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1、微机原理期末复习微机原理期末复习docx微机原理期末复习第2章 计算机的基本结构与工作过程1. 计算机的基本组成及各个组成部件的基本功能运算器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RO、R1、Rn-1以及标志寄存器F组成。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。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。F用于存放运算结

2、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。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, 控制器通常由下而几部分组成：指令寄存器IR一一用于存放正在执行或即将执行的指令。程序计数器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。存储器地址寄存器MAR用于在访存时缓存存储单元的地址。存储器数据寄存器MDR用于在访存时缓存对存储单元读/写的数据。指令译码器ID用于对IR屮的指令进行译码，以确定IR屮存放的是哪一条 指令。控制电路一一产牛时序脉冲信号，并在时序脉冲的同步下对有关的部件发出微操 作控制命令（微命令），以控制各

3、个部件的动作。输入设备用来输入数据和程序的装置，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、图像扫描仪等等。输出设备用来输出数据和程序的装置，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。 存储器计算机中的指令和数据都表现为二进制数码。为了准确地对存储器进行读或写，通常以字节(或以字)为单位将存储器划分为一 个个存储单元，并依次对每一个存储单元赋予一个序号，该序号称为存储单元的 地址。存储单元中存放的数据或指令称为存储单元的内容。地址的位数由控制器地址线的位数确定

4、，每个存储单元中内容的位数由设计计算存储单元0机时对存储器的编址方法确定。基本结构:2. 微型计算机系统的组成CPU、存储器、I/O接口、输入/输出设备。CPU、存储器、I/O接口屯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) o地址总线、数据总线、控制总线通常统称为系统总线。从传输方向上看，数据总线是双向的，地址总线是单向的，控制总线中的信号线 有的是单向的，也有的是双向的。3. 计算机执行指令的基本过程(P48)(1) 控制器把PC屮的指令地址送往存储器地址寄存器MAR,并发出读命令“M

5、读”。存储器按给定的地址读出指令，经由存储器数据寄存器MDR送往控制器， 保存在指令寄存器IR中。(2) 指令译码器1D对指令寄存器1R中的指令进行译码，分析指令的操作性质, 并由控制电路向存储器、运算器等有关部件发出指令所需要的微命令。(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

6、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。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. 硬布线控制器与微程序控制器的基本结构、工作原理及各自特点。硬布线控制器(硬连线控制器或组合逻辑控制器)基本结构：硬布线控制器主要由环形脉冲发牛器、指令译码器和微命令编码器组成。环形脉

7、冲发生器用于循环地产生节拍脉冲信号；指令译码器用于确定IR屮存放的是哪一条指令；微命令编码器用于在不同节拍脉冲信号的同步下产生相应的微命令信号。工作原理：在取指令和执行指令时，都需要控制器能针对不同的指令在不同的机器周期内发 出所需要的各种微命令。例如，在取指令时，就需要控制器在第一个周期内发出 PCOUT、MARIN、M读、PC加共4个微命令，在第二个周期内发出MDROUT和IRIN 两个微命令。针对前面给出的4条指令及对指令执行过程的讨论，可归纳出对不同指令在不同 机器周期内应发出的微命令如表2-2所示。表中的End代表指令执行结束的微命 令。指令名T1T2T3T4T5 LOADPCout

8、MDRoutIRoutMDRoutEnd(00)MARinTRinMARinRlinM读M读PC加ADD同上同上IRoutMDRoutYinRlout(01)MARinadd1M读STORE同上同上IRoutRloutEncl(10)MARinMDRinM写J MP同上同上IRoutEnd(11)PCin如果用“”表示“与,用“ + ”表示“或”,用Ti表示第i个机器周期的节拍脉冲信号，并设所有的信号都是高电平有效，则可用一个逻辑表达式来表示某个 微命令应在什么时间发出、对哪些指令发出。例如，对于微命令MAR1N,所有的四条指令在T1周期内都需要，LOAD、ADD、STORE 三条指令在T3周

9、期内也需要，而其他指令则不需要。描述上述关系的逻辑表达式就是：MARIN二T1 (LOAD+ADD+STORE+川P)+T3 (LOAD+ADD+STORE)二T1+T3 (LOAD+ADD+ STORE)o 优缺点：硬布线控制器直接由组合逻辑电路产生微操作控制信号，因而其操作速度较快, 但相应的控制逻辑屯路十分庞杂，给设计、调试和检测都带来不便。这种形式的控制器设计完毕后若想扩充和修改，则更为困难。其突出的优点是指令执行速度很快，常用于RISC结构的机器中。微程序控制器基本组成：主要由控制存储器(CM)、微指令寄存器(MR)、微地址寄存器(UAR)和微地 址形成电路等部件组成。微地址给定部分

