微型计算机的基本工作原.ppt
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1、第3章微型计算机的基本工作原理,2004-3-4,微型计算机原理及应用_宋廷强,2,本章教学目的,本章以一个简化了的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。,2004-3-4,微型计算机原理及应用_宋廷强,3,本章 学习要求,1.掌握模型机的简化形式;模型机各部件的功能与作用;基于模型机的编程过程。位(Bit)、字(Word)、字节(Byte)、中央处理单元(CPU)等名词术语。,2.理解指令的意义;指令周期;控制字的含义。,3.了解程序设计步骤;控制部件的构成及其工作原理,模型机的功能扩展,现代技术在微型集中的应用。,2004-3-4,微型计
2、算机原理及应用_宋廷强,4,本章 主要外语词汇,PROM:Programmable Read Only Memory,可编程只读存储器CM:Control Matrix,控制矩阵Bit:位Byte:字节Word:字,2004-3-4,微型计算机原理及应用_宋廷强,5,主要内容,微型计算机结构的简化形式指令系统控制部件 程序设计及执行指令的例行程序微机功能扩展初级程序设计举例现代技术在微机中的应用,2004-3-4,微型计算机原理及应用_宋廷强,6,3.1 微型计算机结构的简化形式,微型计算机的基本功能 能运算、能判别及能决策;速度快模型机简化了的微型计算机可以根据模型机理解各个基本电路和部件之
3、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,2004-3-4,微型计算机原理及应用_宋廷强,7,模型机的结构特点,功能简单:只能做两个数的加减法。内存量小:只有一个168PROM(可编程序只读存储器)。字长8位:二进制8位显示。手动输入:用拨动开关输入程序和数据,2004-3-4,微型计算机原理及应用_宋廷强,8,模型机的硬件结构1,2004-3-4,微型计算机原理及应用_宋廷强,9,模型机的硬件结构2,1.程序计数器PC计数范围由00001111(0F)。每次运行之前,先复位至0000。当取出一条指令后,PC应加1。2.存储地址
4、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。,2004-3-4,微型计算机原理及应用_宋廷强,10,模型机的硬件结构3,可编程序只读存储器PROM可编程序ROM,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0PROM同时具有RAM和ROM功能。右图是44PROM的电路图168PROM的横线应为16条(R0R15),竖线为8条(D7D6D0),地址码线应为4条(A3A2A1A0),2004-3-4,微型计算机原理及应用_宋廷强,11,模型机的硬件结构4,4.指令寄存器IRIR从PROM接收指令字(当LI=1,ER=
5、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:MSBLSB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。5.控制部件CON(1)每次运行前,CON先发出CLR=1,使有关的部件清0。此时:PC=0000 IR=00000000(2)CON能发出同步脉冲CLK到各个部件去,使它们同步运行。(3)在CON中有控制矩阵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运行,2004-3-4,微型计算机原理及应用_宋廷强,12,
6、模型机的硬件结构5,6.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减法器(参见图1.9)。当SU=0,ALU,进行加法A+B;当SU=1,ALU,进行减法A-B,即(A+B)。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。,2004-3-4,微型计算机原理及应用_宋廷强,13,模型机的硬件结构6,9.输出寄存器O计算机运行结
7、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。10.二进制显示器D这是用发光二极管(LED)组成的显示器。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。,2004-3-4,微型计算机原理及应用_宋廷强,14,模型机的硬件结构7,总体来说,模型机可以如下划分中央处理器CPU(包括PC,IR,CON,ALU,A及B);记忆装置M(MAR及PROM);输入输出IO接口(包括O及D
8、),2004-3-4,微型计算机原理及应用_宋廷强,15,模型机的硬件结构8,中央处理器(central processing unit,CPU)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能(A及B)集成在一块电路器件上的集成电路(IC)。存储器M(memory)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(IO)是计算机实行人机对话的重要部件。实际微型计算机的输入设备多
9、为键盘,输出则为监视器(即电视屏显示器),因而必须有专用的输出接口电路。,2004-3-4,微型计算机原理及应用_宋廷强,16,3.2 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微型机有5条指令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。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 80386则为152条。,2004-3-4,微型计算机原理及应用_宋廷强,17,指令系统2,例如一个计算程序的格式如下:助记符操作数注释LDA
