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 控制方式與時序系統(tǒng)控制方式與時序系統(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)計組合邏輯控制器設(shè)計 微程序控制器設(shè)計微程序控制器設(shè)計2022-6-2736.1 6.1 控制器概述控制器概述 控制器和運算器一起組成中央處理器，即控制器和運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器中的解題程根據(jù)事先編好并存放在存儲器中的解題程序，控制各部件有

2、條不紊地、自動協(xié)調(diào)地序，控制各部件有條不紊地、自動協(xié)調(diào)地進行工作。進行工作。2022-6-274 控制器是計算機的指揮和控制中心，由控制器是計算機的指揮和控制中心，由它把計算機的運算器、存儲器、它把計算機的運算器、存儲器、I/O設(shè)備設(shè)備等聯(lián)系成一個有機的系統(tǒng)，并根據(jù)各部等聯(lián)系成一個有機的系統(tǒng)，并根據(jù)各部件具體要求，適時地發(fā)出各種控制命令，件具體要求，適時地發(fā)出各種控制命令，控制計算機各部件自動、協(xié)調(diào)地進行工控制計算機各部件自動、協(xié)調(diào)地進行工作。作。2022-6-275 計算機運行程序的基本過程：計算機運行程序的基本過程： 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、存儲器中取提供），從存儲器中取出所要執(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 對取出的指令進行譯碼分析。確定指對取出的指令進行譯碼分析。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）。部控制命令（微操作控制信號）。 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)（運算型指令）或形成轉(zhuǎn)

4、移出操作數(shù)據(jù)（運算型指令）或形成轉(zhuǎn)移地址地址( (轉(zhuǎn)移類指令轉(zhuǎn)移類指令) )，以實現(xiàn)程序轉(zhuǎn)移。，以實現(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)生的操作控制信號和根據(jù)指令分析所產(chǎn)生的操作控制信號和形成的有效地址，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，若沒有異常情況和一條指令執(zhí)行結(jié)束，若沒有異常情況和特殊請求，則按程序順序，再去取出并特殊請求，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行周而復(fù)始的控制過程，直到完步驟進行周而復(fù)始的控制過程，直到完成程序所規(guī)定的任務(wù)并停機為止。成程序所規(guī)定的任務(wù)并停機為止。2022-6-279指令指令A(yù)DD AADD A，R R7 7的執(zhí)行過程的執(zhí)行過程 PC A ALU ID PLA IR 控制信號 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)行過程程序的執(zhí)行過程 設(shè)有程序：設(shè)有程序： MOV AL，07H ADD AL，0AH MOV 20H，AL (1)

6、指令長度均為指令長度均為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)行過程演示程序執(zhí)行過程演示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（對取指令的控制）指令流出控制（對取指令的控制） 取指令時需進行的操作取指令時

7、需進行的操作 (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)的操作控制信號序列，控制有關(guān)的部件完相應(yīng)的操作控制信號序列，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時為時為MOVMOV指令，指令，則則 MOV MOV 的控制信號為：的控制信號為：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，通過按指令序列順序執(zhí)行時，通過PCPC自

9、動增量自動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，需改變程序計數(shù)當(dāng)需要改變指令流向時，需改變程序計數(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 為完成某項任務(wù)而編制的程序及所需數(shù)據(jù)，必須為完成某項任務(wù)而編制的程序及所需數(shù)據(jù)，必須通過某些輸入設(shè)備預(yù)先存放在存儲器中，運算結(jié)通過某些輸入設(shè)備預(yù)先存放在存儲器中，運算結(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異常情況和特殊請求的處理異常情況和特殊請求的處理 機器在運行程序過程中，往往可能會遇到一些異機器在運行程序過程中，往往可能會遇到一些異常情況（如電源掉電、運算溢出等）或某些特殊常情況（如電源掉電、運算溢出等）或某些

