第三章 微型計算機的基礎(chǔ)工作原理

1、2021-10-241 一個實際的微機的電路結(jié)構(gòu)是相當(dāng)復(fù)雜的。一個實際的微機的電路結(jié)構(gòu)是相當(dāng)復(fù)雜的。本章內(nèi)容將從微機的最基本功能出發(fā)來講解其本章內(nèi)容將從微機的最基本功能出發(fā)來講解其電路原理，在有限的時間內(nèi)讓同學(xué)們建立一個電路原理，在有限的時間內(nèi)讓同學(xué)們建立一個較完整的基本概念。較完整的基本概念。 微機的基本功能可概括為微機的基本功能可概括為“三能一快三能一快”；能運算、能判別、能決策能運算、能判別、能決策。但所有這些。但所有這些“能能”的過程都是建立在的過程都是建立在“快快”的基礎(chǔ)上才能有實際的基礎(chǔ)上才能有實際意義。意義。2021-10-242 在整個計算機中，信息量是很大的，部件數(shù)在整個計算

2、機中，信息量是很大的，部件數(shù)很多，如何做到各個信息和部件能夠很多，如何做到各個信息和部件能夠“循序漸進、循序漸進、各得其所、有條不紊、快而不亂各得其所、有條不紊、快而不亂”？這就是計算？這就是計算機基本工作原理所要解答的問題。機基本工作原理所要解答的問題。 下面將以一個下面將以一個簡化簡化了的微機作為分析對象，了的微機作為分析對象，逐步講解一般計算機的各個基本功能，從而概括逐步講解一般計算機的各個基本功能，從而概括出微機的基本工作原理。在分析講解過程中，陸出微機的基本工作原理。在分析講解過程中，陸續(xù)介紹各個基本電路和部件之間的續(xù)介紹各個基本電路和部件之間的信息流通過程信息流通過程，指令系統(tǒng)的意

3、義，指令系統(tǒng)的意義，程序設(shè)計的步驟程序設(shè)計的步驟，控制部件的控制部件的功能及其結(jié)構(gòu)功能及其結(jié)構(gòu)，控制矩陣產(chǎn)生控制字的過程控制矩陣產(chǎn)生控制字的過程等等，這樣可以對微機的基本工作原理有一個比較完整這樣可以對微機的基本工作原理有一個比較完整的概念的概念。2021-10-243 簡化的微機結(jié)構(gòu)簡化的微機結(jié)構(gòu)如圖如圖3-13-1所示，其硬所示，其硬件結(jié)構(gòu)特點是：功件結(jié)構(gòu)特點是：功能簡單、內(nèi)存量小、能簡單、內(nèi)存量小、字長字長8 8位、手動輸入。位、手動輸入。（1 1）PC PC （2 2）MARMAR（3 3）PROMPROM（圖圖3-23-2）（4 4）IRIR指令字格式：指令字格式： 高高4 4位為指

4、令字段，位為指令字段，低低4 4位為地址字段。位為地址字段。2021-10-244圖圖3-2 PROM結(jié)構(gòu)原理圖結(jié)構(gòu)原理圖2021-10-245（5）控制器）控制器 其功能：其功能： （PC、IR）清零；發(fā)出清零；發(fā)出同步脈沖同步脈沖CLK；發(fā)出發(fā)出12位控制字位控制字CON。（6 6）累加器）累加器A A（7 7）寄存器寄存器B B（8 8）輸出寄存器輸出寄存器O O（9 9）二進制顯示器二進制顯示器D D 可見結(jié)構(gòu)簡單，但為一可見結(jié)構(gòu)簡單，但為一個可編程計算機的雛形，個可編程計算機的雛形，麻雀雖小，五臟具全。其麻雀雖小，五臟具全。其功能分解為三大部分見圖功能分解為三大部分見圖所示。所示。2

5、021-10-246指令系統(tǒng)就是用來編制程序的一個指令集合。指令系統(tǒng)就是用來編制程序的一個指令集合。 這臺微型機有五條指令，即其控制部件能完成這臺微型機有五條指令，即其控制部件能完成一系列例行程序以執(zhí)行五種命令：一系列例行程序以執(zhí)行五種命令： LDALDA將數(shù)據(jù)裝入累加器將數(shù)據(jù)裝入累加器A A ADD ADD進行加法運算進行加法運算 SUBSUB進行減法運算進行減法運算 OUTOUT輸出結(jié)果輸出結(jié)果 HLTHLT停機停機 這五條指令在一起就稱為這臺計算機的指令這五條指令在一起就稱為這臺計算機的指令系統(tǒng)系統(tǒng)。 2021-10-247 不同型號的微處理機的指令系統(tǒng)是不同的，不同型號的微處理機的指令

6、系統(tǒng)是不同的，指令的條數(shù)也不相同，如指令的條數(shù)也不相同，如Z80Z80型的指令系統(tǒng)可達：型的指令系統(tǒng)可達：5858條，條，M6800M6800型有型有7272條，條，65026502型則有型則有5656條指令，而條指令，而Intel 80386Intel 80386則為則為152152條。條。 例如一個計算程序的格式如下：例如一個計算程序的格式如下： LDA RLDA R9 9 ；把把 R R9 9中的數(shù)據(jù)存入中的數(shù)據(jù)存入A A ADD RADD RA A ；把把 R RA A中的數(shù)據(jù)與中的數(shù)據(jù)與A A的相加的相加 ADD RADD RB B ；把把 R RB B中的數(shù)據(jù)與中的數(shù)據(jù)與A A的相

7、加的相加 ADD RADD RC C ；把把 R RC C中的數(shù)據(jù)與中的數(shù)據(jù)與A A的相加的相加 SUB RSUB RD D ；把把 R RD D中的數(shù)據(jù)與中的數(shù)據(jù)與R RD D的相減的相減 OUT OUT ；輸出輸出A A中的數(shù)據(jù)，即結(jié)果中的數(shù)據(jù)，即結(jié)果 HLT HLT ；停機停機 助記符助記符 操作數(shù)操作數(shù) 注釋注釋2021-10-248 這樣的格式稱為用匯編語言寫的匯編語言程這樣的格式稱為用匯編語言寫的匯編語言程序序。最左邊的符號稱為助記符，中間的符號。最左邊的符號稱為助記符，中間的符號R R9 9、R RA A等稱為操作數(shù)，在等稱為操作數(shù)，在“；”之后的稱為注釋，之后的稱為注釋，每一行

