微型計算機原理與應用課件

1、微型計算機原理與應用第3章 微型計算機的基本工作原理湯世平北京理工大學微型計算機原理與應用目 錄3.1微型計算機結(jié)構(gòu)的簡化形式3.2指令系統(tǒng)3.3程序設計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用微型計算機原理與應用微型計算機的基本功能o概括為“三能一快”：n能運算(加、減、乘、除)n能判別(大于、小于、等于、真、假)n能決策(根據(jù)判別來決定下一步的工作)o“快”是基礎微型計算機原理與應用微機基本工作原理o信息在各個部件間的流通o微型計算機n信息量很大n部件數(shù)很多n如何做到各個信息和部件之間能夠“

2、循序漸進、各得其所、有條不紊、快而不亂”呢?微型計算機原理與應用3.1 微型計算機結(jié)構(gòu)的簡化形式o如圖3.1(a)所示，其硬件結(jié)構(gòu)特點如下：(1) 功能簡單：只能做兩個數(shù)的加減法。(2) 內(nèi)存量?。褐挥幸粋€168PROM(可編程序只讀存儲器)。(3) 字長8位：二進制8位顯示。(4) 手動輸入：用撥動開關(guān)輸入程序和數(shù)據(jù)。微型計算機原理與應用圖圖 3.1微型計算機原理與應用主要部件o程序計數(shù)器PCo存儲地址寄存器MARo可編程序只讀存儲器PROMo指令寄存器IRo控制部件CONo累加器Ao算術(shù)邏輯部件ALUo寄存器Bo輸出寄存器Oo二進制顯示器D微型計算機原理與應用(1) 程序計數(shù)器PCo計數(shù)范

3、圍由00001111(用十六進制可記作由0F)。o每次運行之前，先復位至0000。當取出一條指令后，PC應加1。微型計算機原理與應用(2) 存儲地址寄存器MARo接收來自PC的二進制程序號，作為地址碼送至PROM去。微型計算機原理與應用(3)可編程序只讀存儲器PROMo其原理如圖3.2所示。o這是一個44PROMo和圖2.30的ROM之不同點是：每條橫線與豎線都有一條由開關(guān)和二極管串聯(lián)的電路將它們連接起來。o只要撥動開關(guān)，即可使該數(shù)據(jù)位置1或置0，從而達到使每個存儲單元“寫入”數(shù)據(jù)的目的。因而稱這種ROM為可編程序ROM。oPROM實際上同時具有RAM和ROM的功能。這里為了簡化作圖而只用44

4、PROM的圖，如是168PROM，則其橫線應為16條(R0R15)，豎線為8條(D7D6D0)，地址碼線則相應地應為4條(A3A2A1A0)。微型計算機原理與應用圖圖 3.2微型計算機原理與應用(4)指令寄存器IRoIR從PROM接收到指令字(當LI=1，ER=1)，同時將指令字分送到控制部件CON和W總線上去。o指令字是8位：MSBLSBo最高有效位最低有效位n左4位為最高有效位(高4位)，稱為指令字段；n右4位為最低有效位(低4位)，稱為地址字段。微型計算機原理與應用(5)控制部件CONo每次運行之前，CON先發(fā)出CLR=1，使有關(guān)的部件清0。此時：PC=0000IR=00000000oC

5、ON有一個同步時鐘，能發(fā)出脈沖CLK到各個部件去，使它們同步運行。o在CON中有一個控制矩陣CM，能根據(jù)IR送來的指令發(fā)出12位的控制字：CON=CPEPLMERLIEILAEASUEULBLOo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。微型計算機原理與應用(6)累加器Ao用以儲存計算機運行期間的中間結(jié)果。o它能接收W總線送來的數(shù)據(jù)(LA=1)，也能將數(shù)據(jù)送到W總線上去(EA=1)。o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(shù)運算。o這個輸出是雙態(tài)的，即是立即地送去，而不受E門的控制。微型計算機原理與應用(7)算術(shù)邏輯部件ALUo是一個二進制補碼加法器減

6、法器(參見圖1.9)。o當SU=0，進行加法A+B；o當SU=1，進行減法A-B，即(A+B)。微型計算機原理與應用(8)寄存器Bo將要與A相加減的數(shù)據(jù)暫存于此寄存器。o它到ALU的輸出也是雙態(tài)的，即無E門控制。微型計算機原理與應用(9)輸出寄存器Oo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。此時EA=1，LO=1，則O=A。o典型的計算機具有若干個輸出寄存器，稱為輸出接口電路。這樣就可以驅(qū)動不同的外圍設備，如打印機、顯示器等。微型計算機原理與應用(10)二進制顯示器Do用發(fā)光二極管(LED)組成的顯示器o每一個LED接到寄存器O的一位o當某位為高電位時，則該LED發(fā)光

7、o因為寄存器O是8位的，所以這里也由8個LED組成顯示器。微型計算機原理與應用功能分解o可分成3大部分，如圖3.1(b)的所示n中央處理器CPU(包括PC，IR，CON，ALU，A及B)；n記憶裝置M(MAR及PROM)；n輸入輸出IO(包括O及D，D也可稱為其外圍設備)。微型計算機原理與應用(1) 中央處理器o中央處理器(central processing unit,縮寫為CPU)是將程序計數(shù)功能(PC)、指令寄存功能(IR)、控制功能(CON)、算術(shù)邏輯功能(ALU)以及暫存中間數(shù)據(jù)功能(A及B)集成在一塊電路器件上的集成電路(IC)。o實際的CPU要比這里的圖例更為復雜些，但其主要功能

