第7章 控制器-1

1、第七章第七章 控制器控制器 控制器的組成及指令的執(zhí)行控制器的組成及指令的執(zhí)行7.17.1 硬布線控制器硬布線控制器 7.27.2 微程序控制器微程序控制器 7.37.3 本章小結本章小結227.1 7.1 控制器的組成及指令的執(zhí)行控制器的組成及指令的執(zhí)行 基本的計算機組成和功能基本的計算機組成和功能 控制器的組成控制器的組成 時序系統(tǒng)時序系統(tǒng) 控制方式和時序的產(chǎn)生控制方式和時序的產(chǎn)生 系統(tǒng)結構和數(shù)據(jù)通路的設計系統(tǒng)結構和數(shù)據(jù)通路的設計 簡單計算機系統(tǒng)主機各部件的實現(xiàn)方案簡單計算機系統(tǒng)主機各部件的實現(xiàn)方案 指令的執(zhí)行過程指令的執(zhí)行過程 一二三四五六七33一、基本的計算機組成和功能一、基本的計算機組

2、成和功能 .地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線存儲器I/O設備I/O設備控制總線控制總線控制器運算器CPU447 71 11 1基本的計算機組成和指令系統(tǒng)的設計基本的計算機組成和指令系統(tǒng)的設計v設計設計CPUCPU的第一步就是確定它的用途。我們的的第一步就是確定它的用途。我們的目標是設計一個簡單的目標是設計一個簡單的CPU,CPU,該該CPUCPU的指令集就的指令集就包含了包含了: :v加法指令是加法指令是ADD RADD R，#data#data其源操作數(shù)采用立即其源操作數(shù)采用立即數(shù)尋址，目的操作數(shù)采用寄存器尋址；數(shù)尋址，目的操作數(shù)采用寄存器尋址；vJMPJMP指令是指令是JMP addr J

3、MP addr 采用直接尋址，采用直接尋址，addraddr就就是下一條指令的地址。是下一條指令的地址。v將系統(tǒng)的機器字長設計為將系統(tǒng)的機器字長設計為8 8位，地址總線和數(shù)位，地址總線和數(shù)據(jù)總線設計成據(jù)總線設計成8 8位，存儲器的存儲單元寬度也位，存儲器的存儲單元寬度也設計成設計成8 8位。位。一、基本的計算機組成和功能一、基本的計算機組成和功能 5v假設指令的長度可以是單字節(jié)或雙字節(jié)，將操作假設指令的長度可以是單字節(jié)或雙字節(jié)，將操作碼設計為碼設計為4 4位，位于指令第一個字節(jié)的高位，位于指令第一個字節(jié)的高4 4位，指位，指令第一個字節(jié)的低令第一個字節(jié)的低4 4位，分別指示了源寄存器和位，分別

4、指示了源寄存器和目的寄存器，如果地址碼字段是操作數(shù)的存儲器目的寄存器，如果地址碼字段是操作數(shù)的存儲器地址或立即數(shù)等，則位于指令的第二字節(jié)地址或立即數(shù)等，則位于指令的第二字節(jié)操作碼源寄存器目的寄存器I7 I6 I5 I4 I3I2 I1I0操作碼源寄存器目的寄存器I7 I6 I5 I4 I3I2 I1I0立即數(shù)（a a）單字節(jié)指令格式）單字節(jié)指令格式 (b)(b)雙字節(jié)指令格式雙字節(jié)指令格式機器指令格式機器指令格式一、基本的計算機組成和功能一、基本的計算機組成和功能 6v 然后我們?yōu)檫@個然后我們?yōu)檫@個CPUCPU設計狀態(tài)圖，設計狀態(tài)圖，CPUCPU對每條指令執(zhí)行的操作都可分對每條指令執(zhí)行的操作都

5、可分為如下的兩個過程，譯碼并不對為如下的兩個過程，譯碼并不對應任何狀態(tài)，它只是取指令結束應任何狀態(tài)，它只是取指令結束后到各條指令的執(zhí)行周期之間的后到各條指令的執(zhí)行周期之間的一個多路選擇。一個多路選擇。v 取指令周期：包括從存儲器中取取指令周期：包括從存儲器中取出一條指令，并對該指令的操作出一條指令，并對該指令的操作碼譯碼；碼譯碼；v 執(zhí)行周期：執(zhí)行該指令。執(zhí)行周期：執(zhí)行該指令。 .取指譯碼執(zhí)行一、基本的計算機組成和功能一、基本的計算機組成和功能 77 71 12 2 控制器的組成控制器的組成 v控制器的功能是：從存儲器中取指令、對控制器的功能是：從存儲器中取指令、對指令譯碼、產(chǎn)生控制信號并控制

