計算機組成與結(jié)構(gòu)課件控制器操作-zhaohuan

1、William Stallings計算機組成原理與體系結(jié)構(gòu)第八版第15章控制器操作微操作計算機執(zhí)行程序取指/執(zhí)行周期每個指令周期都有一系列子步驟參考流水線稱之為微操作每一個步驟微小簡單CPU的原子操作程序執(zhí)行的組成元素取指周期- 4 個寄存器內(nèi)存地址寄存器(Memory Address Register ,MAR) 連接到地址總線指定讀、寫操作的內(nèi)存地址內(nèi)存緩沖寄存器(Memory Buffer Register ,MBR) 連接到數(shù)據(jù)總線存放被寫入內(nèi)存或從內(nèi)存最后讀出的數(shù)據(jù)程序計數(shù)器(Program Counter ,PC) 存放下一條指令的地址指令寄存器(Instruction Regis

2、ter ,IR) 保存最近取出的指令取指周期下一條將被執(zhí)行的指令的地址存放在程序計數(shù)器PC中地址(在MAR中)放到地址總線控制器發(fā)出一個讀(READ)命令結(jié)果(從內(nèi)存中讀出)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上數(shù)據(jù)總線上的值被復(fù)制到內(nèi)存緩沖寄存器MBRPC自加一(與內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)并行處理)數(shù)據(jù)(指令)從MBR傳送到指令寄存器IRMBR被釋放了，以便進一步的數(shù)據(jù)獲取取指周期(符號描述)t1:MAR - (PC)t2:MBR - (memory) PC - (PC) +1t3:IR - (MBR)(tx表示單位時間/時鐘脈沖)或者t1:MAR - (PC)t2:MBR - (memory)t3:PC - (PC) +1

3、 IR - (MBR)微操作分組原則必須遵循正確合理的順序MAR - (PC) 必須先于MBR - (memory)必須避免沖突一個寄存器不能同時進行讀寫操作MBR - (memory) 和 IR - (MBR) 不應(yīng)出現(xiàn)在同一個周期中另外: PC - (PC) +1 涉及到加法運用ALU可能需要增加微操作間接周期MAR - (IR(地址) MBR - (memory)IR(地址)- (MBR(地址)MBR存放地址IR現(xiàn)處在類似直接尋址被使用過的同一狀態(tài)(這說明IR大小的什么問題？)中斷周期t1:MBR -(PC)t2:MAR - save-address PC - routine-addre

4、sst3:memory - (MBR)給出的是一個簡單的事件序列可能需要額外的微操作以獲取地址注意.保存當前狀態(tài)是通過中斷處理程序，而不是微操作執(zhí)行周期(ADD)每條指令是不一樣的e.g. ADD R1,X 將存儲器位置X的內(nèi)容加到寄存器R1,結(jié)果保存至R1t1:MAR - (IR(地址)t2:MBR - (memory)t3:R1 - R1 + (MBR)注意沒有微操作的重疊執(zhí)行周期(ISZ)ISZ X -遞增，若為0則跳步t1:MAR - (IR(地址)t2:MBR - (memory)t3:MBR - (MBR) + 1t4:memory - (MBR) 若 (MBR) = 0 , 則

5、PC - (PC) + 1注意:如果是一個單一的微操作所有微操作在T4完成執(zhí)行周期(BSA)BSA X 轉(zhuǎn)移并保存地址BSA指令之后的指令地址被保存于 X中由 X+1位置繼續(xù)執(zhí)行t1:MAR - (IR(地址) MBR - (PC)t2:PC - (IR(地址) memory - (MBR)t3:PC - (PC) + 1指令周期每個階段都可分解為一系列的微操作E.g. 取指,間接和中斷周期執(zhí)行周期每一個操作碼有一個序列需要將微操作序列連接起來假設(shè)一個新的2位寄存器指令周期代碼(Instruction cycle code ,ICC) 定義了CPU處于周期某一部分的狀態(tài)00: 取指01: 間接

6、10: 執(zhí)行11: 中斷指令周期流程圖功能需求定義CPU的基本元素描述CPU完成的操作確定為了使微操作完成，控制器必須具備的功能CPU的基本功能元素ALU寄存器組內(nèi)部數(shù)據(jù)通路外部數(shù)據(jù)通路控制器微操作分類在寄存器之間傳送數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)由寄存器傳送到外部接口將數(shù)據(jù)由外部接口傳送到寄存器完成算術(shù)邏輯運算控制器基本任務(wù)排序(sequencing)使CPU一步步通過一系列微操作執(zhí)行(execution)使每個微操作得以完成控制信號實現(xiàn)上述任務(wù)控制信號時鐘每個時鐘脈沖完成一個(或一組同時的)微操作指令 指令寄存器當前指令的操作碼確定執(zhí)行何種微操作標志COU的狀態(tài)先前操作的結(jié)果來自控制總線的控制信號中斷信號應(yīng)答

7、信號控制器模型控制信號- 輸出CPU內(nèi)的控制信號用于數(shù)據(jù)傳送啟動特定功能到控制總線的控制信號對存儲器的控制信號到I/O模塊的控制信號控制信號舉例- 取指周期MAR - (PC)控制單元發(fā)出信號，打開PC與MAR的門MBR - (memory)打開MAR與地址總線的門存儲器讀取控制信號打開數(shù)據(jù)總線和MAR的門數(shù)據(jù)通路和控制信號內(nèi)部組織通常使用一個內(nèi)部總線門控制數(shù)據(jù)與總線的交換Gates control movement of data onto and off the bus控制信號控制數(shù)據(jù)與外部系統(tǒng)總線的交換ALU的一些相應(yīng)操作需要臨時寄存器有內(nèi)部總線的CPUIntel 8085 處理器結(jié)構(gòu)圖Intel 8085 引腳分布Intel 8085 OUT 指令時序圖硬布線實現(xiàn)(1)控制器輸入標志和控制總線每個位都有某種意義指令寄存器指令操作碼為不同指令產(chǎn)生不同的控制信號每一操作碼有唯一的邏輯輸入譯碼器接收一個編碼輸入并產(chǎn)生輸出信號n 個輸入和 2n個輸出硬布線實現(xiàn)(2)時鐘重復(fù)的脈沖序列對于過量微操作的持續(xù)時間是有用的時鐘脈沖周期要足夠的長在