微機(jī)原理 第四章

4.1計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)組成4.2微型計(jì)算機(jī)的部件4.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本組成4.4微型計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)介紹第四章微型計(jì)算機(jī)的基本組成馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的基本內(nèi)容：1.用二進(jìn)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(chǔ)器中，使計(jì)算機(jī)在工作時(shí)能夠自動(dòng)高速地從存儲(chǔ)器中取出指令并加以執(zhí)行。存儲(chǔ)器先行編址可按地址順序訪問每一個(gè)存儲(chǔ)單元。存儲(chǔ)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(chǔ)器中順序存儲(chǔ)，由程序計(jì)數(shù)器（ProgramCounter,PC）指明將要執(zhí)行的下一條指令的地址。4.1計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)組成4.計(jì)算機(jī)硬件由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大基本部件組成：4.2微型計(jì)算機(jī)的部件現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬件的基本結(jié)構(gòu)是由美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮·諾依曼結(jié)構(gòu)提出的，又稱馮·諾依曼結(jié)構(gòu)。至今為止，無(wú)論是高檔還是低檔的微機(jī)系統(tǒng)，依然使用的是馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，但在構(gòu)造方式上有了較大改變?，F(xiàn)代微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件一般有中央處理器(CPU)、存儲(chǔ)器和外圍設(shè)備組成。外圍設(shè)備通過(guò)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(chǔ)器RAM接口電路時(shí)鐘外存I/O設(shè)備接口電路存儲(chǔ)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(chǔ)器3．系統(tǒng)總線4．輸入輸出接口電路5．外存儲(chǔ)器6．輸入/輸入設(shè)備總線：是微型機(jī)系統(tǒng)中多個(gè)部件之間的一組連線，它是系統(tǒng)中各個(gè)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(diǎn)：總線是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模塊化的產(chǎn)物。分時(shí)和共享是總線的兩個(gè)基本特性。系統(tǒng)各部件均以同一形式“掛”在總線上，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單清晰，易于擴(kuò)充更新。數(shù)據(jù)總線用來(lái)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(jī)的一個(gè)很重要的指標(biāo),它和微處理器的位數(shù)相對(duì)應(yīng)。地址總線專門用來(lái)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(jī)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(lái)傳輸控制信號(hào)。其中包括CPU送往存儲(chǔ)器和輸入輸出接口電路的控制信號(hào),如讀信號(hào)、寫信號(hào)和中斷響應(yīng)信號(hào)等;還包括其他部件送到CPU的信號(hào),比如,時(shí)鐘信號(hào)、中斷請(qǐng)求信號(hào)和準(zhǔn)備就緒信號(hào)等。4.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成

硬件主機(jī)外圍設(shè)備微處理器內(nèi)存儲(chǔ)器I/O接口電路系統(tǒng)總線外部設(shè)備過(guò)程I/O通道微型計(jì)算機(jī)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(shè)計(jì)語(yǔ)言應(yīng)用軟件：軟件包，數(shù)據(jù)庫(kù)機(jī)器語(yǔ)言匯編語(yǔ)言高級(jí)語(yǔ)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(jī)電裝置所組成的計(jì)算機(jī)物理實(shí)體。硬件的基本功能是接受計(jì)算機(jī)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(wù)。軟件系統(tǒng)是指為計(jì)算機(jī)運(yùn)行工作服務(wù)的全部技術(shù)資料和各種程序。軟件系統(tǒng)基本功能保證計(jì)算機(jī)硬件的功能得以充分發(fā)揮，并為用戶提供一個(gè)寬松的工作環(huán)境。計(jì)算機(jī)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(chǔ)器RAM接口電路時(shí)鐘外存I/O設(shè)備接口電路存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

各組成模塊及其功能：1．中央處理單元2．主存儲(chǔ)器3．系統(tǒng)總線4．輸入輸出接口電路5．外存儲(chǔ)器6．輸入/輸入設(shè)備7．主機(jī)板4.3.2微型計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)軟件是指支持計(jì)算機(jī)運(yùn)行的各種程序，以及開發(fā)、使用和維護(hù)這些程序的各種技術(shù)資料的總稱。系統(tǒng)軟件的主要功能是簡(jiǎn)化計(jì)算機(jī)操作，充分發(fā)揮硬件功能，支持應(yīng)用軟件的運(yùn)行并提供服務(wù)。應(yīng)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(wù)。應(yīng)用軟件是為了解決各類應(yīng)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(yīng)用軟件和套裝軟件。程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，是人機(jī)交流信息的一種特定語(yǔ)言。在編寫程序時(shí)用指定的符號(hào)來(lái)表達(dá)語(yǔ)義。