6、計算機系指令譯碼、產(chǎn)生控制信號并控制計算機系統(tǒng)各部件有序地執(zhí)行，從而實現(xiàn)這條指令統(tǒng)各部件有序地執(zhí)行，從而實現(xiàn)這條指令的功能。的功能。 程序計數(shù)器（程序計數(shù)器（PCPC）存放當前指令的地址存放當前指令的地址 當指令順序執(zhí)行時，由當指令順序執(zhí)行時，由PC+1PC+1產(chǎn)生下一條產(chǎn)生下一條指令的地址指令的地址 當遇到轉移指令時，轉移地址當遇到轉移指令時，轉移地址PCPC作為作為下一條指令的地址。下一條指令的地址。二、控制器的組成二、控制器的組成87 71 12 2 控制器的組成控制器的組成 指令寄存器（指令寄存器（IRIR）控制器從內存取出的指令，存放在指令寄控制器從內存取出的指令，存放在指令寄存器中

7、，以便控制器對指令進行譯碼。存器中，以便控制器對指令進行譯碼。 指令譯碼器指令譯碼器指令譯碼器對指令的操作碼字段進行譯碼，指令譯碼器對指令的操作碼字段進行譯碼，操作碼經(jīng)過譯碼后的信號與操作控制信號操作碼經(jīng)過譯碼后的信號與操作控制信號形成部件一起產(chǎn)生該指令所需要的有一定形成部件一起產(chǎn)生該指令所需要的有一定時序關系的操作控制信號序列。時序關系的操作控制信號序列。二、控制器的組成二、控制器的組成97 71 12 2 控制器的組成控制器的組成 操作控制信號形成部件操作控制信號形成部件 采用硬布線設計的操作控制信號形成部件采用硬布線設計的操作控制信號形成部件 采用微程序設計的操作控制信號形成部件采用微程

8、序設計的操作控制信號形成部件 時序信號產(chǎn)生器時序信號產(chǎn)生器 時序信號產(chǎn)生器負責提供時鐘信號和機器周時序信號產(chǎn)生器負責提供時鐘信號和機器周期信號，以規(guī)定每個操作的時間。期信號，以規(guī)定每個操作的時間。 時序信號產(chǎn)生器包括啟停線路，負責控制時時序信號產(chǎn)生器包括啟停線路，負責控制時鐘脈沖的送出與封鎖，從而實現(xiàn)計算機的啟鐘脈沖的送出與封鎖，從而實現(xiàn)計算機的啟動與停止。動與停止。 地址寄存器（地址寄存器（ARAR）、數(shù)據(jù)寄存器（）、數(shù)據(jù)寄存器（DRDR） 二、控制器的組成二、控制器的組成107 71 12 2 控制器的組成控制器的組成 地址寄存器（地址寄存器（ARAR）地址寄存器用來存放來自程序計數(shù)器地址

9、寄存器用來存放來自程序計數(shù)器PCPC或來自運或來自運算器或來自指令的地址碼字段或者其他部件的地算器或來自指令的地址碼字段或者其他部件的地址信號，然后在規(guī)定的節(jié)拍統(tǒng)一送上地址總線。址信號，然后在規(guī)定的節(jié)拍統(tǒng)一送上地址總線。 數(shù)據(jù)寄存器（數(shù)據(jù)寄存器（DRDR） 數(shù)據(jù)寄存器是數(shù)據(jù)寄存器是CPUCPU中臨時存放數(shù)據(jù)的寄存器。數(shù)中臨時存放數(shù)據(jù)的寄存器。數(shù)據(jù)寄存器可以根據(jù)需要指定為源寄存器和目的寄據(jù)寄存器可以根據(jù)需要指定為源寄存器和目的寄存器。存器。二、控制器的組成二、控制器的組成11三、時序系統(tǒng)三、時序系統(tǒng)三級時序系統(tǒng)三級時序系統(tǒng) 幾個基本概念：幾個基本概念：指令周期指令周期: :計算機從取出一條指令并

10、完成該指令的執(zhí)計算機從取出一條指令并完成該指令的執(zhí)行所需要的時間。各種指令的指令周期是不同的。行所需要的時間。各種指令的指令周期是不同的。機器周期機器周期時鐘周期時鐘周期節(jié)拍脈沖節(jié)拍脈沖節(jié)拍信號節(jié)拍信號12三、時序系統(tǒng)三、時序系統(tǒng)三級時序系統(tǒng)三級時序系統(tǒng) 機器周期：機器周期：又稱為又稱為CPUCPU周期，一般是指周期，一般是指CPUCPU與內存交與內存交換換一次一次信息（讀或寫內存）所需要的時間。一個指信息（讀或寫內存）所需要的時間。一個指令周期由若干個機器周期構成。令周期由若干個機器周期構成。機器周期機器周期時鐘周期時鐘周期節(jié)拍脈沖節(jié)拍脈沖節(jié)拍信號節(jié)拍信號13三、時序系統(tǒng)三、時序系統(tǒng)三級時序

