附錄 A 1 緒 論 央微處理器）的縮寫(xiě)，它是計(jì)算機(jī)中最重要的一個(gè)部分，由運(yùn)算器和控制器組成。 發(fā)展非常迅速，個(gè)人電腦從8088(展到現(xiàn)在的 時(shí)代，只經(jīng)過(guò)了不到二十年的時(shí)間。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)歸納起來(lái)都可以分為控制單元、邏輯單元和存儲(chǔ)單元三大部分，這三個(gè)部分相互協(xié)調(diào)，對(duì)命令和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷、運(yùn)算并控制計(jì)算機(jī)各部分協(xié)調(diào)工作。 最初發(fā)展至今已經(jīng)有二十多年的歷史了，可以說(shuō)個(gè)人電腦的發(fā)展是隨著 1971年，英特爾公司推出了世界上第一款微處理器 4004，這是第一個(gè)可用于微型計(jì)算機(jī)的四位微處理器，它包含 2300 個(gè)晶體管。隨后英特爾又推出了 8008，由于運(yùn)算性能很差，其市場(chǎng)反應(yīng)十分不理想。 1974 年， 8008發(fā)展成 8080,成為第二代微處理器。 8080 作為代替電子邏輯電路的器件被用于各種應(yīng)用電路和設(shè)備中，如果沒(méi)有微處理器 ,這些應(yīng)用就無(wú)法實(shí)現(xiàn)。 由于微處理器可用來(lái)完成很多以前需要用較大設(shè)備完成的計(jì)算任務(wù)，價(jià)格又便宜，于是各半導(dǎo)體公司開(kāi)始競(jìng)相生產(chǎn)微處理器芯片。 司生產(chǎn)了 8080的增強(qiáng)型 托 羅拉公司生產(chǎn)了 6800，英特爾公司于 1976 年又生產(chǎn)了增強(qiáng)型 8085,但這些芯片基本沒(méi)有改變 8080 的基本特點(diǎn)，都屬于第二代微處理器。它們均采用 藝 ,集成度約 9000 只晶體管 ,平均指令執(zhí)行時(shí)間為 1S 2S, 采用匯編語(yǔ)言、 程，使用單用戶操作系統(tǒng)。 微處理器或計(jì)算機(jī)是采用把眾多已連接好線并測(cè)試過(guò)的部件制作在很小的芯片上而造成的大規(guī)模集成技術(shù)。 處理器的結(jié)構(gòu) 微處理器或計(jì)算機(jī)是采用把眾多已連接好線并測(cè)試過(guò)的部件制作在很小的芯片上而造成的大規(guī)模集成技術(shù)。所有的中央 處理單元或微處理器都包括以下基本部件。存儲(chǔ)器是能夠存儲(chǔ)一位或多位信息的媒體或裝置。計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器可以分為兩個(gè)部分。微處理器或計(jì)算機(jī)這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)經(jīng)常相互使用，因此造成混亂。處于微計(jì)算機(jī)核心地位的微處理器僅是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作的中央處理單元。把它變成微機(jī)系統(tǒng)，還需增加其他部件它們是存儲(chǔ)器以及輸入 /輸出部分。所有的這些功能由單個(gè)芯片或在一個(gè)電路板上的若干獨(dú)立芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。微處理器的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)依靠于輸入數(shù)據(jù)的操作方式和微處理器的結(jié)構(gòu)?！靶酒钡淖置婧x是微處理器，是一硅片，其表面經(jīng)過(guò)化學(xué)處理，摻入一些雜質(zhì)以形成一定 數(shù)量的電阻、二極管和三極管電路。 微處理單元還包括一些由完成特定操作的結(jié)果決定其值為 1 或 0 的標(biāo)志位。為特定應(yīng)用而給微處理或計(jì)算機(jī)編程，經(jīng)常要求程序員操作有關(guān)的寄存器或清除堆棧。因此，對(duì)從事微處理應(yīng)用的人，了解上述基本部件的功能是十分重要的，所有的中央處理單元或微處理器都包括以下基本部件： (1)算術(shù)邏輯單元 微處理器的基本功能是依據(jù)特定的指令對(duì)數(shù)據(jù)操作。這一功能實(shí)際上就是由成的。由存儲(chǔ)器讀取指令，并放入指令寄存器。用 的累加器存放欲操作的數(shù)據(jù)之一，第二個(gè)數(shù)據(jù)可放在某一臨時(shí)寄存器中。 完成 的基本功能有二進(jìn)制加法、減法、取反、邏輯與、或以及異或。