第四章
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第四章 控制器原理与 CPU 组织 PowerPoint PPT Presentation


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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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Presentation Transcript


Cpu

第四章

控制器原理与CPU组织


Cpu

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

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


Cpu

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

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


Cpu

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

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:


Cpu

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

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

操作数地址

转移地址

地址码字段

地址形成部件

D


Cpu

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

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


Cpu

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

…..

...


Cpu

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


Cpu

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

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)


Cpu

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

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


Cpu

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

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。


Cpu

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

….


Cpu

● 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


Cpu

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。


Cpu

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)。


Cpu

(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,


Cpu

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。

发/接

接/发


Cpu

●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


Cpu

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)。


Cpu

(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)


Cpu

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


Cpu

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


Cpu

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。


Cpu

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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