11、系統(tǒng)三級時序系統(tǒng) 時鐘周期：時鐘周期：又稱為節(jié)拍周期，一個又稱為節(jié)拍周期，一個CPUCPU周期包含若干周期包含若干個時鐘周期，是處理操作的最基本時間單位，即個時鐘周期，是處理操作的最基本時間單位，即T T周周期。期。機器周期機器周期時鐘周期時鐘周期節(jié)拍脈沖節(jié)拍脈沖節(jié)拍電位節(jié)拍電位信號信號14三、時序系統(tǒng)三、時序系統(tǒng)三級時序系統(tǒng)三級時序系統(tǒng) 節(jié)拍信號：節(jié)拍信號：和節(jié)拍周期對應的電位信號，節(jié)拍的寬度和節(jié)拍周期對應的電位信號，節(jié)拍的寬度取決于取決于CPUCPU完成一次基本操作的時間。完成一次基本操作的時間。節(jié)拍脈沖：節(jié)拍脈沖：和節(jié)拍周期對應的脈沖信號。和節(jié)拍周期對應的脈沖信號。機器周期機器周期時鐘周

12、期時鐘周期節(jié)拍脈沖節(jié)拍脈沖節(jié)拍信號節(jié)拍信號15三、時序系統(tǒng)三、時序系統(tǒng) v一個機器周期需要多少個節(jié)拍最合適，取決于該一個機器周期需要多少個節(jié)拍最合適，取決于該周期時間內需要順序完成的基本操作步數(shù)，可采周期時間內需要順序完成的基本操作步數(shù)，可采用下述方法來確定。用下述方法來確定。 統(tǒng)一節(jié)拍法，以最復雜的機器周期為基準來統(tǒng)一節(jié)拍法，以最復雜的機器周期為基準來確定節(jié)拍數(shù)，每一節(jié)拍時間的長短也以最繁確定節(jié)拍數(shù)，每一節(jié)拍時間的長短也以最繁瑣的微操作為基準，使所有的機器周期長度瑣的微操作為基準，使所有的機器周期長度相等，且每一機器周期內含有相同數(shù)目的節(jié)相等，且每一機器周期內含有相同數(shù)目的節(jié)拍，稱定長機器周

13、期。拍，稱定長機器周期。執(zhí)行指令取指令開始指令周期、機器周期、時鐘周期指令周期、機器周期、時鐘周期16三、時序系統(tǒng)三、時序系統(tǒng) 分散節(jié)拍法，根據(jù)機器周期實際的需要安排節(jié)拍分散節(jié)拍法，根據(jù)機器周期實際的需要安排節(jié)拍數(shù)，需要多少個節(jié)拍就提供多少個節(jié)拍，稱不定數(shù)，需要多少個節(jié)拍就提供多少個節(jié)拍，稱不定長機器周期。長機器周期。 延長節(jié)拍法，大多數(shù)機器周期采用相同的基本節(jié)延長節(jié)拍法，大多數(shù)機器周期采用相同的基本節(jié)拍數(shù)，若某個機器周期內按規(guī)定的基本節(jié)拍數(shù)無拍數(shù)，若某個機器周期內按規(guī)定的基本節(jié)拍數(shù)無法完成該周期的全部微操作，則可延長節(jié)拍。法完成該周期的全部微操作，則可延長節(jié)拍。執(zhí)行指令取指令開始指令周期、機

14、器周期、時鐘周期指令周期、機器周期、時鐘周期17三、時序系統(tǒng)三、時序系統(tǒng)延長機器周期的時序圖延長機器周期的時序圖 時鐘周期插入，某些微型機的時序信號中不設時鐘周期插入，某些微型機的時序信號中不設置節(jié)拍，直接使用時鐘周期信號。一個機器周置節(jié)拍，直接使用時鐘周期信號。一個機器周期中含有若干個時鐘周期，時鐘周期的數(shù)目取期中含有若干個時鐘周期，時鐘周期的數(shù)目取決于機器周期內要完成的微操作個數(shù)。一個機決于機器周期內要完成的微操作個數(shù)。一個機器周期的基本時鐘周期數(shù)確定后，還可以不斷器周期的基本時鐘周期數(shù)確定后，還可以不斷插入等待時鐘周期插入等待時鐘周期。18四、控制方式和時序的產(chǎn)生四、控制方式和時序的產(chǎn)生

15、 1.1. 控制方式控制方式 同步控制方式同步控制方式又稱為又稱為固定時序控制方式固定時序控制方式或或無應答控制方式無應答控制方式。任何指。任何指令的執(zhí)行或指令中每個微操作的執(zhí)行都受事先安排好令的執(zhí)行或指令中每個微操作的執(zhí)行都受事先安排好的時序信號的控制，每個時序信號的結束就意味著一的時序信號的控制，每個時序信號的結束就意味著一個微操作或一條指令已經(jīng)完成，隨即開始執(zhí)行后續(xù)的個微操作或一條指令已經(jīng)完成，隨即開始執(zhí)行后續(xù)的微操作或自動轉向下一條指令的執(zhí)行。微操作或自動轉向下一條指令的執(zhí)行。在同步控制方式中，以微操作序列最長的指令為標準，在同步控制方式中，以微操作序列最長的指令為標準，確定控制微操作

