第6章控制器原理

1、2022-6-27 2011 第7版1第第 6 6 章章 控制系統(tǒng)與控制系統(tǒng)與CPU 2022-6-272本章學(xué)習(xí)內(nèi)容 控制器的功能與組成控制器的功能與組成 控制方式與時(shí)序系統(tǒng)控制方式與時(shí)序系統(tǒng) CPUCPU的總體結(jié)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu) 組合邏輯控制器設(shè)計(jì)組合邏輯控制器設(shè)計(jì) 微程序控制器設(shè)計(jì)微程序控制器設(shè)計(jì)2022-6-2736.1 6.1 控制器概述控制器概述 控制器和運(yùn)算器一起組成中央處理器，即控制器和運(yùn)算器一起組成中央處理器，即CPU（Central Process Unit） 。 控制器的功能控制器的功能 根據(jù)事先編好并存放在存儲(chǔ)器中的解題程根據(jù)事先編好并存放在存儲(chǔ)器中的解題程序，控制各部件有

2、條不紊地、自動(dòng)協(xié)調(diào)地序，控制各部件有條不紊地、自動(dòng)協(xié)調(diào)地進(jìn)行工作。進(jìn)行工作。2022-6-274 控制器是計(jì)算機(jī)的指揮和控制中心，由控制器是計(jì)算機(jī)的指揮和控制中心，由它把計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、它把計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備設(shè)備等聯(lián)系成一個(gè)有機(jī)的系統(tǒng)，并根據(jù)各部等聯(lián)系成一個(gè)有機(jī)的系統(tǒng)，并根據(jù)各部件具體要求，適時(shí)地發(fā)出各種控制命令，件具體要求，適時(shí)地發(fā)出各種控制命令，控制計(jì)算機(jī)各部件自動(dòng)、協(xié)調(diào)地進(jìn)行工控制計(jì)算機(jī)各部件自動(dòng)、協(xié)調(diào)地進(jìn)行工作。作。2022-6-275 計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序的基本過(guò)程：計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序的基本過(guò)程： 1.1.取指令取指令 根據(jù)指令地址（由根據(jù)指令地址（由PCPC提供），從

3、存儲(chǔ)器中取提供），從存儲(chǔ)器中取出所要執(zhí)行的指令出所要執(zhí)行的指令6.1.1 6.1.1 指令執(zhí)行的基本步驟指令執(zhí)行的基本步驟 2022-6-2762.2.分析指令分析指令 對(duì)取出的指令進(jìn)行譯碼分析。確定指對(duì)取出的指令進(jìn)行譯碼分析。確定指令應(yīng)完成的操作，產(chǎn)生相應(yīng)操作的控制令應(yīng)完成的操作，產(chǎn)生相應(yīng)操作的控制電位，參與形成該指令功能所需要的全電位，參與形成該指令功能所需要的全部控制命令（微操作控制信號(hào)）。部控制命令（微操作控制信號(hào)）。 根據(jù)尋址方式的分析和指令功能要求，根據(jù)尋址方式的分析和指令功能要求，形成操作數(shù)的有效地址，并按此地址取形成操作數(shù)的有效地址，并按此地址取出操作數(shù)據(jù)（運(yùn)算型指令）或形成轉(zhuǎn)

4、移出操作數(shù)據(jù)（運(yùn)算型指令）或形成轉(zhuǎn)移地址地址( (轉(zhuǎn)移類指令轉(zhuǎn)移類指令) )，以實(shí)現(xiàn)程序轉(zhuǎn)移。，以實(shí)現(xiàn)程序轉(zhuǎn)移。2022-6-277 3.3.執(zhí)行指令執(zhí)行指令： 根據(jù)指令分析所產(chǎn)生的操作控制信號(hào)和根據(jù)指令分析所產(chǎn)生的操作控制信號(hào)和形成的有效地址，按一定的算法形成指形成的有效地址，按一定的算法形成指令操作控制序列，控制有關(guān)部件完成指令操作控制序列，控制有關(guān)部件完成指令規(guī)定的功能。令規(guī)定的功能。 一條指令執(zhí)行結(jié)束，若沒(méi)有異常情況和一條指令執(zhí)行結(jié)束，若沒(méi)有異常情況和特殊請(qǐng)求，則按程序順序，再去取出并特殊請(qǐng)求，則按程序順序，再去取出并執(zhí)行下一條指令。執(zhí)行下一條指令。2022-6-278控制器的任務(wù)控制

5、器的任務(wù) 按取指令、分析指令、執(zhí)行指令這樣的按取指令、分析指令、執(zhí)行指令這樣的步驟進(jìn)行周而復(fù)始的控制過(guò)程，直到完步驟進(jìn)行周而復(fù)始的控制過(guò)程，直到完成程序所規(guī)定的任務(wù)并停機(jī)為止。成程序所規(guī)定的任務(wù)并停機(jī)為止。2022-6-279指令指令A(yù)DD AADD A，R R7 7的執(zhí)行過(guò)程的執(zhí)行過(guò)程 PC A ALU ID PLA IR 控制信號(hào) R0 R7 RF MAR +1 MEM MDR 取指令 分析 (PC)+1 執(zhí)行 存結(jié)果 取指令 CPU RAM 2022-6-2710程序的執(zhí)行過(guò)程程序的執(zhí)行過(guò)程 設(shè)有程序：設(shè)有程序： MOV AL，07H ADD AL，0AH MOV 20H，AL (1)

6、指令長(zhǎng)度均為指令長(zhǎng)度均為2字節(jié)，其中第一字節(jié)字節(jié)，其中第一字節(jié)為操作碼部分，第二字節(jié)為形式地址部為操作碼部分，第二字節(jié)為形式地址部分。分。 (2) 程序存放在以程序存放在以00H開始的區(qū)域內(nèi)。開始的區(qū)域內(nèi)。2022-6-2711程序執(zhí)行過(guò)程演示程序執(zhí)行過(guò)程演示2022-6-27126.1.2 6.1.2 控制器的基本功能控制器的基本功能 1 1控制指令的正確執(zhí)行控制指令的正確執(zhí)行 包括指令流出的控制，分析指令和執(zhí)行指令的控包括指令流出的控制，分析指令和執(zhí)行指令的控制，指令流向的控制。制，指令流向的控制。 指令流出控制（對(duì)取指令的控制）指令流出控制（對(duì)取指令的控制） 取指令時(shí)需進(jìn)行的操作取指令時(shí)

7、需進(jìn)行的操作 (PC)MAR(PC)MAR，Read Read ；給出指令地址，并向；給出指令地址，并向MEMMEM發(fā)發(fā) 出讀命令出讀命令 (MDR)IR (MDR)IR ；讀出的指令經(jīng)；讀出的指令經(jīng)MDRMDR存放到指存放到指 令寄存器令寄存器IRIR中中 (PC)(PC)增量增量PC PC ；為取下一條指令作準(zhǔn)備；為取下一條指令作準(zhǔn)備2022-6-2713 分析指令和執(zhí)行指令的控制分析指令和執(zhí)行指令的控制 IRIR中的指令經(jīng)指令譯碼器中的指令經(jīng)指令譯碼器(ID)(ID)譯碼分析，確定譯碼分析，確定操作性質(zhì)，判明尋址方式并形成操作數(shù)的有效操作性質(zhì)，判明尋址方式并形成操作數(shù)的有效地址。地址。

8、控制器根據(jù)分析的結(jié)果和形成的有效地址產(chǎn)生控制器根據(jù)分析的結(jié)果和形成的有效地址產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號(hào)序列，控制有關(guān)的部件完相應(yīng)的操作控制信號(hào)序列，控制有關(guān)的部件完成指令所規(guī)定的操作功能。成指令所規(guī)定的操作功能。 例：設(shè)某指令的例：設(shè)某指令的IRIR1515IRIR121200000000時(shí)為時(shí)為MOVMOV指令，指令，則則 MOV MOV 的控制信號(hào)為：的控制信號(hào)為：12131415IRIRIRIRMOV2022-6-2714 指令流向的控制指令流向的控制 指令流向控制即下條指令地址的形成控制。指令流向控制即下條指令地址的形成控制。 按指令序列順序執(zhí)行時(shí)，通過(guò)按指令序列順序執(zhí)行時(shí)，通過(guò)PCPC自

