微機原理 第四章

4.1計算機結(jié)構組成4.2微型計算機的部件4.3微型計算機系統(tǒng)基本組成4.4微型計算機的性能指標介紹第四章微型計算機的基本組成馮·諾依曼結(jié)構的基本內(nèi)容：1.用二進制形式表示數(shù)據(jù)和指令；2.程序（包括數(shù)據(jù)和指令序列）事先存放在主存儲器中，使計算機在工作時能夠自動高速地從存儲器中取出指令并加以執(zhí)行。存儲器先行編址可按地址順序訪問每一個存儲單元。存儲程序和程序控制。3.指令由操作碼和地址碼兩部分組成，在存儲器中順序存儲，由程序計數(shù)器（ProgramCounter,PC）指明將要執(zhí)行的下一條指令的地址。4.1計算機結(jié)構組成4.計算機硬件由運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備五大基本部件組成：4.2微型計算機的部件現(xiàn)代計算機硬件的基本結(jié)構是由美籍匈牙利數(shù)學家馮·諾依曼結(jié)構提出的，又稱馮·諾依曼結(jié)構。至今為止，無論是高檔還是低檔的微機系統(tǒng)，依然使用的是馮·諾依曼結(jié)構，但在構造方式上有了較大改變?，F(xiàn)代微型計算機系統(tǒng)的硬件一般有中央處理器(CPU)、存儲器和外圍設備組成。外圍設備通過總線和接口與中央處理器連接。如下圖所示微處理器CPU存儲器RAM接口電路時鐘外存I/O設備接口電路存儲器ROM數(shù)據(jù)總線（雙向）地址總線（單向）控制總線各組成模塊及其功能：1．中央處理單元2．主存儲器3．系統(tǒng)總線4．輸入輸出接口電路5．外存儲器6．輸入/輸入設備總線：是微型機系統(tǒng)中多個部件之間的一組連線，它是系統(tǒng)中各個部件信息交換的公共通道。按照功能,總線包含三種不同功能的總線,即數(shù)據(jù)總線DB（DataBus）地址總線AB（AddressBus）控制總線CB（ControlBus）特點：總線是計算機系統(tǒng)模塊化的產(chǎn)物。分時和共享是總線的兩個基本特性。系統(tǒng)各部件均以同一形式“掛”在總線上，結(jié)構簡單清晰，易于擴充更新。數(shù)據(jù)總線用來傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)總線是雙向的,數(shù)據(jù)總線的位數(shù)(也稱為寬度)是微型機的一個很重要的指標,它和微處理器的位數(shù)相對應。地址總線專門用來傳送地址信息。地址總線是單向的。地址總線的位數(shù)決定了CPU可以直接尋址的內(nèi)存范圍。8位微型機的地址總線一般是16位,最大內(nèi)存容量為64KB;控制總線用來傳輸控制信號。其中包括CPU送往存儲器和輸入輸出接口電路的控制信號,如讀信號、寫信號和中斷響應信號等;還包括其他部件送到CPU的信號,比如,時鐘信號、中斷請求信號和準備就緒信號等。4.3微型計算機系統(tǒng)的組成

硬件主機外圍設備微處理器內(nèi)存儲器I/O接口電路系統(tǒng)總線外部設備過程I/O通道微型計算機系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成：軟件系統(tǒng)軟件程序設計語言應用軟件：軟件包，數(shù)據(jù)庫機器語言匯編語言高級語言監(jiān)控程序操作系統(tǒng)編輯程序解釋程序編譯程序診斷程序硬件系統(tǒng)是由電子部件和機電裝置所組成的計算機物理實體。硬件的基本功能是接受計算機程序，并在程序的控制下完成數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理和輸出結(jié)果等任務。軟件系統(tǒng)是指為計算機運行工作服務的全部技術資料和各種程序。軟件系統(tǒng)基本功能保證計算機硬件的功能得以充分發(fā)揮，并為用戶提供一個寬松的工作環(huán)境。計算機的硬件和軟件二者缺一不可，否則不能正常工作。微處理器CPU存儲器RAM接口電路時鐘外存I/O設備接口電路存儲器ROM數(shù)據(jù)總線（雙向）地址總線（單向）控制總線4.3.1微型計算機系統(tǒng)的硬件結(jié)構

各組成模塊及其功能：1．中央處理單元2．主存儲器3．系統(tǒng)總線4．輸入輸出接口電路5．外存儲器6．輸入/輸入設備7．主機板4.3.2微型計算機的軟件系統(tǒng)

