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单片机的组成结构及指令执行过程

单片机的组成结构及指令执行过程单片机结构

单片机的组成结构及指令执行过程

单片机结构

常用的单片机以MCS-51系列单片机为例,它的组成框图如图1-2所示。

微处理器由运算器和控制器两个部分组成,还有包括相关的寄存器。

1.运算器

运算器由运算部件——算术逻辑单元(Arithmetic & Logical Unit,简称ALU)、累加器和寄存器等几部分组成。ALU的作用是把传来的数据进行算术或逻辑运算,输入来源为两个8位数据,分别来自累加器和数据寄存器。ALU能完成对这两个数据进行加、减、与、或、比较大小等操作,最后将结果存入累加器。例如,两个数6和7相加,在相加之前,操作数6放在累加器中,7放在数据寄存器中,当执行加法指令时,ALU即把两个数相加并把结果13存入累加器,取代累加器原来的内容6。

运算器有两个功能:

(1) 执行各种算术运算。

(2) 执行各种逻辑运算,并进行逻辑测试,如零值测试或两个值的比较。

运算器所执行全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的,并且,一个算术操作产生一个运算结果,一个逻辑操作产生一个判决。

2.控制器

控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序发生器和操作控制器等组成,是发布命令的“决策机构”,即协调和指挥整个微机系统的操作。其主要功能有:

(1) 从内存中取出一条指令,并指出下一条指令在内存中的位置。

(2) 对指令进行译码和测试,并产生相应的操作控制信号,以便于执行规定的动作。

(3) 指挥并控制CPU、内存和输入输出设备之间数据流动的方向。

微处理器内通过内部总线把ALU、计数器、寄存器和控制部分互联,并通过外部总线与外部的存储器、输入输出接口电路联接。外部总线又称为系统总线,分为数据总线DB、地址

总线AB和控制总线CB。通过输入输出接口电路,实现与各种

外围设备连接。

3.主要寄存器

(1)累加器A

图1-2 单片机组成框图

累加器A是微处理器中使用

最频繁的寄存器。在算术和

逻辑运算时它有双功能:运

算前,用于保存一个操作

数;运算后,用于保存所得

的和、差或逻辑运算结果。

(2)数据寄存器DR

数据寄存器通过数

据总线向存储器和输入

/输出设备送(写)或取

(读)数据的暂存单元。

它可以保存一条正在译

码的指令,也可以保存正在送往存储器中存储的一个数据字节等

等。

(3)指令寄存器IR和指令译码器ID

指令包括操作码和操作数。

指令寄存器是用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一

条指令时,先把它从内存中取到数据寄存器中,然后再传送到指

令寄存器。当系统执行给定的指令时,必须对操作码进行译码,

以确定所要求的操作,指令译码器就是负责这项工作的。其中,

指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。

(4)程序计数器PC

PC用于确定下一条指令的地址,以保证程序能够连续地执行

下去,因此通常又被称为指令地址计数器。在程序开始执行前必

须将程序的第一条指令的内存单元地址(即程序的首地址)送入

PC,使它总是指向下一条要执行指令的地址。

(5)地址寄存器AR

地址寄存器用于保存当前CPU所要访问的内存单元或I/O设

备的地址。由于内存与CPU之间存在着速度上的差异,所以必须

使用地址寄存器来保持地址信息,直到内存读/写操作完成为止。

显然,当CPU向存储器存数据、CPU从内存取数据和CPU从内存读出指

令时,都要用到地址寄存器和数据寄存器。同样,如果把外围设备的地址

作为内存地址单元来看的话,那么当CPU和外围设备交换信息时,也需要

用到地址寄存器和数据寄存器。

微机指令执行过程

微机指令执行过程

1.指令

任何计算机都有它的指令系统。指令是指由单片机芯片的设计者规定的一组数字编码,不可以由单片机的开发者更改。指令由操作码、操作数组成。

操作码是指令的功能部分,操作数是指说明参与操作的数据

或数据所存放的地址。

2.指令执行过程

计算机采取“存储程序”的工作方式,即事先把程序加载到计算机的存储器中,当启动运行后,计算机便自动进行工作。

计算机执行程序是一条指令一条指令执行的。执行一条指令的过程可分为两个阶段。如图1-3所示。

开始

取指令

PC+1

执行

指令

图1-3 取指令、执行指令序列

在计算机中程序第一条指令

的第一个字节是操作码。运行

时CPU首先进入取指阶段,

从存储器中取出指令并通过

CPU译码后,转入执指阶段,

即执行指令指定的操作。

取指阶段是由一系列相

同的操作组成的,因此,取指阶段的时间总是相同的。而执行指令的阶段是由不同的事件顺序组成的,它取决于被执行指令的类型。程序的执行过程是由不断的“取指——执指”循环组成,直至程序结束。

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