第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課件

單片微機(jī)原理

及應(yīng)用2013年8月第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)第2章微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)內(nèi)容提要

本章從微型計(jì)算機(jī)的最基本功能出發(fā)介紹其基本結(jié)構(gòu)及工作原理，以便在有限的學(xué)時內(nèi)給讀者一個較完整的概念，然后在以后各章節(jié)中，結(jié)合實(shí)際的微型計(jì)算機(jī)逐步完善微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用的具體細(xì)節(jié)。學(xué)習(xí)要點(diǎn)了解計(jì)算機(jī)中數(shù)和其他信息的編碼表達(dá)方式。了解計(jì)算機(jī)運(yùn)算基礎(chǔ)，理解加法在二進(jìn)制運(yùn)算中的重要地位。了解微型計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及各功能模塊的作用和工作原理。了解微型計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令的例行程序，重點(diǎn)理解其取指令、分析指令和執(zhí)行指令的過程。了解單片微型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用方面的特點(diǎn)。了解51系列單片機(jī)的歷史沿革，重點(diǎn)了解AT89系列單片機(jī)和原型機(jī)的關(guān)系。第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)2.1計(jì)算機(jī)中的數(shù)、編碼和運(yùn)算

2.2微型計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 2.3微型計(jì)算機(jī)的指令執(zhí)行過程

2.4微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 2.5單片微型計(jì)算機(jī)概述

第2章目錄第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)2.1計(jì)算機(jī)中的數(shù)、編碼和運(yùn)算2.1.1計(jì)算機(jī)中常用的數(shù)制及相互轉(zhuǎn)換5第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)2.1.2微型計(jì)算機(jī)中常用的編碼1．BCD碼（十進(jìn)制數(shù)的二進(jìn)制編碼）6第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)2．ASCII碼7第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

2.1.3微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)算基礎(chǔ)

1．帶符號數(shù)的表示法計(jì)算機(jī)中處理的數(shù)值數(shù)據(jù)可分為無符號數(shù)和有符號數(shù)兩類。

（1）機(jī)器數(shù)與真值數(shù)學(xué)中的正負(fù)用符號“+”和“-”表示。在計(jì)算機(jī)中，正數(shù)的符號用“0”表示，負(fù)數(shù)的符號用“1”表示。用來表示數(shù)的符號的數(shù)位被稱為“符號位”（通常為最高數(shù)位），這樣就使數(shù)的符號也“數(shù)碼化”了，即從表達(dá)形式上看符號位與數(shù)值位毫無區(qū)別。

8第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)這種符號數(shù)碼化的數(shù)被稱為機(jī)器數(shù)，而把原來的帶正負(fù)號的數(shù)稱為相應(yīng)機(jī)器數(shù)的真值。機(jī)器數(shù)是計(jì)算機(jī)中數(shù)的基本形式，為了運(yùn)算方便，機(jī)器數(shù)通常有原碼、反碼和補(bǔ)碼三種形式。

在微型計(jì)算機(jī)中，帶符號數(shù)都是以補(bǔ)碼形式存放的。9第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)（2）補(bǔ)碼的概念及定義以日常生活中經(jīng)常遇到的鐘表為例來說明補(bǔ)碼的概念。①以模的概念定義補(bǔ)碼[X]補(bǔ)

=2n+X(mod2n)

（2-1）

②利用反碼定義補(bǔ)碼

若X≥0，則[X]補(bǔ)=[X]反=[X]原

若X<0，則[X]補(bǔ)

=[X]反

+110第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)（3）補(bǔ)碼的求取方法根據(jù)前述介紹可知，正數(shù)的補(bǔ)碼等于原碼。下面介紹負(fù)數(shù)求補(bǔ)碼的3種方法。

①利用模求補(bǔ)碼11第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

②利用十六進(jìn)制數(shù)形式求取補(bǔ)碼的便捷方法以8位微型機(jī)中常用的單字節(jié)數(shù)為例:[X]補(bǔ)

=100H+X此法便于手工計(jì)算。例如，X=-2，則X的補(bǔ)碼用單字節(jié)十六進(jìn)制數(shù)表達(dá)，就是：

③根據(jù)反碼求補(bǔ)碼首先求真值（負(fù)數(shù)）對應(yīng)的原碼，再求相應(yīng)的反碼，最后加1得到原數(shù)對應(yīng)的二進(jìn)制形式的補(bǔ)碼。這種方法，便于在邏輯電路中利用非門電路和加法計(jì)數(shù)器的功能實(shí)現(xiàn)。12第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

（4）由補(bǔ)碼求取真值的方法在計(jì)算機(jī)中凡是帶符號的數(shù)一律用補(bǔ)碼表示，且符號位參加運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果也用補(bǔ)碼表示。

若結(jié)果的符號位為“0”，則表示結(jié)果為正數(shù)，此時可以認(rèn)為它是以原碼形式表示的（正數(shù)的補(bǔ)碼即為原碼）；

若結(jié)果的符號位為“l(fā)”，則表示結(jié)果為負(fù)數(shù)，它也是以補(bǔ)碼形式表示的。若要用原碼來表示該結(jié)果，還需要對結(jié)果求補(bǔ)，即：

[[X]補(bǔ)]補(bǔ)

=[X]原求得X的原碼后只需簡單地對符號位做出處理就可得到對應(yīng)的真值。13第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)【例2-2】已知[X]補(bǔ)=10011001B，求X。解：[X]原=[[X]補(bǔ)]補(bǔ)=11100111B，所以X=-1100111B。14第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