9、動(dòng)增量自動(dòng)增量形成下條指令的地址。形成下條指令的地址。 當(dāng)需要改變指令流向時(shí)，需改變程序計(jì)數(shù)當(dāng)需要改變指令流向時(shí)，需改變程序計(jì)數(shù)器器PCPC中的內(nèi)容。中的內(nèi)容。 轉(zhuǎn)移指令的執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令的執(zhí)行：把形成的轉(zhuǎn)向地址送入：把形成的轉(zhuǎn)向地址送入PCPC； 轉(zhuǎn)子指令的執(zhí)行轉(zhuǎn)子指令的執(zhí)行：把子程序入口地址送入：把子程序入口地址送入PCPC； 中斷處理中斷處理：將中斷服務(wù)程序入口地址送入：將中斷服務(wù)程序入口地址送入PCPC。 為了正確返回，轉(zhuǎn)子和中斷還需保留為了正確返回，轉(zhuǎn)子和中斷還需保留PCPC被改變被改變之前的內(nèi)容之前的內(nèi)容( (即返回地址即返回地址) )。2022-6-2715 2.2.控制程序和數(shù)據(jù)的

10、輸入及結(jié)果的輸出控制程序和數(shù)據(jù)的輸入及結(jié)果的輸出 為完成某項(xiàng)任務(wù)而編制的程序及所需數(shù)據(jù)，必須為完成某項(xiàng)任務(wù)而編制的程序及所需數(shù)據(jù)，必須通過(guò)某些輸入設(shè)備預(yù)先存放在存儲(chǔ)器中，運(yùn)算結(jié)通過(guò)某些輸入設(shè)備預(yù)先存放在存儲(chǔ)器中，運(yùn)算結(jié)果要用輸出設(shè)備輸出。所以必須由控制器統(tǒng)一指果要用輸出設(shè)備輸出。所以必須由控制器統(tǒng)一指揮，完成程序和數(shù)據(jù)的輸入及結(jié)果的輸出。揮，完成程序和數(shù)據(jù)的輸入及結(jié)果的輸出。 3 3異常情況和特殊請(qǐng)求的處理異常情況和特殊請(qǐng)求的處理 機(jī)器在運(yùn)行程序過(guò)程中，往往可能會(huì)遇到一些異機(jī)器在運(yùn)行程序過(guò)程中，往往可能會(huì)遇到一些異常情況（如電源掉電、運(yùn)算溢出等）或某些特殊常情況（如電源掉電、運(yùn)算溢出等）或某些

11、特殊請(qǐng)求（如打印機(jī)請(qǐng)求傳送打印字符等）。這些異請(qǐng)求（如打印機(jī)請(qǐng)求傳送打印字符等）。這些異常和請(qǐng)求往往是事先無(wú)法預(yù)測(cè)的，控制器必須具常和請(qǐng)求往往是事先無(wú)法預(yù)測(cè)的，控制器必須具有檢測(cè)和處理這些異常情況和特殊請(qǐng)求的功能。有檢測(cè)和處理這些異常情況和特殊請(qǐng)求的功能。2022-6-2716 宏觀上每條指令的執(zhí)行過(guò)程均是宏觀上每條指令的執(zhí)行過(guò)程均是取指、取指、譯碼、執(zhí)行譯碼、執(zhí)行，但每條指令有不同的操作，但每條指令有不同的操作序列，需要在不同時(shí)間產(chǎn)生不同的控制序列，需要在不同時(shí)間產(chǎn)生不同的控制序列，并有嚴(yán)格的時(shí)序要求?？刂破鞅匦蛄校⒂袊?yán)格的時(shí)序要求。控制器必須根據(jù)不同指令產(chǎn)生不同的控制序列。須根據(jù)不同指令

12、產(chǎn)生不同的控制序列。 控制器在工作時(shí)，需要根據(jù)不同的指令、控制器在工作時(shí)，需要根據(jù)不同的指令、不同的狀態(tài)條件，在不同的時(shí)間，產(chǎn)生不同的狀態(tài)條件，在不同的時(shí)間，產(chǎn)生不同的控制信號(hào)，控制計(jì)算機(jī)的各部件不同的控制信號(hào)，控制計(jì)算機(jī)的各部件自動(dòng)、協(xié)調(diào)地進(jìn)行工作。自動(dòng)、協(xié)調(diào)地進(jìn)行工作。2022-6-2717指指令令執(zhí)執(zhí)行行的的一一般般流流程程 開 始 取 指 令 ， PC 增 量 PC 分 析 指 令 取 操 作 數(shù) 計(jì) 算 地 址 執(zhí) 行 轉(zhuǎn) 移 ， 轉(zhuǎn) 向 地 址 PC 執(zhí) 行 指 令 ， 保 存 結(jié) 果 尋 址 ？ 轉(zhuǎn) 移 指 令 ？ 異 常 /中 斷 ？ 轉(zhuǎn) 去 處 理 Y Y Y N N N 2

13、022-6-2718 6.1.3 6.1.3 控制器的組成控制器的組成 時(shí)序信號(hào)發(fā)生器 指令譯碼器 地址形成部件 操作碼 尋址方式 地址碼 啟停電路 程序狀態(tài)寄存器 中斷控制邏輯 控制臺(tái) 脈沖源 I/O 狀態(tài)信息 微操作控制信號(hào) 微操作控制信號(hào)形成部件 程序計(jì)數(shù)器 ALU 通用寄存器組 DB AB DB 指令寄存器 至 MAR或 ALU 至 MAR 增量 2022-6-2719 指令部件的主要功能是完成取指令和分析指令。指令部件的主要功能是完成取指令和分析指令。 程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器 PC （指令計(jì)數(shù)器、指令地址寄存（指令計(jì)數(shù)器、指令地址寄存器）器） PC用于保證程序按規(guī)定的序列正確運(yùn)行，并提

14、供用于保證程序按規(guī)定的序列正確運(yùn)行，并提供將要執(zhí)行指令的地址。將要執(zhí)行指令的地址。 由于由于PC可以指向主存中任一單元的地址，因此它可以指向主存中任一單元的地址，因此它的位數(shù)應(yīng)能表示主存的最大容量并與主存地址寄的位數(shù)應(yīng)能表示主存的最大容量并與主存地址寄存器存器MAR的位數(shù)相同。的位數(shù)相同。1 1指令部件指令部件2022-6-2720 在在CPU中可以單獨(dú)設(shè)置程序計(jì)數(shù)器，也可以指中可以單獨(dú)設(shè)置程序計(jì)數(shù)器，也可以指定通用寄存器中的某一個(gè)作為定通用寄存器中的某一個(gè)作為PC使用。使用。 程序順序執(zhí)行時(shí)的程序順序執(zhí)行時(shí)的PC增量可以通過(guò)增量可以通過(guò)PC本身的本身的計(jì)數(shù)邏輯實(shí)現(xiàn)，也可以由運(yùn)算器的計(jì)數(shù)邏輯實(shí)

15、現(xiàn)，也可以由運(yùn)算器的ALU實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)。不同機(jī)器，實(shí)現(xiàn)方法可有所不同。不同機(jī)器，實(shí)現(xiàn)方法可有所不同。2022-6-2721 (2) (2) 指令寄存器指令寄存器 IRIR 指令寄存器用于存放當(dāng)前正在執(zhí)行的指令。指令寄存器用于存放當(dāng)前正在執(zhí)行的指令。 當(dāng)指令從主存取出后，經(jīng)當(dāng)指令從主存取出后，經(jīng)MDRMDR傳送到指令寄存器傳送到指令寄存器中，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)一條指令執(zhí)行的全部過(guò)程的控制。中，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)一條指令執(zhí)行的全部過(guò)程的控制。 2022-6-2722 (3) (3) 指令譯碼器指令譯碼器 IDID 指令譯碼器是指令分析部件，對(duì)指令寄存器中指令譯碼器是指令分析部件，對(duì)指令寄存器中的指令操作碼進(jìn)行譯碼分

16、析，產(chǎn)生相應(yīng)操作的的指令操作碼進(jìn)行譯碼分析，產(chǎn)生相應(yīng)操作的控制電位，提供給微操作控制信號(hào)形成部件。控制電位，提供給微操作控制信號(hào)形成部件。對(duì)尋址方式字段進(jìn)行譯碼分析，以控制操作數(shù)對(duì)尋址方式字段進(jìn)行譯碼分析，以控制操作數(shù)有效地址的形成。有效地址的形成。 (4) (4) 地址形成部件地址形成部件 根據(jù)機(jī)器所規(guī)定的各種尋址方式，形成操作數(shù)根據(jù)機(jī)器所規(guī)定的各種尋址方式，形成操作數(shù)有效地址。有效地址。 在一些微、小型機(jī)中，為簡(jiǎn)化硬件邏輯，通常在一些微、小型機(jī)中，為簡(jiǎn)化硬件邏輯，通常不設(shè)置專門的地址形成部件，而是借用運(yùn)算器不設(shè)置專門的地址形成部件，而是借用運(yùn)算器實(shí)現(xiàn)有效地址的計(jì)算。實(shí)現(xiàn)有效地址的計(jì)算。20

