微型计算机原理及应用学习笔记 微型计算机的工

一、一个模型机
为了使初学者了解微型计算机的工作过程，我们以图1-5所示的简化的模型机为例进行说明。为简明起见，图中只画出内存储器和微处理器，并假定要执行的程序以及数据已存入内存储器中。



图1-5  一个模型机

图中微处理器由三部分组成：
（1）控制器。由指令寄存器IR（Instruction Register）、指令译码器ID（Instruction Decoder）和可编程逻辑阵列PLA（Programmable Logic Array）组成，由PLA产生控制信号。
（2）运算器。其中算术逻辑部件ALU的两个输入端表示为I1和I2，I1由累加器AL提供，I2可以来自寄存器BL，也可来自数据寄存器DR（Data Register）提供的从内存储器读出的内容。输出端表示为O，输出运算结果，通过数据总线传送到指定的目的地。标志寄存器F(Flag)用来存放运算结果的某些特征。

（3）寄存器组。模型机的微处理器中的寄存器只画出AL、BL、AR、DR和IP，要执行的指令地址由指令指针IP（Instruction Pointer）给出，送地址寄存器AR（Address Register）， 再通过微处理器的地址总线AB（Address Bus）寻址内存储器中相应的存储单元，从中读出一条指令的指令代码由微处理器的数据总线DB（Data Bus）送数据寄存器DR，再经过指令寄存器IR、指今译码器ID和定时控制电路PLA发出执行该指令所需的各种控制信号。
模型机中存储器结构如图1-6所示。



图1-6  模型机中存储器结构


存储器由1024（1K）个单元组成，用三位16进制数000H~3FFH表示各单元的地址，每个单元存放8位二进制信息（用二位16进制数表示）。由地址总线AB上送来的内存地址（10位二进制数），经过内存储器中的地址译码器译码后选中对应的内存单元，然后可对该单元进行指令所要求的读或写操作。
以读操作为例：
设在内存010H单元中的内容为5AH（01011010B），现要将其读出。首先，微处理器中地址寄存器给出地址010H，送上地址总线AB送入内存储器，经内存中地址译码器译码后，选中010H单元，同时微处理器中PLA发出存储器读的控制命令前一单元fix = v ns = "urn:schemas-microsoft-com:vml" /> ，在该信号作用下将010H单元内容5AH送上数据总线并传送到微处理器中的数据寄存器DR，根据指令要求送到目的地。上述存储器读过程见图l-7所示。

图1-7  存储器的读操作
二、模型机中指令的执行过程
模型机中指令的执行过程可用三条汇编指令形式表示的程序表示，即为
MOV AL，09H
ADD AL，12H
HLT
第一条指令 MOV AL，09H是把立即数09H送入累加器AL；第2条指令ADD AL，12H是把AL中的内容（即上一条指令操作结果AL＝09H）同立即数12H相加，结果为09H＋12H=IBH存入AL中；第三条指令HLT为暂停指令。可见这三条指令的功能为把09H和12H（即10进制数18）相加后存放在AL中。
微处理器只能识别机器码，上述指令以机器码形式表示如下
MOV AL，09H——10110000B（B表示二进制码）
                 00001001B
ADD AL，12H——00000100B
         HLT——11110100B
三条指令共5个字节，存放在内存储器中000H～004H  5个存储单元中，如图1-8所示。
1. 取第一条指令操作码的操作过程
操作过程如图1-9所示。
首先将第一条指令第一字节的地址000H赋予IP，然后进入第一条指令的取指操作（实际上是取操作码）。
1）IP的值000H送入地址寄存器AR；
2）IP的内容自动加1，即000H变为001H；



图1-8  指令在内存中存放示意图



图1-9  取第一条指令操作码的操作过程

3）地址寄存器AR将地址码000H通过地址总线送到存储器，经译码后选中000H单元；
4）微处理器给出读命令 ；
5）所选中的000H单元内容B0H送上数据总线；
6）数据总线上的数据B0H送上数据寄存器DR；
7）因是取指操作，取出的是指令操作码B0H，即由DR送到指令寄存器IR；
8）IR中的操作码经指令泽码器ID译码后，通过PLA发出执行该指令的有关控制命令。
第一条指令的操作码B0H经译码后知道这是一条把立即数09H送累加器AL的指令，立即数09H在指令的第二字节中，则执行第一条指令就是从内存中取出指令第二字节（即09H）送入AL。
2. 执行第一条指令（即取第一条指令第二字节）的操作过程
操作过程如图1-10所示。
                     
图1-10  执行第一条指令的操作过程
1）将IP的内容001H送入AR；
2）IP的内容自动加1（002H）；
3）AR通过地址总线AB把地址码00lH送到内存储器，经地址译码后选中相应的存储单元；
4）微处理器给出读命令 ；
5）所选中的001H单元内容09H送上数据总线DB；
6）DB上的数据09H送上数据寄存器DR；
7）由指令操作码的译码可知，指令要求把第二字节的数据送入累加器AL，则DR上的数据09H通过内部总线送到AL。则第一条指令的执行过程全部完成。
然后，进入第二条指令的取操作码阶段，以及第二条指令的执行阶段，如图1-11和图1-12所示。具体过程不再赘述。

                                                    
           图1-11  取第二条指令操作码的操作过程




                   图1-12    执行第二条指令的操作过程

至此，该程序段的主要工作（09H+12H=1BH送入AL）已经完成，第三条指令HLT只是告诉微处理器进入“暂停”阶段。这是通过第三条指令HLT的机器码F4H的取指、译码后实现的，具体操作过程同前述有关操作。