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

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

控制器寄存器組

內(nèi)存儲(chǔ)器總線輸入輸出接口電路外部設(shè)備軟件微處理器微型計(jì)算機(jī)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)4.4微型計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)介紹

1.位：這是計(jì)算機(jī)中所表示的最基本、最小的數(shù)據(jù)單元。2.字長(zhǎng)：是計(jì)算機(jī)在交換、加工和存放信息時(shí)的最基本的長(zhǎng)度。3.字節(jié)（Byte）：是計(jì)算機(jī)中通用的基本單元，由8個(gè)二進(jìn)制位組成。4.字：計(jì)算機(jī)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的基本單位。5.主頻：也稱時(shí)鐘頻率，是指計(jì)算機(jī)中時(shí)鐘脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的頻率。6.存儲(chǔ)容量（訪存空間）：是該微處理器構(gòu)成的系統(tǒng)所能訪問的存儲(chǔ)單元數(shù)。存儲(chǔ)容量的表達(dá)比特b（二進(jìn)制1位）字節(jié)B（二進(jìn)制8位）1KB＝210B＝1024B1MB＝220B、1GB＝230B指令數(shù)：構(gòu)成微型計(jì)算機(jī)的操作命令數(shù)。基本指令執(zhí)行時(shí)間：計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序所花的時(shí)間。可靠性：指計(jì)算機(jī)在規(guī)定時(shí)間和條件下正常工作不發(fā)生故障的概率。兼容性：指計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備和軟件程序可用于其他多種系統(tǒng)的性能。性能價(jià)格比：是衡量計(jì)算機(jī)產(chǎn)品優(yōu)劣的綜合性指標(biāo)。

THEEND4.2微型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化形式簡(jiǎn)化微型計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下:功能簡(jiǎn)單——只能做兩個(gè)數(shù)的加減法。內(nèi)存量小——只有一個(gè)16×8ROM字長(zhǎng)8位——二進(jìn)制8位顯示手動(dòng)輸入——用撥鈕開關(guān)輸入程序和數(shù)據(jù)。(a)微型計(jì)算機(jī)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)(b)功能分解圖1.程序計(jì)數(shù)器PC計(jì)數(shù)范圍：0000至1111(0?F)功能：每次運(yùn)行之前,先復(fù)位至0000。當(dāng)取出一條指令后,PC應(yīng)加1。2.存儲(chǔ)地址寄存器MAR功能：接收來(lái)自PC的二進(jìn)制程序號(hào),作為地址碼送至PROM去。3.可編程序只讀存儲(chǔ)器PROM這是一個(gè)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(dāng)LI=1,ER=1),同時(shí)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(jìn)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(yùn)行之前,CON先發(fā)出CLR=1,使有關(guān)的部件清0。此時(shí):PC=0000IR=000000002)發(fā)出同步時(shí)鐘脈沖CLK3)根據(jù)IR送來(lái)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(jì)算機(jī)就能自動(dòng)地按指令程序而有秩序地運(yùn)行。6.累加器A功能：儲(chǔ)存計(jì)算機(jī)運(yùn)行期間的中間結(jié)果。接收W總線送來(lái)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(gè)數(shù)據(jù)輸出端,將數(shù)據(jù)送至ALU去進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算。7.算術(shù)邏輯部件ALU它只是一個(gè)二進(jìn)制補(bǔ)碼加法/減法器。當(dāng)SU=0,ALU進(jìn)行加法A+BSU=1,ALU進(jìn)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(jì)算機(jī)運(yùn)行結(jié)束時(shí),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(jì)算機(jī)的若干個(gè)輸出寄存器總和,稱為輸出接口電路。10.二進(jìn)制顯示器D構(gòu)成：用發(fā)光LED組成的顯示器。每一個(gè)LED接到寄存器O的一位去。功能：當(dāng)某位為高電位時(shí),則該LED發(fā)光。因?yàn)榧拇嫫鱋是8位的,所以這里也由8個(gè)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(lái)編制計(jì)算程序的指令集合。這臺(tái)微型機(jī)有五條指令:LDA——將數(shù)據(jù)裝入累加器AADD——進(jìn)行加法運(yùn)算SUB——進(jìn)行減法運(yùn)算OUT——輸出結(jié)果HLT——停機(jī)