11、特殊請求（如打印機請求傳送打印字符等）。這些異請求（如打印機請求傳送打印字符等）。這些異常和請求往往是事先無法預(yù)測的，控制器必須具常和請求往往是事先無法預(yù)測的，控制器必須具有檢測和處理這些異常情況和特殊請求的功能。有檢測和處理這些異常情況和特殊請求的功能。2022-6-2716 宏觀上每條指令的執(zhí)行過程均是宏觀上每條指令的執(zhí)行過程均是取指、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，需要在不同時間產(chǎn)生不同的控制序列，需要在不同時間產(chǎn)生不同的控制序列，并有嚴(yán)格的時序要求。控制器必序列，并有嚴(yán)格的時序要求。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，需要根據(jù)不同的指令、控制器在工作時，需要根據(jù)不同的指令、不同的狀態(tài)條件，在不同的時間，產(chǎn)生不同的狀態(tài)條件，在不同的時間，產(chǎn)生不同的控制信號，控制計算機的各部件不同的控制信號，控制計算機的各部件自動、協(xié)調(diào)地進行工作。自動、協(xié)調(diào)地進行工作。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 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 時序信號發(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 脈沖源 I/O 狀態(tài)信息 微操作控制信號 微操作控制信號形成部件 程序計數(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。 程序計數(shù)器程序計數(shù)器 PC （指令計數(shù)器、指令地址寄存（指令計數(shù)器、指令地址寄存器）器） PC用于保證程序按規(guī)定的序列正確運行，并提

14、供用于保證程序按規(guī)定的序列正確運行，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中可以單獨設(shè)置程序計數(shù)器，也可以指中可以單獨設(shè)置程序計數(shù)器，也可以指定通用寄存器中的某一個作為定通用寄存器中的某一個作為PC使用。使用。 程序順序執(zhí)行時的程序順序執(zhí)行時的PC增量可以通過增量可以通過PC本身的本身的計數(shù)邏輯實現(xiàn)，也可以由運算器的計數(shù)邏輯實

15、現(xiàn)，也可以由運算器的ALU實現(xiàn)。實現(xiàn)。不同機器，實現(xiàn)方法可有所不同。不同機器，實現(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，以便實現(xiàn)對一條指令執(zhí)行的全部過程的控制。中，以便實現(xiàn)對一條指令執(zhí)行的全部過程的控制。 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，對指令寄存器中指令譯碼器是指令分析部件，對指令寄存器中的指令操作碼進行譯碼分

16、析，產(chǎn)生相應(yīng)操作的的指令操作碼進行譯碼分析，產(chǎn)生相應(yīng)操作的控制電位，提供給微操作控制信號形成部件?？刂齐娢?，提供給微操作控制信號形成部件。對尋址方式字段進行譯碼分析，以控制操作數(shù)對尋址方式字段進行譯碼分析，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)機器所規(guī)定的各種尋址方式，形成操作數(shù)根據(jù)機器所規(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、小型機中，為簡化硬件邏輯，通常在一些微、小型機中，為簡化硬件邏輯，通常不設(shè)置專門的地址形成部件，而是借用運算器不設(shè)置專門的地址形成部件，而是借用運算器實現(xiàn)有效地址的計算。實現(xiàn)有效地址的計算。20

17、22-6-27232 2時序控制部件時序控制部件 時序控制部件時序控制部件：用于產(chǎn)生一系列時序信號，為各：用于產(chǎn)生一系列時序信號，為各個微操作定時，以保證各個微操作的執(zhí)行順序個微操作定時，以保證各個微操作的執(zhí)行順序。 從宏觀從宏觀( (即程序控制即程序控制) )上看，計算機的解題過程實上看，計算機的解題過程實質(zhì)上是指令序列即一條條指令的執(zhí)行過程。質(zhì)上是指令序列即一條條指令的執(zhí)行過程。 從微觀從微觀( (即指令控制即指令控制) )上看，計算機的解題過程是上看，計算機的解題過程是微操作序列即一個個微操作序列即一個個( (或一組組或一組組) )微操作的執(zhí)行過微操作的執(zhí)行過程。程。 微操作微操作：機器

