1、计算机组原理第五章第五章 中央处理器中央处理器5.1 CPUCPU的组成和功能的组成和功能一、CPU的功能的功能 当用计算机解决某个问题时，我们首先必须为它当用计算机解决某个问题时，我们首先必须为它编写程序。程序是一个指令序列，这个序列明确告诉编写程序。程序是一个指令序列，这个序列明确告诉计算机应该执行什么操作，在什么地方找到用来操作计算机应该执行什么操作，在什么地方找到用来操作的数据。一旦把程序装入内存储器，就可以由计算机的数据。一旦把程序装入内存储器，就可以由计算机来自动完成取出指令和执行指令的任务。专门用来完来自动完成取出指令和执行指令的任务。专门用来完成此项工作的计算机部件称为成此项工
2、作的计算机部件称为中央处理器中央处理器，通常简称，通常简称CPUCPU。CPUCPU对整个计算机系统的运行是极其重要的，它对整个计算机系统的运行是极其重要的，它具有如下四方面的基本功能：具有如下四方面的基本功能：2023年5月23日星期二5.1 CPUCPU的组成和功能的组成和功能1.1.指令控制指令控制 程序的顺序控制称为指令控制。程序的顺序控制称为指令控制。由于程序是一由于程序是一个指令序列，这些指令的相互顺序不能任意颠倒，个指令序列，这些指令的相互顺序不能任意颠倒，必须严格按程序规定的顺序进行。（首要任务）必须严格按程序规定的顺序进行。（首要任务）2.2.操作控制操作控制 一条指令由若干
3、操作信号的组合实现。一条指令由若干操作信号的组合实现。CPUCPU产产生并管理这些信号。把各种操作信号送往相应的生并管理这些信号。把各种操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。2023年5月23日星期二5.1 CPUCPU的组成和功能的组成和功能3.3.时间控制时间控制 对各种操作实施时间上的定时称为时间控制。对各种操作实施时间上的定时称为时间控制。在计算机中，各种指令的操作信号以及一条指令在计算机中，各种指令的操作信号以及一条指令的整个执行过程都受到时间的严格定时。此外指的整个执行过程都受到时间的严格定时。此外指令的执行过程需
4、要时间控制。令的执行过程需要时间控制。4.4.数据加工数据加工 （根本任务）（根本任务）数据加工就是对数据进行算术运算和逻辑运算数据加工就是对数据进行算术运算和逻辑运算处理。处理。2023年5月23日星期二5.1 CPUCPU的组成和功能的组成和功能二、二、CPUCPU的基本组成的基本组成2023年5月23日星期二5.1 CPUCPU的组成和功能的组成和功能1.1.运算器运算器由由算术逻辑单元算术逻辑单元(ALU)ALU)、累加寄存器、数据缓冲寄累加寄存器、数据缓冲寄存器和状态条件寄存器组成，它是数据加工处理部件。存器和状态条件寄存器组成，它是数据加工处理部件。相对控制器而言，运算器接受控制器
5、的命令而进行动相对控制器而言，运算器接受控制器的命令而进行动作作 ，即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的，即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，所以它是执行部件控制信号来指挥的，所以它是执行部件。2023年5月23日星期二5.1 CPUCPU的组成和功能的组成和功能 运算器有两个主要功能：运算器有两个主要功能：(1)(1)执行所有的算术运算；执行所有的算术运算；(2)(2)执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试，如零值执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试，如零值测试或两个值的比较。测试或两个值的比较。2023年5月23日星期二5.1 CPUCPU的组成和功能的组成和功能2
6、.2.控制器控制器 由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的生器和操作控制器组成，它是发布命令的“决策机构决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。2023年5月23日星期二5.1 CPUCPU的组成和功能的组成和功能控制器的主要功能有控制器的主要功能有（1 1）从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内）从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置；存中的位置；（2 2）对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制）对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制
