微机系统与接口 1

① 取指令“LOAD R1, M1”并形成下一条指令的地址：
(i) 控制器发“PCOUT”和“MARIN”信号，使PC→MAR； (ii) 控制器发“M读”信号，使存储器的内容（指 令)→MDR，通过DBUS； (iii) 控制器发“PC加”信号，使PC+n→PC，其中n为该指令 占用的地址数； (iv) 控制器发“MDROUT”和“IRIN”信号，使MDR→IR。
上述机器语言程序可被计算机识别，但不能被执行， 还需要为其分配存储器地址。 例如，上述机器语言程序可能按如下方式分配存储器 地址：
00000101 00000110 00000111 00001000 00001001 00001010 00001011 00001100 00001101 00001110 00001111 00010000 00010001
如果控制器有n条地址线，则它所能管理的存储单元最 多为2n个。如果对存储器采用的是按字节编址，则每 个存储单元只能存放8位二进制数码。 每个存储单元的地址都是惟一的，不同存储单元的地 址互不相同。 每次读、写存储器时都必须先给出存储单元的地址， 然后才能访问(读或写)存储单元中的内容。
2. 运算器
图 1.4
控制器的基本组成
IR用于存放正在执行或即将执行的指令； PC用于存放下一条指令的存储单元地址，它具有自动 增量计数的功能； MAR用于在访存时缓存存储单元的地址； MDR用于在访存时缓存对存储单元读/写的数据；
ID用于对IR中的指令进行译码，以确定IR中存放的是 哪一条指令； 控制电路负责产生时序脉冲信号，并在时序脉冲的同 步下对有关的部件发出操作控制命令，以控制各个部 件的动作。
(3) 当需要由存储器向运算器提供数据时，控制器根据指 令的地址部分，形成数据所在的存储单元地址，并送 往存储器地址寄存器MAR，然后向存储器发出读命令 “M读”，从存储器中读出的数据经由存储器数据寄存器 MDR送往运算器。
(4) 当需要由运算器向存储器写入数据时，控制器根据指
令的地址部分，形成数据所在的存储单元地址，并送 往存储器地址寄存器MAR，再将欲写的数据存入存储 器数据寄存器MDR，最后向存储器发出写命令“M 写”，MDR中的数据即被写入由MAR指示地址的存储单 元中。
(5) 一条指令执行完毕后，控制器就要接着执行下一条指 令。 为了把下一条指令从存储器中取出，通常控制器把PC 的内容加上一个数值，形成下一条指令的地址，但在 遇到“转移”指令时，控制器则把“转移地址”送入PC。 控制器不断重复上述过程的(1)到(5)，每重复一次， 就执行了一条指令，直到整个程序执行完毕。
4. 输入设备和输出设备
输入设备是用来输入数据(通常是原始数据) 和程序的 装置，其功能是将外界的信息转换成机内的表示形式 并传送到计算机内部。常见的输入设备有键盘、鼠 标、图形数字化仪、图像扫描仪、数字照相机和数字 摄像机，等等 。 输出设备是用来输出数据(通常是处理结果)和程序的 装置，其功能是将计算机内的数据和程序转换成人们 所需要的形式并传送到计算机外部。常见的输出设备 有显示器、打印机、绘图机，等等。
(1)是传送类指令，其含义是将M1中的内容装入R1。 (2)也是传送类指令，其含义是将R1的内容存入M3中。 (3)是运算类指令，其含义是将R1的内容与M2中的内容相加后存入 R1。 (4)是转移类指令，其含义是无条件转向L处。 如果要求将M1的内容与M2的内容相加后存入M3(可表示为 (M1)+(M2)→(M3))，再将程序转向L处的指令继续执行，则可用 上面给出的各指令编写出如下的程序来实现：
下面，以前面给出的、由4条指令组成的程序段为例， 结合图1.8中所示的计算机结构，简述指令及程序的执 行过程。 LOAD R1, M1 ADD R1, M2 STORE M3, R1 JMP L 假设程序及数据已经装入了存储器，第一条指令的地 址已经装入了PC寄存器。
(1) 取指令“LOAD R1, M1”并执行
汇编语言程序 机器语言程序 LOAD R1, M1 00001011 00000101 ADD R1, M2 00011011 00000110 STORE M3, R1 00101011 00000111 JMP L 00110000 00010001
程序的功能
将M1的内容送入R1 将R1的内容加上M2的内容再送回R1 将R1的内容送入M3中 转向L处继续执行那里的指令
2. 冯氏计算机结构：( stored-program computer)
EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer） ——采用“存储程序”的概念，并付诸实现， “开创了整个程序设计时代的 到来”
4004 微处理器（1971，2250晶体管， 4.2mmx3.2mm，世界上第一个微处理器）
第一讲
计算机、微型计算机的组成 及工作过程
1.1 计算机及微型计算机的产生与发展
ENIAC(1946,18000电子管，150千瓦，重30吨， 5000次/秒，…….)
