòu)的簡化形式1 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)2 程序設(shè)計程序設(shè)計3 執(zhí)行指令的例行程序執(zhí)行指令的例行程序4 控制部件控制部件5 微型計算機(jī)功能的擴(kuò)展微型計算機(jī)功能的擴(kuò)展6 初級程序設(shè)計舉例初級程序設(shè)計舉例7 控制部件的擴(kuò)展控制部件的擴(kuò)展8 現(xiàn)代技術(shù)在微型計算機(jī)中的應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)在微型計算機(jī)中的應(yīng)用9微型計算機(jī)結(jié)構(gòu)的簡化形式微型計算機(jī)結(jié)構(gòu)的簡化形式簡化了的微型計算機(jī)硬件結(jié)簡化了的微型計算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)特點如下：構(gòu)特點如下：(1) 功能簡單：只能做兩功能簡單：只能做兩個數(shù)的加減法。個數(shù)的加減法。(

2、2) 內(nèi)存量?。褐挥幸粋€內(nèi)存量小：只有一個168PROM(可編程可編程序只讀存儲器序只讀存儲器)。(3) 字長字長8位：二進(jìn)制位：二進(jìn)制8位位顯示。顯示。(4) 手動輸入：用撥動開手動輸入：用撥動開關(guān)輸入程序和數(shù)據(jù)。關(guān)輸入程序和數(shù)據(jù)。將將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實現(xiàn)。實現(xiàn)。將結(jié)果將結(jié)果11置于置于O、D中中程序存于程序存于PROM程序計數(shù)程序計數(shù)PC(LDA、ADD、OUT)取指令，需先給出指令存于取指令，需先給出指令存于PROM中的地址（中的地址（MAR）從從PROM取指令并送至取指令并送至CON(IR)翻譯指令，并給出控制字翻譯指令，并

3、給出控制字（CON）1. 程序計數(shù)器程序計數(shù)器PC 計數(shù)范圍計數(shù)范圍00001111。 每次運行之前，先復(fù)位至每次運行之前，先復(fù)位至0。 跳轉(zhuǎn)指令時可以不從跳轉(zhuǎn)指令時可以不從0開始開始 取出一條指令后，取出一條指令后，PC應(yīng)加應(yīng)加1。2. 存儲地址寄存器存儲地址寄存器MAR 接收來自接收來自PC的二進(jìn)制程序號，的二進(jìn)制程序號，作為地址碼送至作為地址碼送至PROM去。去。3. 可編程序只讀存儲器可編程序只讀存儲器PROMPROM地址碼線地址碼線存儲器存儲器輸出控制輸出控制4. 指令寄存器指令寄存器IR 接收的數(shù)據(jù)：接收的數(shù)據(jù)：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 每次運行之前，每次運行之前，CON先發(fā)出先發(fā)出CLR=1，使有關(guān)的部件清，使有關(guān)的部件清0。此時：此時：PC=0000IR=00000000 CON有一個同步時鐘，能發(fā)出有一個同步時鐘，能發(fā)出脈沖脈沖CLK到各個部件去，使它到各個部件去，使它們同步運行。們同步運行。 在在CON中有一個控制矩陣中有一個控制矩陣CM，能根據(jù)能根據(jù)IR送來的指令發(fā)出送來的指令發(fā)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運算的中間結(jié)果運算的中間結(jié)果 從總線接收數(shù)據(jù)受從總線接收數(shù)據(jù)受LA控制控制 往

5、總線發(fā)送數(shù)據(jù)受往總線發(fā)送數(shù)據(jù)受EA控制控制 往往ALU送數(shù)據(jù)不受送數(shù)據(jù)不受EA控制控制7. 算術(shù)邏輯器件算術(shù)邏輯器件ALU 只是一個二進(jìn)制補(bǔ)碼加法器只是一個二進(jìn)制補(bǔ)碼加法器減法器減法器 當(dāng)當(dāng)SUB=0，加法，加法A+B 當(dāng)當(dāng)SUB=1，減法，減法A B8. 寄存器寄存器B 存放存放ALU運算的中間結(jié)果運算的中間結(jié)果 從總線接收數(shù)據(jù)受從總線接收數(shù)據(jù)受LB控制控制 往往ALU送數(shù)據(jù)不受送數(shù)據(jù)不受EA控制控制9. 輸出寄存器輸出寄存器O 計算機(jī)運行結(jié)束時，累加器計算機(jī)運行結(jié)束時，累加器A中存有答案。如要輸出此中存有答案。如要輸出此答案，就得送入答案，就得送入O 這些輸出寄存器與外設(shè)存在這些輸出寄存器

6、與外設(shè)存在一定的對應(yīng)關(guān)系一定的對應(yīng)關(guān)系10. 二進(jìn)制顯示器二進(jìn)制顯示器D 這是用發(fā)光二極管這是用發(fā)光二極管(LED)組組成的顯示器。成的顯示器。 每一個每一個LED接到寄存器接到寄存器O的的一位上去。當(dāng)某位為高電位一位上去。當(dāng)某位為高電位時，則該時，則該LED發(fā)光。發(fā)光。 因為寄存器因為寄存器O是是8位的，所以位的，所以這里也由這里也由8個個LED組成顯示組成顯示器。器。 這種結(jié)構(gòu)，一般可分成這種結(jié)構(gòu)，一般可分成3大大部分，如圖所示：部分，如圖所示： 中央處理器中央處理器CPU(包括包括PC，IR，CON，ALU，A及及B)； 記憶裝置記憶裝置M(MAR及及PROM)； 輸入輸出輸入輸出IO(

