1.4微型計算機硬件系統

1.4.1微型計算機系統的組成到目前為止，計算機仍沿用1940年由馮.諾依曼首先提出的體系結構。其基本設計思想為：①以二進制形式表示指令和數據。②程序和數據事先存放在存儲器中，計算機在工作時能夠高速地從存儲器中取出指令加以執行。③由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備等五大部件組成計算機系統。圖1.3微型計算機硬件系統結構地址總線AB定時電路輸入設備輸出設備I/O接口ROMRAM數據總線DB控制總線CB微處理器(CPU)所謂總線，是計算機中各功能部件間傳送信息的公共通道，是微型計算機的重要組成部分。它們可以是帶狀的扁平電纜線，也可以是印刷電路板上的一層極薄的金屬連線。所有的信息都通過總線傳送。根據所傳送信息的內容與作用不同，總線可分為三類：

地址總線AB(AddressBus)：在對存儲器或I/O端口進行訪問時，傳送

由CPU提供的要訪問存儲單元或I/O端口的地址信息，以便選中要訪問的存儲單元或I/O端口，是單向總線。

數據總線DB(DataBus)：從存儲器取指令或讀寫操作數，對I/O端口進行讀寫操作時，指令碼或數據信息通過數據總線送往CPU或由CPU送出，是雙向總線。

控制總線CB(ControlBus)：各種控制或狀態信息通過控制總線由CPU送往有關部件，或者從有關部件送往CPU。CB中每根線的傳送方向是一定的，圖1.3中CB作為一個整體，用雙向表示。1.4.2微處理器

外部DB

微處理器(CPU)AARPLAPC標志寄存器IDIRDRRA至外部CB外部AB4001HE7H4002H34H4003HA5H4004H62H4005H38H存儲器地址單元內容ALU內部數據總線DB1．運算器運算器又稱算術邏輯單元ALU(ArithmeticLogicUnit)，用來進行算術或邏輯運算以及移位循環等操作。參加運算的兩個操作數一個來自累加器A(Accumulator)，另一個來自內部數據總線，可以是數據緩沖寄存器DR(DataRegister)中的內容，也可以是寄存器陣列RA(RegisterArray)中某個寄存器的內容。計算結果送回累加器A暫存。2.控制器控制器又稱控制單元CU(ControlUnit)，是全機的指揮控制中心。它負責把指令逐條從存儲器中取出，經譯碼分析后向全機發出取數、執行、存數等控制命令，以保證正確完成程序所要求的功能。(1)指令寄存器IR(InstructionRegister)：用來存放從存儲器取出的將要執行的指令碼。當執行一條指令時，先把它從內存取到數據緩沖寄存器DR中，然后再傳送到指令寄存器IR中。(2)指令譯碼器ID(InstructionDecoder)：用來對指令寄存器IR中的指令操作碼字段（指令中用來說明指令功能的字段）進行譯碼，以確定該指令應執行什么操作。(3)可編程邏輯陣列PLA(ProgrammableLogicArray)：用來產生取指令和執行指令所需要的各種微操作控制信號，并經過控制總線CB送往有關部件，從而使計算機完成相應的操作。3.內部寄存器陣列

1)程序計數器PC(ProgramCounter)

程序計數器有時也被稱為指令指針IP(InstructionPointer)。它被用來存放下一條要執行指令所在存儲單元的地址。在程序開始執行前，必須將它的起始地址，即程序的第一條指令所在的存儲單元地址送入PC。當執行指令時，CPU將自動修改PC內容，以便使其保持的總是將要執行的下一條指令的地址。由于大多數指令是按順序執行的，所以修改的辦法通常只是簡單地對PC加1。但遇到跳轉等改變程序執行順序的指令時，后繼指令的地址（即PC的內容）將從指令寄存器IR中的地址字段得到。2)地址寄存器AR(AddressRegister)：

地址寄存器用來存放正要取出的指令的地址或操作數的地址。由于在內存單元和CPU之間存在著操作速度上的差異，所以必須使用地址寄存器來保持地址信息，直到內存的讀/寫操作完成為止。在取指令時，PC中存放的指令地址送到AR，根據此地址從存儲器中取出指令。在取操作數時，將操作數地址通過內部數據總線送到AR，再根據此地址從存儲器中取出操作數；在向存儲器存入數據時，也要先將待寫入數據的地址送到AR，再根據此地址向存儲器寫入數據。3)數據緩沖寄存器DR(DataRegister)

