微機原理與單片機應(yīng)用課件：第3章 微型計算機的基本工作原理

1、3.1 微型計算機的簡化形式 3.2 指令系統(tǒng) 3.3 程序設(shè)計 3.4 執(zhí)行指令的例行程序 3.5 控制部件 3.6 微型計算機功能的擴展3.7 初級程序設(shè)計舉例3.8 控制部件的擴展 3.9 現(xiàn)代技術(shù)在微型計算機中的應(yīng)用 第3章 微型計算機的基本工作原理第三章 微型計算機的基本工作原理 我們從一個簡化了的微機作為分析對象，逐步介紹微機的各種基本功能，從而概括出微機的基本工作原理。注意了解以下的內(nèi)容：各個部件之間的信息流通過程指令系統(tǒng)的意義程序設(shè)計的步驟控制部件的功能及其結(jié)構(gòu) 控制矩陣產(chǎn)生控制字的過程例行程序概念。問題：在微機系統(tǒng)中，有很多種部件，它們是如何做到各個信息和部件之間能夠“循序漸

2、進、各得其所、有條不紊、快而不亂”的？PCIRCONMAR PROM 168AALUBODCPCLKCLKCLKCLKCLKCLKCLRCLREPLIEICLKCLRLMERLAEASUEULBLOCP EP LM ER LI EI LA EA SU EU LB LOW8888888888444412 其特點:（1）功能簡單：只能做加減法。（2）內(nèi)存量?。?68 PROM。（3）字長8位：二進制8位顯示。（4）手動輸入：用拔動開關(guān)輸入程序和數(shù)據(jù)圖3-1 微型計算機的簡化結(jié)構(gòu) 3.1微型計算機的簡化形式PCIRCONMARPROM16 8AALUBODCPCLKCLKCLKCLKCLKCLKCL

3、RCLREPLIEICLKCLRLMERLAEASUEULBLOCP EP LM ER LI EI LA EA SU EU LB LOW8888888888444412圖3-1 微型計算機的簡化結(jié)構(gòu) 3.1微型計算機的簡化形式1、程序計數(shù)器PC(program counter):其內(nèi)容為指令地址,上電復(fù)位,PC=0；每取一條指令后， PC (PC) +1PCIRCONMARPROM16 8AALUBODCPCLKCLKCLKCLKCLKCLKCLRCLREPLIEICLKCLRLMERLAEASUEULBLOCP EP LM ER LI EI LA EA SU EU LB LOW8888888

4、888444412圖3-1 微型計算機的簡化結(jié)構(gòu) 3.1微型計算機的簡化形式2、MAR(memory address register)：其內(nèi)容作為地址碼，并選中存儲器的某個單元，為讀取指令做好準(zhǔn)備。PCIRCONMARPROM16 8AALUBODCPCLKCLKCLKCLKCLKCLKCLRCLREPLIEICLKCLRLMERLAEASUEULBLOCP EP LM ER LI EI LA EA SU EU LB LOW8888888888444412圖3-1 微型計算機的簡化結(jié)構(gòu) 3.1微型計算機的簡化形式 3、指令寄存器IR （instruction register) :IR從PR

5、OM接收到指令字，將指令字分送到控制部件CON和W總線上。指令字是8位（高4位指令字段，低4位地址字段). PCIRCONMARPROM16 8AALUBODCPCLKCLKCLKCLKCLKCLKCLRCLREPLIEICLKCLRLMERLAEASUEULBLOCP EP LM ER LI EI LA EA SU EU LB LOW8888888888444412圖3-1 微型計算機的簡化結(jié)構(gòu) 3.1微型計算機的簡化形式4、ALU ALU是一個二進制補碼加法器/減法器。SU=0，ALU進行加法 A+B；SU=1，ALU進行減法 A-BPCIRCONMARPROM16 8AALUBODCPC

6、LKCLKCLKCLKCLKCLKCLRCLREPLIEICLKCLRLMERLAEASUEULBLOCP EP LM ER LI EI LA EA SU EU LB LOW8888888888444412圖3-1 微型計算機的簡化結(jié)構(gòu) 3.1微型計算機的簡化形式 5、寄存器A、B、O和顯示D A、B用以暫存數(shù)據(jù)；輸出寄存器O 用以暫存要顯示的數(shù)據(jù)；D是用發(fā)光二極管（LED）組成的顯示器，每一個LED接到寄存器O的一位上去。 6、PROM(program read only memory)為了便于理解，用44PROM說明其工作原理。A0A1R0R1R2R3ERD0D1D2D32-4譯碼器圖3-