7、包括包括O及及D，D也可稱為其外圍設(shè)備也可稱為其外圍設(shè)備)。微型計算機(jī)結(jié)構(gòu)的簡化形式微型計算機(jī)結(jié)構(gòu)的簡化形式1 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)2 程序設(shè)計程序設(shè)計3 執(zhí)行指令的例行程序執(zhí)行指令的例行程序4 控制部件控制部件5 微型計算機(jī)功能的擴(kuò)展微型計算機(jī)功能的擴(kuò)展6 初級程序設(shè)計舉例初級程序設(shè)計舉例7 控制部件的擴(kuò)展控制部件的擴(kuò)展8 現(xiàn)代技術(shù)在微型計算機(jī)中的應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)在微型計算機(jī)中的應(yīng)用9指令系統(tǒng)指令系統(tǒng) 指令系統(tǒng)就是用來編制計算程序的一個指令集合。在指令系統(tǒng)就是用來編制計算程序的一個指令集合。在未編制出計算程序之前，計算機(jī)是一堆無價值的電路未編制出計算程序之前，計算機(jī)是一堆無價值的電路硬件。硬件。 這

8、臺微型機(jī)有這臺微型機(jī)有5條指令，即其控制部件能完成一系列條指令，即其控制部件能完成一系列例行程序以執(zhí)行例行程序以執(zhí)行5種命令：種命令：LDA將數(shù)據(jù)裝入累加器將數(shù)據(jù)裝入累加器A；ADD進(jìn)行加法運算；進(jìn)行加法運算；SUB進(jìn)行減法運算；進(jìn)行減法運算；OUT輸出結(jié)果；輸出結(jié)果；HLT停機(jī)。停機(jī)。 這這5條指令在一起就稱為這臺計算機(jī)的指令系統(tǒng)。條指令在一起就稱為這臺計算機(jī)的指令系統(tǒng)。例：一個計算程序的格式如下：例：一個計算程序的格式如下：助記符助記符 操作數(shù)注釋操作數(shù)注釋LDA R9；把把R9中的數(shù)據(jù)存入中的數(shù)據(jù)存入AADD RA ；把把RA中的數(shù)據(jù)與中的數(shù)據(jù)與A的相加的相加ADD RB ；把把RB中的

9、數(shù)據(jù)與中的數(shù)據(jù)與A的相加的相加ADD RC ；把把RC中的數(shù)據(jù)與中的數(shù)據(jù)與A的相加的相加SUB RD ；把把A中的數(shù)據(jù)與中的數(shù)據(jù)與RD的相減的相減OUT ； 輸出輸出A中的數(shù)據(jù)，即結(jié)果中的數(shù)據(jù)，即結(jié)果HLT； 停機(jī)停機(jī)例：一個計算程序的格式如下：例：一個計算程序的格式如下：助記符助記符 操作數(shù)操作數(shù) 執(zhí)行結(jié)果執(zhí)行結(jié)果LDA R9；ADD RA ；ADD RB ；ADD RC ；SUB RD ；OUT ； HLT； 微型計算機(jī)結(jié)構(gòu)的簡化形式微型計算機(jī)結(jié)構(gòu)的簡化形式1 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)2 程序設(shè)計程序設(shè)計3 執(zhí)行指令的例行程序執(zhí)行指令的例行程序4 控制部件控制部件5 微型計算機(jī)功能的擴(kuò)展微型計算機(jī)

10、功能的擴(kuò)展6 初級程序設(shè)計舉例初級程序設(shè)計舉例7 控制部件的擴(kuò)展控制部件的擴(kuò)展8 現(xiàn)代技術(shù)在微型計算機(jī)中的應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)在微型計算機(jī)中的應(yīng)用9程序設(shè)計程序設(shè)計上節(jié)講的指令清單可以說是將求上節(jié)講的指令清單可以說是將求4個數(shù)相加再減去一個數(shù)相加再減去一個數(shù)的公式而寫成的計算程序：個數(shù)的公式而寫成的計算程序：D=(R9)+(RA)+(RB)+(RC)-(RD)程序設(shè)計中要包括：程序設(shè)計中要包括：編制匯編語言寫的程序；編制匯編語言寫的程序；助記符的翻譯；助記符的翻譯；存儲器的分配等幾部分。存儲器的分配等幾部分。先要有一個操作碼表先要有一個操作碼表將源程序翻譯成目的程序?qū)⒃闯绦蚍g成目的程序源程序目的程序

11、源程序目的程序 存儲單元存儲單元指指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A(yù)DDRB0 0 0 1 1 0 1 10 0 1 0 (R2)ADDRC0 0 0 1 1 1 0 00 0 1 1 (R3)區(qū)區(qū)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)程序及數(shù)據(jù)的輸入方法程序及數(shù)據(jù)的輸入方法D=16+20+24+28-32=?執(zhí)行執(zhí)行LDA 9H后后A=0001000016(10)執(zhí)行

