微型计算机结构与编程.ppt

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1、微型计算机结构与编程电子教案 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望前言前言技术发展技术发展课程概况课程概况主要参考书主要参考书 参考文献参考文献 3 5 13 第1章 计算机的基本结构与操作本章重点讲授的章节：1.1 数的表示方法1.2 无符号数1.3 有符号数1.6 微型计算机1.7 最简单的CPU 物理物理 逻逻 辑辑 高电平高电平 1 二进制数、十六进制数二进制数、十六进制数 低电平低电平 0 地址地址 电路（元件、引线）电路（元件、引线）运算、判

2、断运算、判断 1.1 数的表示方法数的表示方法1.1.1 位置表示法位置表示法 N=Nn-1 Nn-2 N1 N0 N-1 N-m位权：每一数位所表示的值位权：每一数位所表示的值基数：相邻位的位权之比基数：相邻位的位权之比 (基数为常数）基数为常数）N=Ai X ii=-mn-1基数基数 X (2/8/10/16)位权位权 X i进位制进位制 X 进制进制位值位值 0 X 1 数制转换数制转换X进制进制 十进制十进制 位权相加位权相加十进制十进制 X进制进制 减权定位减权定位 二进制二进制 十六进制十六进制 0 ，二进制二进制 八进制八进制 0 0 ，物理物理（高电平（高电平 1；低电平；低电

3、平0）逻辑（地址：逻辑（地址：十六进制数）十六进制数）1.2 无符号数无符号数X+Y N=0 Cn-1=1 有进位有进位X-Y=X+Y+1 =X+2n -Y N=1 Cn-1=0 有有借位借位 CF=N +Cn-1机器运算的操作机器运算的操作（无符号数（无符号数 有符号数补码）有符号数补码）一、两数相加一、两数相加两数相减两数相减被加数被加数加数加数和和被减数被减数减数减数差差N=1N=0COCIAiBiiCiCi-1XY一位全加器一位全加器三、三、状态标志状态标志SF 符号标志符号标志 7(15)OF 溢出标志溢出标志 OF=C7 C6(C15 C14)CF 进进(借借)位标志位标志 CF=

4、C7 N(C15 N)AF 半半(借借)进位标志进位标志 AF=C4 N PF 奇偶标志奇偶标志 PF=7 6 0ZF 零标志零标志 ZF=7 6 01.3 有符号数有符号数原码原码 符号位符号位+数值位数值位 X原原反码反码 X反反 补码补码X补补 绝对值绝对值 X X补补+1 X补补X补补+1X反反X补补X原原X原原X原原 X XX补补+1 X+1X 0X 01.3.1 原码表示法原码表示法补码补码X 0 X补补=X原原=|X|X补补=1101 1100例X反反X补补 X+36-360 0 1 0 0 1 0 00 0 1 0 0 1 0 00 0 1 0 0 1 0 01 1 0 1 1

5、 1 0 01 1 0 1 1 0 1 10 0 1 0 0 1 0 0 X=+1X +X补补=0 X补补=0-X =0-X补补=X补补+1X X X+1=2n=0符号数的机器运算（例）符号数的机器运算（例）十进制数十进制数 （+36）+（36）0 原码原码 0010 0100+1010 0100？补码补码 0010 0100+1101 1100 0000 0000 X1=+36 X2=36 计算计算 X1 +X21（2n）+380010 0110 0000 001038+361101 10100010 0100 1111 1110 -2补补1.3 有符号数有符号数原码原码 符号位符号位+数值

6、位数值位 X原原反码反码 X反反 补码补码X补补 绝对值绝对值 X X补补+1 X补补X补补+1X反反X补补X原原X原原X原原 X XX补补+1 X+1X 0X 01.3.1 原码表示法原码表示法X 补补=2n +X有符号数数的机器运算有符号数数的机器运算X 补补=2n +XY 补补+2n +Y=2n +X+Y=X +Y 补补 X Y 补补=2n +X+2n +Y=X补补+Y 补补=X补补+Y 补补+11.4.3 状态标志状态标志 (单字节单字节符号数的表示范围)0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 1 +10 0 0 0 0 0 1 0 +20 1 1 1 1 1 1

7、 1 +127 -1 1 1 1 1 1 1 1 1 -2 1 1 1 1 1 1 1 0-127 1 0 0 0 0 0 0 1-128 1 0 0 0 0 0 0 0 -128+127溢出溢出有符号数运算结果超出其表示范围有符号数运算结果超出其表示范围1.有符号数的表示范围有符号数的表示范围单字节数单字节数 128 127双字节数双字节数 32 768 32 7672.符号扩展：符号位向左重复至所需位数符号扩展：符号位向左重复至所需位数63补补 0011 1111 0000 0000 0011 11118位位16位位63补补 1100 0001 1111 1111 1100 0001溢出的