2．補(bǔ)碼運(yùn)算規(guī)則

（1）補(bǔ)碼的加法設(shè)x和Y是兩個帶符號的補(bǔ)碼數(shù)，則有：

即兩個數(shù)和的補(bǔ)碼等于兩個數(shù)補(bǔ)碼的和：[X+Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[Y]補(bǔ)第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

（2）補(bǔ)碼的減法兩個帶符號數(shù)相減，有如下基本公式：X-Y＝X+(-Y)

即兩數(shù)差的補(bǔ)碼等于被減數(shù)的補(bǔ)碼及減數(shù)相反數(shù)的補(bǔ)碼之和。這說明了在補(bǔ)碼運(yùn)算中，減法運(yùn)算可以用加法來代替。這里關(guān)鍵在于求。如果已知，那么對于的每一位(包括符號位)都按位求反，然后再加l，結(jié)果即為。稱為對“變補(bǔ)”，即[[Y]補(bǔ)]變補(bǔ)=[-Y]補(bǔ)

它有別于[[Y]補(bǔ)]補(bǔ)=[Y]原。

第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)【例2-3】用補(bǔ)碼運(yùn)算求64-65。解：①[64]補(bǔ)=01000000B，[65]補(bǔ)=01000001B，[-65]補(bǔ)=10111111B②做加法：[64]補(bǔ)+[65]補(bǔ)

=01000000B+10111111B=11111111B③求真值：由于是負(fù)數(shù)，要對結(jié)果除符號位外取反加1，結(jié)果即為：-

(00000001B)=-1。17第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

3．?dāng)?shù)值數(shù)據(jù)運(yùn)算的溢出問題

（1）溢出的概念在微型計(jì)算機(jī)中，帶符號數(shù)都是以補(bǔ)碼形式存放的。根據(jù)指令，這些數(shù)可以進(jìn)行加法運(yùn)算，也可以進(jìn)行減法運(yùn)算。但在實(shí)際機(jī)器中只有加法器，減法運(yùn)算也是通過加法運(yùn)算來完成的，且運(yùn)算結(jié)果也是用補(bǔ)碼表示的。由于計(jì)算機(jī)的字長有一定范圍，所以一個帶符號數(shù)也是有一定范圍的。表2-2列出了８位二進(jìn)制數(shù)的概況。由表可以看出，8位二進(jìn)制數(shù)的原碼和反碼形式所表示的數(shù)的范圍都是127～+127，而補(bǔ)碼表示的數(shù)的范圍是128～+127。18第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)當(dāng)兩個帶符號位的二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行補(bǔ)碼運(yùn)算時，若運(yùn)算結(jié)果的絕對值超過了這個范圍，數(shù)值部分便會占據(jù)符號位的位置，從而造成錯誤的運(yùn)算結(jié)果，這就是溢出。19第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

【例2-4】用補(bǔ)碼運(yùn)算求64+65。

解：①[64]補(bǔ)=01000000B，[65]補(bǔ)=01000001B

②做加法：[64]補(bǔ)+[65]補(bǔ)=01000000B+01000001B=10000001B

結(jié)果為一個負(fù)數(shù)，這顯然是錯誤的，原因就在于在字長為8位的情況下，64+65的結(jié)果是129，超過了單字節(jié)補(bǔ)碼所能表達(dá)的范圍，因此，出現(xiàn)了溢出錯誤。20第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

（2）采用補(bǔ)碼進(jìn)行加減運(yùn)算時要注意的幾個問題

①補(bǔ)碼運(yùn)算時，其符號位要與數(shù)值部分一樣參加運(yùn)算，但結(jié)果不能超出其所能表示的數(shù)的范圍，否則會出現(xiàn)溢出錯誤。無符號數(shù)的加減運(yùn)算結(jié)果超出數(shù)的范圍的情況稱為產(chǎn)生進(jìn)位或借位，計(jì)算機(jī)中有專門的標(biāo)志用來記錄運(yùn)算時產(chǎn)生進(jìn)位、借位或溢出的情況，只要適當(dāng)處理這些標(biāo)志，如將進(jìn)位加到高位上或者將借位從更高位上減去就不會出錯，所以在多字節(jié)數(shù)的加減運(yùn)算時，必須考慮進(jìn)位和借位的處理。

②采用了補(bǔ)碼以后，符號位參與運(yùn)算后如有進(jìn)位出現(xiàn)，只要是沒有產(chǎn)生溢出錯誤，則可把這個進(jìn)位舍去，不影響運(yùn)算結(jié)果，運(yùn)算后的符號就是結(jié)果的符號。21第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

4.二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算微型計(jì)算機(jī)中的運(yùn)算分為兩類：

一類是算術(shù)運(yùn)算，包括加、減、乘、除；

一類是邏輯運(yùn)算，包括邏輯乘、邏輯加、邏輯非和邏輯異或等。算術(shù)運(yùn)算有加、減、乘、除共4種，根據(jù)前面的分析，引入補(bǔ)碼后，減法可以轉(zhuǎn)化為加法來實(shí)現(xiàn)，乘法可以利用加法和移位通過編程來實(shí)現(xiàn)，而除法也可以利用減法和移位通過程序來實(shí)現(xiàn)。更復(fù)雜的運(yùn)算比如指數(shù)、對數(shù)及其他函數(shù)的運(yùn)算都可運(yùn)用數(shù)值計(jì)算的方法最終轉(zhuǎn)化為四則運(yùn)算式來實(shí)現(xiàn)。由此可以看出，加法是計(jì)算機(jī)最基本的運(yùn)算功能，加法器是計(jì)算機(jī)運(yùn)算器的核心部件。22第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