7、信号，以便启动规定的动作；信号，以便启动规定的动作；（3 3）指挥并控制）指挥并控制CPUCPU、内存和输入内存和输入/输出设备之间数据输出设备之间数据流动的方向。流动的方向。2023年5月23日星期二5.1 CPUCPU的组成和功能的组成和功能3.cache3.cache 存储指令和数据。存储指令和数据。2023年5月23日星期二5.1 CPUCPU的组成和功能的组成和功能CPU模模型型5.1 CPUCPU的组成和功能的组成和功能2023年5月23日星期二模型机各部件功能：模型机各部件功能：寄存器的功能：暂存指令和数据寄存器的功能：暂存指令和数据数据缓冲寄存器（数据缓冲寄存器（DRDR）：）
8、：存运算结果及内部缓冲；存运算结果及内部缓冲；缓冲缓冲CPUCPU与外部（主存与外设）数据传送。与外部（主存与外设）数据传送。指令寄存器（指令寄存器（IRIR）：存储当前正在执行的）：存储当前正在执行的指令字指令字。指令译码器：指令译码器：分析测试分析测试指令指令操作码操作码的功能。的功能。程序计数器（程序计数器（PCPC）：存储下一条要）：存储下一条要执行指令的地址执行指令的地址。地址寄存器（地址寄存器（ARAR）：存储当前访问）：存储当前访问数据的地址数据的地址。通用寄存器（通用寄存器（R0R3R0R3）：存储参与运算及运算结果的）：存储参与运算及运算结果的数据数据状态字寄存器（状态字寄存
9、器（PSWPSW）：存储运算状态。）：存储运算状态。5.1 CPUCPU的组成和功能的组成和功能2023年5月23日星期二 操作控制器：根据指令操作码和时序信号，产生操作控制器：根据指令操作码和时序信号，产生各种各种控制信号控制信号，在各寄存器之间建立数据通路。，在各寄存器之间建立数据通路。微程序控制器微程序控制器硬布线控制器硬布线控制器 时序产生器：产生定时信号，对各种操作信号实时序产生器：产生定时信号，对各种操作信号实施时间上的控制。施时间上的控制。5.1 CPUCPU的组成和功能的组成和功能2023年5月23日星期二三、三、CPU CPU中的主要寄存器中的主要寄存器 在在CPUCPU中至
10、少要有六类寄存器。中至少要有六类寄存器。这些寄存器用这些寄存器用来暂存一个计算机字。根据需要，可以扩充其数来暂存一个计算机字。根据需要，可以扩充其数目。目。CPUCPU的逻辑结构示意图的逻辑结构示意图5.1 CPUCPU的组成和功能的组成和功能2023年5月23日星期二三三、CPU CPU中的主要中的主要寄存器寄存器 在在CPUCPU中至少要有六类寄存器。中至少要有六类寄存器。这些寄存器用这些寄存器用来暂存一个计算机字。根据需要，可以扩充其数目来暂存一个计算机字。根据需要，可以扩充其数目。1.1.DRDR(数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器)数据数据缓冲寄存器用来暂时存放由内存储器读出缓冲寄存器用来
11、暂时存放由内存储器读出的一条指令或一个数据字；反之，当向内存存入一的一条指令或一个数据字；反之，当向内存存入一条指令或一个数据字时，也暂时将它们存放在数据条指令或一个数据字时，也暂时将它们存放在数据缓冲寄存器中。缓冲寄存器中。5.1 CPUCPU的组成和功能的组成和功能2023年5月23日星期二 缓冲寄存器的作用是缓冲寄存器的作用是 ：(1)(1)作为作为CPUCPU和内存、外部设备之间信息传送的中转站；和内存、外部设备之间信息传送的中转站；(2)(2)补偿补偿CPUCPU和内存、外围设备之间在操作速度上的差别；和内存、外围设备之间在操作速度上的差别；(3)(3)在单累加器结构的运算器中，数据
12、缓冲寄存器还可在单累加器结构的运算器中，数据缓冲寄存器还可兼作为操作数寄存器。兼作为操作数寄存器。5.1 CPUCPU的组成和功能的组成和功能2023年5月23日星期二 2.IR2.IR(指令寄存器指令寄存器)IR IR 用来保存当前正在执行的一条指令。当执行用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存取到一条指令时，先把它从内存取到DRDR中，然后再传送中，然后再传送至至IRIR。指令划分为操作码和地址码字段，由二进制指令划分为操作码和地址码字段，由二进制数字组成。为了执行任何给定的指令，必须对操作数字组成。为了执行任何给定的指令，必须对操作码进行测试，以便识别所要求的操作