8、就是一條指令。每一行就是一條指令。運行結(jié)果（運行結(jié)果（A A）= =（R R9 9）運行結(jié)果（運行結(jié)果（A A）= =（R R9 9）（）（R RA A）運行結(jié)果（運行結(jié)果（A A）= =（R R9 9）+ +（R RA A）+ +（R RB B）運行結(jié)果（運行結(jié)果（A A）= =（R R9 9）+ +（R RA A）+ +（R RB B）+ +（R RC C）運行結(jié)果（運行結(jié)果（A A）= =（R R9 9）+ +（R RA A）+ +（R RB B）+ +（R RC C）- -（R RD D）運行結(jié)果（運行結(jié)果（D D）= =（A A）運行結(jié)果：運行結(jié)果：CLKCLK停止發(fā)脈沖停止發(fā)脈沖

9、最后一條指令，使時鐘脈沖停發(fā)，則計算機停止運行，最后一條指令，使時鐘脈沖停發(fā)，則計算機停止運行，但電源未切斷，所以顯示器中仍繼續(xù)顯示計算的結(jié)果。但電源未切斷，所以顯示器中仍繼續(xù)顯示計算的結(jié)果。2021-10-2491 1、先要有一個操作碼表：、先要有一個操作碼表：2021-10-24103、將源程序翻譯成目的程序、將源程序翻譯成目的程序2021-10-24114、程序及數(shù)據(jù)的輸入方法、程序及數(shù)據(jù)的輸入方法2021-10-2412 執(zhí)行一條指令的時間為一個執(zhí)行一條指令的時間為一個機器周期機器周期。機器。機器周期又可分為周期又可分為取指周期取指周期和和執(zhí)行周期執(zhí)行周期。取指過程和。取指過程和執(zhí)行過

10、程都得通過不同的執(zhí)行過程都得通過不同的機器節(jié)拍機器節(jié)拍。在這些節(jié)拍。在這些節(jié)拍內(nèi)，每個寄存器（內(nèi)，每個寄存器（PCPC、MARMAR、IRIR、A A、B B、O O等）的等）的內(nèi)容可能發(fā)生變化。內(nèi)容可能發(fā)生變化。2021-10-24132、取指周期及執(zhí)行周期、取指周期及執(zhí)行周期取指周期取指周期需要三個機器節(jié)拍：需要三個機器節(jié)拍：(1)地址節(jié)拍(T0=1)PC內(nèi)容送MAR并到達PROM(2)儲存節(jié)拍(T1=1)PROM指定單元內(nèi)容送到IR，高四位送控制部件CON=0001 1000 0000(3)增量節(jié)拍(T2=1)PC+1，指向下一條指令CON=1000 0000 00002021-10-2

11、414執(zhí)行周期也需要三個節(jié)拍：這里以LDA例行程序為例：(4) T3=1，IR高四位送至控制器進行分析，IR低四位送總線，MAR接受此低四位并指向PROM的某個單元。（第一次訪問的是指令區(qū)，第二次訪問的是數(shù)據(jù)區(qū)）CON= = 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0（5） T4=1，PROM中數(shù)據(jù)區(qū)的存儲單元的內(nèi)容送累加器ACON= 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 02021-10-2415(6) T5=1，因T4=1時，已將數(shù)據(jù)存入A中，所以LDA的例行程序就已完成， T5為空拍： CON= 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 注意：注意：（1）為什么需空拍，但

12、一些其它指令例行程序）為什么需空拍，但一些其它指令例行程序需要六拍，這樣的機器稱為需要六拍，這樣的機器稱為固定周期固定周期的計算機。的計算機。（2）對任何一條指令取指周期都是三拍。）對任何一條指令取指周期都是三拍。 其它例行程序執(zhí)行情況見表其它例行程序執(zhí)行情況見表3-32021-10-2416節(jié)拍節(jié)拍指令指令機器周期（指令周期）機器周期（指令周期）取指周期取指周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期T0T1T2T3T4T5LDA 9H0000 1001(0000)MARPCRPC(ROM)(ROM)LM,EPLM,EPIRROMROMLI,ERLI,ER(0001)PCPC+1 PCPC+1 CPCPMARIRR

13、IR(ROM)(ROM)LM,EILM,EIAROMAROMLA,ERLA,ER_ADD AH0001 1010(0001)MARPCRPC(ROM)(ROM)LM,EPLM,EPIRROMROMLI,ERLI,ER(0010)PCPC+1 PCPC+1 CPCPMARIRRIR(ROM)(ROM)LM,EILM,EIBROMBROMLB,ERLB,ERAA+BAA+BLA,EULA,EUADD BH0001 1011(0010)MARPCRPC(ROM)(ROM)LM,EPLM,EPIRROMROMLI,ERLI,ER(0011)PCPC+1 PCPC+1 CPCPMARIRRIR(ROM)

14、(ROM)LM,EILM,EIBROMBROMLB,ERLB,ERAA+BAA+BLA,EULA,EUADD CH0001 1100(0011)MARPCRPC(ROM)(ROM)LM,EPLM,EPIRROMROMLI,ERLI,ER(0100)PCPC+1 PCPC+1 CPCPMARIRRIR(ROM)(ROM)LM,EILM,EIBROMBROMLB,ERLB,ERAA+BAA+BLA,EULA,EUSUB DH0010 1101(0100)MARPCRPC(ROM)(ROM)LM,EPLM,EPIRROMROMLI,ERLI,ER(0101)PCPC+1 PCPC+1 CPCPMAR

15、IRRIR(ROM)(ROM)LM,EILM,EIBROMBROMLB,ERLB,ERAA-BAA-BLA,EU,SULA,EU,SUOUT 1110 (0101)MARPCRPC(ROM)(ROM)LM,EPLM,EPIRROMROMLI,ERLI,ER(0110)PCPC+1 PCPC+1 CPCPOAALO,EALO,EA_HLT1111 (0110)MARPCRPC(ROM)(ROM)LM,EPLM,EPIRROMROMLI,ERLI,ER(0111)PCPC+1 PCPC+1 CPCP_HLT_表表3-3 執(zhí)行指令的過程執(zhí)行指令的過程2021-10-2417控制部件的主要環(huán)節(jié)：控制部

