【文档说明】第三章-微型计算机的基础工作原理课件.ppt，共(60)页，840.002 KB，由小橙橙上传

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2022/12/11第三章微机的基本工作原理一个实际的微机的电路结构是相当复杂的。本章内容将从微机的最基本功能出发来讲解其电路原理，在有限的时间内让同学们建立一个较完整的基本概念。微机的基本功能可概括为“三能一快”；能运算、能判别、

能决策。但所有这些“能”的过程都是建立在“快”的基础上才能有实际意义。2022/12/12在整个计算机中，信息量是很大的，部件数很多，如何做到各个信息和部件能够“循序渐进、各得其所、有条不紊、快而不乱”？这就是计算机基本工作原理所要解答的问题。下面将以一个简化了的微机作为分析对象

，逐步讲解一般计算机的各个基本功能，从而概括出微机的基本工作原理。在分析讲解过程中，陆续介绍各个基本电路和部件之间的信息流通过程，指令系统的意义，程序设计的步骤，控制部件的功能及其结构，控制矩阵产生控制字的过程等，这样可以对微机的基本工作原理有一个比较完整的概念

。2022/12/133.1微机结构的简化形式简化的微机结构如图3-1所示，其硬件结构特点是：功能简单、内存量小、字长8位、手动输入。（1）PC（2）MAR（3）PROM（图3-2）（4）IR指令字格式：高4位为指令字段，低4位为地址字段。2022/12/14图3-2PROM结

构原理图2022/12/15（5）控制器其功能：（PC、IR）清零；发出同步脉冲CLK；发出12位控制字CON。（6）累加器A（7）寄存器B（8）输出寄存器O（9）二进制显示器D可见结构简单，但为一个可编程计算机的雏形，麻雀虽小，五脏具全。其功

能分解为三大部分见图所示。2022/12/163.2指令系统指令系统就是用来编制程序的一个指令集合。这台微型机有五条指令，即其控制部件能完成一系列例行程序以执行五种命令：LDA——将数据装入累加器AADD——进行加法运算SUB

——进行减法运算OUT——输出结果HLT——停机这五条指令在一起就称为这台计算机的指令系统。2022/12/17不同型号的微处理机的指令系统是不同的，指令的条数也不相同，如Z80型的指令系统可达：58条

，M6800型有72条，6502型则有56条指令，而Intel80386则为152条。例如一个计算程序的格式如下：LDAR9；把R9中的数据存入AADDRA；把RA中的数据与A的相加ADDRB；把RB中的数据与A的相加ADDRC；把RC中的数据与A的

相加SUBRD；把RD中的数据与RD的相减OUT；输出A中的数据，即结果HLT；停机助记符操作数注释2022/12/18这样的格式称为用汇编语言写的汇编语言程序。最左边的符号称为助记符，中间的符号R9、RA……等称为操作数，在“；”之后的称

为注释，每一行就是一条指令。运行结果（A）=（R9）运行结果（A）=（R9）＋（RA）运行结果（A）=（R9）+（RA）+（RB）运行结果（A）=（R9）+（RA）+（RB）+（RC）运行结果（A）=（R9）+（RA）

+（RB）+（RC）-（RD）运行结果（D）=（A）运行结果：CLK停止发脉冲最后一条指令，使时钟脉冲停发，则计算机停止运行，但电源未切断，所以显示器中仍继续显示计算的结果。2022/12/193.3程序设

计1、先要有一个操作码表：2022/12/1103、将源程序翻译成目的程序2022/12/1114、程序及数据的输入方法2022/12/1123.4执行指令的例行程序执行一条指令的时间为一个机器周期。机器周期又可分为取指周期和执

行周期。取指过程和执行过程都得通过不同的机器节拍。在这些节拍内，每个寄存器（PC、MAR、IR、A、B、O等）的内容可能发生变化。2022/12/1132、取指周期及执行周期取指周期需要三个机器节拍：(1)地址

节拍(T0=1)PC内容送MAR并到达PROMCON=CPEPLMERLIEILAEASUEULBLB=011000000000(2)储存节拍(T1=1)PROM指定单元内容送到IR，高四位送控制部件CON=000110000000(3)增量节拍(T2=1)PC+1，指向下一

