微机原理 第四章

4.1计算机结构组成4.2微型计算机的部件4.3微型计算机系统基本组成4.4微型计算机的性能指标介绍第四章微型计算机的基本组成冯·诺依曼结构的基本内容：1.用二进制形式表示数据和指令；2.程序（包括数据和指令序列）事先存放在主存储器中，使计算机在工作时能够自动高速地从存储器中取出指令并加以执行。存储器先行编址可按地址顺序访问每一个存储单元。存储程序和程序控制。3.指令由操作码和地址码两部分组成，在存储器中顺序存储，由程序计数器（ProgramCounter,PC）指明将要执行的下一条指令的地址。4.1计算机结构组成4.计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大基本部件组成：4.2微型计算机的部件现代计算机硬件的基本结构是由美籍匈牙利数学家冯·诺依曼结构提出的，又称冯·诺依曼结构。至今为止，无论是高档还是低档的微机系统，依然使用的是冯·诺依曼结构，但在构造方式上有了较大改变。现代微型计算机系统的硬件一般有中央处理器(CPU)、存储器和外围设备组成。外围设备通过总线和接口与中央处理器连接。如下图所示微处理器CPU存储器RAM接口电路时钟外存I/O设备接口电路存储器ROM数据总线（双向）地址总线（单向）控制总线各组成模块及其功能：1．中央处理单元2．主存储器3．系统总线4．输入输出接口电路5．外存储器6．输入/输入设备总线：是微型机系统中多个部件之间的一组连线，它是系统中各个部件信息交换的公共通道。按照功能,总线包含三种不同功能的总线,即数据总线DB（DataBus）地址总线AB（AddressBus）控制总线CB（ControlBus）特点：总线是计算机系统模块化的产物。分时和共享是总线的两个基本特性。系统各部件均以同一形式“挂”在总线上，结构简单清晰，易于扩充更新。数据总线用来传输数据。数据总线是双向的,数据总线的位数(也称为宽度)是微型机的一个很重要的指标,它和微处理器的位数相对应。地址总线专门用来传送地址信息。地址总线是单向的。地址总线的位数决定了CPU可以直接寻址的内存范围。8位微型机的地址总线一般是16位,最大内存容量为64KB;控制总线用来传输控制信号。其中包括CPU送往存储器和输入输出接口电路的控制信号,如读信号、写信号和中断响应信号等;还包括其他部件送到CPU的信号,比如,时钟信号、中断请求信号和准备就绪信号等。4.3微型计算机系统的组成

硬件主机外围设备微处理器内存储器I/O接口电路系统总线外部设备过程I/O通道微型计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成：软件系统软件程序设计语言应用软件：软件包，数据库机器语言汇编语言高级语言监控程序操作系统编辑程序解释程序编译程序诊断程序硬件系统是由电子部件和机电装置所组成的计算机物理实体。硬件的基本功能是接受计算机程序，并在程序的控制下完成数据输入、数据处理和输出结果等任务。软件系统是指为计算机运行工作服务的全部技术资料和各种程序。软件系统基本功能保证计算机硬件的功能得以充分发挥，并为用户提供一个宽松的工作环境。计算机的硬件和软件二者缺一不可，否则不能正常工作。微处理器CPU存储器RAM接口电路时钟外存I/O设备接口电路存储器ROM数据总线（双向）地址总线（单向）控制总线4.3.1微型计算机系统的硬件结构

各组成模块及其功能：1．中央处理单元2．主存储器3．系统总线4．输入输出接口电路5．外存储器6．输入/输入设备7．主机板4.3.2微型计算机的软件系统

计算机软件是指支持计算机运行的各种程序，以及开发、使用和维护这些程序的各种技术资料的总称。系统软件的主要功能是简化计算机操作，充分发挥硬件功能，支持应用软件的运行并提供服务。应用软件处于软件系统的最外层，直接面向用户，为用户服务。应用软件是为了解决各类应用问题而编写的程序，包括用户编写的特定程序，以及商品化的应用软件和套装软件。程序设计语言，是人机交流信息的一种特定语言。在编写程序时用指定的符号来表达语义。

微处理器（Microprocessor）一个大规模集成电路芯片内含控制器、运算器和寄存器等微型计算机（Microcomputer）

以大规模、超大规模构成的微处理器作为核心，配以存储器、输入/输出接口电路及系统总路线所制造出的计算机。通常指微型计算机的硬件系统还有一般的说法：微机、电脑、微型机。微型计算机系统（Microcomputersystem）指由硬件和软件共同组成的完整的计算机系统4.3.3微处理器、微型计算机、微型计算机系统的概念区别3个概念运算器