16、件的主要環(huán)節(jié)：（1）環(huán)行計數(shù)器（）環(huán)行計數(shù)器（RC）（2）指令譯碼器（指令譯碼器（ID）（3）控制矩陣（控制矩陣（CM）（4）其它控制電路其它控制電路 指令譯碼器的任務(wù)是：將四位組成的編碼，指令譯碼器的任務(wù)是：將四位組成的編碼，譯成一個信號，即譯為某一控制線為高電位。譯成一個信號，即譯為某一控制線為高電位。其譯碼電路如圖其譯碼電路如圖3-5所示。所示。2021-10-24182021-10-2419 控制矩陣（控制矩陣（CM）是控制部件的核心，其輸入為節(jié)是控制部件的核心，其輸入為節(jié)拍信號和經(jīng)譯碼后的指令信號，輸出為拍信號和經(jīng)譯碼后的指令信號，輸出為12位控制字。其位控制字。其結(jié)構(gòu)見圖結(jié)構(gòu)見圖3

17、-6所示。所示。2021-10-2420 由圖可見五條指令的控制器就已經(jīng)這么復(fù)由圖可見五條指令的控制器就已經(jīng)這么復(fù)雜，由此可知要擴大指令系統(tǒng)，其控制矩陣的雜，由此可知要擴大指令系統(tǒng)，其控制矩陣的結(jié)構(gòu)以及設(shè)計上的問題是相當(dāng)復(fù)雜的。這樣從結(jié)構(gòu)以及設(shè)計上的問題是相當(dāng)復(fù)雜的。這樣從結(jié)構(gòu)上用邏輯電路的方法來實現(xiàn)控制字的方法結(jié)構(gòu)上用邏輯電路的方法來實現(xiàn)控制字的方法稱為稱為硬連線方法硬連線方法（硬件方法）。也可以用軟件（硬件方法）。也可以用軟件的方法來實現(xiàn)這個目的，這就是所謂的方法來實現(xiàn)這個目的，這就是所謂微程序法微程序法。這將在后面做簡要介紹。這將在后面做簡要介紹。2021-10-2421其它控制電路：其

18、它控制電路：（1）時鐘脈沖發(fā)生器：它一般由兩部分組成，）時鐘脈沖發(fā)生器：它一般由兩部分組成，即時鐘振蕩器及射極輸出器。前者是石英晶體振即時鐘振蕩器及射極輸出器。前者是石英晶體振蕩器，后者則用以降低輸出電阻，以提高帶負(fù)載蕩器，后者則用以降低輸出電阻，以提高帶負(fù)載能力。能力。（2 2）運行）運行/ /停車觸發(fā)器停車觸發(fā)器: :既接收來自按鈕的既接收來自按鈕的“運運行行”脈沖信號，也接收來自指令譯碼器的脈沖信號，也接收來自指令譯碼器的“HLT”HLT”停車信號，其輸出就去啟動時鐘振蕩停車信號，其輸出就去啟動時鐘振蕩器。器。（3 3）“啟動啟動”和和“清零清零”按鈕：由人直接操作按鈕：由人直接操作的主

19、令電器，命令都是由此開始的。的主令電器，命令都是由此開始的。 圖圖3-73-7用方塊圖展示了控制部件各個電路用方塊圖展示了控制部件各個電路間的關(guān)系。間的關(guān)系。2021-10-24222021-10-2423 作為引導(dǎo)入門的模型機功能太簡單。其原作為引導(dǎo)入門的模型機功能太簡單。其原因是：首先是硬件過于簡單，只能接受五條指因是：首先是硬件過于簡單，只能接受五條指令而產(chǎn)生相應(yīng)的例行程序。其次是軟件開發(fā)問令而產(chǎn)生相應(yīng)的例行程序。其次是軟件開發(fā)問題，即如何利用現(xiàn)有的指令系統(tǒng)，經(jīng)過靈活的題，即如何利用現(xiàn)有的指令系統(tǒng)，經(jīng)過靈活的編程以解決更復(fù)雜的問題?？傊嬎銠C的功編程以解決更復(fù)雜的問題。總之，計算機的功

20、能在很大程度上取決于中央處理器部分，而中能在很大程度上取決于中央處理器部分，而中央處理器的功能又取決于控制器的功能。央處理器的功能又取決于控制器的功能。 圖圖3-8是功能擴充的微機結(jié)構(gòu)簡圖。是功能擴充的微機結(jié)構(gòu)簡圖。2021-10-2424圖3-8 功能擴充后的微機的結(jié)構(gòu)圖2021-10-2425（1 1）子程序計數(shù)器）子程序計數(shù)器SCSC（2 2）程序計數(shù)器程序計數(shù)器PCPC（3 3）RAMRAM（4 4）CONCON（5 5）ALUALU（見表見表3-43-4）（6 6）變址寄存器變址寄存器X X（7 7）IRIR 對于對于訪問存儲器指令訪問存儲器指令和和轉(zhuǎn)移指令轉(zhuǎn)移指令，高四位，高四位為

21、指令字段，低八位為地址字段。為指令字段，低八位為地址字段。 對于對于運算指令運算指令，高八位為指令字段，而低，高八位為指令字段，而低四位為任意數(shù)，不代表任何意義。四位為任意數(shù)，不代表任何意義。2021-10-2426 說明：說明：（1）訪問存儲器指令）訪問存儲器指令-與存儲器的讀與存儲器的讀/寫有關(guān)，所寫有關(guān)，所以有其地址字段必須為以有其地址字段必須為8位（位（256）。）。（2）轉(zhuǎn)移指令）轉(zhuǎn)移指令-可用以改變程序的順序?？捎靡愿淖兂绦虻捻樞?。（3）邏輯運算指令）邏輯運算指令-特點是與存儲器及特點是與存儲器及PC無關(guān)，無關(guān)，而是與而是與ALU、A及及B寄存器有關(guān)。寄存器有關(guān)。2021-10-2