条指令CON=1000000000002022/12/114执行周期也需要三个节拍：这里以LDA例行程序为例：(4)T3=1，IR高四位送至控制器进行分析，IR低四位送总线，MAR接受此低四位并指向PROM的某个单元。

（第一次访问的是指令区，第二次访问的是数据区）CON=CPEPLMERLIEILAEASUEULBLB=001001000000（5）T4=1，PROM中数据区的存储单元的内容送累加器ACON=0001001000002022/12/

115(6)T5=1，因T4=1时，已将数据存入A中，所以LDA的例行程序就已完成，T5为空拍：CON=000000000000注意：（1）为什么需空拍，但一些其它指令例行程序需要六拍，这样的机器称为固定周期的

计算机。（2）对任何一条指令取指周期都是三拍。其它例行程序执行情况见表3-32022/12/116节拍指令机器周期（指令周期）取指周期执行周期T0T1T2T3T4T5LDA9H00001001(0000)MAR←PC(ROM)LM,EPIR←ROMLI,ER(

0001)PC←PC+1CPMAR←IR(ROM)LM,EIA←ROMLA,ER_ADDAH00011010(0001)MAR←PC(ROM)LM,EPIR←ROMLI,ER(0010)PC←PC+1CPMA

R←IR(ROM)LM,EIB←ROMLB,ERA←A+BLA,EUADDBH00011011(0010)MAR←PC(ROM)LM,EPIR←ROMLI,ER(0011)PC←PC+1CPMAR←IR(R

OM)LM,EIB←ROMLB,ERA←A+BLA,EUADDCH00011100(0011)MAR←PC(ROM)LM,EPIR←ROMLI,ER(0100)PC←PC+1CPMAR←IR(ROM)LM,EIB←ROMLB,ERA←A+BLA,EUSUBDH00101101(0100)MAR←P

C(ROM)LM,EPIR←ROMLI,ER(0101)PC←PC+1CPMAR←IR(ROM)LM,EIB←ROMLB,ERA←A-BLA,EU,SUOUT1110ⅹ…(0101)MAR←PC(ROM)LM,EPIR←ROMLI,ER(0110)PC←PC+1C

PO←ALO,EA__HLT1111ⅹ…(0110)MAR←PC(ROM)LM,EPIR←ROMLI,ER(0111)PC←PC+1CP_HLT__表3-3执行指令的过程2022/12/1173.5控制部件控制部件的主要环节：（1）环行计数器（RC）（2）指令译码

器（ID）（3）控制矩阵（CM）（4）其它控制电路指令译码器的任务是：将四位组成的编码，译成一个信号，即译为某一控制线为高电位。其译码电路如图3-5所示。2022/12/1182022/12/119控制矩阵

（CM）是控制部件的核心，其输入为节拍信号和经译码后的指令信号，输出为12位控制字。其结构见图3-6所示。2022/12/120由图可见五条指令的控制器就已经这么复杂，由此可知要扩大指令系统，其控制矩阵的结构

以及设计上的问题是相当复杂的。这样从结构上用逻辑电路的方法来实现控制字的方法称为硬连线方法（硬件方法）。也可以用软件的方法来实现这个目的，这就是所谓微程序法。这将在后面做简要介绍。2022/12/121其它控制电路：（1）时钟脉冲发生器：它一般由两部分

组成，即时钟振荡器及射极输出器。前者是石英晶体振荡器，后者则用以降低输出电阻，以提高带负载能力。（2）运行/停车触发器:既接收来自按钮的“运行”脉冲信号，也接收来自指令译码器的“HLT”停车信号，其输出就去启动时钟振荡器。

（3）“启动”和“清零”按钮：由人直接操作的主令电器，命令都是由此开始的。图3-7用方块图展示了控制部件各个电路间的关系。2022/12/1222022/12/1233.6微机功能的扩展作为引导入门的模型机功能太简单。

其原因是：首先是硬件过于简单，只能接受五条指令而产生相应的例行程序。其次是软件开发问题，即如何利用现有的指令系统，经过灵活的编程以解决更复杂的问题。总之，计算机的功能在很大程度上取决于中央处理器部分，而中央处理器的功