16、運行的時鐘周期數(shù)（節(jié)拍數(shù)）?？刂拼_定控制微操作運行的時鐘周期數(shù)（節(jié)拍數(shù)）?？刂破鳟a(chǎn)生統(tǒng)一的、順序固定的、周而復始的節(jié)拍電位器產(chǎn)生統(tǒng)一的、順序固定的、周而復始的節(jié)拍電位（機器周期信號）和節(jié)拍脈沖（時鐘周期信號）。（機器周期信號）和節(jié)拍脈沖（時鐘周期信號）。優(yōu)點：電路簡單，缺點：運行速度慢優(yōu)點：電路簡單，缺點：運行速度慢。 節(jié)拍電位節(jié)拍脈沖 19四、控制方式和時序的產(chǎn)生四、控制方式和時序的產(chǎn)生 異步控制方式異步控制方式異步控制方式又稱異步控制方式又稱可變時序控制方式可變時序控制方式或或應答控制應答控制方式方式。每條指令需要多少節(jié)拍，就產(chǎn)生多少節(jié)拍；。每條指令需要多少節(jié)拍，就產(chǎn)生多少節(jié)拍；當指令執(zhí)行

17、完畢，發(fā)出回答信號；控制器收到回當指令執(zhí)行完畢，發(fā)出回答信號；控制器收到回答信號時，才開始下條指令的執(zhí)行。答信號時，才開始下條指令的執(zhí)行。優(yōu)點：每條指令都可按其實際需要的時間分配節(jié)優(yōu)點：每條指令都可按其實際需要的時間分配節(jié)拍，使得指令的運行效率高；拍，使得指令的運行效率高；缺點：控制器的電路比較復雜。缺點：控制器的電路比較復雜。異步控制方式在計算機中得到廣泛的應用。例如異步控制方式在計算機中得到廣泛的應用。例如CPUCPU對內存的讀寫；對內存的讀寫；I/OI/O設備與內存的數(shù)據(jù)交換等設備與內存的數(shù)據(jù)交換等都采用異步控制方式，以保證高速度的執(zhí)行。都采用異步控制方式，以保證高速度的執(zhí)行。 20四、

18、控制方式和時序的產(chǎn)生四、控制方式和時序的產(chǎn)生 聯(lián)合控制方式聯(lián)合控制方式 把同步控制方式和異步控制方式結合使用的一種方把同步控制方式和異步控制方式結合使用的一種方式。大部分指令安排在統(tǒng)一的機器周期內完成，即式。大部分指令安排在統(tǒng)一的機器周期內完成，即同步控制；而將較少數(shù)特殊指令，或微操作序列過同步控制；而將較少數(shù)特殊指令，或微操作序列過長或過短，或微操作時間難以確定的，采用異步控長或過短，或微操作時間難以確定的，采用異步控制來完成。制來完成。 現(xiàn)代計算機系統(tǒng)大多采用聯(lián)合控制方式，其一般設現(xiàn)代計算機系統(tǒng)大多采用聯(lián)合控制方式，其一般設計思想是，在功能部件內部采用同步控制方式，而計思想是，在功能部件內

19、部采用同步控制方式，而在功能部件之間采用異步控制方式。在功能部件之間采用異步控制方式。 優(yōu)點：能保證一定的運行速度優(yōu)點：能保證一定的運行速度 缺點：控制電路設計相對比較復雜缺點：控制電路設計相對比較復雜。 21四、控制方式和時序的產(chǎn)生四、控制方式和時序的產(chǎn)生2.2. 時序脈沖發(fā)生器和啟?？刂茣r序脈沖發(fā)生器和啟停控制時序脈沖發(fā)生器時序脈沖發(fā)生器就是根據(jù)時鐘產(chǎn)生一定頻率的節(jié)就是根據(jù)時鐘產(chǎn)生一定頻率的節(jié)拍脈沖信號作為整個機器工作的時序信號拍脈沖信號作為整個機器工作的時序信號；啟停控制電路啟?？刂齐娐肥潜ＷC在適當?shù)臅r刻準確可靠地開是保證在適當?shù)臅r刻準確可靠地開啟或封鎖計算機工作時鐘，以控制微操作命令序

20、啟或封鎖計算機工作時鐘，以控制微操作命令序列的產(chǎn)生或停止，從而啟動或停止計算機的運行。列的產(chǎn)生或停止，從而啟動或停止計算機的運行。通常用通常用訪問一次主存取指或取數(shù)據(jù)的時間訪問一次主存取指或取數(shù)據(jù)的時間來作為來作為機器周期的基本時間。若個別操作不能完成的可機器周期的基本時間。若個別操作不能完成的可采用增加機器周期或者采用應答方式來解決。采用增加機器周期或者采用應答方式來解決?？刂破鞯臅r鐘輸入實際上是節(jié)拍脈沖序列，其頻控制器的時鐘輸入實際上是節(jié)拍脈沖序列，其頻率即為率即為機器的主頻機器的主頻。 22五、系統(tǒng)結構和數(shù)據(jù)通路的設計五、系統(tǒng)結構和數(shù)據(jù)通路的設計 v一般地，對于數(shù)據(jù)通路的設計，可以有兩種