22、4272021-10-2428 上節(jié)提供的指令系統(tǒng)，可以據(jù)以進行程序設(shè)計。上節(jié)提供的指令系統(tǒng)，可以據(jù)以進行程序設(shè)計。 所謂初級程序是包括下列的程序模式：所謂初級程序是包括下列的程序模式： 1 1程序一統(tǒng)到底，中間沒有任何程序一統(tǒng)到底，中間沒有任何分支和跳轉(zhuǎn)。分支和跳轉(zhuǎn)。 2 2程序進行中，根據(jù)判斷程序執(zhí)程序進行中，根據(jù)判斷程序執(zhí)行的不同結(jié)果而分別跳轉(zhuǎn)至其他子程序。行的不同結(jié)果而分別跳轉(zhuǎn)至其他子程序。 3 3程序進行過程中，在某一循環(huán)程序進行過程中，在某一循環(huán)體進行若干次循環(huán)運行，然后再繼續(xù)前進。體進行若干次循環(huán)運行，然后再繼續(xù)前進。 4 4一程序進行至某一階段，調(diào)一程序進行至某一階段，調(diào)用存儲

23、于某存儲區(qū)中的某個子程序，然后返回用存儲于某存儲區(qū)中的某個子程序，然后返回至主程序繼續(xù)運行下去。至主程序繼續(xù)運行下去。2021-10-2429【例例1 1】程序清單（循環(huán)程序）】程序清單（循環(huán)程序） R R0 0 LDA 6H ; LDA 6H ;把（把（R R6 6）裝人裝人A A去去 R R1 1 SUB 7H ; SUB 7H ;從（從（A A）減去（減去（R R7 7） 指指 R R2 2 JAM 5H ; JAM 5H ;（A A）= =負(fù)，則轉(zhuǎn)移至負(fù)，則轉(zhuǎn)移至R R5 5 令令 R R3 3 JAZ 5H ; JAZ 5H ;（A A）= 0= 0，則轉(zhuǎn)移至則轉(zhuǎn)移至R R5 5 區(qū)

24、區(qū) R R4 4 JMP 1H ; JMP 1H ;無條件轉(zhuǎn)移至無條件轉(zhuǎn)移至R R1 1 R R5 5 HLT HLT 數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù) R R6 6 25 25（十進制）十進制） 區(qū)區(qū) R R7 7 9 9 （十進制）十進制）2021-10-2430 執(zhí)行結(jié)果執(zhí)行結(jié)果 R R0 0 LDA 6H A LDA 6H A中的內(nèi)容中的內(nèi)容 = 25 = 25 R R1 1 SUB 7H A SUB 7H A中的內(nèi)容中的內(nèi)容 = 25-9 =16 = 25-9 =16 R R2 2 JAM 5H JAM 5H 因為（因為（A A）負(fù)，所以不轉(zhuǎn)移負(fù)，所以不轉(zhuǎn)移 R R3 3 JAZ 5H JAZ 5H 因為

25、（因為（A A）00，所以不轉(zhuǎn)移所以不轉(zhuǎn)移 R R4 4 JMP 1H JMP 1H 無條件轉(zhuǎn)移至無條件轉(zhuǎn)移至R R1 1 從從R R1 1 起再執(zhí)行第二次起再執(zhí)行第二次： R R1 1 SUB 7H A SUB 7H A中的內(nèi)容中的內(nèi)容 = 16-9 =7 = 16-9 =7 R R2 2 JAM 5H JAM 5H 因為（因為（A A）負(fù)，所以不轉(zhuǎn)移負(fù)，所以不轉(zhuǎn)移 R R3 3 JAZ 5H JAZ 5H 因為（因為（A A）00，所以不轉(zhuǎn)移所以不轉(zhuǎn)移 R R4 4 JMP 1H JMP 1H 無條件轉(zhuǎn)移至無條件轉(zhuǎn)移至R R1 1 從從R R1 1起再執(zhí)行第三次：起再執(zhí)行第三次： R R1

26、 1 SUB 7H A SUB 7H A中的內(nèi)容中的內(nèi)容 = 7-9 = -2 = 7-9 = -2 R R2 2 JAM 5H JAM 5H 因為因為( (A)=A)=負(fù)所以轉(zhuǎn)移至負(fù)所以轉(zhuǎn)移至R R5 5 R R5 5 HLT HLT 停機停機2021-10-2431 這個程序可以理解為求（這個程序可以理解為求（R R6 6）（）（R R7 7）的除的除法運算。這里是法運算。這里是25259 9，除的結(jié)果應(yīng)得商為，除的結(jié)果應(yīng)得商為2 2，余，余數(shù)為數(shù)為7 7。程序循環(huán)運行的次數(shù)即為商，余數(shù)即為第。程序循環(huán)運行的次數(shù)即為商，余數(shù)即為第二次執(zhí)行后二次執(zhí)行后A A中的內(nèi)容。中的內(nèi)容。 例例22循環(huán)

27、程序循環(huán)程序( (利用變址寄存器進行設(shè)計利用變址寄存器進行設(shè)計) )R R0 0 LDX 5H ; LDX 5H ;將（將（R R5 5）裝人變址器裝人變址器X XR R1 1 DEX ; DEX ;命（命（X X）減減1 1R R2 2 JIZ 4H ; JIZ 4H ;（X X）= =0 0，則轉(zhuǎn)移至，則轉(zhuǎn)移至R R4 4R R3 3 JMP 1H ; JMP 1H ;無條件轉(zhuǎn)移至無條件轉(zhuǎn)移至R R1 1R R4 4 HLT ; HLT ;停機停機R R5 5 3 3（十進制）十進制） （R R5 5）=3 =3 （數(shù)據(jù)）數(shù)據(jù)） 2021-10-2432第一次執(zhí)行結(jié)果第一次執(zhí)行結(jié)果：R R

28、0 0 LDX 5H LDX 5H （X X）= =（R R5 5）=3=3R R1 1 DEX DEX （X X）=3=3-1=2-1=2R R2 2 JIZ 4H JIZ 4H 因為（因為（X X）0 0，所以不轉(zhuǎn)移，所以不轉(zhuǎn)移R R3 3 JMP 1H JMP 1H 無條件轉(zhuǎn)移至無條件轉(zhuǎn)移至R R1 1第二次執(zhí)行結(jié)果第二次執(zhí)行結(jié)果：R R1 1 DEX DEX （X X）=2=2-1=1-1=1R R2 2 JIZ 4H JIZ 4H 因為（因為（X X）0 0，所以不轉(zhuǎn)移，所以不轉(zhuǎn)移R R3 3 JMP 1H JMP 1H 無條件轉(zhuǎn)移至無條件轉(zhuǎn)移至R R1 1第三次執(zhí)行結(jié)果第三次執(zhí)行結(jié)

