第十四講控制器

第十四講控制器（一）本講主要內(nèi)容CPU的結(jié)構(gòu)控制器概述控制器的控制方式硬布線控制器及其設計微程序控制器及其設計一、CPU的結(jié)構(gòu)（一)、CPU的功能取指令分析指令執(zhí)行指令，發(fā)出各種操作命令控制程序輸入及結(jié)果的輸出總線管理處理異常情況和特殊請求1.控制器的功能2.運算器的功能實現(xiàn)算術(shù)運算和邏輯運算指令控制操作控制時間控制數(shù)據(jù)加工處理中斷（二）、CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.用戶可見寄存器(1)通用寄存器（三）、CPU的寄存器存放操作數(shù)可作某種尋址方式所需的專用寄存器(2)數(shù)據(jù)寄存器存放操作數(shù)（滿足各種數(shù)據(jù)類型）兩個寄存器拼接存放雙倍字長數(shù)據(jù)(3)地址寄存器存放地址，其位數(shù)應滿足最大的地址范圍用于特殊的尋址方式段基值棧指針(4)條件碼寄存器存放條件碼，可作程序分支的依據(jù)如正、負、零、溢出、進位等2.控制和狀態(tài)寄存器(1)控制寄存器PC控制CPU操作(2)狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器其中MAR、MDR、IR

用戶不可見存放條件碼PSW寄存器存放程序狀態(tài)字

PC

用戶可見3.舉例Z80008086MC68000MARMMDRIR8.1（四）、操作控制器和時序產(chǎn)生器

數(shù)據(jù)通路：許多寄存器之間傳送信息的通路。操作控制器的功能:根據(jù)指令操作碼和時序信號，產(chǎn)生各種操作控制信號，以便正確地選擇數(shù)據(jù)通路，把有關(guān)數(shù)據(jù)打入到一個寄存器，從而完成取指令和執(zhí)行指令的控制。根據(jù)設計方法不同，操作控制器可分為三種:1.硬連線控制器，是采用時序邏輯技術(shù)來實現(xiàn)的；2.微程序控制器，是采用存儲邏輯來實現(xiàn)的。3.陣列邏輯控制器，是采用PLA陣列來實現(xiàn)，屬于存儲邏輯。時序產(chǎn)生器：對各種操作信號實施時間上的控制

。

主要功能從內(nèi)存中取指令，計算下一條指令的地址；對指令進行譯碼，產(chǎn)生操作控制信號；控制指令執(zhí)行的步驟和數(shù)據(jù)流動的方向。生成控制信號的方法硬連線邏輯方式微程序方式陣列邏輯方式二、控制器概述

（一）、控制器的主要功能1、取指令：根據(jù)程序入口地址取出第一條指令2、分析指令：確定指令的操作產(chǎn)生相應的操作形成操作數(shù)的地址3、執(zhí)行指令：根據(jù)操作命令和操作數(shù)地址形成操作控制信號序列。4、控制程序和數(shù)據(jù)的輸入和結(jié)果輸出5、對異常情況和某些請求進行處理陷阱中斷請求

DMA請求（二）、控制器的組成程序計數(shù)器(PC)：存當前正在執(zhí)行的指令的地址存即將執(zhí)行的下一條指令的地址存下一條預取指令的地址。指令寄存器(IR)：存放當前正在執(zhí)行的指令指令譯碼器（ID）：對操作碼進行分析,產(chǎn)生相應控制信號。脈沖源：時鐘信號,reset信號啟?？刂凭€路：開啟、封鎖機器工作時鐘時序控制信號形成部件：產(chǎn)生節(jié)拍序列脈沖信號程序狀態(tài)字（PSW）：狀態(tài)寄存器，標志位,控制位控制器邏輯框圖微操作控制形成部件時序脈沖發(fā)生器指令譯碼器操作碼地址碼啟停地址形成電路PCCPU外部狀態(tài)脈沖源微操作控制信號+1(控制臺)MARIR1.根據(jù)不同指令的操作碼產(chǎn)生所需的微操作命令,即指令譯碼2.操作命令與時序脈沖結(jié)合形成一定時序的微命令實現(xiàn)方法:

組合邏輯:硬布線邏輯；可編程邏輯陣列(PLA)