12、執(zhí)行ADDAH后后A=0010010036(10)執(zhí)行執(zhí)行ADDBH后后A=0011110060(10)執(zhí)行執(zhí)行ADDCH后后A=0101100088(10)執(zhí)行執(zhí)行SUBDH后后A=0011100056(10)執(zhí)行執(zhí)行OUT 后后 D=0011 100056(10)執(zhí)行執(zhí)行HLT 后后 D=00111000(不變不變)執(zhí)行執(zhí)行HLT(停機(jī)停機(jī))指令后，電源并不切斷，只是指令后，電源并不切斷，只是CLK停發(fā)脈沖，停發(fā)脈沖，所以顯示器所以顯示器D上仍舊顯示出計算結(jié)果。上仍舊顯示出計算結(jié)果。微型計算機(jī)結(jié)構(gòu)的簡化形式微型計算機(jī)結(jié)構(gòu)的簡化形式1 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)2 程序設(shè)計程序設(shè)計3 執(zhí)行指令的例行程

13、序執(zhí)行指令的例行程序4 控制部件控制部件5 微型計算機(jī)功能的擴(kuò)展微型計算機(jī)功能的擴(kuò)展6 初級程序設(shè)計舉例初級程序設(shè)計舉例7 控制部件的擴(kuò)展控制部件的擴(kuò)展8 現(xiàn)代技術(shù)在微型計算機(jī)中的應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)在微型計算機(jī)中的應(yīng)用9執(zhí)行指令的例行程序執(zhí)行指令的例行程序 執(zhí)行一條指令的時間為一個執(zhí)行一條指令的時間為一個機(jī)器周期機(jī)器周期。機(jī)器周期又可。機(jī)器周期又可分為分為取指周期取指周期和和執(zhí)行周期執(zhí)行周期。取指過程和執(zhí)行過程機(jī)器。取指過程和執(zhí)行過程機(jī)器都得通過不同的機(jī)器節(jié)拍。在這些節(jié)拍內(nèi)，每個寄存都得通過不同的機(jī)器節(jié)拍。在這些節(jié)拍內(nèi)，每個寄存器器(PC，MAR，IR，A，B，O等等)的內(nèi)容可能發(fā)生的內(nèi)容可能發(fā)生變

14、化。變化。 取出指令的過程需要取出指令的過程需要3個機(jī)器節(jié)個機(jī)器節(jié)拍，在清零和啟動之后第拍，在清零和啟動之后第1個節(jié)個節(jié)拍為拍為T0。1.地址節(jié)拍地址節(jié)拍(T0=1) 將將PC的內(nèi)容的內(nèi)容(即第即第1個地址碼個地址碼)送入送入MAR(并通過并通過MAR而達(dá)到而達(dá)到PROM)， 此時應(yīng)有：此時應(yīng)有：EP=1，即，即PC準(zhǔn)備放出數(shù)據(jù)準(zhǔn)備放出數(shù)據(jù)LM=1，即，即MAR準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)2.儲存節(jié)拍儲存節(jié)拍(T1=1) PROM中由中由PC送來的地址碼所送來的地址碼所指定的存儲單元中的內(nèi)容送到指定的存儲單元中的內(nèi)容送到IR，同時，同時IR立即將其高立即將其高4位送位送至控制部件。至控制部件。 此

15、時應(yīng)有：此時應(yīng)有： ER=1 PROM準(zhǔn)備放出數(shù)據(jù)準(zhǔn)備放出數(shù)據(jù) LI=1 IR準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)3.增量節(jié)拍增量節(jié)拍(T2=1) PC加加1，做好下一條指令的取，做好下一條指令的取指準(zhǔn)備。指準(zhǔn)備。 CP=1，即命令，即命令PC計數(shù)。計數(shù)。以以LDA指令來考察執(zhí)行周期指令來考察執(zhí)行周期4.(T3=1)T3=1時，控制部件經(jīng)過分析后時，控制部件經(jīng)過分析后就發(fā)出命令：就發(fā)出命令：EI=1，IR的低的低4位送至位送至W總線；總線；LM=1，MAR接收此低接收此低4位數(shù)作位數(shù)作為地址并立即送至為地址并立即送至PROM；5.(T4=1)T4=1時，將時，將PROM的數(shù)據(jù)區(qū)的的數(shù)據(jù)區(qū)的存儲單元存儲單元

16、(如如R9，即，即1001)的內(nèi)的內(nèi)容送入累加器容送入累加器A，即：，即：ER=1，PROM準(zhǔn)備放出數(shù)據(jù)；準(zhǔn)備放出數(shù)據(jù)；LA=1，A準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)；準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)；6.(T5=1)因為因為T4=1時，已將數(shù)據(jù)存放入時，已將數(shù)據(jù)存放入A中，所以，中，所以，LDA的例行程序就已的例行程序就已完成，完成，T5節(jié)拍就變成空拍節(jié)拍就變成空拍表表3-3 執(zhí)行指令的過程執(zhí)行指令的過程微型計算機(jī)結(jié)構(gòu)的簡化形式微型計算機(jī)結(jié)構(gòu)的簡化形式1 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)2 程序設(shè)計程序設(shè)計3 執(zhí)行指令的例行程序執(zhí)行指令的例行程序4 控制部件控制部件5 微型計算機(jī)功能的擴(kuò)展微型計算機(jī)功能的擴(kuò)展6 初級程序設(shè)計舉例初級程序設(shè)計舉例7

