计组笔记 07 微型计算机原理及接口基础

第7章 微型计算机原理及接口基础

1. 微机的基本框架

• 组成：CPU（运算器ALU＋控制器CU＋寄存器组）、主存、I/O 设备；三者靠系统总线连接。
• 指令：由操作码OP＋地址码AD构成（地址码可0/1/2/多地址，决定操作数与结果的存放位置/寻址方式）。

2. 程序/指令的执行过程

1. 取指：PC→地址总线，给出“下一条指令地址”；存储器读出指令 → IR。
2. 分析/译码：对 IR.OP 译码，判别指令类型；按需要形成有效地址EA。
3. 取数：按 EA 从主存/I.O 取操作数（或从寄存器取）。
4. 执行：ALU 完成运算或数据传送/比较/转移等，结果送回目的地。
5. 转移：若为转移/调用类指令，则PC ← 目标地址；否则PC ← PC+1。
6. 进入下一条，循环往复。

3. 关键寄存器与部件

• PC/IP（程序计数器）：始终指向下一条待取指令的地址。
• IR（指令寄存器）：暂存当前指令。
• ACC/AC（累加器）：通用/专用工作寄存器，算术逻辑运算常以其为中心。
• 时序部件/时钟：提供统一节拍；时钟频率越高→时钟周期越短。

4. 微机总线（DB/AB/CB）

• 数据总线DB：双向，宽度=一次并行传送位数。
• 地址总线AB：单向，n根线可寻址 2ⁿ 个单元（字节编址默认1B/单元）。
• 控制总线CB：读/写、片选、中断请求/响应、就绪/等待等时序控制信号。
• 性能指标：宽度、工作频率、带宽≈(数据线位数/8)×频率（理想值）、负载能力、同步/异步方式等。

5. 时钟、机器周期与指令周期

• 时钟周期（T）：最基本节拍。
• 机器周期：完成一次基本总线操作所需的若干个 T（如常见4T），可能插入等待TW以适配慢设备。
• 指令周期：完成一条指令所需的若干机器周期（包含取指周期＋若干执行周期）。
• 空闲状态：CPU无外设请求且不进行总线操作的状态。

T → 机周（若干T） → 指周（若干机周）；遇慢外设就“加TW”。

6. 例：用简单指令实现 a + b − c

LOAD 005   ; ACC ← M[5] (a)
ADD  006   ; ACC ← ACC + M[6] (b)
SUB  007   ; ACC ← ACC - M[7] (c)
STORE 008  ; M[8] ← ACC
HALT

• 过程：取指→译码→取a→与b相加→再减c→把结果存回指定单元。
• 命令式记忆：载入→加→减→存→停。

7. 易错

• PC语义：永远“指向下一条指令地址”；遇转移类由目标地址重装PC。
• OP+AD：0地址/1地址/2地址/3地址指令都可能出现（累加器体系常为1地址）。
• 总线位数与容量/吞吐：
  • n 位地址总线 → 最大寻址 2ⁿ 个字节单元；
  • m 位数据总线 → 一次并行传送 m 位数据。
• 三类基本总线时序：取指、取数（读）、存数（写）。
• 指令/机器/时钟周期关系务必分清；频率↑ → 周期↓。
• 就绪/等待：外设慢→插 TW；若 ready 恒为低，CPU将持续等待。
• 累加器体系：算术逻辑多以 ACC 为中心（如 LOAD/ADD/SUB）。
• 判断题爱考：
  • “指令周期=CPU从主存取出一条指令并执行完成的时间”正确
  • “机器主频越高，整机速度一定越快”错误（受存储/总线/结构等制约）。
  • “地址总线宽度决定存储容量上限，数据总线宽度影响一次传输量与理论带宽”正确。

8. 速记

• 三总线：AB定空间、DB定吞吐、CB定时序。
• 三周期：T→机周→指周，慢就插TW。
• 五步骤：取→译→取数→执行→转/续，PC管下一条，IR管这条。
• 容量口算：2ⁿ字节看AB，带宽粗估看 (DB/8)×频率。