29、果：R R1 1 DEX DEX （X X）=1=1-1=0-1=0R R2 2 JIZ 4H JIZ 4H 因為因為( (X)=X)=0 0，所以轉(zhuǎn)移則至，所以轉(zhuǎn)移則至R R4 4R R5 5 HLT HLT 停機停機2021-10-2433例例3乘法計算的程序乘法計算的程序 12*8 （利用循環(huán)程序和加利用循環(huán)程序和加法運算來實現(xiàn)）法運算來實現(xiàn)）R R0 0 NOP NOP ; ;空操作空操作R R1 1 LDX AH LDX AH R R2 2 CLA CLA ; ;將將A A清零清零 R R3 3 DEX DEX R R4 4 ADD 9H ADD 9H ; ;七次返回七次返回 R R

30、5 5 JIZ 7H JIZ 7H R R6 6 JMP 3H JMP 3H R R7 7 OUT OUT ; ;轉(zhuǎn)出循環(huán)轉(zhuǎn)出循環(huán) 96 96轉(zhuǎn)至輸出寄存器轉(zhuǎn)至輸出寄存器O O中中R R8 8 HLT HLT R R9 9 12D 12D R RA A 8D 8D 2021-10-2434例例4設(shè)計一個用以測試某個來自接口電路的輸入數(shù)設(shè)計一個用以測試某個來自接口電路的輸入數(shù)I0，以，以確定該數(shù)是否為奇數(shù)。如確定該數(shù)是否為奇數(shù)。如I0為奇數(shù)（即最后一位為為奇數(shù)（即最后一位為1），則），則顯示一個顯示一個 1111 1111 1111；如；如I0是偶數(shù)（最后一位為是偶數(shù)（最后一位為 0），則），則

31、顯示一個顯示一個 0000 0000 0000。程序清單如下：。程序清單如下：R R0 0 INP INP ；將將I I0 0裝入累加器裝入累加器A AR R1 1 LDB 9H LDB 9H ；將（；將（R R9 9）裝入寄存器裝入寄存器B BR R2 2 AND AND ；將；將( (B)B)與與( (A)A)進行進行“與與”運算運算 R R3 3 JAZ 6H JAZ 6H ；（；（A A）=0=0，則轉(zhuǎn)移至則轉(zhuǎn)移至R R6 6 R R4 4 LDA AH LDA AH ；將（；將（R RA A）裝入累加器）裝入累加器A A R R5 5 JMP 7H JMP 7H ；無條件轉(zhuǎn)移至；無條

32、件轉(zhuǎn)移至R R7 7 R R6 6 LDA BH LDA BH ；將（；將（R RB B）裝入累加器）裝入累加器A A R R7 7 OUT OUT ；輸出（；輸出（A A）至顯示器至顯示器R R8 8 HLT HLT ；停機；停機 R R9 9 0000 0000 0001 0000 0000 0001（掩碼或屏蔽字）掩碼或屏蔽字）R RA A 1111 1111 1111 1111 1111 1111 奇數(shù)標(biāo)志奇數(shù)標(biāo)志R RB B 0000 0000 0000 0000 0000 0000 偶數(shù)標(biāo)志偶數(shù)標(biāo)志2021-10-2435【例例5 5】子程序設(shè)計子程序設(shè)計 設(shè)計一個計算設(shè)計一個計算

33、x x2 2+y+y2 2+z+z2 2= =？的計算程序。由的計算程序。由于于x x2 2、y y2 2和和z z2 2在形式上都是一樣的，是求一個數(shù)在形式上都是一樣的，是求一個數(shù)的平方值，這在其它數(shù)學(xué)運算時也常用得著，的平方值，這在其它數(shù)學(xué)運算時也常用得著，因此可將因此可將x x2 2做成一個子程序而存于存儲器中一做成一個子程序而存于存儲器中一個固定區(qū)域中，用到時，即可將其調(diào)出使用。個固定區(qū)域中，用到時，即可將其調(diào)出使用。這里將子程序存于這里將子程序存于 R RF2F2為起始地址得一個區(qū)域中，為起始地址得一個區(qū)域中，則程序清單如下：則程序清單如下：2021-10-2436R RF2 F2

34、STA CAH STA CAH ；將（；將（A)A)暫存于暫存于R RCACAR RF3F3 LDX CAH ; LDX CAH ;將（將（R RCACA）裝入）裝入X XR RF4F4 CLA CLA ；將累加器；將累加器A A清零清零 R RF5 F5 DEX DEX ；（；（X X）減）減1 1 R RF6F6 ADD CAH ADD CAH ；將（；將（R RCACA）與（）與（A)A)相加相加R RF7F7 JIZ F9H JIZ F9H ；（；（X X）=0=0，則轉(zhuǎn)移至則轉(zhuǎn)移至R RF9F9R RF8 F8 JMP F5H JMP F5H ； 無條件轉(zhuǎn)移無條件轉(zhuǎn)移R RF5F5

35、R RF9F9 BRB BRB ； 返回主程序返回主程序R RC6C6 x x R RC7C7 y ; y ;被運算的數(shù)據(jù)被運算的數(shù)據(jù) R RC8 C8 z zR RC9C9 ；運算過程暫存地址運算過程暫存地址 R RCACA x與與x相加相加的過的過程程循循環(huán)環(huán)體體2021-10-2437主程序： 子程序：R00 LDA C6H 1 RF2 STA CAH R01 JMS F2H RF3 LDX CAH R02 STA C9H 1 RF4 CLA R03 LDA C7H RF5 DEX R04 JMS F2H 2 RF6 ADD CAH R05 ADD C9H 2 RF7 JIZ F9H R