17、22-6-27232 2時(shí)序控制部件時(shí)序控制部件 時(shí)序控制部件時(shí)序控制部件：用于產(chǎn)生一系列時(shí)序信號(hào)，為各：用于產(chǎn)生一系列時(shí)序信號(hào)，為各個(gè)微操作定時(shí)，以保證各個(gè)微操作的執(zhí)行順序個(gè)微操作定時(shí)，以保證各個(gè)微操作的執(zhí)行順序。 從宏觀從宏觀( (即程序控制即程序控制) )上看，計(jì)算機(jī)的解題過(guò)程實(shí)上看，計(jì)算機(jī)的解題過(guò)程實(shí)質(zhì)上是指令序列即一條條指令的執(zhí)行過(guò)程。質(zhì)上是指令序列即一條條指令的執(zhí)行過(guò)程。 從微觀從微觀( (即指令控制即指令控制) )上看，計(jì)算機(jī)的解題過(guò)程是上看，計(jì)算機(jī)的解題過(guò)程是微操作序列即一個(gè)個(gè)微操作序列即一個(gè)個(gè)( (或一組組或一組組) )微操作的執(zhí)行過(guò)微操作的執(zhí)行過(guò)程。程。 微操作微操作：機(jī)器

18、最簡(jiǎn)單的基本操作：機(jī)器最簡(jiǎn)單的基本操作 一條指令的執(zhí)行過(guò)程可以分解為若干微操作。這一條指令的執(zhí)行過(guò)程可以分解為若干微操作。這些微操作有著嚴(yán)格的時(shí)間順序要求，不可隨意顛些微操作有著嚴(yán)格的時(shí)間順序要求，不可隨意顛倒。倒。2022-6-2724 (1)(1)脈沖源脈沖源 脈沖源用于產(chǎn)生一定頻率的主時(shí)鐘脈沖。一般采脈沖源用于產(chǎn)生一定頻率的主時(shí)鐘脈沖。一般采用石英晶體振蕩器作為脈沖源。計(jì)算機(jī)電源一接用石英晶體振蕩器作為脈沖源。計(jì)算機(jī)電源一接通，脈沖源立即按規(guī)定頻率給出時(shí)鐘脈沖。通，脈沖源立即按規(guī)定頻率給出時(shí)鐘脈沖。 (2)(2)啟停電路啟停電路 啟停電路用于控制整個(gè)機(jī)器工作的啟動(dòng)與停止。啟停電路用于控制

19、整個(gè)機(jī)器工作的啟動(dòng)與停止。實(shí)際上是保證可靠地送出或封鎖主時(shí)鐘脈沖，控實(shí)際上是保證可靠地送出或封鎖主時(shí)鐘脈沖，控制時(shí)序信號(hào)的發(fā)生與停止。制時(shí)序信號(hào)的發(fā)生與停止。2022-6-2725 (3)(3)時(shí)序信號(hào)發(fā)生器時(shí)序信號(hào)發(fā)生器 時(shí)序信號(hào)發(fā)生器用于產(chǎn)生機(jī)器所需的各種時(shí)序時(shí)序信號(hào)發(fā)生器用于產(chǎn)生機(jī)器所需的各種時(shí)序信號(hào)，以便控制有關(guān)部件在不同的時(shí)間完成不信號(hào)，以便控制有關(guān)部件在不同的時(shí)間完成不同的微操作。同的微操作。 不同的機(jī)器，有著不同的時(shí)序信號(hào)。在同步控不同的機(jī)器，有著不同的時(shí)序信號(hào)。在同步控制的機(jī)器中，一般包括周期、節(jié)拍、脈沖等三制的機(jī)器中，一般包括周期、節(jié)拍、脈沖等三級(jí)時(shí)序信號(hào)。級(jí)時(shí)序信號(hào)。202

20、2-6-2726 微操作控制信號(hào)形成部件微操作控制信號(hào)形成部件：根據(jù)指令部件提供：根據(jù)指令部件提供的操作控制電位、時(shí)序部件所提供的各種時(shí)序的操作控制電位、時(shí)序部件所提供的各種時(shí)序信號(hào)以及有關(guān)的狀態(tài)條件，產(chǎn)生機(jī)器所需要的信號(hào)以及有關(guān)的狀態(tài)條件，產(chǎn)生機(jī)器所需要的各種微操作控制信號(hào)。各種微操作控制信號(hào)。 不同的指令，完成不同的功能，需要不同的微不同的指令，完成不同的功能，需要不同的微操作控制信號(hào)序列。每條指令都有自己對(duì)應(yīng)的操作控制信號(hào)序列。每條指令都有自己對(duì)應(yīng)的微操作序列?？刂破鞅仨毟鶕?jù)不同的指令，在微操作序列?？刂破鞅仨毟鶕?jù)不同的指令，在不同的時(shí)間，產(chǎn)生并發(fā)出不同的微操作控制信不同的時(shí)間，產(chǎn)生并發(fā)

21、出不同的微操作控制信號(hào)，控制有關(guān)部件協(xié)調(diào)工作，完成指令所規(guī)定號(hào)，控制有關(guān)部件協(xié)調(diào)工作，完成指令所規(guī)定的任務(wù)。的任務(wù)。3 3微操作控制信號(hào)形成部件微操作控制信號(hào)形成部件2022-6-27274 4中斷控制邏輯（中斷機(jī)構(gòu)）中斷控制邏輯（中斷機(jī)構(gòu)） 用于實(shí)現(xiàn)異常情況和特殊請(qǐng)求的處理。用于實(shí)現(xiàn)異常情況和特殊請(qǐng)求的處理。2022-6-2728 程序狀態(tài)寄存器程序狀態(tài)寄存器：用于存放程序的工作狀態(tài)：用于存放程序的工作狀態(tài)( (如管態(tài)、目態(tài)等如管態(tài)、目態(tài)等) )和指令執(zhí)行的結(jié)果特征和指令執(zhí)行的結(jié)果特征( (如如結(jié)果為零、結(jié)果溢出等結(jié)果為零、結(jié)果溢出等) )，把它所存放的內(nèi)容，把它所存放的內(nèi)容稱為程序狀態(tài)字稱

22、為程序狀態(tài)字(PSW)(PSW)。PSWPSW表明了系統(tǒng)的基本表明了系統(tǒng)的基本狀態(tài)，是控制程序執(zhí)行的重要依據(jù)。不同的機(jī)狀態(tài)，是控制程序執(zhí)行的重要依據(jù)。不同的機(jī)器，器，PSWPSW的格式及內(nèi)容不完全相同。的格式及內(nèi)容不完全相同。5 5程序狀態(tài)寄存器程序狀態(tài)寄存器 PSRPSR2022-6-2729 例：例：8086 CPU8086 CPU中的中的PSWPSW的格式的格式 CFCF：進(jìn)位：進(jìn)位 PFPF：奇偶：奇偶 AFAF：半進(jìn)位：半進(jìn)位 ZFZF：結(jié)果為：結(jié)果為0 SF0 SF：符號(hào)：符號(hào) TFTF：?jiǎn)尾剑簡(jiǎn)尾? (陷阱陷阱) ) IFIF：中斷允許：中斷允許 DFDF：地址增：地址增/ /減

23、量減量 OFOF：溢出：溢出1515141413131212111110109 98 87 76 65 54 43 32 21 10 0OFDFIFTFSFZFAFPFCF2022-6-2730 控制臺(tái)用于實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器之間的通信聯(lián)系，如控制臺(tái)用于實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器之間的通信聯(lián)系，如啟動(dòng)或停止機(jī)器的運(yùn)行、監(jiān)視程序運(yùn)行過(guò)程、啟動(dòng)或停止機(jī)器的運(yùn)行、監(jiān)視程序運(yùn)行過(guò)程、對(duì)程序進(jìn)行必要的修改或干預(yù)等。對(duì)程序進(jìn)行必要的修改或干預(yù)等。 早期有硬件控制臺(tái)，用于設(shè)置地址和指令?，F(xiàn)早期有硬件控制臺(tái)，用于設(shè)置地址和指令?，F(xiàn)在，在大型機(jī)中有軟件控制臺(tái)。通過(guò)控制臺(tái)命在，在大型機(jī)中有軟件控制臺(tái)。通過(guò)控制臺(tái)命令，控制機(jī)器的啟停，干

