第1章 微型机的基

第1章微型机的基本知识

微处理器、微型机和单片机的概念

微型机模型的组成

微机系统单片微型计算机1.1微处理器、微型机和单片机的概念

控制器存储器输入设备运算器输出设备冯·诺依曼机型1.1.1微处理器（Microprocessor）

又称为中央处理单元CPU(CentralProcessingUnit)。它是将运算器(ALU)、控制器(CU)和寄存器组(R)等功能部件，通过内部总线集成在一块硅片上。CPU具有的功能：可以进行算术和逻辑运算；可以保存少量数据；能对指令进行译码并执行规定的动作；能和存储器、外设交换数据；提供整个系统所需要的定时和控制；可以响应其他部件发来的中断请求。1.1.2微型机（Microcomputer）

由CPU、存储器、输入/输出接口电路和系统总线——

地址总线AB（AddressBus），控制总线CB（ControlBus）和双向数据总线DB（DataBus）构成。 以微型计算机为中心，配以电源、辅助电路和相应的外设，以及指挥协调微型计算机工作的系统软件及应用软件，就构成了微型计算机系统(MicrocomputerSystem)。地址总线DB控制总线CB

CPU微处理器

M存储器

I/O接口电路外部设备数据总线AB图1-1微型计算机组成1.1.3单片机

SingleChipMicrocomputer

将中央处理单元CPU和一定容量的数据存储器RAM、程序存储器ROM、定时/计数器T/C、并行输入输出接口I/O和串行通讯接口UART

等多个功能部件集成在一块芯片上。 由于单片机面向控制，又被称为微控制器Microcontroller。1.2微型机模型的组成1.2.1CPU的内部结构1、运算器

运算器由算术逻辑单元ALU、累加器A（Accumulator）、标志寄存器F(Flag)

和寄存器组、相互之间通过内部总线连接而成。进行加、减、乘、除等算术运算进行与、或、非、异或、移位、比较等逻辑运算 标志寄存器用来存放ALU运算结果的各种特征状态。暂存器累加器锁存器ALU标志F1.2.1CPU的内部结构2、控制器

控制器CU由程序计数器PC

、指令寄存器IR

、指令译码器ID

、操作控制部件或称为组合逻辑阵列PLA

和时序发生器等电路组成，是发布操作命令的“决策机构”。PLA控制总线内部总线IDIR1.2.1CPU的内部结构控制器的主要作用：解题程序与原始数据的输入、从内存中取出指令并译码译码后依指令可控制运算器对数据信息进行传送与加工运算结果的输出外部设备与主机之间的信息交换计算机系统中随机事件的自动处理等PLAIDIR控制总线内部总线1.2.1CPU的内部结构

——CPU中的主要寄存器

累加器ACPU中最繁忙的寄存器。数据寄存器DR

数据寄存器DR是CPU的内部总线和外部数据总线的缓冲寄存器，是CPU与系统的数据传输通道。主要用来缓冲或暂存指令、指令的操作数、操作数地址。寄存器组R这是CPU内部工作寄存器，用于暂存数据、地址等信息。一般分为通用寄存器组和专用寄存器组。指令寄存器IR、指令译码器ID、操作控制部件PLA

这是控制器的主要组成部分。IR用来保存当前正在执行的一条指令，这条指令送到ID，通过译码，由PLA发出相应的控制命令C，以完成指令规定的操作。程序计数器PC

程序计数器PC又称指令地址指针，用来存放下一条从内存中取出并要执行的指令地址。地址寄存器AR（AddressRegister）地址寄存器AR是CPU内部总线和外部地址总线的缓冲寄存器，是CPU与系统地址总线的连接通道。标志寄存器F

标志寄存器F（Flags）也称程序状态字PSW（Programstateword），是用来存放ALU运算结果的各种特征状态的，如运算有无进（借）位、有无溢出、结果是否为零等。这些都可通过标志寄存器的相应位来反映。

特殊功能寄存器(PSW) CY(PSW.7)进位/借位标志位。若ACC在运算过程中发生了进位或借位，则CY=1；否则=0。它也是布尔处理器的位累加器，可用于布尔操作。CYACF0RS0OVPRS1PSW.7PSW.0PSW.6PSW.5101100110111010100101000+CY=1001100110111010110101000+CY=0特殊功能寄存器(PSW)AC(PSW.6)半进位/借位标志位。若ACC在运算过程中，D3位向D4位发生了进位或借位，则CY=1,否则=0。机器在执行“DAA”指令时自动要判断这一位，我们可以暂时不关心它。F0(PSW.5)可由用户定义的标志位。CYACF0RS0OVPRS1PSW.7PSW.0PSW.6PSW.5特殊功能寄存器(PSW)RS1(PSW.4)、RS0(PSW.3)工作寄存器组选择位。

