单片微型计算机原理及接口技术-计算机系统的组成与工作原理

1/152计算机系统的组成与工作原理本章学习目标理解模型机的结构及工作过程掌握单片机的结构掌握单片机I/O口的使用掌握单片机应用系统的典型构成2/152§3.1模型机的结构及工作过程一、模型机的结构简介模型机的主要构成：三总线

(地址总线、数据总线和控制总线)中央处理器（CPU）存储器I/O接口3/152图3-1模型机的结构4/1521、中央处理器的组成中央处理器（CPU）由运算器和控制器组成。（1）运算器定义：运算器是计算机中加工和处理数据的功能部件。功能：对数据进行加工处理，主要包括算术和逻辑运算，如加、减、乘、与、或、非运算等。另外，还暂时存放参与运算的数据和中间结果。5/152运算器组成部分算数逻辑单元ALU（ArithmeticLogicalUnit）：主要完成算术、逻辑运算。累加寄存器（简称累加器）A：用于存放操作数或运算结果。寄存器组：由其它寄存器组成，主要用于存放操作数或运算结果。标志寄存器F：存放运算结果的标志（零、正负、进位、溢出等）。6/152（2）控制器功能：控制器用于控制和指挥计算机内各功能部件协调动作，完成计算机程序功能。7/152控制器组成程序计数器PC（ProgramCounter）：用于存放将要取出的指令地址，指令取出后，其内容自动加1。指令寄存器IR（InstructionRegister）：用于存放指令的操作码。指令译码器ID（InstructionDecode）：用于将指令的操作码翻译成机器能识别的命令信号。微操作信号发生器MOSG（MicrooperationSignalGenerator）：用于产生一系列微操作控制信号。地址寄存器AR（Address

Register）：用于存放操作数或结果单元的地址。数据寄存器DR（Data

Register）：用于存放操作数。8/152控制器种类根据产生微操作控制信号的方式不同组合逻辑控制型存储逻辑型组合逻辑存储逻辑结合型根本区别在于微操作信号发生器的实现方法不同.9/152组合逻辑型控制器优点：其微操作信号发生器是由门电路组成的复杂树状网络构成的。最大优点是速度快。缺点：微操作信号发生器结构不规整，设计、调试、维修较困难，难以实现设计自动化。一旦控制部件构成后，难以增加新的控制功能。目前仅有一些巨型机和RISC机为追求高速度仍采用组合逻辑控制器。10/152存储逻辑型控制器优点：采用存储逻辑来实现，即把微操作信号代码化，使每条机器指令转化成为一段微程序，存入控制存储器中，微操作控制信号由微指令产生。它具有设计规整，调试、维修、更改、扩充指令都方便的优点，易于实现自动化设计，已成为当前控制器的主流。缺点：由于它增加了一级控制存储器，所以指令的执行速度比组合逻辑控制器慢。11/152PLA控制器组合逻辑与存储逻辑结合型的控制器称为PLA控制器，它是吸收前两种控制器的设计思想来实现的。PLA控制器实际上也是一种组合逻辑控制器，但它又与常规的组合逻辑控制器的硬连结构不同，它是程序可编的，某一微操作控制信号由PLA的某一输出函数产生。PLA控制器是组合逻辑技术和存储逻辑技术结合的产物，它克服了两者的缺点，是一种较有前途的方法。12/152图3-2微操作信号发生器的基本结构示意图13/1522、存储器的结构功能：主要用于保存程序和数据。组成部分：包含地址译码器、存储单元和控制逻辑。14/152存储器访问过程（1）读操作

CPU首先将地址寄存器AR的内容放到地址总线AB上，地址总线上的内容进入地址译码器，由地址译码器进行译码，选通相应的存储单元。被选通的存储单元的内容就出现数据总线上，在控制信号的作用下，CPU从数据总线上读取数据到数据寄存器DR，从而完成存储器的读操作。15/152（2）写操作

CPU将地址寄存器AR的内容送到地址总线AB上，地址总线上的内容进入地址译码器，由地址译码器进行译码，以选通相应的存储单元。在控制信号的作用下，CPU将要写入的数据通过数据总线写入到被选通的存储单元，完成存储器的写操作。16/152二、模型机的工作过程工作过程读取指令

分析指令

执行指令

保存结果在进行计算之前，应做如下工作：用助记符号指令（汇编语言）编写源程序）；用汇编软件（汇编程序）将源程序汇编成计算机能识别的机器语言程序；将数据和程序通过输入设备送入存储器中存放。17/152下面举例说明计算机程序的具体执行过程。例如，计算7+10=?，结果在A中。汇编语言语句机器码注释MOVA，07HB0H07H；07送入累加器AADDA，0AH04H0AH；10与A中内容相加，结果在A中HLTF4H；暂停18/152假设上述程序在存储器中的存储格式（设程序从00H开始存放）如图所示。地址存储内容00HB0H01H07H02H04H03H0AH04HF4H图3-3示例程序机器码在存储器中的存储格式

19/152读取指令阶段的执行过程如下：CPU将程序计数器PC的内容00H送地址寄存器AR。程序计数器PC的内容自动加1变为01H，为取下一条指令作好准备。地址寄存器AR将00H通过地址总线AB送至存储器地址译码器译码，选中00H单元。CPU发出“读”命令。所选中的00单元的内容B0H由存储器送至数据总线DB上。20/152经数据总线DB，CPU将读出的内容B0H送至数据寄存器DR。数据寄存器DR将其内容送至指令寄存器IR中，经过译码，CPU“识别”出此操作码为两字节指令的第一个字节，再取出下一个字节后得知是“MOVA，07H”指令，于是控制器发出执行这条指令的控制命令。21/152读取第一条指令第一个字节的示意图如图所示。图3-4读取第一条指令第一个字节的示意图22/152执行指令阶段的执行过程如下：CPU将程序计数器PC的内容送地址寄存器AR。程序计数器PC的内容自动加1变为02H，为取下一条指令作好准备。地址寄存器AR将01H通过地址总线送至存储器地址译码器译码，选中01H单元。CPU发出“读”命令。所选中的01H单元的内容07H读至数据总线DB上。经数据总线DB，读出的内容07H送至数据寄存器DR。由控制码计算机确定读出的是立即数，并要求将它送入累加器A中，所以数据寄存器DR通过内部总线将07H送入累加器A中。23/152执行第一条指令的示意图如图所示。图3-5执行第一条指令示意图24/152执行第二条指令的取指过程与第一条相同，只是指令码地址不同。经过对第二条指令操作码的分析（译码）得知第二条指令为加法指令，执行过程如下：程序计数器PC的内容送AR。程序计数器PC的内容自动加1并回送PC。地址寄存器AR的内容经地址总线AB送到存储器地址译码器。25/152CPU发出“读”命令。所