2.2微型計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)23第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

2.2.1存儲器的組成及功能

1．存儲器概述

（1）存儲器的作用：存儲數(shù)據(jù)和存放計(jì)算機(jī)運(yùn)行的程序。（2）存儲容量及其計(jì)量單位存儲容量是指存儲器能夠記憶的信息總量。存儲器使用的計(jì)量單位有如下這些：

①位（Bit）：存儲一個二進(jìn)制數(shù)位。

②字節(jié)（Byte）：將8個二進(jìn)制位看成一個整體，組成一個字節(jié)。③字（Word）：字節(jié)的整數(shù)倍，有8位字、16位字、32位字等。24第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)在微型計(jì)算機(jī)中，存儲器容量的計(jì)量單位最常用的是字節(jié)，常用B來表示，當(dāng)字節(jié)數(shù)較多時，可用KB、MB、GB或TB等為單位，它們之間的換算關(guān)系是：1KB=1024B，1GB=1024MB，1TB=1024GB。25第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

（3）存儲單元的地址及地址譯碼一個存儲器可以包含數(shù)以千計(jì)的存儲單元。所以，一個存儲器可以存儲很多數(shù)據(jù)，也可以存放很多計(jì)算步驟——稱為程序（Program）。為了便于存入和取出，每個存儲單元必須有一個固定的地址。因此，存儲器的地址也必定是數(shù)以千計(jì)的。為了減少存儲器向外引出的地址線，在存儲器內(nèi)部都自帶有譯碼器。根據(jù)二進(jìn)制編碼譯碼的原理，除地線公用之外，n根導(dǎo)線可以譯成2n個地址號。26第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

（4）存儲器單元示意圖通?？捎脠D2-3那樣的示意圖來表示存儲器的相關(guān)信息。

注意不要將存儲單元地址與其內(nèi)容相混淆。例如，地址為01H的存儲單元，其內(nèi)容為01010100B，常表示為：(01H)=54H圖2-3存儲器單元示意圖27第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

（5）存儲器的分類計(jì)算機(jī)存儲器包括主存儲器和輔助存儲器。主存儲器簡稱主存或內(nèi)存，主要存放當(dāng)前正在或?qū)⒁褂玫某绦蚝蛿?shù)據(jù)。輔助存儲器簡稱輔存或外存，主要用來存放暫時不用的程序、數(shù)據(jù)等。微型計(jì)算機(jī)的主存通常由半導(dǎo)體存儲器組成。

（6）半導(dǎo)體存儲器的分類根據(jù)用途的不同，半導(dǎo)體存儲器分為兩大類：隨機(jī)存取存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。28第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

2．半導(dǎo)體存儲器及其操作原理

（1）隨機(jī)存取存儲器及其操作原理RAM是一種在正常工作時既能讀出又能寫入的存儲器。因此，主要用來存放各種輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、最終結(jié)果，以及與外存交換的信息，當(dāng)斷電后，RAM中所存儲的信息都將消失。

①RAM的組成

29第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

②隨機(jī)存取存儲器的基本操作RAM的基本操作是讀操作和寫操作。若為寫操作，則CPU先發(fā)出欲寫入的存儲單元地址，通過AB送到MAR選中的相應(yīng)存儲單元，接著CPU發(fā)出欲寫入的數(shù)據(jù)，經(jīng)DB達(dá)到MDR，然后CPU發(fā)出寫命令，將MDR中的內(nèi)容存入被選存儲單元。若為讀操作，則CPU先發(fā)出欲讀出存儲單元的地址，通過AB送到MAR，經(jīng)MAD選中指定的單元，接著CPU發(fā)出讀命令，讀出被選存儲單元中的內(nèi)容并送MDR，再經(jīng)DB送至CPU。30第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)③RAM的分類根據(jù)RAM工作方式的不同，可將RAM分成靜態(tài)RAM和動態(tài)RAM兩類。靜態(tài)RAM常用雙極型晶體管觸發(fā)器作為記憶元件（也有用MOSFET的），只要有電源加于觸發(fā)器，數(shù)據(jù)即可長期保留。動態(tài)RAM則用電容及MOSFET作為記憶元件。由于電容會漏電，因而常需“刷新”，這就是要求每隔2ms充電一次，為此還須另加一刷新電源。雖然動態(tài)RAM比靜態(tài)RAM便宜，集成度也更高，但因需要刷新，電路上稍為麻煩，因而大多數(shù)對存儲器容量要求不是很高的微型機(jī)都采用靜態(tài)RAM。31第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)（2）只讀存儲器及其操作原理①只讀存儲器只讀存儲器簡稱ROM（ReadOnlyMemory）。ROM是一種永久性數(shù)據(jù)存儲器，其中的數(shù)據(jù)一般由專門的裝置或通過特別的手段寫入，數(shù)據(jù)一旦寫入，不能隨意改寫，在切斷電源之后，數(shù)據(jù)也不會消失。計(jì)算機(jī)對ROM的操作過程與對RAM的類似，只是由于ROM的只讀性，在正常工作時，計(jì)算機(jī)對ROM的操作沒有寫入這一功能。32第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

