微处理机原理与应用

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1、微處理機原理與應用Microprocessor第二章微處理機的組成要素林學儀老師(DavidLin)國立勤益技術學院電子工程系九十五學年度第一學期第二章微處理機的組成要素2.1微處理機模型2.2算術邏輯單元2.3微處理機的暫存器2.4控制單元2.5內部匯流排7/30/202122.1微處理機模型典型的共匯流排計算機系統微處理機方塊圖資料轉移與運算7/30/20213典型的共用匯流排計算機系統至少包含四部分連結到此共用的匯流排(1)中央處理單元(CPU)(2)唯讀記憶體(ROM)(3)隨機存取記憶(RAM)(4)輸入/輸出介面(I/OInterface)7/3

2、0/20214典型8位元微處理機模型(a)微處理機方塊圖7/30/20215典型8位元微處理機模型(續)(b)微處理機程式模型7/30/20216資料轉移與運算微處理機主要的功能是資料轉移資料(含指令)大都存在記憶體而非微處理機與記憶體間的資料移轉最常使用(需最多時間)做資料運算與輸入/輸出間的轉移，或將資料傳送到微處理機。算術與邏輯運算，遮罩或清除某些位元微處理機從狀態值的測試獲得判斷能力常用的狀態判斷有正﹑負﹑非零﹑奇同位﹑偶同位﹑溢位與相等7/30/202172.2算術邏輯單元功能描述微處理機內處理資料的主要單元組成實例依指定的算術與邏輯運算來決定算術電

3、路設計邏輯電路設計算術邏輯單元設計7/30/20218微處理機的算術邏輯單元(ALU)7/30/20219ALU的功能描述兩個輸入都有暫時暫存器做為緩衝一般都是從累積器取得資料，輸出則將資料送到任何與匯流排相連接裝置上，通常是將資料傳送到累積器分成算術運算與邏輯運算兩大類算術運算包含最基本的加法與減法運算現今的微處理機則大多已包含比較、判斷、AND、OR、NOT、移位與循環等基本的邏輯運算也可分成算術﹑邏輯﹑移位與比較等四類7/30/202110ALU組成實例ALU是能執行多種運算的組合邏輯函數其設計是依指定的算術與邏輯運算來決定ALU有許多選擇線來選擇運算種

4、類選擇線在ALU內解碼，k個選擇變數可指定2k個不同的運算7/30/202111四位元的ALU方塊圖選擇變數S2、S1、S0指定八種算術運算(配合進位輸Cin)與四種邏輯運算模式選擇輸入S2決定算術或邏輯運算功能選擇輸入S1與S0指定要執行的算術或邏輯運算7/30/202112ALU的設計先完成1位元的算術邏輯單元設計，再將n個1位元的算術邏輯單元串接起來設計步驟1.先以加法器設計算術電路而不必管邏輯部分2.假定到各級的進位輸入等於0，由步驟1的算術電路表列出已知的邏輯運算3.修正算術電路以得到尚未獲得的邏輯運算，使整個算術邏輯單元能執行算術與邏輯運算。7/3

5、0/202113算術電路設計以加法器為基本元件，附加控制加法器資料輸入的控制電路就可完成不同算術運算的電路設計設計能完成一組指定函數的算術電路7/30/2021142.3微處理機的暫存器7/30/202115微處理機的暫存器(續)暫存器主要的目的是儲存暫時性的資料除了有些是為了某些特殊功能而存放資料外，其餘都可做為一般用途使用不是所有的暫存器都可由程式設計者控制程式模型中的暫存器7/30/2021162.3.1累積器7/30/202117累積器(續)微處理機中儲存資料與資料運算時，主要使用的暫存器大部份的算術與邏輯運算都會同時使用算術邏輯單元與累積器若運算需使

6、用兩組資料時，其中一組會存於在累積器，而另外一組資料則存放於其他的暫存器或記憶體中算術邏輯單元通常將運算完的資料存放於累積器中，因此會覆蓋先前的資料7/30/202118累積器(續)有資料轉移的功能，可將資料在計算機系統中轉移資料轉移順序是先將來源資料移轉至累積器中，然後再由累積器轉移資料至目的地輸入／輸出埠與記憶體間﹑記憶體與記憶體間轉移在累積器上直接處理資料清除累積器﹑設定所有位元值為1，累積器的資料左移﹑右移﹑取補數或其他運算7/30/202119累積器(續)由下圖得知累積器如何經由資料匯流傳送資料與如何由內部匯流排接收資料，並且在累積器傳送資料時有暫時

7、暫存器做為緩衝暫存器。7/30/2021202.3.2程式計數器(PC)7/30/202121程式計數器(續)追蹤已執行的指令，並指出下個執行的指令的位址由一連串指令所構成的程式存於記憶體，而且必須以正確的順序來執行程式指令一般程式計數器的長度都比資料字組要長程式計數器與內部匯流排相連接可以接收邏輯裝置傳送至內部匯流排的資料通常從記憶體獲得資料，只有幾個特殊指令7/30/202122程式計數器(續)PC在程式開始執行前會先載入一個值，此值代表第一個能被執行指令的位置PC會將內含值傳送到記憶位址暫存器(MAR)第一個程式指令的位址由16位元位址匯流排送到記憶體電

8、路中記憶體將此位址的內含值經由資料匯流