計算機軟件是指支持計算機運行的各種程序，以及開發(fā)、使用和維護這些程序的各種技術資料的總稱。系統(tǒng)軟件的主要功能是簡化計算機操作，充分發(fā)揮硬件功能，支持應用軟件的運行并提供服務。應用軟件處于軟件系統(tǒng)的最外層，直接面向用戶，為用戶服務。應用軟件是為了解決各類應用問題而編寫的程序，包括用戶編寫的特定程序，以及商品化的應用軟件和套裝軟件。程序設計語言，是人機交流信息的一種特定語言。在編寫程序時用指定的符號來表達語義。

微處理器（Microprocessor）一個大規(guī)模集成電路芯片內(nèi)含控制器、運算器和寄存器等微型計算機（Microcomputer）

以大規(guī)模、超大規(guī)模構成的微處理器作為核心，配以存儲器、輸入/輸出接口電路及系統(tǒng)總路線所制造出的計算機。通常指微型計算機的硬件系統(tǒng)還有一般的說法：微機、電腦、微型機。微型計算機系統(tǒng)（Microcomputersystem）指由硬件和軟件共同組成的完整的計算機系統(tǒng)4.3.3微處理器、微型計算機、微型計算機系統(tǒng)的概念區(qū)別3個概念運算器

控制器寄存器組

內(nèi)存儲器總線輸入輸出接口電路外部設備軟件微處理器微型計算機微型計算機系統(tǒng)4.4微型計算機的性能指標介紹

1.位：這是計算機中所表示的最基本、最小的數(shù)據(jù)單元。2.字長：是計算機在交換、加工和存放信息時的最基本的長度。3.字節(jié)（Byte）：是計算機中通用的基本單元，由8個二進制位組成。4.字：計算機內(nèi)部進行數(shù)據(jù)處理的基本單位。5.主頻：也稱時鐘頻率，是指計算機中時鐘脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的頻率。6.存儲容量（訪存空間）：是該微處理器構成的系統(tǒng)所能訪問的存儲單元數(shù)。存儲容量的表達比特b（二進制1位）字節(jié)B（二進制8位）1KB＝210B＝1024B1MB＝220B、1GB＝230B指令數(shù)：構成微型計算機的操作命令數(shù)?；局噶顖?zhí)行時間：計算機執(zhí)行程序所花的時間?？煽啃裕褐赣嬎銠C在規(guī)定時間和條件下正常工作不發(fā)生故障的概率。兼容性：指計算機硬件設備和軟件程序可用于其他多種系統(tǒng)的性能。性能價格比：是衡量計算機產(chǎn)品優(yōu)劣的綜合性指標。

THEEND4.2微型計算機結(jié)構的簡化形式簡化微型計算機硬件結(jié)構特點如下:功能簡單——只能做兩個數(shù)的加減法。內(nèi)存量小——只有一個16×8ROM字長8位——二進制8位顯示手動輸入——用撥鈕開關輸入程序和數(shù)據(jù)。(a)微型計算機的簡化結(jié)構(b)功能分解圖1.程序計數(shù)器PC計數(shù)范圍：0000至1111(0?F)功能：每次運行之前,先復位至0000。當取出一條指令后,PC應加1。2.存儲地址寄存器MAR功能：接收來自PC的二進制程序號,作為地址碼送至PROM去。3.可編程序只讀存儲器PROM這是一個是16×8PROM。PROM具有ROM的功能。4.指令寄存器IR

功能：IR從PROM接收到指令字(當LI=1,ER=1),同時將指令字分別送到控制部件CON和W總線上去。指令字格式：8位二進制代碼××××××××MSBLSB指令字段：高4位地址字段：低4位5.控制部件CON功能:1)每次運行之前,CON先發(fā)出CLR=1,使有關的部件清0。此時:PC=0000IR=000000002)發(fā)出同步時鐘脈沖CLK3)根據(jù)IR送來的指令發(fā)出12位的控制字:CON=CPEPLMERLIEILAEASUEULBIO根據(jù)控制字中各位的置1或置0情況,計算機就能自動地按指令程序而有秩序地運行。6.累加器A功能：儲存計算機運行期間的中間結(jié)果。接收W總線送來的數(shù)據(jù)(LA=1),將數(shù)據(jù)送到W總線上去(EA=1)。它還有一個數(shù)據(jù)輸出端,將數(shù)據(jù)送至ALU去進行算術運算。7.算術邏輯部件ALU它只是一個二進制補碼加法/減法器。當SU=0,ALU進行加法A+BSU=1,ALU進行減法A-B8.寄存器B功能：將要與A相加減的數(shù)據(jù)暫存。它到ALU的輸出也是雙態(tài)的。9.輸出寄存器O功能：計算機運行結(jié)束時,累加器A中存有答案。如要輸出此答案,就得送入O。EA=1,L0=1,則O=A。

