第三部分+微机系统概述

运算器 之 基本逻辑运算
①逻辑与：又称为“逻辑乘”运算，常用符号· （或省 略不写）、∧、∩和AND表示。对两个数进行与操 作，就是按位求它们的“与”。 运算规则是：0∧0=0，0∧1=0，1∧0=0，1∧1=1 例如，10110001∧11101100=10100000
②逻辑或：又称为“逻辑加”运算，常用符号＋、∨ 、∪和OR表示。对两个数进行或操作，就是按位求 它们的“或” 运算规则是：0∨0=0，0∨1=1，1∨0=1，1∨1=1 例如，10110001∨11101100=11111101
时刻产生合适的电信号的过程。也就是说，
控制器的功能就是按照指令的要求，在正确
的时刻，产生需要的控制信号，以控制计算
机各个部分的工作。
控制器的组成：
控制器由指令部件、时序部件、控制信 号形成部件和中断控制逻辑组成。
80386的内部结构
4
存储器的层次机构
存储器
CPU
高速缓存(Cache)
主存（内存）
从上表可得到本位和（Si）和本位向高位的 进位（Ci）的逻辑表达式： Si = Ai⊕Bi⊕Ci-1 Ci = Ai Bi + Ci-1 (Ai⊕Bi) 由以上两式可画出全加器的逻辑电路图，见 下图。通常把Ai⊕Bi称为半加和，它是由被 加数（Ai）、加数（Bi）所确定，而与低位 来的进位（ Ci-1 ）无关。 Si 是由半加和和低 位来的进位所形成，所以称为全加和。
计算机只能理解0和1编码的符号串，也就 是机器指令，不管源程序使用哪种语言编写， 它最终都要被翻译成机器语言的指令后，才 能由计算机执行。 一台计算机的所有指令的集合，称为该机 的指令系统。指令系统表明了这台计算机能 执行的操作及其功能强弱
指令的格式
虽然不同的计算机有不同的指令格式，但 从上面的介绍中，可以看出它们应该由两部分 组成，即操作码和地址码（除个别指令外）。
④寄存器间接寻址：指令的地址码字段给出寄存器 的地址（即编号），按这个编号就可以到寄存器中 找到操作数的地址，再按这个地址到内存中才能找 到操作数。操作数最终放在内存中。 MOV，AX [SI]
3 中央处理器(CPU)
运算器+控制器
运算器: 算术和逻辑运算
控制器:整个系统的指挥中心，使运算器、存 储器和I/O设备等部件构成一个有机整体。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
③逻辑非：又称为“求反”运算，常用数据上面加一 横线表示。对两个数进行非操作，就是按位求它们 的“非”。 运算规则是：=1， =0 例如，A=11110000，则=00001111 ④逻辑异或：又称为“半加和”运算，常用符号⊕或 XOR表示。对两个数进行异或操作，就是按位求它们 的“异或”。 运算规则是：0⊕0=0，0⊕1=1，1⊕0=1，1⊕1=0 即“同则为0，不同为1”。 例如，10110001⊕11101100=01011101 异或运算可以用最基本的“与”、“或”、“非”运 算表示。
与非门
触发器：
触发器是计算机中广泛采用的一类逻辑电路，它具有 两种稳定状态，可用来存储一位“1”和“0”，我们经 常使用的寄存器就是由若干个触发器构成，可以存储 若干位二进制数据。 基本触发器可由两个输入、输出交叉连接的与非门组 成：
Q Q
1
2
RD
①
②
SD
基本触发器只有两种稳定状态，可分别用来 表示“0”或“1”。 可通过在输入端 RD和SD上加适当的高、低电 平来存储“ 0” 或“ 1” 。根据与非门的逻辑功 能，不难得知：当SD=1、RD=0时，触发器将 置“0”状态； 当SD=0、RD=1时，触发器将置“1”状态； 当 SD=1、RD=1时，触发器将保持原来的状态 ； 当 SD=0、RD=0时，触发器的两个输出都将是 高电平，一旦RD和SD同时都由0变到1，触发 器的状态将无法预知（输出从1变为0，又从0 变为1，如此反复不断），称之触发器的状态 “不确定”，在实际使用中不允许出现。
微机系统概述
(计算机硬件基础)
1 计算机硬件基本组成
