1、2022-7-281第第 6 6 章章 控制系统与控制系统与CPUCPU2022-7-282本章学习本章学习内容内容n控制器的功能与组成控制器的功能与组成n控制方式与时序系统控制方式与时序系统nCPUCPU的总体结构的总体结构n组合逻辑控制器设计组合逻辑控制器设计n微程序控制器设计微程序控制器设计n流水线处理技术流水线处理技术2022-7-2836.1 6.1 控制器的基本概念控制器的基本概念n控制器和运算器一起组成中央处理器，即控制器和运算器一起组成中央处理器，即CPUCPU。n控制器是计算机的指挥和控制中心，由它把计算机的运控制器是计算机的指挥和控制中心，由它把计算机的运算器、存储器、算器
2、、存储器、I/OI/O设备等联系成一个有机的系统，并设备等联系成一个有机的系统，并根据各部件具体要求，适时地发出各种控制命令，控制根据各部件具体要求，适时地发出各种控制命令，控制计算机各部件自动、协调地进行工作。计算机各部件自动、协调地进行工作。n控制器的功能是根据事先编好并存放在存储器中的解题控制器的功能是根据事先编好并存放在存储器中的解题程序，控制各部件有条不紊地、自动协调地进行工作。程序，控制各部件有条不紊地、自动协调地进行工作。2022-7-284计算机运行程序的基本过程：计算机运行程序的基本过程：1.1.取指令取指令：根据指令地址（由根据指令地址（由PCPC提供），从存储器中取出所要
3、执行的提供），从存储器中取出所要执行的指令。指令。2.2.分析指令分析指令：对取出的指令进行译码分析。确定指令应完成的操对取出的指令进行译码分析。确定指令应完成的操 作，产生相应操作的控制电位去参与形成该指令功作，产生相应操作的控制电位去参与形成该指令功 能所需要的全部控制命令（微操作控制信号）。能所需要的全部控制命令（微操作控制信号）。根据寻址方式的分析和指令功能要求，形成操作数的根据寻址方式的分析和指令功能要求，形成操作数的 有效地址，并按此地址取出操作数据（运算型指令）有效地址，并按此地址取出操作数据（运算型指令）或形成转移地址或形成转移地址(转移类指令转移类指令)以实现程序转移。以实现
4、程序转移。6.1.1 6.1.1 指令执行的基本步骤指令执行的基本步骤 2022-7-2853.3.执行指令执行指令：根据指令分析所产生的操作控制信号和形成的有效地址，根据指令分析所产生的操作控制信号和形成的有效地址，按一定的算法形成指令操作控制序列，控制有关部件完成按一定的算法形成指令操作控制序列，控制有关部件完成指令规定的功能。指令规定的功能。一条指令执行结束，若没有异常情况和特殊请求，则按程一条指令执行结束，若没有异常情况和特殊请求，则按程序顺序，再去取出并执行下一条指令。序顺序，再去取出并执行下一条指令。控制器的主要功能控制器的主要功能就是按取指令、分析指令、执行指令这就是按取指令、分
5、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。的任务并停机为止。2022-7-286ADD A,R7的执行过程的执行过程2022-7-2876.1.2 6.1.2 控制器的基本功能控制器的基本功能1 1控制指令的正确执行控制指令的正确执行包括指令流出的控制，分析指令和执行指令的控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。制，指令流向的控制。指令流出控制（对取指令的控制）指令流出控制（对取指令的控制）取指令时需进行的操作取指令时需进行的操作(PC)MAR(PC)MAR，Read Read
6、 ；给出指令地址，并向；给出指令地址，并向MEMMEM发发 出读命令出读命令(MDR)IR (MDR)IR ；读出的指令经；读出的指令经MDRMDR存放到指存放到指 令寄存器令寄存器IRIR中中(PC)(PC)增量增量PC PC ；为取下一条指令作准备；为取下一条指令作准备2022-7-288 分析指令和执行指令的控制分析指令和执行指令的控制IRIR中的指令经指令译码器中的指令经指令译码器(ID)(ID)译码分析，确定操作性质，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。判明寻址方式并形成操作数的有效地址。控制器根据分析的结果和形成的有效地址产生相应的操作控制器根据分析的结果和