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

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

20、2-6-2726 微操作控制信號形成部件微操作控制信號形成部件：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、時序部件所提供的各種時序的操作控制電位、時序部件所提供的各種時序信號以及有關(guān)的狀態(tài)條件，產(chǎn)生機器所需要的信號以及有關(guān)的狀態(tài)條件，產(chǎn)生機器所需要的各種微操作控制信號。各種微操作控制信號。 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序列。每條指令都有自己對應(yīng)的操作控制信號序列。每條指令都有自己對應(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，在不同的時間，產(chǎn)生并發(fā)出不同的微操作控制信不同的時間，產(chǎn)生并發(fā)

21、出不同的微操作控制信號，控制有關(guān)部件協(xié)調(diào)工作，完成指令所規(guī)定號，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微操作控制信號形成部件微操作控制信號形成部件2022-6-27274 4中斷控制邏輯（中斷機構(gòu)）中斷控制邏輯（中斷機構(gòu)） 用于實現(xiàn)異常情況和特殊請求的處理。用于實現(xiàn)異常情況和特殊請求的處理。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)。不同的機狀態(tài)，是控制程序執(zhí)行的重要依據(jù)。不同的機器，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：進位：進位 PFPF：奇偶：奇偶 AFAF：半進位：半進位 ZFZF：結(jié)果為：結(jié)果為0 SF0 SF：符號：符號 TFTF：單步：單步( (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 控制臺用于實現(xiàn)人與機器之間的通信聯(lián)系，如控制臺用于實現(xiàn)人與機器之間的通信聯(lián)系，如啟動或停止機器的運行、監(jiān)視程序運行過程、啟動或停止機器的運行、監(jiān)視程序運行過程、對程序進行必要的修改或干預(yù)等。對程序進行必要的修改或干預(yù)等。 早期有硬件控制臺，用于設(shè)置地址和指令?，F(xiàn)早期有硬件控制臺，用于設(shè)置地址和指令。現(xiàn)在，在大型機中有軟件控制臺。通過控制臺命在，在大型機中有軟件控制臺。通過控制臺命令，控制機器的啟停，干

24、預(yù)機器的工作。令，控制機器的啟停，干預(yù)機器的工作。6 6控制臺控制臺2022-6-2731 控制器的組成方式主要是指微操作控制信號形控制器的組成方式主要是指微操作控制信號形成部件采用何種組成方式產(chǎn)生微操作控制信號。成部件采用何種組成方式產(chǎn)生微操作控制信號。 根據(jù)產(chǎn)生微操作控制信號的方式不同，控制器根據(jù)產(chǎn)生微操作控制信號的方式不同，控制器可分為可分為組合邏輯型、存儲邏輯型、組合邏輯與組合邏輯型、存儲邏輯型、組合邏輯與存儲邏輯結(jié)合型存儲邏輯結(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)別在于微操作信號發(fā)生器的實現(xiàn)方法不同，而控制器中操作信號發(fā)生器的實現(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)來實現(xiàn)的。其微操作信號發(fā)生器是由合邏輯技術(shù)來實現(xiàn)的。其微操作信號發(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)計目標(biāo)：使用最少器件數(shù)和控制器的設(shè)計目標(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：速度快。優(yōu)

26、點：速度快。巨型機和巨型機和RISCRISC機為了追求高速度機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：微操作信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)不規(guī)整，設(shè)計、調(diào)缺點：微操作信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)不規(guī)整，設(shè)計、調(diào)試、維修較困難，難以實現(xiàn)設(shè)計自動化。一旦控試、維修較困難，難以實現(xiàn)設(shè)計自動化。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存儲邏輯型存儲邏輯型 存儲邏輯型存儲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。它是采用存儲邏輯來實現(xiàn)的。存儲邏輯來實現(xiàn)的。 存儲邏輯型存儲邏輯型控制器的實現(xiàn)方法：控制器的

