计算机组成原理 (6)教材

1、第6章 控制系统与CPU 6.1 控制器概述 6.1.1 指令执行的基本步骤 1. 取指令 根据指令所处的存储器单元地址(由程序计数器PC提供)，从存储 器(RAM)中取出所要执行的指令。 2.分析指令 3.执行指令 根据指令功能，执行指令所规定的操作，并根据需要，保存操作 结果。 控制器的主要功能就是按取指令、分析指令、执行指令这样的步 骤进行周而复始的控制过程，直到完成程序所规定的任务并停机为 止。 图6-1描述了指令执行的一般过程。图6-1(a)为一个简单的CPU模 型，所执行的指令的功能是(A)+(R7)A，图6-1(b)描述了指令执行 的一般流程。 1 2 6.1.2 控制器的基本功能 控制器一般具有如下功能： 1控制指令的正确执行 其中包括指令流出的控制、分析指令和执行指令的控制、指令流 向的控制。 指令流出控制也就是对取指令的控制。 首先给出指令地址，并向存储器发出读命令。读出的指令经存储 器数据寄存器存放到指令寄存器(IR)中，即： (PC)MAR，Read (MDR)IR 指令译码器(ID)译码分析，确定操作性质，判明寻址方式并形成 操作数的有效地址。 指令流向控制即

2、下条指令地址的形成控制。 2控制程序和数据的输入及结果的输出 3异常情况和特殊请求的处理 控制器必须具有检测和处理这些异常情况和特殊请求的功能。 3 6.1.3 控制器的组成 控制器一般由以下几个基本部分组成，如图6-2所示。 图6-2 控制器组成框图 4 1指令部件 指令部件的主要功能是完成取指令和分析指令。包括下面几个部 件。 程序计数器PC 指令寄存器IR 指令译码器ID 地址形成部件 根据机器所规定的各种寻址方式，用来形成操作数有效地址。 2时序控制部件 一条指令的执行过程可以分解为若干简单的基本操作，称之为微 操作，这些微操作是有着严格的时间顺序要求的，不可随意颠倒。 时序控制部件就是用 脉冲源 启停电路 可靠地送出或封锁主时钟脉冲，控制时序信号的发生与停止。5 时序信号发生器 不同的机器有着不同的时序信号。有三种时序控制方式：同步、 异步和联合控制方式。 在同步控制的机器中，一般包括周期、节拍、脉冲等三级时序信 号。 3微操作控制信号形成部件 微操作控制信号形成部件的功能是根据指令部件提供的操作控制 电位、时序部件所提供的各种时序信号，以及有关的状态条件，产 生机器所需要的

3、各种微操作控制信号。 4中断控制逻辑 5程序状态寄存器PSR VAX-11的程序状态字的结构格式为： 313029 28272625 2423 222120 1615 876543210 CMTPFPDISCMODEPMODE0IPLDVFUIVTNZVC 8086微处理器的程序状态字的结构格式为： 11109876420 OFDFIFTFSFZFAFPFCF 6 6控制台 6.1.4 控制器的组成方式 1组合逻辑型 这种控制器称为组合逻辑控制器。 优点是速度快。 缺点是微操作信号发生器结构不规整，使得设计、调试、维修较 困难，难以实现设计自动化。一旦控制部件构成之后，要想增加新 的控制功能是不可能的。 2存储逻辑型(微程序) 这种控制器称为微程序控制器。 优点是设计规整，调试、维修以及更改、扩充指令的方便，易于 实现自动化设计，已成为当前控制器的主流。 缺点是由于增加了一级控制存储器(CM或CS)，所以指令的执行 速度比组合逻辑控制器慢。 3组合逻辑和存储逻辑结合型(PLA) 它是吸收前两种的设计思想来实现的。 7 图6-3 微操作信号发生器示意图 8 6.2 控制器控制方式与时序系