7、形成的有效地址产生相应的操作控制信号序列，控制有关的部件完成指令所规定的操作功控制信号序列，控制有关的部件完成指令所规定的操作功能。能。例：设某指令的例：设某指令的IRIR1515IRIR121200000000时为时为MOVMOV指令，则指令，则 MOV MOV 的控制信号为：的控制信号为：12131415IRIRIRIRMOV2022-7-289 指令流向的控制指令流向的控制指令流向控制即下条指令地址的形成控制。指令流向控制即下条指令地址的形成控制。按指令序列顺序执行时，通过按指令序列顺序执行时，通过PCPC自动增量形成下条指自动增量形成下条指 令的地址。令的地址。当需要改变指令流向时，需
8、改变程序计数器当需要改变指令流向时，需改变程序计数器PCPC中的内中的内 容。容。转移指令的执行：把形成的转向地址送入转移指令的执行：把形成的转向地址送入PCPC；转子指令的执行：把子程序入口地址送入转子指令的执行：把子程序入口地址送入PCPC；中断处理：将中断服务程序入口地址送入中断处理：将中断服务程序入口地址送入PCPC。为了正确返回，转子和中断还需保留为了正确返回，转子和中断还需保留PCPC被改变之前的被改变之前的 内容内容(即返回地址即返回地址)。2022-7-28102.2.控制程序和数据的输入及结果的输出控制程序和数据的输入及结果的输出为完成某项任务而编制的程序及所需数据，必须通过
9、某为完成某项任务而编制的程序及所需数据，必须通过某些输入设备预先存放在存储器中，运算结果要用输出设些输入设备预先存放在存储器中，运算结果要用输出设备输出。所以必须由控制器统一指挥，完成程序和数据备输出。所以必须由控制器统一指挥，完成程序和数据的输入及结果的输出。的输入及结果的输出。3 3异常情况和特殊请求的处理异常情况和特殊请求的处理机器在运行程序过程中，往往可能会遇到一些异常情况机器在运行程序过程中，往往可能会遇到一些异常情况（如电源掉电、运算溢出等）或某些特殊请求（如打印（如电源掉电、运算溢出等）或某些特殊请求（如打印机请求传送打印字符等）。这些异常和请求往往是事先机请求传送打印字符等）。
10、这些异常和请求往往是事先无法预测的，控制器必须具有检测和处理这些异常情况无法预测的，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。和特殊请求的功能。2022-7-2811n宏观上每条指令的执行过程均是取指、译码、执行，但宏观上每条指令的执行过程均是取指、译码、执行，但每条指令有不同的操作序列，需要在不同时间产生不同每条指令有不同的操作序列，需要在不同时间产生不同的控制序列，并有严格的时序要求。控制器必须根据不的控制序列，并有严格的时序要求。控制器必须根据不同指令产生不同的控制序列。同指令产生不同的控制序列。n控制器的主要任务控制器的主要任务 根据不同的指令、不同的状态条件，在不同的时间
11、，产根据不同的指令、不同的状态条件，在不同的时间，产生不同的控制信号，控制计算机的各部件自动、协调地生不同的控制信号，控制计算机的各部件自动、协调地进行工作。进行工作。2022-7-2812指指令令执执行行的的一一般般流流程程 开 始 取 指 令，P C 增 量 P C 分 析 指 令 取 操 作 数 计 算 地 址 执 行 转 移，转 向 地 址 P C 执 行 指 令，保 存 结 果 寻 址？转 移 指 令？异 常/中 断？转 去 处 理 Y Y Y N N N 2022-7-2813 6.1.3 6.1.3 控制器的组成控制器的组成2022-7-2814指令部件的主要功能是完成指令部件的
12、主要功能是完成取指令取指令和和分析指令分析指令。程序计数器程序计数器 PC PC （指令计数器、指令地址寄存器）（指令计数器、指令地址寄存器）程序计数器用于保证程序按规定的序列正确运行，并提供将要执行程序计数器用于保证程序按规定的序列正确运行，并提供将要执行指令的指令地址。指令的指令地址。由于由于PCPC可以指向主存中任一单元的地址，因此它的位数应能表示主可以指向主存中任一单元的地址，因此它的位数应能表示主存的最大容量并与主存地址寄存器存的最大容量并与主存地址寄存器MARMAR的位数相同。的位数相同。在在CPUCPU中可以单独设置程序计数器，也可以指定通用寄存器中的某中可以单独设置程序计数器，