②ROM的分類向ROM中寫入信息稱為ROM編程。根據(jù)編程方式不同，ROM可分為以下幾種。掩模ROM。可編程ROM（PROM）。EPROM。

E2PROM（EEPROM）。FlashROM。又稱閃速存儲器（簡稱閃存），是在EPROM、E2PROM的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種電擦除型只讀存儲器。特點(diǎn)是可快速在線修改其存儲單元中的數(shù)據(jù)，改寫次數(shù)可達(dá)1萬次，其讀寫速度很快，存取時間可達(dá)70ns，而成本比E2PROM低得多，大有取代E2PROM的趨勢。33第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)3.微型計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲器的組成及功能微型計(jì)算機(jī)的內(nèi)存儲器通常采用半導(dǎo)體存儲器，根據(jù)其功能的需要分別由隨機(jī)存取存儲器RAM與只讀存儲器ROM組成。

RAM存儲器主要用來存放各種輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、最終結(jié)果以及與外存交換的信息。

ROM存儲器用來存放固定的程序(如微型機(jī)的管理、監(jiān)控程序和匯編程序等)以及存放各種表格數(shù)據(jù)。34第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

2.2.2微處理器的結(jié)構(gòu)及工作原理微處理器亦稱微處理機(jī)，簡稱為CPU，它是微機(jī)的中央處理部件。

CPU包括運(yùn)算器和控制器兩部分，其作用是從存儲器中取出指令并對其進(jìn)行分析，產(chǎn)生相應(yīng)的微操作（最基本而又簡單的邏輯功能動作）序列，以實(shí)現(xiàn)諸如向存儲器或I/O設(shè)備寫入數(shù)據(jù)或從存儲器或I/O設(shè)備讀出數(shù)據(jù)、執(zhí)行算術(shù)和邏輯操作、處理數(shù)據(jù)、識別外設(shè)的中斷請求信號并做出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)等功能。典型微處理器的邏輯原理如圖2-5所示。35第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)圖2-5典型微處理器結(jié)構(gòu)框圖36第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)1．運(yùn)算器運(yùn)算器用于對二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算，其操作過程是在控制器控制下進(jìn)行的。運(yùn)算器主要由算術(shù)邏輯單元ALU、累加器A、寄存器陣列、暫存寄存器TMP和程序狀態(tài)字寄存器PSW等五部分組成。

（1）算術(shù)邏輯單元ALU①可控反向器及加法/減法器電路這是算術(shù)邏輯單元ALU的核心部件37第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)圖2-64位二進(jìn)制數(shù)加法器/減法器電路：如果有下面兩個二進(jìn)制數(shù)：A=A3A2A1A0

B=

B3B2B1B0則可將這兩個數(shù)的各位分別送入該電路的對應(yīng)端，于是：當(dāng)SUB=0時，電路做加法運(yùn)算：A+B。當(dāng)SUB=1時，電路做減法運(yùn)算：A-B。38第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

當(dāng)SUB=1時，各位的可控反相器的輸出與B的各位反相。注意，最右邊第一位（即S0位）也是用全加器，其進(jìn)位輸入端與SUB端相連，因此其C0=SUB=1，所以此位相加即為：其他各位為：由此得和：由于在計(jì)算機(jī)中，凡是帶符號數(shù)都以補(bǔ)碼的形式存儲，所以實(shí)際上就是(-B)補(bǔ)，故：39第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

②算術(shù)邏輯單元顧名思義，這個部件既能進(jìn)行二進(jìn)制數(shù)的四則運(yùn)算，也能進(jìn)行布爾代數(shù)的邏輯運(yùn)算。上面介紹的二進(jìn)制補(bǔ)碼加法器/減法器就是最簡單的算術(shù)部件。通過編制相應(yīng)的程序，乘法和除法運(yùn)算也可以利用這個部件來實(shí)現(xiàn)。如果在這個基礎(chǔ)上，再增加一些門電路，就可以進(jìn)行邏輯運(yùn)算了，由此就構(gòu)成了一個簡單的算術(shù)邏輯單元。為了不使初學(xué)者陷入復(fù)雜的電路分析之中，這里不打算在邏輯運(yùn)算問題上開展討論。40第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)為了便于從原理上理解算術(shù)邏輯單元的結(jié)構(gòu)和工作原理，上面分析和介紹的只是最簡單的算術(shù)邏輯單元。當(dāng)前流行的計(jì)算機(jī)其算術(shù)邏輯單元比這要復(fù)雜得多，定點(diǎn)乘、除法乃至于浮點(diǎn)運(yùn)算，甚至更復(fù)雜的如快速傅里葉變換這樣的運(yùn)算都可以通過硬件來實(shí)現(xiàn)，但是基本工作原理還是發(fā)端于此。41第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

（2）累加器（accumulator）累加器是一個由多個觸發(fā)器組成的多位寄存器，它并不進(jìn)行加法運(yùn)算，而是作為ALU運(yùn)算過程的代數(shù)和的臨時存儲處。這種特殊的寄存器在微型計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理中擔(dān)負(fù)著重要的任務(wù)。累加器除了能裝入及輸出數(shù)據(jù)外，還能使存儲其中的數(shù)據(jù)左移或右移，所以它又是一種移位寄存器。