能又取决于控制器的功能。图3-8是功能扩充的微机结构简图。2022/12/124图3-8功能扩充后的微机的结构图2022/12/125（1）子程序计数器SC（2）程序计数器PC（3）RAM（4）CON（5）ALU（见表3-4）（6）变址寄存器X（7）IR对

于访问存储器指令和转移指令，高四位为指令字段，低八位为地址字段。对于运算指令，高八位为指令字段，而低四位为任意数，不代表任何意义。2022/12/126说明：（1）访问存储器指令---与存储器的读/写有关，所以

有其地址字段必须为8位（256）。（2）转移指令---可用以改变程序的顺序。（3）逻辑运算指令---特点是与存储器及PC无关，而是与ALU、A及B寄存器有关。2022/12/1272022/12/1283.7初级程

序设计举例上节提供的指令系统，可以据以进行程序设计。所谓初级程序是包括下列的程序模式：1·简单程序——程序一统到底，中间没有任何分支和跳转。2·分支程序——程序进行中，根据判断程序执行的不同结果而分别跳转至其他子程序。3·循环程序

——程序进行过程中，在某一循环体进行若干次循环运行，然后再继续前进。4·调用子程序——一程序进行至某一阶段，调用存储于某存储区中的某个子程序，然后返回至主程序继续运行下去。2022/12/129【例1】程序清单（循环程序）R0LDA6H;把（R6）装人A去R1SUB

7H;从（A）减去（R7）指R2JAM5H;（A）=负，则转移至R5令R3JAZ5H;（A）=0，则转移至R5区R4JMP1H;无条件转移至R1R5HLT数据R625（十进制）区R79（十进制）2022/12/130执行结果R0LDA6HA中的内容=25R1SUB7HA中的内容=25-9

=16R2JAM5H因为（A）≠负，所以不转移R3JAZ5H因为（A）≠0，所以不转移R4JMP1H无条件转移至R1从R1起再执行第二次：R1SUB7HA中的内容=16-9=7R2JAM5H因为（A）≠负，所以不转移R3JAZ5H因为（A）≠0，所

以不转移R4JMP1H无条件转移至R1从R1起再执行第三次：R1SUB7HA中的内容=7-9=-2R2JAM5H因为(A)=负所以转移至R5R5HLT停机2022/12/131这个程序可以理解为求（R6）÷（R

7）的除法运算。这里是25÷9，除的结果应得商为2，余数为7。程序循环运行的次数即为商，余数即为第二次执行后A中的内容。[例2]循环程序(利用变址寄存器进行设计)R0LDX5H;将（R5）装人变址器XR1DEX;命（X）减1R

2JIZ4H;（X）=0，则转移至R4R3JMP1H;无条件转移至R1R4HLT;停机R53（十进制）（R5）=3（数据）2022/12/132第一次执行结果：R0LDX5H（X）=（R5）=3R1DEX（X）=3-1=2R2JIZ4H因为（X）≠0，

所以不转移R3JMP1H无条件转移至R1第二次执行结果：R1DEX（X）=2-1=1R2JIZ4H因为（X）≠0，所以不转移R3JMP1H无条件转移至R1第三次执行结果：R1DEX（X）=1-1=0R2JIZ4H因为(X

)=0，所以转移则至R4R5HLT停机2022/12/133[例3]乘法计算的程序12*8（利用循环程序和加法运算来实现）R0NOP;空操作R1LDXAHR2CLA;将A清零R3DEXR4ADD9H;七

次返回R5JIZ7HR6JMP3HR7OUT;转出循环96转至输出寄存器O中R8HLTR912DRA8D2022/12/134[例4]设计一个用以测试某个来自接口电路的输入数I0，以确定该数是否为奇数。如I0为奇数（即最后一位为1），则显示一个111111111111；如I0

是偶数（最后一位为0），则显示一个000000000000。程序清单如下：R0INP；将I0装入累加器AR1LDB9H；将（R9）装入寄存器BR2AND；将(B)与(A)进行“与”运算R3JAZ6H；（A）=0，则转移至R6R4LDAA