13、也可以指定通用寄存器中的某一个作为一个作为PCPC使用。使用。程序顺序执行时的程序顺序执行时的PCPC增量可以通过增量可以通过PCPC本身的计数逻辑实现，也可以本身的计数逻辑实现，也可以由运算器的由运算器的ALUALU实现。不同机器，实现方法可有所不同。实现。不同机器，实现方法可有所不同。1 1指令部件指令部件2022-7-2815(2)(2)指令寄存器指令寄存器 IR:IR:用于存放当前正在执行的指令。用于存放当前正在执行的指令。当指令从主存取出后，经当指令从主存取出后，经MDRMDR传送到指令寄存器中，以便传送到指令寄存器中，以便实现对一条指令执行的全部过程的控制。实现对一条指令执行的全部
14、过程的控制。(3)(3)指令译码器指令译码器 ID:ID:是指令分析部件。是指令分析部件。对指令寄存器中的指令操作码进行译码分析，产生相应操对指令寄存器中的指令操作码进行译码分析，产生相应操作的控制电位，提供给微操作控制信号形成部件。对寻址作的控制电位，提供给微操作控制信号形成部件。对寻址方式字段进行译码分析，以控制操作数有效地址的形成。方式字段进行译码分析，以控制操作数有效地址的形成。(4)(4)地址形成部件：地址形成部件：根据寻址方式，形成有效地址。根据寻址方式，形成有效地址。在一些微、小型机中，为简化硬件逻辑，通常不设置专门在一些微、小型机中，为简化硬件逻辑，通常不设置专门的地址形成部件
15、，而是借用运算器实现有效地址的计算。的地址形成部件，而是借用运算器实现有效地址的计算。2022-7-28162 2时序控制部件时序控制部件时序控制部件时序控制部件：用于产生一系列时序信号，为各个微操作：用于产生一系列时序信号，为各个微操作定时，以保证各个微操作的执行顺序。定时，以保证各个微操作的执行顺序。n从宏观从宏观(即程序控制即程序控制)上看，计算机的解题过程实质上是上看，计算机的解题过程实质上是指令序列即一条条指令的执行过程。指令序列即一条条指令的执行过程。n从微观从微观(即指令控制即指令控制)上看，计算机的解题过程是微操作上看，计算机的解题过程是微操作序列即一个个序列即一个个(或一组组
16、或一组组)微操作的执行过程。微操作的执行过程。微操作微操作：机器最简单的基本操作：机器最简单的基本操作一条指令的执行过程可以分解为若干微操作。这些微操作一条指令的执行过程可以分解为若干微操作。这些微操作有着严格的时间顺序要求，不可随意颠倒。有着严格的时间顺序要求，不可随意颠倒。2022-7-2817(1)(1)脉冲源：脉冲源：用于产生一定频率的主时钟脉冲。用于产生一定频率的主时钟脉冲。一般采用石英晶体振荡器作为脉冲源。计算机电源一接通，一般采用石英晶体振荡器作为脉冲源。计算机电源一接通，脉冲源立即按规定频率给出时钟脉冲。脉冲源立即按规定频率给出时钟脉冲。(2)(2)启停电路：启停电路：控制整个
17、机器工作的启动与停止。控制整个机器工作的启动与停止。实际上是保证可靠地送出或封锁主时钟脉冲，控制时序信实际上是保证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。号的发生与停止。(3)(3)时序信号发生器：时序信号发生器：用于产生机器所需的各种时序信用于产生机器所需的各种时序信号，以便控制有关部件在不同的时间完成不同的微操作。号，以便控制有关部件在不同的时间完成不同的微操作。不同的机器，有着不同的时序信号。不同的机器，有着不同的时序信号。在同步控制的机器中，一般包括周期、节拍、脉冲等三级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。时序信号。2022-7-2818n微操作控
18、制信号形成部件微操作控制信号形成部件：根据指令部件提供的操作控：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。态条件，产生机器所需要的各种微操作控制信号。n不同的指令，完成不同的功能，需要不同的微操作控制不同的指令，完成不同的功能，需要不同的微操作控制信号序列。每条指令都有自己对应的微操作序列。控制信号序列。每条指令都有自己对应的微操作序列。控制器必须根据不同的指令，在不同的时间，产生并发出不器必须根据不同的指令，在不同的时间，产生并发出不同的微操作控制信号，控制有关部件协调工
19、作，完成指同的微操作控制信号，控制有关部件协调工作，完成指令所规定的任务。令所规定的任务。4 4中断控制逻辑（中断机构）中断控制逻辑（中断机构）n用于实现异常情况和特殊请求的处理。用于实现异常情况和特殊请求的处理。3 3微操作控制信号形成部件微操作控制信号形成部件2022-7-2819n程序状态寄存器：用于存放程序的工作状态程序状态寄存器：用于存放程序的工作状态(如管态、如管态、目态等目态等)和指令执行的结果特征和指令执行的结果特征(如结果为零、结果溢出如结果为零、结果溢出等等)，把它所存放的内容称为程序状态字，把它所存放的内容称为程序状态字(PSW)(PSW)。例：例：8086 CPU808