计算机就其硬件基本组成来说，至今仍未摆脱 冯· 诺依曼型计算机的设计思想，即计算机的 硬件结构是由运算器、控制器、存储器、输 入设备和输出设备五大基本部分组成：
计算机程序
输入设备 原始数据 输出设备 计算结果 外存储器 指令或数据 外 部 设 备 接 口 控制器 主存储器 运算器
内存与CPU的连接 ：
M A R
K位地址总线
内存
最 大 内 存 为 2k 个单元，字长 为n位
C P U
2 指令系统
程序是计算机的灵魂，计算机能完成人们交 给的各种任务的原因是计算机能理解并执行人 们编写的程序。程序是指令的集合，计算机无 论完成什么任务，都是通过执行一条条指令来 完成的。
一条指令就是给计算机下达的一道命令， 它告诉计算机应该进行什么操作，参与操作的 数据来自何处、操作结果又将送到什么地方。
算术逻辑部件（ ALU ）主要完成对二进制信息的 算术和逻辑运算，以及各种移位操作。算术逻辑 部件（ALU）是运算器的核心部件。 通用寄存器组主要用来保存参加运算的操作数和 运算的结果。通用寄存器的存取速度比内存快得 多，但数量少，一般为十几个到几十个。
状态寄存器用来记录算术逻辑运算的结果状态。 在程序设计中，这些状态通常用作条件转移指令 的判断条件，所以也称为条件码寄存器。状态寄 存器也称为程序状态字（PSW）寄存器。
辅存（外存）
在这个层次结构最上端是 CPU中的通用寄存器，它 们为 CPU提供了最快的访问数据的手段，但其容量 也是最小的。再往下是高速缓冲存储器。高速缓存 的存取时间很短，但容量小、每位价格贵；其次是 内存；外存的存取时间最长、容量最大、每位价格 最便宜。高速缓冲存储器的高速可以弥补内存在速 度方面的不足，而外存的大容量可以弥补内存在容 量方面的不足。所以，具有层次结构的存储系统可 以实现高速度和大容量，而且价格合理。 目前计算机系统广泛采用具有层次结构的存储系统 。从CPU（包含少量的寄存器）到辅存，存取速度 依次减慢，但存储容量依次增大。
运算器 之 基本逻辑电路
逻辑电路包含：基本门电路、触发器、全加 器、译码器等
门电路：
实现逻辑运算的电子线路称为逻辑电路，简 称门电路。实现“逻辑与”、“逻辑或”、 “逻辑非”、“逻辑异或”运算的门电路分 别称为“与门”、“或门”、“非门”、“ 异或门”。其逻辑符号为：
与门
或门
非门（反相器） 异或门
地址码复杂些。按一条指令所包含的地址码的个
数，指令又分为三地址指令、二地址指令、一地 址指令和零地址指令。 很多操作都涉及两个操作数和一个操作结果（如 加法运算），这就需要三地址指令来给出三个地 址；但在很多指令中，操作结果放在其中一个操 作数的位置上，覆盖了这个操作数（如果后面还 需要这个操作数，可在覆盖之前保存到其它地 方），这就形成了二地址指令；有些操作只需一 个操作数，如加1运算等，或是需要两个操作数但 其中一个操作数隐含，这就需要一地址指令；还 有一些操作不需要操作数，如空操作指令，这就 用零地址指令。
②寄存器寻址：操作数放在寄存器中，指令的地址 码字段给出寄存器的地址（即编号），按这个编号 就可以到寄存器中找到操作数。这也是速度很快的 一种寻址方式。 MOV AX，BX
③直接寻址：操作数放在内存中，指令的地址码字 段给出内存单元的地址，按这个地址就可以到内存 中找到操作数。 MOV AX，[8054H]
下面仅介绍全加器和译码器的组成和工作原 理。
全加器：
两个二进制数之和是逐位相加求得的，且每位 的和（Si）是由本位的被加数（Ai）、加数 （Bi）和低位来的进位（Ci-1）所确定。根据二 进制加法规则，我们可以列出求一位二进制数 之和的所有8种情况，见下表。 表中， Si表示本位和，Ci表示本位向高位的进 位。 前四行（Ci-1=0）为低位向本位无进位的情况， 后四行（Ci-1=1）为低位向本位有进位的情况。
基本触发器的功能表
输入 RD 0 1 1 0 SD 1 0 1 0
输出 Qn+1 0 1 Q 不确定