27、實現(xiàn)方法： 把微操作信號代碼化，使每條機器指令轉(zhuǎn)化成為把微操作信號代碼化，使每條機器指令轉(zhuǎn)化成為一段微程序存入控制存儲器中。執(zhí)行指令時，讀一段微程序存入控制存儲器中。執(zhí)行指令時，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。號。 優(yōu)點：設(shè)計規(guī)整，調(diào)試、維修便利，更改、擴充優(yōu)點：設(shè)計規(guī)整，調(diào)試、維修便利，更改、擴充指令方便，易于實現(xiàn)自動化設(shè)計。指令方便，易于實現(xiàn)自動化設(shè)計。 缺點：由于增加了一級控制存儲器，所以指令的缺點：由于增加了一級控制存儲器，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、儲邏輯結(jié)合型組合邏輯和存儲邏輯結(jié)合型 組合邏輯和存儲邏輯結(jié)合型控制器稱為組合邏輯和存儲邏輯結(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)計思想來實現(xiàn)的?？刂破魇俏涨皟煞N的設(shè)計思想來實現(xiàn)的。 PLAPLA控制器實際上也是一種組合邏輯控制器，控制器實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但它的輸出程序可編的，某一微操作控制信號由由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)和存儲邏輯技術(shù)結(jié)控制器是組合邏輯技術(shù)和存儲邏輯技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，它克服了兩者的缺點，是一種較有合的產(chǎn)物，它克服了兩者的缺點

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)計方法是以上幾種控制器的設(shè)計方法是不同不同的，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，并且各個控制的，并且各個控制條件基本上也是一致的，都是由時序電路、操條件基本上也是一致的，都是由時序電路、操作碼譯碼信號，以及被控部件的反饋信息有機作碼譯碼信號，以及被控部件的反饋信息有機配合而成的。配合而成的。 從功能上看，這幾種控制器只是微操作信號發(fā)從功能上看，這幾種控制器只是微操作信號發(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微操作信號發(fā)生器微操作信號發(fā)生器 指令譯碼器 ID 微操作控制信號 微操作控制信號發(fā)生器 時序信號 各部件狀態(tài)反饋信號 譯碼輸出 2022-6-2737 6.2 6.2 控制器的控制方式與時序系統(tǒng)控制器的控制方式與時序系統(tǒng) 計算機執(zhí)行指令的過程實際上是執(zhí)行一系列的計算機執(zhí)行指令的過程實際上是執(zhí)行一系列的微操作的過程。每一條指令都對應(yīng)著一個微操微操作的過程。每一條指令都對應(yīng)著一個微操作序列，這些微操作中有些可以同時執(zhí)行，有作序列，這些微操作中有些可以同時執(zhí)行，有些則必須按嚴(yán)格的時間關(guān)系執(zhí)行。些則必須按嚴(yán)格的時間關(guān)系執(zhí)行。 控制器的控制方式需解決的問題：控制器的控

31、制方式需解決的問題： 如何在時間上對各種微操作信號加以控制。如何在時間上對各種微操作信號加以控制。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 任何指令的運行或指令中各個微操作的執(zhí)行，均任何指令的運行或指令中各個微操作的執(zhí)行，均由確定的具有統(tǒng)一基準(zhǔn)時標(biāo)的時序信號所控制。由確定的具有統(tǒng)一基準(zhǔn)時標(biāo)的時序信號所控制。 即所有的操作均由統(tǒng)一的時鐘控制，在標(biāo)準(zhǔn)的時即所有的操作均由統(tǒng)一的時鐘控制，在標(biāo)準(zhǔn)的時間內(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、每個時序信號的結(jié)束就意味每個時序信號的結(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)的微操作或自動轉(zhuǎn)向下條指令的運行的微操作或自動轉(zhuǎn)向下條指令的運行。2022-6-2739 典型的同步控制方式：典型的同步控制方式： 以微操作序列最長的指令和執(zhí)行時間最長的微以微操作序列最長的指令和執(zhí)行時間最長的微操作為標(biāo)準(zhǔn)，把一條指令執(zhí)行過程劃分為若干操作為標(biāo)準(zhǔn)，把一條指令執(zhí)行過程劃分為若干個相對獨立的階段（稱為周期）或若干個時間個相對獨立的階段（稱為周期）或若干個時間區(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)點優(yōu)點：時序關(guān)系簡單，控制方便：時序關(guān)系簡單，控制方便 缺點缺點：浪費時間。：浪費時間。 因為對比較簡單的指令，將有很多節(jié)拍是不用因為對比較簡單的指令，將有很多節(jié)拍是不用的，處于等待。所以，在實際應(yīng)用中都不采用的，處于等待。所以，在實際應(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)置一個統(tǒng)一的節(jié)拍數(shù)，使之大多數(shù)指令均能在統(tǒng)一個統(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：在延長節(jié)拍內(nèi)的控制在延長節(jié)拍內(nèi)的控制 對于少數(shù)在統(tǒng)一節(jié)拍內(nèi)不能完成的指令，采用對于少數(shù)在統(tǒng)一節(jié)拍內(nèi)不能完成的指令，采用延長節(jié)拍或增加節(jié)拍數(shù)，使之在延長節(jié)拍內(nèi)完延長節(jié)拍或增加節(jié)拍數(shù)，使之在延長節(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)某計算機的指令通常用例：設(shè)某計算機的指令通常用8 8個節(jié)拍完成，個節(jié)拍完成，即有即有8 8個中央節(jié)拍個中央節(jié)拍 W W7 7W W0 0 ，當(dāng)某指令在，當(dāng)某指令在8 8