7、2 44 PROM原理圖 7、控制部件CON其功能如下：(1)運行開始前，CON先發(fā)出CLR=1，使相關(guān)部件清0。注意：PC=0000(2)CON產(chǎn)生CLK送到各個部件去，使各部件步調(diào)一致。(3)在CON中有一個控制矩陣CM（Control Matrix)，根據(jù)IR送來的指令發(fā)出12位控制字： CON= CPEPLMERLIEILAEASUEULBLO根據(jù)控制字中各位的情況，計算機就能自動地按指令程序而有序的運行。1、CPU（central processing unit）：包括PC、IR、CON、ALU、A和B等。2、存儲器M：又稱微機的內(nèi)存。3、輸入/輸出I/O（包括C及D） CPUMI/

8、O圖3-1(b) 微型計算機的功能分解圖 微機按功能可分成三大部分，如圖所示。3.2指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)是用來編制計算程序的一個指令集合。不同的機型，其指令系統(tǒng)也不同。例如，Z80有158條指令，M6800有72條等。本模型機有5條指令。助記符 操作數(shù) 注釋LDA R9 ； （R9）AADD RA ； （RA）+（A）AADD RB ； （RB）+（A）AADD RC ； （RC）+（A）ASUB RD ； A -（RD） AOUT ； 輸出A中的數(shù)據(jù)HLT ；停機3.3程序設(shè)計 3.3.1 先要有一個操作碼表 本操作碼表共5條指令。指令為8位二進制代碼，其高4位為操作碼，低4位為操作數(shù)地址。助記

9、符 操作碼操作數(shù)地址LDA 0000 *ADD 0001 *SUB 0010 *OUT 1110HLT 11113.3.2 存儲器分配:PROM分為兩個區(qū)：程序指令區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū) 。3.3.3 將源程序翻譯成目的程序 把用匯編語言編寫的程序翻譯成二進制代碼。例： 源程序 目標(biāo)程序 存儲單元 LDA R9 0000 1001 0000（R0） ADD RA 0001 1010 0001 （R1） ADD RB 0001 1011 0010 （R2） ADD RC 0001 1100 0011 （R3） SUB RD 0010 1101 0100 （R4） HLT 1111 * 0101 （R5） 源

10、程序 目的程序 存儲單元 16D 0001 0000 1001（R9） 20D 0001 0100 1010（RA） 24D 0001 1000 1011（RB） 28D 0001 1100 1100（RC） 32D 0010 0000 1101（RD）數(shù)據(jù)區(qū)指令區(qū)操作碼表LDA 0000ADD 0001 SUB 0010 OUT 1110HLT 1111計算機運行前，必須把程序和數(shù)據(jù)裝入存儲器。416譯碼器A0A1A2A3D0D1D2D3D4D5D6D7R0R1R2R3R4R5R6R7R8R9RARBRCRDRERF3.3.4程序及數(shù)據(jù)的輸入方法數(shù)據(jù)“0”開關(guān)斷開數(shù)據(jù)“1”開關(guān)閉合。D0D1

11、D2D3D4D5D6D7R0R1R2R3R4R5R6R7R8R9RARBRCRDRERFR0:0000 1001R1:0001 1010R2:0001 1011R3:0001 1100R4:0010 1101R5:1111 *R9:0001 0000RA:0001 0100RB:0001 1000RC:0001 1100RD:0010 0000圖3-3 PROM的初始數(shù)據(jù)輸入3.4 執(zhí)行指令的例行程序 在程序和數(shù)據(jù)裝入之后，計算機按存儲器給出的指令執(zhí)行。機器周期：執(zhí)行一條指令所需的時間。機器周期分為取指周期和執(zhí)行周期。取指過程和執(zhí)行過程都是通過不同的機器節(jié)拍。3.4.1 環(huán)形計數(shù)器及機器節(jié)拍

12、計算機以環(huán)形計數(shù)器的各位輸出端高電位用作機器節(jié)拍T0-T5，環(huán)形計數(shù)器的各位的狀態(tài)如下圖所示。圖3-4環(huán)形計數(shù)器產(chǎn)生的機器節(jié)拍 CLKCLRT0T1T2T3T4T5Q5Q4Q3Q2Q1Q0CLRCLKT0T1T2T3T4T5注意：只有Q0的PR端接CLR把環(huán)形計數(shù)器的輸出看作是一個T字，T=T5 T4 T3 T2 T1 T0可控制六條電路，使它們依次輪流為高電位，T0，T1，T2，T3，T4，T5稱為機器的節(jié)拍。 3.4.2取指周期及執(zhí)行周期 取指需要3個機器節(jié)拍。在清零和啟動之后第一個節(jié)拍為T0。在取指周期，在不同的機器節(jié)拍，控制器應(yīng)發(fā)出什么樣的控制字。（1）地址節(jié)拍T0=1，應(yīng)將PC的內(nèi)容