42第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

（3）其他寄存器

暫存寄存器TMP用來暫存將要送到ALU中的數(shù)。

寄存器陣列包含多個工作寄存器，用于存放操作數(shù)或運(yùn)算的中間結(jié)果。

程序狀態(tài)字寄存器PSW（ProgramStatusWord）也稱為標(biāo)志寄存器，用來記錄程序運(yùn)行過程中形成的狀態(tài)。例如，累加器A中的運(yùn)算結(jié)果是否為零、最高位是否有進(jìn)位或借位、低四位向高四位是否有進(jìn)位或借位等，都可以記錄到PSW中去。43第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)2．控制器計(jì)算機(jī)是根據(jù)事先存儲的程序?qū)θ珯C(jī)實(shí)行控制的，而程序是指能實(shí)現(xiàn)某一功能的指令序列。

控制器就是根據(jù)指令來對各種邏輯電路發(fā)布命令的機(jī)構(gòu)，它是計(jì)算機(jī)的指揮中心。

控制器主要由指令部件、時序部件、控制矩陣和其他輔助電路組成。44第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

（1）指令部件

指令部件是一種能對指令進(jìn)行分析、處理和產(chǎn)生相應(yīng)控制信號的邏輯部件，也是控制器的核心。

通常，指令部件由程序計(jì)數(shù)器（ProgramCounter，PC）、指令寄存器（InstructionRegister，IR）和指令譯碼器（InstructionDecoder，ID）三部分組成。

①指令和指令格式計(jì)算機(jī)從開始工作到一系列操作的完成，都是根據(jù)預(yù)先編好的程序自動進(jìn)行的，即計(jì)算機(jī)的工作過程就是執(zhí)行程序的過程。程序就是一系列按一定順序排列的指令。45第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)指令所謂指令，就是指揮機(jī)器工作的指示或命令。計(jì)算機(jī)中的控制器靠指令指揮機(jī)器工作，人則用指令表達(dá)自己的意圖。指令系統(tǒng)一臺計(jì)算機(jī)所能執(zhí)行的各種不同指令的集合稱為計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。46第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)指令的表達(dá)形式計(jì)算機(jī)的指令有兩種表達(dá)形式。

第一種是用二進(jìn)制數(shù)碼表示的形式，稱為機(jī)器指令或簡稱為機(jī)器碼。只有機(jī)器碼才能被計(jì)算機(jī)所直接識別和執(zhí)行。這簡潔起見，機(jī)器碼也常用十六進(jìn)制數(shù)碼的形式表達(dá)。機(jī)器指令不便于記憶和閱讀。為了編寫程序的方便，人們采用便于記憶的符號（助記符，也稱匯編符）來表示機(jī)器指令，從而形成了所謂的匯編符指令（或助詞符指令），這就是指令的第二種表達(dá)形式。匯編符指令是機(jī)器指令的符號表示，所以它與機(jī)器指令一一對應(yīng)。匯編符指令必須轉(zhuǎn)換成機(jī)器指令后，計(jì)算機(jī)才能識別和執(zhí)行。47第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

機(jī)器指令的格式

一條指令通常包括兩方面的信息：

一是指出要機(jī)器執(zhí)行什么樣的操作，這部分信息由操作碼提供；

二是操作數(shù)的信息，這部分信息提供操作數(shù)在存儲器或通用寄存器中的地址，也可能直接提供操作數(shù)本身，這部分信息對應(yīng)的代碼稱為操作數(shù)信息碼。

在指令的機(jī)器代碼中，這兩部分信息都是用二進(jìn)制數(shù)碼表示的，其基本格式為：

操作碼和操作數(shù)信息碼這兩部分各占多少位二進(jìn)制數(shù)碼，要視具體的指令而定，但是整條指令的長度通常是以字節(jié)為單位的。因此，指令可分為單字節(jié)指令、雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令等。48第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)②程序計(jì)數(shù)器PC指令和數(shù)據(jù)都是以二進(jìn)制代碼的形式存放在存儲單元內(nèi)的，從存儲單元的內(nèi)容區(qū)分不出指令與數(shù)據(jù)，為此在控制器中設(shè)置一個專門寄存器用來存放當(dāng)前要執(zhí)行的指令在存儲器中的位置信息（即存儲器地址），以便根據(jù)此地址去讀取指令，這個寄存器就是程序計(jì)數(shù)器PC。

49第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)由于程序在存儲器中按順序進(jìn)行存放，當(dāng)順序執(zhí)行指令時，每執(zhí)行一條指令，微操作控制電路輸出“加1”信號，PC就自動加1，為順序地取下一條指令做好準(zhǔn)備，這就使計(jì)算機(jī)能自動、連續(xù)地工作。當(dāng)執(zhí)行轉(zhuǎn)移類指令時，微操作控制電路不輸出“加1”信號，而輸出相應(yīng)的控制信號，將轉(zhuǎn)移地址送入PC中，從而實(shí)現(xiàn)程序的轉(zhuǎn)移。在8位微處理器中，程序計(jì)數(shù)器PC通常為16位。50第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

③指令寄存器IR指令寄存器IR用來暫時存放從存儲器中取出的當(dāng)前要執(zhí)行指令的操作碼。該指令碼在IR中得到寄存和緩沖，被送到指令譯碼器ID中譯碼后就知道該指令進(jìn)行哪種操作，并在時序部件幫助下去推動微操作控制部件完成指令的執(zhí)行。51第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