35、個節(jié)個節(jié)拍中不能完成時，就插入若干局部節(jié)拍拍中不能完成時，就插入若干局部節(jié)拍 W W6 6* *，經(jīng)過若干局部節(jié)拍經(jīng)過若干局部節(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) 采用不同的機器周期和延長節(jié)拍的方法采用不同的機器周期和延長節(jié)拍的方法 把一條指令執(zhí)行過程劃分為若干機器周期，如把一條指令執(zhí)行過程劃分為若干機器周期，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，選取不同的機器周

36、期數(shù)。在節(jié)拍安不同需要，選取不同的機器周期數(shù)。在節(jié)拍安排上，每個周期劃分為固定的節(jié)拍，每個節(jié)拍排上，每個周期劃分為固定的節(jié)拍，每個節(jié)拍都可根據(jù)需要延長一個節(jié)拍。都可根據(jù)需要延長一個節(jié)拍。 這種方法可以解決執(zhí)行不同的指令所需時間不這種方法可以解決執(zhí)行不同的指令所需時間不統(tǒng)一問題。統(tǒng)一問題。 在在Intel 8088 Intel 8088 的指令執(zhí)行過程中有讀寫周期、的指令執(zhí)行過程中有讀寫周期、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個節(jié)拍，但可個節(jié)拍，但可以延長若干個節(jié)拍。以延長若干個節(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：運行不同指令時，需要多少節(jié)拍，：運行不同指令時，需要多少節(jié)拍，時序部件就發(fā)生多少節(jié)拍。時序部件就發(fā)生多少節(jié)拍。 這種方法可完全避免節(jié)拍輪空，是提高指令運這種方法可完全避免節(jié)拍輪空，是提高指令運行速度的有效方法，但這種方法使時序部件復(fù)行速度的有效方法，但這種方法使時序部件復(fù)雜化。同時還不能解決節(jié)拍內(nèi)那些簡單的微操雜化。同時還不能解決節(jié)拍內(nèi)那些簡單的微操作因等待所浪費的時間作因等待所浪費的時間。2022-6-2744 2 2異步控制方式異步控制方式 沒有統(tǒng)一的同步信號，采用問答方式進行時序協(xié)沒有統(tǒng)一的同步信號，采用問答方式進行時序協(xié)調(diào)，將前一操作的回答信號作為下一操作的啟動調(diào)，將前一操作的回