數據緩沖寄存器用來暫時存放指令或數據。從存儲器讀出時，若讀出的是指令，經DR暫存的指令經過內部數據總線送到指令寄存器IR；若讀出的是數據，則通過內部數據總線送到運算器或有關的寄存器。同樣，當向存儲器寫入數據時，也首先將其存放在數據緩沖寄存器DR中，然后再經數據總線送入存儲器。可以看出，數據緩沖寄存器 DR是CPU和內存、外部設備之間信息傳送的中轉站，用來補償CPU和內存、外圍設備之間在操作速度上存在的差異。4)指令寄存器IR(InstructionRegister)

指令寄存器用來保存從存儲器取出的將要執行的指令碼，以便指令譯碼器對其操作碼字段進行譯碼，產生執行該指令所需的微操作命令。5)累加器A(Accumulator)

累加器是使用最頻繁的一個寄存器。在執行算術邏輯運算時，它用來存放一個操作數，而運算結果通常又放回累加器，其中原有信息隨即被破壞。所以，顧名思義，累加器是用來暫時存放ALU運算結果的。顯然，CPU中至少應有一個累加器。目前CPU中通常有很多個累加器。當使用多個累加器時，就變成了通用寄存器堆結構，其中任何一個既可存放目的操作數，也可以放源操作數。例如本書介紹的80x86系列CPU就采用了這種累加器結構。6)標志寄存器FLAGS（FlagRegister）

標志寄存器有時也稱為程序狀態字PSW(ProgramStatusWord)。它用來存放執行算術運算指令、邏輯運算指令或測試指令后建立的各種狀態碼內容以及對CPU操作進行控制的控制信息。標志位的具體設置及功能隨微處理器型號的不同而不同。編寫程序時，可以通過測試有關標志位的狀態（0或1）來決定程序的流向。1.4.3存儲器這里介紹的存儲器是指內存儲器（又稱為主存或內存）。它是微型計算機的存儲和記憶裝置，用來存放指令、原始數據、中間結果和最終結果。在計算機內部，程序和數據都以二進制形式表示，8位二進制代碼作為一個字節。為了便于對存儲器進行訪問，存儲器通常被劃分為許多單元，每個存儲單元存放一個字節的二進制信息，每個存儲單元分別賦予一個編號，稱為地址。如圖1.5所示，地址為4005H的存儲單元中存放了一個八位二進制信息00111000B。E7H34HA5HF2H38H……4001H4002H4003H4004H4005H……地址指令或數據內容00111000圖1.5內存單元的地址和內容有關存儲器的基本概念1．位(Bit)：二進制信息的最小單位（0或1）2．字節(Byte)：由8位二進制數組成，可以存放在一個存儲單元中。是字的基本組成單位。3．字（Word）：計算機中作為一個整體來處理和運算的一組二進制數，是字節的整數倍。通常它與計算機內部的寄存器、算術邏輯單元、數據總線寬度相一致。每個字包括的位數稱為計算機的字長，是計算機的重要性能指標。目前為了表示方便，常把一個字定義為16位，把一個雙字定義為32位。4．內存容量：內存中存儲單元的總數。通常以字節為單位，1024（210）字節記作1KB，220字節記作1MB。

5．內存單元地址：為了能識別不同的單元，每個單元都賦予一個編號，這個編號稱之為內存單元地址。顯然，各內存單元的地址與該地址對應的單元中存放的內容是兩個完全不同的概念，不可混淆。2.內存的操作