13、。码进行测试，以便识别所要求的操作。指令译码器指令译码器就是做这项工作的。指令寄存器中操作码字段的输就是做这项工作的。指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。操作码一经译码后，即出就是指令译码器的输入。操作码一经译码后，即可向操作控制器发出具体操作的特定信号。可向操作控制器发出具体操作的特定信号。5.1 CPUCPU的组成和功能的组成和功能2023年5月23日星期二3.PC3.PC（程序计数器（程序计数器）为了保证程序能够连续地执行下去，为了保证程序能够连续地执行下去，CPUCPU必须具有某必须具有某些手段来确定下一条指令的地址。而程序计数器正是起些手段来确定下一条指令的地址。而程序
14、计数器正是起到这种作用，所以通常又称为到这种作用，所以通常又称为指令计数器指令计数器。在程序开始。在程序开始执行前，必须将它的起始地址，即程序的一条指令所在执行前，必须将它的起始地址，即程序的一条指令所在的内存单元地址送入的内存单元地址送入PCPC，因此因此PCPC的内容即是从内存提取的内容即是从内存提取的第一条指令的地址。当执行指令时，的第一条指令的地址。当执行指令时，CPUCPU将自动修改将自动修改PCPC的内容，以便使其保持的总是将要执行的下一条指令的内容，以便使其保持的总是将要执行的下一条指令的地址。的地址。5.1 CPUCPU的组成和功能的组成和功能2023年5月23日星期二 由于大
15、多数指令都是按顺序来执行的，所以修改的由于大多数指令都是按顺序来执行的，所以修改的过程通常只是简单的对过程通常只是简单的对PCPC加加1 1。但是，当遇到转移指令如但是，当遇到转移指令如JMPJMP指令时，那么后继指指令时，那么后继指令的地址（即令的地址（即PCPC的内容的内容)必须从指令的地址段取得。在必须从指令的地址段取得。在这种情况下，下一条从内存取出的指令将由转移指令来这种情况下，下一条从内存取出的指令将由转移指令来规定，而不是像通常一样按顺序来取得。规定，而不是像通常一样按顺序来取得。因此程序计数因此程序计数器的结构应当是具有寄存信息和计数两种功能的结构。器的结构应当是具有寄存信息和
16、计数两种功能的结构。5.1 CPUCPU的组成和功能的组成和功能2023年5月23日星期二 4.AR 4.AR（地址寄存器（地址寄存器）地址寄存器用来保存当前地址寄存器用来保存当前CPUCPU所访问的内存单元的地址。所访问的内存单元的地址。由于在内存和由于在内存和CPUCPU之间存在着操作速度上的差别，所以必须之间存在着操作速度上的差别，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到内存的读使用地址寄存器来保持地址信息，直到内存的读/写操作完写操作完成为止成为止 。当。当CPUCPU和内存进行信息交换，即和内存进行信息交换，即CPUCPU向内存存向内存存/取数取数据时，或者据时，或者CPUCPU从
17、内存中读出指令时，都要使用地址寄存器从内存中读出指令时，都要使用地址寄存器和数据缓冲寄存器。同样，如果我们把外围设备的设备地址和数据缓冲寄存器。同样，如果我们把外围设备的设备地址作为像内存的地址单元那样来看待，那么，当作为像内存的地址单元那样来看待，那么，当CPUCPU和外围设和外围设备交换信息时，我们同样使用地址寄存器和数据缓冲寄存器。备交换信息时，我们同样使用地址寄存器和数据缓冲寄存器。5.1 CPUCPU的组成和功能的组成和功能2023年5月23日星期二 地址寄存器的结构和数据缓冲寄存器、指令寄存器一地址寄存器的结构和数据缓冲寄存器、指令寄存器一样，通常使用单纯的寄存器结构。信息的存入一
18、般采用电样，通常使用单纯的寄存器结构。信息的存入一般采用电位位-脉冲方式，即电位输入端对应数据信息位，脉冲输入脉冲方式，即电位输入端对应数据信息位，脉冲输入端对应控制信号，在控制信号作用下，瞬时地将信息打入端对应控制信号，在控制信号作用下，瞬时地将信息打入寄存器。寄存器。5.1 CPUCPU的组成和功能的组成和功能2023年5月23日星期二6.6.PSWPSW（状态条件寄存器（状态条件寄存器）状态条件寄存器保存由算术指令和逻辑指令运行或测状态条件寄存器保存由算术指令和逻辑指令运行或测试的结果建立的各种条件码内容，如运算结果进位标志试的结果建立的各种条件码内容，如运算结果进位标志(C)C)，运算