4、统 6.2.1 控制方式 一般而言，有三种时序控制方式：同步、异步和联合控制方式。 同步控制方式 指控制序列中每步的执行都由确定的具有基准时标的时序信号来 控制。每个时序信号的结束就意味着所要求的操作已完成。随即开 始执行下一步。 同步方式的时序信号通常由周期、节拍和脉冲组成。 采用中央控制与局部控制相结合的方法 根据大多数指令的微操作序列的情况，设置一个统一的节拍数， 使大多数指令均能在统一的节拍内完成。把统一节拍的控制称为中 央控制。对于少数在统一节拍内不能完成的指令，采用延长节拍或 增加节拍数，使之在延长节拍内完成，执行完毕再返回中央控制。 9 采用不同的机器周期和延长节拍的方法 把在延长节拍内的控制称为局部控制。 采用分散节拍的方法 所谓分散节拍是指运行不同指令时，需要多少节拍，时序部件就 发生多少节拍。 异步控制方式 所谓异步控制方式，是指不仅要区分不同指令所对应的操作序列 的长短，而且要区分其中每个操作的繁简，按每条指令、每个操作 的需要而占用的时间的一种控制方式。 图6-4 中央节拍与局部节拍的关系 10 联合控制方式 是同步和异步控制方式的结合。 现代计算机大多采用同步

5、控制方式或联合控制方式。 图6-5所示为PDP-11机的同步与异步时序的衔接关系。 图6-5 同步与异步时序的衔接 11 6.2.2 时序系统 通常，设计时序系统主要是针对同步控制方式的。下面主要讨论 同步控制中的时序系统。 指令周期与机器周期 机器周期又称CPU周期，它是指令执行过程中的相对独立的阶段 。一条指令的执行过程(即指令周期)由若干个机器周期所组成，每 个机器周期完成一个基本操作。 一般机器的CPU周期有取指周期、取数周期(有的机器还进一步分 为取源数周期和取目的数周期)、执行周期、中断周期等。 由于CPU内部操作速度快，而CPU访存所花时间较长，所以许多 计算机系统往往以主存周期为基础来规定以主存周期为基础来规定CPUCPU周期周期，以便二者协调 工作。 节拍 在一个机器周期内，要完成若干个微操作，这些微操作不但需要 占用一定的时间，而且有一定的先后次序。因此，基本的控制方法 是把一个机器周期等分成若干个时间区间，每一时间区间称为一个每一时间区间称为一个 节拍，节拍，一个节拍对应一个电位信号，控制一个或几个微操作的执行 12 图6-6 三级时序系统 3脉冲 在一个节拍内，

6、有时还设置一个或几个工作脉冲，用于寄存器的 复位和接收数据等。 上述的周期、节拍、脉冲构成了三级时序系统，它们之间关系如 图6-6所示。 微型机中常用的时序系统与上述三级时序系统有所不同，称之为 时钟周期时序系统。 13 图6-7 时钟周期时序系统 图6-7所示的是一典型指令的基本时序，一个指令周期包含三个机 器周期：取指周期、存储器读周期和存储器写周期，三个周期中分 别包含4个、3个和3个时钟周期。 14 6.3 CPU的总体结构 CPU即中央处理器，它包含运算器和控制器两个部分。 6.3.1 寄存器的设置 尽管不同计算机的CPU结构存在着这样那样的差别，但在CPU内 部一般都设置下列寄存器： (1)指令寄存器lR； (2)程序计数器PC； (3)累加寄存器AC； (4)程序状态寄存器PSR； (5)地址寄存器MAR； (6)数据缓冲寄存器MDR(或MBR)。 累加寄存器简称累加器AC。 通用寄存器是一组程序可访问的、具有多种功能的寄存器。在指 令系统中为这些寄存器分配了编号(或称寄存器地址)，可以编程指 定使用其中的某个寄存器。 15 6.3.2 数据通路结构及指令流程分析 单总线