20、6 CPU中的中的PSWPSW的格式的格式5 5程序状态寄存器程序状态寄存器 PSR PSR2022-7-2820n 控制台用于实现人与机器之间的通信联系，如启动或控制台用于实现人与机器之间的通信联系，如启动或停止机器的运行、监视程序运行过程、对程序进行必要停止机器的运行、监视程序运行过程、对程序进行必要的修改或干预等。的修改或干预等。n早期有硬件控制台，用于设置地址和指令。现在，在大早期有硬件控制台，用于设置地址和指令。现在，在大型机中有软件控制台。通过控制台命令，控制机器的启型机中有软件控制台。通过控制台命令，控制机器的启停，干预机器的工作。停，干预机器的工作。6 6控制台控制台2022-
21、7-2821n控制器的组成方式主要是指微操作控制信号形成控制器的组成方式主要是指微操作控制信号形成部件采用何种组成方式产生微操作控制信号。部件采用何种组成方式产生微操作控制信号。n控制器的组成方式主要是指微操作控制信号形成控制器的组成方式主要是指微操作控制信号形成部件的组成方式。部件的组成方式。n根据产生微操作控制信号的方式不同，控制器可根据产生微操作控制信号的方式不同，控制器可分为分为组合逻辑型、存储逻辑型、组合逻辑与存储组合逻辑型、存储逻辑型、组合逻辑与存储逻辑结合型逻辑结合型三种，它们的根本区别在于微操作信三种，它们的根本区别在于微操作信号发生器的实现方法不同，而控制器中的其他部号发生器
22、的实现方法不同，而控制器中的其他部分基本上是大同小异的。分基本上是大同小异的。6.1.4 6.1.4 控制器的组成方式控制器的组成方式2022-7-28221 1组合逻辑型组合逻辑型n组合逻辑控制器组合逻辑控制器是根据控制要求和状态，采用组合逻辑是根据控制要求和状态，采用组合逻辑技术来实现的。其微操作信号发生器是由门电路组成的技术来实现的。其微操作信号发生器是由门电路组成的复杂树形网络构成的。复杂树形网络构成的。n组合逻辑组合逻辑控制器也称为控制器也称为硬联逻辑硬联逻辑或或硬布线逻辑硬布线逻辑。n组合逻辑组合逻辑控制器的设计目标：使用最少器件数和取得最控制器的设计目标：使用最少器件数和取得最高
23、操作速度。高操作速度。n优点：速度快优点：速度快n缺点：微操作信号发生器结构不规整，设计、调试、维缺点：微操作信号发生器结构不规整，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。后，要想增加新的控制功能是不可能的。2022-7-28232 2存储逻辑型存储逻辑型n存储逻辑型存储逻辑型控制器称为控制器称为微程序控制器微程序控制器。它是采用存储逻。它是采用存储逻辑来实现的。辑来实现的。n存储逻辑型存储逻辑型控制器的实现方法：控制器的实现方法：把微操作信号代码化，使每条机器指令转化成为一段微把微操作信
24、号代码化，使每条机器指令转化成为一段微程序存入控制存储器中。执行指令时，读出控存中的微程序存入控制存储器中。执行指令时，读出控存中的微指令，由微指令产生微操作控制信号。指令，由微指令产生微操作控制信号。n优点：设计规整，调试、维修以及更改、扩充指令方便优点：设计规整，调试、维修以及更改、扩充指令方便的优点，易于实现自动化设计，已成为当前控制器的主的优点，易于实现自动化设计，已成为当前控制器的主流。流。n缺点：由于它增加了一级控制存储器，所以指令的执行缺点：由于它增加了一级控制存储器，所以指令的执行速度比组合逻辑控制器慢。速度比组合逻辑控制器慢。2022-7-28243 3组合逻辑和存储逻辑结合
25、型组合逻辑和存储逻辑结合型n组合逻辑和存储逻辑结合型控制器称为组合逻辑和存储逻辑结合型控制器称为PLAPLA控制器，它控制器，它是吸收前两种的设计思想来实现的。是吸收前两种的设计思想来实现的。nPLAPLA控制器实际上也是一种组合逻辑控制器，但它的输控制器实际上也是一种组合逻辑控制器，但它的输出程序可编的，某一微操作控制信号由出程序可编的，某一微操作控制信号由PLAPLA的某一输出的某一输出函数产生。函数产生。nPLAPLA控制器是组合逻辑技术和存储逻辑技术结合的产物，控制器是组合逻辑技术和存储逻辑技术结合的产物，它克服了两者的缺点，是一种较有前途的方法。它克服了两者的缺点，是一种较有前途的方