④指令譯碼器ID指令譯碼器ID的作用是對指令操作碼進(jìn)行分析，在其輸出端產(chǎn)生各種控制電平，以形成相應(yīng)的微操作，用以實(shí)現(xiàn)指令執(zhí)行過程中所需要的功能控制。表2-3模型機(jī)指令表以一個簡單的模型計(jì)算機(jī)為例：52第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)圖2-94位譯碼器電路4位二進(jìn)制數(shù)操作碼送到譯碼器的輸入端I7I6I5I4，若I7I6I5I4=0000，此時譯碼器的輸出線中LDA高電平有效，其他輸出線為低電平無效。這個例子表明，正是通過指令譯碼器，代表指令操作碼的這樣一個二進(jìn)制數(shù)碼和一個相應(yīng)的的控制信號關(guān)聯(lián)上了。53第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

（2）時序部件時序部件由時鐘系統(tǒng)和脈沖分配器組成，用于產(chǎn)生微操作控制部件所需的定時脈沖信號。其中，時鐘系統(tǒng)（ClockSystem）產(chǎn)生機(jī)器的時鐘脈沖序列，脈沖分配器（PulseDistributor）又稱為節(jié)拍發(fā)生器，用于產(chǎn)生機(jī)器節(jié)拍。由環(huán)形計(jì)數(shù)器構(gòu)建的用于模型機(jī)的時序部件如圖2-10所示。若將環(huán)形計(jì)數(shù)器的輸出視為一個字T，則T=T5T4T3T2T1T0，這就是一個6位的環(huán)形字，用它可以控制6條電路，使它們依次輪流為高電位。稱T0、T1、T2、T3、T4和T5為機(jī)器節(jié)拍。通常把時序部件的一次工作循環(huán)稱為一個機(jī)器周期?？梢?，此模型機(jī)中一個機(jī)器周期為6個機(jī)器節(jié)拍之和。54第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)圖2-10環(huán)形計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的機(jī)器節(jié)拍55第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

（3）控制矩陣（CM）

控制矩陣可以為ID輸出信號配上節(jié)拍電位和節(jié)拍脈沖，也可將外部進(jìn)來的控制信號組合，共同形成相應(yīng)的微操作控制信號序列，控制相關(guān)部件按照嚴(yán)格的先后順序執(zhí)行指令所要求的各種微操作，最終完成規(guī)定的操作。圖2-11所示為模型機(jī)的控制矩陣。由圖可見，控制矩陣由門電路組成的復(fù)雜樹狀網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，輸出端共有12路，組成控制器的控制字CON：控制字的各位為模型機(jī)的相應(yīng)部件提供控制信號。為實(shí)現(xiàn)某條指令的功能，只要按順序發(fā)出相應(yīng)的控制字序列，即可控制相應(yīng)部件完成相應(yīng)的微操作。56第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)圖2-11控制矩陣57第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)控制矩陣的輸入信號由指令譯碼器和環(huán)形計(jì)數(shù)器提供。來自指令譯碼器的電平信號代表了相關(guān)的指令，而環(huán)形計(jì)數(shù)器在一個機(jī)器周期里可以提供6個節(jié)拍電位，這樣，在一個機(jī)器周期里控制字可以提供6個不同的值，從而產(chǎn)生6組微操作。

一般來說，操作較為簡單的指令，在一個機(jī)器周期里即可完成，而操作復(fù)雜的指令可增加機(jī)器周期，從而獲得更多的微操作來最終完成指令的功能?？刂谱趾拖嚓P(guān)部件的操作之間的關(guān)系，在2.2.4微型計(jì)算機(jī)的總線連接結(jié)構(gòu)這一小節(jié)中將會有所介紹，具體指令執(zhí)行時的情況，因牽涉更多的電路細(xì)節(jié)，在此就不展開分析了。58第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)總之，只要設(shè)計(jì)好控制矩陣，就可以使得控制矩陣在指令譯碼器和環(huán)形計(jì)數(shù)器兩路輸入信號的共同作用下，輸出完成相應(yīng)指令所需要的一系列控制信號，在這一系列控制信號的控制下，相應(yīng)部件就可以產(chǎn)生一系列的微操作，最終完成指令所要求的功能。59第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)（4）其他輔助電路60第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)2.2.3輸入/輸出設(shè)備及其接口電路（1）并行輸入/輸出接口電路（ParallelInput/OutputController）（2）串行輸入/輸出接口電路（SerialInput/OutputController）：（3）計(jì)數(shù)/定時電路（Counter/TimerCircuit）（4）直接存儲器存取接口電路（DirectMemoryAccess）61第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

2.2.4微型計(jì)算機(jī)的總線連接結(jié)構(gòu)微型機(jī)在結(jié)構(gòu)形式上采用了總線結(jié)構(gòu)，所有的部件都通過系統(tǒng)總線連接在一起，實(shí)現(xiàn)微機(jī)內(nèi)部各部件間的信息交換。

1．總線的基本概念

（1）總線的定義將多個裝置或部件連接起來并傳送信息的公共通道稱為總線（Bus）?？偩€實(shí)際上是印制電路板上的一組傳輸信號的短路線，通常也可通過帶狀的扁平電纜引出。這一組線的數(shù)目則取決于微處理器本身的結(jié)構(gòu)。62第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)（2）總線的類型總線通常有三種類型：