10、R9;把R9中的数据存入AADD RA;把RA中的数据与A的相加ADD RB;把RB中的数据与A的相加ADD RC;把RC中的数据与A的相加SUB RD;把A中的数据与RD的相减OUT;输出A中的数据,即结果HLT;停机,2004-3-4,微型计算机原理及应用_宋廷强,18,指令系统3,指令执行结果(A)=(R9)+(RA)+(RB)+(RC)-(RD)(D)=(A)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。(MAR)呢?HLT指令,使时钟脉冲停发,计算机停止运行,但电源未切断,显示器仍继续
11、显示计算结果,2004-3-4,微型计算机原理及应用_宋廷强,19,3.3 程序设计,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。指令清单是程序设计的重要步骤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。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,需要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。,2004-3-4,微型计算机原理及应用_宋廷强,20,程序设计2,3.3.1 操作码表这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
12、记符,列成对照表助记符 操作码LDA 0000ADD 0001SUB 0010OUT 1110HLT 11113.3.2 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)和数据存放区(数据区)。,2004-3-4,微型计算机原理及应用_宋廷强,21,源程序 目的程序存储单元指LDAR9 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0(R0)ADDRA 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1(R1)令ADDRB 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0(R2)ADDRC 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1(R3)区SUBRD
13、0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0(R4)OUT 1 1 1 0 0 1 0 1(R5)HLT 1 1 1 1 0 1 1 0(R6)数1610 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1(R9)2010 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0(RA)据2410 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1(RB)2810 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0(RC)区3210 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1(RD),3.3.3 将源程序翻译成目的程序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
14、元符号写成地址码(即R00000,R10001,R91001),2004-3-4,微型计算机原理及应用_宋廷强,22,3.3.4 程序及数据的输入方法,2004-3-4,微型计算机原理及应用_宋廷强,23,程序及数据的输入方法2,PROM分成两区,指令区一旦存入指令,就不许再改(除非要计算的公式改变了)。数据区是可以随时存入要参与运算的数据,并在计算过程中可以取出来将PROM的每个数据位的开关拨向置0或置1的位置输入在前面例题的计算程序设计好,并输入至PROM之后,就可以开始执行程序了。程序执行的第一步必须先使计算机复位,此时控制器先发出一个CLR为高电位的脉冲,同时时钟脉冲开始工作,即发出脉
15、冲电压系列到各个部件去。执行LDA 9H后A=0001000016(10)执行ADD AH后A=0010010036(10)执行ADD BH后A=0011110060(10)执行ADD CH后A=0101100088(10)执行SUB DH后A=0011100056(10)执行OUT 后 D=0011 100056(10)执行HLT 后D=00111000(不变),2004-3-4,微型计算机原理及应用_宋廷强,24,3.4 执行指令的例行程序,在程序和数据装入之后,启动按钮将启动信号传给控制部件CON,然后控制部件产生控制字,以便取出和执行每条指令。一个机器周期为执行一条指令的时间。机器周期
16、又可分为取指周期和执行周期。取指过程和执行过程机器都得通过不同的机器节拍。在这些节拍内,每个寄存器(PC,MAR,IR,A,B,O等)的内容可能发生变化。,2004-3-4,微型计算机原理及应用_宋廷强,25,执行指令的例行程序2,环形计数器及机器节拍 各位输出端Q0Q5的电位就是机器节拍T0T5的电位,由于时钟脉冲是经过反相器再接到环形计数器(图中的“汽泡”表示非门)的CLK端的,所以各节拍之间的转换是在时钟脉冲的负边缘开始的。环形计数器的输出看做是一个字T,则:T=T5T4T3T2T1T0下图是一个6位的环形字,用以控制6条电路,使它们依次轮流为高电位,T0,T1,T2,T3,T4和T5称
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