13、送到MAR。 EP=1，即PC放出數(shù)據(jù) LM=1，MAR準(zhǔn)備接受數(shù)據(jù) 控制器應(yīng)發(fā)出的控制字為： CON= CPEP LMER LI EI LA EA SU EU LB LO = 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 =600H(2)儲存節(jié)拍T1=1，應(yīng)將(PROM)中指定的存儲單元中的內(nèi)容送到IR。ER=1 PROM準(zhǔn)備放出數(shù)據(jù)LI=1 (IR)準(zhǔn)備接受數(shù)據(jù)控制器應(yīng)發(fā)出的控制字為：CON= CPEP LM ER LI EI LA EA SU EU LB LO = 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 =180H(3)增量節(jié)拍T2=1， (PC)+1PC，準(zhǔn)備讀取下一條指令。

14、控制器應(yīng)發(fā)出的控制字為：CON= CP EP LM ER LI EI LA EA SU EU LB LO = 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0=800HCP=1，PC的內(nèi)容加1。執(zhí)行周期為3個節(jié)拍。指令的高4位送入到控制部件，控制部件根據(jù)送來的指令，在不同的機器節(jié)拍，發(fā)出不同的控制字。本機共有5類可執(zhí)行的程序指令。即，LDA、ADD、SUB、OUT、HLT 執(zhí)行5個程序指令都要3個節(jié)拍（T3、 T4、 T5），這些程序是由生產(chǎn)廠家編制，稱這些程序為例行程序。以LDA例行程序為例，在執(zhí)行周期的3個節(jié)拍中，各寄存器的內(nèi)容有何變化。（4）T3=1時, IR的高4位送至控制部件進行分析，

15、經(jīng)控制部件分析后發(fā)出的命令： EI=1：將IR低4位送至總線 LM=1：MAR接收總線上來的數(shù)據(jù)?？刂破鲬?yīng)發(fā)出的控制字為：CON=CP EP LM ER，LI EI LA EA，SU EU LB LO =0 0 1 0，0 1 0 0，0 0 0 0 =240H（5）T4=1時，由MAR指定存儲單元的內(nèi)容送入累加器AER=1：PROM準(zhǔn)備放出數(shù)據(jù)LA=1：A準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)控制器應(yīng)發(fā)出的控制字為：CON= CP EP LM ER， LI EI LA EA，SU EU LB LO = 0 0 0 1 ，0 0 1 0，0 0 0 0 =120H(6)T5=1，因為在T4節(jié)拍時，已將數(shù)據(jù)存入A中。完成

16、了該條指令的使命。在T5節(jié)拍無事可干，為空節(jié)拍。 LDA的例行程序完成?？刂破鲬?yīng)發(fā)出什的控制字為：CON=CP EP LM ER，LI EI LA EA，SU EU LB LO =0 0 0 0， 0 0 0 0，0 0 0 0 為什么需要T5這個節(jié)拍呢？助記符T0T1T2T3T4T5LDAEP,LMER,LICPEI,LMER,LAADDEP,LMER,LICPEI,LMER,LBLA,EUSUBEP,LMER,LICPEI,LMER,LBLA,EU,SUOUTEP,LMER,LICPLO,EAHLTEP,LMER,LICPHLT表1 指令執(zhí)行過程中各控制位的情況（未舉出者為0）3.5 控制

17、部件 控制部件是計算機的中樞部分，它包括下列主要部件： (1) 環(huán)形計數(shù)器(Ring Counter,RC) (2) 指令譯碼器（Instruction Decoder,ID） (3) 控制矩陣(Control Matrix,CM) (4) 其它控制電路控制器由RC、ID、CM等部件組成。利用環(huán)形計數(shù)器產(chǎn)生機器節(jié)拍。下面討論ID和CM。 3.5.1指令譯碼器 ID 指令譯碼器將IR送來的高4位數(shù)據(jù)進行譯碼，指令譯碼器的每一根輸出線相對應(yīng)用一條指令。下圖是指令譯碼器的示意圖。譯碼器的真值表見下表。譯碼器I4I5I6I7LDAADDSUBOUTHLTI7I6I5I4LDAADDSUBOUTHLT0

