计算机的结构

由于介绍的是特定的CPU和IO,所以必然缺乏对不同种类CPU和IC的适应性。而且由于LSI和I0的性能提高很快，现有关于这些器件的介绍，很快就会变成过时的.因此，我们的讨论不局限于特定的LSI和IC,而以实际上不存在的假想LSI和IC为对象进行讨论。

堆栈型计算机是计算机的一种具有代表性的结构，幸运的是，可以认为这类计算机对谁来说都没有阴显的不同，基于这种理由，这里采用了一种堆栈型假想计算机，在实际存在的计算机中，也具有通用性特点。

堆栈型计算机所谓堆栈型计算机，就是具有被称为堆栈的暂时操作区域，并对堆栈内的数据具有处理能力的一种计算机.向堆栈内压入数据时用push命令，从堆栈内取出数据用pop命令：用pop命令首先得到的数据，是最后压人(push)堆栈的数据(LIFO,lastinfirstout,即“后进先出”)。图4.1表示了这种存取方式，根据push命令，按照α,β的顺序，将数据从普通存贮器取出，并压入堆栈。根据pop命令，则按照β,α的顺序，从堆栈把数据取出并存入普通存贮器。堆栈型计算机，对堆栈内的数据具有处理功能。例如，如果执行mul这条命令，则完成最后一个压入数据与其前一个压入数据的乘法运算。图4.1表示了这条命

令的执行结果，当利用这种具有堆栈的计算机，作3+4*5的计

算时，只要依照下列顺序执行命令就可以了(参考图4.2):

[1]压入3

[2]压人

[3]压入5

[4]执行mul命令

[5]执行add命令(求数据和)

假想计算机PCOM在控制用的堆栈型计算机中，图4.3所示的计算机恐怕是结构最简单的一种了，当然，这是一种假想

计算机，取名为PCOM.PCOM由CPU(centralprocessingunit),ROM(readonlymemory),RAM(randomaccessmem-ory),ADC(analogdigitalconverter),DAC(digitalanalogconverter),和定时器组成，在计算机内，CPU用来执行数据的传送和算术运算等指令(CPU从存贮器读人指令).CPU内有程序计数器(pc),栈顶指针(tp),栈底指针(bp)。堆栈指针(p),中断屏蔽(im).地址总线和数据总线CPU利用被称作地址的数区分外围设备。由CPU出来的地址线通过地址总线输送到外围设备。CPU与外围设备之间的数据交换，通过地址总线来进行，PCOM的地址是8位的，因此它具有0--255个地址，而PCOM的数据则是32位的。因为数据是32位的，所以能够区别出2²种数据，这些数据或者因为是整数，或者因为是浮点表示的实数，或者因为是文字等，而具有不同的含义。例如32位的数据00000041(H),如着作为整数，则是65(,如看作为浮点(IEEE格式)表示的实数，则是65×10-⁴9,如看作为文字，则表示A.其中ao),(H)分别表示10进制数和16进制数。因为A(H)=10(4o),Bcn)=1koy,Cc)=12(ao),Dcn=13(o,,E(H)—14(n),F(H)=15(10x,所以有ICFHy一(1×16²+12×16¹+15×16)(10)。当CPU往外围设备传送数据时，通过地址总线传送地址，同时选择所需设备，并通过数据总线将数据传送出去。反之，当希望从外围设备得到数据时，也需要通过地址总线传送地址，同时选择所需设备。在图4.4上表示了一个具体例子，它表示CPU在地址11001101-CD(g,中，写入

数据FFFFFFFF(n的情况，通过地址总线和数据总线，分别送出地址和数据。与此同时，地址总线上信号的有效性由地址选通信

号as表示，ior与iow命令是否执行由mem/1o表示，数据是写入还是读出由r/w加以区别，这里分别选取·as-1(有效),mem/io1(存贮),r/w=0(写人).作为对mem/io的补充，在PCOM的命令中，对外围设备的存取，尚有ior,iow(后者表示取出).在执行ior和iow时，mem/io-0.除此之外则mem/io=1.如果事先设计这样一种电路，使得当mem/io=1时选择存贮器，而mem/io=0时，则选择与外部输人输出装置相连，这样存贮器和地址虽重复，但外围设备却能分别使用。通过ior和iow这种特殊命令进行存取的方法，称为1O映射I0(IOmappedI0).与此相对，将所有存贮器和不重复的地址分配给外围设备，用与存贮器存取相同的方法，对所有外围设备进行存取，这种方法称为存贮器映射10(memorymapped10)。存贮器存贮器内的数据，可以应用分配给存贮器的地址进行存取。PCOM中使用的存贮器，有1个ROM和3个RAM,它们分别具有6根地址引脚和32根数据引脚(图4.4),总之，这些存贮器具有2⁶=64个可以区别的存贮器单位，每个存亡器单位又由32个字节的记忆单元组成(图4.5),因此，这种存贮器被