8、是基本一樣的。微型計算機原理與應用(2)存儲器o存儲器M(memory)在此圖例中只包括存儲地址寄存器(MAR)及可編程存儲器(實際還包括了地址譯碼功能)，這就是微型計算機的“內(nèi)存”。o實際的“內(nèi)存”要包括更多的內(nèi)容(如ROM，RAM及EPROM等)和更大的存儲容量。微型計算機原理與應用(3)輸入及輸出接口o實現(xiàn)人機對話的重要部件。o本簡例中的輸入將是人工設定PROM(見3.3節(jié)的闡述)而沒有輸入電路接口只有輸出有接口(O)。o實際微型計算機的輸入設備多為鍵盤，輸出則為監(jiān)視器(即電視屏顯示器)，因而必須有專用的輸出接口電路。微型計算機原理與應用3.2 指令系統(tǒng)o指令系統(tǒng)就是用來編制計算程序的一

9、個指令集合。在未編制出計算程序之前，計算機是一堆無價值的電路硬件。o這臺微型機有5條指令，即其控制部件能完成一系列例行程序以執(zhí)行5種命令： LDA將數(shù)據(jù)裝入累加器A； ADD進行加法運算； SUB進行減法運算； OUT輸出結(jié)果； HLT停機。o這5條指令在一起就稱為這臺計算機的指令系統(tǒng)。微型計算機原理與應用指令系統(tǒng)o不同型號的微處理機的指令系統(tǒng)是不同的，指令的條數(shù)也不相同。nZ80型的指令系統(tǒng)可達158條nM6800型有72條n6502型則有56條指令nIntel 80386則為152條。微型計算機原理與應用例：一個計算程序助記符操作數(shù)注釋LDAR9 ;把R9中的數(shù)據(jù)存入AADDRA ;把RA

10、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;停機微型計算機原理與應用執(zhí)行過程執(zhí)行第1條指令的結(jié)果：(A)=(R9)執(zhí)行第2條指令的結(jié)果：(A)=(R9)+(RA)執(zhí)行第3條指令的結(jié)果：(A)=(R9)+(RA)+(RB)執(zhí)行第4條指令的結(jié)果：(A)=(R9)+(RA)+(RB)+(RC)執(zhí)行第5條指令的結(jié)果：(A)=(R9)+(RA)+(RB)+(RC)-(RD)執(zhí)行第6條指令的結(jié)果：(D)=(A)執(zhí)行第7條指令的結(jié)果：CLK停止發(fā)脈沖微型計算機原理與應用說明o加括號的意義

11、是指被括上的寄存器或存儲單元的內(nèi)容。如(A)是指累加器A中的內(nèi)容，(D)是指顯示器顯示出的數(shù)據(jù)，(R9)是存儲單元R9中的數(shù)據(jù)，等等。o最后一條指令，使時鐘脈沖停發(fā)，則計算機停止運行，但電源未切斷，所以顯示器中仍繼續(xù)顯示計算的結(jié)果。微型計算機原理與應用3.3 程序設計o寫出這個清單，只能說明你已把要計算的題目的計算步驟列出來了。o如果這臺計算機能“認識”你用匯編語言寫出來的匯編程序，就可以直接輸入上面這個指令清單，計算機內(nèi)部有編譯程序自動將這個清單上的每一條指令翻譯成機器碼而使計算機工作起來。微型計算機原理與應用過程o編制匯編語言寫的程序o助記符的翻譯n微型計算機并不認識助記符的意義，因此必須

12、將指令清單中每一條指令都翻譯成二進制碼機器碼。o存儲器的分配n存儲器中既要寫入計算程序，也要存放參與運算的數(shù)據(jù)，因此，還得決定存儲器中的存儲單元應如何分配，這稱為存儲空間分配。微型計算機原理與應用3.3.1 操作碼表o這是由計算機制造廠提供的翻譯表，它是每個助記符與二進制碼的相應對照表。o由于我們的計算機很簡單，只有5個助記符，列成對照表，比較簡單易記。o但如果指令系統(tǒng)很龐大的話，此表也就很大而不易記憶，因而就必須有特殊的方法才能迅速可靠地使用它。微型計算機原理與應用3.3.2 存儲器分配o在本微型機中就是要把PROM中的16個存儲單元分配成兩個區(qū)：n程序存放區(qū)(指令區(qū))n數(shù)據(jù)存放區(qū)(數(shù)據(jù)區(qū))

13、。微型計算機原理與應用3.3.3 將源程序翻譯成目的程序o根據(jù)助記符與二進制的對照表(操作碼表)將每條指令的助記符譯成二進制碼，并將存儲單元符號寫成地址碼(即R00000，R10001，R91001) 微型計算機原理與應用指令區(qū) 源程序目的程序 存儲單元指LDAR9 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 (R0)ADD RA0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 (R1)令ADD RB0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 (R2)ADD RC0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 (R3)區(qū)SUB RD0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 (R4)

14、OUT1 1 1 0 0 1 0 1 (R5)HLT 1 1 1 1 0 1 1 0 (R6)微型計算機原理與應用數(shù)據(jù)區(qū) 源程序目的程序 存儲單元數(shù)16100 0 0 1 0 0 0 01 0 0 1 (R9)20100 0 0 1 0 1 0 01 0 1 0 (RA)據(jù)24100 0 0 1 1 0 0 01 0 1 1 (RB)28100 0 0 1 1 1 0 01 1 0 0 (RC)區(qū)32100 0 1 0 0 0 0 01 1 0 1 (RD)微型計算機原理與應用3.3.4 程序及數(shù)據(jù)的輸入方法oPROM既有ROM的特點(即可以存入但以后不許再改寫而只許讀出)也有RAM的特點(即

15、可隨時寫入數(shù)據(jù)，也可讀出數(shù)據(jù))。oPROM分成兩區(qū)n指令區(qū)：一旦存入指令，就不許再改(除非要計算的公式改變了)。n數(shù)據(jù)區(qū)：可以隨時存入要參與運算的數(shù)據(jù)，并在計算過程中可以取出來。o在第一次安排程序時，都要把程序和數(shù)據(jù)存入。將PROM的每個數(shù)據(jù)位的開關(guān)撥向置0或置1的位置即可。微型計算機原理與應用示例o圖3.3就是這樣一個PROM的輸入裝置，左邊是控制板上安裝的開關(guān)，每個存儲單元有8個開關(guān)。16個存儲單元(R0RF)，共有816=128個開關(guān)。右邊是根據(jù)例題而撥動的開關(guān)狀態(tài)：n置0開關(guān)撥向斷開的方向n置1開關(guān)撥向接通的方向o旁邊的括弧內(nèi)語句代表每一條指令，而數(shù)字是參與運算的十進制數(shù)據(jù)。o將目的碼