RS1，RS0=00则选择了工作寄存器组

0区

R0～R7分别代表08H～0FH单元。

RS1，RS0=01则选择了工作寄存器组

1区

R0～R7分别代表08H～0FH单元。

RS1，RS0=10则选择了工作寄存器组

2区

R0～R7分别代表10H～17H单元。

RS1，RS0=11则选择了工作寄存器组

3区

R0～R7分别代表18H～1FH单元。CYACF0RS0OVPRS1PSW.7PSW.0PSW.4PSW.3

片内RAM前32个单元(00H—1FH)是工作寄存器区

(由PSW中的RS1,RS0决定)00H20H2FH7FH1FH30H80HFFH52子系列才有的RAM区普通RAM区位寻址区工作寄存器区R0R2R1R3R4R5R6R707H02H01H00H06H04H05H03H08H1FH工作寄存器区3工作寄存器区2工作寄存器区1工作寄存器区0工作寄存器区说明特殊功能寄存器(PSW)OV(PSW.2)溢出标志位。

OV=1时特指累加器在进行带符号数(-128—+127)运算时出错（超出范围）；OV=0时未出错。PSW.1未定义。P(PSW.0)奇偶标志位。

P=1表示累加器中“1”的个数为奇数

P=0表示累加器中“1”的个数为偶数

CPU随时监视着ACC中的“1”的个数,并反映在PSW中CYACF0RS0OVPRS1PSW.7PSW.0PSW.2PSW.1

在有符号数的二进制算术运算中，如果其运算结果超过了机器数所能表示的范围，并改变了运算结果的符号位，则称之为溢出，因而OV标志仅对有符号数才有意义。

0110101101011100

＋11000111=

71OV＝1107＋92＝199进位位CY和溢出标志OV比较溢出标志OV（Overflow）详解0000010100001010

＋00001111CY＝0

OV＝00000100011111011

＋000000110000100001111100

＋10000100CY＝1

OV＝0CY＝0

OV＝11CY＝1

OV＝11000011111110101

＋011111001（a）（b）（c）（d）CY为1表示无符号数运算产生溢出，但并不是运算出错。OV为1表示有符号数运算产生溢出，表示运算出错。溢出标志OV和进位标志CY举例堆栈与堆栈指示器SP（StackPointer）堆栈是按照“先进后出”或“后进先出”原则组织的一个存储区域；对其操作是由压入指令（PUSH）和弹出指令（POP）完成，数据进、出均在栈顶进行；栈顶地址由堆栈指针SP给出，并可自动进行管理，即数据出、入时，它可自动随之修改（如+1、或-1）。堆栈操作演示1.2.2存储器M（Memory）

假设的模型机随机读写存储器RAM（RandomAccessMemory）框图假如：将55H写入到01H单元1.2.3I/O接口和外设 I/O接口与地址总线、控制总线和数据总线的连接同存储器一样，而外部设备与CPU的连接必须通过I/O接口电路。地址总线DB控制总线CB

CPU微处理器

M存储器

I/O接口电路外部设备数据总线AB图1-1微型计算机组成1.指令和指令系统

程序即用户要解决某一特定问题所编排的指令序列，编排的过程称为程序设计。

01110100

MOV A，#15H;(A)=15H00010101;取数到A00100100ADDA，#30H;(A)=(A)+30H

00110000

;相加11110101MOV30H，A;(30H)←(A)00110000

;保存结果指令的机器码或机器语言指令的助记符或汇编语言注释1.2.4模型机的工作过程（1）指令的格式

所谓指令就是使计算机完成某种基本操作，如加、减、乘、除、移位、与、或、非等操作命令。全部指令的集合构成指令系统。指令通常由两部分组成：第一部分为操作码（OPC），表示计算机要作何种操作；第二部分为操作数（OPD），指明参加运算的操作数或存放该数的地址。1.2.4模型机的工作过程格式：操作码