36、06 STA C9H RF8 JMP F5H R07 LDA C8H RF9 BRB R08 JMS F2H 3R09 ADD C9H 3R0A OUTR0B HLT2021-10-2438 有了子程序，每當(dāng)求平方時，只要調(diào)用子程有了子程序，每當(dāng)求平方時，只要調(diào)用子程序即可，本例調(diào)用三次子程序。主程序只管把每序即可，本例調(diào)用三次子程序。主程序只管把每次計算結(jié)果（次計算結(jié)果（ R RC9C9中）相加，因而主程序顯得短小中）相加，因而主程序顯得短小清楚。清楚。 問題的提出：隨著計算機的體系結(jié)構(gòu)日益復(fù)問題的提出：隨著計算機的體系結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜化，加之硬件連線的組合邏輯設(shè)計方法的缺點雜化，加之硬件連線的

37、組合邏輯設(shè)計方法的缺點（不靈活性、不規(guī)整性和線路的日益復(fù)雜性）的（不靈活性、不規(guī)整性和線路的日益復(fù)雜性）的存在，對于一些復(fù)雜的控制器的設(shè)計已從硬件連存在，對于一些復(fù)雜的控制器的設(shè)計已從硬件連線結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向微程序控制的結(jié)構(gòu)。那么微程序設(shè)計線結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向微程序控制的結(jié)構(gòu)。那么微程序設(shè)計的的本質(zhì)本質(zhì)是什么呢？是什么呢？它是用軟件的方法組織和控制它是用軟件的方法組織和控制數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的信息傳遞，并用硬件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的信息傳遞，并用硬件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。2021-10-2439 微程序控制的基本概念是由英國劍橋大學(xué)的微程序控制的基本概念是由英國劍橋大學(xué)的威爾克斯教授在威爾克斯教授在1951年提出的，他在設(shè)計計

38、算年提出的，他在設(shè)計計算機的最好方法一文中指出，機的最好方法一文中指出，將機器指令的操作將機器指令的操作（從取指到執(zhí)行）分解為若干個更基本的微操作（從取指到執(zhí)行）分解為若干個更基本的微操作序列，并將有關(guān)的控制信息（微命令）以微碼的序列，并將有關(guān)的控制信息（微命令）以微碼的形式編成微指令，存入控制存儲器中。形式編成微指令，存入控制存儲器中。這樣，這樣，每每條機器指令與一段微程序相對應(yīng)，取出微指令就條機器指令與一段微程序相對應(yīng)，取出微指令就產(chǎn)生相應(yīng)的微命令，從而實現(xiàn)機器指令要求的信產(chǎn)生相應(yīng)的微命令，從而實現(xiàn)機器指令要求的信息傳送和加工息傳送和加工。這就是微程序設(shè)計的基本思想。這就是微程序設(shè)計的基本

39、思想。2021-10-2440 微程序控制器的核心部件是存儲微程序的微程序控制器的核心部件是存儲微程序的控制存儲器控制存儲器CM，一般用只讀存儲器一般用只讀存儲器ROM構(gòu)成。構(gòu)成。而而EPROM的出現(xiàn)為實現(xiàn)微程序修改及動態(tài)微的出現(xiàn)為實現(xiàn)微程序修改及動態(tài)微程序設(shè)計提供了可能。程序設(shè)計提供了可能。基本術(shù)語：基本術(shù)語：微命令：微命令：控制部件通過控制線向執(zhí)行部件發(fā)出各控制部件通過控制線向執(zhí)行部件發(fā)出各種控制命令，這種控制命令叫微命令。種控制命令，這種控制命令叫微命令。微操作：微操作：執(zhí)行部件接受微命令后所進行的操作，執(zhí)行部件接受微命令后所進行的操作，叫做微操作。叫做微操作。微指令：微指令：在一個機器

40、周期中，一組實現(xiàn)一定操作在一個機器周期中，一組實現(xiàn)一定操作功能的微命令的組合，構(gòu)成一條微指令。功能的微命令的組合，構(gòu)成一條微指令。2021-10-2441微程序：微程序：一條機器指令的功能是用許多條微指令一條機器指令的功能是用許多條微指令組成的序列來實現(xiàn)的，這個微指令序列叫做微程組成的序列來實現(xiàn)的，這個微指令序列叫做微程序。序。 機器指令和微指令的區(qū)別：機器指令和微指令的區(qū)別： 機器指令機器指令是提供給用戶的基本單位，它表示是提供給用戶的基本單位，它表示機器能夠完成的一項基本功能。機器能夠完成的一項基本功能。微指令微指令則是為實則是為實現(xiàn)機器指令操作（一步或全部）的一系列微命令現(xiàn)機器指令操作（

41、一步或全部）的一系列微命令的組合，它作為機器內(nèi)部的信息，不一定提供給的組合，它作為機器內(nèi)部的信息，不一定提供給用戶，對程序員是透明的用戶，對程序員是透明的。 用戶根據(jù)某項任務(wù)編制的用戶根據(jù)某項任務(wù)編制的程序程序是存放在主存是存放在主存儲器中，由儲器中，由PC指示其流程。指示其流程。微程序微程序是由微指令構(gòu)是由微指令構(gòu)成的，用于描述機器指令。在設(shè)計計算機時預(yù)先成的，用于描述機器指令。在設(shè)計計算機時預(yù)先編制好的，放在控制存儲器中，供執(zhí)行程序時使編制好的，放在控制存儲器中，供執(zhí)行程序時使用用。2021-10-2442根據(jù)存儲程序的運行方式，其程序的指令順序地存儲在存儲器中，這些指令被逐條取出并執(zhí)行。

42、這種串行運行，重復(fù)取出和執(zhí)行順序指令是過去計算機的主要局限性。根本解決的方法是采用并行操作。 流水線技術(shù)是一種同時進行若干操作的并行處理方式。它把取操作和執(zhí)行操作重疊進行，在執(zhí)行一條指令的同時，又取另一條指令。串行運行的順序如圖3-12a 所示。流水線操作如圖3-12b所示。2021-10-24432021-10-2444 流水線技術(shù)是要增加計算機硬件，例如上流水線技術(shù)是要增加計算機硬件，例如上述中，需要采用預(yù)取指令操作就需增加硬件來取述中，需要采用預(yù)取指令操作就需增加硬件來取指令，并把它存放到寄存器隊列中指令，并把它存放到寄存器隊列中 ，使微處理，使微處理器能同時進行取指令和執(zhí)行微指令重疊進