21、一般地，對于數(shù)據(jù)通路的設計，可以有兩種不同的方案：不同的方案：v第一種第一種是在所有需要傳送數(shù)據(jù)的部件之間創(chuàng)是在所有需要傳送數(shù)據(jù)的部件之間創(chuàng)建一條直接通路，這種方案對于很小的計算建一條直接通路，這種方案對于很小的計算機系統(tǒng)來說是可行的，但是如果所要設計的機系統(tǒng)來說是可行的，但是如果所要設計的CPUCPU的復雜度增加的話，用這種方案來設計數(shù)的復雜度增加的話，用這種方案來設計數(shù)據(jù)通路將變得越來越不現(xiàn)實。據(jù)通路將變得越來越不現(xiàn)實。v第二種方案第二種方案是在是在CPUCPU內部創(chuàng)建一條總線，并且內部創(chuàng)建一條總線，并且在各個部件之間使用總線來傳遞數(shù)據(jù)。在各個部件之間使用總線來傳遞數(shù)據(jù)。23I/O設備運算

22、部件地址寄存器AR指令寄存器IR指令譯碼器ID操作控制信號形成部件存儲器.程序計數(shù)器PC數(shù)據(jù)寄存器DRCPU內部總線8地址總線AB數(shù)據(jù)總線DB88選擇第二種方案，勾畫出簡單計算機系統(tǒng)的結構選擇第二種方案，勾畫出簡單計算機系統(tǒng)的結構24242424得到訪存的數(shù)據(jù)通路如下得到訪存的數(shù)據(jù)通路如下：v存儲器讀操作存儲器讀操作：送地址到送地址到CPUCPU片內總線，并打入地址寄片內總線，并打入地址寄存器存器ARAR；控制器發(fā)送存儲器讀信號，啟動存儲器讀操作，；控制器發(fā)送存儲器讀信號，啟動存儲器讀操作，并將讀出的數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)總線上接收至數(shù)據(jù)寄存器并將讀出的數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)總線上接收至數(shù)據(jù)寄存器DRDR。I/O設備

23、運算部件地址寄存器AR指令寄存器IR指令譯碼器ID操作控制信號形成部件存儲器.程序計數(shù)器PC數(shù)據(jù)寄存器DRCPU內部總線8地址總線AB數(shù)據(jù)總線DB8825得到訪存的數(shù)據(jù)通路如下：得到訪存的數(shù)據(jù)通路如下：v存儲器寫操作存儲器寫操作：送地址到送地址到CPUCPU片內總線，并打入地址寄片內總線，并打入地址寄存器存器ARAR；送數(shù)據(jù)到；送數(shù)據(jù)到DRDR，DRDR將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線，控制器將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線，控制器發(fā)送存儲器寫信號，啟動存儲器寫操作發(fā)送存儲器寫信號，啟動存儲器寫操作。I/O設備運算部件地址寄存器AR指令寄存器IR指令譯碼器ID操作控制信號形成部件存儲器.程序計數(shù)器PC數(shù)據(jù)寄存器DRCPU

24、內部總線8地址總線AB數(shù)據(jù)總線DB8826v細化圖中的運算部件，發(fā)現(xiàn)還需要不止一個寄存器以便細化圖中的運算部件，發(fā)現(xiàn)還需要不止一個寄存器以便暫時保存數(shù)據(jù)，這些寄存器稱為暫時保存數(shù)據(jù)，這些寄存器稱為通用寄存器通用寄存器，通常，通常CPUCPU會會把它們中的一個命名為把它們中的一個命名為累加器（累加器（ACAC），），它與其他的寄存它與其他的寄存器有些許的不同，但是對這個系統(tǒng)來說，并不一定要有器有些許的不同，但是對這個系統(tǒng)來說，并不一定要有個專門的個專門的ACAC，結合第四章所學的定點運算器內部單總線，結合第四章所學的定點運算器內部單總線結構和通路，畫出系統(tǒng)運算部件的內部結構圖，如圖所結構和通路，

25、畫出系統(tǒng)運算部件的內部結構圖，如圖所示。示。ALUDA2B-DA2DA1B-DA1R0RRnCPU內部總線內部總線.功能功能選擇選擇信號信號1.通通用用寄寄存存器器 運算部件內部結構圖運算部件內部結構圖 五、系統(tǒng)結構和數(shù)據(jù)通路的設計五、系統(tǒng)結構和數(shù)據(jù)通路的設計 27數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線 DB8ALUR0R1RnDA2DA1運運 算算器器R2地址寄存器地址寄存器AR時序信號時序信號產(chǎn)生器產(chǎn)生器操作控制信號操作控制信號形成部件形成部件指令譯碼器指令譯碼器PC+1程序計數(shù)器程序計數(shù)器 PC指令寄存器指令寄存器 IR控制器控制器地址總線地址總線 AB存儲器存儲器地址地址指令或數(shù)據(jù)指令或數(shù)據(jù)存儲器存儲器8.