24、預(yù)機(jī)器的工作。令，控制機(jī)器的啟停，干預(yù)機(jī)器的工作。6 6控制臺(tái)控制臺(tái)2022-6-2731 控制器的組成方式主要是指微操作控制信號(hào)形控制器的組成方式主要是指微操作控制信號(hào)形成部件采用何種組成方式產(chǎn)生微操作控制信號(hào)。成部件采用何種組成方式產(chǎn)生微操作控制信號(hào)。 根據(jù)產(chǎn)生微操作控制信號(hào)的方式不同，控制器根據(jù)產(chǎn)生微操作控制信號(hào)的方式不同，控制器可分為可分為組合邏輯型、存儲(chǔ)邏輯型、組合邏輯與組合邏輯型、存儲(chǔ)邏輯型、組合邏輯與存儲(chǔ)邏輯結(jié)合型存儲(chǔ)邏輯結(jié)合型三種，它們的根本區(qū)別在于微三種，它們的根本區(qū)別在于微操作信號(hào)發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)方法不同，而控制器中操作信號(hào)發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)方法不同，而控制器中的其他部分基本上是大同

25、小異的。的其他部分基本上是大同小異的。6.1.4 6.1.4 控制器的組成方式控制器的組成方式2022-6-27321 1組合邏輯型組合邏輯型 組合邏輯組合邏輯控制器也稱為控制器也稱為硬聯(lián)邏輯硬聯(lián)邏輯或或硬布線邏輯硬布線邏輯。 組合邏輯控制器組合邏輯控制器是根據(jù)控制要求和狀態(tài)，采用組是根據(jù)控制要求和狀態(tài)，采用組合邏輯技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其微操作信號(hào)發(fā)生器是由合邏輯技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其微操作信號(hào)發(fā)生器是由門電路組成的復(fù)雜樹形網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的。門電路組成的復(fù)雜樹形網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的。 組合邏輯組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)目標(biāo)：使用最少器件數(shù)和控制器的設(shè)計(jì)目標(biāo)：使用最少器件數(shù)和取得最高操作速度。取得最高操作速度。 優(yōu)點(diǎn)：速度快。優(yōu)

26、點(diǎn)：速度快。巨型機(jī)和巨型機(jī)和RISCRISC機(jī)為了追求高速度機(jī)為了追求高速度采用組合邏輯控制器。采用組合邏輯控制器。 缺點(diǎn)：微操作信號(hào)發(fā)生器結(jié)構(gòu)不規(guī)整，設(shè)計(jì)、調(diào)缺點(diǎn)：微操作信號(hào)發(fā)生器結(jié)構(gòu)不規(guī)整，設(shè)計(jì)、調(diào)試、維修較困難，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自動(dòng)化。一旦控試、維修較困難，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自動(dòng)化。一旦控制部件構(gòu)成之后，要想增加新的控制功能是不可制部件構(gòu)成之后，要想增加新的控制功能是不可能的。能的。2022-6-27332 2存儲(chǔ)邏輯型存儲(chǔ)邏輯型 存儲(chǔ)邏輯型存儲(chǔ)邏輯型控制器稱為控制器稱為微程序控制器微程序控制器。它是采用。它是采用存儲(chǔ)邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)的。存儲(chǔ)邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 存儲(chǔ)邏輯型存儲(chǔ)邏輯型控制器的實(shí)現(xiàn)方法：控制器的

27、實(shí)現(xiàn)方法： 把微操作信號(hào)代碼化，使每條機(jī)器指令轉(zhuǎn)化成為把微操作信號(hào)代碼化，使每條機(jī)器指令轉(zhuǎn)化成為一段微程序存入控制存儲(chǔ)器中。執(zhí)行指令時(shí)，讀一段微程序存入控制存儲(chǔ)器中。執(zhí)行指令時(shí)，讀出控存中的微指令，由微指令產(chǎn)生微操作控制信出控存中的微指令，由微指令產(chǎn)生微操作控制信號(hào)。號(hào)。 優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)規(guī)整，調(diào)試、維修便利，更改、擴(kuò)充優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)規(guī)整，調(diào)試、維修便利，更改、擴(kuò)充指令方便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化設(shè)計(jì)。指令方便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化設(shè)計(jì)。 缺點(diǎn)：由于增加了一級(jí)控制存儲(chǔ)器，所以指令的缺點(diǎn)：由于增加了一級(jí)控制存儲(chǔ)器，所以指令的執(zhí)行速度比組合邏輯控制器慢。執(zhí)行速度比組合邏輯控制器慢。2022-6-27343 3組合邏輯和存

28、儲(chǔ)邏輯結(jié)合型組合邏輯和存儲(chǔ)邏輯結(jié)合型 組合邏輯和存儲(chǔ)邏輯結(jié)合型控制器稱為組合邏輯和存儲(chǔ)邏輯結(jié)合型控制器稱為PLAPLA控控制器。制器。 PLAPLA控制器是吸收前兩種的設(shè)計(jì)思想來(lái)實(shí)現(xiàn)的?？刂破魇俏涨皟煞N的設(shè)計(jì)思想來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 PLAPLA控制器實(shí)際上也是一種組合邏輯控制器，控制器實(shí)際上也是一種組合邏輯控制器，但它的輸出程序可編的，某一微操作控制信號(hào)但它的輸出程序可編的，某一微操作控制信號(hào)由由PLAPLA的某一輸出函數(shù)產(chǎn)生。的某一輸出函數(shù)產(chǎn)生。 PLAPLA控制器是組合邏輯技術(shù)和存儲(chǔ)邏輯技術(shù)結(jié)控制器是組合邏輯技術(shù)和存儲(chǔ)邏輯技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，它克服了兩者的缺點(diǎn)，是一種較有合的產(chǎn)物，它克服了兩者的缺點(diǎn)

29、，是一種較有前途的方法。前途的方法。 2022-6-2735 以上幾種控制器的設(shè)計(jì)方法是以上幾種控制器的設(shè)計(jì)方法是不同不同的，但產(chǎn)生的，但產(chǎn)生的微操作命令的功能是的微操作命令的功能是相同相同的，并且各個(gè)控制的，并且各個(gè)控制條件基本上也是一致的，都是由時(shí)序電路、操條件基本上也是一致的，都是由時(shí)序電路、操作碼譯碼信號(hào)，以及被控部件的反饋信息有機(jī)作碼譯碼信號(hào)，以及被控部件的反饋信息有機(jī)配合而成的。配合而成的。 從功能上看，這幾種控制器只是微操作信號(hào)發(fā)從功能上看，這幾種控制器只是微操作信號(hào)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)和原理不同，而外部的輸入條件和生器的結(jié)構(gòu)和原理不同，而外部的輸入條件和輸出結(jié)果幾乎完全相同。輸出結(jié)果幾

30、乎完全相同。2022-6-2736微操作信號(hào)發(fā)生器微操作信號(hào)發(fā)生器 指令譯碼器 ID 微操作控制信號(hào) 微操作控制信號(hào)發(fā)生器 時(shí)序信號(hào) 各部件狀態(tài)反饋信號(hào) 譯碼輸出 2022-6-2737 6.2 6.2 控制器的控制方式與時(shí)序系統(tǒng)控制器的控制方式與時(shí)序系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令的過(guò)程實(shí)際上是執(zhí)行一系列的計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令的過(guò)程實(shí)際上是執(zhí)行一系列的微操作的過(guò)程。每一條指令都對(duì)應(yīng)著一個(gè)微操微操作的過(guò)程。每一條指令都對(duì)應(yīng)著一個(gè)微操作序列，這些微操作中有些可以同時(shí)執(zhí)行，有作序列，這些微操作中有些可以同時(shí)執(zhí)行，有些則必須按嚴(yán)格的時(shí)間關(guān)系執(zhí)行。些則必須按嚴(yán)格的時(shí)間關(guān)系執(zhí)行。 控制器的控制方式需解決的問(wèn)題：控制器的控

31、制方式需解決的問(wèn)題： 如何在時(shí)間上對(duì)各種微操作信號(hào)加以控制。如何在時(shí)間上對(duì)各種微操作信號(hào)加以控制。2022-6-27386.2.1 6.2.1 控制方式控制方式 常用的控制方式有同步控制、異步控制和聯(lián)合控常用的控制方式有同步控制、異步控制和聯(lián)合控制。制。 1 1同步控制方式同步控制方式 任何指令的運(yùn)行或指令中各個(gè)微操作的執(zhí)行，均任何指令的運(yùn)行或指令中各個(gè)微操作的執(zhí)行，均由確定的具有統(tǒng)一基準(zhǔn)時(shí)標(biāo)的時(shí)序信號(hào)所控制。由確定的具有統(tǒng)一基準(zhǔn)時(shí)標(biāo)的時(shí)序信號(hào)所控制。 即所有的操作均由統(tǒng)一的時(shí)鐘控制，在標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)即所有的操作均由統(tǒng)一的時(shí)鐘控制，在標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間內(nèi)完成。間內(nèi)完成。 在在同步控制方式下，同步控制方式下，