19、结果溢出标志（运算结果溢出标志（V)V)，运算结果为零标志运算结果为零标志(Z)Z)，运算结果运算结果为负标志为负标志(N)N)等等。这些标志位通常分别由等等。这些标志位通常分别由 1 1位触发器保存。位触发器保存。除此之外，状态条件寄存器还保存中断和系统工作状除此之外，状态条件寄存器还保存中断和系统工作状态等信息，以便使态等信息，以便使CPUCPU和系统能及时了解机器运行状态和程和系统能及时了解机器运行状态和程序运行状态。因此，状态条件寄存器是一个由各种状态条序运行状态。因此，状态条件寄存器是一个由各种状态条件标志拼凑而成的寄存器。件标志拼凑而成的寄存器。5.1 CPUCPU的组成和功能的组
20、成和功能2023年5月23日星期二四、四、操作控制器与时序产生器操作控制器与时序产生器1 1、数据通路、数据通路:是许多寄存器之间传送信息的通路。是许多寄存器之间传送信息的通路。信息从什么地方开始，中间经过哪个寄存器或信息从什么地方开始，中间经过哪个寄存器或多路开关，最后传送到哪个寄存器，都要加以控多路开关，最后传送到哪个寄存器，都要加以控制。在各寄存器之间建立数据通路的任务，是由制。在各寄存器之间建立数据通路的任务，是由称为称为操作控制器操作控制器的部件来完成的。的部件来完成的。2 2、时序产生器时序产生器:操作控制器产生的控制信号必须定操作控制器产生的控制信号必须定时。其作用就是对各种操作
21、实施时间上的控制。时。其作用就是对各种操作实施时间上的控制。5.1 CPUCPU的组成和功能的组成和功能2023年5月23日星期二3 3、操作控制器的功能：操作控制器的功能：就是根据指令操作码和时序就是根据指令操作码和时序信号，产生各种操作控制信号，以便正确地建立信号，产生各种操作控制信号，以便正确地建立数据通路，从而完成取指令和执行指令的控制。数据通路，从而完成取指令和执行指令的控制。根据设计方法不同，操作控制器可分为根据设计方法不同，操作控制器可分为时序时序逻辑型、存储逻辑型、时序逻辑与存储逻辑结合逻辑型、存储逻辑型、时序逻辑与存储逻辑结合型型三种。三种。a.a.硬布线控制器：硬布线控制器
22、：是采用时序逻辑技术来实现的；是采用时序逻辑技术来实现的；b.b.微程序控制器：微程序控制器：是采用存储逻辑来实现的；是采用存储逻辑来实现的；c.c.前两种方式的组合前两种方式的组合 5.2 指令周期指令周期2023年5月23日星期二一、指令周期的基本概念指令周期的基本概念 计算机所以能自动地工作，是因为计算机所以能自动地工作，是因为CPUCPU能从存放能从存放程序的内存里取出一条指令并执行这条指令；紧接着程序的内存里取出一条指令并执行这条指令；紧接着又是取指令，执行指令又是取指令，执行指令，如此周而复始，构成了，如此周而复始，构成了一个封闭的循环。除非遇到停机指令，否则这个循环一个封闭的循环
23、。除非遇到停机指令，否则这个循环将一直继续下去。将一直继续下去。取指令、执行指令周期序列示意图取指令、执行指令周期序列示意图5.2 指令周期指令周期2023年5月23日星期二 1 1、指令周期、指令周期:CPUCPU从内存取出一条指令并执行这从内存取出一条指令并执行这条指令的时间总和。条指令的时间总和。2 2、CPUCPU周期周期:又称机器周期，又称机器周期，CPUCPU访问一次内访问一次内存所花的时间较长，因此用从内存读取一条指令存所花的时间较长，因此用从内存读取一条指令字的最短时间来定义。字的最短时间来定义。3 3、时钟周期、时钟周期:通常称为节拍脉冲或通常称为节拍脉冲或T T周期。一个周
24、期。一个CPUCPU周期包含若干个时钟周期。周期包含若干个时钟周期。指令周期示意图指令周期示意图5.2 指令周期指令周期2023年5月23日星期二5.2 指令周期指令周期2023年5月23日星期二5.2 指令周期指令周期2023年5月23日星期二二、二、MOVMOV指令周期（指令周期（2 2个个CPUCPU周期）周期）MOVMOV指令周期示意图指令周期示意图三、三、LDALDA指令周期（指令周期（3 3个个CPUCPU周期）周期）LDALDA指令周期示意图指令周期示意图四、四、ADDADD指令周期（指令周期（2 2个个CPUCPU周期）周期）ADDADD指令结构示意图指令结构示意图五、五、ST