乘除之類的功能，可通過(guò)不斷的加減來(lái)完成。數(shù)據(jù)操作完畢，運(yùn)算數(shù)據(jù)便取代累加器中的原始數(shù)據(jù)。 (2)指令寄存器 指令寄存器是在程序指令期間的一個(gè)重要的元件。通常，計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中的程序指令是按順序來(lái)進(jìn)行的，每次是一條。根據(jù)是否滿足某些特定條件，也可能跳轉(zhuǎn)至其它程序段中的指令。所要執(zhí)行的程序指令的地址是通過(guò)從指令寄存器中取出實(shí)際的指令來(lái)確定的。接著是譯碼和對(duì)指令的解釋，以便決定 完成的操作。執(zhí)行完當(dāng)前指令之后，下一條指令便裝入指令寄存器，這個(gè)過(guò)程是重復(fù)的 。 (3)通用寄存器 寄存器是微處理器芯片內(nèi)部的存儲(chǔ)單元，可用它存放數(shù)值。微處理器操作中的絕大部分都可以認(rèn)為是數(shù)據(jù)在不同寄存器間的傳遞。每個(gè)寄存器都有唯一的位置，并給以唯一的數(shù)地址。微處理器的存儲(chǔ)器可以認(rèn)為是有大量的寄存器組成。這些寄存器可能是通用的或用于特定的功能。通用寄存器用作對(duì)其高速存取及數(shù)據(jù)操作。 累加器是有特殊功能的寄存器，我們以它為例子。該寄存器用來(lái)保存待操作的數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)操作結(jié)果。在存儲(chǔ)器、外部設(shè)備和累加器之間進(jìn)行著大量的數(shù)據(jù)傳送。八位微處理器的累加器是八位的。 (4)變址 寄 存器 變址 寄 存器 是一個(gè)位于微處理器中的十六位內(nèi)部寄存器。其內(nèi)部在指令期間是要修改的（減少或增加）以便確定指令所涉及的存儲(chǔ)單元地址。變址寄存器用于變址尋址操作。 (5)標(biāo)志寄存器 微處理器還有一些以二進(jìn)制開(kāi)關(guān)形式呈現(xiàn)的標(biāo)志位。它們的狀態(tài)根據(jù)算術(shù)或邏輯運(yùn)算的結(jié)果決定。例如，溢出標(biāo)志位的狀態(tài)由累加器中的數(shù)據(jù)是否溢出而定的。還有，當(dāng)指令執(zhí)行后，其值為零時(shí)，該標(biāo)志位會(huì)有反應(yīng)。符號(hào)位用來(lái)表示累加器中的數(shù)是正是負(fù)。某些微處理器有大量的標(biāo)志位，它們的作用只有看相關(guān)手冊(cè)，生產(chǎn)廠家提供的。 (6)中斷向量寄存器 微處理器常常用來(lái)做實(shí)時(shí) 數(shù)據(jù)采集和過(guò)程控制。這就意味著微處理器必須有對(duì)優(yōu)先權(quán)很高的外部事件做出響應(yīng)的能力。這種對(duì) 請(qǐng)求，可能來(lái)自若干外設(shè)中的一個(gè)。向量中斷過(guò)程便是要求中斷正在執(zhí)行的指令停止的外部裝置，并且在執(zhí)行完后，把程序控制轉(zhuǎn)到發(fā)出中斷申請(qǐng)的裝置服務(wù)的程序段去。同時(shí)還要必須規(guī)定好返回地址，以便原程序能從被中斷的地方重新開(kāi)始。發(fā)中斷的外部裝置有數(shù)據(jù)段或向量來(lái)辨別。 (7)堆棧 許多微處理器的程序是一些子程序組成的。這些子程序用以完成程序主體中多次用到的一些功能。微處理器系統(tǒng)使用一段稱為堆棧的存儲(chǔ)器來(lái)存放各子程序的地址，以便主 程序能從被中斷轉(zhuǎn)去處理子程序的那個(gè)點(diǎn)在開(kāi)始執(zhí)行。中斷處理過(guò)程用到堆棧。送入堆棧和從中取出的數(shù)據(jù)是按照壓入 /彈出方式進(jìn)行的。最后一個(gè)數(shù)據(jù)入棧，存放在棧頂。從堆棧取出數(shù)據(jù)時(shí)，取出的最后一個(gè)入棧的數(shù)據(jù)，即彈出的是最后一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)。這一過(guò)程稱為后進(jìn)先出和先進(jìn)后出。其含義是：為取出最先入棧的數(shù)據(jù)項(xiàng)，必須先訪問(wèn)所有其余數(shù)據(jù)項(xiàng)。由于程序中經(jīng)常包括一些嵌套的子程序，而且最后的子程序是最先要完成的，故上述過(guò)程是很有用的。因此，只能按順序從堆棧中取出數(shù)據(jù)，不能像讀寫(xiě)存儲(chǔ)器那樣，用隨機(jī)方式讀取。 (8)堆棧指針寄存器 堆棧有一定數(shù) 量的存儲(chǔ)單元。具體數(shù)量由微處理器的不同而不同。