第1章 微型機的基

第1章微型機的基本知識

微處理器、微型機和單片機的概念

微型機模型的組成

微機系統(tǒng)單片微型計算機1.1微處理器、微型機和單片機的概念

控制器存儲器輸入設備運算器輸出設備馮·諾依曼機型1.1.1微處理器（Microprocessor）

又稱為中央處理單元CPU(CentralProcessingUnit)。它是將運算器(ALU)、控制器(CU)和寄存器組(R)等功能部件，通過內(nèi)部總線集成在一塊硅片上。CPU具有的功能：可以進行算術和邏輯運算；可以保存少量數(shù)據(jù)；能對指令進行譯碼并執(zhí)行規(guī)定的動作；能和存儲器、外設交換數(shù)據(jù)；提供整個系統(tǒng)所需要的定時和控制；可以響應其他部件發(fā)來的中斷請求。1.1.2微型機（Microcomputer）

由CPU、存儲器、輸入/輸出接口電路和系統(tǒng)總線——

地址總線AB（AddressBus），控制總線CB（ControlBus）和雙向數(shù)據(jù)總線DB（DataBus）構成。 以微型計算機為中心，配以電源、輔助電路和相應的外設，以及指揮協(xié)調(diào)微型計算機工作的系統(tǒng)軟件及應用軟件，就構成了微型計算機系統(tǒng)(MicrocomputerSystem)。地址總線DB控制總線CB

CPU微處理器

M存儲器

I/O接口電路外部設備數(shù)據(jù)總線AB圖1-1微型計算機組成1.1.3單片機

SingleChipMicrocomputer

將中央處理單元CPU和一定容量的數(shù)據(jù)存儲器RAM、程序存儲器ROM、定時/計數(shù)器T/C、并行輸入輸出接口I/O和串行通訊接口UART

等多個功能部件集成在一塊芯片上。 由于單片機面向控制，又被稱為微控制器Microcontroller。1.2微型機模型的組成1.2.1CPU的內(nèi)部結構1、運算器

運算器由算術邏輯單元ALU、累加器A（Accumulator）、標志寄存器F(Flag)

和寄存器組、相互之間通過內(nèi)部總線連接而成。進行加、減、乘、除等算術運算進行與、或、非、異或、移位、比較等邏輯運算 標志寄存器用來存放ALU運算結果的各種特征狀態(tài)。暫存器累加器鎖存器ALU標志F1.2.1CPU的內(nèi)部結構2、控制器

控制器CU由程序計數(shù)器PC

、指令寄存器IR

、指令譯碼器ID

、操作控制部件或稱為組合邏輯陣列PLA

和時序發(fā)生器等電路組成，是發(fā)布操作命令的“決策機構”。PLA控制總線內(nèi)部總線IDIR1.2.1CPU的內(nèi)部結構控制器的主要作用：解題程序與原始數(shù)據(jù)的輸入、從內(nèi)存中取出指令并譯碼譯碼后依指令可控制運算器對數(shù)據(jù)信息進行傳送與加工運算結果的輸出外部設備與主機之間的信息交換計算機系統(tǒng)中隨機事件的自動處理等PLAIDIR控制總線內(nèi)部總線1.2.1CPU的內(nèi)部結構

——CPU中的主要寄存器

累加器ACPU中最繁忙的寄存器。數(shù)據(jù)寄存器DR

數(shù)據(jù)寄存器DR是CPU的內(nèi)部總線和外部數(shù)據(jù)總線的緩沖寄存器，是CPU與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸通道。主要用來緩沖或暫存指令、指令的操作數(shù)、操作數(shù)地址。寄存器組R這是CPU內(nèi)部工作寄存器，用于暫存數(shù)據(jù)、地址等信息。一般分為通用寄存器組和專用寄存器組。指令寄存器IR、指令譯碼器ID、操作控制部件PLA

這是控制器的主要組成部分。IR用來保存當前正在執(zhí)行的一條指令，這條指令送到ID，通過譯碼，由PLA發(fā)出相應的控制命令C，以完成指令規(guī)定的操作。程序計數(shù)器PC