25、OSTO指令周期（指令周期（3 3个个CPUCPU周期）周期）STOSTO指令结构示意图指令结构示意图5.2 指令周期指令周期2023年5月23日星期二六、六、JMPJMP指令周期（指令周期（2 2个个CPUCPU周期）周期）JMPJMP指令周期示意图指令周期示意图七、五条基本指令的执行过程七、五条基本指令的执行过程五条基本指令的指令过程示意图五条基本指令的指令过程示意图八、用方框图语言表示的指令周期八、用方框图语言表示的指令周期方框图语言表示的指令周期示意图方框图语言表示的指令周期示意图方框图语言表示的指令周期执行过程方框图语言表示的指令周期执行过程5.2 指令周期指令周期2023年5月23
26、日星期二【例【例1 1】教材图】教材图5.155.15所示为双总线结构机器的数据通路，所示为双总线结构机器的数据通路，IRIR为指令寄存器，为指令寄存器，PCPC为程序计数器为程序计数器(具有自增功能具有自增功能)，M M为主存为主存(受受R/WR/W信号控制信号控制)，ARAR为地址寄存器，为地址寄存器，DRDR为数据为数据缓冲寄存器，缓冲寄存器，ALUALU由加、减控制信号决定完成何种操作，由加、减控制信号决定完成何种操作，控制信号控制信号G G控制的是一个门电路。另外，线上标注有小控制的是一个门电路。另外，线上标注有小圈表示有控制信号，例中圈表示有控制信号，例中yiyi表示表示y y寄存
27、器的输入控制信寄存器的输入控制信号，号，R1oR1o为寄存器为寄存器R1R1的输出控制信号，未标字符的线为的输出控制信号，未标字符的线为直通线，不受控制。直通线，不受控制。5.2 指令周期指令周期2023年5月23日星期二 (1)“1)“ADD R2ADD R2，R0”R0”指令完成指令完成(R0)+(R2)R0R0)+(R2)R0的功能操的功能操作，画出其指令周期流程图，假设该指令的地址已放作，画出其指令周期流程图，假设该指令的地址已放入入PCPC中。并列出相应的微操作控制信号序列。中。并列出相应的微操作控制信号序列。(2)“(2)“SUB R1SUB R1，R3”R3”指令完成指令完成(R
28、3)-(R1)R3R3)-(R1)R3的操作，的操作，画出其指令期流程图，并列出相应的微操作控制信号画出其指令期流程图，并列出相应的微操作控制信号序列序列。双总线结构机器的数据通路示意图双总线结构机器的数据通路示意图5.2 指令周期指令周期2023年5月23日星期二(1)“(1)“ADD R2ADD R2，R0”R0”指令是一条加法指令，参与运算的两个指令是一条加法指令，参与运算的两个数放在寄存器数放在寄存器R2R2和和R0R0中，指令周期流程图包括取指令阶段和中，指令周期流程图包括取指令阶段和执行指令阶段两部分执行指令阶段两部分(为简单起见为简单起见 ，省去了，省去了“”“”号左边各号左边各
29、寄存器代码上应加的括号寄存器代码上应加的括号)。根据给定的数据通路图，。根据给定的数据通路图，“ADD ADD R2R2，R0”R0”指令的详细指令周期流程图如图指令的详细指令周期流程图如图(a)a)所示，图的右所示，图的右边部分标注了每一个机器周期中用到的微操作控制信号序列。边部分标注了每一个机器周期中用到的微操作控制信号序列。(2)“(2)“SUB R2SUB R2，R3”R3”指令是一条减法指令，其指令周期流程指令是一条减法指令，其指令周期流程图如图（图如图（b)b)所示。与所示。与ADDADD指令不同的是：在执行指令阶段，指令不同的是：在执行指令阶段，微操作控制信号序列有所不同微操作控
30、制信号序列有所不同。加法和减法指令周期图加法和减法指令周期图5.3 时序产生器和控制器时序产生器和控制器2023年5月23日星期二一一、时序信号的作用和时序信号的作用和体制体制l 时序信号时序信号 CPUCPU中一个类似中一个类似“作息时间作息时间”的东西，使计算机的东西，使计算机可以准确、迅速、有条不紊地工作。机器一旦被启动，可以准确、迅速、有条不紊地工作。机器一旦被启动，即即CPUCPU开始取指令并执行指令时，操作控制器就利用开始取指令并执行指令时，操作控制器就利用定时脉冲的顺序和不同的脉冲间隔，有条理、有节奏定时脉冲的顺序和不同的脉冲间隔，有条理、有节奏地指挥机器的动作，规定在这个脉冲到
31、来时做什么，地指挥机器的动作，规定在这个脉冲到来时做什么，在那个脉冲到来时又做什么，给计算机各部分提供工在那个脉冲到来时又做什么，给计算机各部分提供工作所需的时间标志。为此，作所需的时间标志。为此，需要采用多级时序体制。需要采用多级时序体制。5.3 时序产生器和控制器时序产生器和控制器2023年5月23日星期二1 1、作用、作用 计算机所以能够准确、迅速、有条不紊地工作，计算机所以能够准确、迅速、有条不紊地工作，正是因为在正是因为在CPUCPU中有一个时序信号产生器中有一个时序信号产生器.（1 1）用二进制码表示的指令和数据都放在内存里，）用二进制码表示的指令和数据都放在内存里，那么那么CPU