控制器寄存器组

内存储器总线输入输出接口电路外部设备软件微处理器微型计算机微型计算机系统4.4微型计算机的性能指标介绍

1.位：这是计算机中所表示的最基本、最小的数据单元。2.字长：是计算机在交换、加工和存放信息时的最基本的长度。3.字节（Byte）：是计算机中通用的基本单元，由8个二进制位组成。4.字：计算机内部进行数据处理的基本单位。5.主频：也称时钟频率，是指计算机中时钟脉冲发生器所产生的频率。6.存储容量（访存空间）：是该微处理器构成的系统所能访问的存储单元数。存储容量的表达比特b（二进制1位）字节B（二进制8位）1KB＝210B＝1024B1MB＝220B、1GB＝230B指令数：构成微型计算机的操作命令数。基本指令执行时间：计算机执行程序所花的时间。可靠性：指计算机在规定时间和条件下正常工作不发生故障的概率。兼容性：指计算机硬件设备和软件程序可用于其他多种系统的性能。性能价格比：是衡量计算机产品优劣的综合性指标。

THEEND4.2微型计算机结构的简化形式简化微型计算机硬件结构特点如下:功能简单——只能做两个数的加减法。内存量小——只有一个16×8ROM字长8位——二进制8位显示手动输入——用拨钮开关输入程序和数据。(a)微型计算机的简化结构(b)功能分解图1.程序计数器PC计数范围：0000至1111(0▬F)功能：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功能：接收来自PC的二进制程序号,作为地址码送至PROM去。3.可编程序只读存储器PROM这是一个是16×8PROM。PROM具有ROM的功能。4.指令寄存器IR

功能：IR从PROM接收到指令字(当LI=1,ER=1),同时将指令字分别送到控制部件CON和W总线上去。指令字格式：8位二进制代码××××××××MSBLSB指令字段：高4位地址字段：低4位5.控制部件CON功能:1)每次运行之前,CON先发出CLR=1,使有关的部件清0。此时:PC=0000IR=000000002)发出同步时钟脉冲CLK3)根据IR送来的指令发出12位的控制字:CON=CPEPLMERLIEILAEASUEULBIO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而有秩序地运行。6.累加器A功能：储存计算机运行期间的中间结果。接收W总线送来的数据(LA=1),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。7.算术逻辑部件ALU它只是一个二进制补码加法/减法器。当SU=0,ALU进行加法A+BSU=1,ALU进行减法A-B8.寄存器B功能：将要与A相加减的数据暂存。它到ALU的输出也是双态的。9.输出寄存器O功能：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。EA=1,L0=1,则O=A。

输出接口电路：计算机的若干个输出寄存器总和,称为输出接口电路。10.二进制显示器D构成：用发光LED组成的显示器。每一个LED接到寄存器O的一位去。功能：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。一般分成三大部分,如图(b)所示:1)中央处理器CPU(包括PC、IRCON、ALU、A及B);2)记忆装置M(MAR及PROM);3)输入/输出I/O4.3指令系统指令系统：用来编制计算程序的指令集合。这台微型机有五条指令:LDA——将数据装入累加器AADD——进行加法运算SUB——进行减法运算OUT——输出结果HLT——停机

Z80型的指令系统可达158条,

8086指令系统中包含133条基本指令,

80386则为152条。例如一个计算程序的格式如下:LDAR9;把R9中的数据存入AADDRA;把RA中的数据与A的相加ADDRB;把RB中的数据与A的相加ADDRC;把RC中的数据与A的相加SUBRD;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

汇编语言格式助记符操作数注释4.4程序设计程序设计中得包括:1编制汇编语言程序用指令列写计算题目的计算步骤2助记符的翻译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成二进制码——机器码。3存储器的分配及程序存储4.4.1

