第2章 微处理器

W
PC
0001
4
8 8
A
8
LA CLK EA SU EU LB CLK LO CLK
IR
4
8
8
ALU
8
0000 1001 4
CLK CLR
CON CON
12
8
B
CPEPLMERLIEILAEASUEULBLO
LM CLK ER MAR
1001
4 4
8
O
8
D

1000 0001 8
LO CLK
ER
8

§2.1.3 模型机的运行过程
二、简化模型机的运行过程---T3（第4个CLK）
CP CLK CLR EP LI CLK CLR EI CLK CLR
W
PC
0001
4
8 8
A
8
LA CLK EA SU EU LB CLK LO CLK
IR
4
8
8
ALU
16*8 PROM
§2.1.3 模型机的运行过程
二、简化模型机的运行过程---T1（取指节拍，第2个CLK）
CP CLK CLR EP LI CLK CLR EI
W
PC
4
8 8
A
8
LA CLK EA SU EU LB CLK LO CLK
IR
4
8
4
8
ALU
8
CLK CLR
CON CON
12
8
B
CPEPLMERLIEILAEASUEULBLO
E 0 A 0 B 高阻
0
1 1
1
0 1
高阻
0 1
即：E=0时，A、B之间断开，
E=1时，A、B之间导通。 三态门符号见右下图。 注意：用两个三态门可以构成双向 三态输出电路。 三态门简称E门，装入门简称L门。 三态指0、1 以及高阻态

§2.1.1 预备知识
总线结构 (1)总线结构原理图：
为一个字(word)，一个字由若干位(bit)构成，8个bit称为一 个字节(byte)。为了能够准确地访问到所需要的存储单元，必 须为每个存储单元分配一个地址(address,相当于门牌号码)。 地址是二进制代码，n位地址码可以表示2n个地址，即n根地址 线可以译出2n个地址号。
m个存储单元、每个存储单元n位的存储器通常表示为m×n的
8
0000 1001 4
CON CON
12
8
B
CPEPLMERLIEILAEASUEULBLO LM CLK ER MAR
4 4
8
O
8
D
8

16*8 PROM
§2.1.3 模型机的运行过程
二、简化模型机的运行过程---T4（第5个CLK）
CP CLK CLR EP LI CLK CLR EI
控制字的作用：控制字用于多个寄存器中任意两个寄存器之间利用公共总
线进行信息传输。为了保证信息传输的正确性，控制字的取值必须符合一 定的规则。如在某一时钟节拍内，只能有一个寄存器的E门打开，否则就会 产生冲突。
例：
1 0 0 0 0 0 1 1 1 0
控制字CON
LA EA LB EB LC EC LD ED 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1
由边沿触发的D触发器组成。例如：
Y3 Q3 D3 X3 Y2 Q2 D2 X2 Y1 Q1 D1 X1 Y0 Q0 D0 X0
CLK CLR

§2.1.1 预备知识
可控缓冲寄存器：每个D触发器增加一个装入控制门LOAD，见下图。 装入控制门
Y3 X3 Y2 X2 Y1 X1 Y0 X0
§ 2.1 微机简化模型
预备知识
模型机
指令系统
回顾在《数字电 路》中学过的一 些电路，为学习 模型机做准备。
介绍模型机的组 成、工作原作用 。

§ 2.1.1 预备知识 一、寄存器 二、算术逻辑单元 三、三态输出电路 四、总线结构 五、存储器
CPU
IR
4
8
4
8
ALU
8
CON
12
8
B
CPEPLMERLIEILAEASUEULBLO
8
4
O
8
I/O
Mem
LM CLK ER
MAR
4
D
8

16*8 PROM
§ 2.1.2 微机简化模型的组成
1. 程序计数器PC 计数范围由0000～1111(0～F)。 每次运行之前，先复位至0000。当取出一 条指令后，PC应加1。 2. 存储地址寄存器MAR 接收指令和数据地址，送至PROM去。
§ 2.2 处理器的功能结构 § 2.3 IA-32微处理器的编程结构 § 2.4 Pentium微处理器的外部引脚 § 2.5 Pentium微处理器的典型工作时序

§ 2.1 微机简化模型 通过简化的微机模型,来学习计算机的基 本工作原理.