38、答信號作為下一操作的啟動信號。信號。 異步控制方式異步控制方式不僅要區(qū)分不同指令對應(yīng)的微操作不僅要區(qū)分不同指令對應(yīng)的微操作序列的長短，而且要區(qū)分其中每個微操作的繁簡，序列的長短，而且要區(qū)分其中每個微操作的繁簡，每條指令、每個微操作需要多少時間就占用多少每條指令、每個微操作需要多少時間就占用多少時間。時間。 這種方式不再有統(tǒng)這種方式不再有統(tǒng)的周期、節(jié)拍，各個操作之的周期、節(jié)拍，各個操作之間采用應(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，啟動下一個操作。信號，啟動下一個操作。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際需要而這種方式可根據(jù)每條指令的操作的實際需要而分配時間，所以沒有時間上的浪費，效率高。分配時間，所以沒有時間上的浪費，效率高。但設(shè)計復(fù)雜且費設(shè)備。但設(shè)計復(fù)雜且費設(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)計思想：的設(shè)計思想： 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。 通常對可以統(tǒng)一的微操作采用同步控制，對難通常對可

40、以統(tǒng)一的微操作采用同步控制，對難以統(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、小型機中，例如，在微、小型機中，CPU內(nèi)部基本時序采內(nèi)部基本時序采用同步控制方式，當(dāng)用同步控制方式，當(dāng)CPU通過總線與主存或其通過總線與主存或其它外設(shè)交換數(shù)據(jù)時，轉(zhuǎn)入異步控制。它外設(shè)交換數(shù)據(jù)時，轉(zhuǎn)入異步控制。 當(dāng)當(dāng)CPU訪問外設(shè)時，只需給出起始信號，主存訪問外設(shè)時，只需給出起始信號，主存或外部設(shè)備即按自己的時序信號去安排操作，或外部設(shè)備即按自己的時序信號去安排操作，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，以便發(fā)結(jié)束信號，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同步與異步時序的銜接關(guān)系同步與異步時序的銜接關(guān)系 當(dāng)當(dāng)CPUCPU要訪主存時，在發(fā)讀信號要訪主存時，在發(fā)讀信號READREAD同時發(fā)同時發(fā)“等待等待”信號，等待信號使時序由同步轉(zhuǎn)入異信號，等待信號使時序由同步轉(zhuǎn)入異步操作并凍結(jié)同步時序，使節(jié)拍間的相位關(guān)系步操作并凍結(jié)同步時序，使節(jié)拍間的相位關(guān)系不再發(fā)生變化，直到存儲器按自己速度操作結(jié)不再發(fā)生變化，直到存儲器按自己速度操作結(jié)束，并向束，并向CPUCPU發(fā)回答信號發(fā)回答信號MOCMOC才解除對同步時序才解除對同步時序的凍結(jié)，機器回到同步時序按原時序關(guān)系繼續(xù)的凍結(jié)，機器回到同步時序按原時序關(guān)系繼續(xù)運行。運行。2022

42、-6-2749 W0 W1 W2 W3 凍結(jié) 等待 READ MOC TCPU Ts TCPU 2022-6-2750 實際上現(xiàn)代計算機中幾乎沒有完全采用實際上現(xiàn)代計算機中幾乎沒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 時序系統(tǒng)時序系統(tǒng) 時序系統(tǒng)是控制器的心臟，由它為指令的執(zhí)行提時序系統(tǒng)是控制器的心臟，由它為指令的執(zhí)行提供各種定時信號。通常，設(shè)計時序系統(tǒng)主要是針供各種定時信號。通常，設(shè)計時序系統(tǒng)主要是針對對同步控制同步控制方式的。方式的。 1 1指令周期與機器周期指令周

43、期與機器周期 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間。令所需的全部時間。 由于各種指令的操作功能不同，繁簡程度不同，由于各種指令的操作功能不同，繁簡程度不同，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 機器周期機器周期（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間。在指令執(zhí)行過程中，各機作階段所需的時間。在指令執(zhí)行過程中，各機器周期相對獨立。器周期相對獨立。 一條指令的指令周期由若干個機器周期所組成，一條指令的指令周期由若干個機器周期所組成，每個機器