H；将（RA）装入累加器AR5JMP7H；无条件转移至R7R6LDABH；将（RB）装入累加器AR7OUT；输出（A）至显示器R8HLT；停机R9000000000001（掩码或屏蔽字）RA1111111

11111奇数标志RB000000000000偶数标志2022/12/135【例5】子程序设计设计一个计算x2+y2+z2=？的计算程序。由于x2、y2和z2在形式上都是一样的，是求一个数的平方值，这在其它数学运

算时也常用得着，因此可将x2做成一个子程序而存于存储器中一个固定区域中，用到时，即可将其调出使用。这里将子程序存于RF2为起始地址得一个区域中，则程序清单如下：2022/12/136RF2STACAH；将（A)暂存于RCARF3LDXCAH;将（RCA）装入XRF4CLA；将累加器A清零RF5

DEX；（X）减1RF6ADDCAH；将（RCA）与（A)相加RF7JIZF9H；（X）=0，则转移至RF9RF8JMPF5H；无条件转移RF5RF9BRB；返回主程序RC6xRC7y;被运算的数据RC8z

RC9；运算过程暂存地址RCAx与x相加的过程循环体2022/12/137主程序：子程序：R00LDAC6H1RF2STACAHR01JMSF2HRF3LDXCAHR02STAC9H1RF4CLAR03LDAC7HRF5DEXR04JMSF2H2RF

6ADDCAHR05ADDC9H2RF7JIZF9HR06STAC9HRF8JMPF5HR07LDAC8HRF9BRBR08JMSF2H3R09ADDC9H3R0AOUTR0BHLT2022/12/138有了子程序，每当求平方时

，只要调用子程序即可，本例调用三次子程序。主程序只管把每次计算结果（RC9中）相加，因而主程序显得短小清楚。3.8微程序控制的基本概念问题的提出：随着计算机的体系结构日益复杂化，加之硬件连线的组合逻辑设计方法的缺点（不灵活

性、不规整性和线路的日益复杂性）的存在，对于一些复杂的控制器的设计已从硬件连线结构转向微程序控制的结构。那么微程序设计的本质是什么呢？它是用软件的方法组织和控制数据处理系统的信息传递，并用硬件结构实现。2022/12/139微程序控制的基本概念是由英国

剑桥大学的威尔克斯教授在1951年提出的，他在《设计计算机的最好方法》一文中指出，将机器指令的操作（从取指到执行）分解为若干个更基本的微操作序列，并将有关的控制信息（微命令）以微码的形式编成微指令，存入控制存储器中。这样，每条机器指令与一段微程序相对应，取出微

指令就产生相应的微命令，从而实现机器指令要求的信息传送和加工。这就是微程序设计的基本思想。2022/12/140微程序控制器的核心部件是存储微程序的控制存储器CM，一般用只读存储器ROM构成。而EPROM的出现为实现微程序修改及动态微程序设计提供了可能。基本术语：微命令：控制部件通过控制线向

执行部件发出各种控制命令，这种控制命令叫微命令。微操作：执行部件接受微命令后所进行的操作，叫做微操作。微指令：在一个机器周期中，一组实现一定操作功能的微命令的组合，构成一条微指令。2022/12/141微程序：一条机器指令的功能是用许多条微指令组成的序列来实现的，这个微指令序列叫做微程序。机器指

令和微指令的区别：机器指令是提供给用户的基本单位，它表示机器能够完成的一项基本功能。微指令则是为实现机器指令操作（一步或全部）的一系列微命令的组合，它作为机器内部的信息，不一定提供给用户，对程序员是透明的。用户

根据某项任务编制的程序是存放在主存储器中，由PC指示其流程。微程序是由微指令构成的，用于描述机器指令。在设计计算机时预先编制好的，放在控制存储器中，供执行程序时使用。2022/12/1423.9现代技术在微机

中的应用1、流水线技术根据存储程序的运行方式，其程序的指令顺序地存储在存储器中，这些指令被逐条取出并执行。这种串行运行，重复取出和执行顺序指令是过去计算机的主要局限性。根本解决的方法是采用并行操作。流水线技术是一种同时进行若干操作的并行处理方式。它把取操作和执行操作重叠