32、CPU是怎样识别出它们是数据还是指令呢？是怎样识别出它们是数据还是指令呢？（2 2）从时间上来说，取指令事件发生在指令周期的）从时间上来说，取指令事件发生在指令周期的第一个第一个CPUCPU周期中，即发生在周期中，即发生在“取指令取指令”阶段，而取阶段，而取数据事件发生在数据事件发生在“执行指令执行指令”阶段。阶段。5.3 时序产生器和控制器时序产生器和控制器2023年5月23日星期二（3 3）在一个）在一个CPUCPU周期中，又把时间为分若干个小段，周期中，又把时间为分若干个小段，以便规定在这一小段时间中以便规定在这一小段时间中CPUCPU干什么，在那一小段干什么，在那一小段时间中时间中CP
33、UCPU又干什么，这种时间约束对又干什么，这种时间约束对CPUCPU来说是非常来说是非常必要的，否则就可能造成丢失信息或导致错误的结果。必要的，否则就可能造成丢失信息或导致错误的结果。（4 4）时间进度既不能来得太早，也不能来得太晚。）时间进度既不能来得太早，也不能来得太晚。5.3 时序产生器和控制器时序产生器和控制器2023年5月23日星期二2 2、体制、体制 组成计算机硬件的器件特性决定了时序信号的基本体组成计算机硬件的器件特性决定了时序信号的基本体制是制是电位电位脉冲制脉冲制硬布线控制器：硬布线控制器：采用主状态周期采用主状态周期节拍电位节拍电位节拍节拍脉冲三级体制脉冲三级体制 (时序信
34、号产生电路时序信号产生电路复杂复杂)微程序控制器：微程序控制器：节拍电位节拍电位节拍脉冲二级体制节拍脉冲二级体制 利用微程序顺序执行来实现微操作利用微程序顺序执行来实现微操作 时序信号产生电路时序信号产生电路简单简单5.3 时序产生器和控制器时序产生器和控制器2023年5月23日星期二二、二、时序时序信号产生器信号产生器1 1、功能功能 产生时序信号产生时序信号 各型计算机产生时序电路不相同各型计算机产生时序电路不相同 大、中型计算机的时序电路复杂，微型计算机的大、中型计算机的时序电路复杂，微型计算机的时序电路时序电路简单简单 5.3 时序产生器和控制器时序产生器和控制器2023年5月23日星
35、期二2 2、构成、构成（1 1）时钟源）时钟源 （2 2）环形脉冲发生器）环形脉冲发生器 （3 3）节拍脉冲和读写时序译码逻辑）节拍脉冲和读写时序译码逻辑 （4 4）启停控制逻辑）启停控制逻辑 时序信号产生示意图时序信号产生示意图5.3 时序产生器和控制器时序产生器和控制器2023年5月23日星期二l 时钟源时钟源 时钟源用来为环形脉冲发生器提供频率稳定且电时钟源用来为环形脉冲发生器提供频率稳定且电平匹配的平匹配的方波时钟脉冲信号方波时钟脉冲信号。它通常由石英晶体振荡。它通常由石英晶体振荡器和与非门组成的正反馈振荡电路组成，其输出送至器和与非门组成的正反馈振荡电路组成，其输出送至环形脉冲发生器
36、。环形脉冲发生器。l 环形脉冲发生器环形脉冲发生器 环形脉冲发生器的作用是产生一组有序的间隔相环形脉冲发生器的作用是产生一组有序的间隔相等或不等的脉冲序列，以便通过译码电路来产生最后等或不等的脉冲序列，以便通过译码电路来产生最后所需的所需的节拍脉冲节拍脉冲。5.3 时序产生器和控制器时序产生器和控制器2023年5月23日星期二l 节拍节拍脉冲和读脉冲和读/写时序的编码写时序的编码 假定在一个假定在一个CPUCPU周期中产生四个等间隔的节拍脉冲周期中产生四个等间隔的节拍脉冲T1T1T4T4，每个节拍脉冲的脉冲宽度均为，每个节拍脉冲的脉冲宽度均为200ns200ns，因此一，因此一个个CPUCPU
37、周期便是周期便是800ns800ns，在下一个，在下一个CPUCPU周期中，它们又按周期中，它们又按固定的时间关系重复固定的时间关系重复。节拍电位与节拍脉冲时序关系图节拍电位与节拍脉冲时序关系图5.3 时序产生器和控制器时序产生器和控制器2023年5月23日星期二l 启停控制逻辑启停控制逻辑 启动、停机是随机的，对读启动、停机是随机的，对读/写时序信号也需要由写时序信号也需要由启停逻辑加以控制。启停逻辑加以控制。当运行触发器为当运行触发器为“1”1”时，打开时序电路。当计算机启时，打开时序电路。当计算机启动时，一定要从第动时，一定要从第1 1个节拍脉冲前沿开始工作。个节拍脉冲前沿开始工作。当运
