計算機組成原理(CPU的控制器部件).ppt

1、計算機組成原理,主講：顏俊華 CPU控制器部件,控制器的功能,控制程序的自動執(zhí)行 控制每條指令的正確執(zhí)行,指令執(zhí)行步驟,讀取指令 分析指令 執(zhí)行指令,總線與數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu),為了使數(shù)據(jù)傳送控制簡單、集中，采用以ALU為中心的總線結(jié)構(gòu) CPU組成包括四個部分： ALU部件、寄存器組、內(nèi)總線、CPU與系統(tǒng)總線的連接,（1）內(nèi)總線,ALU為內(nèi)部數(shù)據(jù)傳送通路的中心；,寄存器采用,內(nèi)總線采用單向數(shù)據(jù)總線(16位)；,分立結(jié)構(gòu)；,(2)系統(tǒng)總線AB、DB、CB，CPU通過它與外部連接，與它的連接通過MAR、MDR實現(xiàn)。,MDR,輸出,輸出至DB,輸出至ALU的B門,輸入,從內(nèi)總線輸入,從DB輸入,(打入),(

2、置入),R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR,A,移位器,B,ALU,R2,R0,R1,M,I/O,CB,內(nèi)總線,C,R3,D,MAR,MDR,IR,PC,SP,PSW,AB,DB,控制邏輯,3.各類信息傳送途徑,M,（1）指令信息,置入,DB,IR,M,DB,IR,（2）地址信息,R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR,A,移位器,B,ALU,R2,R0,R1,M,I/O,CB,內(nèi)總線,C,R3,D,MAR,MDR,IR,PC,SP,PSW,AB,DB,控制邏輯,1）指令地址,2）指令地址加1 （順序執(zhí)行）,PC,PC,A,ALU,移位器,內(nèi)

3、總線,MAR,PC,打入,A,ALU,移,內(nèi),MAR,PC,A,ALU,移,內(nèi),PC,C0,C0,打入,R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR,A,移位器,B,ALU,R2,R0,R1,M,I/O,CB,內(nèi)總線,C,R3,D,MAR,MDR,IR,PC,SP,PSW,AB,DB,控制邏輯,3）轉(zhuǎn)移地址,M,IR,寄存器尋址：,R0,R0,B,ALU,移位器,內(nèi)總線,PC,R0,打入,B,ALU,移,內(nèi),PC,寄存器間址：,R0,打入,B,ALU,移,內(nèi),MAR,AB,M,DB,置入,MDR,B,MAR,MDR,MDR,移、,內(nèi),PC,ALU,R0R3 R0R3 C D

4、C D SP PC PSW MDR,A,移位器,B,ALU,R2,R0,R1,M,I/O,CB,內(nèi)總線,C,R3,D,MAR,MDR,IR,PC,SP,PSW,AB,DB,控制邏輯,IR,R0,R0,B,ALU,移位器,內(nèi)總線,4）操作數(shù)地址,寄存器尋址：,R0,R1,寄存器間址：,R0,打入,B,ALU,移,內(nèi),MAR,MAR,R1,R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR,A,移位器,B,ALU,R2,R0,R1,M,I/O,CB,內(nèi)總線,C,R3,D,MAR,MDR,IR,PC,SP,PSW,AB,DB,控制邏輯,變址：,PC,A,ALU,移位器,內(nèi)總線,MAR,R

5、0,PC,A,ALU,移,內(nèi),MAR,AB,M,DB,移,內(nèi),C,PC,M,M,MDR,MDR,B,C,MDR,B,ALU,R0,R0,C,ALU,C,A,B,移,內(nèi),MAR,R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR,A,移位器,B,ALU,R2,R0,R1,M,I/O,CB,內(nèi)總線,C,R3,D,MAR,MDR,IR,PC,SP,PSW,AB,DB,控制邏輯,數(shù)據(jù)信息的傳送,M,IR,R0,R0,B,ALU,移位器,內(nèi)總線,R0,打入,B,ALU,移,內(nèi),R1,DB,M,DB,MDR,B,MDR,MDR,移、,內(nèi),R2,ALU,R1,R0,打入,B,ALU,內(nèi),MDR,

6、R2,M,R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR,A,移位器,B,ALU,R2,R0,R1,M,I/O,CB,內(nèi)總線,C,R3,D,MAR,MDR,IR,PC,SP,PSW,AB,DB,控制邏輯,M,IR,R0,R0,B,ALU,移位器,內(nèi)總線,M(源),R0,MDR,MDR,MDR,DB,內(nèi),I/O,ALU,C,打入,DB,MDR,內(nèi),C,ALU,(計算目的地址),DB,M,C,ALU,內(nèi),MDR,(目的),C,A,I/O,R0R3 R0R3 C D C D SP PC PSW MDR,A,移位器,B,ALU,R2,R0,R1,M,I/O,CB,內(nèi)總線,C,R3,D,