32、每個(gè)時(shí)序信號(hào)的結(jié)束就意味每個(gè)時(shí)序信號(hào)的結(jié)束就意味著安排完成的工作已經(jīng)完成，隨即開始執(zhí)行后續(xù)著安排完成的工作已經(jīng)完成，隨即開始執(zhí)行后續(xù)的微操作或自動(dòng)轉(zhuǎn)向下條指令的運(yùn)行的微操作或自動(dòng)轉(zhuǎn)向下條指令的運(yùn)行。2022-6-2739 典型的同步控制方式：典型的同步控制方式： 以微操作序列最長(zhǎng)的指令和執(zhí)行時(shí)間最長(zhǎng)的微以微操作序列最長(zhǎng)的指令和執(zhí)行時(shí)間最長(zhǎng)的微操作為標(biāo)準(zhǔn)，把一條指令執(zhí)行過(guò)程劃分為若干操作為標(biāo)準(zhǔn)，把一條指令執(zhí)行過(guò)程劃分為若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的階段（稱為周期）或若干個(gè)時(shí)間個(gè)相對(duì)獨(dú)立的階段（稱為周期）或若干個(gè)時(shí)間區(qū)間（稱為節(jié)拍），采用完全統(tǒng)一的周期（或區(qū)間（稱為節(jié)拍），采用完全統(tǒng)一的周期（或節(jié)拍）控制各條指

33、令的執(zhí)行。節(jié)拍）控制各條指令的執(zhí)行。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：時(shí)序關(guān)系簡(jiǎn)單，控制方便：時(shí)序關(guān)系簡(jiǎn)單，控制方便 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：浪費(fèi)時(shí)間。：浪費(fèi)時(shí)間。 因?yàn)閷?duì)比較簡(jiǎn)單的指令，將有很多節(jié)拍是不用因?yàn)閷?duì)比較簡(jiǎn)單的指令，將有很多節(jié)拍是不用的，處于等待。所以，在實(shí)際應(yīng)用中都不采用的，處于等待。所以，在實(shí)際應(yīng)用中都不采用這種典型的同步控制方式，而是采用某些折衷這種典型的同步控制方式，而是采用某些折衷的方案。的方案。2022-6-2740(1) (1) 采用中央控制與局部控制相結(jié)合的方法采用中央控制與局部控制相結(jié)合的方法 中央控制中央控制：統(tǒng)一節(jié)拍的控制統(tǒng)一節(jié)拍的控制 根據(jù)大多數(shù)指令的微操作序列的情況，設(shè)置一根據(jù)大多數(shù)指令的微

34、操作序列的情況，設(shè)置一個(gè)統(tǒng)一的節(jié)拍數(shù)，使之大多數(shù)指令均能在統(tǒng)一個(gè)統(tǒng)一的節(jié)拍數(shù)，使之大多數(shù)指令均能在統(tǒng)一的節(jié)拍內(nèi)完成。的節(jié)拍內(nèi)完成。 局部控制局部控制：在延長(zhǎng)節(jié)拍內(nèi)的控制在延長(zhǎng)節(jié)拍內(nèi)的控制 對(duì)于少數(shù)在統(tǒng)一節(jié)拍內(nèi)不能完成的指令，采用對(duì)于少數(shù)在統(tǒng)一節(jié)拍內(nèi)不能完成的指令，采用延長(zhǎng)節(jié)拍或增加節(jié)拍數(shù)，使之在延長(zhǎng)節(jié)拍內(nèi)完延長(zhǎng)節(jié)拍或增加節(jié)拍數(shù)，使之在延長(zhǎng)節(jié)拍內(nèi)完成，執(zhí)行完畢再返回中央控制成，執(zhí)行完畢再返回中央控制。2022-6-2741 例：設(shè)某計(jì)算機(jī)的指令通常用例：設(shè)某計(jì)算機(jī)的指令通常用8 8個(gè)節(jié)拍完成，個(gè)節(jié)拍完成，即有即有8 8個(gè)中央節(jié)拍個(gè)中央節(jié)拍 W W7 7W W0 0 ，當(dāng)某指令在，當(dāng)某指令在8 8

35、個(gè)節(jié)個(gè)節(jié)拍中不能完成時(shí)，就插入若干局部節(jié)拍拍中不能完成時(shí)，就插入若干局部節(jié)拍 W W6 6* *，經(jīng)過(guò)若干局部節(jié)拍經(jīng)過(guò)若干局部節(jié)拍 W W6 6* *后，再返回中央節(jié)拍后，再返回中央節(jié)拍 W W7 7。 W0 W1 W2 W3 W4 W5 W6 W*6 W7 W*6 W*6 指令周期 中央節(jié)拍 局部節(jié)拍 2022-6-2742(2) (2) 采用不同的機(jī)器周期和延長(zhǎng)節(jié)拍的方法采用不同的機(jī)器周期和延長(zhǎng)節(jié)拍的方法 把一條指令執(zhí)行過(guò)程劃分為若干機(jī)器周期，如把一條指令執(zhí)行過(guò)程劃分為若干機(jī)器周期，如取指、取數(shù)、執(zhí)行等周期。根據(jù)所執(zhí)行指令的取指、取數(shù)、執(zhí)行等周期。根據(jù)所執(zhí)行指令的不同需要，選取不同的機(jī)器周

36、期數(shù)。在節(jié)拍安不同需要，選取不同的機(jī)器周期數(shù)。在節(jié)拍安排上，每個(gè)周期劃分為固定的節(jié)拍，每個(gè)節(jié)拍排上，每個(gè)周期劃分為固定的節(jié)拍，每個(gè)節(jié)拍都可根據(jù)需要延長(zhǎng)一個(gè)節(jié)拍。都可根據(jù)需要延長(zhǎng)一個(gè)節(jié)拍。 這種方法可以解決執(zhí)行不同的指令所需時(shí)間不這種方法可以解決執(zhí)行不同的指令所需時(shí)間不統(tǒng)一問(wèn)題。統(tǒng)一問(wèn)題。 在在Intel 8088 Intel 8088 的指令執(zhí)行過(guò)程中有讀寫周期、的指令執(zhí)行過(guò)程中有讀寫周期、內(nèi)部周期等，其中讀寫周期為內(nèi)部周期等，其中讀寫周期為4 4個(gè)節(jié)拍，但可個(gè)節(jié)拍，但可以延長(zhǎng)若干個(gè)節(jié)拍。以延長(zhǎng)若干個(gè)節(jié)拍。2022-6-2743(3) (3) 采用分散節(jié)拍的方法采用分散節(jié)拍的方法 分散節(jié)拍分散

37、節(jié)拍：運(yùn)行不同指令時(shí)，需要多少節(jié)拍，：運(yùn)行不同指令時(shí)，需要多少節(jié)拍，時(shí)序部件就發(fā)生多少節(jié)拍。時(shí)序部件就發(fā)生多少節(jié)拍。 這種方法可完全避免節(jié)拍輪空，是提高指令運(yùn)這種方法可完全避免節(jié)拍輪空，是提高指令運(yùn)行速度的有效方法，但這種方法使時(shí)序部件復(fù)行速度的有效方法，但這種方法使時(shí)序部件復(fù)雜化。同時(shí)還不能解決節(jié)拍內(nèi)那些簡(jiǎn)單的微操雜化。同時(shí)還不能解決節(jié)拍內(nèi)那些簡(jiǎn)單的微操作因等待所浪費(fèi)的時(shí)間作因等待所浪費(fèi)的時(shí)間。2022-6-2744 2 2異步控制方式異步控制方式 沒(méi)有統(tǒng)一的同步信號(hào)，采用問(wèn)答方式進(jìn)行時(shí)序協(xié)沒(méi)有統(tǒng)一的同步信號(hào)，采用問(wèn)答方式進(jìn)行時(shí)序協(xié)調(diào)，將前一操作的回答信號(hào)作為下一操作的啟動(dòng)調(diào)，將前一操作的回

38、答信號(hào)作為下一操作的啟動(dòng)信號(hào)。信號(hào)。 異步控制方式異步控制方式不僅要區(qū)分不同指令對(duì)應(yīng)的微操作不僅要區(qū)分不同指令對(duì)應(yīng)的微操作序列的長(zhǎng)短，而且要區(qū)分其中每個(gè)微操作的繁簡(jiǎn)，序列的長(zhǎng)短，而且要區(qū)分其中每個(gè)微操作的繁簡(jiǎn)，每條指令、每個(gè)微操作需要多少時(shí)間就占用多少每條指令、每個(gè)微操作需要多少時(shí)間就占用多少時(shí)間。時(shí)間。 這種方式不再有統(tǒng)這種方式不再有統(tǒng)的周期、節(jié)拍，各個(gè)操作之的周期、節(jié)拍，各個(gè)操作之間采用應(yīng)答方式銜接，前一操作完成后給出回答間采用應(yīng)答方式銜接，前一操作完成后給出回答信號(hào)，啟動(dòng)下一個(gè)操作。信號(hào)，啟動(dòng)下一個(gè)操作。2022-6-2745數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)間隔可變間隔可變發(fā)送準(zhǔn)發(fā)送準(zhǔn)備好備好數(shù)據(jù)已數(shù)據(jù)已接受接