16、輸入到PROM中去，即撥動控制板上的開關(guān)，使其成圖3.3右邊的狀態(tài)。微型計算機原理與應用圖圖3.3微型計算機原理與應用說明o其中打的開關(guān)是隨意狀態(tài)，因為用不著，例如： OUT1110 HLT1111 o因為這兩條指令并不訪問任何存儲單元，所以R5及R6的高4位(將要送至控制部件的)有二進制碼指令，而低4位(代表數(shù)據(jù)存放的存儲地址)可以隨意。微型計算機原理與應用程序執(zhí)行o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。o每一個CLK脈沖都起到指揮各部件的同步運行的作用。o每個脈沖發(fā)出后，哪些部件應起響應作用，由控制部件的控

17、制字來決定。微型計算機原理與應用累加器A中存放的數(shù)據(jù)執(zhí)行LDA 9H后A=0001000016(10)執(zhí)行ADDAH后A=0010010036(10)執(zhí)行ADDBH后A=0011110060(10)執(zhí)行ADDCH后A=0101100088(10)執(zhí)行SUB DH 后A=0011100056(10)執(zhí)行OUT 后 D=0011 100056(10)執(zhí)行HLT 后D=00111000(不變)執(zhí)行HLT(停機)指令后，電源并不切斷，只是CLK停發(fā)脈沖，所以顯示器D上仍舊顯示出計算結(jié)果。微型計算機原理與應用3.4 執(zhí)行指令的例行程序o在程序和數(shù)據(jù)裝入之后，啟動按鈕將啟動信號傳給控制部件CON，然后控制

18、部件產(chǎn)生控制字，以便取出和執(zhí)行每條指令。o執(zhí)行一條指令的時間為一個機器周期。機器周期又可分為取指周期和執(zhí)行周期。取指過程和執(zhí)行過程機器都得通過不同的機器節(jié)拍。在這些節(jié)拍內(nèi)，每個寄存器(PC，MAR，IR，A，B，O等)的內(nèi)容可能發(fā)生變化。微型計算機原理與應用3.4.1 環(huán)形計數(shù)器及機器節(jié)拍o在第2章中已介紹了環(huán)形計數(shù)器的電路原理(圖2.21)，這里再來看看其各位的狀態(tài)如圖所示。微型計算機原理與應用o環(huán)形計數(shù)器的各位輸出端Q0Q5的電位就是機器節(jié)拍T0T5的電位，由于時鐘脈沖是經(jīng)過反相器再接到環(huán)形計數(shù)器(圖中的“汽泡”表示非門)的CLK端的，所以各節(jié)拍之間的轉(zhuǎn)換是在時鐘脈沖的負邊緣開始的。o由圖

19、可見，將環(huán)形計數(shù)器的輸出看做是一個字T，則：T=T5T4T3T2T1T0o這是一個6位的環(huán)形字。它用以控制6條電路，使它們依次輪流為高電位，T0，T1，T2，T3，T4和T5稱為機器的節(jié)拍。微型計算機原理與應用3.4.2 取指周期及執(zhí)行周期o取出指令的過程需要3個機器節(jié)拍，在清零和啟動之后第1個節(jié)拍為T0。微型計算機原理與應用(1) 地址節(jié)拍o在T0=1時，應將PC的內(nèi)容(即第1個地址碼)送入MAR(并通過MAR而達到PROM)，所以，此時應有：EP=1，即PC準備放出數(shù)據(jù)LM=1，即MAR準備接收數(shù)據(jù)因此，控制部件應發(fā)出的控制字為：CON=CPEPLMERLIEILAEASUEULBLO =

20、0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0控制字的排列次序請參看圖3.1。微型計算機原理與應用(2) 儲存節(jié)拍o在T1=1時，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)o所以： CON=000110000000微型計算機原理與應用(3)增量節(jié)拍o在T2=1時，應使PC加1，做好下一條指令的取指準備。因此，CP=1，即命令PC計數(shù)。所以，此時：CON=100000000000微型計算機原理與應用o這3節(jié)拍稱為取指周期。這樣3節(jié)拍的取指周期，對

21、任何一條指令都是一樣的。o因為任何一條指令都是沿著這個程式而將指令取出來，再將其高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3節(jié)拍就稱為執(zhí)行周期。微型計算機原理與應用o對本微型機來說，共有5類執(zhí)行的程序：LDA將數(shù)據(jù)裝入A；ADD將數(shù)據(jù)與A相加；SUB將數(shù)據(jù)與A相減；OUT將數(shù)據(jù)從A輸出；HLT停機，即停發(fā)CLK脈沖。o執(zhí)行這樣的每個程序也需要3拍(T3，T4，T5)，這種程序是由廠家編好了的，所以稱為例行程序。微型計算機原理與應用示例(續(xù))o我們以LDA例行程序為例，考查一下在此3節(jié)拍中，各個寄存器的內(nèi)容應有何變化。微型計算機原理與應用(4) T3=1oIR已將從PROM來的

22、指令碼的高4位送至控制部件進行分析。此高4位是與LDA相應的二進制碼“0000”，控制部件經(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=001001000000o在上例題中，送至PROM的地址就是R9的二進制碼地址(1001)。也就是說，第1次訪問PROM的是其指令區(qū)，第2次訪問的是其數(shù)據(jù)區(qū)。微型計算機原理與應用(5) T4=1o應將PROM的數(shù)據(jù)區(qū)的存儲單元(如R9，即1001)的內(nèi)容送入累加器A，即： ER=1，PROM準備放出數(shù)據(jù)； LA=1，A準備接收數(shù)據(jù)；即CON=000100100000微型計算