43、行。因器能同時進行取指令和執(zhí)行微指令重疊進行。因此在微處理器中有兩個運算單元，一個主運算單此在微處理器中有兩個運算單元，一個主運算單元用于執(zhí)行指令，另一元用于執(zhí)行指令，另一 個個 專用于地址計算。專用于地址計算。2021-10-2445 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，CPU和存儲器的速和存儲器的速度都得到了明顯的改善，但存儲器速度的提高趕度都得到了明顯的改善，但存儲器速度的提高趕不上不上CPU運算速度的提高，大容量存儲器的速度運算速度的提高，大容量存儲器的速度遠遠跟遠遠跟 不上不上CPU的運算速度。為了程序的需要，的運算速度。為了程序的需要，主存容量也從幾千字節(jié)發(fā)展到幾兆和幾十兆字節(jié)

44、、主存容量也從幾千字節(jié)發(fā)展到幾兆和幾十兆字節(jié)、幾百兆字節(jié)以上。盡管如此，受價格等方面的約幾百兆字節(jié)以上。盡管如此，受價格等方面的約束，主存容量仍不能滿足程序和數(shù)據(jù)的要求。因束，主存容量仍不能滿足程序和數(shù)據(jù)的要求。因此需要將大量不常用的程序存放于大容量、低速此需要將大量不常用的程序存放于大容量、低速的輔存中。的輔存中。2021-10-2446 利用硬件控制將主存與輔存有機的組成一個整利用硬件控制將主存與輔存有機的組成一個整體，構(gòu)成體，構(gòu)成二級存儲體系二級存儲體系，其結(jié)構(gòu)見圖所示，其結(jié)構(gòu)見圖所示，CPU與與主存可以直接交換信息，輔存可以與主存交換信息主存可以直接交換信息，輔存可以與主存交換信息但不

45、能與但不能與CPU直接交換信息。直接交換信息。 在二級存儲體系中，主在二級存儲體系中，主存是與計算機各部件進行數(shù)存是與計算機各部件進行數(shù)據(jù)交換的主要設(shè)備，輔存作據(jù)交換的主要設(shè)備，輔存作為主存的后援系統(tǒng)來彌補主為主存的后援系統(tǒng)來彌補主存容量不足的缺陷。輔存中存容量不足的缺陷。輔存中存放的是暫時不用和主存中存放的是暫時不用和主存中容納不下的程序和數(shù)據(jù)。容納不下的程序和數(shù)據(jù)。2021-10-2447 這里輔存中的信息不能被這里輔存中的信息不能被CPU直接訪直接訪問，必須通過調(diào)入主存中才能被計算機的問，必須通過調(diào)入主存中才能被計算機的其它部件使用。其它部件使用。一般有兩種途徑允許一般有兩種途徑允許CP

46、U運行輔存中存放的程序。運行輔存中存放的程序。一種途徑是當(dāng)主一種途徑是當(dāng)主存能夠容納下整個程序及所需數(shù)據(jù)時，將存能夠容納下整個程序及所需數(shù)據(jù)時，將要使用的程序從輔存調(diào)入到主存之中，然要使用的程序從輔存調(diào)入到主存之中，然后由后由CPU控制運行。另一種途徑是當(dāng)主存控制運行。另一種途徑是當(dāng)主存容量不能容納整個程序時，由程序員將程容量不能容納整個程序時，由程序員將程序分成與主存大小相匹配的幾段，按需要序分成與主存大小相匹配的幾段，按需要控制各段程序間的運行順序，在執(zhí)行時依控制各段程序間的運行順序，在執(zhí)行時依次調(diào)入主存運行。次調(diào)入主存運行。2021-10-2448 二級存儲體系解決了主存容量不足、二級存

47、儲體系解決了主存容量不足、價格高的矛盾價格高的矛盾，但仍沒有解決主存與但仍沒有解決主存與CPU之間速度不匹配的問題。之間速度不匹配的問題。現(xiàn)代科技的發(fā)展現(xiàn)代科技的發(fā)展使使CPU的速度快于主存的存取速度，存儲的速度快于主存的存取速度，存儲器的相對低速影響了器的相對低速影響了CPU性能的發(fā)揮。同性能的發(fā)揮。同時，主存與輔存之間數(shù)據(jù)交換速度也影響時，主存與輔存之間數(shù)據(jù)交換速度也影響了計算機存儲系統(tǒng)性能的發(fā)揮。因此，存了計算機存儲系統(tǒng)性能的發(fā)揮。因此，存儲系統(tǒng)的設(shè)計突破了用主存和輔存組成單儲系統(tǒng)的設(shè)計突破了用主存和輔存組成單一的二級存儲結(jié)構(gòu)，采用由多種性能不同、一的二級存儲結(jié)構(gòu)，采用由多種性能不同、速

48、度不同、價格不同的存儲設(shè)備按一定的速度不同、價格不同的存儲設(shè)備按一定的層次結(jié)構(gòu)組成多級存儲體系，見圖所示。層次結(jié)構(gòu)組成多級存儲體系，見圖所示。2021-10-2449 多級存儲體系多級存儲體系是由主存是由主存輔存二級存儲體系發(fā)展而來。輔存二級存儲體系發(fā)展而來。在主存和輔存之間利用輔助的在主存和輔存之間利用輔助的軟硬件將二者連為一體，構(gòu)成軟硬件將二者連為一體，構(gòu)成速度接近主存、容量接近輔存速度接近主存、容量接近輔存的存儲體系。同時為解決主存的存儲體系。同時為解決主存與與 CPU 之間的互相匹配問題，之間的互相匹配問題，參照主存參照主存輔存結(jié)構(gòu)在輔存結(jié)構(gòu)在 CPU與主存之間增加高速緩沖存儲與主存之

