4 微机原理：两种典型的微处理器

微机原理：两种典型的微处理器

• 定义：将中央处理器的所有构件封装到一块硅芯片上，即微处理器。

• 第一个微处理器：Intel 4004

• 发展历史：继电器——真空管——晶体管

• 处理器性能评价标准：

  • 数据通路宽度（几位微处理器？）

  • 最大时钟频率（主频）（相同时间完成更多操作）

  • 可寻址存储器最大空间（空间换时间）

一、Intel公司的8080处理器

• 基本属性：

  • 8位微处理器

  • 时钟频率：2MHz

    • 8080每条指令需要4_{18个时钟周期，意味着每条指令的执行时间为2}9$\mu s$

  • 寻址空间：64KB

  • 类型：单芯片微处理器

• 寄存器信息：8080内含6个寄存器，每个寄存器都是8位寄存器

  • 分别命名为: $B,C,D,E,H,L$ （A是内部的累加器的代号）

  • 通常把两个8位寄存器 H 和 L 合起来构成一个16位 寄存器对（register pair），

    称作[HL]。

  助记符	指令含义
  LOD	加载
  STO	保存
  STA	保存到累加器
  LDA	加载到累加器
  STAX	保存到BC或DE寄存器
  LDAX	加载到BC或DE寄存器
  MOV	把一个寄存器中的内容转移<br>到另一个寄存器（可以是原来的寄存器、累加器）
  HLT	停止

例如：

LDA A, [aaaa]
MOV A, [HL]
MOV [HL], C
STAX [BC], A
LDAX A, [BC]

• 三种寻址方法

  • 直接寻址法：MOV B, [aaaa] （源操作数为地址信息）

  • 间接寻址法：MOV B, [HL]（源操作数为地址所在的寄存器）

  • 立即数寻址法：MOV B, 37h （源操作数为要操作的数据对象）

立即数操作

操作	含义
MVI	传送立即数
ADI	立即数加法
ACI	立即数进位加法
SUI	立即数减法
SBI	立即数借位减法
ANI	立即数与
XRI	立即数异或
ORI	立即数或
CPI	立即数比较

• 不符合规则的操作结果

  MOV A, A 并不会执行有意义的操作；

  MOV [HL], [HL]该指令是不存在的，实际上该指令的实际意义 人为规定等价于HLT

• 操作码的位模式：

比如：MOV操作码由八位组成

01dddsss，ddd表示目标操作数的代码，sss表示源操作数的代码

代码	对应寄存器
000	寄存器B
001	寄存器C
010	寄存器D
011	寄存器E
100	寄存器H
101	寄存器L
110	合并寄存器HL
111	累加器A

