第3章 CPU及其控制器

1、4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5第第4 4章章CPUCPU及其控制器及其控制器 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5片內數(shù)據(jù)總線片內數(shù)據(jù)總線BAFECD.圖圖4.1 A寄存器中的數(shù)據(jù)傳送到寄存器中的數(shù)據(jù)傳送到B寄存器示意寄存器示意圖中小箭頭為門控信號圖中小箭頭為門控信號舉例：實現(xiàn)指令舉例：實現(xiàn)指令MOV B,AMOV B,A 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.

2、54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5算術邏輯部件算術邏輯部件ALU累加器累加器AC寄存器組寄存器組狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器PSW地址寄存器地址寄存器AR緩沖寄存器緩沖寄存器DR指令寄存器指令寄存器IR指令譯碼器指令譯碼器ID操作控制器操作控制器時序產生器時序產生器CCCCCC程序計數(shù)器程序計數(shù)器PCCCC時鐘時鐘存儲器存儲器M輸入輸出接口輸入輸出接口數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線狀態(tài)反饋狀態(tài)反饋地址總線地址總線微操作信號微操作信號圖圖4.2 CPU主要組成部件邏輯結構示意圖主要組成部件邏輯結構示意圖（圖中（圖中C為來自控制器的控制信號）為來自控制器的控制信號）CPU4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.

3、24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44

4、.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5CPU總線總線控制控制邏輯邏輯內內存儲器存儲器接口接口接口接口外存儲器外存儲器I/O設備設備圖圖4.4 4.4 微型計算機系統(tǒng)的硬件結構微型計算機系統(tǒng)的硬件結構ABABDBDBCBCB系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線輸入輸出子系統(tǒng)輸

5、入輸出子系統(tǒng)由于總線是共享的傳輸通道，任意時刻只能有一由于總線是共享的傳輸通道，任意時刻只能有一個器件負責發(fā)送數(shù)據(jù)，所以需要總線控制邏輯來個器件負責發(fā)送數(shù)據(jù)，所以需要總線控制邏輯來控制總線上傳輸信號的時序。當發(fā)生多個設備需控制總線上傳輸信號的時序。當發(fā)生多個設備需要使用總線時，總線邏輯應具有總線仲裁功能要使用總線時，總線邏輯應具有總線仲裁功能。 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 總線控制總線控制邏輯邏輯 8086 總線總線執(zhí)行部件執(zhí)行部件EU 總線接口部件總線接口部件BIU 狀態(tài)標志寄存器狀態(tài)標志寄存器 AH BL CL DL BH CH DH AX BX CXDX SP BP SI D

6、I ALU數(shù)據(jù)總線（數(shù)據(jù)總線（1616位）位） 暫存器暫存器 ALU EU 控制電路控制電路 1 2 3 4 5 6 CS DS SS ES 內部通用內部通用寄存器寄存器 IP 地址加法器地址加法器 指令隊列指令隊列AL 圖圖4.5 8086CPU功能結構框圖功能結構框圖 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4

7、.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5標志寄存器的具體格式標志寄存器的具體格式 狀態(tài)標志位：狀態(tài)標志位：CF（Carry Flag）進位標志位：）進位標志位： 加加/減法運算時最高位產生了進位或產生了借位：減法運算時最高位產生了進位或產生了借位：CF=1，否則，否則CF=0。PF（ Parity Flag）奇偶標志位：）奇偶標志位： 運算結果中的低運算結果中的低8位含位含“l(fā)”個數(shù)為偶數(shù)時，個數(shù)為偶數(shù)時，PF=1；為奇數(shù)時為奇數(shù)時PF=O。AF（Auxiliary

8、Flag）輔助標志位：）輔助標志位： 運算過程中若第運算過程中若第3位向第位向第4位有進位或借位時，位有進位或借位時，AF=1，否則，否則，AF=0。該標志用于。該標志用于BCD運算中的十進運算中的十進制調整。制調整。4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5狀態(tài)標志位：狀態(tài)標志位：ZF（Zero Flag）零標志位：）零標志位： 運算結果為運算結果為0時，時，ZF=1；否則，；否則，ZF=0。SF（Sign Flag）符號標志位：）符號標志位： 運算結果的最高位為運算結果的最高位為1，則，則SF=1；否則，；否則，SF=0。常用來表示帶符號數(shù)本次運算結果的正負。常用來表示帶符號數(shù)本次運算結果的正

9、負。OF（Overflow Flag）溢出標志位：）溢出標志位： 當帶符號數(shù)運算結果超出了目標單元所能表示當帶符號數(shù)運算結果超出了目標單元所能表示的數(shù)值范圍時，的數(shù)值范圍時，OF=1，否則，否則，OF=0。帶符號數(shù)字。帶符號數(shù)字節(jié)運算的結果超出了節(jié)運算的結果超出了-128+127的范圍，或者字的范圍，或者字運算的結果超出了運算的結果超出了-32768+32767的范圍時稱為的范圍時稱為溢出。溢出。4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5控制標志位：控制標志位：IF（Interrupt Flag）中斷允許標志位：）中斷允許標志位： 這是控制可屏蔽中斷的標志，這是控制可屏蔽中斷的標志，IF=1，允許