8、机器判断双高位判溢出:OF=C7 +C6条件判断与条件转移条件判断与条件转移例例 将将AL中补码数的绝对值送入中补码数的绝对值送入AHAL0?NYNS1?SUB AL,0AL-0 ALY JNS NEXTAL+1 AL NEG ALAL AHNEXT:MOV AH,AL条件转移指令对状态标志进行判断条件转移指令对状态标志进行判断满足测试条件时转移至指令规定的目标地址满足测试条件时转移至指令规定的目标地址 取取 补补AL AH NEXT1.5 BCD码与码与ASCII码码BCD码码 用用4位二进制数表示位二进制数表示1位十进制数位十进制数ASCII码码 标准信息交换码标准信息交换码0 30H A

9、 41H9 39H F 46H 。ASCII码码 键入键入 ，7，5，（37H）（35H）BCD07H 05H 75H B4BH键入键入 ，8，4，（38H）（34H）08H 04H 84H 54H显示显示 :显示显示 +显示显示 =00H 01H05H 09H 01H 59H 9FH显示显示 ，1，5，9，（31H）（）（35H）（）（35H）37H0FH举例举例-64H 3BH运算电路运算电路 N=0 A+BN=1 A-BNNA7A6A0QQDCpQQDCpQQDCpQQDCpQQDCpQQDCpC7C6C5C0760B7B6B0B7B6B0二二、运算电路与运算器、运算电路与运算器 NNA

10、7A6A0QQDCpQQDCpQQDCpQQDCpQQDCpQQDCpC7C6C5C0760B7B6B0B7B6B0补码运算电路补码运算电路EAEvW0W6W7BUSLACLKLBCLKEALBCLKEvLAADD A,A三、三、状态标志状态标志SF 符号标志符号标志 7(15)OF 溢出标志溢出标志 OF=C7 C6(C15 C14)CF 进进(借借)位标志位标志 CF=C7 N(C15 N)AF 半半(借借)进位标志进位标志 AF=C4 N PF 奇偶标志奇偶标志 PF=7 6 0ZF 零标志零标志 ZF=7 6 01.4 运算电路运算电路W0W6W7BUSLACLKLBCLKNNA7A6

11、A0QQDCpQQDCpQQDCpQQDCpQQDCpQQDCpC7C6C5C0760B7B6B0B7B6B0EAEv补码运算电路补码运算电路 A B 运算器运算器ABLAEACLKNEVNLBCLK888888BUS运算电路框图运算电路框图EV EA LB LA1.6 微型计算机微型计算机1.6.1 总线总线CPU存储器存储器输入输入/输出输出接口接口外围外围设备设备数据总线数据总线控制总线控制总线控制控制I/OI/O总线总线地址总线地址总线微型计算机的组成微型计算机的组成1.6.2 处理器处理器(CPU)AH ALBH BLCH CLDH DLAXBXCXDX数据寄存器数据寄存器控制逻辑控

12、制逻辑SPBPSIDIIP指针及变址寄存器指针及变址寄存器CSDSSSES段寄存器段寄存器ALUPSW图图1.6 指令和数据存放指令和数据存放PROM中中地地址址译译码码器器来来自自内内存存地地址址寄寄存存器器EPR 0 1 2 3 4 5 E FM3M2M1M0D7 D6 D00F3EE0F02040地址地址内容内容0F00000输出控制输出控制存储器存储器。存储矩阵存储矩阵0000 (0)0000 1111(0F)0001 (1)0011 1110(3E)1110 (E)0010 0000(20)1111 (F)0100 1111(40)0010 (2)1110 0000(E0)0011

13、(3)1111 0000(F0)M。图图1.7 内存内存地址地址寄存器寄存器（MAR）与内存储器与内存储器（PROM）的框图的框图LMCLK输输出出数数据据控控制制器器存储矩阵存储矩阵168地址译码器地址译码器D CPQD CPQD CPQD CPQMARM3M2M1M0总线（总线（BUS）W7W6 W0RFR1R0PROMD7D1D0EPR。PROM图图1.8 模型机模型机结构图结构图CLKPC(IP)指令寄存器指令寄存器操作码译码器操作码译码器操作控制部件操作控制部件脉冲分配器脉冲分配器4445CPEPCLKCLRLIEICLKCLRCLK6T0T5CP EP LB LO 控制电平控制电平

14、CLK控制器控制器OUT译码译码LOCLK8输出接口输出接口MARPROM48EPRLM存储器存储器BUSCLKABLAEANEVNLB88888运算器运算器CLK存储器存储器1.7.1 运算器运算器运算运算 判断判断(标志标志)数据通数据通道道输出控制输出控制 Ei输入控制输入控制 Li存放代码（指令、数据）存放代码（指令、数据）存储器：存储器：地址地址：（选中）存储单元（所需的）编码：（选中）存储单元（所需的）编码内容：被选中输出时，对应的数据线的状态内容：被选中输出时，对应的数据线的状态（存储单元中存放的内容）（存储单元中存放的内容）1.7 最简单的最简单的CPU1.7.2 控制器控制器