始終跟蹤項(xiàng)應(yīng)寫(xiě)入堆棧的那個(gè)存儲(chǔ)單元，是必要的。使用堆棧指針寄存器，便可達(dá)到目的。不同的微處理器有不同的慣例。在某些系統(tǒng)中，堆棧指針寄存器中保存的是下一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)所在的存儲(chǔ)單元的地址。而在另一些系統(tǒng)中，堆棧指針寄存器中保存的是下一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)所應(yīng)占據(jù)的存儲(chǔ)單元的地址。當(dāng)一個(gè)新的數(shù)據(jù)項(xiàng)入棧時(shí)，堆棧存儲(chǔ)地址減 1，以有利于隨后的數(shù)據(jù)裝入下一個(gè)較低的存儲(chǔ)單元。同樣，當(dāng)從棧區(qū)取出一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，堆棧指針將加 1。 (9)程序計(jì)數(shù)器 微處理器或計(jì)算機(jī)的指令是順序執(zhí)行，除非指令有安排。因此 ，就必須跟蹤有待執(zhí)行的下一條指令，一個(gè)叫程序計(jì)數(shù)器的 16 位寄存器就是用于此。首次執(zhí)行程序時(shí)，要初始化程序計(jì)數(shù)器，裝入程序執(zhí)行的第一條指令所在位置。一條指令執(zhí)行完后，程序計(jì)數(shù)器存放的將是下一條指令的地址。在程序正常執(zhí)行時(shí)，程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容將加 1?？墒?，經(jīng)常會(huì)遇到跳過(guò)好幾條指令的現(xiàn)象。這種情況下，可以用一些合適的指令來(lái)給程序計(jì)數(shù)器賦以不同的數(shù)值。例如，如果變址寄存器中存放這待執(zhí)行的下一條指令的地址，那么該地址便可裝入程序計(jì)數(shù)器，這是指令跳轉(zhuǎn)的一個(gè)方法。 (10)控制單元 微處理器中有一個(gè)操縱和監(jiān)督各種指令 和同步執(zhí)行的控制單元。該單元與提供時(shí)序和控制信號(hào)的時(shí)鐘相連接。在存儲(chǔ)器中取得指令，放到指令寄存器中，并由含有指令集合的指令譯碼器進(jìn)行譯碼。譯碼后的指令便可執(zhí)行。下一條指令（在存儲(chǔ)器中）的地址，可從程序 計(jì)數(shù)器中取出，并裝入指令寄存器。整個(gè)過(guò)程周而復(fù)始。這種的取指、執(zhí)行的周期性過(guò)程是在很高的速度進(jìn)行的。并因微處理器不同而不同，還取決于所執(zhí)行指令的復(fù)雜程度。取指和譯碼所需時(shí)間取決于常被稱為微循環(huán)時(shí)間的基本周期。 鐘 一個(gè)主時(shí)鐘在微機(jī)系統(tǒng)中被使用為了使數(shù)據(jù)傳送同步，。各種輸入 /輸出操作以及存儲(chǔ)器訪 問(wèn)均要求有一個(gè)時(shí)間的參考。這可通過(guò)時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)生的高速脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)。為生成時(shí)間脈沖，某些微處理器系統(tǒng)在微處理器芯片上設(shè)有時(shí)鐘電路；而其它微處理器，則使用時(shí)鐘芯片上的石英晶體。由于完成微處理系統(tǒng)中全部所需的時(shí)間與基本時(shí)間單元有關(guān)，因此高頻系統(tǒng)能在指定時(shí)間內(nèi)執(zhí)行更多指令。 儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器是能夠存儲(chǔ)一位或多位信息的媒體或裝置。在二進(jìn)制系統(tǒng)中，一位以可能的狀態(tài)之一進(jìn)行存儲(chǔ)，分別代表 0 和 1。觸發(fā)器就是一位存儲(chǔ)器的例子。配有合適的傳送裝置和讀寫(xiě)電路的磁帶是大存儲(chǔ)器的另一極端例子，存儲(chǔ)能力在10 億之上。 計(jì)算 機(jī)的存儲(chǔ)器可以分為兩個(gè)部分。所有的計(jì)算機(jī)都有的部分主存儲(chǔ)器。第二部分被稱作是文件存儲(chǔ)器或輔助存儲(chǔ)器，在需要的時(shí)候常用存儲(chǔ)大量的信息。 主存儲(chǔ)器是由半導(dǎo)體器件組成的，其運(yùn)行速度比文件存儲(chǔ)器快的多。一般的說(shuō)，以零點(diǎn)幾微妙的時(shí)間即可對(duì)主存儲(chǔ)器存或讀取一個(gè)字或一組數(shù)據(jù)。 