016-第7章 控制器-3

第7章控制器1第七章控制器7.1控制器的组成及指令的执行7.2控制方式和时序的产生7.3微程序控制器7.4微程序控制器及其微程序设计举例7.5硬布线控制器7.6流水线的基本原理7.7PentiumⅡCPU本章小结作业第7章控制器27.4微程序控制器及其微程序设计举例一、模型机系统组成二、模型机微程序控制器组成三、模型机微程序设计第7章控制器3一、模型机系统组成第7章控制器4一、模型机系统组成1.运算器ALU：两片74LS181串连构成，16种算术运算和16种逻辑运算。暂存器DA1和DA2：各由一片74LS273构成，暂存送到ALU运算的数据。ALU输出缓冲器：一片74LS245构成，控制ALU运算结果是否送总线。状态寄存器：指示ALU运算结果的状态FC和FZ。移位器：一片74299构成，有四种移位功能和置数功能。寄存器：4个8位寄存器，由74LS273构成。第7章控制器5一、模型机系统组成2.存储器一片6116芯片构成，容量256×8位。3.输入设备8位逻辑开关：用于输入二进制程序和数据。4.输出设备8位LED显示灯：用于显示数据。5.控制器采用微程序控制器。微指令24位，采用下址字段法，下址7位。控存容量：128×24位。第7章控制器6二、模型机微程序控制器组成(一)时序电路单元（CLOCKUNIT）(二)计数器与地址寄存器单元(ADDRESSUNIT)(三)指令寄存器单元（INSUNIT）(四)微控器单元（MAINCONTROLUNIT）第7章控制器7(一)时序电路单元（CLOCKUNIT）功能：根据主频Φ经过消抖电路产生四个等间隔的节拍信号TS1、TS2、TS3、TS4，构成一个CPU周期。微动开关START和连续/单步开关RUN#/STEP的控制：RUN#/STEP开关=0（RUN）时，按动START开关，则产生连续的节拍信号TS1~TS4；当RUN#/STEP开关=1（STEP）时，每按动START开关一次，则产生一组时序信号TS1~TS4。单脉冲产生及消抖电路每按动一下微动开关KK2，就产生一个稳定的单脉冲（包括一正一负），并通过排针形式引出。第7章控制器8时序电路原理图Φ单脉冲产生及消抖电路KK22：4译码器ABY0Y1Y2Y32位计数器CLKTS1TS3TS4TS2四D触发器CLKD1D3D4D2Q1Q3Q4Q2RUN/STEP开关SQQRSQQR+5START微动开关+5+5CLR开关DCLRCLKQCLR开关555时钟电路图7－9时序信号发生及启停电路第7章控制器9时序信号波形图TS1TS3TS4TS2Φ第7章控制器10(二)计数器与地址寄存器单元1.地址寄存器AR由一片74LS273构成，其输入端将总线单元（BUSUNIT）的D7-D0输入到AR，输出端接至存储器地址A7-A0，并用地址灯显示A7-A0。控制信号：B-AR，联机时T3时刻上升沿有效，将总线数据打入AR。第7章控制器11地址寄存器AR电路原理图第7章控制器122.程序计数器PC由两片计数器74LS161（4位）构成，输入端接自总线单元（BUSUNIT）的D7-D0，输出端则通过一片三态缓冲器74LS245输出至总线。PC的操作与控制：PC清零：CLR开关的负脉冲将使PC清零；PC置数：则需要控制信号PC+1=上升沿且B-PC#=0；PC加1计数：则需要PC+1=上升沿。PC送数至总线：则需要PC-B＃=0。第7章控制器13程序计数器PC的电路原理图74LS161P3P2P1P0Q3Q2Q1Q0TCCEPCETCLKPEMR74LS161P3P2P1P0Q3Q2Q1Q0TCCEPCETCLKPEMR+5B-PCPC+1+5PCTOBUSPC-B74LS245A7A6A5A4A3A2A1A0EDIRB7B6B5B4B3B2B1B0D7---D0BUSTOPCCLR开关MANUALUNIT第7章控制器14(三)指令寄存器单元（INSUNIT）1、指令寄存器IR2、指令译码电路（后继微地址转移控制逻辑）3、寄存器译码电路第7章控制器151.