存儲邏輯:微程序控制邏輯一個時序系統(tǒng)的組成如圖所示:M1脈沖發(fā)生器節(jié)拍發(fā)生器周期狀態(tài)觸發(fā)器……脈沖源啟動暫停M2T1T2(三)時序系統(tǒng)的組成1.脈沖源:由石英晶體震蕩器及“與非門”組合的震蕩電路組成2.脈沖發(fā)生器:通常是一個環(huán)行脈沖發(fā)生器,采用循環(huán)移位寄存器的形式,產(chǎn)生一組有序的、間隔相等或不等的脈沖序列3.節(jié)拍發(fā)生器:按先后順序,循環(huán)地發(fā)出若干時鐘周期信號,最后通過譯碼電路,產(chǎn)生最后所需的節(jié)拍脈沖,通常由計數(shù)譯碼器電路組成.指令周期：取出一條指令并執(zhí)行該指令的時間機器周期：CPU同主存或外設進行一次信息交換所需的時間─總線周期、CPU周期時鐘周期：CPU執(zhí)行一個微操作的最小時間單位─節(jié)拍周期、T周期三者關(guān)系：一個指令周期包含若干個CPU周期，一個CPU周期的功能由多個時鐘周期來完成4.周期狀態(tài)觸發(fā)器:產(chǎn)生電路與節(jié)拍發(fā)生器產(chǎn)生電路類似.表示CPU當前處于指令周期的哪個機器周期5.啟停控制邏輯:控制時鐘系統(tǒng),只有當啟動機器運行時,才允許發(fā)出所需的時鐘脈沖,而且,由于機器的啟停是隨機的,必須考慮發(fā)出的脈沖是完整的.時序控制邏輯基本概念（四）時序產(chǎn)生器1、多級時序的概念

(1)指令周期:在時序系統(tǒng)中通常不為指令周期設置時間標志信號,因而也不將其作為時序的一級.

(2)機器周期:設置一組周期狀態(tài)觸發(fā)器,以標志不同的機器周期.任一時刻只允許其中的一個觸發(fā)器為1,表明CPU當前處在哪個機器周期.

(3)時鐘周期:一個時鐘周期內(nèi)完成一步基本操作.

(4)時鐘脈沖信號:作為時序系統(tǒng)的基本定時信號.2、多級時序信號之間的關(guān)系:

指令周期不作為時序的一級,下圖反映了機器周期、時鐘周期、時鐘脈沖三級時序信號的關(guān)系。

通常硬布線邏輯使用三級時序系統(tǒng)。

微程序控制邏輯使用兩級時序系統(tǒng)一個指令周期機器周期M1機器周期M2機器周期M3時鐘周期T1時鐘周期T2時鐘周期T3時鐘脈沖CLK三級時序信號間的關(guān)系φφT1-T4為四個輸出節(jié)拍脈沖,其譯碼邏輯表達式為:T1=C1*C2T2=C2*C3T3=C3T4=C1時序產(chǎn)生器的主要邏輯電路12345678910CPU周期CPU周期T1T2T3T4C4C1C2C3φ（五）五條基本指令執(zhí)行過程MOV R0, R1LAD R1, 6ADD R1, R2STO R2, (R3)JMP 101MOV指令取指令過程MOV指令取指令過程MOV指令執(zhí)行過程LAD指令取指令過程LAD指令執(zhí)行過程ADD指令取指令過程ADD指令執(zhí)行過程STO指令取指令過程STO指令執(zhí)行過程STO指令執(zhí)行過程JMP指令取指令過程JMP指令執(zhí)行過程用方框圖語言表示的指令周期

