微机原理 (1)

第四节 执行指令的例行程序
计算机工作过程实际上就是信息在各个部件间流通的过程 电路部件 信息流通过程
第一节：微型计算机结构的简化形式
W
•微型计算机的基本功能 •简化微型计算机硬件结构 •简化微型计算机设计目的 •简化微型计算机的组成部件 •微型计算机的基本组成
LM
CP CLK CLR EP
L1 CLK CLR E1
8
PC
IR
W
CP CLK CLR EP L1 CLK CLR E1
8
LA
PC IR
4
4
8
A
8
CLK EA
8 4
CLK
8
ALU
SU EU
(7) 算术逻辑部件ALU 为一个二进制补码加 法器/减法器。 当SU=0 ALU → A+B 当SU=1 ALU → A-B
CON
12
8
B
O
8
CLR
CP EP LM ER LI EI LAEA SUEU LB LO
4
4
8
A
8
LA CLK EA
8 4
CLK
8
ALU B O
8 8
SU EU
CON
12
8
LB CLK
CLR LO CLK
CP EP LMERLIEI LAEASUEU LB LO
8
CLK
MAR
8
4
D
ER
16x8 PROM
8
简化的模型微型计算机的设计
硬件特点如下:
功能简单 内存量小 字长短 手动输入 —— —— 只能做两个数的加减法 只有一个16 x 8 PROM （可编程 序只读存储器） —— 二进制8位显示 —— 用拨钮开关输入程序和 数据
程序的设计步骤
一、先需有一个操作码表 这是由计算机厂家提供的翻译表，它是 每一个助记符与二进制码相应的对照表。本 机型中的五个助记符及其相应的操作码为： 助记符： 操作码：
ＬＤＡ ００００
ＡＤＤ ＳＵＢ ＯＵＴ ＨＬＴ
０００ 1 ００１０ １１１０ １１１１
二、存储器的分配
本例微机中把ＰＲＯＭ总的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） 指令区 数据区
（1） 程序计数器PC：计数 范围0000至1111。(思考：为 什么？与PROM关系)每次运 行之前，先复位0000 ，取出 一条指令后PC加1。PC中存 储的是下一条指令的地址。 （2） 存储地址寄存器MAR 接收来自PC的二进制的程序 地址并作为地址码送至PROM. 将PROM的寻址地址在CLK节 拍下输出。 W
M
I/O
W
2 记忆装置Ｍ（ＭＡＲ及ＰＲＯＭ）
CPU 寄存器Ｍ在本例中 是由存储地址寄存器和 可编程存储器。它们是 本例微机的内存。 实际上的内存要包 括更多的内容和更大的 存储容量。
M
I/O
W
3 输入／输出Ｉ／Ｏ
CPU
计算机实行人机对话 的重要部件。 在本例中输入是 人工设定ＰＲＯＭ而没 有输入电路只有输出接 口Ｏ。 实际微机的输入 设备多为键盘，输出则 为监视器，因而必须由 专用的输出接口电路。
8 4
CLK
8
ALU
SU EU
CON
12
8
B
O
8
LB CLK
CLR LO CLK
CP EP LMER LIEI LAEASUEU LB LO
LM CLK
8
MARቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
8
4
D
ER
16x8 PROM
8
根据控制字中各位的 置1 或置0情况，计算机就能自 动的按指令而有秩序的运行 2）每次运行之前，CON先 发出CLR=1，使有关的部件 清零。即：PC=0000； IR=0000 0000 3）CON有一个同步时钟， 能发出脉冲CLK到各个部件 去，使他们同步运行。 。
A1 A0
1
﹠
2 K03 K13 K23 K02 K12 K22 K01 K11 K21 K00
R0 R1 K10 R2 K20 R3 K33 K32 K31 K30
a.实现16×8PROM，可访问 16个8bits的空间。对应地 址码为4位：24＝16 b.横线16根，竖线8根，地 址线4根。 c. PROM和 ROM的不同点： PROM实际上同时具有 RAM和ROM 的功能。 开关－>置0/1－>相应存储 单元“写入”数据。
四、程序及数据的输入方法
ＰＲＯＭ 的每一个 数据位的 开关拨向 置０或置 １的位置。
从PROM中 操作数地址， 取出来的。 仍要到PROM MAR寻址 寻址