23、機原理與應用(6) T5=1o因為T4=1時，已將數(shù)據(jù)存放入A中，所以，LDA的例行程序就已完成，T5節(jié)拍就變成空拍，即有：CON=000000000000o為什么需要空拍? 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)需要，為了使每條指令的機器周期都是一樣長，即6個節(jié)拍，所以在不需6個節(jié)拍的指令語句中都給加一個空拍以補足。這樣的機器稱為固定周期的計算機。微型計算機原理與應用示例(第2條指令)oLDA 9H，這條指令執(zhí)行完成后，就接著執(zhí)行ADD AH的指令。o其取指周期仍和LDA 9H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了。

24、o執(zhí)行周期和上條指令略有不同。o在執(zhí)行周期的各列中T3節(jié)拍，第2條指令(ADD AH)和第1條指令(LDA 9H)是一樣的，都是要求從IR將低4位的數(shù)據(jù)作為地址碼送到MAR去。所以其控制字中也是LM=1和EI=1。o但在T4節(jié)拍就略有不同了。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，這樣A和B的數(shù)據(jù)就能直接被送入ALU去相加。在T5節(jié)拍，第1條指令是空拍，第2條指令就不是了，因為將A和B的內(nèi)容相加的結(jié)果還要送回到A去。所以要求LA=1，EU=1。由于ALU在實行相加時，要求SU=0，所以這里沒出現(xiàn)SU。微型計算機原理與應用示例(第3、4、5條指令)o第3、第4條和第1條指令完全一

25、樣，也是執(zhí)行周期為3節(jié)拍，控制字也完全一樣。因為它們同樣是要求進行加法運算。o第5條是要求減法運算所以最后一個節(jié)拍中出現(xiàn)SU=1，因而控制字變成：CON=000000101100微型計算機原理與應用示例(第6、7條指令)o第6條指令要求將累加器的內(nèi)容送入輸出寄存器，而與存儲器PROM無關(guān)，所以只在T3節(jié)拍要求LO=1，EA=1，而T4及T5節(jié)拍為空拍。o第7條指令只要求不再運行下去，即要求CLK時鐘停發(fā)脈沖。這便是由控制器直接發(fā)出停止信號。所以在T3節(jié)拍發(fā)出HLT(停機信號)后T4及T5節(jié)拍也是空拍。微型計算機原理與應用3.5 控制部件o控制部件是使計算機能夠成為自動機的關(guān)鍵部件。它包括下列主

26、要部件：n環(huán)形計數(shù)器(RC)n指令譯碼器(ID)n控制矩陣(CM)n其他控制電路o環(huán)形計數(shù)器、指令譯碼器、控制矩陣稱為控制器。環(huán)形計數(shù)器用以發(fā)出環(huán)形字，從而產(chǎn)生機器節(jié)拍微型計算機原理與應用3.5.1 指令譯碼器o進入IR的數(shù)據(jù)的高4位立即被送入控制部件。o這高4位就是各種控制動作的代碼n0000代表LDA的控制動作；n0001代表ADD的控制動作；n0010代表SUB的控制動作；n1110代表OUT的控制動作；n1111代表HLT的控制動作。o一個動作相當于一條控制線，要實現(xiàn)該動作，必須使該控制線為高電位。o這個由4個位組成的編碼，必須被譯成一個信號，即譯為某一控制線為高電位，這就是譯碼器的任

27、務。o譯碼器可以由與門和非門組成，圖3.5就是一個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5條指令，所以只要5個與門就夠了。微型計算機原理與應用圖圖3.5微型計算機原理與應用LDA指令o由PROM進入到指令寄存器的數(shù)據(jù)是8位的，設為I7I6I5I4I3I2I1I0，則其高4位為： I7I6I5I4o指令為LDA時，I7I6I5I4=0000o此時，加至指令譯碼器的輸入端的全是低電位，而各個非門的輸出則全為高電位，所以與門1的四個輸入端也全是高電位，故其輸出，即控制線LDA為高電位。微型計算機原理與應用ADD指令o指令為ADD時，I7I6I5I4=0001o此時

28、，加于指令譯碼器的輸入端的左三個(I7I6I5)為低電位，而右一個(I4)為高電位。而與門2的上邊一條輸入線不接至非門而直接與I4相接，所以是高電位。與門2的其他3條輸入線都接至非門，所以也是高電位。因此，與門2的4個輸入端全為高電位，故其輸出，即控制線ADD為高電位。微型計算機原理與應用SUB指令o指令為SUB時， I7I6I5I4=0010o與門3應有一個輸入線直接接至I5，其他各線則接至非門。也就是說，哪一位為0(低電位)，則與門與該位相連的輸入線應接至其非門；否則，直接接至該位。微型計算機原理與應用OUT和HLT指令o與前面的指令類似o自己檢驗一下微型計算機原理與應用3.5.2 控制矩

29、陣o譯碼器能將編碼信息譯成某一控制線為高電位o每一節(jié)拍大都要求兩個控制字位為高電位，雖然也有一位為高電位的(如CP=1)，但只要不是一位的就要求2位或3位為高電位。o控制字有12位，每一指令要執(zhí)行6拍，每拍均有不同的位為高電位，這又如何實現(xiàn)呢?o控制矩陣就是為了解決這個問題的，所以控制矩陣是控制部件的核心。o圖3.6就是這樣一個控制矩陣(CM)。微型計算機原理與應用圖圖3.6微型計算機原理與應用說明o最上面部分是一個環(huán)形計數(shù)器，它使T0至T5的6根橫線輪流為高電位；中間4根橫線為指令控制信號線。它們的電位高低是由上面的譯碼器決定的；最下面部分是由19個與門和6個或門組成一個邏輯電路。這個電路共

