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1、微型计算机结构与编程电 子 教 案高等教育出版社第1页序言序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 参考文件参考文件 3 5 13 第2页第1章 计算机基本结构与操作本章重点讲授章节：1.1 数表示方法1.2 无符号数1.3 有符号数1.6 微型计算机1.7 最简单CPU第3页 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、判断运算、判断 第4页 1.1 数表示方法数表示方法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
2、表示值位权：每一数位所表示值基数：相邻位位权之比基数：相邻位位权之比 (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第5页 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；低电平0）逻辑（地址：逻辑（地址：十六进制数）十六进制数）第6页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 =
3、X+2n -Y N=1 Cn-1=0 有有借位借位 CF=N +Cn-1第7页机器运算操作机器运算操作（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=0第8页COCIAiBiiCiCi-1XY一位全加器一位全加器第9页三、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
4、标志 ZF=7 6 0第10页1.3 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 原码原码表示法表示法第11页补码补码X 0 X补补=X原原=|X|X补补=1101 1100第12页例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 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
5、补=0-X =0-X补补=X补补+1X X X+1=2n=0第13页符号数机器运算（例）符号数机器运算（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补补第14页1.3 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
6、+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 原码原码表示法表示法X 补补=2n +X第15页有符号数数机器运算有符号数数机器运算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+1第16页1.4.3 状态标志状态标志 (单字节单字节符号数表示范围)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 1 +127 -1 1 1 1 1 1 1 1 1 -2 1 1 1 1 1 1
7、 1 0-127 1 0 0 0 0 0 0 1-128 1 0 0 0 0 0 0 0 -128+127第17页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.有符号数表示范围有符号数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第18页溢出机器判断双高位判溢出:OF=C7 +C6第19页条件判断与条件转移条件判
8、断与条件转移例例 将将AL中补码数绝对值送入中补码数绝对值送入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要求目标地址满足测试条件时转移至指令要求目标地址 取取 补补AL AH NEXT第20页1.5 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 41H9 39H F 46H 。第21页 ASCII码码 键入
9、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第22页运算电路运算电路 N=0 A+BN=1 A-BNNA7A6A0QQDCpQQDCpQQDCpQQDCpQQDCpQQDCpC7C6C5C0760B7B6B0B7B6B0第23页二二、运算电路与运算器、运算电路与运算器 NNA7A6A0QQDCpQQDCpQQDC
10、pQQDCpQQDCpQQDCpC7C6C5C0760B7B6B0B7B6B0补码运算电路补码运算电路EAEvW0W6W7BUSLACLKLBCLKEALBCLKEvLAADD A,A第24页三、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 0第25页1.4 运算电路运算电路W0W6W7BUSLACLKLBCLKNNA7A6A0QQDCpQQDC
11、pQQDCpQQDCpQQDCpQQDCpC7C6C5C0760B7B6B0B7B6B0EAEv补码运算电路补码运算电路 A B 第26页运算器运算器ABLAEACLKNEVNLBCLK888888BUS运算电路框图运算电路框图EV EA LB LA第27页1.6 微型计算机微型计算机1.6.1 总线总线CPU存放器存放器输入输入/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组成微型计算机组成第28页1.6.2 处理器处理器(CPU)AH ALBH BLCH CLDH DLAXBXCXDX数据存放器数据存放器控制逻辑控制
12、逻辑SPBPSIDIIP指针及变址存放器指针及变址存放器CSDSSSES段存放器段存放器ALUPSW第29页图图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放器存放器。存放矩阵存放矩阵第30页0000 (0)0000 1111(0F)0001 (1)0011 1110(3E)1110 (E)0010 0000(20)1111 (F)0100 1111(40)0010 (2)1110 0000(E
13、0)0011 (3)1111 0000(F0)M。第31页图图1.7 内存内存地址地址存放器存放器（MAR）与内存放器与内存放器（PROM）框图框图LMCLK输输出出数数据据控控制制器器存放矩阵存放矩阵168地址译码器地址译码器D CPQD CPQD CPQD CPQMARM3M2M1M0总线（总线（BUS）W7W6 W0RFR1R0PROMD7D1D0EPR。PROM第32页图图1.8 模型机模型机结构图结构图CLKPC(IP)指令存放器指令存放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 L
14、B LO 控制电平控制电平CLK控制器控制器OUT译码译码LOCLK8输出接口输出接口MARPROM48EPRLM存放器存放器BUSCLKABLAEANEVNLB88888运算器运算器CLK存放器存放器第33页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）存放器：存放器：地址地址：（选中）存放单元（所需）编码：（选中）存放单元（所需）编码内容：被选中输出时，对应数据线状态内容：被选中输出时，对应数据线状态（存放单元中存放内容）（存放单元中存放内容）1.7 最简单最简单CPU第34页1
15、.7.2 控制器控制器模型机模型机依据指令要求操作，按一定时间次序产生对应控制信号依据指令要求操作，按一定时间次序产生对应控制信号（时序信号）、控制系统完成对应操作（时序信号）、控制系统完成对应操作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 加法指令操作过程表加法指令操作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 时间次序时间次序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从译码选中
16、PROM单元中取出指令码，单元中取出指令码，送入指令存放器送入指令存放器对指令存放器对指令存放器IR中高中高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将指令存放器将指令存放器IR低低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依据操作数地址译码信号，从内存依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存放器中存放器中将将B存放器内容与累加器存放器内容与累加器A内容相加，内容相加，和数送累加器和数送累加器AEP LMEPR LICPEI LMEPR LBEV LA第35页脉冲分配器结构框图脉冲分配
17、器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。第36页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第37页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第38页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
18、PCMAR 1 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 1第39页4、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组合逻辑电路组合逻辑电路ADDSUBT5LDT4参见加法指令操作过程表参见加法指令操作过程表 T0 T3LM LA.第4
19、0页A+RE A CLKPC(IP)指令存放器指令存放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存放器存放器BUSCLKABLAEANEVNLB88888运算器运算器CLK第41页5、程序计数器、程序计数器PC存放下条指令地址存放下条指令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次序执行次序执行转移：转移：目标地址目标地址*W3W2W1W0PC3PC2PC1PC0
20、RCCLRCPCLK图图1.11 模型机程序计数器模型机程序计数器EPPC第42页6.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第43页关键点 一一、微型计算机组成微型计算机组成二二、微处理器组成，时序控制、微处理器组成，时序控制三、存放器：地址，内容三、存放器：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第44页