程序計數(shù)器PC又稱指令地址指針，用來存放下一條從內(nèi)存中取出并要執(zhí)行的指令地址。地址寄存器AR（AddressRegister）地址寄存器AR是CPU內(nèi)部總線和外部地址總線的緩沖寄存器，是CPU與系統(tǒng)地址總線的連接通道。標志寄存器F

標志寄存器F（Flags）也稱程序狀態(tài)字PSW（Programstateword），是用來存放ALU運算結果的各種特征狀態(tài)的，如運算有無進（借）位、有無溢出、結果是否為零等。這些都可通過標志寄存器的相應位來反映。

特殊功能寄存器(PSW) CY(PSW.7)進位/借位標志位。若ACC在運算過程中發(fā)生了進位或借位，則CY=1；否則=0。它也是布爾處理器的位累加器，可用于布爾操作。CYACF0RS0OVPRS1PSW.7PSW.0PSW.6PSW.5101100110111010100101000+CY=1001100110111010110101000+CY=0特殊功能寄存器(PSW)AC(PSW.6)半進位/借位標志位。若ACC在運算過程中，D3位向D4位發(fā)生了進位或借位，則CY=1,否則=0。機器在執(zhí)行“DAA”指令時自動要判斷這一位，我們可以暫時不關心它。F0(PSW.5)可由用戶定義的標志位。CYACF0RS0OVPRS1PSW.7PSW.0PSW.6PSW.5特殊功能寄存器(PSW)RS1(PSW.4)、RS0(PSW.3)工作寄存器組選擇位。

RS1，RS0=00則選擇了工作寄存器組

0區(qū)

R0～R7分別代表08H～0FH單元。

RS1，RS0=01則選擇了工作寄存器組

1區(qū)

R0～R7分別代表08H～0FH單元。

RS1，RS0=10則選擇了工作寄存器組

2區(qū)

R0～R7分別代表10H～17H單元。

RS1，RS0=11則選擇了工作寄存器組

3區(qū)

R0～R7分別代表18H～1FH單元。CYACF0RS0OVPRS1PSW.7PSW.0PSW.4PSW.3

片內(nèi)RAM前32個單元(00H—1FH)是工作寄存器區(qū)

(由PSW中的RS1,RS0決定)00H20H2FH7FH1FH30H80HFFH52子系列才有的RAM區(qū)普通RAM區(qū)位尋址區(qū)工作寄存器區(qū)R0R2R1R3R4R5R6R707H02H01H00H06H04H05H03H08H1FH工作寄存器區(qū)3工作寄存器區(qū)2工作寄存器區(qū)1工作寄存器區(qū)0工作寄存器區(qū)說明特殊功能寄存器(PSW)OV(PSW.2)溢出標志位。

OV=1時特指累加器在進行帶符號數(shù)(-128—+127)運算時出錯（超出范圍）；OV=0時未出錯。PSW.1未定義。P(PSW.0)奇偶標志位。

P=1表示累加器中“1”的個數(shù)為奇數(shù)

P=0表示累加器中“1”的個數(shù)為偶數(shù)

CPU隨時監(jiān)視著ACC中的“1”的個數(shù),并反映在PSW中CYACF0RS0OVPRS1PSW.7PSW.0PSW.2PSW.1

在有符號數(shù)的二進制算術運算中，如果其運算結果超過了機器數(shù)所能表示的范圍，并改變了運算結果的符號位，則稱之為溢出，因而OV標志僅對有符號數(shù)才有意義。