輸出接口電路：計算機的若干個輸出寄存器總和,稱為輸出接口電路。10.二進制顯示器D構成：用發(fā)光LED組成的顯示器。每一個LED接到寄存器O的一位去。功能：當某位為高電位時,則該LED發(fā)光。因為寄存器O是8位的,所以這里也由8個LED組成顯示器。一般分成三大部分,如圖(b)所示:1)中央處理器CPU(包括PC、IRCON、ALU、A及B);2)記憶裝置M(MAR及PROM);3)輸入/輸出I/O4.3指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)：用來編制計算程序的指令集合。這臺微型機有五條指令:LDA——將數(shù)據(jù)裝入累加器AADD——進行加法運算SUB——進行減法運算OUT——輸出結(jié)果HLT——停機

Z80型的指令系統(tǒng)可達158條,

8086指令系統(tǒng)中包含133條基本指令,

80386則為152條。例如一個計算程序的格式如下:LDAR9;把R9中的數(shù)據(jù)存入AADDRA;把RA中的數(shù)據(jù)與A的相加ADDRB;把RB中的數(shù)據(jù)與A的相加ADDRC;把RC中的數(shù)據(jù)與A的相加SUBRD;把A中的數(shù)據(jù)與RD的相減OUT;輸出A中的數(shù)據(jù),即結(jié)果HLT;停機

匯編語言格式助記符操作數(shù)注釋4.4程序設計程序設計中得包括:1編制匯編語言程序用指令列寫計算題目的計算步驟2助記符的翻譯計算機并不認識助記符的意義,因此必須將指令清單中每一條指令都翻成二進制碼——機器碼。3存儲器的分配及程序存儲4.4.1

編制匯編語言程序計算公式：R9+RA+RB+RC-RD→O顯示

程序清單

LDAR9;把R9中的數(shù)據(jù)存入AADDRA;把RA中的數(shù)據(jù)與A相加→A

ADDRB;把RB中的數(shù)據(jù)與A相加→AADDRC;把RC中的數(shù)據(jù)與A相加→ASUBRD;把A中的數(shù)據(jù)與RD相減→AOUT;輸出A中的數(shù)據(jù)→O顯示

HLT;停機4.4.2助記符翻譯1.操作碼表

這是由計算機制造廠提供的翻譯表。助記符機器碼LDA0000ADD0001SUB0010OUT1110HLT11112將源程序翻譯成目的程序方法:1)根據(jù)助記符與二進制的對照表將每條指令的助記符譯成二進制碼。2)將存儲單元符號寫成地址碼R0→0000,R1→0001,?,R9→1001源程序目的程序存儲單元LDAR9000010010000R0ADDRA000110100001R1ADDRB000110110010R2ADDRB000111000011R3SUBRD001011010100R4OUT11100101R5HLT11110110R63.存儲器分配把PROM中的16個存儲單元分成兩個區(qū):程序存放區(qū)(指令區(qū))數(shù)據(jù)存放區(qū)(數(shù)據(jù)區(qū))。指令區(qū)數(shù)據(jù)區(qū)存儲單元R0―R7R8―RF二進制地址0000―01111000―111100001001000110100001101100011100001011011110****1111********************0001000000010100000110000001110000100000****************LDAR9ADDRAADDRB