70 年代初期以前，計(jì)算機(jī)的主存是磁芯存儲(chǔ)器組成的?，F(xiàn)在，只有少量計(jì)算機(jī)上使用磁芯存儲(chǔ)器，但很快被半導(dǎo)體存儲(chǔ)器取代。 文件存儲(chǔ)器可存儲(chǔ)大量信息，但需要的時(shí)間較長(zhǎng)與主存來(lái)說(shuō)相比。軟盤、硬盤和磁帶是典型的文件存儲(chǔ)器。比較小的文件系統(tǒng)也有用磁泡存儲(chǔ)器的。存 取時(shí)間隨著不同文件存儲(chǔ)器的不同而不同，有幾百微妙還有幾時(shí)毫秒的。 我們只討論半導(dǎo)體型主存儲(chǔ)器。半導(dǎo)體型存儲(chǔ)器分為兩大類：只讀存儲(chǔ)器（ 讀寫(xiě)存儲(chǔ)器（ 后面的一個(gè) 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。隨機(jī)存取的意思是：訪問(wèn)存儲(chǔ)器中任何單元的時(shí)間與訪問(wèn)任何其它單元所需的時(shí)間大致相同。串行訪問(wèn)系統(tǒng)的磁帶文件存儲(chǔ)器不是這樣的。從距讀頭 6 英寸的地方檢索一個(gè)字要比從距 1000 英尺出檢索的要快。不論是半導(dǎo)體 是 是隨機(jī)存取器件，因此把 做 不合適的。很遺憾，這種誤用由于很流行而不好更正。因此我們 討論 ，人們應(yīng)該認(rèn)為是 讀存儲(chǔ)器 當(dāng)信息長(zhǎng)期存儲(chǔ)而不做任何改變的場(chǎng)合我們要用 儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器中每一存儲(chǔ)單元均可訪問(wèn)以便讀出信息，但內(nèi)容不便。當(dāng)然，在使用前，存儲(chǔ)器必須先寫(xiě)入正確的信息。這叫做對(duì) 編程。編程的方法是由制造商家完成的。在制造半導(dǎo)體的過(guò)程中，應(yīng)用合適的光膜技術(shù)，將需要的數(shù)據(jù)便可編程寫(xiě)入 個(gè)方法叫掩膜編程。這些 內(nèi)容再也不可修改。另一種方法可由用戶編程。這種可編程 能編寫(xiě)一次，雖然以后 內(nèi)容還可作一些次數(shù)的修改。在這種器 件中，全部存儲(chǔ)單元的初始狀態(tài)是相同的。例如，全部為“ 1”狀態(tài)。經(jīng)過(guò)一些規(guī)定的步驟，就可將“ 0”寫(xiě)入 適的位置。要寫(xiě)入“ 0”，在電路可以熔化的連線中通過(guò)足夠強(qiáng)的電流，是連線汽化即可。但此金屬連線汽化，該電路保持“ 0”態(tài)。存儲(chǔ)在電路中的這一位再也不能變成“ 1”。一旦編程，唯一可做的是將“ 1”變?yōu)椤?0”。這種 時(shí)被稱為現(xiàn)場(chǎng)可編程只讀存儲(chǔ)器或用在少數(shù)系統(tǒng)中。 近幾年來(lái)，出現(xiàn)了另兩種重要的 一種是紫外線可擦除的 是通過(guò)對(duì)每一存儲(chǔ)單元尋址并對(duì)其用一定電壓來(lái)編程的 ，除非半導(dǎo)體芯片暴露在強(qiáng)紫外線照射下，否則儲(chǔ)存的各位保持不變。石英覆蓋的窗口作暴光用。在特定的紫外線光源照射下，典型的時(shí)間是 15 分鐘。 用設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試開(kāi)發(fā)工作。一旦系統(tǒng)能按照設(shè)計(jì)要求工作，就可以用掩膜可編程 行生產(chǎn)。很多 有和 容的引腳，以致于 容易變成 第二種可擦除的 電可擦除的 為 1980 年來(lái)，這種器件發(fā)展很快，使非易失性的 為可能。簡(jiǎn)單的說(shuō) 一種易失性的器件，也可以這樣認(rèn)為，掉電時(shí)，存儲(chǔ)器的內(nèi)容 也會(huì)丟失。在有些應(yīng)用中，存儲(chǔ)器能夠?qū)懭耄?，沒(méi)電時(shí)能夠保持信息，是必要的，理想的。 1982 年，兩家公司聲稱 以作為 備用系統(tǒng)。這些系統(tǒng)中的內(nèi)容反復(fù)地隨著息更新。如果掉電， 無(wú)限期的保存其中的內(nèi)容不變。 寫(xiě)存儲(chǔ)器（ 于存儲(chǔ)器的內(nèi)容能夠改變的系統(tǒng)中。對(duì)這種器件的存儲(chǔ)單元訪問(wèn)和讀寫(xiě)時(shí)間只有一微秒分之幾。遺憾的是， 一種易失性的存儲(chǔ)器，但系統(tǒng)斷電時(shí)，內(nèi)容便丟失。 可用兩種方法在半導(dǎo)體中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。