機械專業(yè)外文文獻翻譯-外文翻譯--中央微處理器CPU

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附錄 A 1 緒 論 央微處理器）的縮寫，它是計算機中最重要的一個部分，由運算器和控制器組成。 發(fā)展非常迅速，個人電腦從8088(展到現(xiàn)在的 時代，只經過了不到二十年的時間。其內部結構歸納起來都可以分為控制單元、邏輯單元和存儲單元三大部分，這三個部分相互協(xié)調，對命令和數(shù)據進行分析、判斷、運算并控制計算機各部分協(xié)調工作。 最初發(fā)展至今已經有二十多年的歷史了，可以說個人電腦的發(fā)展是隨著 1971年，英特爾公司推出了世界上第一款微處理器 4004，這是第一個可用于微型計算機的四位微處理器，它包含 2300 個晶體管。隨后英特爾又推出了 8008，由于運算性能很差，其市場反應十分不理想。 1974 年， 8008發(fā)展成 8080,成為第二代微處理器。 8080 作為代替電子邏輯電路的器件被用于各種應用電路和設備中，如果沒有微處理器 ,這些應用就無法實現(xiàn)。 由于微處理器可用來完成很多以前需要用較大設備完成的計算任務，價格又便宜，于是各半導體公司開始競相生產微處理器芯片。 司生產了 8080的增強型 托 羅拉公司生產了 6800，英特爾公司于 1976 年又生產了增強型 8085,但這些芯片基本沒有改變 8080 的基本特點，都屬于第二代微處理器。它們均采用 藝 ,集成度約 9000 只晶體管 ,平均指令執(zhí)行時間為 1μS ～2μS, 采用匯編語言、 程，使用單用戶操作系統(tǒng)。 微處理器或計算機是采用把眾多已連接好線并測試過的部件制作在很小的芯片上而造成的大規(guī)模集成技術。 處理器的結構 微處理器或計算機是采用把眾多已連接好線并測試過的部件制作在很小的芯片上而造成的大規(guī)模集成技術。所有的中央 處理單元或微處理器都包括以下基本部件。存儲器是能夠存儲一位或多位信息的媒體或裝置。計算機的存儲器可以分為兩個部分。微處理器或計算機這兩個術語經常相互使用，因此造成混亂。處于微計算機核心地位的微處理器僅是對數(shù)據進行操作的中央處理單元。把它變成微機系統(tǒng)，還需增加其他部件它們是存儲器以及輸入 /輸出部分。所有的這些功能由單個芯片或在一個電路板上的若干獨立芯片來實現(xiàn)。微處理器的控制系統(tǒng)的設計基礎依靠于輸入數(shù)據的操作方式和微處理器的結構?！靶酒钡淖置婧x是微處理器，是一硅片，其表面經過化學處理，摻入一些雜質以形成一定 數(shù)量的電阻、二極管和三極管電路。 微處理單元還包括一些由完成特定操作的結果決定其值為 1 或 0 的標志位。為特定應用而給微處理或計算機編程，經常要求程序員操作有關的寄存器或清除堆棧。因此，對從事微處理應用的人，了解上述基本部件的功能是十分重要的，所有的中央處理單元或微處理器都包括以下基本部件： (1)算術邏輯單元 微處理器的基本功能是依據特定的指令對數(shù)據操作。這一功能實際上就是由成的。由存儲器讀取指令，并放入指令寄存器。用 的累加器存放欲操作的數(shù)據之一，第二個數(shù)據可放在某一臨時寄存器中。 完成 的基本功能有二進制加法、減法、取反、邏輯與、或以及異或。乘除之類的功能，可通過不斷的加減來完成。數(shù)據操作完畢，運算數(shù)據便取代累加器中的原始數(shù)據。 (2)指令寄存器 指令寄存器是在程序指令期間的一個重要的元件。通常，計算機存儲器中的程序指令是按順序來進行的，每次是一條。根據是否滿足某些特定條件，也可能跳轉至其它程序段中的指令。所要執(zhí)行的程序指令的地址是通過從指令寄存器中取出實際的指令來確定的。接著是譯碼和對指令的解釋，以便決定 完成的操作。執(zhí)行完當前指令之后，下一條指令便裝入指令寄存器，這個過程是重復的 。 (3)通用寄存器 寄存器是微處理器芯片內部的存儲單元，可用它存放數(shù)值。微處理器操作中的絕大部分都可以認為是數(shù)據在不同寄存器間的傳遞。每個寄存器都有唯一的位置，并給以唯一的數(shù)地址。微處理器的存儲器可以認為是有大量的寄存器組成。這些寄存器可能是通用的或用于特定的功能。通用寄存器用作對其高速存取及數(shù)據操作。 