指令寄存器IR由一片74LS273构成：其输入端接自总线单元（BUSUNIT）的D7-D0。输出端为I7～I0即指令码，操作码供INSUNIT单元的指令译码电路使用，寄存器地址字段SR、DR供寄存器译码电路使用。控制信号：B-IR，在T3节拍有效，将数据总线上的数据（指令码）打入IR。电路原理图：第7章控制器163.寄存器译码电路对于控制器来说，指令MOVR0,R1和MOVR2,R0是同一条指令，执行的是同一段微程序，微指令发送的是一样的控制信号。但如何区分不同的寄存器号？方法是通过寄存器译码电路，依据指令的DR和SR字段，将微控器发出的统一的寄存器控制信号，翻译为具体的不同的寄存器控制信号。输入信号有：B-DR、DR-B#、SR-B#、SI-B#：来自微控器单元MAINCONTROLUNIT。指令码I3-I0：来自指令寄存器(即SR、DR字段)输出信号为：(送至寄存器单元REGUNIT)寄存器打入脉冲：B-R0、B-R1、B-R2、B-SP。寄存器输出控制：R0-B#、R1-B#、R2-B#、SP-B#。第7章控制器17寄存器译码电路原理图DRSR第7章控制器18寄存器控制信号的定义信号输入/输出解释I1I0输入指令码中目的寄存器DR的编码字段I3I2输入指令码中源寄存器SR的编码字段B-Ri输入目的寄存器DR的装载控制信号，与指令码I1I0一起译码产生B-R[0:3]四个信号RD-B#输入目的寄存器DR内容送总线的控制信号，与指令码I1I0一起译码产生R[0:3]-B#四个信号RS-B#输入源寄存器SR内容送总线的控制信号，与指令码I3I2一起译码产生R[0:3]-B#四个信号RI-B#输入变址寄存器SI（隐含为R2）内容送总线的控制信号，直接产生R2-B#信号B-R[0:3]输出寄存器R0、R1、R2、R3从总线上装入数据R[0:3]-B#输出将寄存器R0、R1、R2、R3的内容送至总线上B-SP和SP-B#输入/输出堆栈指针寄存器的数据输入和输出由微指令寄存器发出的微码直接控制第7章控制器19寄存器控制信号的产生逻辑输入输出输入输出B-DR=1，且I1I0=00B-R0=1SR-B#=0，且I3I2=00R0-B#=0B-DR=1，且I1I0=01B-R1=1SR-B#=0，且I3I2=01R1-B#=0B-DR=1，且I1I0=10B-R2=1SR-B#=0，且I3I2=10R2-B#=0B-DR=1，且I1I0=11B-R3=1SR-B#=0，且I3I2=11R3-B#=0DR-B#=0，且I1I0=00R0-B#=0SI-B#=0R2-B#=0DR-B#=0，且I1I0=01R1-B#=0B-SP=1B-SP=1DR-B#=0，且I1I0=10R2-B#=0SP-B#=0SP-B#=0DR-B#=0，且I1I0=11R3-B#=0第7章控制器20(四)微控器单元（Maincontrolunit）构成框图1、控制存储器CM2、控存地址寄存器CMAR3、微指令寄存器µIR4、微指令译码器5、其他相关实验设备第7章控制器21构成框图第7章控制器221.控制存储器CM构成：CM由3片2816（2K×8位）组成，存放24位的微指令。3片2816的高位地址A10～A7均接地，所以控存的实际容量为128×24位，即可以存放128条微指令。控存的地址输入A6～A0：即微地址MA6～MA0，控存的地址端接有7个微地址显示灯，显示微地址。手动编程“PROM”或校验“READ”状态下：由微地址锁存器µAR提供。