其中，A、B为参与运算的两 个输入数据，Control为控制信 号，S为输出的运算结果。

§ 2.1.1 预备知识
三态输出电路
三态门是构成总线部件不可缺少的电路元件，其作用是可以使多个输
入、输出信号共享一条信号传输线，从而达到节省线路的目的。 (1)三态输出电路：见右图。 (2)工作原理：
第二章 微处理器

第二章 微处理器
本章将从微机的简化模型入手，开始讲述微机的内部工作原理；然后 以16位微处理器8086为过渡，讲述IA-32架构微处理器的功能结构及编程结 构；最后以32位微处理器Pentium为例,讲述32位微处理器的外部引脚及工作 时序。
§2.1 微型计算机简化模型
存储器。例如：16×8存储器表示有16个存储单元，每个存储 单元8位，它有4条地址线，8条数据线。

§ 2.1.2 微机简化模型的组成
CP CLK CLR EP LI CLK CLR EI CLK CLR
W
PC
4
8
8
A
8
LA CLK EA SU EU LB CLK LO CLK

§ 2.1.2 微机简化模型的组成
8.可编程序只读存储器PROM PROM是16*8的只读存储器，内部有16个存储单 元，每个存储单元可存放8位二进制数。PROM中的内 容可以实现通过特殊的编程器烧录进去。 为了读取PROM中某个存储单元的内容，需要提供 4位地址信号来选择。MAR（Memory Address Register）就是向PROM提供地址信号的。当MAR中的 内容=（1000）2时，PROM中的8号存储单元被选中。 如果ER=1，则8号存储单元中的内容可以送到总线上。
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

§ 2.1.2 微机简化模型的组成
5. 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。 6. 算术逻辑部件ALU 它只是一个二进制补码加法器／减法器。 当SU=0，ALU进行加法A+B；当SU=1，ALU进行减法 A-B。 7. 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。
LOAD
& ≥1 & & ≥1 & & ≥1 & & ≥1 &
Q0
D0
Q0
D0
Q0
D0
Q0
D0 CLK CLR

§ 2.1.1 预备知识 算术逻辑单元
算术逻辑单元(Arithmetic Logical Unit,简 称ALU)，用于实现算术与逻辑运算，包括加、 减、乘、除等算术运算和与、或、非、异或、同 或等逻辑运算。其符号表示如下：
0000 1010 0001 1011
2、上电时，各寄存器有初始值： PC=0000B 3、上电后，CLK由CON不断送出， 模型机进入自动运行状态。
. 0AH 0BH
1010 1011 0011 0011

§2.1.3 模型机的运行过程
二、简化模型机的运行过程---T0（地址节拍，第1个CLK）
W W W W
3 2 1 0
LA CLK EA
A C LC CLK EC
LB CLK EB
B
D LD CLK ED

§2.1.1 预备知识
(2)控制字：将各个寄存器的装入控制门(L门)和三态门(E门)的控制信号排 成一列，称为控制字CON。如上图，其控制字为： CON=LAEALBEBLCECLDED

§ 2.1.2 微机简化模型的组成
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。
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。

§ 2.1.3 模型机的运行过程
一、初始状态：
00H 01H . .
1、存储器中事先存放一些数据
16*8 PROM
§2.1.3 模型机的运行过程
二、简化模型机的运行过程---T5（第6个CLK）
CP CLK CLR EP LI CLK CLR EI CLK CLR
W
PC
0001
4
8 8
A
8
LA CLK EA SU EU LB

§ 2.1.1 预备知识
寄存器 寄存器（Register）是由触发器组成的一种存储装置。 特点：用于暂存数据。 不同于存储器，数量少，速度快。 分类：缓冲寄存器（Buffer Register）：暂存数据。 移位寄存器(Shift Register)：除存储功能外，还具有移位功能。 计数器(Counter)：除存储功能外，还具有计数功能。 累加器(Accumulator)：用于暂存ALU的计算结果。 缓冲寄存器

§ 2.1.2 微机简化模型的组成
3. 指令寄存器IR
IR从PROM接收指令字(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 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。
信息流通
数据由B A 数据由A B 数据由A C 数据由A D 数据由D B
1
0
0
0
0
1
0
0
数据由C A

控制字将由控制器发出并送到各个寄存器上去。
§2.1.1 预备知识
存储器(Memory)
基本概念：
存储器是计算机中用于存储程序和数据的装置。 存储器由许多存储单元组成，每个存储单元所存储的内容称
LM CLK ER MAR
0000
4 4
8
O
8
D

16*8 PROM
0000 1001 8
§2.1.3 模型机的运行过程
二、简化模型机的运行过程---T2（计数节拍，第3个CLK）
CP CLK CLR EP LI CLK CLR EI CLK CLR CPEPLMERLIEILAEASUEULBLO LM CLK MAR 0000 4 16*8 PROM 4 W PC 0001 IR 0000 1001 4 CON CON 12 8 O 8 D 8 4 8 4 8 8 8 8 ALU 8 B A LA CLK EA SU EU LB CLK
4. 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=0000
0000
(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
CP CLK CLR EP LI CLK CLR EI CLK CLR
W
PC 0000 IR
4 4
8 8
A
8
LA CLK EA SU EU LB CLK LO CLK
8
4
8
ALU
8
CON CON
12
8
B
CPEPLMERLIEILAEASUEULBLO LM CLK ER MAR
4 4
8
O
8
D
8