26、法。2022-7-2825n以上几种控制器的设计方法是不同的，但产生的微操作以上几种控制器的设计方法是不同的，但产生的微操作命令的功能是相同的，并且各个控制条件基本上也是一命令的功能是相同的，并且各个控制条件基本上也是一致的，都是由时序电路、操作码译码信号，以及被控部致的，都是由时序电路、操作码译码信号，以及被控部件的反馈信息有机配合而成的。件的反馈信息有机配合而成的。n从功能上看，这几种控制器只是微操作信号发生器的结从功能上看，这几种控制器只是微操作信号发生器的结构和原理不同，而外部的输入条件和输出结果几乎完全构和原理不同，而外部的输入条件和输出结果几乎完全相同。相同。2022-7-2826
27、微操作信号发生器微操作信号发生器2022-7-2827 6.2 6.2 控制器的控制方式与时序系统控制器的控制方式与时序系统 计算机执行指令的过程实际上是执行一系列的微操作的计算机执行指令的过程实际上是执行一系列的微操作的过程。每一条指令都对应着一个微操作序列，这些微操过程。每一条指令都对应着一个微操作序列，这些微操作中有些可以同时执行，有些则必须按严格的时间关系作中有些可以同时执行，有些则必须按严格的时间关系执行。执行。n控制器的控制方式需解决的问题是：控制器的控制方式需解决的问题是：如何在时间上对各种微操作信号加以控制。如何在时间上对各种微操作信号加以控制。6.2.1 6.2.1 控制方式
28、控制方式 常用的控制方式有常用的控制方式有同步控制同步控制、异步控制异步控制和和联合控制联合控制。2022-7-28281 1同步控制方式同步控制方式 同步控制方式：同步控制方式：任何指令的运行或指令中各个微操作的任何指令的运行或指令中各个微操作的执行，均由确定的具有统一基准时标的时序信号所控制。执行，均由确定的具有统一基准时标的时序信号所控制。即所有的操作均由统一的时钟控制，在标准的时间内完即所有的操作均由统一的时钟控制，在标准的时间内完成。成。n在在同步控制方式下，同步控制方式下，每个时序信号的结束就意味着安排每个时序信号的结束就意味着安排完成的工作已经完成，随即开始执行后续的微操作或自完
29、成的工作已经完成，随即开始执行后续的微操作或自动转向下条指令的运行。动转向下条指令的运行。2022-7-2829 典型的同步控制方式是：典型的同步控制方式是：n以微操作序列最长的指令和执行时间最长的微操作为标以微操作序列最长的指令和执行时间最长的微操作为标准，把一条指令执行过程划分为若干个相对独立的阶段准，把一条指令执行过程划分为若干个相对独立的阶段（称为周期）或若干个时间区间（称为节拍），采用完（称为周期）或若干个时间区间（称为节拍），采用完全统一的周期（或节拍）控制各条指令的执行。全统一的周期（或节拍）控制各条指令的执行。n优点：时序关系简单，控制方便优点：时序关系简单，控制方便n缺点：浪
30、费时间。缺点：浪费时间。n因为对比较简单的指令，将有很多节拍是不用的，处于因为对比较简单的指令，将有很多节拍是不用的，处于等待。所以，在实际应用中都不采用这种典型的同步控等待。所以，在实际应用中都不采用这种典型的同步控制方式，而是采用某些折衷的方案。制方式，而是采用某些折衷的方案。2022-7-2830(1)(1)采用中央控制与局部控制相结合的方法采用中央控制与局部控制相结合的方法n中央控制中央控制：统一节拍的控制：统一节拍的控制 根据大多数指令的微操作序列的情况，设置一个统一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，使之大多数指令均能在统一的节拍内完成。的节拍数，使之大多数指令
31、均能在统一的节拍内完成。n局部控制局部控制：在延长节拍内的控制：在延长节拍内的控制 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。回中央控制。2022-7-2831 例：设某计算机的指令通常用例：设某计算机的指令通常用8 8个节拍完成，即有个节拍完成，即有8 8个中个中央节拍央节拍 W W0 0W W7 7，当某指令在，当某指令在8 8个节拍中不能完成时，就个节拍中不能完成时，就插入若干局部节拍插入若干局部节拍 W W6 6*，经过若干局