30、有12個輸出端，就是控制字CON：CON=CPEPIMERLIEILAEASUEULBLOo開機前總是先使CLR為高電位，則此時環(huán)形計數(shù)器復位至T0=1，其他各位為0。這就是說，每一節(jié)拍都是從T0開始的。微型計算機原理與應用LDA=1oT0=1時，EP=1；LM=1。(因為T0直接接至EP并通過或門I接至LM)oT1=1時，LI=1(因為LI端與T1直接相連)；ER=1(因為T1通過或門至ER端)oT2=1時，CP=1(因為T2直接通至CP端)oT3=1時，LM=1(因為與門1的兩個輸入都是高電位，使或門導通)。EI=1(因為與門7的兩個輸入都是高電位，使或門導通)。微型計算機原理與應用LDA

31、=1(續(xù))oT4=1時，ER=1(因為與門4的兩個輸入都是高電位，使或門導通);LA=1(因為與門10的兩個輸入都是高電位，使或門導通)。oT5=1時，沒有任何位為高電位(空拍)。微型計算機原理與應用控制字實現(xiàn)方法o硬件方法：從結(jié)構(gòu)上用邏輯電路的方法來實現(xiàn)控制字。o微程序法：軟件實現(xiàn)n指令系統(tǒng)較大，控制字較長(即位數(shù)很多)n不作要求微型計算機原理與應用3.5.3 其他控制電路o上面由環(huán)形計數(shù)器、控制矩陣及指令譯碼器組成的部分稱為控制器。o為了實現(xiàn)控制動作，還需要下述幾個電路(見圖3.7)。微型計算機原理與應用圖圖3.7微型計算機原理與應用時鐘脈沖發(fā)生器o一般可分成兩部分，即時鐘振蕩器及射極跟隨

32、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)生器同時要推動很多的電路。微型計算機原理與應用運行停車觸發(fā)器o這個電路既接收來自按鈕的“運行”脈沖信號，也接收來自指令譯碼器的“HLT”停車信號，而其輸出就去啟動時鐘振蕩器。微型計算機原理與應用“啟動”和“清除”按鈕o這是由人直接操作的主令電器，命令都是由此開始的。微型計算機原理與應用3.6 微型計算機功能的擴展o上面介紹的微型計算機的功能顯然是太少了，以致實際上沒有什么用處。o功能不足的原因n硬件過于簡單，尤其是控制部件只能接受5條指令而產(chǎn)生相應的例行程序。擴充指令系統(tǒng)。n軟件開發(fā)，即如何利用現(xiàn)有的指

33、令系統(tǒng)，經(jīng)過靈活的編程以解決更多更復雜的問題。o圖3.8是功能擴充了的微型計算機的結(jié)構(gòu)圖，其基本結(jié)構(gòu)和圖3.1的簡易微型計算機是相似的。微型計算機原理與應用圖圖3.8微型計算機原理與應用1. 子程序計數(shù)器SCo它本身也相當于一個程序計數(shù)器，不過它不由CLR來清零，而可由LS門來置數(shù)。一旦置數(shù)，即為其子程序的開始地址。oSC的位數(shù)為8位。LS“裝入”的可控門；ES“輸出”的可控門，即3態(tài)門；CS“計數(shù)”的控制端。微型計算機原理與應用2. 程序計數(shù)器PCoPC增加了一個LP門，這就使得PC可以接收跳轉(zhuǎn)地址。oPC可以不從00H開始。微型計算機原理與應用3. 隨機存取存儲器RAMo不用PROM而用R

34、AM作為主存儲器。oRAM的存儲單元為256個，字長為12位。因為可以隨機存取，還需要一個MDR(存儲數(shù)據(jù)寄存器)。微型計算機原理與應用4. 控制部件CONo產(chǎn)生一個28位的控制字：LSCSESLPCPEPLMWEMELDEDLIEILNENLAEAS3S2S1S0EULBLXINXDEXEXLO微型計算機原理與應用5. 算術(shù)邏輯部件ALUo簡化型計算機的ALU是一個二進制補碼加法器減法器。只有算術(shù)加法及減法兩種運算。其控制端為Su，即只有一位。o這里的控制端改為S=S3S2S1S0，即有4位。4位則有16種可能的組合，本機只用其中的10種，以得到3種算術(shù)運算和7種邏輯運算。微型計算機原理與應

35、用6. 變址寄存器Xo新增加的一種寄存器，它可以用指令使其加1或減1：INX加1指令助記符，其控制端符號為INX；DEX減1指令助記符，其控制端符號為DEX。微型計算機原理與應用7. 指令寄存器IRo12位的寄存器，其指令字段和地址字段的位數(shù)不是固定不變的。o在訪問存儲器指令(MRI)和轉(zhuǎn)移指令的執(zhí)行期間，高4位代表指令字段，低8位代表地址字段。 (MSB4位)(LSB8位) CONW總線微型計算機原理與應用7. 指令寄存器IRo在運算指令執(zhí)行期間，高8位代表指令字段，而低4位可為任意數(shù)，因為它不代表任何意義： (MSB8位)(LSB4位) CON 不用微型計算機原理與應用擴充后的指令系統(tǒng)o共

36、有28條指令，可分為3類：n訪問存儲指令n轉(zhuǎn)移指令n邏輯運算指令微型計算機原理與應用1. 訪問存儲器指令omemory reference instruction,縮寫為MRIo這些指令都與存儲器的讀寫有關(guān)，所以其地址字段必須為8位(256個地址)。o訪問存儲器指令的特點是：由指令寄存器分出來的地址字段(8位的地址字段)必定進入MAR(存儲器地址寄存器)，這就能夠識別出MRI這類指令。微型計算機原理與應用2. 轉(zhuǎn)移指令o可用以改變程序的順序。o有了這類指令，就可以在規(guī)定的某種條件下將程序進程向前轉(zhuǎn)移或向后轉(zhuǎn)移，也可跳過若干條指令語句或去執(zhí)行某個子程序之后再回至下一條指令語句。o轉(zhuǎn)移指令也有六條