7、结构 图6-8所示为一个典型的单总线结构计算机框图。 图6-8 典型的单总线结构计算机框图 “。”为控制门，在相应 控制信号控制下打开相应 的控制门，建立相应寄存 器与总线间的联系 。 16 例6.1 现分析执行一条加法指令：ADD (R1)，R0的操作流程。 该指令是实现 (R1)+(R0)R0操作，执行本指令需要下列动作 。 (1)(PC)MAR，Read，PCY；送指令地址，读主存 (2)MMDRIR，(Y)+1Z； 取指令到IR，PC+1暂存于Z (3)(Z)PC； PC+1 PC (4)(R1)MAR；Read； 送源操作数地址 (5)MMDRY； 取出源操作数到Y中 (6)(Y)+(R0) Z； 执行加法运算，结果暂存于Z (7)(Z)R0； 加法结果送回目标寄存器 取 指 双总线结构 图6-9是一种双总线结构的CPU组成框图。 取 数 17 图6-9 双总线结构的CPU组成框图 “。”为控制门，控制着相 应寄存器的输出(送至B总线 )，或控制相应寄存器的输 入(从F总线接收信息)。 20 18 例6.2 分析执行加法指令：ADD (R1)，R0的操作流程和控制信号 序列：

8、加法指令完成的功能是：(R1)+(R0)R0操作 解： 表6-1 加法指令的执执行流程 操作流程 控制信号序列 (1) (PC)MAR，Read PCB、Gon、FMAR、Read、FY (2) (PC)+1PCINC、FPC (3) MMDRIRMDRB、Gon、FIR (4) (R1)MAR，ReadR1B、 Gon、FMAR、Read (5) MMDRYMDRB、Gon、FY (6) (Y)+(R0)R0R0B、ADD、FR0 例6.3 分析执行减法指令SUB X(R1)，(R2)+的操作流程和控制信 号序列。 解： 取 指 取 数 19 表6-2 减法指令的执执行流程 指令流程 控制信号序列 (1) (PC)MAR，Read PCB、Gon、FMAR、Read、FY (2) (PC)+lPC INC、FPC (3) (MMDR) IR MDRB、Gon、FIR (4) (PC)MAR，Read PCB、Gon、FMAR、Read、FY (5) (PC)+lPC INC、FPC (6) (MMDR)Y MDRB、Gon、FY (7) (Y)+(R1)MAR，Read R1B、AD

9、D、FMAR、Read (8) (MMDR)TEMP MDRB、Gon、FTEMP (9) (R2)MAR，Read R2B、 Gon、FMAR、Read、FY (10) (R2)+1R2 INC、FR2 (11) (MMDR)Y MDRB、Gon、FY (12) (Y)-(TEMP)MDR TEMPB、SUB、FMDR (13) (MDR)M，Write Write 取 形 式 地 址 X 取 指 形成 EA 取第2操作数(R2)-(X(R1) 18 20 6.4 模型机的总体结构 6.4.1 模型机的数据通路 模型机的数据通路 模型机的数据通路如图6-10所示。 设模型机字长为16位，指令、数据均为16位长。全机采用总线结 构，分为内部总线和系统总线。 模型机的ALU功能 模型机ALU采用SN74181SN74181中规模集成电路构成。在M、S3、S2、 S1、S0控制信号控制下可实现16种算术运算和16种逻辑运算。表6-3 列出了模型机所涉及的几种操作。 ALU的输出经移位器送入总线BUS2，移位器采用直送、斜送的方 法实现直接传送(DM)、左移一位(SL)、右移一位(SR)。模型机中未 使用字节交换功能。 模型机的主存按字(16位)进行编址，主存容量为64K字。 21 图6-10 模型机的数据通路结构框图 22 表6-3 模型机所涉及的算术逻辑操作 6.4.2模型机的指令系统 模型机的指令格式 模型机共设置16条指令，用四位操作码表示，指令格式如图6-11 所示。23 图6-11 模型机指令格式 24 表6-4 模型机的指令系统统 指令名称操作码码指令功能 传传送(MOV)0000 (ES)ED 加法(ADD)0001(ED)+(ES) ED 减法(SUB)0010(ED)一(ES) ED 逻辑逻辑 与(AND)0011(ED)(ES)

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