44、周期完成一個基本操作每個機器周期完成一個基本操作。所以機器周。所以機器周期也稱為期也稱為基本周期基本周期。 一般機器的一般機器的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 每個機器周期設(shè)置一個周期狀態(tài)觸發(fā)器與之對每個機器周期設(shè)置一個周期狀態(tài)觸發(fā)器與之對應(yīng)，機器運行于哪個周期，與其對應(yīng)的周期狀應(yīng)，機器運行于哪個周期，與其對應(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，機器運行的任何。顯然，機器運行的任何時刻都只能建立一個周期狀態(tài)，因此同一時刻時刻都只能建立一個周期狀態(tài)，因此同一時刻只能有一個周期狀態(tài)觸發(fā)

45、器被置為只能有一個周期狀態(tài)觸發(fā)器被置為“1”。 不同工作周期所占的時間可以不等。由于不同工作周期所占的時間可以不等。由于CPU內(nèi)部操作速度快，而內(nèi)部操作速度快，而CPU訪存所花時間較長，訪存所花時間較長，所以許多計算機系統(tǒng)往往以所以許多計算機系統(tǒng)往往以主存周期主存周期為基礎(chǔ)來為基礎(chǔ)來規(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 把一個機器周期等分成若干個時間區(qū)間，每一把一個機器周期等分成若干個時間區(qū)間，每一時間區(qū)間稱為一個時間區(qū)間稱為一個節(jié)拍節(jié)拍。 一個節(jié)拍對應(yīng)一個電位信號，控制一個或幾個一個節(jié)拍對應(yīng)一個電位信號，控制一個或幾個微操作的執(zhí)行。微操

46、作的執(zhí)行。 在一個機器周期內(nèi)，要完成若干個微操作，這在一個機器周期內(nèi)，要完成若干個微操作，這些微操作不但需要占用一定的時間，而且有一些微操作不但需要占用一定的時間，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機器周期等分成若干本的控制方法就是把一個機器周期等分成若干個節(jié)拍，每一個節(jié)拍完成一步基本操作，如一個節(jié)拍，每一個節(jié)拍完成一步基本操作，如一次傳送、一次加減運算等。次傳送、一次加減運算等。 一個節(jié)拍電位信號的寬度取決于一個節(jié)拍電位信號的寬度取決于CPUCPU完成一個完成一個基本操作的時間基本操作的時間。 2 2節(jié)拍節(jié)拍2022

47、-6-2755 節(jié)拍提供了一項基本操作所需的時間分段，節(jié)拍提供了一項基本操作所需的時間分段，但有的操作如打入寄存器，還需嚴(yán)格的定時脈但有的操作如打入寄存器，還需嚴(yán)格的定時脈沖，以確定在哪一時刻打入。節(jié)拍的切換，也沖，以確定在哪一時刻打入。節(jié)拍的切換，也需要嚴(yán)格的同步定時。需要嚴(yán)格的同步定時。所以在一個節(jié)拍內(nèi)，有所以在一個節(jié)拍內(nèi)，有時還需要設(shè)置一個或幾個工作脈沖，用于寄存時還需要設(shè)置一個或幾個工作脈沖，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：一個節(jié)拍內(nèi)設(shè)置的一個或幾個工作脈沖。：一個節(jié)拍內(nèi)設(shè)置的一個或幾個工作脈沖。3. 3. 脈沖（定時脈沖）脈沖（定時脈沖）2022-6-

48、2756 常見的設(shè)計是在每個節(jié)拍的末尾發(fā)一次工作脈常見的設(shè)計是在每個節(jié)拍的末尾發(fā)一次工作脈沖，脈沖前沿可用來打入運算結(jié)果（或傳送），沖，脈沖前沿可用來打入運算結(jié)果（或傳送），脈沖后沿則實現(xiàn)周期的切換。脈沖后沿則實現(xiàn)周期的切換。 也有的計算機，在一個節(jié)拍中先后發(fā)出幾個工也有的計算機，在一個節(jié)拍中先后發(fā)出幾個工作脈沖，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，后沿實現(xiàn)周期切換。