如：MOV L, E 表示为操作码：01101011

• 标志位（flag）

  8080的标志位包括：CF（进位标志），ZF（零标志位），SF（符号标志位），PF（奇偶标志位），AF（辅助进位标志）

• 程序状态字（PSW）：在8080中，专门的8位寄存器，来存放所有的标志位

• LDA，STA，MOV指令不会影响标志位。ADD，SUB，ADC（进位加法），SBB（借位减法）会影响标志位状态。

• 但是以下两个直接影响CF

  操作	含义
  STC	令CF置1
  CMC	令CF取反

• CMP指令：和SUB指令类似，也是把两个数相减。但是他是把结果保存在标志位

  • 如果A中既有的值小于CMP的源操作数存储器中的值，那么进位标志位CF置1；如果A中既有的值等于源操作数存储器中的值，那么零标志位ZF置1。

操作	含义
CMP	比较，可设置标志位

• 两种特别的8080指令：

操作	含义
CMA	累加器中的数按位取反
DAA	十进制调整累加器，使用BCD码进行十进制的算术运算（加在运算出原十六进制结果后，切换结果）

• 增量减量操作

INR和DCR都是单字节操作，可以影响除了CF之外所有标志位

操作	含义
INR	寄存器或存储器中的数加1
DCR	寄存器或存储器中的数减1

• 移位操作

操作	含义
RLC	使累加器循环左移
RRC	使累加器循环右移
RAL	带进位的累加器循环左移
RAR	带进位的累加器循环右移

执行RAL时，将原最高位移至CF

执行RAR时，将原最低位移至CF

二、Intel 8080微处理器的RAM与栈

• 随机访问存储器RAM：可以寻址访问的存储器

• 栈指针：8080微处理器设置了一个专门的16位寄存器作为栈，对这段空间寻址的寄存器叫作栈指针（SP，Stack Pointer）

• 栈的特性：后进先出（LIFO）

• 入栈出栈指令

  操作	含义
  PUSH	压入堆栈
  POP	弹出堆栈

如果你想把寄存器中所有内容保存到栈内，可以使用如下指令：

PUSH PSW
PUSH BC
PUSH DE
PUSH HL

而 POP BC 则表示从栈中弹出一个值，按照来顺序保存到BC存储器中。

• 栈的工作方式

  假设栈指针初始时位于8000h。当有数据入栈时，栈指针-1，变成7FFFh，且在7FFFh位置存储压入的数据

• 栈上溢和栈下溢

  • 栈上溢（stack overflow）：使用过多PUSH指令，覆盖掉存储器中其他内容

  • 栈下溢（stack underflow）：使用过多POP指令，栈中数据取完了还在POP

• 寄存器和栈的共用操作

操作	含义
LXI	对寄存器  或 堆栈指针  加载（Load）扩展的立即数（两个字节）
INX	对寄存器对和堆栈指针加1
DCX	对寄存器对和堆栈指针减1
DAD	把由任意2个寄存器组成的16位寄存器对的内容加到寄存器对HL中

• LXI 指令：

LXI BC, 527Ah

以上指令等价于：

MVI B, 52h
MVI C, 7Ah

• DAD 指令：

  一般用于计算存储器的地址，对PSW中只有对CF有影响

• 栈操作指令

操作	含义
SHLD	直接保存HL中的数据
LHLD	直接加载数据到HL
PCHL	将HL保存的数据加载到程序计数器
SPHL	将HL保存的数据加载到堆栈指针
XTHL	把HL中的内容和堆栈顶部2个字节进行交换
XCHG	把DE中的内容和HL中的内容进行交换

• Call 和 Return指令

  • Call（调用）指令：执行之后，程序计数器（PC）将加载一个新地址，而原来的地址则被保存到栈当中。（这种指令记录了“从何处跳转”，即保存了跳转之前的信息）

• 补充：8080处理器中的转移指令

  操作	含义
  JMP	转移
  JZ	零转移
  JNZ	非零转移
  JC	进位转移
  JNC	无进位转移

三、Intel 8080与周围设备

内存映像 I/O：除了常规的65536个地址外，另增了256个地址专门用来访问输入/输出设备，这些地址被称为I/O端口

操作	含义
OUT	把累加器中的内容  写入到  紧跟该指令后的字节  所寻址的端口
IN	把一个字节从端口读入到累加器

OUT PP
IN PP

当外围设备需要中断微处理器当前操作时，它需要把8080的INT端口的输入信号置1。8080通过从存储器取出指令的方式，来响应该中断，同时控制信号指明有中断发生。

操作	含义
DI	禁止中断
EI	允许中断

• 其他操作

操作	含义
RST	重新启动，立即跳转到特定的地址
NOP	无操作

四、Motorola公司生产的6800微处理器

• 对比： Motorola 6800相比于Intel 8080

1. 时钟信号较简单
2. 没有独立I/O端口
3. B也是累加器，无其他8位寄存器
4. 16位索引寄存器（类似HL寄存器）
5. 对应操作码和助记符完全不同
6. 无奇偶标志位，有溢出标志位
7. 汇编语言不兼容
8. 6800高前低后，8080低前高后（Motorola方式，Intel方式）

五、现代微处理器技术

• 苹果公司的Mac的PowerPC微处理器

  采用RISC技术（精简指令集计算机）

  • 特点1：指令等长，只有Load和Store能访问存储器

  • 特点2：设置大量寄存器，避免频繁访问存储器

• 流水线技术

  处理器在执行一条指令时同时读取下一条指令

• 高速缓冲存储器（Cache）

  在处理器内部设置一个访问速度很快的RAM阵列，存放最近要执行的指令，Cache能避免常用小循环的反复加载