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第四章 控制器原理与 CPU 组织

第四章 控制器原理与 CPU 组织. 送 M. 微命令序列. PC. +1. I/O 状态. 控制台信息. 微命令 发生器. …. 译码. 送 M 或 ALU. 地址形成. 运行状态. D. θ. 寻. PSW. 时序. IR. 来自 M. 第 1 节 组合逻辑控制器原理. 4.1.1 控制器组成. 送 M. 微命令序列. PC. +1. I/O 状态. 控制台信息. 微命令 发生器. …. 译码. 送 M 或 ALU. 地址形成. 运行状态. 微命令 发生器. D. θ. 寻. PSW.

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第四章 控制器原理与 CPU 组织

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  1. 第四章 控制器原理与CPU组织

  2. 送M 微命令序列 PC +1 I/O状态 控制台信息 微命令 发生器 …... 译码 送M或ALU 地址形成 运行状态 D θ 寻 PSW 时序 IR 来自M 第1节 组合逻辑控制器原理 4.1.1 控制器组成

  3. 送M 微命令序列 PC +1 I/O状态 控制台信息 微命令 发生器 …... 译码 送M或ALU 地址形成 运行状态 微命令 发生器 D θ 寻 PSW 时序 IR 来自M 1.微命令发生器 电位型 脉冲型 功能: 产生全机所需的各种微命令 控制最基本的操作(微操作)的命令

  4. 送M 微命令序列 PC +1 I/O状态 控制台信息 微命令 发生器 …... 译码 送M或ALU PC 地址形成 运行状态 微命令 发生器 D θ 寻 PSW 时序 IR 来自M 2.指令计数器PC 功能: 指示指令在M中的位置。 PC+1 顺序执行: PC先加1,再用转移地址修改PC 转移执行:

  5. 送M 微命令序列 PC +1 I/O状态 控制台信息 微命令 发生器 …... 译码 送M或ALU 地址形成 运行状态 D θ 寻 PSW 时序 IR 来自M PC 微命令 发生器 IR 3.指令寄存器IR 功能: 存放现行指令。 决定操作性质 操作码字段 译码器 微命令发生器 寻 操作数地址 转移地址 地址码字段 地址形成部件 D

  6. 送M 微命令序列 PC +1 I/O状态 控制台信息 微命令 发生器 …... 译码 送M或ALU 地址形成 运行状态 D θ 寻 PSW 时序 IR IR 来自M PC 微命令 发生器 工作方式优先级TN Z V C PSW 4.状态寄存器PSW 功能: 指示程序运行方式,反映程序运行结果。 例. 某机的PSW 15 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 0

  7. 15 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 0 工作方式优先级 T N Z V C (1)条件码 C=1 进位 V=1 溢出 Z=1 结果为0 N=1 结果为负 反映程序运行结果 (2)跟踪标志 为程序查错设置的断点标志T。 T=1, 执行跟踪程序 程序 初始化置T为1 ... 跟踪程序 测试T ….. ...

  8. 15 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 0 工作方式 优先级 T N Z V C (3)优先级 为现行程序赋予优先级别,以决定是否响应外部中断请求。 程序优先级高于外部优先级,不响应 程序优先级低于外部优先级,可响应 PSW在CPU中,反映程序运行状态;控制/状态字在接口中,反映CPU命令、设备状态。 (4)工作方式 规定程序的特权级。 用户方式:禁止程序执行某些指令 核心方式:允许程序执行所有指令

  9. 送M 微命令序列 PC +1 I/O状态 控制台信息 微命令 发生器 …... 译码 送M或ALU 地址形成 运行状态 D θ 寻 PSW PSW 时序 IR IR 来自M PC 微命令 发生器 分频器 振荡器 时序 5.时序线路 产生脉冲型微命令,控制定时操作 功能: 控制操作时间和操作时刻。 工作脉冲 产生电位型微命令,控制操作时间段 时钟脉冲 时钟周期(节拍)

  10. 送M 微命令序列 PC +1 I/O状态 控制台信息 微命令 发生器 …... 译码 送M或ALU 地址形成 运行状态 D θ 寻 PSW PSW 时序 IR IR 来自M PC 微命令 发生器 时序 4.4.2 控制器工作过程 1.取指令 地址 指令 PC M IR 、译码(θ、寻址方式) PC+1 PC

