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北理工微機原理第三章課件.ppt

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第一節:微型計算機結構的簡化形式第二節:指令系統第三節:程序設計第四節:執行指令的例行程序第五節:控制部件第三章 微型計算機的基本工作原理第六節:本章小結微型計算機的基本功能“三能一快”即: 能運算: (加、減、乘、除) 能判別:(大、小、等于、偽、真) 能決策:(根據判別來決定下一步的工作) 這“三能 ”是建立在“快 ”的基礎之上的計算機工作過程實際上就是信息在各個部件間流通的過程電路部件 信息流通過程第一節:微型計算機結構的簡化形式簡化微型計算機硬件結構簡化微型計算機設計目的簡化的微型計算機的組成部件微型計算機的基本組成微型計算機的基本功能PCIRCONMAR16x8PROMAALUBODW48888888884448812CPCLKCLREPCLRCLKCLKCLKCLKL1E1CLKCLKCLRLBLOLMEREUSUEALAERLACPEPLMLIEIEASUEULBLO簡化的模型微型計算機的設計硬件特點如下: 功能簡單 —— 只能做兩個數的加減法 內存量小 —— 只有一個16 x 8 PROM        ?。删幊?序只讀存儲器) 字長短  —— 二進制8位顯示 手動輸入 —— 用撥鈕開關輸入程序和          數據 借用這個最簡單的模型來學習計算機的各個基本電路和部件之間的信息流通過程、指令系統的意義、程序設計的步驟、控制部件的功能及其結構、控制矩陣產生控制字的過程等等,以幫助同學領會計算機的基本工作原理。簡化的微型計算機的設計的目的 通過簡化模型來了解硬件、軟件及軟件如何使硬件完成特定功能簡化的微型計算機的組成部件(1) 程序計數器PC:計數范圍0000至1111。(思考:為什么?)每次運行之前,先復位0000 ,取出一條指令后PC加1。PC中存儲的是下一條指令的地址。(2) 存儲地址寄存器MAR接收來自PC的二進制的程序地址并作為地址碼送至PROM.將PROM的尋址地址在CLK節拍下輸出。PCIRCONMAR16x8PROMAALUBODW48888888884448412CPCLKCLREPCLRCLKCLKCLKCLKL1E1CLKCLKCLRLBLOLMEREUSUEALAERLACPEPLMLIEIEASUEULBLO(3) 可編程只讀存儲器PROM﹠ ﹠ ﹠ ﹠ R0R1R2R3ERA1A02134RRRRK33K32K31K30K23K22K21K20K13K12K11K10K03K02K01K00D3D2D1D0a.實現16×8PROM,可訪問16個8bits的空間。對應地址碼為4位:24=16b.橫線16根,豎線8根,地址線4根。c. PROM和 ROM的不同點: PROM實際上同時具有RAM和ROM 的功能。開關->置0/1->相應存儲單元“寫入”數據。PCIRCONMAR16x8PROMAALUBODW48888888884448812CPCLKCLREPCLRCLKCLKCLKCLKL1E1CLKCLKCLRLBLOLMEREUSUEALAERLACPEPLMLIEIEASUEULBLO(4) 指令寄存器I R IR從PROM 接收到指令字(當LI=1,ER=1),同時將指令字分送到控制部件CON和W總線上去。指令是8位的:XXXX | XXXX 指令字段—高四位 地址字段—低四位L門(P23)E門(P29)(5) 控制部件CON IR指令字? 控制字 1)在 CON中有一個控制矩陣CM,能根據IR送來的指令發出12位的控制字:CON=CPEPLMERL1E2LAEASU EU LB IOCP:清零,SU:加/減選擇 根據控制字中各位的 置1或置0情況,計算機就能自動的按指令而有秩序的運行2)每次運行之前,CON先發出CLR=1,使有關的部件清零。即:PC=0000;IR=0000 0000 3)CON有一個同步時鐘,能發出脈沖CLK到各個部件去,使他們同步運行。。