39、受 這種方式可根據(jù)每條指令的操作的實(shí)際需要而這種方式可根據(jù)每條指令的操作的實(shí)際需要而分配時(shí)間，所以沒(méi)有時(shí)間上的浪費(fèi)，效率高。分配時(shí)間，所以沒(méi)有時(shí)間上的浪費(fèi)，效率高。但設(shè)計(jì)復(fù)雜且費(fèi)設(shè)備。但設(shè)計(jì)復(fù)雜且費(fèi)設(shè)備。2022-6-27463 3聯(lián)合控制方式聯(lián)合控制方式 聯(lián)合控制是聯(lián)合控制是將同步控制和異步控制相結(jié)合。將同步控制和異步控制相結(jié)合。 聯(lián)合控制方式聯(lián)合控制方式的設(shè)計(jì)思想：的設(shè)計(jì)思想： 在功能部件內(nèi)部采用同步方式或以同步方式為在功能部件內(nèi)部采用同步方式或以同步方式為主的控制方式；在功能部件之間采用異步方式。主的控制方式；在功能部件之間采用異步方式。 通常對(duì)可以統(tǒng)一的微操作采用同步控制，對(duì)難通常對(duì)可

40、以統(tǒng)一的微操作采用同步控制，對(duì)難以統(tǒng)一的微操作采用異步控制。以統(tǒng)一的微操作采用異步控制。2022-6-2747 例如，在微、小型機(jī)中，例如，在微、小型機(jī)中，CPU內(nèi)部基本時(shí)序采內(nèi)部基本時(shí)序采用同步控制方式，當(dāng)用同步控制方式，當(dāng)CPU通過(guò)總線與主存或其通過(guò)總線與主存或其它外設(shè)交換數(shù)據(jù)時(shí)，轉(zhuǎn)入異步控制。它外設(shè)交換數(shù)據(jù)時(shí)，轉(zhuǎn)入異步控制。 當(dāng)當(dāng)CPU訪問(wèn)外設(shè)時(shí)，只需給出起始信號(hào)，主存訪問(wèn)外設(shè)時(shí)，只需給出起始信號(hào)，主存或外部設(shè)備即按自己的時(shí)序信號(hào)去安排操作，或外部設(shè)備即按自己的時(shí)序信號(hào)去安排操作，一旦操作結(jié)束，則向一旦操作結(jié)束，則向CPU發(fā)結(jié)束信號(hào)，以便發(fā)結(jié)束信號(hào)，以便CPU再安排它的后繼工作。再安排它

41、的后繼工作。2022-6-2748同步與異步時(shí)序的銜接關(guān)系同步與異步時(shí)序的銜接關(guān)系 當(dāng)當(dāng)CPUCPU要訪主存時(shí)，在發(fā)讀信號(hào)要訪主存時(shí)，在發(fā)讀信號(hào)READREAD同時(shí)發(fā)同時(shí)發(fā)“等待等待”信號(hào)，等待信號(hào)使時(shí)序由同步轉(zhuǎn)入異信號(hào)，等待信號(hào)使時(shí)序由同步轉(zhuǎn)入異步操作并凍結(jié)同步時(shí)序，使節(jié)拍間的相位關(guān)系步操作并凍結(jié)同步時(shí)序，使節(jié)拍間的相位關(guān)系不再發(fā)生變化，直到存儲(chǔ)器按自己速度操作結(jié)不再發(fā)生變化，直到存儲(chǔ)器按自己速度操作結(jié)束，并向束，并向CPUCPU發(fā)回答信號(hào)發(fā)回答信號(hào)MOCMOC才解除對(duì)同步時(shí)序才解除對(duì)同步時(shí)序的凍結(jié)，機(jī)器回到同步時(shí)序按原時(shí)序關(guān)系繼續(xù)的凍結(jié)，機(jī)器回到同步時(shí)序按原時(shí)序關(guān)系繼續(xù)運(yùn)行。運(yùn)行。2022

42、-6-2749 W0 W1 W2 W3 凍結(jié) 等待 READ MOC TCPU Ts TCPU 2022-6-2750 實(shí)際上現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中幾乎沒(méi)有完全采用實(shí)際上現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中幾乎沒(méi)有完全采用同步或完全采用異步的控制方式，大多同步或完全采用異步的控制方式，大多數(shù)都采用聯(lián)合控制方式。數(shù)都采用聯(lián)合控制方式。2022-6-27516.2.2 6.2.2 時(shí)序系統(tǒng)時(shí)序系統(tǒng) 時(shí)序系統(tǒng)是控制器的心臟，由它為指令的執(zhí)行提時(shí)序系統(tǒng)是控制器的心臟，由它為指令的執(zhí)行提供各種定時(shí)信號(hào)。通常，設(shè)計(jì)時(shí)序系統(tǒng)主要是針供各種定時(shí)信號(hào)。通常，設(shè)計(jì)時(shí)序系統(tǒng)主要是針對(duì)對(duì)同步控制同步控制方式的。方式的。 1 1指令周期與機(jī)器周期指令周

43、期與機(jī)器周期 指令周期指令周期：從取指令、分析指令到執(zhí)行完一條指：從取指令、分析指令到執(zhí)行完一條指令所需的全部時(shí)間。令所需的全部時(shí)間。 由于各種指令的操作功能不同，繁簡(jiǎn)程度不同，由于各種指令的操作功能不同，繁簡(jiǎn)程度不同，因此各種指令的指令周期也不盡相同。因此各種指令的指令周期也不盡相同。2022-6-2752 機(jī)器周期機(jī)器周期（CPUCPU周期周期）：指令周期中的某一工）：指令周期中的某一工作階段所需的時(shí)間。在指令執(zhí)行過(guò)程中，各機(jī)作階段所需的時(shí)間。在指令執(zhí)行過(guò)程中，各機(jī)器周期相對(duì)獨(dú)立。器周期相對(duì)獨(dú)立。 一條指令的指令周期由若干個(gè)機(jī)器周期所組成，一條指令的指令周期由若干個(gè)機(jī)器周期所組成，每個(gè)機(jī)器

44、周期完成一個(gè)基本操作每個(gè)機(jī)器周期完成一個(gè)基本操作。所以機(jī)器周。所以機(jī)器周期也稱為期也稱為基本周期基本周期。 一般機(jī)器的一般機(jī)器的CPUCPU周期有取指周期、取數(shù)周期、周期有取指周期、取數(shù)周期、執(zhí)行周期，中斷周期等。執(zhí)行周期，中斷周期等。2022-6-2753 每個(gè)機(jī)器周期設(shè)置一個(gè)周期狀態(tài)觸發(fā)器與之對(duì)每個(gè)機(jī)器周期設(shè)置一個(gè)周期狀態(tài)觸發(fā)器與之對(duì)應(yīng)，機(jī)器運(yùn)行于哪個(gè)周期，與其對(duì)應(yīng)的周期狀應(yīng)，機(jī)器運(yùn)行于哪個(gè)周期，與其對(duì)應(yīng)的周期狀態(tài)觸發(fā)器被置為態(tài)觸發(fā)器被置為“1”。顯然，機(jī)器運(yùn)行的任何。顯然，機(jī)器運(yùn)行的任何時(shí)刻都只能建立一個(gè)周期狀態(tài)，因此同一時(shí)刻時(shí)刻都只能建立一個(gè)周期狀態(tài)，因此同一時(shí)刻只能有一個(gè)周期狀態(tài)觸發(fā)

45、器被置為只能有一個(gè)周期狀態(tài)觸發(fā)器被置為“1”。 不同工作周期所占的時(shí)間可以不等。由于不同工作周期所占的時(shí)間可以不等。由于CPU內(nèi)部操作速度快，而內(nèi)部操作速度快，而CPU訪存所花時(shí)間較長(zhǎng)，訪存所花時(shí)間較長(zhǎng)，所以許多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)往往以所以許多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)往往以主存周期主存周期為基礎(chǔ)來(lái)為基礎(chǔ)來(lái)規(guī)定規(guī)定CPU周期，以便二者工作協(xié)調(diào)配合。周期，以便二者工作協(xié)調(diào)配合。2022-6-2754 把一個(gè)機(jī)器周期等分成若干個(gè)時(shí)間區(qū)間，每一把一個(gè)機(jī)器周期等分成若干個(gè)時(shí)間區(qū)間，每一時(shí)間區(qū)間稱為一個(gè)時(shí)間區(qū)間稱為一個(gè)節(jié)拍節(jié)拍。 一個(gè)節(jié)拍對(duì)應(yīng)一個(gè)電位信號(hào)，控制一個(gè)或幾個(gè)一個(gè)節(jié)拍對(duì)應(yīng)一個(gè)電位信號(hào)，控制一個(gè)或幾個(gè)微操作的執(zhí)行。微操