ADDRB

SUBRD

OUT

HLT(16)(20)(24)(28)(32)R0R1R2R3R4R5R6R7R8R9RARBRCRDRERF指令區(qū)數(shù)據(jù)區(qū)存儲程序：將此程序的代碼按存儲單元的地址順序存入計算機中去。程序設計到這一步就可以算完成了。程序控制：程序執(zhí)行的第一步必須先使計算機復位,此時控制器先發(fā)出一個CLR為高電位的脈沖,同時時鐘脈沖開始工作,即發(fā)出脈沖電壓系列到各個部件去。每一個CLK脈沖都起到指揮各部件的同步運行的作用。4.5例行程序的執(zhí)行工作過程：在程序和數(shù)據(jù)裝入之后,起動按鈕將起動信號傳給控制部件CON,然后控制部件產(chǎn)生控制字,以便取出和執(zhí)行每條指令。機器周期：執(zhí)行一條指令的時間。機器周期分為取指周期和執(zhí)行周期。取指和執(zhí)行周期由機器節(jié)拍組成。1.取指周期：取出指令的過程需要三個機器節(jié)拍,在每個節(jié)拍內(nèi)各個寄存器的內(nèi)容應如何變化,因而控制器應發(fā)出什么樣的控制字。地址節(jié)拍(T0=1):PC→MAR→PROMEP=1,即PC準備放出數(shù)據(jù)

LM=1,即MAR準備接收數(shù)據(jù)

控制部件應發(fā)出的控制字CON為:CPEPLMERLIEILAEASUEULBLO

=0110000000002)儲存節(jié)拍(T1=1)應將PROM中由PC送來的地址碼所指定的存儲單元中的內(nèi)容送到IR,同時IR立即將其高4位送至控制部件。因此,在此節(jié)拍到來之前,即應準備好:ER=1即PROM準備放出數(shù)據(jù)LI=1即IR準備接收數(shù)據(jù)所以:CON=0001100000003)增量節(jié)拍(T2=1)PC加1,做好下一條指令的取指準備。CP=1,命令PC計數(shù)。此時:CON=100000000000這三節(jié)拍稱為取指周期。取指周期,對任何一條指令都是一樣的。2.執(zhí)行周期:將機器碼高4位送入控制部件去進行分析,決定下面應如何執(zhí)行,所以下面的三節(jié)拍就稱為執(zhí)行周期。執(zhí)行每條指令需要三拍(T3、T4、T5),我們以LDA例行程序為例,考查一下在此三節(jié)拍中,各個寄存器的內(nèi)容應有何變化。1)T3=1：IR高4位送至控制部件進行分析?？刂撇考?jīng)過分析后就發(fā)出命令:EI=1,將IR的低4位送至W總線LM=1,MAR接收此低4位數(shù)作為地址并立即送至PROM所以CON=001001000000就是說,第一次訪問PROM的是其指令區(qū),第二次訪問的是其數(shù)據(jù)區(qū)。2)T4=1：R9

(即1001)→A,ER=1,PROM準備放出數(shù)據(jù)LA=1,A準備接收數(shù)據(jù)即CON=0001001000003)T5=1LDA的例行程序就已完成,T5節(jié)拍就變成空拍,即應:CON=000000000000為什么需要這個空拍呢?

這是因為雖然LDA的例行程序用不著這個節(jié)拍,但別的例行程序(如ADD、SUB等)還是用得著的,為了使每條指令的機器周期都是一樣長,即六個節(jié)拍,所以在不需六個節(jié)拍的指令語句中都給加一個空拍以補足之。這樣的機器稱為固定周期的計算機。ADDRA的指令。取指周期:和LDAR9是一樣的,只不過現(xiàn)在存于PC中的內(nèi)容已不是0000而是PC+1,即0001。執(zhí)行周期:

T3節(jié)拍,ADDRA和LDAR9是一樣的,從IR將低4位的數(shù)據(jù)→MARLM=1和EI=1。

T4節(jié)拍，從PROM中來的數(shù)據(jù)不再送入累加器A,而是送入寄存器B。

T5節(jié)拍,執(zhí)行A+B→A所以要求SU=0,LA=1,EU=1。4.6控制部件控制部件是使計算機能夠成為自動機的關鍵部件?？刂撇考ㄏ铝兄饕h(huán)節(jié):1.環(huán)形計數(shù)器(RC)2.指令譯碼器(LD)3.控制矩陣(CM)稱為控制器4.其它控制電路。4.6.1環(huán)形計數(shù)器

功能：發(fā)出環(huán)形字,從而產(chǎn)生機器拍。4.6.2指令譯碼器(ID)功能：對IR的高4位譯碼高4位就是各種控制動作的代碼,一個動作相當于一條控制線,要該動作實現(xiàn),就必須使該控制線為高電位。譯碼器：如圖是一個4位譯碼器。4位應該可以有16種編碼的可能,由于我們的模擬機功能簡單,只有五條指