32、部节拍，经过若干局部节拍 W W6 6*后，再后，再返回中央节拍返回中央节拍 W W7 7。2022-7-2832(2)(2)采用不同的机器周期和延长节拍的方法采用不同的机器周期和延长节拍的方法n把一条指令执行过程划分为若干机器周期，如取指、取把一条指令执行过程划分为若干机器周期，如取指、取数、执行等周期。根据所执行指令的不同需要，选取不数、执行等周期。根据所执行指令的不同需要，选取不同的机器周期数。在节拍安排上，每个周期划分为固定同的机器周期数。在节拍安排上，每个周期划分为固定的节拍，每个节拍都可根据需要延长一个节拍。的节拍，每个节拍都可根据需要延长一个节拍。n这种方法可以解决执行不同的指令
33、所需时间不统一问题。这种方法可以解决执行不同的指令所需时间不统一问题。n在在Intel 8088 Intel 8088 的指令执行过程中有读写周期、内部周的指令执行过程中有读写周期、内部周期等，其中读写周期为期等，其中读写周期为4 4个节拍，但可以延长若干个节个节拍，但可以延长若干个节拍。拍。2022-7-2833(3)(3)采用分散节拍的方法采用分散节拍的方法 分散节拍：运行不同指令时，需要多少节拍，时序部件分散节拍：运行不同指令时，需要多少节拍，时序部件就发生多少节拍。就发生多少节拍。n这种方法可完全避免节拍轮空，是提高指令运行速度的这种方法可完全避免节拍轮空，是提高指令运行速度的有效方法
34、，但这种方法使时序部件复杂化。同时还不能有效方法，但这种方法使时序部件复杂化。同时还不能解决节拍内那些简单的微操作因等待所浪费的时间。解决节拍内那些简单的微操作因等待所浪费的时间。2022-7-2834 2 2异步控制方式异步控制方式 异步控制方式：没有统一的同步信号，采用问答方式进异步控制方式：没有统一的同步信号，采用问答方式进行时序协调，将前一操作的回答信号作为下一操作的启行时序协调，将前一操作的回答信号作为下一操作的启动信号。动信号。n异步控制方式异步控制方式不仅要区分不同指令对应的微操作序列的不仅要区分不同指令对应的微操作序列的长短，而且要区分其中每个微操作的繁简，每条指令、长短，而且
35、要区分其中每个微操作的繁简，每条指令、每个微操作需要多少时间就占用多少时间。每个微操作需要多少时间就占用多少时间。n这种方式不再有统这种方式不再有统的周期、节拍，各个操作之间采用的周期、节拍，各个操作之间采用应答方式衔接，前一操作完成后给出回答信号，启动下应答方式衔接，前一操作完成后给出回答信号，启动下一个操作。一个操作。2022-7-28353 3联合控制方式联合控制方式 联合控制方式：联合控制方式：将同步控制和异步控制相结合。将同步控制和异步控制相结合。n联合控制方式联合控制方式通常的设计思想：在功能部件内部采用同通常的设计思想：在功能部件内部采用同步方式或以同步方式为主的控制方式；在功能
36、部件之间步方式或以同步方式为主的控制方式；在功能部件之间采用异步方式。采用异步方式。n例如，对可以统一的微操作采用同步控制，对难以统一例如，对可以统一的微操作采用同步控制，对难以统一的微操作采用异步控制。的微操作采用异步控制。n实际上现代计算机中几乎没有完全采用同步或完全采用实际上现代计算机中几乎没有完全采用同步或完全采用异步的控制方式，大多数都采用联合控制方式。异步的控制方式，大多数都采用联合控制方式。2022-7-28366.2.2 6.2.2 时序系统时序系统 时序系统是控制器的心脏，由它为指令的执行提供各种定时信号。时序系统是控制器的心脏，由它为指令的执行提供各种定时信号。通常，设计时
37、序系统主要是针对同步控制方式的。通常，设计时序系统主要是针对同步控制方式的。1 1指令周期与机器周期指令周期与机器周期 指令周期指令周期：从取指令、分析指令到执行完一条指令所需的全部时：从取指令、分析指令到执行完一条指令所需的全部时间。间。由于各种指令的操作功能不同，繁简程度不同，因此各种指令的由于各种指令的操作功能不同，繁简程度不同，因此各种指令的指令周期也不尽相同。指令周期也不尽相同。n机器周期（机器周期（CPUCPU周期）：周期）：指令周期中的某一工作阶段所需的时间。指令周期中的某一工作阶段所需的时间。在指令执行过程中，各机器周期相对独立。在指令执行过程中，各机器周期相对独立。一条指令的
38、指令周期由若干个机器周期所组成，每个机器周期完一条指令的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。所以机器周期也称为基本周期。成一个基本操作。所以机器周期也称为基本周期。2022-7-2837n一般机器的一般机器的CPUCPU周期有取指周期、取数周期、执行周期，周期有取指周期、取数周期、执行周期，中断周期等。中断周期等。n每个机器周期设置一个周期状态触发器与之对应，机每个机器周期设置一个周期状态触发器与之对应，机器运行于哪个周期，与其对应的周期状态触发器被置器运行于哪个周期，与其对应的周期状态触发器被置为为“1”“1”。显然，机器运行的任何时刻都只能建立一个。显然，机器运行