49、間增加高速緩沖存儲器器(Cache)。借助于輔助硬件，借助于輔助硬件，將將 Cache與與 主存構(gòu)成一整體，主存構(gòu)成一整體，使得它具有接近使得它具有接近Cache的速度、的速度、主存的容量和接近主存的平均主存的容量和接近主存的平均價格。價格。2021-10-2450 在多級存儲體系中，在多級存儲體系中， Cache的出現(xiàn)基本解決的出現(xiàn)基本解決了主存與了主存與CPU之間的速度匹配問題。之間的速度匹配問題。 Cache的性的性能高于主存的性能，但由于它是采用價格昂貴的能高于主存的性能，但由于它是采用價格昂貴的雙極性雙極性RAM線路，因此其價格高于主存。采用線路，因此其價格高于主存。采用適量的適量的

50、Cache既可以增加存儲體系的性能，又可既可以增加存儲體系的性能，又可以將整個存儲體系的價格限制在一定范圍內(nèi)。以將整個存儲體系的價格限制在一定范圍內(nèi)。 Cache的原理和特點：的原理和特點： 其工作原理是基于對大量典型程序運行實例其工作原理是基于對大量典型程序運行實例分析，在較短的時間間隔內(nèi)，由程序產(chǎn)生的地址分析，在較短的時間間隔內(nèi)，由程序產(chǎn)生的地址往往集中于存儲器邏輯地址空間很小的范圍內(nèi)。往往集中于存儲器邏輯地址空間很小的范圍內(nèi)。2021-10-2451 指令地址的分布是連續(xù)的，加上循環(huán)程序和指令地址的分布是連續(xù)的，加上循環(huán)程序和子程序段的重復(fù)執(zhí)行，對這些地址的訪問自然具子程序段的重復(fù)執(zhí)行，

51、對這些地址的訪問自然具有時間集中分布的傾向。這種對局部范圍的存儲有時間集中分布的傾向。這種對局部范圍的存儲器地址頻繁訪問，對此范圍外的地址訪問甚少的器地址頻繁訪問，對此范圍外的地址訪問甚少的現(xiàn)象稱為程序訪問的局部性?，F(xiàn)象稱為程序訪問的局部性。程序訪問的局部性程序訪問的局部性為為 Cache的引入提供了理論依據(jù)。的引入提供了理論依據(jù)。 Cache中存放著主存的一部分副本中存放著主存的一部分副本(主存中的主存中的部分內(nèi)容部分內(nèi)容)，當(dāng)存儲器接到有關(guān)讀取指令時，先在，當(dāng)存儲器接到有關(guān)讀取指令時，先在Cache中查找此信息是否存在，若有則不經(jīng)主存從中查找此信息是否存在，若有則不經(jīng)主存從Cache中取出

52、，否則直接從主存中取出，同時寫入中取出，否則直接從主存中取出，同時寫入Cache，以備再次使用。以備再次使用。2021-10-2452 需要向存儲器寫入內(nèi)容時，由輔助硬件采用需要向存儲器寫入內(nèi)容時，由輔助硬件采用各種方法保證主存中的內(nèi)容同各種方法保證主存中的內(nèi)容同Cache中的內(nèi)容保持中的內(nèi)容保持一致。保證寫入時兩者內(nèi)容一致的方法有以下三一致。保證寫入時兩者內(nèi)容一致的方法有以下三種：種：(1) 將內(nèi)容同時寫入主存和將內(nèi)容同時寫入主存和Cache；(2) 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)僅寫入主存，放棄掉僅寫入主存，放棄掉Cache中相應(yīng)內(nèi)容；中相應(yīng)內(nèi)容；(3)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)只寫入只寫入Cache，在規(guī)定的時間將修改過的在規(guī)

53、定的時間將修改過的Cache的的內(nèi)容寫入主存內(nèi)容寫入主存.Cache的特點是的特點是：（：（1）存取速度快；）存取速度快； （2）存儲容量?。┐鎯θ萘啃?。2021-10-2453 （1 1）虛擬存儲器的概念、作用）虛擬存儲器的概念、作用 主存儲器的實際容量不一定與根據(jù)地址碼位主存儲器的實際容量不一定與根據(jù)地址碼位所計算出的容量相同，其中原因有二：所計算出的容量相同，其中原因有二： 一是在大、中型計算機中，由于指令系統(tǒng)中一是在大、中型計算機中，由于指令系統(tǒng)中的的地址碼位較長地址碼位較長，實際內(nèi)存空間比地址碼形成，實際內(nèi)存空間比地址碼形成的空間要小得多。如某種計算機，其指令系統(tǒng)的空間要小得多。如某

54、種計算機，其指令系統(tǒng)中地址碼位的長度為中地址碼位的長度為3232，依此可以計算出其可，依此可以計算出其可尋址空間為尋址空間為2 23232=4294 967 296=4294 967 296ByteByte，即即4 4GBGB，但但其主存的容量僅為其主存的容量僅為1616MBMB，兩者相差兩者相差256256倍。而程倍。而程序員希望能夠使用整個序員希望能夠使用整個3232位地址碼位編程，利位地址碼位編程，利用整個地址空間裝載程序。用整個地址空間裝載程序。2021-10-2454 二是小型微型計算機系統(tǒng)中指令系統(tǒng)的二是小型微型計算機系統(tǒng)中指令系統(tǒng)的地地址碼位短址碼位短，由地址碼位形成的尋址空間比

55、實際，由地址碼位形成的尋址空間比實際主存小。如一種微機的地址碼長為主存小。如一種微機的地址碼長為1616，其尋址，其尋址空間為空間為2 216166553665536ByteByte，即即6464KBKB，而其存儲器而其存儲器的實際容量為的實際容量為1 1MBMB。程序設(shè)計人員希望能夠在程程序設(shè)計人員希望能夠在程序中利用整個內(nèi)存的空間編程，以擺脫地址碼序中利用整個內(nèi)存的空間編程，以擺脫地址碼位的限制。位的限制。 對于第二種情況對于第二種情況，由操作系統(tǒng)的存儲管理部，由操作系統(tǒng)的存儲管理部分控制，分控制，對內(nèi)存的有效部分進行分段管理和重新對內(nèi)存的有效部分進行分段管理和重新定位，擴大其地址碼位的長度定位，擴大其地址碼位的長度，利于人們使用。，利于人們使用。2021-10-2455 對于第一種情況，一對于第一種情況，一般由操作系統(tǒng)將輔存的一般由操作系統(tǒng)將輔存的一部分當(dāng)做主存使用，從而部分當(dāng)做主存使用