微处理器架构

微处理器是计算机的CPU（中央处理器）。它是计算机的心脏。在这里，我们将介绍Intel 8085，因为它是一种最受欢迎的8位微处理器。

Intel 8085

Intel 8085是一款由Intel于1977年设计的8位NMOS微处理器。

它具有以下配置

• 它是一个40引脚的集成电路封装，采用单个LSI芯片制造。
• Intel 8085在运行过程中使用+5V直流单电源。
• Intel 8085的时钟速度约为3 MHz；时钟周期为320ns。
• 8位数据总线。
• 地址总线为16位，可寻址高达64KB
• 16位堆栈指针
• 16位PC（程序计数器）
• 六个8位寄存器成对排列：BC、DE、HL

Intel 8085用于手机、微波炉、洗衣机等。

下图显示了Intel 8085的框图

ALU

算术逻辑单元ALU执行算术和逻辑运算

• 加法
• 减法
• 逻辑与
• 逻辑或
• 逻辑异或
• 求反（逻辑非）
• 增一（加1）
• 减一（减1）
• 左移、左循环、右循环
• 清除等。

时序与控制单元

时序与控制单元是CPU的一部分。

• 它用于生成执行指令所需的时序和控制信号。
• 它用于控制CPU和外围设备（包括内存）之间的数据流。
• 它用于提供内存和I/O设备运行所需的总线状态、控制和时序信号。
• 它用于控制微处理器及其连接外围设备的整个操作。

因此，我们可以看到CPU的控制单元就像计算机系统的“大脑”。

寄存器

寄存器用于微处理器临时存储和操作数据及指令。数据会保留在寄存器中，直到被发送到I/O设备或内存。Intel 8085微处理器具有以下寄存器

• 一个8位累加器（ACC），即寄存器A
• 六个8位通用寄存器，它们是B、C、D、E、H和L寄存器
• 一个16位堆栈指针，SP
• 一个16位程序计数器，PC
• 指令寄存器
• 临时寄存器

除了上述寄存器外，8085微处理器还包含一组五个触发器，用作标志（或状态标志）。

标志是触发器，它指示算术或逻辑指令执行后出现的某些条件。

1. 累加器（ACC）：累加器是与ALU关联的一个8位寄存器。8085中的寄存器“A”是累加器。它用于保存算术和逻辑运算的一个操作数。
   算术或逻辑运算的最终结果也存储在累加器中。
2. 通用寄存器：8085微处理器包含六个8位通用寄存器。它们是：B、D、C、E、H和L寄存器。
   要存储16位数据，可以使用两个8位寄存器的组合。
   两个8位寄存器的组合称为寄存器对。8085中有效的寄存器对是：D-E、B-C和H-L。H-L对用作内存指针。
3. 程序计数器（PC）：它是一个16位特殊用途寄存器。它用于保存要执行的下一条指令的内存地址。在程序指令执行过程中，它会跟踪指令。
   微处理器在执行指令期间会递增下一个程序计数器的内容，以便在指令执行结束时，它指向程序中的下一条指令的地址。
4. 堆栈指针（SP）：它是一个16位特殊功能寄存器，用作内存指针。堆栈不过是RAM的一部分。在堆栈中，只保存了程序后续部分需要的寄存器内容。
   堆栈指针（SP）控制堆栈的寻址。堆栈指针包含存储在堆栈中的数据顶元素的地址。
5. 指令寄存器：指令寄存器保存正在解码和执行的指令的操作码（操作码或指令码）。
6. 临时寄存器：它是一个与ALU关联的8位寄存器。它在算术/逻辑运算期间保存数据。它由微处理器使用。程序员无法访问它。
7. 标志：Intel 8085微处理器包含五个触发器作为状态标志。触发器根据算术或逻辑运算期间出现的条件进行复位或设置。

Intel 8085的五个状态标志是

• 进位标志 (CS)
• 奇偶标志 (P)
• 辅助进位标志 (AC)
• 零标志 (Z)
• 符号标志 (S)