编制汇编语言程序计算公式：R9+RA+RB+RC-RD→O显示

程序清单

LDAR9;把R9中的数据存入AADDRA;把RA中的数据与A相加→A

ADDRB;把RB中的数据与A相加→AADDRC;把RC中的数据与A相加→ASUBRD;把A中的数据与RD相减→AOUT;输出A中的数据→O显示

HLT;停机4.4.2助记符翻译1.操作码表

这是由计算机制造厂提供的翻译表。助记符机器码LDA0000ADD0001SUB0010OUT1110HLT11112将源程序翻译成目的程序方法:1)根据助记符与二进制的对照表将每条指令的助记符译成二进制码。2)将存储单元符号写成地址码R0→0000,R1→0001,⋯,R9→1001源程序目的程序存储单元LDAR9000010010000R0ADDRA000110100001R1ADDRB000110110010R2ADDRB000111000011R3SUBRD001011010100R4OUT11100101R5HLT11110110R63.存储器分配把PROM中的16个存储单元分成两个区:程序存放区(指令区)数据存放区(数据区)。指令区数据区存储单元R0―R7R8―RF二进制地址0000―01111000―111100001001000110100001101100011100001011011110****1111********************0001000000010100000110000001110000100000****************LDAR9ADDRAADDRB

ADDRB

SUBRD

OUT

HLT(16)(20)(24)(28)(32)R0R1R2R3R4R5R6R7R8R9RARBRCRDRERF指令区数据区存储程序：将此程序的代码按存储单元的地址顺序存入计算机中去。程序设计到这一步就可以算完成了。程序控制：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,即发出脉冲电压系列到各个部件去。每一个CLK脉冲都起到指挥各部件的同步运行的作用。4.5例行程序的执行工作过程：在程序和数据装入之后,起动按钮将起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。机器周期：执行一条指令的时间。机器周期分为取指周期和执行周期。取指和执行周期由机器节拍组成。1.取指周期：取出指令的过程需要三个机器节拍,在每个节拍内各个寄存器的内容应如何变化,因而控制器应发出什么样的控制字。地址节拍(T0=1):PC→MAR→PROMEP=1,即PC准备放出数据

LM=1,即MAR准备接收数据

控制部件应发出的控制字CON为:CPEPLMERLIEILAEASUEULBLO

=0110000000002)储存节拍(T1=1)应将PROM中由PC送来的地址码所指定的存储单元中的内容送到IR,同时IR立即将其高4位送至控制部件。因此,在此节拍到来之前,即应准备好:ER=1即PROM准备放出数据LI=1即IR准备接收数据所以:CON=0001100000003)增量节拍(T2=1)PC加1,做好下一条指令的取指准备。CP=1,命令PC计数。此时:CON=100000000000这三节拍称为取指周期。取指周期,对任何一条指令都是一样的。2.执行周期:将机器码高4位送入控制部件去进行分析,决定下面应如何执行,所以下面的三节拍就称为执行周期。执行每条指令需要三拍(T3、T4、T5),我们以LDA例行程序为例,考查一下在此三节拍中,各个寄存器的内容应有何变化。1)T3=1：IR高4位送至控制部件进行分析。控制部件经过分析后就发出命令:EI=1,将IR的低4位送至W总线LM=1,MAR接收此低4位数作为地址并立即送至PROM所以CON=001001000000就是说,第一次访问PROM的是其指令区,第二次访问的是其数据区。2)T4=1：R9

(即1001)→A,ER=1,PROM准备放出数据LA=1,A准备接收数据即CON=0001001000003)T5=1LDA的例行程序就已完成,T5节拍就变成空拍,即应:CON=000000000000为什么需要这个空拍呢?

这是因为虽然LDA的例行程序用不着这个节拍,但别的例行程序(如ADD、SUB等)还是用得着的,为了使每条指令的机器周期都是一样长,即六个节拍,所以在不需六个节拍的指令语句中都给加一个空拍以补足之。这样的机器称为固定周期的计算机。ADDRA的指令。取指周期:和LDAR9是一样的,只不过现在存于PC中的内容已不是0000而是PC+1,即0001。执行周期:

T3节拍,ADDRA和LDAR9是一样的,从IR将低4位的数据→MARLM=1和EI=1。

T4节拍，从PROM中来的数据不再送入累加器A,而是送入寄存器B。

T5节拍,执行A+B→A所以要求SU=0,LA=1,EU=1。4.6控制部件控制部件是使计算机能够成为自动机的关键部件。控制部件包括下列主要环节:1.环形计数器(RC)2.指令译码器(LD)3.控制矩阵(CM)称为控制器4.其它控制电路。4.6.1环形计数器

功能：发出环形字,从而产生机器拍。4.6.2指令译码器(ID)功能：对IR的高4位译码高4位就是各种控制动作的代码,一个动作相当于一条控制线,要该动作实现,就必须使该控制线为高电位。译码器：如图是一个4位译码器。4位应该可以有16种编码的可能,由于我们的模拟机功能简单,只有五条指