39、的任何时刻都只能建立一个周期状态，因此同一时刻只能有一个周期状态触发器周期状态，因此同一时刻只能有一个周期状态触发器被置为被置为“1”“1”。n不同工作周期所占的时间可以不等。由于不同工作周期所占的时间可以不等。由于CPUCPU内部操作内部操作速度快，而速度快，而CPUCPU访存所花时间较长，所以许多计算机系访存所花时间较长，所以许多计算机系统往往以主存周期为基础来规定统往往以主存周期为基础来规定CPUCPU周期，以便二者工周期，以便二者工作协调配合。作协调配合。2022-7-2838 节拍节拍：把一个机器周期等分成若干个时间区间，每一时：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
40、个间区间称为一个节拍节拍。一个节拍对应一个电位信号，控。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。制一个或几个微操作的执行。n在一个机器周期内，要完成若干个微操作，这些微操作在一个机器周期内，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。因不但需要占用一定的时间，而且有一定的先后次序。因此，在同步控制方式中，基本的控制方法就是把一个机此，在同步控制方式中，基本的控制方法就是把一个机器周期等分成若干个节拍，每一个节拍完成一步基本操器周期等分成若干个节拍，每一个节拍完成一步基本操作，如一次传送、一次加减运算等。作，如一次传送、一次加减运算等。n一个节拍电位
41、信号的宽度取决于一个节拍电位信号的宽度取决于CPUCPU完成一个基本操作完成一个基本操作的时间。的时间。2 2节拍节拍2022-7-2839n 节拍提供了一项基本操作所需的时间分段，但有的操节拍提供了一项基本操作所需的时间分段，但有的操作作(如打入寄存器如打入寄存器)，还需严格的定时脉冲，以确定在哪，还需严格的定时脉冲，以确定在哪一时刻打入。节拍的切换，也需要严格的同步定时。一时刻打入。节拍的切换，也需要严格的同步定时。所所以在一个节拍内，有时还需要设置一个或几个工作脉冲，以在一个节拍内，有时还需要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。用于寄存器的复位和接收数据等。脉冲脉冲：一
42、个节拍内设置的一个或几个工作脉冲。：一个节拍内设置的一个或几个工作脉冲。3.3.脉冲（定时脉冲）脉冲（定时脉冲）2022-7-2840n常见的设计是在每个节拍的末尾发一次工作脉冲，脉冲常见的设计是在每个节拍的末尾发一次工作脉冲，脉冲前沿可用来打入运算结果（或传送），脉冲后沿则实现前沿可用来打入运算结果（或传送），脉冲后沿则实现周期的切换。周期的切换。n也有的计算机，在一个节拍中先后发出几个工作脉冲，也有的计算机，在一个节拍中先后发出几个工作脉冲，有的脉冲位于节拍前端，可用作清除脉冲；有的脉冲位有的脉冲位于节拍前端，可用作清除脉冲；有的脉冲位于中部，用作控制外围设备的输入于中部，用作控制外围设备
43、的输入/输出脉冲；有的脉输出脉冲；有的脉冲位于尾部，前沿用作冲位于尾部，前沿用作CPUCPU内部的打入，后沿实现周期内部的打入，后沿实现周期切换。切换。2022-7-2841n周期、节拍、脉冲构成了三级时序系统，它们之间关系周期、节拍、脉冲构成了三级时序系统，它们之间关系如下图所示。图中包括两个机器周期如下图所示。图中包括两个机器周期M M1 1、M M2 2，每个周期，每个周期包含四个节拍包含四个节拍W W0 0W W3 3，每个节拍内有一个脉冲，每个节拍内有一个脉冲P P。2022-7-2842n微型机中常用的时序系统与上述三级时序系统有所不同，称之为微型机中常用的时序系统与上述三级时序系
44、统有所不同，称之为时钟周期时序系统。下图所示的是一典型指令的基本时序，一个时钟周期时序系统。下图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写周期，三个周期中分别包含4 4个、个、3 3个、个、3 3个时钟周期。个时钟周期。2022-7-28436.3 CPU6.3 CPU的总体结构的总体结构 CPU CPU即中央处理器，它包含运算器和控制器两个部分。即中央处理器，它包含运算器和控制器两个部分。其功能为：其功能为：程序控制程序控制：标准程序按所要求的次序正确执行。：标
