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1、2019/10/17,1/71,第3章 微型计算机的基本工作原理,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 初级程序设计举例,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,2019/10/17,2/71,一个实际的微型计算机的电路结构是相当复杂的。要了解其工作原理就必须将其分解为若干电路环节，或若干大块；每大块又由若干电路部件组成；每个电路部件又由若干微电子元器件组成对初次接触微型计算机的读者，如果从一个实际微型计算机出发来讲解其工作原理，则会事倍功半。 因此，本书拟
2、从微型计算机的最基本功能出发讲解其电路工作原理，以在有限的学时内给读者一个较完整的概念，然后在以下各章中逐步完善实际微型计算机的全貌。,2019/10/17,3/71,微型计算机的基本功能可概括为“三能一快”：能运算(加、减、乘、除)、能判别(大于、小于、等于、真、假)及能决策(根据判别来决定下一步的工作)。但所有这些“能”的过程都必须建立在“快”的基础上才能有实际意义。 微型计算机这种基本功能从电路原理来理解就是信息在各个部件间的流通问题。在第2章中已讲到总线结构及信息流通的过程，在整个微型计算机中、信息量是很大的，部件数也是很多的，如何做到各个信息和部件之间能够“循序渐进、各得其所、有条不
3、紊、快而不乱”呢?这就是微型计算机基本工作原理所要解答的问题。,2019/10/17,4/71,本章将以一个简化了的微型计算机作为分析对象，逐步讲述一般计算机的各种基本功能，从而概括出微型计算机的基本工作原理。在分析过程中，陆续介绍各个基本电路和部件之间的信息流通过程，指令系统的意义，程序设计的步骤，控制部件的功能及其结构，还有控制矩阵产生控制字的过程等等，同时对例行程序作较详细的阐述。这样就可以对微型计算机的基本工作原理有一个比较完整的概念。,2019/10/17,5/71,3.1 微型计算机结构的简化形式,为了易于分析和理解，首先介绍一个简化的微机硬件结构，如图3.1(a) ，其特点： (
4、1) 功能简单：只能做两个数的加减法。(2) 内存量小：只有一个168PROM(可编程序只读存储器)。(3) 字长8位：二进制8位显示。(4) 手动输入：用拨动开关输入程序和数据。,2019/10/17,6/71,虽然如此简单，但已具备了一个可编程序计算机的雏型。尤其是有关控制矩阵和控制部件的控制过程和电路原理的分析，更有助于初学者领会计算机的原理。 本节先对各个部件略作解释， 以后各节再逐步深入分析其工作过程。,图3.1 微机简化结构功能分解图,2019/10/17,7/71,1. 程序计数器PC 计数范围由00001111(用十六进制可记作由00FH)。 每次运行之前，先复位至0000。当
5、取出一条指令后，PC应加1。 2. 存储地址寄存器MAR 接收来自PC的二进制程序号，作为地址码送至PROM去。,2019/10/17,8/71,其原理如图3.2所示。这是一个44PROM，它和图2.30的ROM之不同点是：每条横线与竖线都有一条由开关和二极管串联的电路将它们连接起来。因此，只要拨动开关，即可使该数据位置1或置0，从而达到使每个存储单元“写入”数据的目的。因而称这种ROM为可编程序ROM。PROM实际上同时具有RAM和ROM的功能。,3. 可编程序只读存储器PROM,图3.2 44PROM原理图,这里为了简化作图而只用44PROM的图，如是168PROM，则其横线应为16条(R