一種是數(shù)據(jù)以雙穩(wěn)觸發(fā)器單元的狀態(tài)來(lái)表示 ，存儲(chǔ)單元就能保存它的內(nèi)容，只要器件供應(yīng)直流電。這種稱為靜態(tài) 另一種半導(dǎo)體 動(dòng)態(tài) 是晶體管一電容器存儲(chǔ)單元。 在更小的芯片上得以實(shí)現(xiàn)，和六晶體管靜態(tài) 儲(chǔ)單元相比，。容量相當(dāng)可觀的存儲(chǔ)器可在芯片上用 儲(chǔ)單元制成。 第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它把二進(jìn)制的一位信息作為電荷而不是雙穩(wěn)態(tài)儲(chǔ)存在電容上，因?yàn)閮?chǔ)存和保持電容上電荷要比保持雙穩(wěn)態(tài)耗電量少的多。 要缺點(diǎn)是為刷新和保持電容單元上的電荷，需要復(fù)雜的刷新的電路。此電路增加了小型 每個(gè)存儲(chǔ)單元的成本，因 此靜態(tài) 常在價(jià)格上更具優(yōu)勢(shì)。在大型系統(tǒng)中，刷新電路所增加的額外成本讓更多的存儲(chǔ)單元所分擔(dān)，致使 位成本較低。因此，大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)常用 儲(chǔ)器，而存儲(chǔ)器較小的系統(tǒng)一般用靜態(tài) 在計(jì)算機(jī)中， 來(lái)存儲(chǔ)不改變的指令和常量，而 來(lái)存儲(chǔ)經(jīng)常需要改變的數(shù)據(jù)和指令。程序可存在磁盤和磁帶上然后裝入 使程序得以執(zhí)行。這就允許許多不同的程序在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行在不同的時(shí)間。 附錄 B 1 PU it is in a is by PU is 088(to 0 to to on of at 0 is PU 971, in 004, is in it 300 008, is is 974, 8008 080, of to in of if to to to 080 80, 800, 976 8085, 080 to of 000 S2S, or on or on or is or or Is at is on to is as as by or in in “is a is a in to by to to or to or to is in is or (1) of is to to is by is in An LU is to of to be A be in a by LU R, R. as by in (2) is an of in in a at a of it is to to of of is by of is in is by of to to be by of is is (3) A is a be to of be as of be to of a of be or be to of is an of a a is to to be or of a (4) he is a 16is or of an to be by (5) in of is as a of of or of is as a of of in a in of an a is to or of a in a of be by by (6) be to to if of of a of is to of to to It is to so at is by a or a (7) of a of in of a to as so be at it to is of to in a is or on of of on be is to n, to of it be to is is to be be in a in a as is (8) he a of It is to of on of be is by a in In a of in In in be a is or is so go a is or is . (9) he in a It is to of to be a 16to as is a is is to in of to be by of an of of a of . it is to a of be in to a to if of to be be is of of a (10) he a of is to An is in by in of is is is of is at to of to be to as is in a to of A is to is by a on to to to in a is to a it to a of a of is a or of or of In a is as of a1 .A is an of a 1a of a an be to is A or is to of if is of at t