注意: 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，控制器发出一 个ＣＬＲ为高电位的脉冲，同时时钟脉冲CLK 开始工作，即发出脉冲电压系列到各个部件， 每一个ＣＬK 脉冲都起到指挥各部件的同步 运行作用.但究竟每一个脉冲发出后,哪些部 件起响应作用,这就得由控制部件的控制字来 决定了。
CP CLK CLR EP L1 CLK CLR E1
8
PC IR
4
4
8
A
8
LA CLK EA
8 4
CLK
8
ALU B O
8 8
SU EU
CON
12
LM CLK
8
LB CLK
CLR
CPEP LMERLIEILA ASUEULBLO E
8
LO CLK
MAR
4
4
D
ER
16x8 PROM
8
（3) 可编程只读存储器PROM
LM CLK
8
MAR
8
4
D
ER
16x8 PROM
8
8
LB CLK LO CLK
( 8 ) 寄存器B B到ALU的输出是双态 的，即无E门控制。 主要将要与A相加减的 数据暂存于其中。
W
CP CLK CLR EP L1 CLK CLR E1
8
LA
PC IR
4
4
8
A
8
CLK EA
8 4
CLK
8
ALU
SU EU
简化的微型计算机的设计的目的
借用这个最简单的模型来学习计 算机的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、控制矩阵产生控制字的过程等等， 以帮助同学领会计算机的基本工作原 理。 通过简化模型来了解硬件、软件 及软件如何使硬件完成特定功能
简化的微型计算机的组成部件
CON
12
8
B
O
8
LB CLK
CLR
CP EP LM ER LI EI LAEA SUEU LB LO
LM CLK
8
LO CLK
MAR
8
4
D
（9） 输出寄存器O 计算机运行结束时，累 加器存有答案，如果输出此 答案，就得送入O，此时 EA=1，L0=1，则O=A。 典型的计算机具有若干输 出寄存器，称为输出接口电 路，以驱动不同的外围设备。 （10） 二进制显示器D 显示器由发光二极管组成， 每一个LED接到寄存器O的 一位上去。当某位为高电平 时，该位LED 发光。寄存 器O的位数决定LED的个数。
据 区
2410 2810 3210
指令翻译为机器码的过程
小结
Attention!
1. 目的程序8bits意义： 高四位：指令对应的操作码； 低4位：操作数的地址码。
2. 存储空间：指令区，数据区。 地址及地址单元对应的内容。
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：是可以随时存入要运算的数据。在第一 次安排程序时，都得把程序和数据存入。
8
W
CP CLK CLR EP
8
LA
PC IR
4
4
8
A
8
CLK EA
CLK
CON
12
8
B O
8
CLR
CP EP LM ER LI EI LAEA SUEU LB LO
LM CLK
8
MAR
8
4
D
ER
16x8 PROM
8
8
LB CLK LO CLK
L1 CLK CLR E1
8 4
8
ALU
SU
EU
（6） 累加器A 用以存储计算机运 行期间的中间结果 可接收w总线送来的 数据（LA=1），也能 将数据送到w总线 上去(EA=1)。还有一 个双态输出端(数据)， 将数据送至ALU进 行算术运算。此输 出端不受E门的控制。
1. 指令：助记符 操作数；注释 （编程的人完成的）
2. 计算机需要将程序清单上的每一条指令翻译 成它认识的二进制码：机器码。 3. 一般计算机内部有编译程序将清单上的指令 翻译成机器码而是计算机工作起来。
第三节 简化计算机程序设计
程序设计应包括： 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。
我们所设计的简化微机具有五条指令。即 其控制部件能完成一系列例行程序以执行五种 命令： ＬＤＡ：把数据装入累加器Ａ ＡＤＤ：进行加法运算 ＳＵＢ：进行减法运算 ＯＵＴ：输出结果 ＨＬＴ：停机 这五条指令一起被称为这台计算机的指令 系统，不同型号的微机器指令系统是不同的。
小结
例 ：简单的程序设计
ＬＤＡ ＡＤＤ ＡＤＤ ＡＤＤ ＳＵＢ ＯＵＴ ＨＬＴ Ｒ９ ＲＡ ＲＢ ＲＣ ＲＤ