累加器是有特殊功能的寄存器，我們以它為例子。該寄存器用來保存待操作的數(shù)據或數(shù)據操作結果。在存儲器、外部設備和累加器之間進行著大量的數(shù)據傳送。八位微處理器的累加器是八位的。 (4)變址 寄 存器 變址 寄 存器 是一個位于微處理器中的十六位內部寄存器。其內部在指令期間是要修改的（減少或增加）以便確定指令所涉及的存儲單元地址。變址寄存器用于變址尋址操作。 (5)標志寄存器 微處理器還有一些以二進制開關形式呈現(xiàn)的標志位。它們的狀態(tài)根據算術或邏輯運算的結果決定。例如，溢出標志位的狀態(tài)由累加器中的數(shù)據是否溢出而定的。還有，當指令執(zhí)行后，其值為零時，該標志位會有反應。符號位用來表示累加器中的數(shù)是正是負。某些微處理器有大量的標志位，它們的作用只有看相關手冊，生產廠家提供的。 (6)中斷向量寄存器 微處理器常常用來做實時 數(shù)據采集和過程控制。這就意味著微處理器必須有對優(yōu)先權很高的外部事件做出響應的能力。這種對 請求，可能來自若干外設中的一個。向量中斷過程便是要求中斷正在執(zhí)行的指令停止的外部裝置，并且在執(zhí)行完后，把程序控制轉到發(fā)出中斷申請的裝置服務的程序段去。同時還要必須規(guī)定好返回地址，以便原程序能從被中斷的地方重新開始。發(fā)中斷的外部裝置有數(shù)據段或向量來辨別。 (7)堆棧 許多微處理器的程序是一些子程序組成的。這些子程序用以完成程序主體中多次用到的一些功能。微處理器系統(tǒng)使用一段稱為堆棧的存儲器來存放各子程序的地址，以便主 程序能從被中斷轉去處理子程序的那個點在開始執(zhí)行。中斷處理過程用到堆棧。送入堆棧和從中取出的數(shù)據是按照壓入 /彈出方式進行的。最后一個數(shù)據入棧，存放在棧頂。從堆棧取出數(shù)據時，取出的最后一個入棧的數(shù)據，即彈出的是最后一個數(shù)據項。這一過程稱為后進先出和先進后出。其含義是：為取出最先入棧的數(shù)據項，必須先訪問所有其余數(shù)據項。由于程序中經常包括一些嵌套的子程序，而且最后的子程序是最先要完成的，故上述過程是很有用的。因此，只能按順序從堆棧中取出數(shù)據，不能像讀寫存儲器那樣，用隨機方式讀取。 (8)堆棧指針寄存器 堆棧有一定數(shù) 量的存儲單元。具體數(shù)量由微處理器的不同而不同。始終跟蹤項應寫入堆棧的那個存儲單元，是必要的。使用堆棧指針寄存器，便可達到目的。不同的微處理器有不同的慣例。在某些系統(tǒng)中，堆棧指針寄存器中保存的是下一個數(shù)據項所在的存儲單元的地址。而在另一些系統(tǒng)中，堆棧指針寄存器中保存的是下一個數(shù)據項所應占據的存儲單元的地址。當一個新的數(shù)據項入棧時，堆棧存儲地址減 1，以有利于隨后的數(shù)據裝入下一個較低的存儲單元。同樣，當從棧區(qū)取出一個數(shù)據時，堆棧指針將加 1。 (9)程序計數(shù)器 微處理器或計算機的指令是順序執(zhí)行，除非指令有安排。因此 ，就必須跟蹤有待執(zhí)行的下一條指令，一個叫程序計數(shù)器的 16 位寄存器就是用于此。首次執(zhí)行程序時，要初始化程序計數(shù)器，裝入程序執(zhí)行的第一條指令所在位置。一條指令執(zhí)行完后，程序計數(shù)器存放的將是下一條指令的地址。在程序正常執(zhí)行時，程序計數(shù)器的內容將加 1。可是，經常會遇到跳過好幾條指令的現(xiàn)象。這種情況下，可以用一些合適的指令來給程序計數(shù)器賦以不同的數(shù)值。例如，如果變址寄存器中存放這待執(zhí)行的下一條指令的地址，那么該地址便可裝入程序計數(shù)器，這是指令跳轉的一個方法。 (10)控制單元 微處理器中有一個操縱和監(jiān)督各種指令 和同步執(zhí)行的控制單元。該單元與提供時序和控制信號的時鐘相連接。在存儲器中取得指令，放到指令寄存器中，并由含有指令集合的指令譯碼器進行譯碼。譯碼后的指令便可執(zhí)行。下一條指令（在存儲器中）的地址，可從程序 計數(shù)器中取出，并裝入指令寄存器。整個過程周而復始。這種的取指、執(zhí)行的周期性過程是在很高的速度進行的。并因微處理器不同而不同，還取決于所執(zhí)行指令的復雜程度。