10、，允許CPU響應可屏蔽中斷；響應可屏蔽中斷；IF=0，CPU禁止可屏蔽中斷。禁止可屏蔽中斷。用用STI指令可使指令可使IF置置1，CLI指令可使指令可使IF清零。清零。DF（Direction Flag）方向標志位：）方向標志位： 若若DF=0，使串操作自動按增地址方式進行；，使串操作自動按增地址方式進行；若若DF=1，使串操作自動按減地址方式進行。用，使串操作自動按減地址方式進行。用STD指令可使指令可使DF置置l， CLD指令可使指令可使DF清零。清零。TF（Trap Flag）單步跟蹤標志位：）單步跟蹤標志位： 調試程序時，可將調試程序時，可將CPU設置為單步工作方式：設置為單步工作方式

11、：TF=l，即每執(zhí)行完一條指令就自動產生一次內部中，即每執(zhí)行完一條指令就自動產生一次內部中斷，使用戶可跟蹤程序進行調試。若斷，使用戶可跟蹤程序進行調試。若TF=0時，時，CPU為連續(xù)工作方式。為連續(xù)工作方式。4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5舉例舉例 4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5GNDAD14AD13AD12AD11AD10AD9AD8AD7AD6AD5A

12、D4AD3AD2AD1AD0NMIINTRCLKGNDVccAD15A16/S3A17/S4A18/S5A19/S6BHE/S7MN/MXRDHOLD(RQ/GT0)HLDA(RQ/GT1)WR(LOCK)M/IO(S2)DT/R(S1)DEN (S0)ALE(QS0)INTA(QS1)TESTREADYRESET1 402 393 384 375 366 357 348 339 3210 8086 3111 3012 CPU 2913 2814 2715 2616 2517 2418 2319 2220 21圖4.8 8086外部引腳圖4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作

13、業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5組合邏輯電路組合邏輯電路N1/k譯碼器譯碼器模模k時序計數(shù)器時序計數(shù)器指令譯碼器指令譯碼器指令寄存器指令寄存器ALU反饋信號反饋信號啟動啟動停止停止時鐘時鐘復位復位I1ImB1BnT1.T2Tk.微操作控制信號微操作控制信號圖圖4.9 組合邏輯控制器原理圖組合邏輯控制器原理圖4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5

14、4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5控制存儲器控制存儲器下址字段下址字段控制字段控制字段微地址寄存器微地址寄存器微指令微指令寄存器寄存器微地址譯碼微地址譯碼OPIR微指令地微指令地址形成部址形成部件件狀態(tài)狀態(tài)CLK微命令信號微命令信號圖圖4.11 微程序控制原理圖微程序控制原理圖4.24.1作

15、業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5取指令周期微程序取指令周期微程序間址周期微程序間址周期微程序中斷周期微程序中斷周期微程序對應對應ADD指令的微程序指令的微程序對應其他指令的微程序對應其他指令的微程序圖圖4.12 控制存儲器中微程序的安排控制存儲器中微程序的安排控制存儲器控制存儲器4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5 下地址字段下地址字段控制信號控制信號圖圖4.13 位直接控制方式位直接控制方式控制字段控制字段4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5控制

16、信號控制信號圖圖4.14 字段直接控制方式字段直接控制方式控制字段控制字段譯碼譯碼譯碼譯碼 下地址字段下地址字段 譯碼譯碼4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5圖圖4.15 增量與斷定方式結合的微指令格式增量與斷定方式結合的微指令格式下地址字段下地址字段 控制字段控制字段 條件選擇條件選擇 轉移地址轉移地址4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.3

17、4.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5取指取指析指析指執(zhí)指執(zhí)指訪存取指令訪存取指令分析指令，可分析指令，可能訪存取數(shù)能訪存取數(shù)執(zhí)行指令，可執(zhí)行指令，可能訪存存結果能訪存存結果4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5取指取指k析指析指k執(zhí)指執(zhí)指k取指取指k+1析指析指k+1執(zhí)指執(zhí)指k+1)(1iiniitttT執(zhí)指析指取指4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5取指取指k析指析指k執(zhí)指執(zhí)指k取指取指k+1 析指析指k+1 執(zhí)指執(zhí)指k+1取指取指k+2 析指析指k+2 執(zhí)指執(zhí)指k+24.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5取指取指k析指析指k執(zhí)指執(zhí)指k取

18、指取指k+1析指析指k+1執(zhí)指執(zhí)指k+1取指取指k+2析指析指k+2執(zhí)指執(zhí)指k+2圖圖4.17 指令重疊運行時的相互等待指令重疊運行時的相互等待4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5一般使每個部件的執(zhí)行時間相等，雖然執(zhí)行一次浮點加法一般使每個部件的執(zhí)行時間相等，雖然執(zhí)行一次浮點加法仍需仍需4 t，但，但4個部件同時工作，則每隔一個個部件同時工作，則每隔一個t就能完成就能完成一次浮點加法，速度提高一次浮點加法，速度提高3倍倍取指令取指令入入出出譯碼譯碼形成操作形成操作數(shù)地址數(shù)地址取操取操作數(shù)作數(shù)執(zhí)行執(zhí)行保存保存結果結果求階差求階差入入出出尾數(shù)加尾數(shù)加規(guī)格化規(guī)格化對階對階一種指令流水線一種指令流水

19、線浮點加法器流水線浮點加法器流水線4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5析指析指k執(zhí)指執(zhí)指k析指析指k+1執(zhí)指執(zhí)指k+1析指析指k+1（推后）（推后）結果寫結果寫R1需要讀需要讀R1讀讀R1推后一個推后一個周期周期執(zhí)指執(zhí)指k+14.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.5運算器運算器通用寄存器堆通用寄存器堆鎖存器鎖存器鎖存器鎖存器相關專用通路相關專用通路4.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.1作業(yè)作業(yè)4.34.44.54.24.