PCIRCONMAR16x8PROMAALUBODW48888888884448812CPCLKCLREPCLRCLKCLKCLKCLKL1E1CLKCLKCLRLBLOLMEREUSUEALAERLACPEPLMLIEIEASUEULBLOPCIRCONMAR16x8PROMAALUBODW48888888884448812CPCLKCLREPCLRCLKCLKCLKCLKL1E1CLKCLKCLRLBLOLMEREUSUEALAERLACPEPLMLIEIEASUEULBLO(6) 累加器A用以存儲計算機運行期間的中間結果可接收w總線送來的數據(LA=1),也能將數據送到w總線上去(EA=1)。還有一個雙態輸出端(數據),將數據送至ALU進行算術運算。此輸出端不受E門的控制。(7) 算術邏輯部件ALU 為一個二進制補碼加法器/減法器。 當SU=0 ALU → A+B 當SU=1 ALU → A-B( 8 ) 寄存器B B到ALU的輸出是雙態的,即無E門控制。主要將要與A相加減的數據暫存于其中。PCIRCONMAR16x8PROMAALUBODW48888888884448812CPCLKCLREPCLRCLKCLKCLKCLKL1E1CLKCLKCLRLBLOLMEREUSUEALAERLACPEPLMLIEIEASUEULBLOPCIRCONMAR16x8PROMAALUBODW48888888884448812CPCLKCLREPCLRCLKCLKCLKCLKL1E1CLKCLKCLRLBLOLMEREUSUEALAERLACPEPLMLIEIEASUEULBLO(9) 輸出寄存器O 計算機運行結束時,累加器存有答案,如果輸出此答案,就得送入O,此時 EA=1,L0=1,則O=A。 典型的計算機具有若干輸出寄存器,稱為輸出接口電路,以驅動不同的外圍設備。(10) 二進制顯示器D 顯示器由發光二極管組成,每一個LED接到寄存器O的一位上去。當某位為高電平時,該位LED 發光。寄存器O的位數決定LED的個數。上一頁第一節微型計算機的基本組成CPUMI/OW1 中央處理器CPU 包括PC、IR、CON、ALU、A、B) 2 記憶裝置M (MAR及PROM)3 輸入/輸出I/O總體結構可分為三大部分:1 中央處理器CPUCPUMI/OW CPU—Central Processin。省略部分。 T3 T2 T1 T0 CLKCLRQ4T5 T4 T3 T2T1 T0T =執行周期取指周期為什么六個節拍?小結二 、 取指周期 地址節拍(T0=1)在T0 =1時,應將PC的內容(第一個地址碼)送到MAR(并通過MAR而達到PROM) 所以應有: EP =1 PC準備放出數據 LM =1 即MAR準備接收數據 因此控制部件應發出的控制字為:示意圖CON=CPEPLMERLIEILAEASUEULBLO= 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 存儲節拍( T1=1 ) 在T1=1時,應將PROM中由PC送來的地址碼所指定的存儲單元中的內容送到IR,同時IR立即將其高四位送至控制部件。 ER=1,即PROM 準備放出數據 LI=1,即IR準備接收數據因此控制部件應發出的控制字為: 示意圖CON=CPEPLMERLIEILAEASUEULBLO= 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 增量節拍( T2=1 ) T2=1時,PC加1,做好下一條指令的取指準備即 CP=1。因此控制部件應發出的控制字為:示意圖CON=CPEPLMERLIEILAEASUEULBLO= 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 下面我們以LDA 例行程序為例,考查在執行周期中各寄存器的內容變化。執行周期 T3=1 在T3=1時,IR已將從PROM來的指令的高四位送至控制部件進行分析。 EI=1,將IR的低四位送至W總線。 LM=1,MAR接收低四位數作為地址并立即送至PROM 。因此控制部件應發出的控制字為: 示意圖CON=CPEPLMERLIEILAEASUEULBLO= 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0第二次訪問PROM。 