Z80型的指令系統(tǒng)可達(dá)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(gè)計(jì)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(jī)

匯編語(yǔ)言格式助記符操作數(shù)注釋4.4程序設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)中得包括:1編制匯編語(yǔ)言程序用指令列寫計(jì)算題目的計(jì)算步驟2助記符的翻譯計(jì)算機(jī)并不認(rèn)識(shí)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(jìn)制碼——機(jī)器碼。3存儲(chǔ)器的分配及程序存儲(chǔ)4.4.1

編制匯編語(yǔ)言程序計(jì)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(jī)4.4.2助記符翻譯1.操作碼表

這是由計(jì)算機(jī)制造廠提供的翻譯表。助記符機(jī)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(jìn)制的對(duì)照表將每條指令的助記符譯成二進(jìn)制碼。2)將存儲(chǔ)單元符號(hào)寫成地址碼R0→0000,R1→0001,?,R9→1001源程序目的程序存儲(chǔ)單元LDAR9000010010000R0ADDRA000110100001R1ADDRB000110110010R2ADDRB000111000011R3SUBRD001011010100R4OUT11100101R5HLT11110110R63.存儲(chǔ)器分配把PROM中的16個(gè)存儲(chǔ)單元分成兩個(gè)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(chǔ)單元R0―R7R8―RF二進(jìn)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(chǔ)程序：將此程序的代碼按存儲(chǔ)單元的地址順序存入計(jì)算機(jī)中去。程序設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)復(fù)位,此時(shí)控制器先發(fā)出一個(gè)CLR為高電位的脈沖,同時(shí)時(shí)鐘脈沖開始工作,即發(fā)出脈沖電壓系列到各個(gè)部件去。每一個(gè)CLK脈沖都起到指揮各部件的同步運(yùn)行的作用。4.5例行程序的執(zhí)行工作過(guò)程：在程序和數(shù)據(jù)裝入之后,起動(dòng)按鈕將起動(dòng)信號(hào)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(jī)器周期：執(zhí)行一條指令的時(shí)間。機(jī)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(jī)器節(jié)拍組成。1.取指周期：取出指令的過(guò)程需要三個(gè)機(jī)器節(jié)拍,在每個(gè)節(jié)拍內(nèi)各個(gè)寄存器的內(nèi)容應(yīng)如何變化,因而控制器應(yīng)發(fā)出什么樣的控制字。地址節(jié)拍(T0=1):PC→MAR→PROMEP=1,即PC準(zhǔn)備放出數(shù)據(jù)

LM=1,即MAR準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)

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

=0110000000002)儲(chǔ)存節(jié)拍(T1=1)應(yīng)將PROM中由PC送來(lái)的地址碼所指定的存儲(chǔ)單元中的內(nèi)容送到IR,同時(shí)IR立即將其高4位送至控制部件。因此,在此節(jié)拍到來(lái)之前,即應(yīng)準(zhǔn)備好:ER=1即PROM準(zhǔn)備放出數(shù)據(jù)LI=1即IR準(zhǔn)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(zhǔn)備。CP=1,命令PC計(jì)數(shù)。此時(shí):CON=100000000000這三節(jié)拍稱為取指周期。取指周期,對(duì)任何一條指令都是一樣的。2.執(zhí)行周期:將機(jī)器碼高4位送入控制部件去進(jìn)行分析,決定下面應(yīng)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?yàn)槔?考查一下在此三節(jié)拍中,各個(gè)寄存器的內(nèi)容應(yīng)有何變化。1)T3=1：IR高4位送至控制部件進(jìn)行分析。控制部件經(jīng)過(guò)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(shuō),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(zhǔn)備放出數(shù)據(jù)LA=1,A準(zhǔn)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(yīng):CON=000000000000為什么需要這個(gè)空拍呢?

這是因?yàn)殡m然LDA的例行程序用不著這個(gè)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(jī)器周期都是一樣長(zhǎng),即六個(gè)節(jié)拍,所以在不需六個(gè)節(jié)拍的指令語(yǔ)句中都給加一個(gè)空拍以補(bǔ)足之。這樣的機(jī)器稱為固定周期的計(jì)算機(jī)。ADDRA的指令。取指周期:和LDAR9是一樣的,只不過(guò)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(lái)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(jì)算機(jī)能夠成為自動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件?？刂撇考ㄏ铝兄饕h(huán)節(jié):1.環(huán)形計(jì)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(jì)數(shù)器

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