例：下圖為雙總線結(jié)構(gòu)機器的數(shù)據(jù)通路，IR為指令寄存器，PC為程序計數(shù)器（具有自增功能），M為主存（受R/W信號控制），它既存放指令又存放數(shù)據(jù)，AR為地址寄存器，DR為數(shù)據(jù)緩沖寄存器，ALU由加、減控制信號決定完成何種操作，控制信號G控制的是一個門電路，它相當于兩條總線之間的橋。另外，線上標注有小圓圈表示有控制信號，例如yi表示Y寄存器的輸入控制信號，R1o為寄存器Ri的輸出控制信號，未標字符的線為直通線，不受控制。（1）“ADDR2,RO”指令完成(RO)+(R2)→R2的功能操作,畫出其指令周期流程圖，假設該指令的地址已放入PC中。并列出相應的微操作控制信號序列。（2）“SUBR1,R3”指令完成(R1)-(R3)→R1的功能操作,畫出其指令周期流程圖，并列出相應的微操作控制信號序列。產(chǎn)生不同微操作命令序列所用的時序控制方式1.同步控制方式任一微操作均由統(tǒng)一基準時標的時序信號控制CLK機器周期機器周期機器周期（取指令）（取有效地址）（執(zhí)行指令）指令周期T0T1T2T3T0T1T2T3T0T1T2T3(1)采用定長的機器周期以最長的微操作序列和最繁的微操作作為標準機器周期內(nèi)節(jié)拍數(shù)相同三、控制器的控制方式(2)采用不定長的機器周期機器周期機器周期（取指令）（執(zhí)行指令）指令周期T0T1T2T3T0T1T2節(jié)拍(狀態(tài))機器周期機器周期（取指令）（執(zhí)行指令）T0T1T2T3T0T1T2T3TT延長機器周期內(nèi)節(jié)拍數(shù)不等(3)采用中央控制和局部控制相結(jié)合的方法T0T1T2T3T0T1T2中央控制節(jié)拍

T3T0T1中央控制節(jié)拍機器周期執(zhí)行周期指令周期取指周期T0T1T2T3局部控制的節(jié)拍寬度與中央控制的節(jié)拍寬度一致T*T*T*局部控制節(jié)拍…異步控制方式：采用“結(jié)束——起始”的工作方式，無統(tǒng)一的時序信號。特點：a）每條指令按實際需要產(chǎn)生節(jié)拍數(shù)b）指令執(zhí)行完畢，發(fā)出“結(jié)束”信號c）控制器收到“結(jié)束”信號，開始執(zhí)行下條指令優(yōu)點：運行速度快缺點：控制電路比較復雜2.異步控制方式(分散控制方式):每條指令、每個微操作需要多少時間就占用多少時間，不采用統(tǒng)一的周期和節(jié)拍，時間上的銜接通過應答通訊方式(握手方式)實現(xiàn).無時間浪費,但時序控制比較復雜.聯(lián)合控制方式：將同步控制方式與異步控制方式結(jié)合使用。特點：a）大部分指令按同步控制執(zhí)行——中央控制b）小部分特殊指令（過長、過短），采用異步控制方式執(zhí)行——局部控制優(yōu)點：能保證一定的運行速度缺點：電路設計相對復雜3.聯(lián)合控制方式:同步控制與異步控制相結(jié)合.4.人工控制方式(1)Reset鍵(2)連續(xù)和單條指令執(zhí)行轉(zhuǎn)換開關(guān)(3)符合停機開關(guān)五、多級時序系統(tǒng)實例分析1.8085的組成A15~A8中斷控制AC(8)TR(8)FR(5)IR(8)IDAL（16）PC（16）SP（16）L（8）H（8）E（8）D（8）C（8）B（8）

指令譯碼和機器周期編碼ALU定時和控制時鐘控制狀態(tài)DMA復位ABR(8)ADBR(8)8位內(nèi)部數(shù)據(jù)總線I/O控制INTAINTRSIDSODCLKReadyRDWRALEIO/MHLDAResetoutAD7~AD02.8085的外部引腳(1)地址和數(shù)據(jù)信號(2)定時和控制信號(3)存儲器和I/O初始化A15~A8

AD7~AD0SIDSOD入X1X2入HOLDReady出

HLDA出CLK

ALES0S1

IO/M

RD

WR12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221X1X2ResetoutSODSIDTrapRST7.5RST6.5RST5.5INTAAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7VSSINTRVCCHOLDHLDACLK(out)RsestinReadyIO/MS1RDWRALES0A15A14A13A12A11A10A9A89.2(4)與中斷有關(guān)的信號(5)CPU初始化(6)電源和地出INTATrap重新啟動中斷入INTR入Resetin出ResetoutVCC+5VVSS

地1234567891011121314151617181920403938373635343332313029282