26、簡化后的簡單計算機系統(tǒng)的結構圖簡化后的簡單計算機系統(tǒng)的結構圖BIUBIU簡化為簡化為：與外部地址總線連接的是：與外部地址總線連接的是ARAR，與外部數(shù)據(jù)總線連，與外部數(shù)據(jù)總線連接的是接的是CPUCPU內部總線；因此，內部總線；因此，省略了省略了DRDR。于是把片外的數(shù)據(jù)總于是把片外的數(shù)據(jù)總線和線和CPUCPU片內總線合并成一條總線，稱之為片內總線合并成一條總線，稱之為數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線DBDB 五、系統(tǒng)結構和數(shù)據(jù)通路的設計五、系統(tǒng)結構和數(shù)據(jù)通路的設計 2828簡化結構圖上訪存的數(shù)據(jù)通路：簡化結構圖上訪存的數(shù)據(jù)通路：v存儲器讀操作：存儲器讀操作：送地址到送地址到CPUCPU片內總線，并打入地址寄存

27、片內總線，并打入地址寄存器器ARAR；控制器發(fā)送存儲器讀信號；控制器發(fā)送存儲器讀信號M-R# =0M-R# =0，啟動存儲器讀，啟動存儲器讀操作，并將讀出的數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)總線上接收至目的寄存器。操作，并將讀出的數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)總線上接收至目的寄存器。v例如取指令操作例如取指令操作數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線 DB8ALUR0R1RnDA2DA1運運 算算器器R2地址寄存器地址寄存器AR時序信號時序信號產(chǎn)生器產(chǎn)生器操作控制信號操作控制信號形成部件形成部件指令譯碼器指令譯碼器PC+1程序計數(shù)器程序計數(shù)器 PC指令寄存器指令寄存器 IR控制器控制器地址總線地址總線 AB存儲器存儲器地址地址指令或數(shù)據(jù)指令或數(shù)據(jù)存儲器存儲器

28、8.2929簡化結構圖上訪存的數(shù)據(jù)通路簡化結構圖上訪存的數(shù)據(jù)通路：v存儲器寫操作：存儲器寫操作：送地址到送地址到CPUCPU片內總線，并打入地址寄存片內總線，并打入地址寄存器器ARAR；將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線，控制器發(fā)送存儲器寫信號；將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線，控制器發(fā)送存儲器寫信號M-W# =0M-W# =0，啟動存儲器寫操作，啟動存儲器寫操作。數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線 DB8ALUR0R1RnDA2DA1運運 算算器器R2地址寄存器地址寄存器AR時序信號時序信號產(chǎn)生器產(chǎn)生器操作控制信號操作控制信號形成部件形成部件指令譯碼器指令譯碼器PC+1程序計數(shù)器程序計數(shù)器 PC指令寄存器指令寄存器 IR控制器控制器地址總

29、線地址總線 AB存儲器存儲器地址地址指令或數(shù)據(jù)指令或數(shù)據(jù)存儲器存儲器8.3030ALUALU的數(shù)據(jù)通路：的數(shù)據(jù)通路：v 運算器的運算操作：運算器的運算操作： 送第一個數(shù)據(jù)到總線，并打入送第一個數(shù)據(jù)到總線，并打入ALUALU暫存器暫存器DA1DA1（或（或DA2DA2）；）； 送第二個數(shù)據(jù)到總線，且打入送第二個數(shù)據(jù)到總線，且打入ALUALU暫存器暫存器DA2DA2（或（或DA1DA1）；）； 發(fā)送運算器功能選擇信號，控制發(fā)送運算器功能選擇信號，控制ALUALU進行某種運算，并將進行某種運算，并將結果通過數(shù)據(jù)總線結果通過數(shù)據(jù)總線DBDB送目的部件（例如某通用寄存器）。送目的部件（例如某通用寄存器）

30、。數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線 DB8ALUR0R1RnDA2DA1運運 算算器器R2地址寄存器地址寄存器AR時序信號時序信號產(chǎn)生器產(chǎn)生器操作控制信號操作控制信號形成部件形成部件指令譯碼器指令譯碼器PC+1程序計數(shù)器程序計數(shù)器 PC指令寄存器指令寄存器 IR控制器控制器地址總線地址總線 AB存儲器存儲器地址地址指令或數(shù)據(jù)指令或數(shù)據(jù)存儲器存儲器8.3131六、簡單計算機系統(tǒng)主機各部件的實現(xiàn)方案六、簡單計算機系統(tǒng)主機各部件的實現(xiàn)方案v1.1.運算器運算器 8 8位的算術邏輯運算器，位的算術邏輯運算器，2 2個暫存器為個暫存器為DA1DA1和和DA2DA2，控制信號，控制信號用用B-DA1B-DA1和和B-DA