  11. 送M 微命令序列 PC +1 I/O状态 控制台信息 微命令 发生器 …... 译码 送M或ALU 地址形成 运行状态 D θ 寻 PSW PSW 时序 IR IR 来自M PC 微命令 发生器 时序 2.取数 按寻址方式,或从寄存器取数,或从存储器取数。 3.执行 按操作码对数据进行运算处理。

  12. 4.1.3 时序控制方式 即时序信号与操作的关系 1.组合逻辑控制器的时序划分 工作脉冲1 ● 采用三级时序系统: 工作脉冲2 时钟周期1 ….. (节拍1) 工作脉冲k 工作周期1 时钟周期2 (节拍2) 工作周期2 ………. …. 指令周期 …… 时钟周期m (节拍m) 工作周期n ….

  13. ● 时序关系: 晶振输出 工作脉冲P 对微操作定时 打入IR 打入PC 时钟T1 控制分步操作时间 取出指令 时钟T2 修改PC 工作周期1 控制不同阶段操作时间 取指 工作周期2 取数 工作周期3 执行 指令周期

  14. 2.时序控制方式及其变化 (1)同步控制 由CPU或其他设备提供 ①定义: 各项操作受统一时序控制。 各项操作受统一时序控制。 ②特点: 时钟周期时 间固定, 有明显时序时间划分, 各步操作的衔接、各部件之间的数 据传送受严格同步定时控制。

  15. ③优缺点: 时序关系简单,时序划分规整, 控制不复杂; 控制逻辑易于集中,便于管理。 时间安排不合理。 ④应用场合: 用于CPU内部、设备内部、系 统总线操作 (各挂接部件速度相近,传送时间确 定,传送距离较近)。

  16. (2)异步控制 ①定义: 各项操作按不同需要安排时间,不 受统一时序控制。 ②特点: 各操作间的 衔接和各部件之间的信息交换采用异步应答 方式。 无统一时钟周期划分,

  17. 总线 例.异步传送操作 ●主设备: 申请并掌握总线权的设备。 ●从设备: 响应主设备请求的设备。 主 从 发/接 接/发

  18. ●操作流程: 主设备输出端与总线连接 从设备准备好? 主设备获得总线控制权 主设备询问从设备 N Y 主设备发送/接收数据 主设备释放总线控制权 主设备输出端与总线断开

  19. ③优缺点: 时间安排紧凑、合理; 控制复杂。 ④应用场合: 用于异步总线操作(各挂接部 件速度差异大,传送时间不确定,传送距离 较远)。

  20. (3)同步方式的变化 ①不同指令安排不同时钟周期数 指令周期长度可变,时钟周期长度不变。 ②总线周期中插入延长周期 经总线传送一次数据所用的时间(送地址、读/写)

  21. T1 T1 T2 T2 T3 T3 T4 T4 时钟 时钟 T4 T4 Tw 总线周期长度可变,时钟周期长度不变。 例.一个总线周期包含4个时钟周期 送地址 读/写数据 结束 同步方式 总线周期(4T) 结束 送地址 读/写数据 总线周期(5T) 扩展同步方式

  22. ③同步方式引入异步应答 RQ/GT 以固定时钟周期作为时序基础,引入应答思想。 例.8088最大模式,用一根总线请求/应答线实现总线权的转移。 CPU使用总线 CPU使用总线 设备使用总线 CPU使用总线 若干时钟 若干时钟 设备请求总线权 设备释放总线权 CPU响应, 总线权交设备 CPU 设备 CPU 设备 CPU 设备

  23. 4.1.4 组合逻辑控制方式的优缺点及应用 1.组合逻辑控制方式 综合化简产生微命令的条件,形成逻辑式,用组合逻辑电路实现; 执行指令时,由组合逻辑电路(微命令发生器)在相应时间发出所需微命令,控制有关 操作。

  24. 2.优缺点 ● 产生微命令的速度较快。 ● 设计不规整,设计效率较低; ● 不易修改、扩展指令系统功能。 3.应用场合 用于高速计算机,或小规模计算机。

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