进行，在执行一条指令的同时，又取另一条指令。串行运行的顺序如图3-12a所示。流水线操作如图3-12b所示。2022/12/1432022/12/144流水线技术是要增加计算机硬件，例如上述中，需要采用预取指令操作就需增加硬件来取指令，并把它存放到寄存器队列中，使微处理器能同时进行

取指令和执行微指令重叠进行。因此在微处理器中有两个运算单元，一个主运算单元用于执行指令，另一个专用于地址计算。2022/12/1452、存储体系的变革随着电子技术的发展，CPU和存储器的速度都得到了明显的改善，但存储器速度的提高赶不上CPU运算速度的提高，大容量存储器的速

度远远跟不上CPU的运算速度。为了程序的需要，主存容量也从几千字节发展到几兆和几十兆字节、几百兆字节以上。尽管如此，受价格等方面的约束，主存容量仍不能满足程序和数据的要求。因此需要将大量不常用的程序存放于大容量、低速的辅存中。2022/12/146利用

硬件控制将主存与辅存有机的组成一个整体，构成二级存储体系，其结构见图所示，CPU与主存可以直接交换信息，辅存可以与主存交换信息但不能与CPU直接交换信息。在二级存储体系中，主存是与计算机各部件进行数据交换的主要设备，辅存作为主存的后援系统来弥补主存

容量不足的缺陷。辅存中存放的是暂时不用和主存中容纳不下的程序和数据。2022/12/147这里辅存中的信息不能被CPU直接访问，必须通过调入主存中才能被计算机的其它部件使用。一般有两种途径允许CPU运行辅存中存放的程序。一种途径是当主存能够容纳下整

个程序及所需数据时，将要使用的程序从辅存调入到主存之中，然后由CPU控制运行。另一种途径是当主存容量不能容纳整个程序时，由程序员将程序分成与主存大小相匹配的几段，按需要控制各段程序间的运行顺序，在执行时依次调入主存运行。2022/12/148二级存储体系解决了主存容量不足、价格

高的矛盾，但仍没有解决主存与CPU之间速度不匹配的问题。现代科技的发展使CPU的速度快于主存的存取速度，存储器的相对低速影响了CPU性能的发挥。同时，主存与辅存之间数据交换速度也影响了计算机存储系统性能的发挥。因此，存储系统的设计突破了

用主存和辅存组成单一的二级存储结构，采用由多种性能不同、速度不同、价格不同的存储设备按一定的层次结构组成多级存储体系，见图所示。2022/12/149多级存储体系是由主存—辅存二级存储体系发展而来。在主存和辅存之间利用辅助的软硬件将二者连为一体，构成速度接近

主存、容量接近辅存的存储体系。同时为解决主存与CPU之间的互相匹配问题，参照主存—辅存结构在CPU与主存之间增加高速缓冲存储器(Cache)。借助于辅助硬件，将Cache与主存构成一整体，使得它具有接近Cache的速度、主存的容

量和接近主存的平均价格。2022/12/150在多级存储体系中，Cache的出现基本解决了主存与CPU之间的速度匹配问题。Cache的性能高于主存的性能，但由于它是采用价格昂贵的双极性RAM线路，因此其价格高于主存。采用适量的Cach

e既可以增加存储体系的性能，又可以将整个存储体系的价格限制在一定范围内。Cache的原理和特点：其工作原理是基于对大量典型程序运行实例分析，在较短的时间间隔内，由程序产生的地址往往集中于存储器逻辑地址空间很小的范围内。2022/12/151指令地址的分布是连续的，加上循环

程序和子程序段的重复执行，对这些地址的访问自然具有时间集中分布的倾向。这种对局部范围的存储器地址频繁访问，对此范围外的地址访问甚少的现象称为程序访问的局部性。程序访问的局部性为Cache的引入提供了理论依据。Cache中存放着主存