称为具有64×32字节记忆单元的存贮器。采用4个这样的存贮器构成存贮器系统时，可以有若干种方法。在CPU区分为2⁸

256个地址时，存贮器方面则只区分为2⁶=64个地址。解决这个问题的办法是利用存贮器IC的片选(cs)接线端。当这个接线端为1时，这个IC被选择为加到ao—as上的地址有效，在对应的地址上，由r/w接线端上给定的意义进行操作。当Cs=0时，存贮器IC对外部将不产生任何反应。当CPU是由4个存贮器组成时，如图4.4所示，地址总线a—as将与所有存贮器IC的接线端a₀—as连接，而利用arsa₇构成片选信号，以确定选择4个IC中的哪一个工作。例如图4.4中的存贮器，设它具有从11000000—192到11111111-255的地址，则只要设cs=ag·ay*as·mem/io就可以了，式中“”表示逻辑积(与)运算。在图4.3上用译码器表示了这种逻辑电路。根据这种电路，PCOM的存贮器可以划分成图4.6所示形式。

在PCOM内应用的4个存贮器中，1个是ROM,3个是RAM,RAM是既能对数据进行读出，又能对数据进行写人的存贮器，在执行程序过程中，用作变量区和堆栈区等。ROM是一种只能进行读出，但CPU不能对其进行写入的存贮器，它用来存贮指令和常数。当然，把指令和常数存贮到RAM上也是可以的，但是一旦电源切断，存贮信息将会消失，因此每次执行前，都必须从磁盘等设备中将有关信息取出，并存贮到RAM内。

图4.7表示了存贮器的存贮区在PCOM中的分配情况.CPU内的pc值是下一个应该执行的指令的存放地址。CPU从pc指示的地址中，将指令取出(fetch),然后使pc的值增加1,并且执行取出的指令。tp和bp的值，表示程序执行过程中局部参量存贮区的界限。sp表示堆栈区的界限，但是，变量区是从地址40cH)开始，依次往下排列，而堆栈区则是从地址FF)开始，依次往上排列。

AD变换器与DA变换器

PCOM的CPU为了对IO设备进行访问，具有ior,iow这类命令，例如当执行iorl时，地址1便连通地址总线，且有as=1(地址总线上的信号有效),r/w=1(读入),mem/ia=0(ior或iow在执行过程中)。在mem/io条件下存贮器不能进行存取.在PCOM中，I0设备的地址1是为ADC和DAC设计的，在ior1条件下，从ADC取数据，在iowl条件下，向DAC送数据。

ADC是将模拟信号转变成32

图4.7存贮器的存贮区分配

位数字信号的装置，且数字信号以整数数据给出。DAC则相反，它是将32位整数转变为模拟信号的装置。当cs-1时，DAC将数据总线上的信号转变为模拟信号，而ADC则将模拟量转变为数据总线上的信号，因此，ADC的cs为cs=·蒸·厘*画·丽·盖·丽·ao*as·(mem/io)·(:/w),而DAC的cs则为cs=…··a。·as*(mem/io)(r/w).定时器和中断PCOM中有一种被称为定时器的装置，定时器每经过一定时间间隔，向CPU发出一次中断信号，这个时间间隔为10ms,利用这个信号对模拟信号进行采样。下面介绍中断的具体进行方式定时器每隔10ms向CPU主动发出一个中断请求信号int,如图4.8所示。CPU未必总处于能接收中断信号的状态，它是否能接收中断信号，由特征符im决定。im=1时能接收中断，im一0时则不能接收中断。im的值可以通过软件设定，如果执行eni和dsi,则分别有im=1和im=0.若CPU可以中断，即im-1,int:变为有效时，将自动完成下列工作。

(i)在时间上能够识别中断信号的接收，并且发出中断响应信号ack。

(ii)在堆栈中，将现在的pc值排列到前面的地址中，并设定出动态连接方案(先进后出).

(ii)存贮器的地址1一将写进跳转表(sharptable)的值放进pc中，且使im=0(中断不能进行),并执行该地址中的指令。定时器接收来自.CPU的ack信号，获悉中断已被接收后，撤消中断要求int。针对中断请求，CPU.将转入处理程序，并自动执行中断处理。当结束中断处理后，便开始执行reti.若reti被执行，则im变为1,并且将压入堆栈的原来地址弹入pc,然后就能从这个地址开始，重新执行中断前的程序(tp,bp的值也返回到原来的状态(先进后出)).复位在CPU中具有reset接点，它可以使PCOM返回到初始状态；从而可以保证从头开始执行程序。总之，当通过开关使reset信号为1时，则存贮器的地址0一将存放在跳转表中的值存放人pc中，且使im=0(中断不能进行),并且执行该地址中的指令。这时tp,bp和sp的值均被初始化。