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1、微型计算机结构与编程 电 子 教 案,高等教育出版社,前言,技术发展 课程概况 主要参考书,参考文献 3 5 13,第1章 计算机的基本结构与操作,本章重点讲授的章节: 1.1 数的表示方法 1.2 无符号数 1.3 有符号数 1.6 微型计算机 1.7 最简单的CPU,物理 逻 辑 高电平 1 二进制数、十六进制数 低电平 0 地址 电路(元件、引线) 运算、判断,1.1 数的表示方法 1.1.1 位置表示法,N=Nn-1 Nn-2 N1 N0 N-1 N-m,位权:每一数位所表示的值,基数:相邻位的位权之比 (基数为常数),基数 X ( 2 / 8 / 10 / 16 ),位权 X i,进
2、位制 X 进制,位值 0 X 1,数制转换,X进制 十进制 位权相加,十进制 X进制 减权定位,二进制 十六进制 0 , ,二进制 八进制 0 0 ,,物理 (高电平 1 ;低电平0) 逻辑(地址: 十六进制数),1.2 无符号数,机器运算的操作,(无符号数 有符号数补码),一、两数相加,两数相减,被减数,减数,差,N=1,N=0,CO,CI,Ai,Bi,i,Ci,Ci-1,X,Y,一位全加器,三、 状态标志,SF 符号标志 7 ( 15),OF 溢出标志 OF=C7 C6 ( C15 C14),CF 进(借) 位标志 CF=C7 N (C15 N),AF 半(借)进位标志 AF= C4 N,
3、PF 奇偶标志 PF= 7 6 0,1.3 有符号数,原码 符号位 + 数值位 X原,1.3.1 原码表示法,补码,X2 = 36 X原= 1010 0100 | X | = 0010 0100 | X | = 1101 1011,X补= 1101 1100,例,1 1 0 1 1 1 0 0,1 1 0 1 1 0 1 1,0 0 1 0 0 1 0 0,符号数的机器运算(例),X1 = +36 X2 = 36 计算 X1 + X2,+38,0010 0110,0000 0010,38,+36,1101 1010,0010 0100,1111 1110 -2补,1.3 有符号数,原码 符号位
4、 + 数值位 X原,1.3.1 原码表示法,有符号数数的机器运算,= 2n + X + Y,= X + Y 补,1.4.3 状态标志 (单字节符号数的表示范围),0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 +1 0 0 0 0 0 0 1 0 +2 0 1 1 1 1 1 1 1 +127,-1 1 1 1 1 1 1 1 1 -2 1 1 1 1 1 1 1 0 -127 1 0 0 0 0 0 0 1,-128 1 0 0 0 0 0 0 0,-128+127,溢出,有符号数运算结果超出其表示范围,1. 有符号数的表示范围,单字节数 128 127,双字节数 32
5、768 32 767,63补 1100 0001 1111 1111 1100 0001,溢出的机器判断,条件判断与条件转移,例 将AL中补码数的绝对值送入AH,AL0?,N,Y,S1?,SUB AL,0,Y,JNS NEXT,条件转移指令对状态标志进行判断 满足测试条件时转移至指令规定的目标地址,取 补,1.5 BCD码与ASCII码,BCD码 用4位二进制数表示1位十进制数,ASCII码 标准信息交换码,0 30H A 41H,9 39H F 46H,。,。,。,。,ASCII码 键入 ,7 , ,5 , (37H) (35H),BCD 07H 05H 75H,B 4BH,键入 ,8 ,
6、,4 , (38H) ( 34H),08H 04H 84H,54H,显示 :,显示 + ,显示 = ,00H 01H 05H 09H 01H 59H,9FH,显示 ,1 , ,5 , ,9 , (31H)(35H)(35H),37H0FH,举例,运算电路,N=0 A+B,N=1 A-B,二、运算电路与运算器,补码运算电路,EA,LB,CLK,Ev,LA,ADD A,A,三、 状态标志,SF 符号标志 7 ( 15),OF 溢出标志 OF=C7 C6 ( C15 C14),CF 进(借) 位标志 CF=C7 N (C15 N),AF 半(借)进位标志 AF= C4 N,PF 奇偶标志 PF= 7