；把Ｒ9中的数据存入Ａ
；把ＲＡ中的数据与Ａ的相加 ；把ＲＢ中的数据与Ａ的相加
；把ＲＣ中的数据与Ａ的相加
；把ＲＤ中的数据与Ａ的相减 ； 输出Ａ中的数据，即结果(D)=(A)
；停机 ，CLR停止发脉冲
小结 上一页
两个数相加就需要以下几步：
（假定要运算的数已经存在存储器中）
（１）把第一个数从它所在的存储单 元中取出来，送至运算器。 （２）把第二个数从它所在的存储单元 中取出来，送至运算器。 （３）相加。 （４）把加完的结果送至存储器中指定 的单元。
存储单元
0000 0001 0010 0011 0100 0101 (R0) (R1) (R2) (R3) (R4) (R5)
令
区
HLT
0110
(R6)
数 十进制数据 1610
2010
数据
00010000 00010100 00011000 00011100 00100000
存储单元
1001 1010 1011 1100 1101 (R9) (RA) (RB) (RC) (RD)
第三章
微型计算机的基本工作原理
第一节：微型计算机结构的简化形式 第二节：指令系统
第三节：程序设计
第四节：执行指令的例行程序 第五节：控制部件
第六节：本章小结
微型计算机的基本功能 “三能一快”即: • 能运算： (加、减、乘、除)
• 能判别：（大、小、等于、伪、真） • 能决策：（根据判别来决定下一步的工作） 这“三能 ”是建立在“快 ”的基础之上的
MAR
8
4
D
8
ER
16x8 PROM
8
W
CP CLK CLR EP L1 CLK CLR E1
8
LA
PC IR
4
4
8
A
8
CLK EA
（5） 控制部件CON IR指令字 控制字 1）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=CPEPLMERL1E2LAEASU EU LB IO CP：清零，SU：加/减选择
M
I/O
W
第二节 简化的微型计算机指令系统
指令系统
定义：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，计算机是堆 无用的电路硬件。
信息流通过程
指令程序和指令系统的作用
计算机何以能脱离人的直接干预， 自动的进行计算，这是由于人把实现这个 计算机的一步步操作用命令的方式—即一 条条指令预先输入到存储器中，在执行时， 计算机把这些指令一条条的取出来，加以 翻译和执行。
ER
﹠
3
﹠
4
﹠
R
R
R
R
D3
D2
D1
D0
W
CP CLK CLR EP
8
LA
PC IR
4
4
8
A
8
CLK EA
L1
CLK CLR
E1
8 4
CLK
8
ALU
SU EU
8
CON
12
B
O
8
LB CLK
CLR
CP EP LM ER LI EI LA EA SU EU LB LO
LM CLK
8
LO
CLK
（4） 指令寄存器I R 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。 指令是8位的： XXXX | XXXX 指令字段—高四位 地址字段—低四位 L门（P23）E门（P29）
存储单元 Ｒ０—Ｒ７ 二进制地址００００—０１１１ 十六进制地址 ０Ｈ——７Ｈ Ｒ８—ＲＦ １０００—１１１1 ８Ｈ——ＦＨ
三、将源程序翻译成目的程序
指 源程序
LDA ADD ADD ADD SUB OUT R9 RA RB RC RD
目的程序
00001001 00011010 00011011 00011101 00101101 1110xxxx 1111xxxx
ER
16x8 PROM
8
8
第一节 上一页
微型计算机的基本组成
总体结构可分为三大部分: CPU 1 中央处理器CPU 包括PC、IR、CON、 ALU、A、B） 2 记忆装置Ｍ （ＭＡＲ及ＰＲOＭ） 3 输入／输出Ｉ/Ｏ
M
I/O
W
1 中央处理器CPU
CPU
CPU—Central Processing Unit。 是将程序计数器PC，指令 寄存器IR，控制功能CON ， 算术逻辑功能ALU，以及暂 存中间数据的功能（A、B） 集成在一块器件上的集成电 路（IC）。 实际应用中的CPU更为复 杂，但主要功能基本一样。