的一部分副本(主存中的部分内容)，当存储器接到有关读取指令时，先在Cache中查找此信息是否存在，若有则不经主存从Cache中取出，否则直接从主存中取出，同时写入Cache，以备再次使用。2022/12/152需要向存储器写入内容时，由辅助硬件采用各种方法保证主存中的内容同Cach

e中的内容保持一致。保证写入时两者内容一致的方法有以下三种：(1)将内容同时写入主存和Cache；(2)数据仅写入主存，放弃掉Cache中相应内容；(3)数据只写入Cache，在规定的时间将修改过的Cache的内容写入主存.Cache的特点是：（1）存取速度快；（2）

存储容量小。2022/12/1533、虚拟存储的概念、作用（1）虚拟存储器的概念、作用主存储器的实际容量不一定与根据地址码位所计算出的容量相同，其中原因有二：一是在大、中型计算机中，由于指令系统中的地址码位较长，实际内存空间比地址码形成的空间要小得多。如某种计

算机，其指令系统中地址码位的长度为32，依此可以计算出其可寻址空间为232=4294967296Byte，即4GB，但其主存的容量仅为16MB，两者相差256倍。而程序员希望能够使用整个32位地址码位编程，利用整个地址空间装载程序。

2022/12/154二是小型微型计算机系统中指令系统的地址码位短，由地址码位形成的寻址空间比实际主存小。如一种微机的地址码长为16，其寻址空间为216＝65536Byte，即64KB，而其存储器的实际容量为1MB。程序设计人员希望能够在程序中利用整个内存的空间编程，以摆脱地址码位的限制。对于

第二种情况，由操作系统的存储管理部分控制，对内存的有效部分进行分段管理和重新定位，扩大其地址码位的长度，利于人们使用。2022/12/155对于第一种情况，一般由操作系统将辅存的一部分当做主存使用，从而扩大程序可控制的空间。一般将这种由主存和部分辅存组

成的存储结构称为虚拟存储器，其对应的存储地址称为虚拟地址（逻辑地址），其对应的存储容量称为虚拟容量，将实际主存地址称为物理地址或实地址，主存的容量称为实存容量。虚拟存储器的范围可以参照图6.24。2022/12/156虚拟存储器的作用是仿佛扩

大整个主存的容量，允许在程序中使用比主存容量大得多的虚拟存储器，同时可以减轻人们编程中对程序进行分块的苦恼，从而提高软件开发的效率。当用虚拟地址访问主存时，系统首先查看所用虚拟地址对应的单元内容是否已装人主存。如果在主存中，可以通过辅助软硬件自动把虚拟地

址变成主存的物理地址后对主存相应单元进行访问；如果不在主存中，通过辅助的软硬件将虚拟地址对应的内容调入主存中，然后再进行访问。因此，对虚拟存储器的每次访问都必须由辅助软硬件进行虚实地址的变换。2022/12/157

虚拟存储器是实现利用小容量的主存运行大规模的程序的一种有效的办法。尽管实现虚拟存储要增加一些额外的投资和软件开销，虚拟存储技术仍在各种计算机系统中得到了广泛的应用。虚拟存储器必须建立在主存一辅存结构上，但一般的主存一辅

存系统并不一定是虚拟存储器，虚拟存储器与一般的主存一辅存系统的本质区别是：2022/12/158虚拟存储器允许人们使用比主存容量大得多的地址空间来访问主存，非虚拟存储器最多只允许人们使用主存的整个空间，一般只允许使用操作系统分配的主存中的某一部分空间。虚拟存储器每次访问主存时

必须进行虚实地址的变换，而非虚拟存储系统则不必变换。虚拟存储器的分配由操作系统完成，而主存一辅存系统的使用可以由程序人员根据需要进行安排。2022/12/159（2）虚拟存储的工作原理虚拟存储技术，实际上就是利用一个

实际存在的容量比较小的主存储器空间（物理空间）模拟一个假设的容量相当大的存储器空间（虚拟存储器空间）。在程序运行时由辅助软硬件将编写程序所用的逻辑地址（虚拟地址）自动转换成主存储器中的物理地址（实际地址）。

为了便于主存与辅存中虚拟存储器部分的信息交换，虚拟存储器一般采用二维或三维的复合地址格式以方便地址变换。2022/12/160根据地址格式不同，虚拟存储器分为：页式虚拟存储器、段式虚拟存储器和段页式虚拟存储器。