17、控制部件的擴(kuò)展控制部件的擴(kuò)展8 現(xiàn)代技術(shù)在微型計算機(jī)中的應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)在微型計算機(jī)中的應(yīng)用9控制部件是使計算機(jī)能夠控制部件是使計算機(jī)能夠成為自動機(jī)的關(guān)鍵部件成為自動機(jī)的關(guān)鍵部件.環(huán)形環(huán)形計數(shù)器計數(shù)器(RC)指令指令譯碼器譯碼器(ID)控制控制矩陣矩陣(CM)其他其他控制控制電路電路控制部件控制部件指令譯碼器指令譯碼器圖圖3.5 指令譯碼器指令譯碼器控制矩陣控制矩陣 控制矩陣（控制矩陣（CM）是控制部件的核心，其輸入為節(jié)拍信是控制部件的核心，其輸入為節(jié)拍信號和經(jīng)譯碼后的指令信號，輸出為號和經(jīng)譯碼后的指令信號，輸出為12位控制字。位控制字。如果從譯碼器來的譯碼結(jié)果是使如果從譯碼器來的譯碼結(jié)果是使LD

18、A=1，那么，試，那么，試看一下這條指令的看一下這條指令的6個節(jié)拍中個節(jié)拍中6個控制字是怎樣實現(xiàn)的。個控制字是怎樣實現(xiàn)的。T0=1時，時，EP=1；LM=1。(因為因為T0直接接至直接接至EP并通過或門并通過或門I接至接至LM)T1=1時，時，LI=1(因為因為LI端與端與T1直接相連直接相連)；ER=1(因為因為T1通過或門通過或門至至ER端端)。T2=1時，時，CP=1(因為因為T2直接通至直接通至CP端端)。T3=1時，時，LM=1(因為與門因為與門1的兩個輸入都是高電位，使或門的兩個輸入都是高電位，使或門導(dǎo)通導(dǎo)通)。EI=1(因為與門因為與門7的兩個輸入都是高電位，使或門的兩個輸入都是

19、高電位，使或門導(dǎo)通導(dǎo)通)。T4=1時，時，ER=1(與門與門4的兩個輸入都是高電位，使或門的兩個輸入都是高電位，使或門導(dǎo)通導(dǎo)通);LA=1(因為與門因為與門10的兩個輸入都是高電位，使或門的兩個輸入都是高電位，使或門導(dǎo)通導(dǎo)通)。T5=1時，沒有任何位為高電位時，沒有任何位為高電位(空拍空拍)。其他控制電路其他控制電路時鐘脈沖發(fā)生器時鐘脈沖發(fā)生器這一般可分成兩部分，即時鐘振蕩器及這一般可分成兩部分，即時鐘振蕩器及射極跟隨器。前者一般都是石英晶體振蕩器，后者則用以射極跟隨器。前者一般都是石英晶體振蕩器，后者則用以降低輸出電阻，以便有更大的電流輸出，因為時鐘脈沖發(fā)降低輸出電阻，以便有更大的電流輸出，

20、因為時鐘脈沖發(fā)生器同時要推動很多的電路。生器同時要推動很多的電路。運行停車觸發(fā)器運行停車觸發(fā)器這個電路既接收來自按鈕的這個電路既接收來自按鈕的“運行運行”脈脈沖信號，也接收來自指令譯碼器的沖信號，也接收來自指令譯碼器的“HLT”停車信號，而其停車信號，而其輸出就去啟動時鐘振蕩器。輸出就去啟動時鐘振蕩器。“啟動啟動”和和“清除清除”按鈕按鈕這是由人直接操作的主令電器，命這是由人直接操作的主令電器，命令都是由此開始的。令都是由此開始的。微型計算機(jī)結(jié)構(gòu)的簡化形式微型計算機(jī)結(jié)構(gòu)的簡化形式1 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)2 程序設(shè)計程序設(shè)計3 執(zhí)行指令的例行程序執(zhí)行指令的例行程序4 控制部件控制部件5 微型計算機(jī)功

21、能的擴(kuò)展微型計算機(jī)功能的擴(kuò)展6 初級程序設(shè)計舉例初級程序設(shè)計舉例7 控制部件的擴(kuò)展控制部件的擴(kuò)展8 現(xiàn)代技術(shù)在微型計算機(jī)中的應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)在微型計算機(jī)中的應(yīng)用9微型計算機(jī)功能的擴(kuò)展微型計算機(jī)功能的擴(kuò)展 作為引導(dǎo)入門的模型機(jī)功能太簡單。其原因：作為引導(dǎo)入門的模型機(jī)功能太簡單。其原因： 首先是硬件過于簡單，只能接受五條指令而產(chǎn)生相應(yīng)首先是硬件過于簡單，只能接受五條指令而產(chǎn)生相應(yīng)的例行程序。的例行程序。 其次是軟件開發(fā)問題，即如何利用現(xiàn)有的指令系統(tǒng)，其次是軟件開發(fā)問題，即如何利用現(xiàn)有的指令系統(tǒng)，經(jīng)過靈活的編程以解決更復(fù)雜的問題。經(jīng)過靈活的編程以解決更復(fù)雜的問題。 總之，計算機(jī)的功能在很大程度上取決于中

