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计算机组成原理 (6)..ppt

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    • 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 ⑴程序计数器PC ⑵指令寄存器IR ⑶指令译码器ID ⑷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 ⑴脉冲源 ⑵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 ⑶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。

      ⒈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 ⑴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 ⑵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 ⑶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 ⒉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 ⒊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 ⒈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 ⒉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,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 ⒈单总线结构 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,PC→Y;送指令地址,读主存 (2)M→MDR→IR,(Y)+1→Z; 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)M→MDR→Y; 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 ⒉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: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 PC→B、Gon、F→MAR、Read、F→Y (2) (PC)+1→PCINC、F→PC (3) M→MDR→IRMDR→B、Gon、F→IR (4) (R1)→MAR,ReadR1→B、 Gon、F→MAR、Read (5) M→MDR→YMDR→B、Gon、F→Y (6) (Y)+(R0)→R0R0→B、ADD、F→R0 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 PC→B、Gon、F→MAR、Read、F→Y (2) (PC)+l→PC INC、F→PC (3) (M→MDR) →IR MDR→B、Gon、F→IR (4) (PC)→MAR,Read PC→B、Gon、F→MAR、Read、F→Y (5) (PC)+l→PC INC、F→PC (6) (M→MDR)→Y MDR→B、Gon、F→Y (7) (Y)+(R1)→MAR,Read R1→B、ADD、F→MAR、Read (8) (M→MDR)→TEMP MDR→B、Gon、F→TEMP (9) (R2)→MAR,Read R2→B、 Gon、F→MAR、Read、F→Y (10) (R2)+1→R2 INC、F→R2 (11) (M→MDR)→Y MDR→B、Gon、F→Y (12) (Y)-(TEMP)→MDR TEMP→B、SUB、F→MDR (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 ⒈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 ⒉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。

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