运行“RUN”状态下：经后继微地址修改逻辑修改后，由CMAR来提供。联机状态下：由PC机控制送出。第7章控制器231.控制存储器CM控存的数据输入/输出：控存的数据端接有24位的微代码显示灯，显示微指令。手动“编程PROM”状态下：用24位微代码开关写入数据。手动校验“READ”状态下：读出24位微代码，并显示。联机状态下：由PC机控制控存的读写数据。控存中的24位微码，高16位送微指令寄存器µIR保存并译码，低7位（下址字段）则送CMAR。控存的片选信号CS#、输出使能OE#、写使能WE#：均由GAL芯片根据编程开关的状态及联机的情况控制产生并输出。第7章控制器242.控存地址寄存器CMAR功能：保存当前微指令的下址字段，并在T4节拍进行修改，产生下一条微指令的地址送控存。构成：由四片74LS74（2个带清零预置端的触发器）和一片74LS245（8位三态缓冲器）连接而成74LS74的CLK接T2信号，清零端均接CLR开关，预置端则分别接自后继微地址转移逻辑的输出信号SE6#～SE0#。在T2节拍，CMAR置数。机器复位时（CLR开关1→0→1），CMAR清零，即微程序从0号微地址处开始执行。当SEi#=0时，相应的MAi被置1。第7章控制器252.控存地址寄存器CMARCMAR输入端：接自控存CM的数据输出端的最低7位MA6～MA0，T2节拍时打入（即保存当前微指令的下址字段）。CMAR输出端：CMAR中的MA6～MA0，在T4节拍经过预置端SE6#～SE0#的修改，形成输出信号，作为后继微地址送至控存的地址输入端，以寻址下条微指令。第7章控制器263.微指令寄存器µIR功能：存放从控存CM中读出的高16位的微码M23～M8（低7位M6～M0是下址字段，M7为空）。构成：它是由两片74LS273（8位寄存器）组成的。µIR的清零端CLR#：接自CLR开关，即在总清时，使µIR清零。数据输入端：接自控存的数据I/O端（高16位）；数据输出端：一面以排针M13～M8的形式直接引出；另一面，M23～M14另送微指令译码器进行译码。第7章控制器274.微指令译码器功能：根据微指令的格式及各字段的定义，将µIR送来的编码字段进行译码，产生全机所需要的各种微操作控制信号，以实现该条微指令功能。构成：由两片74LS138和二片GAL芯片组成。第7章控制器285.其他相关实验设备微代码输入开关MK23～MK0：通过三片三态缓冲器74LS245（8位）接在控存的数据输入/输出端上，用于手动拨入24位微码微代码显示灯MD23～MD0：接在控存的数据输入/输出端上，用于指示当前读出的微指令的24位微码。微地址显示灯µA5～µA0：接在控存的地址输入端上，用于指示下条微指令的7位微地址(修改过的后继微地址)。编程开关：有三种状态：PROM（编程）、READ（校验）、RUN（运行）。总控单元：根据编程开关的状态，其控制电路协同单片机一起产生本单元中各芯片的控制或使能信号，通过这种控制，来实现各种不同的手动和联机操作。第7章控制器29编程开关的三种工作状态编程开关处于编程状态“PROM”时：可以实现手动输入微码，此时，控存执行写操作，控存的地址由微地址锁存器µAR提供，控存的数据则由24位的微代码开关输入编程开关处于校验状态“READ”时：可以实现手动校验微码，此时，控存执行读操作，控存的地址由微地址锁存器µAR提供，控存的数据则由24位的微代码显示灯显示输出编程开关处于运行状态“RUN”时：可以实现运行微程序，此时，控存执行的是读操作，控存的地址是由后继微地址修改逻辑提供的，控存的数据则一面由24位的微代码显示灯显示输出，一面在时钟控制下送至µIR并译码产生微操作控制信号。第7章控制器30作业P243:1,2,3,4,69,10,11,12,13,15,16,17,18第7章控制器31