①數(shù)據(jù)總線（DataBus，DB）：專門傳送數(shù)據(jù)信息。

②地址總線（AddressBus，AB）：專門傳送地址信息。

③控制總線（ControlBus，CB）：專門傳送控制信息。

（3）總線信息的傳遞方向總線信息的傳遞方向有單方向傳送信息和雙方向傳送信息兩種。63第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)2．總線結(jié)構(gòu)及工作原理圖2-13總線結(jié)構(gòu)的原理圖總線操作控制字：64第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)圖2-14總線結(jié)構(gòu)的符號圖65第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

4．微型計(jì)算機(jī)的總線連接結(jié)構(gòu)

微型計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)總線通常由地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線組成。

（1）數(shù)據(jù)總線（DataBus，DB）

用來在微處理器和存儲器以及輸入/輸出接口之間傳送數(shù)據(jù)。

通常，微處理器的位數(shù)和外部數(shù)據(jù)總線的位數(shù)一致。

數(shù)據(jù)總線是雙向的，即數(shù)據(jù)可從CPU輸出，也可以從外部送入CPU。66第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

（2）地址總線（AddressBus，AB）

當(dāng)微處理器MPU和存儲器或外部設(shè)備交換信息時，必須指明要和哪個存儲單元或哪個外部設(shè)備交換。因此，地址總線AB必須和所有存儲器的地址線對應(yīng)相連，也必須和所有I/O接口設(shè)備碼線相連。這樣，當(dāng)微處理器MPU對存儲器或外設(shè)讀/寫數(shù)據(jù)時，只要把存儲單元地址碼或外設(shè)的設(shè)備碼送到地址總線上便可選中工作。

地址總線由所選CPU型號決定。地址總線的數(shù)目決定了CPU可以直接訪問的內(nèi)存儲器的單元數(shù)目。地址總線是單向的，即數(shù)據(jù)從CPU傳出到存儲器或外設(shè)，在8位機(jī)中，它通常為16根，CPU可直接訪問的內(nèi)存儲器的單元數(shù)目為64KB（216字節(jié)）。67第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

（3）控制總線（Contro1Bus，CB）

控制總線可以傳送CPU送出的控制信號，也可以傳送其他部件輸入到微處理器的信號。對于每一條具體的控制線，信號的傳送方向則是固定的，不是輸入CPU就是從CPU輸出?？刂瓶偩€的數(shù)目與微處理器的位數(shù)沒有直接關(guān)系，一般受引腳的限制，控制總線的數(shù)目不會太多。

微型計(jì)算機(jī)采用總線結(jié)構(gòu)，使之在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上簡單、規(guī)則，易于擴(kuò)展?？梢哉J(rèn)為，一臺微型計(jì)算機(jī)就是以CPU為核心，其他部件通過三態(tài)門全部“掛接”在與CPU相連的系統(tǒng)總線上。68第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)2.3微型計(jì)算機(jī)的指令執(zhí)行過程以實(shí)現(xiàn)x=6+7的求和程序段為例7406HMOVA，#06H；A←62407HADDA，#07H；A←6+7假設(shè)此程序的機(jī)器碼已裝入從0000H至0003H的程序存儲器區(qū)域，程序計(jì)數(shù)器PC也預(yù)置為0000H，第一條指令的過程示意如圖2-15所示。

由此可見，計(jì)算機(jī)的工作過程就是：程序預(yù)先存放到內(nèi)存中，執(zhí)行程序的過程就是一個反復(fù)循環(huán)的取指令、分析指令和執(zhí)行指令的過程，這個過程也稱為執(zhí)行指令的例行程序。69第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)圖2-15第一條指令的操作過程示意圖70第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)2.4微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)2.4.1微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成71第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

2.4.2微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)一臺微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能如何，是由它的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、硬件設(shè)備組成和軟件配備情況等因素決定的。只有綜合各項(xiàng)指標(biāo)，才能正確評價(jià)和衡量計(jì)算機(jī)性能的高低。評估微型計(jì)算機(jī)性能的主要指標(biāo)如下。

1．字長微型計(jì)算機(jī)的字長是指微處理器內(nèi)部一次可以并行處理的二進(jìn)制代碼的位數(shù)。字長與下述參數(shù)有關(guān)：

（1）運(yùn)算精度。字長越長，運(yùn)算精度越高。在完成同樣精度的運(yùn)算時，字長較長的計(jì)算機(jī)比字長較短的計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度快。

72第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

（2）指令長度。字長決定了指令的信息位長度，指令信息位長度直接影響到指令的處理功能。2．主頻（或時鐘周期）和指令執(zhí)行時間主頻是微型計(jì)算機(jī)的主要性能指標(biāo)之一，主頻很大程度上決定了微型機(jī)的運(yùn)算速度，主頻的單位是兆赫茲（MHz）。指令執(zhí)行時間是指計(jì)算機(jī)執(zhí)行一條指令所需的平均時間，其長短反映了計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度的快慢。它一方面取決于微處理器的時鐘頻率（主頻），另一方又取決于計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、CPU的體系結(jié)構(gòu)等。微處理器指令執(zhí)行速度表示為每秒運(yùn)行多少百萬條指令（MillionsofInstructionsPerSecond，MIPS）。73第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