37、，其特點是由指令寄存器IR分出來的地址段(8位)將進入程序計數(shù)器PC(即LP=1)，或子程序計數(shù)器(LS=1)。微型計算機原理與應用3. 邏輯運算指令o這類指令的特點是與存儲器及程序計數(shù)器都無關(guān)，而是與ALU、A及B寄存器有關(guān)。o控制器只要接到1111的高4位，即知為運算指令，然后控制器再辨認選擇碼以確定進行什么樣的運算。o由于這些運算都是在ALU和A，B之間進行的，所以不需地址碼。低4位可以不置數(shù)，由其隨機存在，并不產(chǎn)生任何影響。微型計算機原理與應用3.7 初級程序設計舉例o所謂初級程序是包括下列的程序模式：(1) 簡單程序程序一統(tǒng)到底，中間沒有任何分支和跳轉(zhuǎn)。(2) 分支程序程序進行中，根

38、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。(3) 循環(huán)程序程序進行過程中，在某一循環(huán)體進行若干次循環(huán)運行，然后再繼續(xù)前進。(4) 調(diào)用子程序程序進行至某一階段，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)運行下去。微型計算機原理與應用例3.1 程序清單指R0LDA6H把(R6)裝入A去令R1SUB7H從(A)減去(R7)區(qū)R2JAM5H(A)=負，則轉(zhuǎn)移至R5R3JAZ5H(A)=0，則轉(zhuǎn)移至R5R4JMP1H無條件轉(zhuǎn)移至R1R5HLT數(shù)R625(10)據(jù)區(qū)R79(10)微型計算機原理與應用例3.1o此程序清單包括指令區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)。數(shù)據(jù)區(qū)只存入兩個數(shù)據(jù)：25(10)和9(10)

39、，它們分別存于存儲單元R6和R7中。指令區(qū)是要求將R6中的內(nèi)容減去R7中的內(nèi)容，當其差0時，即停止運算，否則繼續(xù)作多次的減法運算。o按上面程序清單的次序，看每條指令執(zhí)行的結(jié)果應是什么。微型計算機原理與應用指令執(zhí)行結(jié)果R0LDA6HA中的內(nèi)容=25(10)R1SUB7H A中的內(nèi)容=25-9=16(10)R2 JAM 5H 因為(A)負，所以不轉(zhuǎn)移R3JAZ 5H 因為(A)0，所以不轉(zhuǎn)移R4 JMP 1H 無條件轉(zhuǎn)移至R1從R1起再執(zhí)行第2次：R1SUB7HA中的內(nèi)容=16-9=7(10)R2JAM5H因為(A)負，所以不轉(zhuǎn)移R3JAZ 5H 因為(A)0，所以不轉(zhuǎn)移R4JMP 1H 無條件轉(zhuǎn)

40、移至R1微型計算機原理與應用從R1起再執(zhí)行第3次：R1SUB7HA中的內(nèi)容=7-9=-2(10)R2JAM5H因為(A)=負，所以轉(zhuǎn)移至R5R5HLT 停機這個程序可以理解為求(R6)(R7)的除法運算。這里是259，除的結(jié)果應得商為2，余數(shù)為7。程序循環(huán)運行的次數(shù)即為商，余數(shù)即為第2次執(zhí)行后A中的內(nèi)容。微型計算機原理與應用【例3.2】循環(huán)程序o用變址寄存器可以設計一個循環(huán)程序：R0LDX5H;將(R5)裝入變址器XR1DEX ;(X)減1R2JIZ 4H;(X)=0，則轉(zhuǎn)移至R4R3JMP1H;無條件轉(zhuǎn)移至R1sR4HLT ;停機R53(10) ;(R5)=3(10)(數(shù)據(jù))微型計算機原理與

41、應用第1次執(zhí)行結(jié)果：R0LDX5H(X)=(R5)=3(10)R1DEX (X)=3-1=2(10)R2JIZ 4H因為(X)0，所以不轉(zhuǎn)至R4R3JMP1H無條件轉(zhuǎn)回R1第2次執(zhí)行結(jié)果：R1DEX (X)=2-1=1(10)R2JIZ 4H因為(X)0，所以不轉(zhuǎn)至R4R3JMP1H無條件轉(zhuǎn)回R1第3次執(zhí)行結(jié)果：R1DEX (X)=1-1=0R2JIZ 因為(X)=0，所以轉(zhuǎn)至R4R4HLT 停機微型計算機原理與應用由此例可見，DEX至JIZ這兩條指令之間要執(zhí)行由“LDX R5”中所規(guī)定的次數(shù)(R5的內(nèi)容就是次數(shù))。此例R5=3(10)，所以執(zhí)行3次。如R5=10(10)，則將進行10次，R5

42、=100(10)，則將進行100次。這個循環(huán)程序可以圖3.9的流程圖(見教材60頁)來領會其執(zhí)行過程。如果在DEX和JIZ之間還有別的指令語句，則同樣也得執(zhí)行3次。在DEX和JIZ之間的內(nèi)容稱為循環(huán)體。微型計算機原理與應用例3.3 乘法計算的程序o利用循環(huán)程序可作乘法計算，例如要求12(10)8(10)，就是要求將12(10)連加8次。這就可以利用循環(huán)程序，讓它進行8次循環(huán)。o程序如下：R0NOPR1LDXAHR2CLAR3DEXR4ADD9H7次返回R5JIZ 7HR6JMP 3HR7OUT轉(zhuǎn)出循環(huán) R8HLT R912(10) RA8(10)微型計算機原理與應用例3.3oNOP為空操作指令