46、作的執(zhí)行。 在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)，要完成若干個(gè)微操作，這在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)，要完成若干個(gè)微操作，這些微操作不但需要占用一定的時(shí)間，而且有一些微操作不但需要占用一定的時(shí)間，而且有一定的先后次序。因此，在同步控制方式中，基定的先后次序。因此，在同步控制方式中，基本的控制方法就是把一個(gè)機(jī)器周期等分成若干本的控制方法就是把一個(gè)機(jī)器周期等分成若干個(gè)節(jié)拍，每一個(gè)節(jié)拍完成一步基本操作，如一個(gè)節(jié)拍，每一個(gè)節(jié)拍完成一步基本操作，如一次傳送、一次加減運(yùn)算等。次傳送、一次加減運(yùn)算等。 一個(gè)節(jié)拍電位信號(hào)的寬度取決于一個(gè)節(jié)拍電位信號(hào)的寬度取決于CPUCPU完成一個(gè)完成一個(gè)基本操作的時(shí)間基本操作的時(shí)間。 2 2節(jié)拍節(jié)拍2022

47、-6-2755 節(jié)拍提供了一項(xiàng)基本操作所需的時(shí)間分段，節(jié)拍提供了一項(xiàng)基本操作所需的時(shí)間分段，但有的操作如打入寄存器，還需嚴(yán)格的定時(shí)脈但有的操作如打入寄存器，還需嚴(yán)格的定時(shí)脈沖，以確定在哪一時(shí)刻打入。節(jié)拍的切換，也沖，以確定在哪一時(shí)刻打入。節(jié)拍的切換，也需要嚴(yán)格的同步定時(shí)。需要嚴(yán)格的同步定時(shí)。所以在一個(gè)節(jié)拍內(nèi)，有所以在一個(gè)節(jié)拍內(nèi)，有時(shí)還需要設(shè)置一個(gè)或幾個(gè)工作脈沖，用于寄存時(shí)還需要設(shè)置一個(gè)或幾個(gè)工作脈沖，用于寄存器的復(fù)位和接收數(shù)據(jù)等。器的復(fù)位和接收數(shù)據(jù)等。 脈沖脈沖：一個(gè)節(jié)拍內(nèi)設(shè)置的一個(gè)或幾個(gè)工作脈沖。：一個(gè)節(jié)拍內(nèi)設(shè)置的一個(gè)或幾個(gè)工作脈沖。3. 3. 脈沖（定時(shí)脈沖）脈沖（定時(shí)脈沖）2022-6-

48、2756 常見的設(shè)計(jì)是在每個(gè)節(jié)拍的末尾發(fā)一次工作脈常見的設(shè)計(jì)是在每個(gè)節(jié)拍的末尾發(fā)一次工作脈沖，脈沖前沿可用來(lái)打入運(yùn)算結(jié)果（或傳送），沖，脈沖前沿可用來(lái)打入運(yùn)算結(jié)果（或傳送），脈沖后沿則實(shí)現(xiàn)周期的切換。脈沖后沿則實(shí)現(xiàn)周期的切換。 也有的計(jì)算機(jī)，在一個(gè)節(jié)拍中先后發(fā)出幾個(gè)工也有的計(jì)算機(jī)，在一個(gè)節(jié)拍中先后發(fā)出幾個(gè)工作脈沖，有的脈沖位于節(jié)拍前端，可用作清除作脈沖，有的脈沖位于節(jié)拍前端，可用作清除脈沖；有的脈沖位于中部，用作控制外圍設(shè)備脈沖；有的脈沖位于中部，用作控制外圍設(shè)備的輸入的輸入/ /輸出脈沖；有的脈沖位于尾部，前沿輸出脈沖；有的脈沖位于尾部，前沿用作用作CPUCPU內(nèi)部的打入，后沿實(shí)現(xiàn)周期切換。

49、內(nèi)部的打入，后沿實(shí)現(xiàn)周期切換。2022-6-2757 周期、節(jié)拍、脈沖構(gòu)成了三級(jí)時(shí)序系統(tǒng)，它們周期、節(jié)拍、脈沖構(gòu)成了三級(jí)時(shí)序系統(tǒng)，它們之間關(guān)系如下圖所示。圖中包括兩個(gè)機(jī)器周期之間關(guān)系如下圖所示。圖中包括兩個(gè)機(jī)器周期M M1 1、M M2 2，每個(gè)周期包含四個(gè)節(jié)拍，每個(gè)周期包含四個(gè)節(jié)拍W W0 0W W3 3，每個(gè)，每個(gè)節(jié)拍內(nèi)有一個(gè)脈沖節(jié)拍內(nèi)有一個(gè)脈沖P P。 W0 W1 W2 W3 M1 M2 P 2022-6-2758 微型機(jī)中常用的時(shí)序系統(tǒng)與上述三級(jí)時(shí)序系統(tǒng)微型機(jī)中常用的時(shí)序系統(tǒng)與上述三級(jí)時(shí)序系統(tǒng)有所不同，稱之為時(shí)鐘周期時(shí)序系統(tǒng)。有所不同，稱之為時(shí)鐘周期時(shí)序系統(tǒng)。 下圖所示的是一典型指令的

50、基本時(shí)序，一個(gè)指下圖所示的是一典型指令的基本時(shí)序，一個(gè)指令周期包含三個(gè)機(jī)器周期：取指周期、存儲(chǔ)器令周期包含三個(gè)機(jī)器周期：取指周期、存儲(chǔ)器讀周期和存儲(chǔ)器寫周期，三個(gè)周期中分別包含讀周期和存儲(chǔ)器寫周期，三個(gè)周期中分別包含4 4個(gè)、個(gè)、3 3個(gè)、個(gè)、3 3個(gè)時(shí)鐘周期個(gè)時(shí)鐘周期。 T1 T2 T3 T4 T1 T2 T3 T1 T2 T3 取指周期 存儲(chǔ)器讀周期 存儲(chǔ)器寫周期 指令周期 2022-6-27596.3 CPU6.3 CPU的總體結(jié)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu) CPUCPU即中央處理器，它包含運(yùn)算器和控制器兩個(gè)即中央處理器，它包含運(yùn)算器和控制器兩個(gè)部分。其功能為：部分。其功能為： 程序控制程序控制：控制程

51、序按所要求的次序正確執(zhí)：控制程序按所要求的次序正確執(zhí)行。行。 操作控制操作控制：管理何時(shí)產(chǎn)生每條指令所需的操：管理何時(shí)產(chǎn)生每條指令所需的操作信號(hào)，送往有關(guān)部件，控制完成指令規(guī)定的作信號(hào)，送往有關(guān)部件，控制完成指令規(guī)定的操作。操作。 時(shí)序控制時(shí)序控制：對(duì)各種操作實(shí)施時(shí)間上的定時(shí)，：對(duì)各種操作實(shí)施時(shí)間上的定時(shí)，使計(jì)算機(jī)有條不紊地工作。使計(jì)算機(jī)有條不紊地工作。 數(shù)據(jù)加工數(shù)據(jù)加工：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)邏輯運(yùn)算處理。：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)邏輯運(yùn)算處理。2022-6-2760控制信號(hào)+1CPUALUACMDRPCPSWRMARIRIDCU主存I/OCPU結(jié)構(gòu)模型示意圖結(jié)構(gòu)模型示意圖2022-6-2761 6.3.1

52、6.3.1 寄存器的設(shè)置寄存器的設(shè)置 不同計(jì)算機(jī)的不同計(jì)算機(jī)的CPUCPU結(jié)構(gòu)存在差別，但在結(jié)構(gòu)存在差別，但在CPUCPU中一般中一般都設(shè)置下列寄存器：都設(shè)置下列寄存器： (1)(1)指令寄存器指令寄存器 IRIR ( (2 2) )程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器 PCPC ( (3 3) )累加寄存器累加寄存器 ACAC ( (4 4) )程序狀態(tài)寄存器程序狀態(tài)寄存器 PSRPSR (5)(5)地址寄存器地址寄存器 MARMAR (6)(6)數(shù)據(jù)緩沖寄存器數(shù)據(jù)緩沖寄存器 MDRMDR( (或或MBR)MBR) (7)(7)堆棧指針堆棧指針 SPSP2022-6-2762 其中其中、（、（7 7）是用戶