45、准程序按所要求的次序正确执行。操作控制操作控制：管理何产生每条指令所需的操作信号，：管理何产生每条指令所需的操作信号，送往有关部件，控制完成指令规定的操作。送往有关部件，控制完成指令规定的操作。时序控制时序控制：对各种操作实施时间上的定时，使计算：对各种操作实施时间上的定时，使计算机有条不紊地工作。机有条不紊地工作。数据加工数据加工：对数据进行算逻运算处理。：对数据进行算逻运算处理。2022-7-2844 6.3.1 6.3.1 寄存器的设置寄存器的设置不同计算机的不同计算机的CPUCPU结构存在差别，但在结构存在差别，但在CPUCPU中一般都设置下列寄存器：中一般都设置下列寄存器：(1)(1
46、)指令寄存器指令寄存器 IRIR(2)(2)程序计数器程序计数器 PCPC(3)(3)累加寄存器累加寄存器 ACAC(4)(4)程序状态寄存器程序状态寄存器 PSRPSR(5)(5)地址寄存器地址寄存器 MAR MAR(6)(6)数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器 MDRMDR(或或MBR)MBR)其中、是用户可用的，、是用户不可用的。其中、是用户可用的，、是用户不可用的。CPUCPU中还常设置一些程序不能直接访问，用于暂存操作数据或中间中还常设置一些程序不能直接访问，用于暂存操作数据或中间结果的寄存器，称为暂存器。结果的寄存器，称为暂存器。2022-7-2845 通用寄存器通用寄存器：一组程序可访
47、问的、具有多种功能的寄：一组程序可访问的、具有多种功能的寄存器。存器。n在指令系统中，为通用寄存器分配了编号（寄存器地在指令系统中，为通用寄存器分配了编号（寄存器地址），可以编程指定使用其中的某个寄存器。址），可以编程指定使用其中的某个寄存器。n通用寄存器自身的逻辑往往很简单并且比较统一，甚通用寄存器自身的逻辑往往很简单并且比较统一，甚至是快速的小规模存储器的一些单元，但通过编程与至是快速的小规模存储器的一些单元，但通过编程与运算器配合，可指定其实现多种功能，如提供操作数、运算器配合，可指定其实现多种功能，如提供操作数、保存中间结果（即作累加器用），或用作地址指针、保存中间结果（即作累加器用）
48、，或用作地址指针、基址寄存器、变址寄存器、计数器等。基址寄存器、变址寄存器、计数器等。2022-7-28466.3.2 6.3.2 数据通路结构及指令流程分析数据通路结构及指令流程分析n数据通路：信息传送的基本路径。数据通路：信息传送的基本路径。CPU CPU内部的数据通路通常是指运算器与寄存器之内部的数据通路通常是指运算器与寄存器之间的信息传输通道。（总线）间的信息传输通道。（总线）n数据通路结构直接影响着数据通路结构直接影响着CPUCPU内各种信息的传送内各种信息的传送路径。数据通路不同，指令执行过程的微操作序路径。数据通路不同，指令执行过程的微操作序列的安排也不同，它将直接影响到微操作信
49、号形列的安排也不同，它将直接影响到微操作信号形成部件的设计。成部件的设计。2022-7-2847 1 1总线结构总线结构 单总线结构单总线结构 CPUCPU内部采用单总线内部采用单总线IBUSIBUS将寄存器和算术逻辑运算部件将寄存器和算术逻辑运算部件连接起来。连接起来。CPUCPU、主存、主存、I/OI/O设备也通过一组单总线（系设备也通过一组单总线（系统总线）连接起来。统总线）连接起来。在单总线结构中，在单总线结构中，CPUCPU内部的任何两个部件间的数据传内部的任何两个部件间的数据传送都必须经过单总线送都必须经过单总线IBUSIBUS，因此单总线结构的控制比较，因此单总线结构的控制比较简
50、单，但传送速度受到限制。在一些微、小型机中常采简单，但传送速度受到限制。在一些微、小型机中常采用这种结构。用这种结构。2022-7-2848单总线结构的单总线结构的CPUCPU2022-7-2849 双总线结构双总线结构nCPUCPU内部采用两条总线（内部采用两条总线（B B总线和总线和F F总线），将寄存器和总线），将寄存器和算术逻辑运算部件连接起来。各寄存器可通过控制门，算术逻辑运算部件连接起来。各寄存器可通过控制门，建立寄存器与总线之间的联系。建立寄存器与总线之间的联系。CPUCPU通过地址总线通过地址总线ABUSABUS和数据总线和数据总线DBUSDBUS与主存、与主存、I/OI/O设