15、模型机模型机根据指令规定的操作，按一定的时间顺序产生相应的控根据指令规定的操作，按一定的时间顺序产生相应的控制的信号（时序信号）、控制系统完成相应的操作制的信号（时序信号）、控制系统完成相应的操作1、指令：、指令：操作码操作码 操作数操作数 例：例：0011 1110 0011 1110 助记符助记符 ADDA,RE表表1.6 加法指令操作加法指令操作过程表过程表步骤步骤取指令取指令和分析和分析指令指令执行执行指令指令 时间顺序时间顺序T0T1T2T3T4T5基本操作基本操作控制电位控制电位将将指令码指令码地址从地址从PC送至送至MAR并送并送PROM地址译码器地址译码器从译码选中的从译码选中

16、的PROM单元中取出指令码，单元中取出指令码，送入指令寄存器送入指令寄存器对指令寄存器对指令寄存器IR中的高中的高4位（操作码）位（操作码）译码，程序计数器译码，程序计数器PC加加1将指令寄存器将指令寄存器IR的低的低4位（操作数地址）位（操作数地址）送至送至MAR，并送至，并送至PROM地址译码器地址译码器根据操作数地址译码信号，从内存根据操作数地址译码信号，从内存PROM中取出操作数送至中取出操作数送至B寄存器中寄存器中将将B寄存器内容与累加器寄存器内容与累加器A的内容相加，的内容相加，和数送累加器和数送累加器AEP LMEPR LICPEI LMEPR LBEV LA脉冲分配器的结构框图

17、脉冲分配器的结构框图多多谐谐振振荡荡器器启启停停控控制制器器节节拍拍发发生生器器CLR HALTT0T1T5CLK。3、节拍发生器、节拍发生器指令周期指令周期指令周期指令周期T0T1T2T3T4T5CLK图图1.10 时序电平和时序脉冲波形时序电平和时序脉冲波形2、操作码译码器、操作码译码器I7I6I5I4HALTOUTSUBADDLDA0 1 0 01 1 0 00 0 1 0 0 1 1 11 1 1 1操作时间表操作时间表 指指 令令 操作操作 操作内容操作内容 控控 制制 电电 位位 时间时间 CP EP LM EPR LI EI LA EA N EV LB LD T0 PCMAR 1

18、 1取指令取指令 T1 PROMIR 1 1 T2 PC+1PC 1 T3 IR0-3MAR 1 1LD A,RX T4 PROMA 1 1 T5 T3 IR0-3MAR 1 1ADDA,RX T4 PROMB 1 1 T5 =A+B A 1 1 T3 IR0-3MAR 1 1SUB A,RX T4 PROMB 1 1 T5 =A-B A 1 1 14、操作控制部件、操作控制部件LDAADDSUBT0T5CPEPLMLA图图1.14 产生产生LM和和LA的组合逻辑电路的组合逻辑电路ADDSUBT5LDT4参见加法参见加法指令指令操作过程表操作过程表 T0 T3LM LA.A+RE A CLKP

19、C(IP)指令寄存器指令寄存器操作码译码器操作码译码器操作控制部件操作控制部件脉冲分配器脉冲分配器4445CPEPCLKCLRLIEICLKCLRCLK6T0T5CP EP LB LO 控制电位控制电位CLK控制器控制器OUT译码译码LOCLK8输出接口输出接口MARPROM48EPRLM存储器存储器BUSCLKABLAEANEVNLB88888运算器运算器CLK5、程序计数器、程序计数器PC存放下条指令的地址存放下条指令的地址复位后初值为复位后初值为0每次输出后加每次输出后加1顺序执行顺序执行转移：转移：目标地址目标地址*W3W2W1W0PC3PC2PC1PC0RCCLRCPCLK图图1.1

20、1 模型机的程序计数器模型机的程序计数器EPPC6.总线总线 执行过程执行过程地址地址01内容内容助记符助记符操作操作总线总线0F3ELD A,RFADD A,RET0 EP LM PC MART1 EPR LM (R0)IRT2 CP PC+1 PCT3 EI LM IR0-3 MART4 EPR LA (RF)AX 0X F40T0T2 同上同上 取指令取指令 3ET3 EI LM IR0-3 MART4 EPR LB (RE)BT4 EV LA A+B+N AX EN=02060 0F要点 一、微型计算机的组成一、微型计算机的组成二二、微处理器的组成，时序控制、微处理器的组成，时序控制三、存储器：地址，内容三、存储器：地址，内容四、程序计数器四、程序计数器PC 五、指令五、指令 操作码操作码 操作数操作数 助记符助记符 ADD A,R ADD A,RF F 机器码机器码 0011 1111 0011 1111