22、央處理器總之，計算機(jī)的功能在很大程度上取決于中央處理器部分，而中央處理器的功能又取決于控制器的功能。部分，而中央處理器的功能又取決于控制器的功能。 圖圖3-8是功能擴(kuò)充的微機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖。是功能擴(kuò)充的微機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖。圖圖3.8功能擴(kuò)功能擴(kuò)充后的充后的微機(jī)的微機(jī)的結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖1. 子程序計數(shù)器子程序計數(shù)器SC這是第這是第2章的微型計算機(jī)章的微型計算機(jī)所沒有的。它本身也相所沒有的。它本身也相當(dāng)于一個程序計數(shù)器，當(dāng)于一個程序計數(shù)器，不過它不由不過它不由CLR來清零，來清零，而可由而可由LS門來置數(shù)。一門來置數(shù)。一旦置數(shù)，即為其子程序旦置數(shù)，即為其子程序的開始地址。的開始地址。SC的位數(shù)為的位數(shù)為8位。位。

23、LS“裝入裝入”的可控門；的可控門；ES“輸出輸出”的可控門，的可控門，即即3態(tài)門；態(tài)門；CS“計數(shù)計數(shù)”的控制端。的控制端。2. 程序計數(shù)器程序計數(shù)器PCPC增加了一個增加了一個LP門，門，這就使得這就使得PC可以接可以接收跳轉(zhuǎn)地址。這樣收跳轉(zhuǎn)地址。這樣擴(kuò)大了計算機(jī)的功擴(kuò)大了計算機(jī)的功能，換句話說，能，換句話說，PC可以不從可以不從00H開始。開始。3. 隨機(jī)存取存儲隨機(jī)存取存儲器器RAM這里不用這里不用PROM而而用用RAM作為主存儲作為主存儲器。器。RAM的存儲單的存儲單元為元為256個，字長個，字長為為12位。因為可以位。因為可以隨機(jī)存取，故除隨機(jī)存取，故除MAR(存儲地址寄存儲地址寄

24、存器存器)外，還得有一外，還得有一個個MDR(存儲數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)寄存器寄存器)。4. 控制部件控制部件CON此此CON將要產(chǎn)生一將要產(chǎn)生一個個28位的控制字：位的控制字：LSCSESLPCPEPLMWEMELDEDLIEILNENLAEAS3S2S1S0EULBLXINXDEXEXLO。5. 算術(shù)邏輯部件算術(shù)邏輯部件ALU上面的簡化型計算機(jī)的上面的簡化型計算機(jī)的ALU是一個二進(jìn)制補(bǔ)碼是一個二進(jìn)制補(bǔ)碼加法器減法器。只有加法器減法器。只有算術(shù)加法及減法兩種運算術(shù)加法及減法兩種運算。其控制端為算。其控制端為Su，即，即只有一位。只有一位。這里的控制端改為這里的控制端改為S=S3S2S1S0，即有，即有

25、4位。位。4位則有位則有16種可能種可能的組合，本機(jī)只用其中的組合，本機(jī)只用其中的的10種，以得到種，以得到3種算種算術(shù)運算和術(shù)運算和7種邏輯運算。種邏輯運算。6. 變址寄存器變址寄存器X這是新增加的一種寄存這是新增加的一種寄存器，它可以用指令使其器，它可以用指令使其加加1或減或減1：INX加加1指令助記指令助記符，其控制端符號為符，其控制端符號為INX；DEX減減1指令助記指令助記符，其控制端符號為符，其控制端符號為DEX。7. 指令寄存器指令寄存器IR這是一個這是一個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數(shù)不是固定不變的。的位數(shù)不是固定不變的。在訪問存儲器

26、指令在訪問存儲器指令(MRI)和轉(zhuǎn)移指令的執(zhí)和轉(zhuǎn)移指令的執(zhí)行期間行期間，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總線上去：總線上去：(MSB4位位)CON (LSB8位位) W總線總線7. 指令寄存器指令寄存器IR這是一個這是一個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數(shù)不是固定不變的。的位數(shù)不是固定不變的。在運算指令執(zhí)行期間，在運算指令執(zhí)行期間，高高8位代表指令字段，而位代表指令字段，而低低4位可為任意數(shù)，因為位可為任意數(shù)，因為它不代表任何

27、意義它不代表任何意義：(MSB8位位)CON (LSB4位位) 不用不用微型計算機(jī)結(jié)構(gòu)的簡化形式微型計算機(jī)結(jié)構(gòu)的簡化形式1 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)2 程序設(shè)計程序設(shè)計3 執(zhí)行指令的例行程序執(zhí)行指令的例行程序4 控制部件控制部件5 微型計算機(jī)功能的擴(kuò)展微型計算機(jī)功能的擴(kuò)展6 初級程序設(shè)計舉例初級程序設(shè)計舉例7 控制部件的擴(kuò)展控制部件的擴(kuò)展8 現(xiàn)代技術(shù)在微型計算機(jī)中的應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)在微型計算機(jī)中的應(yīng)用9所謂初級程序是包括下列的程序模式：所謂初級程序是包括下列的程序模式：(1) 簡單程序簡單程序程序一統(tǒng)到底，中間沒有任何分支和程序一統(tǒng)到底，中間沒有任何分支和跳轉(zhuǎn)。跳轉(zhuǎn)。(2) 分支程序分支程序程序進(jìn)行中，根