7、 6 0,1.4 运算电路,A,B,运算器,运算电路框图,EV,EA,LB,LA,1.6 微型计算机,1.6.1 总线,1.6.2 处理器(CPU),图1.6 指令和数据存放PROM中,地 址 译 码 器,来 自 内 存 地 址 寄 存 器,EPR,0,1,2,3,4,5,E,F,M3,M2,M1,M0,D7 D6 D0,地址,内容,0F,0,输出控制,存储器,。,。,。,。,。,。,。,。,存储矩阵,0000 (0) 0000 1111(0F),0001 (1) 0011 1110(3E),1110 (E) 0010 0000(20),1111 (F) 0100 1111(40),0010
8、(2) 1110 0000(E0),0011 (3) 1111 0000(F0),M,。,图1.7 内存地址寄存器(MAR)与内存储器(PROM)的框图,LM,CLK,输 出 数 据 控 制 器,存储矩阵168,地址译码器,D,CP,Q,D,CP,Q,D,CP,Q,D,CP,Q,MAR,M3,M2,M1,M0,总线(BUS) W7W6 W0,RF,R1,R0,PROM,D7,D1,D0,EPR,。 。 。,。 。 。,PROM,图1.8 模型机结构图,CLK,BUS,存储器,1.7.1 运算器,运算 判断(标志) 数据通道,输出控制 Ei,输入控制 Li,存放代码(指令、数据),存储器:,地址
9、:(选中)存储单元(所需的)编码,内容:被选中输出时,对应的数据线的状态,(存储单元中存放的内容),1.7 最简单的CPU,1.7.2 控制器,模型机,根据指令规定的操作,按一定的时间顺序产生相应的控制的信号(时序信号)、控制系统完成相应的操作,1、指令:操作码 操作数 例:0011 1110 助记符 ADDA,RE,表1. 6 加法指令操作过程表,脉冲分配器的结构框图,多 谐 振 荡 器,启 停 控 制 器,节 拍 发 生 器,CLR,HALT,T0,T1,T5,CLK,。 。 。,3、节拍发生器,图1.10 时序电平和时序脉冲波形,2、操作码译码器,操作时间表,指 令 操作 操作内容 控
10、制 电 位 时间 CP EP LM EPR LI EI LA EA N EV LB LD T0 PCMAR 1 1 取指令 T1 PROMIR 1 1 T2 PC+1PC 1 T3 IR0-3MAR 1 1 LD A ,RX T4 PROMA 1 1 T5 T3 IR0-3MAR 1 1 ADDA ,RX T4 PROMB 1 1 T5 = A+B A 1 1 T3 IR0-3MAR 1 1 SUB A,RX T4 PROMB 1 1 T5 = A - B A 1 1 1,4、操作控制部件,LDA,ADD,SUB,T0,T5,CP,EP,LM,LA,图1.14 产生LM和LA的组合逻辑电路,参
11、见加法指令操作过程表,T0 T3,LM LA,. . .,. . .,. . .,A+RE A,CLK,BUS,5、程序计数器PC,存放下条指令的地址,复位后初值为0,每次输出后加1,顺序执行,转移:,目标地址,*,PC,6. 总线 执行过程,地址,0,1,内容,助记符,操作,总线,0F,3E,LD A,RF,ADD A,RE,T0 EP LM PC MAR,T1 EPR LM (R0) IR,T2 CP PC+1 PC,T3 EI LM IR0-3 MAR,T4 EPR LA (RF) A,X 0,X F,40,T0T2 同上 取指令 3E,T3 EI LM IR0-3 MAR,T4 EPR LB (RE) B,T4 EV LA A+B+N A,X E,N=0,20,60,0F,要点,一、微型计算机的组成,二 、微处理器的组成,时序控制,三、存储器:地址,内容,四、程序计数器PC,五、指令 操作码 操作数 助记符 ADD A,RF 机器码 0011 1111,
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