43、，即不做什么動作。o執(zhí)行LDX AH時，把(RA)=8(10)裝入變址器X。o執(zhí)行CLA時，使累加器A清零。o執(zhí)行DEX時，開始循環(huán)，并在第1次通過時把(X)減1而成為(X)=7(10)。o執(zhí)行ADD 9H時，把12(10)與累加器A的內(nèi)容相加。oJIZ 7H的指令，在第1次循環(huán)時不起作用。執(zhí)行JMP 3H時，使程序回到DEX語句。o因為存儲單元RA裝入的是8(10)，即在變址寄存器中的整數(shù)是8(10)，所以循環(huán)要執(zhí)行8次。而ADD 9H(R9中裝的是12(10)處于DEX和JIZ之間(ADD 9H就是循環(huán)體)，所以也要執(zhí)行8次，即12(10)這個數(shù)要在ALU中與A的內(nèi)容連加8次后存在累加器A

44、中。微型計算機原理與應用例3.3 o當執(zhí)行8次循環(huán)之后，再執(zhí)行JIZ 7H時，程序就轉(zhuǎn)至OUT，于是答案96(10)就被存入輸出寄存器O中，然后執(zhí)行程序HLT停機。程序至此執(zhí)行結(jié)束。o此例中的變址寄存器X的內(nèi)容是由存儲單元RA裝入的。要知道RA的內(nèi)容是由輸入寄存器N由外部設備輸入的。其實可以直接由外部設備通過輸入寄存器N裝入累加器A再裝入變址寄存器，而不必經(jīng)過存儲器的單元RA。這只要將上例中的頭兩條指令改成下面的樣子即可：R0INP ;將外部數(shù)據(jù)裝入AR1XCH;將(A)和(X)互換o其他各條指令保持原樣不變，而刪去最后那一條指令RA=8(10)。o由于在進入循環(huán)之前，有一條CLA語句，可以將

45、A清零，所以A和X交換之后，A中是什么內(nèi)容可以不去管了。微型計算機原理與應用例3.4 邏輯運算的例子o設計一個程序，用以測試某個來自接口電路的輸入數(shù)I0(12位)，以確定該數(shù)是否為奇數(shù)。o如I0為奇數(shù)(即最后一位為1)，則顯示一個111111111111；o如I0是偶數(shù)(最后一位為0)，則顯示一個00000000 0000。微型計算機原理與應用例3.4 程序清單R0INP；將I0裝入累加器AR1LDB9H；將(R9)裝入寄存器BR2AND；將(B)與(A)進行“與”運算R3JAZ6H；(A)=0，則轉(zhuǎn)移至R6R4LDAAH；將(RA)裝入累加器AR5JMP7H；無條件轉(zhuǎn)至R7R6LDABH；將

46、(RB)裝入累加器AR7OUT；輸出(A)至顯示器R8HLT；停機R90 0 0 00 0 0 00 0 0 1(掩碼)RA1 1 1 11 1 1 11 1 1 1奇數(shù)標志RB0 0 0 00 0 0 00 0 0 0偶數(shù)標志微型計算機原理與應用例3.4 解釋o執(zhí)行INP時， A=I0=A0 最右邊一位A0可能是1或0。o執(zhí)行LDB 9H時，將R9的內(nèi)容裝入寄存器B： B=(R9)=0000 0000 0001o這個字叫做掩碼或屏蔽字。這是因為在執(zhí)行“與”運算時，累加器中的數(shù)字A的高位(除A0位外的所有的位)將與“0”相“與”而均變成0，不論其原來是1或0。這就稱為屏蔽或掩蔽。微型計算機原理

47、與應用例3.4 解釋o執(zhí)行AND時，就是A和B的內(nèi)容各對應位相“與”，結(jié)果為： A=0000 0000 000A0o因此，在“與”運算之后： 如A=0，即為A0=0； 如A0，即為A0=1。 若被測試的I0為奇數(shù)，則此時A00；若I0為偶數(shù)，則A0=00。微型計算機原理與應用例3.4 解釋o如A0=1，即執(zhí)行JAZ，結(jié)果因A0，不轉(zhuǎn)移至R6，而執(zhí)行其下一條語句：LDA AH，即將RA的內(nèi)容(1111 1111 1111)裝入累加器A。再執(zhí)行JMP 7H，即跳過下一條指令而至R7，即指令OUT，就將累加器的內(nèi)容顯示出來。o如A0=0，則執(zhí)行JAZ指令時，因A=0，所以轉(zhuǎn)移至R6。R6的指令為LD

48、A BH，即將RB的內(nèi)容裝到累加器A中去，于是:A=0000 0000 0000o接著執(zhí)行OUT語句，而把此內(nèi)容顯示出去。o邏輯運算，經(jīng)常用來測試數(shù)字的各種狀態(tài)，如測試任一位的奇偶性等。微型計算機原理與應用例3.5 子程序設計o設計一個計算x2+y2+z2=?的計算程序。o由于x2，y2和z2在形式上都是一樣的，是求一個數(shù)的平方值，因此可將x2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，即可將其調(diào)出使用。o如將此子程序存于以RF2為起始地址(其地址為F2H，即1111 0010的存儲單元)的一個區(qū)域中，則可設計其程序如下。微型計算機原理與應用例3.5 程序清單 RF2STACAH；將

49、(A)暫存于RCA RF3LDXCAH；將(RCA)裝入XRF4CLA；累加器A清零循環(huán)程序RF5DEX；(X)減1循環(huán)體RF6ADDCAH；將(RCA)與(A)相加x個x相加的過程RF7JIZF9H；(X)=0,則轉(zhuǎn)移到RF9RF8JMPF5H；無條件轉(zhuǎn)移至RF5RF9BRB；返回主程序RC6RC6xRC7y；被運算的數(shù)據(jù)RC8zRC9RCA；運算過程暫存地址微型計算機原理與應用例3.5 程序執(zhí)行過程o第1步，先將要運算的十進制數(shù)4，6和8存入到存儲單元RC6，RC7，RC8中去。o第2步，就可開始執(zhí)行此程序了。其執(zhí)行過程如下： R00：將RC6的內(nèi)容(4(10)裝入累加器A。 R01：無條