28、據(jù)判斷程序執(zhí)行的不程序進(jìn)行中，根據(jù)判斷程序執(zhí)行的不同結(jié)果而分別跳轉(zhuǎn)至其他子程序去。同結(jié)果而分別跳轉(zhuǎn)至其他子程序去。(3) 循環(huán)程序循環(huán)程序程序進(jìn)行過程中，在某一循環(huán)體進(jìn)行程序進(jìn)行過程中，在某一循環(huán)體進(jìn)行若干次循環(huán)運行，然后再繼續(xù)前進(jìn)。若干次循環(huán)運行，然后再繼續(xù)前進(jìn)。(4) 調(diào)用子程序調(diào)用子程序程序進(jìn)行至某一階段，調(diào)用存儲于程序進(jìn)行至某一階段，調(diào)用存儲于某存儲區(qū)中的某個子程序，然后返回至主程序繼續(xù)運某存儲區(qū)中的某個子程序，然后返回至主程序繼續(xù)運行下去。行下去。【例例3.1】程序清單程序清單指指R0LDA6H把把(R6)裝入裝入A去去令令R1SUB7H從從(A)減去減去(R7)區(qū)區(qū)R2JAM5H(

29、A)=負(fù)，則轉(zhuǎn)移至負(fù)，則轉(zhuǎn)移至R5R3JAZ5H(A)=0，則轉(zhuǎn)移至，則轉(zhuǎn)移至R5R4JMP1H無條件轉(zhuǎn)移至無條件轉(zhuǎn)移至R1R5HLT數(shù)數(shù)R6 25(10)據(jù)據(jù)區(qū)區(qū)R7 9(10)指令執(zhí)行結(jié)果指令執(zhí)行結(jié)果R0LDA 6HA中的內(nèi)容中的內(nèi)容=25(10)R1SUB 7HA中的內(nèi)容中的內(nèi)容=25-9=16(10)R2 JAM 5H因為因為(A)負(fù)，所以不轉(zhuǎn)移負(fù)，所以不轉(zhuǎn)移R3JAZ 5H 因為因為(A)0，所以不轉(zhuǎn)移，所以不轉(zhuǎn)移R4 JMP 1H 無條件轉(zhuǎn)移至無條件轉(zhuǎn)移至R1從從R1起再執(zhí)行第起再執(zhí)行第2次：次：R1 SUB7HA中的內(nèi)容中的內(nèi)容=16-9=7(10)R2JAM5H因為因為(A)負(fù)

30、，所以不轉(zhuǎn)移負(fù)，所以不轉(zhuǎn)移R3JAZ 5H因為因為(A)0，所以不轉(zhuǎn)移，所以不轉(zhuǎn)移R4JMP1H無條件轉(zhuǎn)移至無條件轉(zhuǎn)移至R1從從R1起再執(zhí)行第起再執(zhí)行第3次：次：R1 SUB7HA中的內(nèi)容中的內(nèi)容=7-9=-2(10)R2JAM5H因為因為(A)=負(fù)，所以轉(zhuǎn)移至負(fù)，所以轉(zhuǎn)移至R5R5HLT 停機(jī)停機(jī)這個程序可以理解為求這個程序可以理解為求(R6)(R7)的除法運算。這里是的除法運算。這里是259，除的結(jié)果應(yīng)得商為，除的結(jié)果應(yīng)得商為2，余數(shù)為，余數(shù)為7。程序循環(huán)運行的次。程序循環(huán)運行的次數(shù)即為商，余數(shù)即為第數(shù)即為商，余數(shù)即為第2次執(zhí)行后次執(zhí)行后A中的內(nèi)容。中的內(nèi)容?！纠?.2】循環(huán)程序循環(huán)程序

31、利用變址寄存器可以設(shè)計一個循環(huán)程序：利用變址寄存器可以設(shè)計一個循環(huán)程序：R0LDX5H將將(R5)裝入變址器裝入變址器XR1DEX 命命(X)減減1R2JIZ 4H(X)=0，則轉(zhuǎn)移至，則轉(zhuǎn)移至R4R3JMP1H無條件轉(zhuǎn)移至無條件轉(zhuǎn)移至R1sR4HLT停機(jī)停機(jī)R53(10)(R5)=3(10)(數(shù)據(jù)數(shù)據(jù))第第1次執(zhí)行結(jié)果：次執(zhí)行結(jié)果：R0LDX5H(X)=(R5)=3(10)R1DEX(X)=3-1=2(10)R2JIZ4H因為因為(X)0，所以不轉(zhuǎn)至，所以不轉(zhuǎn)至R4R3JMP1H無條件轉(zhuǎn)回?zé)o條件轉(zhuǎn)回R1第第2次執(zhí)行結(jié)果：次執(zhí)行結(jié)果：R1DEX(X)=2-1=1(10)R2JIZ4H因為因為(