38、行触发器当运行触发器“0”0”时，关闭时序产生器。停机时一定时，关闭时序产生器。停机时一定要在第要在第4 4个节拍脉冲结束后关闭时序产生器。个节拍脉冲结束后关闭时序产生器。启停控制逻辑示意图启停控制逻辑示意图5.3 时序产生器和控制器时序产生器和控制器2023年5月23日星期二三、控制方式三、控制方式 控制不同操作序列时序信号的方法，称为控制不同操作序列时序信号的方法，称为控制器控制器的控制方式的控制方式。常用的有三种方式，其实质反映了时序信号的定时常用的有三种方式，其实质反映了时序信号的定时方式：方式：1.1.同步控制方式同步控制方式 2.2.异步控制方式异步控制方式 3.3.联合控制方式联
39、合控制方式5.3 时序产生器和控制器时序产生器和控制器2023年5月23日星期二l 同步控制方式同步控制方式 在任何情况下，已定的指令在执行时所需的机在任何情况下，已定的指令在执行时所需的机器周期数和时钟周期数都固定不变。根据不同情况，器周期数和时钟周期数都固定不变。根据不同情况，同步控制方式可选取如下方案：同步控制方式可选取如下方案：(1)(1)采用完全统一的机器周期执行各种不同的指令。采用完全统一的机器周期执行各种不同的指令。(2)(2)采用不定长机器周期。采用不定长机器周期。(3)(3)中央控制与局部控制结合。中央控制与局部控制结合。5.3 时序产生器和控制器时序产生器和控制器2023年
40、5月23日星期二l 异步控制方式异步控制方式 每条指令、每个操作控制信号需要多少时间就每条指令、每个操作控制信号需要多少时间就占用多少时间。占用多少时间。l 联合控制方式联合控制方式 此为同步控制和异步控制相结合的方式。此为同步控制和异步控制相结合的方式。（1 1）大部分指令在固定的周期内完成，少数难以）大部分指令在固定的周期内完成，少数难以确定的操作采用异步方式。确定的操作采用异步方式。（2 2）机器周期的节拍脉冲数固定，但是各条指令机器周期的节拍脉冲数固定，但是各条指令周期的机器周期数不固定。周期的机器周期数不固定。5.4微程序控制器微程序控制器2023年5月23日星期二 硬布线控制器硬布
41、线控制器 操作控制器：操作控制器：微程序控制器微程序控制器 微程序设计技术是利用软件方法来设计硬件的微程序设计技术是利用软件方法来设计硬件的一门技术。一门技术。5.4 微程序控制器微程序控制器2023年5月23日星期二 微程序控制的基本思想：微程序控制的基本思想：仿照通常的解题程序的方法，把操作控制信号仿照通常的解题程序的方法，把操作控制信号编成所谓的编成所谓的“微指令微指令”，存放到一个只读存储器里。，存放到一个只读存储器里。当机器运行时，一条又一条地读出这些微指令，从当机器运行时，一条又一条地读出这些微指令，从而产生全机所需要的各种操作控制信号，使相应部而产生全机所需要的各种操作控制信号，
42、使相应部件执行所规定的操作。件执行所规定的操作。5.4.1 微程序控制器微程序控制器2023年5月23日星期二一、微命令和微操作一、微命令和微操作 控制部件控制部件执行部件执行部件控制命令控制命令状态测试状态测试（控制线）（控制线）控制器运算器，存储器，I/O（反馈线）（反馈线）微命令：微命令：控制部件向执行部件发出的控制命令。控制部件向执行部件发出的控制命令。微操作：微操作：执行部件接受微命令后所进行的操作。执行部件接受微命令后所进行的操作。5.4.1 微程序控制器微程序控制器2023年5月23日星期二在同时或同一个在同时或同一个CPUCPU周期内可以并行执行的微操作。周期内可以并行执行的微
43、操作。不能在同时同一个不能在同时同一个 CPUCPU周期内并行执行的微操作。周期内并行执行的微操作。微操作相容性微操作相容性微操作相斥性微操作相斥性微操作5.4.1 微程序控制器微程序控制器2023年5月23日星期二5.4.1 微程序控制器微程序控制器2023年5月23日星期二二、微指令和微程序二、微指令和微程序 在机器的一个在机器的一个CPUCPU周期中，一组实现一定操作功周期中，一组实现一定操作功能的微命令的组合，构成一条能的微命令的组合，构成一条微指令。微指令。下图表示一个具体的微指令结构，微指令字长为下图表示一个具体的微指令结构，微指令字长为2323位，它由位，它由操作控制操作控制和和
44、顺序控制顺序控制两大部分组成两大部分组成 。5.4.1 微程序控制器微程序控制器2023年5月23日星期二指令指令指令指令指令指令程序程序微程序微程序微指令微指令微指令微指令微指令微指令微命令微命令微命令微命令微命令微命令5.4.1 微程序控制器微程序控制器2023年5月23日星期二三三、微程序控制器原理框图微程序控制器原理框图 5.4.1 微程序控制器微程序控制器2023年5月23日星期二1 1、控制、控制存储器存储器(CMCM)这这是微程序控制器的核心部件，用来存放微程序是微程序控制器的核心部件，用来存放微程序。2 2、微指令寄存器、微指令寄存器(IRIR)用来用来存放从存放从CMCM取出