0110101101011100

＋11000111=

71OV＝1107＋92＝199進位位CY和溢出標志OV比較溢出標志OV（Overflow）詳解0000010100001010

＋00001111CY＝0

OV＝00000100011111011

＋000000110000100001111100

＋10000100CY＝1

OV＝0CY＝0

OV＝11CY＝1

OV＝11000011111110101

＋011111001（a）（b）（c）（d）CY為1表示無符號數(shù)運算產(chǎn)生溢出，但并不是運算出錯。OV為1表示有符號數(shù)運算產(chǎn)生溢出，表示運算出錯。溢出標志OV和進位標志CY舉例堆棧與堆棧指示器SP（StackPointer）堆棧是按照“先進后出”或“后進先出”原則組織的一個存儲區(qū)域；對其操作是由壓入指令（PUSH）和彈出指令（POP）完成，數(shù)據(jù)進、出均在棧頂進行；棧頂?shù)刂酚啥褩Ｖ羔楽P給出，并可自動進行管理，即數(shù)據(jù)出、入時，它可自動隨之修改（如+1、或-1）。堆棧操作演示1.2.2存儲器M（Memory）

假設的模型機隨機讀寫存儲器RAM（RandomAccessMemory）框圖假如：將55H寫入到01H單元1.2.3I/O接口和外設 I/O接口與地址總線、控制總線和數(shù)據(jù)總線的連接同存儲器一樣，而外部設備與CPU的連接必須通過I/O接口電路。地址總線DB控制總線CB

CPU微處理器

M存儲器

I/O接口電路外部設備數(shù)據(jù)總線AB圖1-1微型計算機組成1.指令和指令系統(tǒng)

程序即用戶要解決某一特定問題所編排的指令序列，編排的過程稱為程序設計。

01110100

MOV A，#15H;(A)=15H00010101;取數(shù)到A00100100ADDA，#30H;(A)=(A)+30H

00110000

;相加11110101MOV30H，A;(30H)←(A)00110000

;保存結果指令的機器碼或機器語言指令的助記符或匯編語言注釋1.2.4模型機的工作過程（1）指令的格式

所謂指令就是使計算機完成某種基本操作，如加、減、乘、除、移位、與、或、非等操作命令。全部指令的集合構成指令系統(tǒng)。指令通常由兩部分組成：第一部分為操作碼（OPC），表示計算機要作何種操作；第二部分為操作數(shù)（OPD），指明參加運算的操作數(shù)或存放該數(shù)的地址。1.2.4模型機的工作過程格式：操作碼

操作數(shù)或地址

在計算機中，指令是以一組二進制編碼的數(shù)來表示和存儲的

（2）指令執(zhí)行過程1.2.4模型機的工作過程取指令PC+1操作譯碼取操作數(shù)地址地址譯碼取操作數(shù)執(zhí)行操作取下一條指令PC+1開始一個CPU周期一個CPU周期一個CPU周期一個指令周期取指階段執(zhí)指階段1.2.4模型機的工作過程舉例：相加程序地址內(nèi)容指令助記符注釋00H01H02H03H04H05H…011101000001010100100100001100001000000011111110……MOVA，#15H

ADDA，#30H

SJMP$

…取數(shù)指令，第一字節(jié)是操作碼第二字節(jié)就是指令的操作數(shù)加法指令，第一字節(jié)是操作碼第二字節(jié)也是指令的操作數(shù)兩字節(jié)指令，執(zhí)行原地踏步操作1.2.4模型機的工作過程演示1.3微機系統(tǒng)微機系統(tǒng)硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)微機微處理器存儲器I/O接口系統(tǒng)總線外設、電源機箱等程序設計語言：機器語言匯編語言高級語言系統(tǒng)軟件：應用軟件：操作系統(tǒng)、監(jiān)控程序與編譯解釋程序等數(shù)據(jù)庫、軟件包和窗口軟件等1.3.1微機硬件組成CPU通過總線來實現(xiàn)與存儲器、I/O接口的數(shù)據(jù)交換。CPU微處理器輔助電路ROMRAMI/O外設控制總線CB數(shù)據(jù)總線DB地址總線AB數(shù)據(jù)總線（DataBus―DB）

——雙向、三態(tài)用來在微處理器、存儲器以及輸入/輸出接口之間傳送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)總線的根數(shù)決定了一次可以傳遞二進制數(shù)的位數(shù)。CPU微處理器輔助電路ROMRAMI/O外設控制總線CB數(shù)據(jù)總線DB地址總線AB地址總線（AddressBus―AB）

