微型计算机的基本工作原理

计算机能够自动地进行计算，是由于人把实现计算的一步步操作用命令的形式（即一条条指令）预先送入到存储器中，在执行时，机器把这些命令从存储器中一条条地取出来，加以翻译和执行。

如计算A+B=？，假定A、B的值已存储在存储器中，进行这个简单运算，通常需要做以下几步操作。

第一步：从存储器中取数A；

第二步：从存储器中取数B并与A相加；

第三步：把A+B的结果存储到存储器；

第四步：停机。

所有这些取数、相加、存数等都是一种基本操作，把计算机执行的各种操作用命令的形式写下来，这就是指令，计算机所能执行的各种指令的集合，就是计算机的指令系统。计算机的指令系统，是在设计CPU时由设计人员规定的。在使用计算机时，必须把要解决的问题编成一条条指令，这些指令的有序集合就称为程序。

指令通常分成操作码和操作数两大部分。操作码表示计算机执行什么操作；操作数表示参加操作的数本身或操作数存储在存储器的地址。

因为计算机只能够识别二进制数，所以计算机的指令系统中所有指令，都必须以二进制编码的形式来表示，这称为机器指令。为了便于记忆和理解，人们用助记符（便于记忆的符号）代替操作码，用符号表示操作数，这样形成的指令称为汇编语言指令。例如：MOV AL，09H，其中MOV是操作码助记符，AL，09H是两个操作数。用汇编语言指令编写的程序称为汇编语言源程序，源程序必须翻译成机器能识别的二进制数编码，计算机才能执行。

微机的工作过程就是执行程序的过程。程序由指令序列组成，由用户预先输入到存储器中。所以，执行程序的过程就是执行指令序列的过程，也就是周而复始地取指令、执行指令的过程。

图1-8所示是微机的结构图，它是由微处理器（CPU）、存储器、接口电路组成的，通过三条总线（BUS）：地址总线（AB）、数据总线（DB）、控制总线（CB）来连接。为简化问题，认为要执行的程序以及数据，已存储在存储器中。

1.CPU的结构

图1-8 微机的结构图

CPU的基本结构如图1-9中虚线以上部分所示，图1-9中各单元定义如下：

ALU—算术逻辑单元；F—标志寄存器；

AL—累加器；BL—寄存器；

AR—地址寄存器；DR—数据寄存器；

IR—指令寄存器；ID—指令译码器；

IP—指令指针寄存器；PLA—可编程逻辑阵列；

AB—地址总线；DB—数据总线。

要执行的指令的地址由程序计数器PC提供，地址寄存器AR将要寻址的单元的地址通过地址总线AB送至存储器，从存储器中取出指令后，由数据寄存器DR送至指令译码器ID译码，再通过控制电路发出执行一条指令所需要的各种控制信息。

2.存储器

存储器的结构如图1-9虚线以下部分所示。

图1-9 一个模型机的CPU结构

存储器以二进制代码形式存储数据和程序，具有非破坏性读出的特点，即从存储器读出信息后，存储器原来所保存的信息依然不变。

内存储器由许多存储单元组成，每个存储单元可以是1、4、8位等二进制数，其中8位为一个字节，4位为半个字节。内存储器中的每个存储单元都对应一个编号，称为该单元的存储地址，简称地址。内存容量是指地址单元数乘以每个单元的二进制位数，也可用上述乘积即总位数来表示。微处理器就是按照存储单元的地址来访问内存的。每次向内存中写入数据或从内存中读出数据时，都首先由微处理器给出地址，然后再发出读或写控制信号，从而把数据写入指定地址的单元或从指定地址的单元读出数据。

3.简单程序举例

有三条用汇编语言指令表示的程序如下：

（1）MOV AL，09H B009H

（2）ADD AL，12H 0412H

（3）HLT F4H

第1条指令MOV AL，09H是把立即数09H送入累加器AL；

第2条指令ADD AL，12H是把AL中的内容和立即数12H相加，结果（09H+12H=lBH）存入AL中；

第3条指令HLT为暂停指令。可见这段程序的功能是把09H和12H相加后存放在AL中。

4.程序执行的过程

程序执行前，必须先将程序的机器代码装入内存储器，同时将第一条指令的起始地址（见图1-9中的100H存储单元）赋予指令指针寄存器IP。程序启动后，计算机根据IP的值从第一条指令开始执行。(www.xing528.com)

（1）取第一条指令的过程

①IP的值100H送入地址寄存器AR。

②IP的内容自动加1，即100H变为101H。

③地址寄存器AR将地址码100H通过地址总线AB送到地址译码器，经译码后选中100H单元。

④CPU发出读控制信号。

⑤所选中的100H单元内容B0H通过数据总线DB送到数据寄存器DR。

⑥因是取指令操作阶段，取出的是指令操作码B0H，故DR把它送到指令寄存器IR。

⑦指令寄存器IR中的操作码B0H经指令译码器ID译码后，通过可编程逻辑阵列PLA发出执行该指令的有关控制命令。

然后就转入了执行第一条指令阶段。操作码B0H经译码后知道这是一条把立即数送累加器AL的指令，立即数在指令的第二字节中，则执行第一条指令就是从内存中取出指令第二字节（即09H）送入AL。

（2）执行第一条指令的过程

①将IP的内容101H送入地址寄存器AR。

②IP的内容自动加1（变为102H）。

③地址寄存器AR通过地址总线AB把地址码101H送到地址译码器，经地址译码后选中相应的101H存储单元。

④CPU发出读控制信号。

⑤所选中的101H单元内容09H经数据总线DB送到数据寄存器DR。

⑥因已知读出的是操作数，且指令要求把它送累加器AL，所以数据寄存器DR中的数据09H通过内部总线送到AL，则第一条指令的执行过程全部完成。

接着，进入第二条指令的取操作码阶段和第二条指令的执行阶段。

和第一条指令类似，由IP的值取得操作码04H，经指令译码器ID译码后知道这是一条加法指令，其中第一个操作数已在AL中，另一个操作数（12H）在指令的第二个字节中。此时，首先从内存中取出12H送ALU的I₂端，然后将AL中的内容与12H相加，结果再送回AL中。

至此，该程序段的主要工作已经完成，第三条指令只是告诉CPU进入“暂停”。这是通过第三条指令HLT的机器码F4H的取指、译码后实现的。

分析以上模型机执行程序的工作过程之后，就可以将CPU的操作归纳如下：

①把指令地址放在地址总线上。

②通过数据总线从存储器中取出指令，并对指令译码。

③根据指令中的地址码取出操作数据。

执行指令码所规定的操作。

在操作过程中提供表示状态的标志信号、控制信号和定时信号。

习题

1-1 何为定点数、浮点数？何为无符号数、有符号数？

1-2 写出下列数表示的无符号数和有符号数的范围。

（1）8位二进制数 （2）16位二进制数

1-3 用8位和16位二进制数，写出下列数的原码、反码、补码。

（1）+1 （2）−1 （3）+45 （4）−45 （5）+127 （6）−128

1-4 写出与十进制数145.625相等的二进制数及十六进制数。

1-5 已知[X]_补=01110011B，求X的真值。

1-6 已知[X]_补=10010101B，求X的真值。

1-7 微机某内存单元中的内容为C5H，若它表示的是一个有符号数，则该数对应的十进制数是什么？

1-8 微机系统由哪几部分组成？微处理器、微机和微机系统的关系是什么？

1-9 微机的分类方法包括哪几种？各应用在什么领域中？