18、00010000000101000001000100111000010111100001其它組合為非法指令表 譯碼器的真值表 IR的高4位3.5.2控制矩陣 ID將IR中的編碼信息譯成某一控制線為高電位。控制矩陣就是根據(jù)指令譯碼器的輸出信號，在不同的節(jié)拍，產(chǎn)生不同的控制字?？刂凭仃嚨妮敵龆私M成了控制字CON：CON=CPEPLMER，LIEILAEA，SUEULBLO控制矩陣電路本身的設(shè)計較為復(fù)雜，本節(jié)略為介紹,僅是為了解其工作原理。下圖是控制矩陣的電路圖。控制器T0 CM （譯碼器）ID RC T1 T2 T3 T4 T5 LDA ADD SUBOUT CP EP LMER LI EI LA

19、 EA SU EU LB LO 圖3-6 控制矩陣（CM）的示意圖 設(shè)計CM:確定輸入變量和輸出變量設(shè)計其真值表根據(jù)真值表分別寫出輸出量的邏輯代數(shù)式將每一個輸出量的代數(shù)式進行化簡再根據(jù)化簡的代數(shù)式，設(shè)計出控制矩陣邏輯電路。 LDA指令 控制矩陣真值表OUT SUB ADD LDA T5 T4T3T2 T1 T0 CP EP LM ER LI EI LA EA SU EU LB LO0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1

20、 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 00 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 該真值表中只包含了指令LDA的相關(guān)內(nèi)容，還應(yīng)寫出ADD、OUT和SUB的相關(guān)內(nèi)容。根據(jù)完整的真值表分別寫出輸出量的邏輯代數(shù)式，并將其化簡。再根據(jù)化簡后的代數(shù)式，設(shè)計出控制矩陣邏輯電路。 用邏輯電路的方法來實現(xiàn)控制字的方法稱為硬件方法。在指令系統(tǒng)較大，控制字較長的情況下，常用軟件方法來實現(xiàn)之，這

21、就是微程序法。 3.5.3 其它控制電路 控制器是由環(huán)形計數(shù)器、控制矩陣和指令譯碼器等部件組成. 下圖顯示控制部件與其它控制電路間的關(guān)系。啟動和清除按鈕運行/停止觸發(fā)器時鐘振蕩器射極跟隨器RCIDCMIR高4位CLRCLKCON圖3-7控制部件的結(jié)構(gòu)圖 1)時鐘脈沖發(fā)生器，它可分成二個部分，時鐘振蕩器+射極跟隨器。射極跟隨器的作用是減小振蕩器的輸出電阻，以增加輸出電流。2)運行/停車觸發(fā)器：接收按鈕的“運行”脈沖信號，也接收來自指令譯碼器的“HLT”停車信號，而其輸出去啟動時鐘振蕩器。3)“啟動”和”清除”按鈕：這是由人直接操作的主令電器，命令都是由此開始的。 3.6 微型計算機功能的擴展(自

22、學(xué)） 微機功能擴展后，有哪些新特點？（參考書P42 圖3-8）較復(fù)雜的硬件結(jié)構(gòu)：1、子程序計數(shù)器 SC2、程序計數(shù)的PC增加了一個LP門。3、RAM: 用RAM作為主存儲器（25612）4、控制部件CON產(chǎn)生一個28位控制字Ls Cs Es Lp Cp Ep Lm We Me Ln En La Ea S3 S2 S1 So Eu Lb Lx Inx Dex Ex Lo5、算術(shù)邏輯部件ALU：增加了運算功能?？刂贫薙=S3S2S1S0，可實現(xiàn)更多的運算。6、變址寄存器X 該寄存器可用指令使其加1或減1。該指令為INX、DEX。 7、指令寄存器IR IR是一個12位寄存器，其指令字段和地址字段的位數(shù)是可變的。較豐富的指令系統(tǒng)訪問存儲器指令 LDA ADD SUB STA LDB LDX轉(zhuǎn)移指令JMP JAM JAZ JIM JIZ JMS邏輯運算指令NOP CLA XCH DEX INX CMA CMB LOR AND NOR NAN XOR BRB INP OUT HLT3.7 初級程序設(shè)計舉例（自學(xué)） 簡單介紹了初級程序的模式。（1）簡單程序 ：程序一統(tǒng)到底（2）分支程序：在程序設(shè)計中，經(jīng)