——單向、三態(tài)

地址總線用來傳送CPU發(fā)出的地址信息，以訪問被選擇的存儲單元或I/O接口電路。

地址總線的位數(shù)決定了可以直接訪問的存儲單元(或I/O口)的最大可能數(shù)量（即容量）。CPU微處理器輔助電路ROMRAMI/O外設控制總線CB數(shù)據(jù)總線DB地址總線AB控制總線（ControlBus―CB）CPU微處理器輔助電路ROMRAMI/O外設控制總線CB數(shù)據(jù)總線DB地址總線AB控制總線用來傳輸控制信號，包括CPU送往存儲器和I/O接口電路的控制信號，如、、INTA等；還包括其他部件送到CPU的信號，如、RESET等。不同的CPU控制總線根數(shù)及含義不盡相同。RDWRINT

數(shù)據(jù)總線和每個元件的數(shù)據(jù)線相連，為了使CPU能夠和其中一個元件正確通信，必須使用三態(tài)邏輯元件（特別針對輸入元件）。

（1）單向三態(tài)緩沖器

VCCTSCDY12T1T2圖1-10單向三態(tài)電路圖TSCDY00101101高阻真值表TSGDY圖1-11單向三態(tài)電路符號0001001011三態(tài)邏輯元件（1）單向三態(tài)緩沖器

VCCTSCDY12T1T2圖1-10單向三態(tài)電路圖TSCDY00101101高阻真值表TSGDY圖1-11單向三態(tài)電路符號1100高阻三態(tài)邏輯元件（2）三態(tài)雙向緩沖器

TSG1DY圖1-12雙向三態(tài)電路符號TSG2當TSC1＝”1”，Y＝D當TSC2＝”1”，D＝Y當TSCi＝”0”，兩端均呈高阻狀態(tài)。三態(tài)邏輯元件例：CPU通過控制“片選”來選擇一元件和其通信，其其它的元件其數(shù)據(jù)輸出端均為高阻（斷開）狀態(tài)，E舉例假設片選狀態(tài)如圖所示舉例

1.程序設計語言（1）機器語言用機器能夠直接識別的二進制指令代碼（即機器碼或可執(zhí)行的目標代碼）編寫的程序稱為機器語言。

執(zhí)行速度快不易記憶，十分繁瑣?！脵C器語言編寫程序是極其困難的。

特點：1.3.2軟件系統(tǒng)1.程序設計語言

（2）匯編語言

用機器指令系統(tǒng)的助記符（能反映指令特征和操作性質(zhì)的英文單詞或英文縮寫），用符號代替操作數(shù)來編寫的程序稱為匯編語言程序。

用匯編語言編寫的程序不僅執(zhí)行速度快，又可以有效地利用機器本身的專有特性，從而提高機器的工作效率。用匯編語言編寫的程序由于面向機器，在一種機型上不能運行另一種機型的匯編程序，通用性差。特點：1.3.2軟件系統(tǒng)1.程序設計語言

（3）高級語言

用戶不必了解具體機器結構，而是面向問題，如BASIC、FORTRAN、PASCAL、C等各種高級語言。高級語言容易理解、學習和掌握，用戶用高級語言編寫程序就方便多了，可大大減少工作量。但計算機執(zhí)行時，必須將高級語言編寫的源程序翻譯成機器語言表示的目標代碼方能執(zhí)行。這個“翻譯”就是各種編譯程序(Compiler)或解釋程序

(Interpreter)。1.3.2軟件系統(tǒng)2.系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件是用來提高計算機的使用效率、增加計算機的功能、簡化程序設計、方便用戶使用的一類程序，一般由專門的計算機軟件技術人員開發(fā)。如操作系統(tǒng)(OS：Operatingsystem)、監(jiān)控程序、診斷程序、編譯和解釋程序統(tǒng)稱系統(tǒng)軟