取指和譯碼所需時間取決于常被稱為微循環(huán)時間的基本周期。 鐘 一個主時鐘在微機系統(tǒng)中被使用為了使數(shù)據傳送同步，。各種輸入 /輸出操作以及存儲器訪 問均要求有一個時間的參考。這可通過時鐘發(fā)生器產生的高速脈沖來實現(xiàn)。為生成時間脈沖，某些微處理器系統(tǒng)在微處理器芯片上設有時鐘電路；而其它微處理器，則使用時鐘芯片上的石英晶體。由于完成微處理系統(tǒng)中全部所需的時間與基本時間單元有關，因此高頻系統(tǒng)能在指定時間內執(zhí)行更多指令。 儲器 存儲器是能夠存儲一位或多位信息的媒體或裝置。在二進制系統(tǒng)中，一位以可能的狀態(tài)之一進行存儲，分別代表 0 和 1。觸發(fā)器就是一位存儲器的例子。配有合適的傳送裝置和讀寫電路的磁帶是大存儲器的另一極端例子，存儲能力在10 億之上。 計算 機的存儲器可以分為兩個部分。所有的計算機都有的部分主存儲器。第二部分被稱作是文件存儲器或輔助存儲器，在需要的時候常用存儲大量的信息。 主存儲器是由半導體器件組成的，其運行速度比文件存儲器快的多。一般的說，以零點幾微妙的時間即可對主存儲器存或讀取一個字或一組數(shù)據。 70 年代初期以前，計算機的主存是磁芯存儲器組成的。現(xiàn)在，只有少量計算機上使用磁芯存儲器，但很快被半導體存儲器取代。 文件存儲器可存儲大量信息，但需要的時間較長與主存來說相比。軟盤、硬盤和磁帶是典型的文件存儲器。比較小的文件系統(tǒng)也有用磁泡存儲器的。存 取時間隨著不同文件存儲器的不同而不同，有幾百微妙還有幾時毫秒的。 我們只討論半導體型主存儲器。半導體型存儲器分為兩大類：只讀存儲器（ 讀寫存儲器（ 后面的一個 隨機存取存儲器。隨機存取的意思是：訪問存儲器中任何單元的時間與訪問任何其它單元所需的時間大致相同。串行訪問系統(tǒng)的磁帶文件存儲器不是這樣的。從距讀頭 6 英寸的地方檢索一個字要比從距 1000 英尺出檢索的要快。不論是半導體 是 是隨機存取器件，因此把 做 不合適的。很遺憾，這種誤用由于很流行而不好更正。因此我們 討論 ，人們應該認為是 讀存儲器 當信息長期存儲而不做任何改變的場合我們要用 儲器。存儲器中每一存儲單元均可訪問以便讀出信息，但內容不便。當然，在使用前，存儲器必須先寫入正確的信息。這叫做對 編程。編程的方法是由制造商家完成的。在制造半導體的過程中，應用合適的光膜技術，將需要的數(shù)據便可編程寫入 個方法叫掩膜編程。這些 內容再也不可修改。另一種方法可由用戶編程。這種可編程 能編寫一次，雖然以后 內容還可作一些次數(shù)的修改。在這種器 件中，全部存儲單元的初始狀態(tài)是相同的。例如，全部為“ 1”狀態(tài)。經過一些規(guī)定的步驟，就可將“ 0”寫入 適的位置。要寫入“ 0”，在電路可以熔化的連線中通過足夠強的電流，是連線汽化即可。但此金屬連線汽化，該電路保持“ 0”態(tài)。存儲在電路中的這一位再也不能變成“ 1”。一旦編程，唯一可做的是將“ 1”變?yōu)椤?0”。這種 時被稱為現(xiàn)場可編程只讀存儲器或用在少數(shù)系統(tǒng)中。 近幾年來，出現(xiàn)了另兩種重要的 一種是紫外線可擦除的 是通過對每一存儲單元尋址并對其用一定電壓來編程的 ，除非半導體芯片暴露在強紫外線照射下，否則儲存的各位保持不變。石英覆蓋的窗口作暴光用。在特定的紫外線光源照射下，典型的時間是 15 分鐘。 用設計和系統(tǒng)調試開發(fā)工作。一旦系統(tǒng)能按照設計要求工作，就可以用掩膜可編程 行生產。很多 有和 容的引腳，以致于 容易變成 第二種可擦除的 電可擦除的 為 1980 年來，這種器件發(fā)展很快，使非易失性的 為可能。簡單的說 一種易失性的器件，也可以這樣認為，掉電時，存儲器的內容 也會丟失。在有些應用中，存儲器能夠寫入，而且，沒電時能夠保持信息，是必要的，理想的。 1982 年，兩家公司聲稱 以作為 備用系統(tǒng)。這些系統(tǒng)中的內容反復地隨著息更新。如果掉電， 無限期的保存其中的內容不變。 寫存儲器（ 于存儲器的內容能夠改變的系統(tǒng)中。對這種器件的存儲單元訪問和讀寫時間只有一微秒分之幾。遺憾的是， 一種易失性的存儲器，但系統(tǒng)斷電時，內容便丟失。 可用兩種方法在半導體中存儲數(shù)據。