32、X)0，所以不轉(zhuǎn)至，所以不轉(zhuǎn)至R4R3JMP1H無條件轉(zhuǎn)回?zé)o條件轉(zhuǎn)回R1第第3次執(zhí)行結(jié)果：次執(zhí)行結(jié)果：R1DEX(X)=1-1=0R2JIZ因為因為(X)=0，所以轉(zhuǎn)至，所以轉(zhuǎn)至R4R4HLT停機(jī)停機(jī)【例例3.3】乘法計算的程序乘法計算的程序要求要求12(10)8(10)，就是要求將，就是要求將12(10)連加連加8次。次。R0NOPR1LDXAHR2CLAR3DEXR4ADD9H7次返回次返回R5JIZ 7HR6JMP3HR7OUT轉(zhuǎn)出循環(huán)轉(zhuǎn)出循環(huán) R8HLT R912(10) RA8(10)【例例3.4】邏輯運算的例子邏輯運算的例子 測試某個來自接口電路的輸入數(shù)測試某個來自接口電路的輸入數(shù)

33、I0(12位位)，以確定該數(shù)是，以確定該數(shù)是否為奇數(shù)。如否為奇數(shù)。如I0為奇數(shù)為奇數(shù)(即最后一位為即最后一位為1)，則顯示一個，則顯示一個111111111111；如；如I0是偶數(shù)是偶數(shù)(最后一位為最后一位為0)，則，則顯示一個顯示一個00000000 0000。程序清單如下：程序清單如下：R0INP；將；將I0裝入累加器裝入累加器AR1LDB9H；將；將(R9)裝入寄存器裝入寄存器BR2AND；將；將(B)與與(A)進(jìn)行進(jìn)行“與與”運算運算R3JAZ6H；(A)=0，則轉(zhuǎn)移至，則轉(zhuǎn)移至R6R4LDAAH；將；將(RA)裝入累加器裝入累加器AR5JMP7H；無條件轉(zhuǎn)至；無條件轉(zhuǎn)至R7R6LDA

34、BH；將；將(RB)裝入累加器裝入累加器AR7OUT；輸出；輸出(A)至顯示器至顯示器R8HLT；停機(jī)；停機(jī)R90 0 0 00 0 0 00 0 0 1(掩碼掩碼)RA1 1 1 11 1 1 11 1 1 1奇數(shù)標(biāo)志奇數(shù)標(biāo)志RB0 0 0 00 0 0 00 0 0 0偶數(shù)標(biāo)志偶數(shù)標(biāo)志【例例3.5】子程序設(shè)計子程序設(shè)計設(shè)計一個計算設(shè)計一個計算x2+y2+z2=?的計算程序。由于的計算程序。由于x2，y2和和z2在在形式上都是一樣的，是求一個數(shù)的平方值，這不但本題用形式上都是一樣的，是求一個數(shù)的平方值，這不但本題用得著，在做其他數(shù)學(xué)運算時也常用得著，因此可將得著，在做其他數(shù)學(xué)運算時也常用得著

35、，因此可將x2做成做成一個子程序而存于存儲器中一個固定的區(qū)域中，用到時，一個子程序而存于存儲器中一個固定的區(qū)域中，用到時，即可將其調(diào)出使用。即可將其調(diào)出使用。如將此子程序存于以如將此子程序存于以RF2為起始地址為起始地址(其地址為其地址為F2H，即，即1111 0010的存儲單元的存儲單元)的一個區(qū)域中，則可設(shè)計其程的一個區(qū)域中，則可設(shè)計其程序如下：序如下：RF2STACAH；將；將(A)暫存于暫存于RCARF3LDXCAH；將；將(RCA)裝入裝入XRF4CLA；累加器；累加器A清零清零循環(huán)程序循環(huán)程序RF5DEX ； (X)減減1循環(huán)體循環(huán)體RF6ADDCAH；將；將(RCA)與與(A)相

36、加相加RF7JIZF9H；(X)=0,則轉(zhuǎn)移到則轉(zhuǎn)移到RF9RF8JMPF5H；無條件轉(zhuǎn)移至；無條件轉(zhuǎn)移至RF5RF9BRB；返回主程序；返回主程序RC6RC6xRC7y；被運算的數(shù)據(jù)；被運算的數(shù)據(jù)RC8zRC9RCA；運算過程暫存地址；運算過程暫存地址主程序：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 R RF4F4 CLA CLA R R03 03 L

37、DA 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 C9H 3 3R R0A0A OUT OUTR R0B

38、0B HLT HLT微型計算機(jī)結(jié)構(gòu)的簡化形式微型計算機(jī)結(jié)構(gòu)的簡化形式1 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)2 程序設(shè)計程序設(shè)計3 執(zhí)行指令的例行程序執(zhí)行指令的例行程序4 控制部件控制部件5 微型計算機(jī)功能的擴(kuò)展微型計算機(jī)功能的擴(kuò)展6 初級程序設(shè)計舉例初級程序設(shè)計舉例7 控制部件的擴(kuò)展控制部件的擴(kuò)展8 現(xiàn)代技術(shù)在微型計算機(jī)中的應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)在微型計算機(jī)中的應(yīng)用9控制部件的擴(kuò)展控制部件的擴(kuò)展圖圖3.10 控制器的結(jié)構(gòu)控制器的結(jié)構(gòu)和上述的微型計算機(jī)一樣，這也是一臺固定機(jī)器周期的計算和上述的微型計算機(jī)一樣，這也是一臺固定機(jī)器周期的計算機(jī)。一個機(jī)器周期也是包含機(jī)。一個機(jī)器周期也是包含6拍，前拍，前3拍為取指周期，后拍為取指