31、2,B-DA2,在輸出端用一個三態(tài)門控制數(shù)據(jù)是否送在輸出端用一個三態(tài)門控制數(shù)據(jù)是否送上總線，控制信號是上總線，控制信號是ALU-B#ALU-B#，S0S3S0S3、M M、CiCi是該是該ALUALU的運的運算選擇信號。算選擇信號。 R0-B#R3-B#R0-B#R3-B#分別是讀分別是讀R0R3R0R3的控制信號，的控制信號，B-R0B-R3B-R0B-R3分別分別是寫是寫R0R3R0R3的控制信號。的控制信號。ALUS0S1S2S3MCiDA2B-DA2DA1B-DA1ALU-BR3-BR0-BR0B-R0R1R3R1-BB-R1B-R2R2R2-BB-R3CPU內部總線內部總線32六、簡

32、單計算機系統(tǒng)主機各部件的實現(xiàn)方案六、簡單計算機系統(tǒng)主機各部件的實現(xiàn)方案v 2.2.控制器控制器 程序計數(shù)器程序計數(shù)器PC,PC-B#PC,PC-B#是將是將PCPC值送上數(shù)據(jù)總線的控制信號，值送上數(shù)據(jù)總線的控制信號，PC+1PC+1是是PCPC的自增的自增1 1控制信號?？刂菩盘?。B-PC#B-PC#信號控制將數(shù)據(jù)總線的值信號控制將數(shù)據(jù)總線的值送入送入PCPC。當把數(shù)據(jù)總線上的值送入。當把數(shù)據(jù)總線上的值送入PCPC的時候，需要控制信號的時候，需要控制信號B-PC#=0B-PC#=0且且PC+1PC+1有效有效，因為打入脈沖可以由，因為打入脈沖可以由PC+1PC+1提供。提供。 地址寄存器地址寄

33、存器ARAR的輸入控制信號是的輸入控制信號是B-ARB-AR，指令寄存器，指令寄存器IRIR的輸入的輸入控制信號是控制信號是B-IRB-IR。PCPC+1B-PC PC-B數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線DBARB-AR地址總線地址總線ABIRB-IRID操作操作控制控制信號信號形成形成部件部件.整整機機控控制制信信號號3333v3.3.存儲器存儲器v用一片用一片SRAMSRAM芯片就可以滿足存儲需要芯片就可以滿足存儲需要vSRAMSRAM芯片存儲單元是字節(jié)。芯片存儲單元是字節(jié)。v用兩個信號用兩個信號M-R#M-R#和和M-W#M-W#來控制讀和寫這個存儲器。來控制讀和寫這個存儲器。SRAM地址總線地址總線A

34、BM-WM-RDA數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線DB六、簡單計算機系統(tǒng)主機各部件的實現(xiàn)方案六、簡單計算機系統(tǒng)主機各部件的實現(xiàn)方案34七、指令的執(zhí)行過程七、指令的執(zhí)行過程v把指令具體化，對于加法指令（把指令具體化，對于加法指令（ADD RADD R，#data#data）具體）具體化為化為ADD R0, 06HADD R0, 06Hv對于無條件跳轉指令（對于無條件跳轉指令（JMP addrJMP addr）具體化為）具體化為JMP 04HJMP 04Hv根據(jù)所設計的指令格式，它們都應該是根據(jù)所設計的指令格式，它們都應該是雙字節(jié)的指令雙字節(jié)的指令v假如加法指令的操作碼是假如加法指令的操作碼是01010101，則

35、加法指令，則加法指令ADD R0, ADD R0, 06H06H對應的機器碼是對應的機器碼是50H50H和和06H06H；v假如無條件跳轉指令的操作碼是假如無條件跳轉指令的操作碼是10001000，則無條件跳轉，則無條件跳轉指令指令JMP 04HJMP 04H對應的機器碼是對應的機器碼是80H80H和和04H04H；操作碼源寄存器目的寄存器I7 I6 I5 I4 I3I2 I1I0操作碼源寄存器目的寄存器I7 I6 I5 I4 I3I2 I1I0立即數(shù)（a a）單字節(jié)指令格式）單字節(jié)指令格式 (b)(b)雙字節(jié)指令格式雙字節(jié)指令格式機器指令格式機器指令格式3535七、指令的執(zhí)行過程七、指令的執(zhí)

36、行過程v假設它們已經(jīng)在存儲器中了，且位于地址假設它們已經(jīng)在存儲器中了，且位于地址04H07H04H07H的單元內，下表給出了這兩條指令的內的單元內，下表給出了這兩條指令的內容和在存儲器中的位置。容和在存儲器中的位置。存放在存儲器中的二條指令內容存放在存儲器中的二條指令內容指令地址指令地址指令機器碼指令機器碼助記符助記符0000 01000000 01000101 00000101 0000ADD RADD R0 0, 06H, 06H0000 01010000 01010000 01100000 0110立即數(shù)立即數(shù)0000 01100000 01101000 00001000 0000JMP