6、0R15)，竖线为8条(D7D6D0)，地址码线则相应地应为4条(A3A2A1A0)。,2019/10/17,9/71,4. 指令寄存器IR IR从PROM接收到指令字(当LI=1，ER=1)，同时将指令字分送到控制部件CON和W总线上去。 指令字是8位的： MSB LSB 最高有效位 最低有效位 左4位为最高有效位(高4位)，称为指令字段； 右4位为最低有效位(低4位)，称为地址字段。,2019/10/17,10/71,5. 控制部件CON 其功能如下： (1) 每次运行之前，CON先发出CLR=1，使有关的部件清0。此时： PC=0000， IR=0000 0000 (2) CON有一个同
7、步时钟，能发出脉冲CLK到各个部件去，使各个部件能够同步运行。 (3) 在CON中有一个控制矩阵CM，能根据IR送来的指令发出12位的控制字： CON=CPEPLMERLIEILAEASUEULBLO 根据控制字中各位的置1或置0情况，计算机就能自动地按指令程序而有秩序地运行。,2019/10/17,11/71,6. 累加器A 用以储存计算机运行期间的中间结果。它能接收W总线送来的数据(LA=1)，也能将数据送到W总线上去(EA=1)。它还有一个数据输出端，将数据送至ALU去进行算术运算。这个输出是双态的，即是立即地送去，而不受E门的控制。 7. 算术逻辑部件ALU 它只是一个二进制补码加法器
8、/减法器. 当SU=0，ALU，进行加法A+B； 当SU=1，ALU，进行减法A-B， 即(A+B)。 (参见图1.9)。,图1.9 二进制补码加法器减法器,2019/10/17,12/71,8. 寄存器B 将要与A相加减的数据暂存于此寄存器。它到ALU的输出也是双态的，即无E门控制。 9. 输出寄存器O 计算机运行结束时，累加器A中存有答案。如要输出此答案，就得送入O。此时EA=1，LO=1，则O=A。 典型的计算机具有若干个输出寄存器，称为输出接口电路。这样就可以驱动不同的外围设备，如打印机、显示器等。,2019/10/17,13/71,10. 二进制显示器D 这是用发光二极管(LED)组
9、成的显示器。每一个LED接到寄存器O的一位上去。当某位为高电位时，则该LED发光。因为寄存器O是8位的，所以这里也由8个LED组成显示器。 这种结构，一般可分成3大部分，如图3.1(b)的功能分解图： (1) 中央处理器CPU(包括PC，IR， CON，ALU，A及B)； (2) 记忆装置M(MAR及PROM)； (3) 输入/输出I/O(包括O及D， D也可称为其外围设备)。,2019/10/17,14/71,中央处理器(central processing unit,缩写为CPU)：是将程序计数功能(PC)、指令寄存功能(IR)、控制功能(CON)、算术逻辑功能(ALU)以及暂存中间数据功
10、能(A及B)集成在一块电路器件上的集成电路(IC)。 实用上的CPU要比这里的图例更为复杂些，但其主要功能是基本一样的。,2019/10/17,15/71,存储器M(memory)在此图例中只包括存储地址寄存器(MAR)及可编程存储器(实际还包括了地址译码功能)，这就是微型计算机的“内存”.实际的“内存”要包括更多的内容(如ROM，RAM及EPROM等)和更大的存储容量。 输入及输出接口(I/O)是计算机实行人机对话的重要部件。本简例中的输入将是人工设定PROM(见3.3节的阐述)而没有输入电路接口只有输出有接口(O)。实际微型计算机的输入设备多为键盘，输出则为监视器(即电视屏显示器)，因而必
11、须有专用的输出接口电路。,2019/10/17,16/71,3.2 指令系统,指令系统就是用来编制计算程序的一个指令集合。在未编制出计算程序之前，计算机是一堆无价值的电路硬件。 这台微型机有5条指令，即其控制部件能完成一系列例行程序以执行5种命令： LDA将数据装入累加器A； ADD进行加法运算； SUB进行减法运算； OUT输出结果； HLT停机。 这5条指令在一起就称为这台计算机的指令系统。,2019/10/17,17/71,不同型号的微处理机的指令系统是不同的，指令的条数也不相同。例如，Z80型的指令系统可达158条，M6800型有72条，6502型则有56条指令，而Intel 8038
