微型计算机的基本工作原理

1．指令和程序

指令是控制计算机操作的代码，又称指令码。指令码由操作码和地址码构成。操作码用于控制机器执行何种操作；地址码用于指示参加操作的操作数。指令码的格式为：

操作码︱地址码

指令用计算机可识别的二进制代码形式表示，这种代码称为机器码。但机器码既不便于记忆又不便于书写，因此人们通常采用助记符表示指令，如表1-4所示。

一种微处理器所有指令的集合或指令的全体称为它的指令系统。微处理器类型不同，它的指令系统也不一样，因此Intel8050有78条指令，MCS-51系列中的80C51有111条指令等等。

程序是为完成某项任务而由指令系统中的若干指令组成的有序集合。编制程序称为程序设计。计算机可直接识别和执行的用机器码编写的程序，称为目标程序。用指令的助记符编写的程序称为汇编语言源程序，该程序计算机不能识别和执行，需经汇编程序汇编生成目标程序才能被计算机执行。由此可见，计算机只能执行机器码程序。

表 1 指令的三种形式

2．程序执行过程举例

图1是计算21＋43的程序。以此为例说明微型计算机的工作原理。该程序由三条指令组成，即为：

MOV A, #15H

ADD A, #2BH

SJMP $

每条指令均为双字节指令(即第一字节为操作码，第二字节为操作数)。第一条指令的作用是把15H传送到累加器A；第二条指令是加法指令，它把累加器A中的15H和2BH相加，将结果保存在累加器A中；第三条是停机指令，执行后计算机处于动态停机状态。为了执行程序，首先将程序放入内存，假设从3000H单元开始存放程序，共占用了6个存储单元；然后将程序在内存的起始地址3000H放入程序计数器PC，如图1（a）所示，此时即可让计算机开始执行程序。

图1 程序执行过程中PC的变化

（1）执行第一条指令

第一条指令是双字节指令，执行过程为：

①微操作控制器将程序计数器PC中的地址3000H经地址寄存器送入地址总线后，向存储器发出读信号，同时使程序计数器PC中的内容自动加1而变成3001H，为读取

指令的第二个字节做好准备；

②存储器根据地址总线上的地址找到3001H存储单元，在读信号控制下读出3001H单元的内容即操作码74H送到数据总线上；

③经数据总线将操作码74H送入指令寄存器IR，经缓冲后送入指令译码器ID；

④经指令译码器ID对操作码74H译码并结合时序部件产生微操作序列，将程序计数器PC中的地址3001H经地址寄存器送入地址总线后发出读信号，同时使程序计数器

PC自动加1变成3002H，为读取第二条指令做好准备；

⑤存储器由地址总线中的新地址3001H把3001H单元的内容15H送入数据总线；

⑥微操作控制序列将数据总线上的操作数15H送人累加器A中。

至此，第一条指令执行结束，将3001H单元中的第一个操作数15H送人累加器A。

（2）执行第二条指令

第二条指令也是双字节指令，第一字节24H为操作码，指示进行加法操作，两个操作数中一个在累加器A中，另一个为该指令的第二个字节。

第一条指令执行结束，程序计数器PC中内容为3002H。图1（b）为将要执行的第二条指令的内存地址。首先将PC中的地址3002H送入地址总线并向存储器发出读

信号，同时PC加1而变为3003H。存储器由地址总线上的地址找到3002H单元，在读信号的控制下，读出操作码24H经数据总线送人IR。经IR译码，将PC中的3003H送入地址

总线，发出读信号，同时使PC自动加1变为3004H，则PC指向第三条指令，如图1（c）所示。在操作码24H的微操作控制下从存储器3003H单元读出操作数2BH送入TMP，控

制ALU将累加器A中15H和TMP中的2BH相加，将两数的和经内部总线送入累加器A，并根据运算结果设置程序状态字PSW某些状态位的值，完成本条指令的执行。

（3）执行第三条指令

第三条指令的执行过程和第一、第二两条指令类似，先读取指令，分析、执行指令后，MPU处于动态停机状态。

至此，整个程序的执行结束。