37、 04HJMP 04H0000 01110000 01110000 01000000 0100轉移地址轉移地址36361 1、取指令、取指令 控制器先將第一條指令的地址置入控制器先將第一條指令的地址置入PCPC PCPC將當前指令的地址送到將當前指令的地址送到地址寄存器地址寄存器ARAR，同時程，同時程序計數(shù)器序計數(shù)器PCPC的內容遞增以指向下一條指令的地址；的內容遞增以指向下一條指令的地址； ARAR的輸出通過地址總線送到存儲器的地址端，指的輸出通過地址總線送到存儲器的地址端，指明指令所在的地址單元，控制器發(fā)出讀控制信號，明指令所在的地址單元，控制器發(fā)出讀控制信號，控制從存儲器中讀出這條指令

38、；控制從存儲器中讀出這條指令； 該指令通過數(shù)據(jù)總線送到該指令通過數(shù)據(jù)總線送到指令寄存器指令寄存器IRIR。 指令取到指令寄存器指令取到指令寄存器IRIR后，后，指令譯碼器指令譯碼器對其譯碼；對其譯碼； 指令譯碼器將譯碼結果傳遞給操作控制信號形成指令譯碼器將譯碼結果傳遞給操作控制信號形成部件，至此，取指令的過程完成。部件，至此，取指令的過程完成。3737鏈接到P29執(zhí)行指令執(zhí)行指令v 操作控制信號形成部件根據(jù)指令譯碼操作控制信號形成部件根據(jù)指令譯碼信息和時序周期信號，發(fā)出該指令所信息和時序周期信號，發(fā)出該指令所需的所有部件的有一定時序關系的控需的所有部件的有一定時序關系的控制信號序列，完成指令的

39、執(zhí)行。執(zhí)行制信號序列，完成指令的執(zhí)行。執(zhí)行指令與指令的內容有很大的關系指令與指令的內容有很大的關系。3838取加法指令取加法指令v PCPC置為置為04H04H，并送到，并送到ARAR，ARAR的地址通過的地址通過ABAB送到存儲器送到存儲器的地址端，的地址端，PC+1PC+1，指向，指向05H05H，以準備取立即數(shù)；，以準備取立即數(shù)；v 控制器讀，將該地址單元的內容控制器讀，將該地址單元的內容50H50H讀出，通過讀出，通過DBDB送送到到IRIR，IRIR中的指令送到指令譯碼器中的指令送到指令譯碼器IDID進行譯碼，將結進行譯碼，將結果信息送到操作控制信號形成部件；果信息送到操作控制信號形

40、成部件；數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線 DB8ALUR0R1RnDA2DA1運運 算算器器R2地址寄存器地址寄存器AR時序信號時序信號產(chǎn)生器產(chǎn)生器操作控制信號操作控制信號形成部件形成部件指令譯碼器指令譯碼器PC+1程序計數(shù)器程序計數(shù)器PC指令寄存器指令寄存器IR控制器控制器地址總線地址總線 AB存儲器存儲器地址地址指令或數(shù)據(jù)指令或數(shù)據(jù)存儲器存儲器8ADD指令指令（50H）操作數(shù)操作數(shù)06HJMP指令指令（80H）轉移地址轉移地址04H06H05H04H07H0000 0100（04H）0101 0000（50H）0000 0101（05H）(1)(1)(2)(2)(2)(2)ADD R0, 06H3939執(zhí)

41、行執(zhí)行ADDADD指令指令v 將將PCPC的內容的內容05H05H送到送到ARAR，同時，同時PC+1PC+1；v 從存儲器從存儲器05H05H單元中讀出操作數(shù)，送到暫存器單元中讀出操作數(shù)，送到暫存器DA1DA1；v 根據(jù)根據(jù)IRIR中的低中的低4 4位，由寄存器地址譯碼后，尋址源操位，由寄存器地址譯碼后，尋址源操作數(shù)寄存器為作數(shù)寄存器為R0R0，從，從R0R0中取出另一操作數(shù)，送中取出另一操作數(shù)，送DA2DA2；v 在在ALUALU中進行加法運算，并將結果送到目的寄存器中進行加法運算，并將結果送到目的寄存器R0R0中存放中存放數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線 DB8ALUR0R1RnDA2DA1運運 算算器器R2地址寄存器地址寄存器AR時序信號時序信號產(chǎn)生器產(chǎn)生器操作控制信號操作控制信號形成部件形成部件指令譯碼器指令譯碼器PC+1程序計數(shù)器程序計數(shù)器PC指令寄存器指令寄存器IR控制器控制器地址總線地址總線 AB存儲器存儲器地址地址指令或數(shù)據(jù)指令或數(shù)據(jù)存儲器存儲