微处理器工作原理

文章摘要：以下是设计人员可以为例子中的微处理器建立的一组汇编语言指令： LOADA mem——将某个内存地址的数据加载到寄存器A中 LOADB mem——将某个内存地址的数据加载到寄存器B中 CONB con——将一个常量值加载到寄存器B中 SAVEB mem——将寄存器B的内容保存到某个内存地址 SAVEC mem——将寄存器C的内容保存到某个内存地址 ADD——将A和B相加并将结果保存在C中 SUB——将A和B相减并将结果保存在C中 MUL——将A和B相乘并将结果保存在C中 DIV——将A和B相除并将结果保存在C中 COM——将A和B进行比较并将结果保存在测试寄存器中 JUMP addr——跳转到某

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以下是设计人员可以为例子中的微处理器建立的一组汇编语言指令：

• LOADA mem——将某个内存地址的数据加载到寄存器A中
• LOADB mem——将某个内存地址的数据加载到寄存器B中
• CONB con——将一个常量值加载到寄存器B中
• SAVEB mem——将寄存器B的内容保存到某个内存地址
• SAVEC mem——将寄存器C的内容保存到某个内存地址
• ADD——将A和B相加并将结果保存在C中
• SUB——将A和B相减并将结果保存在C中
• MUL——将A和B相乘并将结果保存在C中
• DIV——将A和B相除并将结果保存在C中
• COM——将A和B进行比较并将结果保存在测试寄存器中
• JUMP addr——跳转到某个地址
• JEQ addr——如果相等则跳转到某个地址
• JNEQ addr——如果不相等则跳转到某个地址
• JG addr——如果大于则跳转到某个地址
• JGE addr——如果大于或等于则跳转到某个地址
• JL addr——如果小于则跳转到某个地址
• JLE addr——如果小于或等于则跳转到某个地址
• STOP——停止执行

如果你读过C语言入门教程一文，那么会知道下面这段简单的C代码可计算5的阶乘（5的阶乘=5!=5X4X3X2X1=120）：

a=1; 
f=1; 
while (a<=5) 
{ 
    f=f*a; 
    a=a+1; 
} 

在程序执行末尾，变量f中包含了5的阶乘。

汇编语言

C编译器可将这段C代码编译为汇编语言。假定此处理器中RAM的地址从128开始，而ROM（包含汇编语言程序）的地址从0开始，那么对于我们这个简单的微处理器来说，该汇编语言看起来如下所示：

// 假定a位于地址128处
// 假定F位于地址129处
0   CONB 1      // a=1; 
1   SAVEB 128 
2   CONB 1      // f=1; 
3   SAVEB 129 
4   LOADA 128   // 如果a>5，则跳转到17
5   CONB 5 
6   COM 
7   JG 17 
8   LOADA 129   // f=f*a; 
9   LOADB 128 
10  MUL 
11  SAVEC 129 
12  LOADA 128   // a=a+1; 
13  CONB 1 
14  ADD 
15  SAVEC 128 
16  JUMP 4       // 进行循环，返回到比较部分 
17  STOP 

ROM

那么，现在的问题是：所有这些指令在ROM中是什么样的？所有这些汇编语言指令必须以二进制数字的形式表示。为了简单起见，我们假定每条汇编语言指令具有一个唯一的编号，如下所示：

• LOADA-1
• LOADB-2
• CONB-3
• SAVEB-4
• SAVEC mem-5
• ADD -6
• SUB -7
• MUL -8
• DIV -9
• COM -10
• JUMP addr -11
• JEQ addr -12
• JNEQ addr -13
• JG addr -14
• JGE addr -15
• JL addr -16
• JLE addr -17
• STOP -18

这些数字称作opcode（优化代码）。在ROM中，我们的小程序看起来如下所示：

// 假定a位于地址128处
// 假定F位于地址129处
地址 opcode/值 
0    3             // CONB 1 
1    1 
2    4             // SAVEB 128 
3    128 
4    3             // CONB 1 
5    1 
6    4             // SAVEB 129 
7    129 
8    1             // LOADA 128 
9    128 
10   3             // CONB 5 
11   5 
12   10            // COM 
13   14            // JG 17 
14   31 
15   1             // LOADA 129 
16   129 
17   2             // LOADB 128 
18   128 
19   8             // MUL 
20   5             // SAVEC 129 
21   129 
22   1             // LOADA 128 
23   128 
24   3             // CONB 1 
25   1 
26   6             // ADD 
27   5             // SAVEC 128 
28   128 
29   11            // JUMP 4 
30   8 
31   18            // STOP 

您可以看到，七行C代码变成了18行汇编语言，并且变成了ROM中的32个字节。

解码

指令解码器需要将每个opcode转变为一组能够驱动微处理器内部各个部件的信号。让我们以ADD指令为例，看看解码器都执行了哪些工作：

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