7、MAR,MDR,IR,PC,SP,PSW,AB,DB,控制邏輯,M,IR,R0,B,ALU,移位器,內(nèi)總線,DB,MDR,MDR,DB,DMA方式：,I/O,打入,I/O,MDR,內(nèi),R0,ALU,I/O,M,微命令設(shè)置,(1)數(shù)據(jù)通路操作：,ALU功能選擇：,ALU輸入選擇：,輸出移位選擇：,結(jié)果分配：,S3S2S1S0、M、C0,不移、左移、,CPR0、CPC、CPMAR、,(2)訪M、I/O 操作：,讀 R,地址使能 EMAR,寫 W,置入MDR SMDR，,1,MAR向AB送地址,0,00 MDR與DB斷開,MAR與AB斷開,R=1讀 W=1寫,置入IR SIR,M,組合邏輯控制器,擬

8、定指令流程：確定各工作周期中每拍完成的具體操作,列操作時間表：列出每一步操作所需的微命令及產(chǎn)生條件,（1）取指流程,FT0：,（2）操作時間表,FT0：,電位型微命令,脈沖型微命令,EMAR,R,SIR,CPPC,或,或,轉(zhuǎn)換,S3S2S1S0M C0,DM,組合邏輯控制器,1、根據(jù)操作時間表，列出計算機的所有“微命令” 每個微命令的產(chǎn)生都是由三部分決定的: 時序信號（周期、節(jié)拍、脈沖） 指令的操作碼、尋址方式的譯碼信號 機器的狀態(tài)反饋信息 2、 寫出它們之間的邏輯關(guān)系表達(dá)式, 用邏輯電路 （組合邏輯電路）實現(xiàn)各微命令。,組合邏輯控制器,A、特點： 化簡產(chǎn)生微命令的條件形成邏輯式，用組合邏輯電

9、路實現(xiàn)； 執(zhí)行指令時，由組合邏輯電路發(fā)出微命令，控制有關(guān)操作。, 產(chǎn)生微命令的速度較快；,B、優(yōu)缺點, 不易修改、擴展指令系統(tǒng)功能。,C、應(yīng)用場合,用于高速計算機。, 控制器核心結(jié)構(gòu)零亂，不便于檢查和調(diào)試。, 設(shè)計不規(guī)整，設(shè)計效率較低；,微程序控制基本原理,基本思想 若干條微命令編制成一條微指令，控制實現(xiàn)一步操作 若干條微指令組成一段微程序，解釋執(zhí)行一條機器指令 微程序事先放在控制存儲器中，執(zhí)行機器指令時再取出,CPU的 構(gòu)成,引入了程序技術(shù)，使設(shè)計規(guī)整；,引入了存儲邏輯，使功能易于擴展。,邏輯組成,微程序控制基本原理,（1）控制存儲器CM,功能：,存放微程序。,CM屬于CPU，不屬于主存儲器

10、。,（2）微指令寄存器 IR,功能：,存放現(xiàn)行微指令。,微命令字段：,提供一步操作所需的微命令。,微地址字段：,指明后續(xù)微地址的形成方式。,提供微地址的給定部分。,(微操作控制字段),(順序控制字段),（3）微地址形成電路,功能：,提供兩類微地址。,微程序入口地址：,由機器指令操作碼形成。,后續(xù)微地址：,由微地址字段、現(xiàn)行微地 址、運行狀態(tài)等形成。,（4）微地址寄存器 AR,功能：,存放現(xiàn)行微地址。,工作過程,取指微指令,（1）取機器指令,CM,取指微指令,IR,取指微指令,譯碼器,微命令序列,IR,微命令字段,譯碼器,微命令,主存,機器指令,IR,譯碼器,微命令序列,（2）轉(zhuǎn)微程序入口,IR

11、,操作碼,微地址形成電路,入口,AR,微命令字段,CM,首條微指令,IR,微地址寄存器,微地址寄存器,（3）執(zhí)行首條微指令,譯碼器,IR,IR,譯碼器,微命令序列,微命令,操作部件,（4）取后續(xù)微指令,微地址字段 現(xiàn)行微地址 運行狀態(tài),微地址形成電路,PSW,微地址寄存器,PSW,微地址寄存器,微地址寄存器,后續(xù)微地址,AR,CM,后續(xù)微指令,IR,微地址寄存器,（5）執(zhí)行后續(xù)微指令,同（3）,（6）返回,微程序執(zhí)行完，返回CM,(存放取指微指令的固定單元)。,微程序控制器工作過程,取指微指令,M-IR PC+1-PC,IR中的操作碼,微地址形成電路,該指令的微程序入口地址,取出微指令,微命令字段 微地址字段,譯碼,微命令,微地址形成電路