T4=1 將PROM的數據區的存儲單元(R9即1001)的內容送至累加器A,即: ER=1,PROM準備放出數據,LA=1,A準備接收數據。因此控制部件應發出的控制字為:示意圖CON=CPEPLMERLIEILAEASUEULBLO= 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 T5=1 因為T4=1時已將數據存放入A中,所以LDA的例行程序就已完成,T5節拍變成空拍。 所以 CON=0000 0000 0000 加空拍是為了使每條機器指令的機器周期都一樣長。同理可以理解ADD的指令周期內各部件的工作情況返 回示意圖注 意 2. 時鐘脈沖是經過反相器再接到環形計數器上的CLK端的所以各節拍之間的轉換是在時鐘脈沖的負邊緣開始的。返 回示意圖1.六個節拍構成一個機器周期。執行一條指令的周期為一個機器周期。取址周期三個節拍,執行周期三個節拍??刂撇考鞘褂嬎銠C能夠成為自動機的關鍵部件。其它控制電路控制矩陣(CM)指令譯碼器(ID)環形計數器(RC) 用以發出環形字, 從而產生機器節拍。 控制器 控制部件 第五節 控制部件IR中高4位(指令)? 12位控制字一 指令譯碼器(ID)I7I6I4I5﹠﹠﹠﹠﹠12345LDAADDSUBOUTHLTLDA   0000?。粒模?   000 1SUB   0010OUT   1110HLT   1111一個動作相當于一條控制線,要實現該動作就必須使該控制線為高電平,因此,這個由四位組成的編碼必須被譯成一個信號,即譯為某一控制線為高電位,這就是譯碼的任務。CLKCLR ﹠﹠≥1 ﹠﹠﹠≥1 ﹠﹠≥1 ﹠﹠﹠≥1 ﹠﹠﹠﹠﹠﹠≥1 ﹠﹠﹠≥1 T5 T4 T3 T2 T1 T0 CPEULBLOSUEAEREIEPLILALMLDAADDSUBOUT圖 3-6 控制矩陣(CM)二 控制矩陣(CM)T0 T1 T2 T3 T4 T5小結控制矩陣(CM) 如果從譯碼器來的譯碼結果是使LDA=1,那么,試看一下這條指令的6個節拍中6個控制字是怎樣實現的。T0=1時,EP=1; LM=1。(T0直接接至EP并通過或門I接至LM)T1=1時,LI=1 (LI端與T1直接相連) ER=1 (T1通過或門Ⅱ至ER端)T2=1時,CP=1 (T2直接通至CP端)T3=1時,LM=1 (與門1兩個輸入都是高電位,使或門Ⅰ導通)。 EI=1 (與門7兩個輸入都是高電位,使或門Ⅲ導通)。T4=1時,ER=1 (與門4兩個輸入都是高電位,使或門Ⅱ導通); LA=1 (與門10兩個輸入都是高電位,使或門Ⅳ導通)。T5=1時,沒有任何位為高電位(空拍)。小結一信息如何在電路部件間流通,實現相應功能。電路部件:簡化結構圖指令系統指令的翻譯和數據存儲指令的執行:節拍控制矩陣源程序目的程序存儲單元0 0 0 0 1 0 0 1LDA R90 0 0 0 (R0)0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 (R9)1610例:以LDA R9為例分析簡化的微型計算機各部件之間的協調工作(動畫演示)。小結二數據: 即R0單元中存儲的是指令00001001 R9單元中存儲的是數據00010000……….. 總結 通過對第三章的學習,應對計算機有個整體的概念(硬件、軟件),了解硬件與軟件的關系,了解計算機執行指令的過程(指令在何處?如何取指令,如何將指令變為控制信號,數據存放在何處?如何取數據,數據的運算結果放在何處?);另外還應了解下面內容的基本概念: 三總線、存儲器地址、指令、指令系統、指令周期、 程序、編譯(匯編) 圖3-1 ,圖3-3作業:自學本章3.6節 習題:3.2、3.9 PCIRCONMAR16x8PROMAALUBODW48888888884448812CPCLKCLREPCLRCLKCLKCLKCLKL1E1CLKCLKCLRLBLOLMEREUSUEALAERLACPEPLMLIEIEASUEULBLO返回T0返回T1返回T4返回T3返回T2返回T5小結
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