39、周期，后3拍為執(zhí)行周期。拍為執(zhí)行周期。取指周期的取指周期的3個時鐘節(jié)拍的動作可以由控制字中為高電位的位個時鐘節(jié)拍的動作可以由控制字中為高電位的位來表示：來表示：T0Ep=1，LM=1(PCMARRAM)；T1ME=1，LI=1(RAMIR)；T2CP=1，(PC+1PC)。這這3個節(jié)拍和上述的微型計算機(jī)的一樣，請參考個節(jié)拍和上述的微型計算機(jī)的一樣，請參考3.4。執(zhí)行周期的執(zhí)行周期的3個節(jié)拍，對于每條指令將有很大的不同，即其控個節(jié)拍，對于每條指令將有很大的不同，即其控制字中各位的置位情況各不相同。制字中各位的置位情況各不相同。助記符助記符LDA。這是一條指令的操作碼。這是一條指令的操作碼(000

40、0)，如有一個操作數(shù)為，如有一個操作數(shù)為nn(8位位)，則形成的指令為，則形成的指令為LDA nn。設(shè)此指令存于。設(shè)此指令存于RAM的指令區(qū)的第一的指令區(qū)的第一個存儲單元個存儲單元(其地址為其地址為0000 0000)，nn是指參與運算的數(shù)據(jù)在是指參與運算的數(shù)據(jù)在RAM的數(shù)據(jù)區(qū)中所在的存儲單元的地址的數(shù)據(jù)區(qū)中所在的存儲單元的地址(n代表一個代表一個4位二進(jìn)制數(shù)位二進(jìn)制數(shù))，如圖如圖3.11所示。這條指令的執(zhí)行過程是：所示。這條指令的執(zhí)行過程是：(1) 在在T0拍時拍時則程序計數(shù)器則程序計數(shù)器PC將地址將地址0000 0000送到送到MAR，同時也到，同時也到RAM去。去。(2) 在在T1拍時拍

41、時ME=1LI=1則則RAM中地址為中地址為0000 0000的存儲單元的內(nèi)容的存儲單元的內(nèi)容(0000nn)被讀出而送到控制器被讀出而送到控制器(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拍時拍時CP=1則程序計數(shù)器加則程序計數(shù)器加1。(4) 在在T3拍時拍時EI=1LM=1則指令寄存器則指令寄存器IR的內(nèi)容的內(nèi)容(nn)被送到被送到MAR，同時也進(jìn)入，同時也進(jìn)入RAM去。因去。因nn是在數(shù)據(jù)區(qū)，所以其內(nèi)容是在數(shù)據(jù)區(qū)，所以其內(nèi)容(mmm)(m也也是一個是一個4位二進(jìn)制數(shù)位二進(jìn)制數(shù))是一個要送入累加器是一個要送入累加器A中去的數(shù)據(jù)。中去的數(shù)據(jù)。(

42、5) 在在T4拍時拍時ME=1LA=1則則RAM中地址為中地址為nn的存儲單元的內(nèi)容的存儲單元的內(nèi)容(mmm)被送到累加被送到累加器器A中去。中去。(6) 在在T5拍時：沒有任何操作，所以是空操作。這就是一條拍時：沒有任何操作，所以是空操作。這就是一條指令的執(zhí)行過程。指令的執(zhí)行過程。對于其他的指令，如對于其他的指令，如SUB，LDX等都可根據(jù)上例從表中知道等都可根據(jù)上例從表中知道各個組件的操作情況和信息流通的方向。各個組件的操作情況和信息流通的方向。微型計算機(jī)結(jié)構(gòu)的簡化形式微型計算機(jī)結(jié)構(gòu)的簡化形式1 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)2 程序設(shè)計程序設(shè)計3 執(zhí)行指令的例行程序執(zhí)行指令的例行程序4 控制部件控制部

43、件5 微型計算機(jī)功能的擴(kuò)展微型計算機(jī)功能的擴(kuò)展6 初級程序設(shè)計舉例初級程序設(shè)計舉例7 控制部件的擴(kuò)展控制部件的擴(kuò)展8 現(xiàn)代技術(shù)在微型計算機(jī)中的應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)在微型計算機(jī)中的應(yīng)用93.9 現(xiàn)代技術(shù)在微型計算機(jī)中的應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)在微型計算機(jī)中的應(yīng)用3.9.1 流水線技流水線技術(shù)術(shù)圖圖3.12 流水線技流水線技術(shù)與順序術(shù)與順序非流水線非流水線執(zhí)行的比執(zhí)行的比較較3.9.2 高速緩沖存儲器高速緩沖存儲器主存儲器的存取時間卻要比主存儲器的存取時間卻要比CPU慢一個數(shù)量級，這一慢一個數(shù)量級，這一現(xiàn)象嚴(yán)重地影響微型機(jī)的運算速度?，F(xiàn)象嚴(yán)重地影響微型機(jī)的運算速度。在半導(dǎo)體在半導(dǎo)體RAM中，只有價格極為昂貴的雙極型中，只有價格極為昂貴的雙極型RAM線線路的讀寫時間可與路的讀寫時間可與CPU的處理速度處于同一個數(shù)量級。的處理速度處于