53、可用的，）是用戶可用的，、是用戶不可用的。是用戶不可用的。 CPUCPU中還常設(shè)置一些程序不能直接訪問(wèn)、用于中還常設(shè)置一些程序不能直接訪問(wèn)、用于暫存操作數(shù)據(jù)或中間結(jié)果的寄存器，稱為暫存操作數(shù)據(jù)或中間結(jié)果的寄存器，稱為暫存暫存器器。2022-6-2763通用寄存器通用寄存器 通用寄存器通用寄存器：一組程序可訪問(wèn)的、具有多種功：一組程序可訪問(wèn)的、具有多種功能的寄存器。能的寄存器。 在指令系統(tǒng)中，為通用寄存器分配了編號(hào)（寄在指令系統(tǒng)中，為通用寄存器分配了編號(hào)（寄存器地址），可以編程指定使用其中的某個(gè)寄存器地址），可以編程指定使用其中的某個(gè)寄存器。存器。 通用寄存器自身的邏輯往往很簡(jiǎn)單并且比較統(tǒng)通用寄

54、存器自身的邏輯往往很簡(jiǎn)單并且比較統(tǒng)一，甚至是快速的小規(guī)模存儲(chǔ)器的一些單元，一，甚至是快速的小規(guī)模存儲(chǔ)器的一些單元，但通過(guò)編程與運(yùn)算器配合，可指定其實(shí)現(xiàn)多種但通過(guò)編程與運(yùn)算器配合，可指定其實(shí)現(xiàn)多種功能，如提供操作數(shù)、保存中間結(jié)果（即作累功能，如提供操作數(shù)、保存中間結(jié)果（即作累加器用），或用作地址指針、基址寄存器、變加器用），或用作地址指針、基址寄存器、變址寄存器、計(jì)數(shù)器等。址寄存器、計(jì)數(shù)器等。2022-6-27646.3.2 6.3.2 數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)及指令流程分析數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)及指令流程分析 數(shù)據(jù)通路數(shù)據(jù)通路：信息傳送的基本路徑。：信息傳送的基本路徑。 CPUCPU內(nèi)部的數(shù)據(jù)通路通常是指運(yùn)算器與寄

55、存器內(nèi)部的數(shù)據(jù)通路通常是指運(yùn)算器與寄存器之間的信息傳輸通道之間的信息傳輸通道。 數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)直接影響著數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)直接影響著CPUCPU內(nèi)各種信息的傳內(nèi)各種信息的傳送路徑。數(shù)據(jù)通路不同，指令執(zhí)行過(guò)程的微操送路徑。數(shù)據(jù)通路不同，指令執(zhí)行過(guò)程的微操作序列的安排也不同，它將直接影響到微操作作序列的安排也不同，它將直接影響到微操作信號(hào)形成部件的設(shè)計(jì)。信號(hào)形成部件的設(shè)計(jì)。2022-6-2765 1 1單總線結(jié)構(gòu)單總線結(jié)構(gòu) CPUCPU內(nèi)部采用單總線內(nèi)部采用單總線IBUSIBUS將寄存器和算術(shù)邏輯運(yùn)將寄存器和算術(shù)邏輯運(yùn)算部件連接起來(lái)。算部件連接起來(lái)。CPUCPU、主存、主存、I/OI/O設(shè)備也通過(guò)一設(shè)備也

56、通過(guò)一組單總線（系統(tǒng)總線）連接起來(lái)。組單總線（系統(tǒng)總線）連接起來(lái)。 在單總線結(jié)構(gòu)中，在單總線結(jié)構(gòu)中，CPUCPU內(nèi)部的任何兩個(gè)部件間的內(nèi)部的任何兩個(gè)部件間的數(shù)據(jù)傳送都必須經(jīng)過(guò)單總線數(shù)據(jù)傳送都必須經(jīng)過(guò)單總線IBUSIBUS，因此單總線結(jié)，因此單總線結(jié)構(gòu)的控制比較簡(jiǎn)單，但傳送速度受到限制。在一構(gòu)的控制比較簡(jiǎn)單，但傳送速度受到限制。在一些微、小型機(jī)中常采用這種結(jié)構(gòu)。些微、小型機(jī)中常采用這種結(jié)構(gòu)。2022-6-2766單總線結(jié)構(gòu)單總線結(jié)構(gòu)的的CPUCPU2022-6-27672.2. 雙總線結(jié)構(gòu)雙總線結(jié)構(gòu) CPUCPU內(nèi)部通過(guò)內(nèi)部通過(guò)B B總線總線（接收總線）和（接收總線）和F F總線總線（發(fā)（發(fā)送總

57、線），將寄存器和算術(shù)邏輯運(yùn)算部件連接送總線），將寄存器和算術(shù)邏輯運(yùn)算部件連接起來(lái)。各寄存器可通過(guò)控制門，建立寄存器與起來(lái)。各寄存器可通過(guò)控制門，建立寄存器與總線之間的聯(lián)系?？偩€之間的聯(lián)系。CPUCPU通過(guò)地址總線通過(guò)地址總線ABUSABUS和數(shù)和數(shù)據(jù)總線據(jù)總線DBUSDBUS與主存、與主存、I/OI/O設(shè)備連接。設(shè)備連接。2022-6-2768雙雙總總線線結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的CPUCPU2022-6-27693. 3. 指令流程分析指令流程分析 指令流程指令流程：指令的操作過(guò)程。：指令的操作過(guò)程。 對(duì)指令流程的影響因素：對(duì)指令流程的影響因素： 指令功能、指令功能、 尋址方式、尋址方式、 數(shù)據(jù)通路、數(shù)據(jù)

58、通路、 ALUALU的功能、的功能、 指令執(zhí)行的基本步驟等。指令執(zhí)行的基本步驟等。2022-6-2770 指令功能功能不同，操作數(shù)的數(shù)量不同，指令功能功能不同，操作數(shù)的數(shù)量不同，指令流程不同。指令流程不同。 尋址方式不同，尋找操作數(shù)的過(guò)程不同。尋址方式不同，尋找操作數(shù)的過(guò)程不同。 數(shù)據(jù)通路不同，傳送數(shù)據(jù)時(shí)的控制過(guò)程數(shù)據(jù)通路不同，傳送數(shù)據(jù)時(shí)的控制過(guò)程不同。不同。 ALU ALU的功能不同，指令的執(zhí)行步驟不同。的功能不同，指令的執(zhí)行步驟不同。 不同的指令，執(zhí)行時(shí)的基本步驟不同。不同的指令，執(zhí)行時(shí)的基本步驟不同。如訪存指令，需要訪問(wèn)存儲(chǔ)器；如訪存指令，需要訪問(wèn)存儲(chǔ)器；R RR R型指型指令不需要訪存

59、。令不需要訪存。2022-6-2771 例例6.1 6.1 分析單總線結(jié)構(gòu)的分析單總線結(jié)構(gòu)的CPUCPU中，指令中，指令A(yù)DD (RADD (R1 1) ) ，R R0 0 的指令流程。的指令流程。 設(shè)第一操作數(shù)源操作數(shù)，第二操作數(shù)目的設(shè)第一操作數(shù)源操作數(shù)，第二操作數(shù)目的操作數(shù)。操作數(shù)。 指令功能：指令功能： (R(R1 1)(R(R0 0)R)R0 0 運(yùn)算器功能：運(yùn)算器功能： F=A+B,F=A-B,F=A+1,F=A-1F=A+B,F=A-B,F=A+1,F=A-12022-6-2772單總線結(jié)構(gòu)單總線結(jié)構(gòu)的的CPUCPU2022-6-2773 指令流程如下：指令流程如下： (1)(PC

60、)MAR(1)(PC)MAR，ReadRead，(PC)(PC)1Z 1Z ；送指令地址，讀主存；送指令地址，讀主存 (2)(2) (Z)PC (Z)PC ；PCPC1PC1PC (3) (3) MMDRIR MMDRIR ；取指令；取指令到到IR IR (4)(R(4)(R1 1)MAR)MAR，Read Read ；送源操作數(shù)地址；送源操作數(shù)地址 (5) MMDRY (5) MMDRY ；取出源操作數(shù)到；取出源操作數(shù)到Y(jié) Y中中 (6)(Y)(6)(Y)(R(R0 0)Z )Z ；執(zhí)行加法運(yùn)算，結(jié)果暫存；執(zhí)行加法運(yùn)算，結(jié)果暫存Z Z (7)(Z)R(7)(Z)R0 0 ；加法結(jié)果送回目標(biāo)寄