John von Neumann and the EDVAC
1. “存储程序”概念的产生及其重要意义。
ENIAC（Electronic Numerrical Integrator And Computer） ——不具备“存储程序”的功能
运算器是进行算术运算(如加、减、乘、除等)和逻辑 运算(如非、与、或等)的装置. 通常由算术逻辑部件ALU，专用寄存器X、Y和Z，累加 器，通用寄存器R0、R1、…、Rn-1以及标志寄存器F 组成，如图1.3所示。
R0
Rn-1 Y X A ALU F Z B
内 部 总 线
图 1.3
运算器的基本组成
从传输方向上看，数据总线是双向的，即数据可以从 CPU传送到其他部件，也可从其他部件传送到CPU。 地址总线是单向的，即地址只能由CPU传送到存储器 或I/O端口，用以给出CPU将要访问的部件的地址。 控制总线中的信号线有的是单向的，也有的是双向 的。
1.4 计算机的工作过程
假设在某计算机的指令系统中设计有如下的几条指令： (1) LOAD R1, M1 (2) STORE M3, R1 (3) ADD R1, M2 (4) JMP L
第五条指令（只有一个字节） 第六条指令
1.4.3 计算机的工作过程 1.计算机的内部结构(模型机)
存储器 LOAD ADD JMP L R1, M1 R1, M2 L
控制 信号
控制电路 IR
指令译码
STORE M3, R1 ABUS DBUS
PC MAR MDR R0 内 部 总 线 Rn-1
M1 M2 M3
3.控制器
为了实现对计算机各部件的有效控制，快速准确地取 指令、分析指令和执行指令，控制器通常由 指令寄存器IR 程序计数器PC 存储器地址寄存器MAR 存储器数据寄存器MDR 指令译码器ID 控制电路 等几部分组成，如图1.4所示。
控制 信号
控制电路 IR
指令译码 内 部 总 线
PC 存 储 器 MAR MDR
第(i)步要占用内部总线，第(ii)步和第(iii)步不占用内 部总线，前三步可在同一个机器周期*内完成。第(iv) 步要占用内部总线，需要在另一个机器周期*内完成。 所以，取指令共需要两个机器周期*。
机器周期定义（修改教材p136第17行）： 计算机通过内部总线进行一次信息传输从而完成一个或几个微操 作所需要的时间。 上面*号处（以及P145 作业10、11题）的机器周期均是指通过内 部总线进行信息传输所完成的机器周期。
核心部件ALU用于完成算术运算和逻辑运算。 X、Y是ALU的输入寄存器，Z是ALU的输出寄存器。 F用于存放运算结果的状态，例如，结果是否为零，是正 还是负，有无进位，是否溢出，等等。
ALU的功能是对X、Y中的数据进行运算，并将结果送 到Z。 X、Y、Z是与ALU不可分的一部分，通常称为ALU的数 据暂存器。 X、Y中的数据可来自通用寄存器，也可来自存储器。 Z中的数据可送往通用寄存器，也可送往存储器。
00001100 00100010 00000000 00001011 00000101 00011011 00000110 00101011 00000111 00110000 00010001 ………….. …………..
M1 M2 M3 “LOAD R1, M1”的第一个字节 “LOAD R1, M1”的第二个字节 “ADD R1, M2”的第一个字节 “ADD R1, M2”的第二个字节 “STORE M3, R1”的第一个字节 “STORE M3, R1”的第二个字节 “JMP “JMP L”的第一个字节 L”的第二个字节
② 执行指令“LOAD R1，M1”： (i) 控制器发“IROUT”和“MARIN”信号，使IR中指令的地址段(即 M1)→MAR； (ii) 控制器发“M读”信号，使存储器M1的内容(数据)→MDR，通过 DBUS； (iii) 控制器发“MDROUT”和“R1IN”信号，使MDR→R1。 第(i)步要占用内部总线，第(ii)步不占用内部总线，前两步可在 同一个机器周期内完成。第(iii)步要占用内部总线，需要在下一个 机器周期内完成。所以，执行该指令共需要两个机器周期。
1.2.2 微型计算机的组成
微型计算机 =CPU+存储器+I/0接口+输入/输出设备
主机: 包含了除输入/输出设备以外的所有部件，是一 个能独立工作的系统，所以有时也将主机称为微型计 算机。 主板
存储器
CPU
I/O 接口
I/O 设备
Hale Waihona Puke AB DB CB图 1.5
微型计算机的组成
CPU、存储器、I/O接口电路之间用三组总线相连: 地址总线(AB： Address Bus) 数据总线(DB： Data Bus) 控制总线(CB： Control Bus) 地址总线、数据总线、控制总线通常统称为系统总线。