3．內(nèi)部存儲器容量存儲容量是衡量微型計(jì)算機(jī)內(nèi)部存儲器能存儲二進(jìn)制信息量大小的一個技術(shù)指標(biāo)。

4．指令系統(tǒng)微機(jī)的核心部件CPU都有各自的指令系統(tǒng)，一般來說，指令的條數(shù)越多，其功能就越強(qiáng)。

5．外設(shè)配置在微機(jī)系統(tǒng)中，外設(shè)占據(jù)了重要地位。計(jì)算機(jī)信息的輸入、輸出、存儲等都必須由外設(shè)來完成，外設(shè)對整體系統(tǒng)的性能有重大影響。74第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

6．系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線是連接微機(jī)系統(tǒng)各功能部件的公共數(shù)據(jù)通道，其性能直接關(guān)系到微機(jī)系統(tǒng)的整體性能。

7．系統(tǒng)軟件配置系統(tǒng)軟件也是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不可缺少的組成部分。軟件功能的強(qiáng)弱，是否支持多任務(wù)、多用戶操作等，都是微機(jī)硬件系統(tǒng)性能能否得到充分發(fā)揮的重要因素。

8．性能/價(jià)格比性能/價(jià)格比越高越好。這里所講的性能是指綜合性能，包括硬件和軟件的各種性能。而價(jià)格也應(yīng)考慮整個系統(tǒng)的價(jià)格。75第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

2.4.3微型計(jì)算機(jī)的分類微型計(jì)算機(jī)可以從多個角度進(jìn)行分類。按組裝形式和系統(tǒng)規(guī)模分類，微型計(jì)算機(jī)可分為多板機(jī)（系統(tǒng)機(jī)）、單板微型計(jì)算機(jī)和單片微型計(jì)算機(jī)。76第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

2.5單片微型計(jì)算機(jī)概述

2.5.1什么是單片微型計(jì)算機(jī)圖2-17單片機(jī)的典型結(jié)構(gòu)單片微型計(jì)算機(jī)，是指將一臺微型計(jì)算機(jī)的主要部件——中央處理單元（CPU）、存儲器（RAM、ROM）、并行I/O接口、串行I/O接口、定時器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、系統(tǒng)時鐘電路及系統(tǒng)總線等，集成在一片半導(dǎo)體硅片上而組成的一種微型計(jì)算機(jī)，其典型結(jié)構(gòu)如圖2-17所示。其基本結(jié)構(gòu)和工作原理與一般微型計(jì)算機(jī)類同，具有微型計(jì)算機(jī)的屬性，因而被稱為單片微型計(jì)算機(jī)，簡稱單片機(jī)。77第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)單片機(jī)主要應(yīng)用于測控領(lǐng)域。單片機(jī)使用時，通常處于測控系統(tǒng)的核心地位并嵌入其中，所以國際上通常把單片機(jī)稱為嵌入式控制器（EmbeddedMicroControllerUnit，EMCU），或微控制器（MicroControllerUnit，MCU）。我國習(xí)慣于使用“單片機(jī)”這一名稱。單片機(jī)是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展史上的一個重要里程碑，標(biāo)志著計(jì)算機(jī)正式形成了通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)兩大分支。78第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

2.5.2單片機(jī)的發(fā)展歷史單片機(jī)的發(fā)展大致分為4個階段。第一階段（1974—1976年）：單片機(jī)初級階段。第二階段（1976—1978年）：低性能8位單片機(jī)階段。第三階段（1978—1983年）：高性能8位單片機(jī)階段。1978年，Zilog公司推出Z8單片機(jī)，1980年，Intel公司在MCS-48系列基礎(chǔ)上推出MCS-51系列，Motorola公司推出6801單片機(jī)，使單片機(jī)的性能及應(yīng)用躍上新的臺階。第四階段（1983—現(xiàn)在）：8位單片機(jī)鞏固發(fā)展及16位單片機(jī)、32位單片機(jī)推出階段。79第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

2.5.3單片機(jī)的特點(diǎn)①小巧靈活、成本低、易于產(chǎn)品化，可以方便地嵌入各種測控設(shè)備、儀器儀表。

②抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)溫度范圍寬，能在現(xiàn)場可靠地運(yùn)行。③實(shí)時控制功能強(qiáng)。單片機(jī)面向控制，可以直接通過I/O口進(jìn)行各種操作，運(yùn)行速度快，對實(shí)時事件的響應(yīng)和處理速度快，能針對性地解決從簡單到復(fù)雜的各類控制任務(wù)。④具有通信接口，可以很方便地實(shí)現(xiàn)多機(jī)和分布式控制系統(tǒng)。⑤簡單方便，易于普及。單片機(jī)技術(shù)是易于掌握的技術(shù)。應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)、組裝、調(diào)試已經(jīng)是一件容易的事情，工程技術(shù)人員通過學(xué)習(xí)可很快掌握其應(yīng)用設(shè)計(jì)技術(shù)。80第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

2.5.4單片機(jī)的應(yīng)用單片機(jī)由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)及優(yōu)良的特性，在嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，概括而言包括如下幾個方面。1．測控系統(tǒng)2．儀器儀表3．消費(fèi)類電子產(chǎn)品4．通信設(shè)備5．武器裝備6．各種終端及計(jì)算機(jī)外部設(shè)備7．汽車電子設(shè)備8．分布式多機(jī)系統(tǒng)81第2章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

2.5.5單片機(jī)的發(fā)展趨勢為滿足不同用戶的需求，各生產(chǎn)廠商競相推出能滿足不同需要的產(chǎn)品。單片機(jī)的發(fā)展趨勢向著大容量、高性能化、外圍電路內(nèi)裝化等方面發(fā)