50、件跳至子程序開始地址F2H，并執(zhí)行子程序的各條指令。其過程如下： RF2：將A的內(nèi)容4(10)暫存入RCA中。 RF3：將RCA中的內(nèi)容4(10)裝入X中。微型計算機原理與應用例3.5 程序執(zhí)行過程RF4：將A清除即使(A)=0。RF5：使X的內(nèi)容減1，于是(X)=4-1=3(10)。RF6：將RCA的內(nèi)容4(10)與A的內(nèi)容(0)相加，并存于A中，所以A=0+4=4(10)。RF7：檢查(X)是否為0，因為(X)=3(10)0，所以不跳轉(zhuǎn)至RF3，而執(zhí)行下條指令。RF8：無條件轉(zhuǎn)至RF5，進入第2循環(huán)，X的內(nèi)容由3(10)減為2(10)。接著重復循環(huán)體RF6指令，再將RCA的內(nèi)容4(10)加

51、到累加器A的內(nèi)容中去。這樣重復4次，A中所存的數(shù)即為4+4+4+4=16=42。重復4次后，再執(zhí)行至RF7時，檢查X的內(nèi)容，則(X)=0，所以跳出循環(huán)而進行RF9。RF9：返回至主程序的R02。微型計算機原理與應用例3.5 程序執(zhí)行過程R02：將累加器A的內(nèi)容42=16(10)暫存入RC9中。R03：將RC7的內(nèi)容6(10)裝入A中。R04：第2次跳轉(zhuǎn)至子程序的開始地址RF2。由于RC7的內(nèi)容為6(10)，所以此循環(huán)將執(zhí)行6次，最后累加器中的內(nèi)容為62=36。然后跳回主程序的R05。R05：將RC9的內(nèi)容42=16(10)與累加器A的內(nèi)容62=36(10)相加，并存于A中，所以(A)=42+6

52、2R06：將A的內(nèi)容(42+62)暫存于RC9中。R07：將RC8的內(nèi)容8(10)裝入A中。R08：第3次跳轉(zhuǎn)至子程序開始地址RF2，并依次執(zhí)行下去，至RF5又進入第3次以循環(huán)體為RF6 ADD，CAH的循環(huán)。此時由于裝的是RC8，其內(nèi)容為8(10)，所以循環(huán)次數(shù)為8次。循環(huán)體中的RCA裝的也是RC8的內(nèi)容，所以也是8(10)，所以8次循環(huán)后，存于A中的是82=64(10)，然后跳回主程序的R09。微型計算機原理與應用例3.5 程序執(zhí)行過程R09：將RC9的內(nèi)容(42+62)與累加器A中的內(nèi)容(82)相加，結(jié)果仍存入A中。所以A的內(nèi)容為(42+62+82)。R0A：將A的內(nèi)容送入輸出寄存器O。

53、此寄存器立即使顯示器出現(xiàn)計算結(jié)果。R0B：停機。由上可見，只要將被運算的3個數(shù)x，y和z放入RC6，RC7和RC8就可以通過此程序計算任何3個數(shù)的平方和了。微型計算機原理與應用3.8 控制部件的擴展o對于整個控制部件而言，也還是可以用圖3.7的方框圖來說明其中各環(huán)節(jié)的關(guān)系。不過，這個功能更大的模型式計算機的控制器就要復雜得多。其中，主要是控制矩陣，顯然變得更龐大而復雜，以致不可能在課本中將其邏輯電路畫出來。圖3.10就是控制器的結(jié)構(gòu)圖。微型計算機原理與應用圖圖3.10微型計算機原理與應用說明o圖中的Aminus，Azero，Xminus和Xzero來自累加器A和變址寄存器X。指令譯碼器接收來自

54、指令寄存器IR的8位指令字段(高8位)而譯成28條指令線。其中HLT將直接被引到運行停車觸發(fā)器(見圖3.7)。其他27條指令則被引至控制矩陣，以便產(chǎn)生28位的控制字。微型計算機原理與應用控制矩陣o和上述的微型計算機一樣，這也是一臺固定機器周期的計算機。一個機器周期也是包含6拍，前3拍為取指周期，后3拍為執(zhí)行周期。o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來表示：T0Ep=1，LM=1(PCMARRAM)；T1ME=1，LI=1(RAMIR)；T2CP=1，(PC+1PC)。o這3個節(jié)拍和上述的微型計算機的一樣，請參考3.4。o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

55、制字中各位的置位情況各不相同。微型計算機原理與應用助記符LDAo這是一條指令的操作碼(0000)，如有一個操作數(shù)為nn(8位)，則形成的指令為LDA nn。設此指令存于RAM的指令區(qū)的第一個存儲單元(其地址為0000 0000)，nn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(n代表一個4位二進制數(shù))，如圖3.11所示。微型計算機原理與應用圖圖3.11微型計算機原理與應用LDA執(zhí)行過程(1) 在T0拍時則程序計數(shù)器PC將地址0000 0000送到MAR，同時也到RAM去。(2) 在T1拍時 ME=1LI=1則RAM中地址為0000 0000的存儲單元的內(nèi)容(0000nn)被讀出而送到控制器(0000部分)及指令寄存器IR(nn部分)中去。(3) 在T2拍時 CP=1，則程序計數(shù)器加1。(4) 在T3拍時 EI=1LM=1，則指令寄存器IR的內(nèi)容(nn)被送到MAR，同時也進入RAM去。因nn是在數(shù)據(jù)區(qū)，所以其內(nèi)容(mmm)(m也是一個4位二進制數(shù))是一個要送入累加器A中去的數(shù)據(jù)。微型計算機原理與應用LDA執(zhí)行過程(5) 在T4拍時 ME=1LA=1 則RAM中地址為nn的存儲單元的內(nèi)容(mmm)被送到累加器A中去。(6) 在T5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。對于其他的指