10、顺序控制方式微命令序列(至处理微操作控制字段顺序控制字段微指令寄存器pR控制存储器CMIR代码.运行 状态-PSW指令微地址形成 电路PC微地址寄存器 jliAR基本原理：(1) 在微程序中有一条或几条微指令，其微命令是实现“取指”的操作，称为“取机器指令用的微指令”，属于微程序的公用部分。在开始执行机器指令时，先从控制存储器屮读取“取机器指令用的微指令”，它 所包含的微命令使CPU访问主存储器，读取机器指令，送入指令寄存器IR,然 后修改程序计数器PC的内容。(2) 根据机器指令中的操作码，通过微地址形成电路，找到与该机器指令所对 应的微程序入口地址。(3) 逐条取出对应的微指令，每一条微指

11、令提供一个微命令序列，控制相关部 件的操作。执行完一条微指令后，根据微地址形成方法产生后继微地址，读取下 一条微指令。(4) 执行完对应于一条机器指令的一段微程序后，返回到“取机器指令用的微 指令”，开始读取与执行又一条机器指令。顺序控制方式：(1) 初始微地址的形成：每一条机器指令由一段对应的微程序解释执行，该段 微程序的入口地址就是所谓的初始微地址。(1) 读取机器指令：在整个微程序中需设置一小段公用的“取机器指令用的微 程序”，来实现读取机器指令的操作。这段微程序可以从控制存储器的0#单元或 其他特定单元开始，这样就可以以该单元地址为初始微地址读取机器指令。(ii)功能转移：取出机器指令

12、后，根据指令代码转换成相应的微程序段入口地 址，称为功能转移。常见的有“一级功能转移”和“多级功能转移”等。(2) 后续微地址的形成：每条微指令执行完毕后，都要根据其顺序控制字段的 规定形成后续微地址。常用的有增量方式与断定方式两种类型。(i) 增量方式：又称计数器方式，是用微程序计数器u PC (即微地址寄存器uAR)来产生下一条微指令的微地址，将微程序中各条微指令按执行顺序安排在控 制存储器中，后续微地址由现行微地址加上一个增量来得到。P PC的更新一般 是进行加1的操作，但当遇到特殊情况时可做专门的处理：例如微程序结束时, u PC复位到初始微地址，这个微地址可由初始微地址生成电路产生。

13、(ii) 断定方式：这是一种将“直接给定”与“测试断定”相结合的方式。具体 做法是，直接给定微地址的高位部分，而将微地址的若干低位作为可断定的部分, 相应地在微指令的顺序控制字段中设置断定条件，即微地址低位段的形成条件。优缺点：与硬连线控制器相比，微程序控制器是一种利用软件方法来设计硬件的技术，可 实现复杂指令的操作控制。它具有规整性的突出优点，它实质上是用程序的方法来产牛和组织微命令信号 (将程序技术引入CPU ),用存储逻辑控制代替组合逻辑控制(将存储逻辑引入 CPU)o微程序控制器每执行一条指令都要启动控制存储器屮的一串微指令(即一段微程 序)，因此指令的执行速度相对于“硬布线”控制器来

14、说要慢。微程序控制器的另一个优点是其灵活性。它使得在计算机中可以较方便地增加和 修改指令，只要增加或修改一部分微程序即可。甚至可以实现其他计算机的指令 系统，从而可以在一种计算机上运行另一种计算机的指令代码。这种实现不同机器指令系统的方式称为计算机系统的“指令仿真(Emulation) 计算机的指令仿真是一种获得机器软件兼容的方法，它使得已有软件能够在新型 的计算机中继续运行。第3章微处理器的编程结构1. 8086处理器的寄存器结构通用寄存器(多功能寄存器)共有8个通用寄存器，按它们的功能差别，又可分为两组，即：“通用数据寄存 器”及“指针寄存器和变址寄存器”。(1) 通用数据寄存器通用数据寄

15、存器用来存放8位、16位或32位的操作数。大多数算术运算和逻 辑运算指令都可以使用这些寄存器。共有4个通用数据寄存器,它们是EAX、EBX、 ECX 和 EDXo(2) 指针寄存器和变址寄存器这是另外4个通用寄存器，分别是：堆栈指针寄存器ESP、基址指针寄存器EBP、 源变址寄存器ESI和目的变址寄存器EDlo指令指针寄存器 EIP (Instruction Pointer)E1P是一个专用寄存器，用于寻址当前需要取出的指令字节。当CPU从内存中取 出一个指令字节后，EIP就自动加1,指向下一指令字节。当微处理器工作在实模式下时，这个寄存器为IP(16位)；当80386及更高型号 的微处理器工作于保护模式下吋，则是ETP(