一種是數(shù)據以雙穩(wěn)觸發(fā)器單元的狀態(tài)來表示 ，存儲單元就能保存它的內容，只要器件供應直流電。這種稱為靜態(tài) 另一種半導體 動態(tài) 是晶體管一電容器存儲單元。 在更小的芯片上得以實現(xiàn)，和六晶體管靜態(tài) 儲單元相比，。容量相當可觀的存儲器可在芯片上用 儲單元制成。 第二個優(yōu)點是它把二進制的一位信息作為電荷而不是雙穩(wěn)態(tài)儲存在電容上，因為儲存和保持電容上電荷要比保持雙穩(wěn)態(tài)耗電量少的多。 要缺點是為刷新和保持電容單元上的電荷，需要復雜的刷新的電路。此電路增加了小型 每個存儲單元的成本，因 此靜態(tài) 常在價格上更具優(yōu)勢。在大型系統(tǒng)中，刷新電路所增加的額外成本讓更多的存儲單元所分擔，致使 位成本較低。因此，大型計算機系統(tǒng)常用 儲器，而存儲器較小的系統(tǒng)一般用靜態(tài) 在計算機中， 來存儲不改變的指令和常量，而 來存儲經常需要改變的數(shù)據和指令。程序可存在磁盤和磁帶上然后裝入 使程序得以執(zhí)行。這就允許許多不同的程序在同一臺計算機上運行在不同的時間。 附錄 B 1 PU it is in a is by PU is 088(to 0 to to on of at 0 is PU 971, in 004, is in it 300 008, is is 974, 8008 080, of to in of if to to to 080 80, 800, 976 8085, 080 to of 000 μS~2μS, or on or on or is or or Is at is on to is as as by or in in “is a is a in to by to to or to or to is in is or (1) of is to to is by is in An LU is to of to be A be in a by LU R, R. as by in (2) is an of in in a at a of it is to to of of is by of is in is by of to to be by of is is (3) A is a be to of be as of be to of a of be or be to of is an of a a is to to be or of a (4) he is a 16is or of an to be by (5) in of is as a of of or of is as a of of in a in of an a is to or of a in a of be by by (6) be to to if of of a of is to of to to It is to so at is by a or a (7) of a of in of a to as so be at it to is of to in a is or on of of on be is to n, to of it be to is is to be be in a in a as is (8) he a of It is to of on of be is by a in In a of in In in be a is or is so go a is or is . (9) he in a It is to of to be a 16to as is a is is to in of to be by of an of of a of . it is to a of be in to a to if of to be be is of of a (10) he a of is to An is in by in of is is is of is at to of to be to as is in a to of A is to is by a on to to to in a is to a it to a of a of is a or of or of In a is as of a1 .A is an of a 1a of a an be to is A or is to of if is of at t