用基本门电路和触发器就可以构建具有一定 功能的部件，如寄存器、全加器、译码器、 多路转换器、计数器和节拍发生器等，它们 统称为基本逻辑部件，计算机中的运算器、 控制器、存储器等主要是由这些基本逻辑部 件组成。
控制信号
冯•诺依曼型计算机的设计思想还包括：
计算机中的程序和数据采用二进制表示；
存储程序与程序控制：存储程序与程序控制 的思想也正是计算机的工作原理，即人们把事 先编好的程序和所需要的数据通过输入设备送 到内存或外存中保存，这一步称之为存储程序； 开始工作时，控制器从内存中逐一读取程序中 指令，并按照每条指令的要求执行所规定的操 作，这称之为程序控制。
除了地址的个数不同给地址的编码带来一些难度外， 还有一个问题使地址码复杂化，这就是寻址方式。 寻址方式就是寻找操作数的方式，指出在哪里可以找 到操作数。操作数不一定就放在指令中，它可以放在 其它地方。我们知道，主机中可以存储数据的“容器” 有寄存器和内存，寄存器存取速度快，但容量有限； 内存容量大，但存取速度不如寄存器快（CPU需要的 程序和数据来自寄存器和内存，外存中的信息必须先 调入内存后才能被CPU使用），操作数可以放在其中 之一。如何给出寄存器和内存的地址呢？可以直接给 出寄存器和内存的地址，也可以用间接的方式，这就 是寻址方式的问题。
操作码 地址码
如：ADD AX,BX
操作码告诉计算机应该进行什么操作，例如进行加 法运算； 地址码告诉计算机参与操作的数据来自何处、操作 结果又将送到什么地方，例如加法运算的两个加数在 什么地方、相加的和又将送到哪里存放。

操作码字段比较简单，只要不同的操作用不
同的编码表示即可。 因此，为了能表示指令系统的全部操作，操作 码字段应当有足够的位数。 假设一台计算机只有4种操作（传送、加、减、 移位），那么它的操作码字段只需2位即可， 即分别用00、01、10、11四种编码来表示这4 种操作。若有2n种操作，则操作码的长度至少 为 n位。
存储器
之
主存（内存）
内存是计算机的一个重要部件，它存放 CPU 当前 需要的程序和数据。内存由很多存储单元组成， 为了识别它们，给每个存储单元都赋予一个编号 ，称为单元地址。 CPU 通过单元的地址来存取该 单元的信息（即指令或数据）。 每个存储单元可存放若干个二进制位。一般计算 机中，每个单元存放8个二进制位（1个字节，用B 表示）。我们称内存可以容纳的二进制数据量为 内存的容量。
问题：如何将减法运算转化为加法运算？计 算机中为什么使用补码来表示数据？
运算器的组成 运算器是计算机对各种数据和信息进行算 术和逻辑运算的部件。运算器主要由算术 逻辑部件（ALU）、通用寄存器组和状态 寄存器组成。
CPU内部总线
通用寄 存器
暂存器
暂存器 状态寄存器 ALU
暂存器
8086CPU内部结构
回顾： CPU=运算器+控制器
控制器的功能：
计算机的工作过程就是计算机中程序的运 行过程，也就是程序中的一条条指令的执行 过程。指令的执行要经历取指令、分析指令
、执行指令三个阶段。
控制器的功能：
控制器工作的时间依据是时序信号（由时序 部件产生），控制器工作的逻辑依据是程序 中的指令。控制器的工作过程就是在合适的
全加器的逻辑结构
Ci + ⊕ Si
⊕
Ci-1 Ai Bi
S7
S6
全加器
S0
C7
∑7
C6 ∑6
C5
C0 ∑0 加法器
A7
B7
A6
B6
A0
B0
C-1
8位加法器的组成框图
加法器是运算器的核心，是运算器的 重要组成部分，因为在计算机中减法运 算、乘法运算和除法运算均可以转化为 加法运算和移位操作。加法和移位是最 基本的操作，各种算术运算都可以归结 为加法和移位这两个最基本的操作。运 算器的基本组成就是加法器。
常见的寻址方式有以下几种。
①立即寻址：这是最简单、也是最快的寻址方式， 指令所需的操作数就放在指令的地址码字段中，不 需要再到其它地方寻找，在取出指令的同时，就可 以得到操作数。 MOV AX，1234H 除立即寻址方式操作数就放在指令中外，其它 寻址方式都不能直接提供操作数，都要通过某种方 式到寄存器或内存中寻找。