45、的正在执行的微指令，它的位数同微指令字长相等。取出的正在执行的微指令，它的位数同微指令字长相等。3 3、微地址寄存器、微地址寄存器(MARMAR)它它接受微地址形成部件送来的微地址，为下一步从接受微地址形成部件送来的微地址，为下一步从CMCM中读取微指令作准备中读取微指令作准备。4 4、地址转移逻辑、地址转移逻辑 微程序微程序不出现分支不出现分支，那么下一条微指令的地址就直接由微地址寄存器给出。，那么下一条微指令的地址就直接由微地址寄存器给出。当微程序当微程序出现分支出现分支时时，通过，通过判别测试字段判别测试字段P P和执行部件的和执行部件的“状态条件状态条件”反反馈信息馈信息 。去修改微地
46、址寄存器的内容，并按改好的内容去读下一条微指令。去修改微地址寄存器的内容，并按改好的内容去读下一条微指令。5.4.1 微程序控制器微程序控制器2023年5月23日星期二四、四、BCDBCD码码 BCDBCD码也叫码也叫84218421码码就是将十进制的数以就是将十进制的数以84218421的形式展开成二的形式展开成二进制，大家知道十进制进制，大家知道十进制是是0 09 9十个数组成，这十个数组成，这十个数每个数都有自己十个数每个数都有自己的的84218421码：码：十进制十进制84210000010001200103001140100501016011070111810009100110101
47、01110115.4.1 微程序控制器微程序控制器2023年5月23日星期二1.BCD1.BCD码的运算规则：码的运算规则：BCD BCD码是十进制数，而运算器对数据做加减运算时，都码是十进制数，而运算器对数据做加减运算时，都是按二进制运算规则进行处理的。这样，当将是按二进制运算规则进行处理的。这样，当将 BCDBCD码传送码传送给运算器进行运算时，其结果需要修正。给运算器进行运算时，其结果需要修正。2.2.修正的规则是：修正的规则是：当当两个两个BCDBCD码相加，如果和等于或小于码相加，如果和等于或小于 1001(1001(即十进即十进制数制数 9)9)，不需要修正；如果相加之和在，不需要
48、修正；如果相加之和在 1010 1010 到到1111(1111(即即十六进制数十六进制数 0AH0AH0FH)0FH)之间，则需加之间，则需加 6 6 进行修正；如果进行修正；如果相加时，本位产生了进位，也需加相加时，本位产生了进位，也需加 6 6 进行修正。进行修正。5.4.1 微程序控制器微程序控制器2023年5月23日星期二3 3、举例说明：、举例说明：【例例 1.31.3】需要修正需要修正 BCDBCD码运算值的举例。码运算值的举例。(1)(1)计算计算 5+85+8；(2)(2)计算计算 8+8 8+8 解：解：(1)(1)将将 5 5 和和 8 8 以以 8421 BCD8421
49、 BCD输入机器，则输入机器，则运算如下：运算如下：0 1 0 1 0 1 0 1+)1 0 0 0+)1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 结果大于结果大于 9 9+)0 1 1 0+)0 1 1 0 加加 6 6 修正修正 1 0 0 1 1 13 1 0 0 1 1 13 的的 BCDBCD码码 结果是结果是 00110011，即十进制数，即十进制数 3 3，还产生了进位。，还产生了进位。5+8=135+8=13，结论正确。，结论正确。5.4.1 微程序控制器微程序控制器2023年5月23日星期二(2)(2)将将8 8以以8421 BCD8421 BCD输入机器，则运算如下：输
50、入机器，则运算如下：1 0 0 0 1 0 0 0+）1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 结果大于结果大于9 9+）0 1 1 00 1 1 0 加加6 6修正修正 1 0 1 1 0 161 0 1 1 0 16的的BCDBCD码码 结果是结果是01100110，即十进制的，即十进制的6 6，而且产生进位。，而且产生进位。8+8=168+8=16，结论正确。，结论正确。5.4.1 微程序控制器微程序控制器2023年5月23日星期二五、微程序举例五、微程序举例 一条机器指令是由若干条微指令组成的序列一条机器指令是由若干条微指令组成的序列来实现的来实现的 .因