12、6则为152条。 下面用一个计算程序的指令清单来解释这几条指令的用法，以便初学者更易于体会其意义。,2019/10/17,18/71,例如一个计算程序的格式如下： 助记符 操作数 注释 执行指令的结果 LDA R9 ；把R9中的数据存入累加器A (A)=(R9) ADD RA ；把RA中的数据与A的相加 (A)=(R9)+(RA) ADD RB ；把RB中的数据与A的相加 (A)=(R9)+(RA)+(RB) ADD RC ；把RC中的数据与A的相加 (A)=(R9)+(RA)+(RB)+(RC) SUB RD ；把A中的数据与RD的相减 (A)=(R9)+(RA)+(RB)+(RC)-(RD
13、) OUT ；输出A中的数据到输出寄存器或显示装置，即结果 (D)=(A) HLT ；停机 CLK停止发脉冲 这样的格式称为用汇编语言写的汇编语言程序，每一行是一条指令。,上面加括号的意义是指被括上的寄存器或存储单元的内容。如(A)是指累加器A中的内容，(D)是指显示器显示出的数据，(R9)是存储单元R9中的数据，等等。,最后一条指令HLT 停机，使时钟脉冲停发，则计算机停止运行，但电源未切断，所以显示器中仍继续显示计算的结果。,临时寄存器 随时被更新,2019/10/17,19/71,3.3 程序设计,上节所列的是求几个数加减过程的指令清单。写出这个清单，只能说明你已把要计算的题目的计算步骤
14、列出来了。如果这台计算机能“认识”用汇编语言写出来的汇编程序，就可以直接输入上面这个指令清单，计算机内部有编译程序自动将这个清单上的每一条指令翻译成机器码而使计算机工作起来。 但本章介绍的是最简单的微型计算机，它不“认识” 汇编程序。因此写完这个清单，不能说程序已设计完毕，这一节就是针对微型计算机介绍一个程序设计的步骤和内容。,2019/10/17,20/71,3.3 程序设计,指令清单也是程序设计的一部分，而且是首先要做的重要一步。上面讲的指令清单可以说是将求4个数相加再减去一个数的公式而写成的计算程序： D=(R9)+(RA)+(RB)+(RC)-(RD) 这几个参与运算的数当然可以是任意
15、的，所以公式是用代数符号写的。这里所用的代数符号，故意与存储单元的序列相一致。事实也是如此，因为要参与运算的数必须先输入到存储器中去。,2019/10/17,21/71,上面讲的微型计算机并不认识助记符的意义，因此必须将指令清单中每一条指令都翻译成二进制码机器码。另外，存储器中既要写入计算程序，也要存放参与运算的数据，因此，还得决定存储器中的存储单元应如何分配，这称为存储空间分配。 总之，程序设计中要包括： (1) 编制汇编语言写的程序； (2) 助记符的翻译； (3) 存储器的分配等几部分。 下面就来介绍一下程序设计的步骤。,2019/10/17,22/71,3.3.1 先要有一个操作码表,
16、操作码表是由计算机制造厂提供的翻译表，它是每个助记符与二进制码的相应对照表。由于我们的计算机很简单，只有5个助记符，列成对照表，比较简单易记。但如果指令系统很庞大的话，此表也就很大而不易记忆，因而就必须有特殊的方法才能迅速可靠地使用它。,表3-1 助记符与操作码对照,2019/10/17,23/71,3.3.2 存储器分配,在本微型机中就是要把PROM中的16个存储单元分配成两个区： 程序存放区(指令区) 数据存放区(数据区),表3-2 存储器分配,2019/10/17,24/71,3.3.3 将源程序翻译成目的程序,方法是: 根据助记符与二进制的对照表(操作码表)将上节例题中的每条指令的助记符译成二进制码，并将存储单元符号写成地址码(即R00000，R10001，R91001)，就成为下面的样子 源程序 目的程序 存储单元 指 LDA R9 0 0