如果某个标志的触发器被置位，则表示1。当它被复位时，表示0。

数据和地址总线

• Intel 8085是一款8位微处理器。其数据总线为8位宽，因此可以并行地从微处理器传输或到微处理器8位数据。
• Intel 8085需要一个16位宽的地址总线，因为内存地址是16位的。
• 地址的8个最高有效位通过地址总线A总线（引脚A₈ ? A₁₅）传输。
• 地址的8个最低有效位通过数据/地址总线AD总线（引脚AD₀ ? AD₇）传输。

引脚配置

图：Intel 8085微处理器引脚图

各种引脚的描述如下

地址总线和数据总线

• A₈ ? A₁₅ (输出)：这是地址总线，用于内存地址的最高有效位或I/O地址的8位。
• AD₀ ? AD₇ (输入/输出)：这些是时间复用的地址/数据总线，即它们具有双重功能。在第一个周期中，它们用于内存地址或I/O地址的最低8位。在第二和第三个时钟周期中，它们用于数据。

控制和状态信号

• ALE (输出)：ALE代表地址锁存使能信号。ALE在机器周期的第一个时钟周期内变为高电平，并使能低8位地址被锁存到内存或外部锁存器中。
• IO/M (输出)：这是一个状态信号，用于区分地址是用于内存还是I/O设备。
• S₀, S₁ (输出)：这是微处理器发送的状态信号，用于区分各种操作类型，如下表所示

Intel 8085的状态码

• RD (输出)：RD是读取操作的控制信号。当它变为低电平时，读取选定的I/O设备或内存。
• WR (输出)：WR是写入操作的控制信号。当它变为低电平时，将数据总线的数据写入选定的内存或I/O位置。
• READY (输入)：微处理器使用它来检测外围设备是否准备好传输数据。如果READY为高电平，则外围设备已准备好。如果为低电平，则微处理器将等待直到它变为高电平。

中断和外部触发信号

• HOLD (输入)：HOLD指示另一个设备正在请求使用地址和数据总线。
• HLDA (输出)：HLDA是HOLD确认信号，表示已收到HOLD请求。移除此请求后，HLDA变为低电平。
• INTR (输入)：INTR是中断请求信号。在中断中，它具有最低优先级。INTR可以通过软件启用或禁用。
• INTA (输出)：INTA是微处理器在收到INTR后发送的中断确认信号。
• RST 5.5, 6.5, 7.5 和 TRAP (输入)：这些都是中断。当识别到任何中断时，将从内存中的固定位置执行下一条指令，如下所示

RST 7.5、RST 6.5和RST 5.5是重启中断，它们会导致自动插入内部重启。

TRAP在中具有最高优先级。中断的优先级顺序如下

• TRAP (最高优先级)
• RST 7.5
• RST 6.5
• RST 5.5
• INTR (最低优先级)。

复位信号

• RESET IN (输入)：它将程序计数器（PC）复位为0。它还会复位中断使能和HLDA触发器。在应用RESET之前，CPU一直处于复位状态。
• RESET OUT (输出)：RESET OUT指示CPU正在被复位。

时钟信号

• X₁, X₂ (输入)：X1和X2是连接到外部晶体振荡器的端子，该振荡器驱动微处理器的内部电路。它用于产生适合微处理器运行的时钟。
• CLK (输出)：CLK是供用户使用的时钟输出，可用于其他数字IC。其频率与处理器运行的频率相同。

串行I/O信号

• SID (输入)：SID是串行输入的数据线。执行RIM指令时，此线上的数据会加载到累加器的第七位。
• SOD (输出)：SOD是串行输出的数据线。执行SIM指令时，累加器的第七位会输出到SOD线。

电源

V_cc：+5V电源

V_ss：地参考

8085指令

计算机的指令是给计算机执行特定操作的命令。Intel 8085微处理器的一些指令是：MOV、MVI、LDA、STA、ADD、SUB、RAL、INR、MVI等。

操作码和操作数

每条指令包含两个部分：操作码（Operation code）和操作数。

指令的第一部分，指定计算机要执行的任务，称为操作码。

指令的第二部分是要操作的数据，称为操作数。指令中给出的操作数（或数据）可能以各种形式存在，例如8位或16位数据，8位或16位地址，内部寄存器，或寄存器或内存位置。