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

50、基本時序，一個指下圖所示的是一典型指令的基本時序，一個指令周期包含三個機器周期：取指周期、存儲器令周期包含三個機器周期：取指周期、存儲器讀周期和存儲器寫周期，三個周期中分別包含讀周期和存儲器寫周期，三個周期中分別包含4 4個、個、3 3個、個、3 3個時鐘周期個時鐘周期。 T1 T2 T3 T4 T1 T2 T3 T1 T2 T3 取指周期 存儲器讀周期 存儲器寫周期 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，它包含運算器和控制器兩個即中央處理器，它包含運算器和控制器兩個部分。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：管理何時產(chǎn)生每條指令所需的操：管理何時產(chǎn)生每條指令所需的操作信號，送往有關(guān)部件，控制完成指令規(guī)定的作信號，送往有關(guān)部件，控制完成指令規(guī)定的操作。操作。 時序控制時序控制：對各種操作實施時間上的定時，：對各種操作實施時間上的定時，使計算機有條不紊地工作。使計算機有條不紊地工作。 數(shù)據(jù)加工數(shù)據(jù)加工：對數(shù)據(jù)進行算術(shù)邏輯運算處理。：對數(shù)據(jù)進行算術(shù)邏輯運算處理。2022-6-2760控制信號+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 不同計算機的不同計算機的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) )程序計數(shù)器程序計數(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、用于中還常設(shè)置一些程序不能直接訪問、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：一組程序可訪問的、具有多種功：一組程序可訪問的、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（寄在指令系統(tǒng)中，為通用寄存器分配了編號（寄存器地址），可以編程指定使用其中的某個寄存器地址），可以編程指定使用其中的某個寄存器。存器。 通用寄存器自身的邏輯往往很簡單并且比較統(tǒng)通用寄

54、存器自身的邏輯往往很簡單并且比較統(tǒng)一，甚至是快速的小規(guī)模存儲器的一些單元，一，甚至是快速的小規(guī)模存儲器的一些單元，但通過編程與運算器配合，可指定其實現(xiàn)多種但通過編程與運算器配合，可指定其實現(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、計數(shù)器等。址寄存器、計數(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)通路通常是指運算器與寄

55、存器內(nèi)部的數(shù)據(jù)通路通常是指運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)行過程的微操送路徑。數(shù)據(jù)通路不同，指令執(zhí)行過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形成部件的設(shè)計。信號形成部件的設(shè)計。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)邏輯運將寄存器和算術(shù)邏輯運算部件連接起來。算部件連接起來。CPUCPU、主存、主存、I/OI/O設(shè)備也通過一設(shè)備也

56、通過一組單總線（系統(tǒng)總線）連接起來。組單總線（系統(tǒng)總線）連接起來。 在單總線結(jié)構(gòu)中，在單總線結(jié)構(gòu)中，CPUCPU內(nèi)部的任何兩個部件間的內(nèi)部的任何兩個部件間的數(shù)據(jù)傳送都必須經(jīng)過單總線數(shù)據(jù)傳送都必須經(jīng)過單總線IBUSIBUS，因此單總線結(jié)，因此單總線結(jié)構(gòu)的控制比較簡單，但傳送速度受到限制。在一構(gòu)的控制比較簡單，但傳送速度受到限制。在一些微、小型機中常采用這種結(jié)構(gòu)。些微、小型機中常采用這種結(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)部通過內(nèi)部通過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)邏輯運算部件連接送總線），將寄存器和算術(shù)邏輯運算部件連接起來。各寄存器可通過控制門，建立寄存器與起來。各寄存器可通過控制門，建立寄存器與總線之間的聯(lián)系?？偩€之間的聯(lián)系。CPUCPU通過地址總線通過地址總線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：指令的操作過程。：指令的操作過程。 對指令流程的影響因素：對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)的過程不同。尋址方式不同，尋找操作數(shù)的過程不同。 數(shù)據(jù)通路不同，傳送數(shù)據(jù)時的控制過程數(shù)據(jù)通路不同，傳送數(shù)據(jù)時的控制過程不同。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)行時的基本步驟不同。不同的指令，執(zhí)行時的基本步驟不同。如訪存指令，需要訪問存儲器；如訪存指令，需要訪問存儲器；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 運算器功能：運算器功能： 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)行加法運算，結(jié)果暫存；執(zhí)行加法運算，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