操作数或地址

在计算机中，指令是以一组二进制编码的数来表示和存储的

（2）指令执行过程1.2.4模型机的工作过程取指令PC+1操作译码取操作数地址地址译码取操作数执行操作取下一条指令PC+1开始一个CPU周期一个CPU周期一个CPU周期一个指令周期取指阶段执指阶段1.2.4模型机的工作过程举例：相加程序地址内容指令助记符注释00H01H02H03H04H05H…011101000001010100100100001100001000000011111110……MOVA，#15H

ADDA，#30H

SJMP$

…取数指令，第一字节是操作码第二字节就是指令的操作数加法指令，第一字节是操作码第二字节也是指令的操作数两字节指令，执行原地踏步操作1.2.4模型机的工作过程演示1.3微机系统微机系统硬件系统软件系统微机微处理器存储器I/O接口系统总线外设、电源机箱等程序设计语言：机器语言汇编语言高级语言系统软件：应用软件：操作系统、监控程序与编译解释程序等数据库、软件包和窗口软件等1.3.1微机硬件组成CPU通过总线来实现与存储器、I/O接口的数据交换。CPU微处理器辅助电路ROMRAMI/O外设控制总线CB数据总线DB地址总线AB数据总线（DataBus―DB）

——双向、三态用来在微处理器、存储器以及输入/输出接口之间传送数据。数据总线的根数决定了一次可以传递二进制数的位数。CPU微处理器辅助电路ROMRAMI/O外设控制总线CB数据总线DB地址总线AB地址总线（AddressBus―AB）

——单向、三态

地址总线用来传送CPU发出的地址信息，以访问被选择的存储单元或I/O接口电路。

地址总线的位数决定了可以直接访问的存储单元(或I/O口)的最大可能数量（即容量）。CPU微处理器辅助电路ROMRAMI/O外设控制总线CB数据总线DB地址总线AB控制总线（ControlBus―CB）CPU微处理器辅助电路ROMRAMI/O外设控制总线CB数据总线DB地址总线AB控制总线用来传输控制信号，包括CPU送往存储器和I/O接口电路的控制信号，如、、INTA等；还包括其他部件送到CPU的信号，如、RESET等。不同的CPU控制总线根数及含义不尽相同。RDWRINT

数据总线和每个元件的数据线相连，为了使CPU能够和其中一个元件正确通信，必须使用三态逻辑元件（特别针对输入元件）。

（1）单向三态缓冲器

VCCTSCDY12T1T2图1-10单向三态电路图TSCDY00101101高阻真值表TSGDY图1-11单向三态电路符号0001001011三态逻辑元件（1）单向三态缓冲器

VCCTSCDY12T1T2图1-10单向三态电路图TSCDY00101101高阻真值表TSGDY图1-11单向三态电路符号1100高阻三态逻辑元件（2）三态双向缓冲器

TSG1DY图1-12双向三态电路符号TSG2当TSC1＝”1”，Y＝D当TSC2＝”1”，D＝Y当TSCi＝”0”，两端均呈高阻状态。三态逻辑元件例：CPU通过控制“片选”来选择一元件和其通信，其其它的元件其数据输出端均为高阻（断开）状态，E举例假设片选状态如图所示举例

1.程序设计语言（1）机器语言用机器能够直接识别的二进制指令代码（即机器码或可执行的目标代码）编写的程序称为机器语言。

执行速度快不易记忆，十分繁琐。——用机器语言编写程序是极其困难的。

特点：1.3.2软件系统1.程序设计语言

（2）汇编语言

用机器指令系统的助记符（能反映指令特征和操作性质的英文单词或英文缩写），用符号代替操作数来编写的程序称为汇编语言程序。

用汇编语言编写的程序不仅执行速度快，又可以有效地利用机器本身的专有特性，从而提高机器的工作效率。用汇编语言编写的程序由于面向机器，在一种机型上不能运行另一种机型的汇编程序，通用性差。特点：1.3.2软件系统1.程序设计语言

（3）高级语言

用户不必了解具体机器结构，而是面向问题，如BASIC、FORTRAN、PASCAL、C等各种高级语言。高级语言容易理解、学习和掌握，用户用高级语言编写程序就方便多了，可大大减少工作量。但计算机执行时，必须将高级语言编写的源程序翻译成机器语言表示的目标代码方能执行。这个“翻译”就是各种编译程序(Compiler)或解释程序

(Interpreter)。1.3.2软件系统2.系统软件

系统软件是用来提高计算机的使用效率、增加计算机的功能、简化程序设计、方便用户使用的一类程序，一般由专门的计算机软件技术人员开发。如操作系统(OS：Operatingsystem)、监控程序、诊断程序、编译和解释程序统称系统软