指令字长

数字计算机理解用二进制代码（机器码）编写的指令。并非所有指令的二进制代码长度都相同。

根据字长，Intel 8085指令分为以下三类

1. 单字节指令
2. 双字节指令
3. 三字节指令

1. 单字节指令：单字节指令的示例如下

• MOV A, B - 将寄存器B的内容移动到寄存器A。
• ADD B - 将寄存器B的内容加到累加器的内容上。

以上两个示例都只有一字节长。所有单字节指令都在操作码本身中包含有关操作数的信息。

2. 双字节指令：在双字节指令中，指令的第一个字节是其操作码，第二个字节是数据或地址。

示例

           MVI B, 05; 将05移入寄存器B。

           06, 05; MVI B, 05 以代码形式表示。

第一个字节06是MVI B的操作码，第二个字节05是要移入寄存器B的数据。

3. 三字节指令：指令的第一个字节是其操作码，第二个和第三个字节是16位数据或16位地址。

示例

           LXI H, 2400H; 将2400H加载到H-L对

           21, 00, 24; LXI H, 2400H 以代码形式表示

第一个字节21是LXI H指令的操作码。第二个字节00是数据（2400H）的8个低位，加载到寄存器L。第三个字节24是数据（2400H）的8个高位，加载到寄存器H。

指令周期

从内存中获取指令和必要数据并执行所需的时间称为指令周期。或者执行一条指令的总时间由

      IC = FC + EC

其中，

IC = Instruction Cycle
FC = Fetch Cycle
EC = Execute Cycle

指令周期时序图

• 获取指令（取指令周期）

在取指令周期开始时，程序计数器（PC）的内容（即操作码所在内存位置的地址）被发送到内存。内存将操作码放在数据总线上，以便传输到CPU。

获取操作码的整个操作需要三个时钟周期。慢速内存可能需要更长时间。

• 解码指令（解码周期）

从内存获取的操作码会转到数据寄存器DR，然后转到指令寄存器IR。从IR它会传递到解码器电路，该电路会解码指令。解码器电路位于微处理器内部。

• 执行指令（执行周期）

指令解码后，开始执行。

如果操作数驻留在通用寄存器中，则立即执行。解码和执行指令所需的时间是一个时钟周期。

在某些情况下，执行周期可能涉及一个或多个读周期或写周期，或两者都涉及。

读周期：如果指令包含位于内存中的数据或操作数地址，CPU必须执行一些读操作才能获取所需数据。在读周期的情况下，从内存接收到的指令是数据或操作数地址，而不是操作码。

写周期：在写周期中，数据从CPU发送到内存或输出设备。

• 机器周期和状态

执行访问内存或输入/输出设备的操作所需的步骤构成一个机器周期。换句话说，执行取指、读或写操作所需的步骤构成一个机器周期。

在一次时钟周期内执行的操作的一个细分称为一个状态或T状态。简而言之，系统时钟的一个时钟周期被称为一个状态。

时序图

机器周期中执行的必要步骤可以用图形表示。这种图形表示称为时序图。下面将讨论操作码取指、内存读、内存写、I/O读和I/O写的时序图。

• 操作码取指周期时序图

• 内存读时序图

• 内存写时序图

• I/O读时序图

• I/O写时序图

在上述图中，使用的基本参数是

ALE：ALE指示复用地址/数据线上是否存在有效地址。当它为高电平（1）时，它充当地址总线；当它为低电平（0）时，它充当数据总线。

RD（低电平有效）：如果它为高电平（1），则微处理器不读取数据。如果信号为低电平（0），则微处理器读取数据。

WR（低电平有效）：如果它为高电平（1），则微处理器不写入数据。如果信号为低电平（0），则微处理器将数据写入。

IO/M（低电平有效）：该信号上的高电平（1）表示I/O操作，而低电平（0）表示内存操作。

S₀, S₁：S0和S1指示正在进行的机器周期类型。

下表显示了不同操作下不同控制信号的状态