Computer Logical Organization 简明教程

CPU Architecture

微处理器与传统计算机中使用的中央处理单元 CPU 同义。微处理器 (MPU) 充当执行以下任务的设备或设备组。

  1. communicate with peripherals devices

  2. provide timing signal

  3. direct data flow

  4. 按照内存中的指令执行计算机任务

8085 Microprocessor

8085 微处理器是一种 8 位通用微处理器,能够寻址 64k 内存。该处理器有 40 个引脚,需要 +5 V 单电源和 3 MHz 单相时钟。

Block Diagram

microprocessor blockdiagram

ALU

ALU 执行微处理器的计算功能。它包括累加器、临时寄存器、算术和逻辑电路以及五个标志。结果存储在累加器和标志中。

Block Diagram

alu

Accumulator

它是一个 8 位的寄存器,是 ALU 的一部分。该寄存器用于存储 8 位数据,并在执行算术和逻辑运算中使用。运算结果存储在累加器中。

Diagram

accumulator

Flags

标志是可编程的。可以通过使用指令从寄存器存储和传输数据。ALU 包括五个触发器,这些触发器根据累加器和其他寄存器中的数据条件进行设置和复位。

  1. S (Sign) flag − 在执行算术运算之后,如果结果的位 D7 为 1,则设置符号标志。它用于有符号数。在给定的字节中,如果 D7 为 1 表示负数。如果它为零表示正数。

  2. Z (Zero) flag − 如果 ALU 运算结果为 0,则设置零标志。

  3. AC (Auxiliary Carry) flag − 在算术运算中,当位 D3 产生进位并传递给位 D4 时,设置 AC 标志。该标志仅在内部 BCD 运算中使用。

  4. P (Parity) flag − 在算术或逻辑运算之后,如果结果有偶数个 1,则设置标志。如果它有奇数个 1,则复位标志。

  5. C (Carry) flag − 如果算术运算结果为进位,则设置进位标志,否则复位。

Register section

它基本上是一个存储设备,通过使用指令从寄存器传输数据。

  1. Stack Pointer (SP) - 堆指针也是一个用作内存指针的 16 位寄存器。它指向读/写内存中的一个内存位置,称为堆栈。在程序执行期间,有时会将数据存储在堆栈中。堆栈的开始定义为在堆栈指针中加载一个 16 位地址。

  2. Program Counter (PC) - 这个 16 位寄存器处理第四个操作以对指令的执行进行排序。此寄存器也是一个内存指针。内存位置具有 16 位地址。它用于存储执行地址。程序计数器的作用是从下一个字节将被提取的内存地址开始的。

  3. Storage registers - 这些寄存器在程序执行期间存储 8 位数据。这些寄存器标识为 B、C、D、E、H、L。它们可以组合为寄存器对 BC、DE 和 HL 执行一些 16 位操作。

Time and Control Section

此单元负责根据时钟脉冲同步微处理器操作,并生成微处理器和外围设备之间平稳通信所需的控制信号。RD 栏和 WR 栏信号是同步脉冲,指示数据是否在数据总线上可用。控制单元负责控制微处理器、存储器和外围设备之间的数据流。

PIN diagram

pin diagram

所有信号都可以分为六组

S.N.

Group

Description

1

Address bus

8085 微处理器具有 8 条信号线,A15 - A8,它们是单向的,用作高阶地址总线。

2

Data bus

信号线 AD7 - AD0 是双向的,用于双重目的。它们用作低阶地址总线和数据总线。

3

Control signal and Status signal

控制信号 RD bar - 它是一个读取控制信号(低电平有效)。如果它处于活动状态,则读取内存数据。 WR bar - 它是一个写入控制信号(低电平有效)。它在写入所选内存时处于活动状态。状态信号 ALU (Address Latch Enable) - 当 ALU 高时。8085 微处理器使用地址总线。当 ALU 低电平时。8085 微处理器使用数据总线。 IO/M bar - 这是一个状态信号,用于区分输入/输出和存储器操作。当它高时,表示输入/输出操作;当它低时,表示存储器操作。 S1 and S0 - 这些状态信号与输入/输出和内存栏类似,可以识别各种操作,但它们在小型系统中很少使用。

4

Power supply and frequency signal

Vcc - +5v 电源。 Vss - 接地参考。 X, X - 一个晶体连接在这两个引脚上。频率在内部除以两个,在 3 MHz 的系统中工作,晶体的频率应为 6 MHz。 CLK out - 此信号可用作其他设备的系统时钟。

5

Externally initiated signal

INTR (i/p) - 中断请求。 INTA bar (o/p) - 它用作确认中断。 TRAP (i/p) - 这是不可屏蔽中断,具有最高优先级。 HOLD (i/p) - 它用于暂停执行程序。 HLDA (o/p) - 暂停确认。 READY (i/p) - 此信号用于延迟微处理器读取或写入周期,直到响应速度慢的外围设备准备好接收或发送数据。 RESET IN bar - 当此引脚上的信号变低时,程序计数器将被设置为零,总线将变成三态,MPU 将被重置。 RESET OUT - 此信号表示 MPU 正在被重置。此信号可用于重置其他设备。 RST 7.5, RST 6.5, RST 5.5 (Request interrupt) - 它用于将程序控制转移到特定的内存位置。它们的优先级高于 INTR 中断。

6

Serial I/O ports

8085 微处理器具有两个信号来实现串行传输,即串行输入数据和串行输出数据。

Instruction Format

每条指令都由计算机中的比特序列表示。指令被分成称为字段的比特组。指令的表达方式称为指令格式。它通常以矩形框的形式表示。指令格式可以是以下类型。

Variable Instruction Formats

这些指令格式是指令长度根据操作码和地址说明符而变化的。例如,VAX 指令在 1 到 53 字节之间变化,而 X86 指令在 1 到 17 字节之间变化。

Format

variable instruction format

Advantage

这些格式具有良好的代码密度。

Drawback

这些指令格式非常难以解码和流水线化。

Fixed Instruction Formats

在这种类型的指令格式中,所有指令都具有相同的大小。例如,MIPS、Power PC、Alpha、ARM。

Format

fixed instruction format

Advantage

它们易于解码和流水线化。

Drawback

它们的代码密度不好。

Hybrid Instruction Formats

在这种类型的指令格式中,我们有多个由操作码指定的格式长度。例如,IBM 360/70、MIPS 16、Thumb。

Format

hybrid instruction format

Advantage

这些在代码密度与指令之间的折衷很容易解码。

Addressing Modes

寻址模式提供了处理器访问给定数据地址的不同方法。操作的数据存储在内存位置中,每条指令都需要某些要操作的数据。有各种指定数据地址的技术。这些技术称为寻址模式。

  1. Direct addressing mode − 在直接寻址模式中,操作数的地址在指令中给出,并且数据在指令中提供的内存位置中可用。我们将把这些数据移动到所需的位置。

  2. Indirect addressing mode − 在间接寻址模式中,指令指定一个寄存器,其中包含操作数的地址。可通过间接寻址模式访问内部 RAM 和外部 RAM。

  3. Immediate addressing mode − 在直接寻址模式中,直接数据在操作数中给出,将数据移动到累加器中。它非常快。

  4. Relative addressing mode − 在相对地址模式中,有效地址由索引模式确定,方法是使用程序计数器代替通用处理器寄存器。此模式称为相对地址模式。

  5. Index addressing mode − 在索引地址模式中,操作数的有效地址通过将内容值添加到寄存器的内容中来生成。该模式称为索引地址模式。