CPU對內存的操作有兩種：讀或寫。讀操作是CPU將內存單元的內容讀入CPU內部，而寫操作是CPU將其內部信息送到內存單元保存起來。顯然，寫操作的結果改變了被寫內存單元的內容，是破壞性的，而讀操作是非破壞性的，即該內存單元的內容在信息被讀出之后仍保持原信息不變。從內存單元讀出信息的操作過程如圖1.6(a)所示。假設將地址為90H的單元中的內容10111010B(BAH)讀入CPU，其操作過程如下：（1）CPU經地址寄存器AR將要讀取單元的地址信息10010000B(90H)送地址總線，經地址譯碼器選中90H單元。（2）CPU發出“讀”控制信號。（3）在讀控制信號的作用下，將90H單元中的內容10111010B(BAH)放到數據總線上，然后經數據緩沖寄存器DR送入CPU中的有關部件進行處理。地址譯碼器10101101B00011010B10111010B00100010B內容地址00H01HFFH90HAB10010000B來自CPU的寫信號00000000BDB地址譯碼器10101101B00011010B10111010B00100010B內容地址00H01HFFH90HAB10010000B10111010BDB來自CPU的讀信號(a)內存讀操作過程示意圖(b)內存寫操作過程示意圖圖1.6內存讀寫操作過程示意圖向內存單元寫入信息的操作如圖1.6(b)所示。假定要將數據0寫入內存中地址為90H的單元，其操作過程如下：（1）寫入單元的地址信息90H經地址寄存器AR送到地址總線上。（2）待寫入的數據00000000B經數據緩沖寄存器DR放到數據總線上。（3）CPU發出“寫”控制信號，在該信號的作用下將數據0寫入90H單元。此時，90H單元中原有的內容10111010B就會被00000000B所替代。3.內存的分類按工作方式，內存可分為兩大類：隨機讀寫存儲器RAM(RandomAccessMemory)和只讀存儲器ROM(ReadOnlyMemory)。

隨機讀寫存儲器可被CPU隨機地讀寫，它用于存放將要被CPU執行的用戶程序、數據以及部分系統程序。斷電后，其中存放的所有信息將丟失。只讀存儲器中的信息只能被CPU讀取，而不能由CPU任意地寫入。斷電后，其中的信息不會丟失。它用于存放永久性的程序和數據。如系統引導程序、監控程序、操作系統中的基本輸入/輸出管理程序（BIOS）等。1.4.4

I/O接口與輸入輸出設備

I/O接口是微型計算機與輸入輸出設備之間信息交換的橋梁。

I/O設備是微型計算機系統的重要組成部分。程序、數據及現場信息要通過輸入設備輸入給計算機。計算機的處理結果要通過輸出設備輸出，以便用戶使用。常用的輸入設備有：鍵盤、鼠標、數字化儀、掃描儀、A/D轉換器等。常用的輸出設備有顯示器、打印機、繪圖儀、D/A轉換器等。1.5微型計算機的工作過程

高級語言是不依賴于具體機型只面向過程的程序設計語言，由它所編寫的高級語言程序，需經過編譯程序或解釋程序的編譯或解釋生成機器語言程序后才能執行。基本概念機器語言程序是計算機能夠理解和直接執行的程序，其指令是用二進制代碼表示和存儲的。匯編語言程序是用助記符語言表示的程序，計算機不能直接“識別”，需要經過“匯編程序”把它轉換為對應的機器語言程序后才能執行。1.5微型計算機的工作過程

不論程序是用什么語言編寫，都必須首先將其轉換為計算機能直接識別和執行的機器語言程序，然后才能由CPU逐條讀取并執行。表1.1為在某模型機上完成“6+5”操作所需的機器語言程序和匯編語言程序，假設該機器語言程序從內存中地址為0000H單元開始存放。

內存單元地址機器語言程序

匯編語言程序

指令功能說明0000H0001H1011000100000110MOVA,06H雙字節指令。將數字6送累加器A0002H0003H0000100000000101ADDA,05H雙字節指令。將數字5與累加器A中的內容相加，結果存放在累加器A中。0004H11111110HLT停機指令表1.1完成“6+5”操作所需的機器語言程序和匯編語言程序1.5微型計算機的工作過程

假定完成“6+5”操作所需的機器語言程序(表1.1所示)已由輸入設備存放到內存中，如圖1.7所示。下面進一步說明微機內部執行該程序的具體操作過程。開始執行程序時，首先將第一條指令的首地址0000H送程序計數器PC，然后就進入第一條指令的取指階段，其操作過程如圖1.7所示。1.5微型計算機的工作過程

圖1.7取第一條指令的操作過程示意圖①把PC內容送地址寄存器AR。②PC內容送入AR后，PC自動加1。③把地址寄存器AR的內容0000H放在地址總線上，并送至存儲器系統的地址譯碼電路（圖中未畫出），經地址譯碼選中相應的0000H單元。④CPU發出存儲器讀命令。⑤在讀命令的控制下，把選中的0000H單元的內容即第一條指令的操作碼B1H讀到數據總