3CPU-2控制器-罗克露计算机组成原理课件(绝对与网上视频教程同步)

1第三节组合逻辑控制器原理3.3.1控制器组成微命令发生器微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码…...PSW时序IR地址形成PCθD寻来自M送M或ALU+1送M2微命令发生器微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码…...PSW时序IR地址形成PCθD寻来自M送M或ALU+1送M微命令发生器1.微命令发生器功能：产生全机所需的各种微命令控制最基本的操作(微操作)的命令电位型脉冲型3微命令发生器微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码…...PSW时序IR地址形成PCθD寻来自M送M或ALU+1送M2.指令计数器PC功能：指示指令在M中的位置。PC+1顺序执行：PC先+1，再用转移地址修改PC微命令发生器PC转移执行：43.指令寄存器IR功能：存放现行指令。决定操作性质操作码字段操作数地址转移地址PC微命令发生器微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码…...PSW时序IR地址形成θD寻来自M送M或ALU+1送M微命令发生器PCIR地址码字段译码器微命令发生器地址形成部件寻D54.状态寄存器PSW功能：指示程序运行方式，反映程序运行结果。例.某机的PSWPC微命令发生器微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码…...PSW时序IR地址形成θD寻来自M送M或ALU+1送M微命令发生器PCIRPSW工作方式优先级TNZVC1512118765432106C=1进位V=1溢出Z=1结果为0N=1结果为负T=1,执行一条指令后就转入跟踪程序（1）条件码(状态码)反映程序运行结果工作方式优先级TNZVC151211876543210（2）跟踪标志T使程序以单步方式运行。程序初始化置T为1...测试T跟踪程序….....7现行程序优先级高于外部优先级，不响应现行程序优先级低于外部优先级，可响应用户方式：禁止程序执行某些指令核心方式：允许程序执行所有指令（3）优先级为现行程序赋予优先级别，以决定是否响应外部中断请求。工作方式优先级TNZVC151211876543210（4）工作方式规定程序的特权级。PSW在CPU中，反映程序运行状态；控制/状态字在接口中,反映CPU命令、设备状态85.时序线路功能：控制操作时间和操作时刻。PC微命令发生器微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码…...PSW时序IR地址形成θD寻来自M送M或ALU+1送M微命令发生器PCIRPSW时序振荡器分频器时钟脉冲工作脉冲时钟周期(节拍)产生电位型微命令，控制操作时间段产生脉冲型微命令，控制定时操作91.取指令PCPC微命令发生器微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码…...PSW时序IR地址形成θD寻来自M送M或ALU+1送M微命令发生器PCIRPSW时序3.3.2控制器工作过程地址M指令IR、译码(θ、寻址方式)PC+1=PC102.取数PC微命令发生器微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码…...PSW时序IR地址形成θD寻来自M送M或ALU+1送M微命令发生器PCIRPSW时序按寻址方式，或从寄存器取数，或从存储器取。3.执行按操作码对数据进行运算处理。111.组合逻辑控制器的时序划分3.3.3时序控制方式即时序信号与操作的关系●采用三级时序系统：指令周期工作周期1工作周期2工作周期n……时钟周期1时钟周期2时钟周期m….….工作脉冲1工作脉冲2工作脉冲k…..……….(节拍1)(节拍2)(节拍m)12●时序关系：振荡器输出工作周期1工作周期2工作周期3时钟T1工作脉冲P时钟T2指令周期控制不同阶段操作时间控制分步操作时间对微操作定时取指执行取数取出指令修改PC打入IR打入PC132.时序控制方式及其变化（1）同步控制各项操作受统一时序控制。①定义：②特点：有明显时序时间划分；时钟周期时间固定；各步操作的衔接、各部件之间的数据传送受严格同步定时控制。各项操作受统一时序控制。由CPU或其他设备提供③优缺点：控制逻辑易于集中，便于管理。时序关系简单，时序划分规整，控制不复杂；但时间安排不合理。14④应用场合：用于CPU内部、设备内部、系统总线操作(各挂接部件速度相近，传送时间确定，传送距离较近)。（2）异步控制各项操作按不同需要安排时间，不受统一时序控制。①定义：②特点：无统一时钟周期划分；各操作间的衔接和各部件之间的信息交换采用异步应答方式。15例.总线的异步传送操作●主设备：申请并掌握总线权的设备。总线主从●从设备：响应主设备请求的设备。发/接接/发16主设备获得总线控制权●操作流程：主设备询问从设备主设备发送/接收数据主设备释放总线控制权从设备准备好？YN主设备输出端与总线连接主设备输出端与总线断开17时间安排紧凑、合理；但控制复杂。③优缺点：④应用场合：用于异步总线操作(各挂接部件速度差异大，传送时间不确定，传送距离较远)。（3）同步方式的变化指令周期长度可变，时钟周期长度不变。①不同指令安排不同时钟周期数②总线周期中插入延长周期经总线传送一次数据所用的时间(送地址、读/写)18总线周期长度可变，时钟周期长度不变。总线周期(4T)例.一个总线周期包含4个时钟周期时钟T1T3T2T4送地址读/写数据结束同步方式时钟T1T3T2T4T4T4Tw送地址读/写数据结束总线周期(5T)扩展同步方式19③同步方式引入异步应答以固定时钟周期作为时序基础，引入应答思想例.8088最大模式，用一根总线请求/应答线实现总线权的转移。设备请求总线权RQ/GTCPU使用总线CPU使用总线CPU使用总线设备使用总线设备设备CPUCPU响应，总线权交设备CPU设备释放总线权CPU设备若干时钟若干时钟201.组合逻辑控制方式3.3.4组合逻辑控制方式的优缺点及应用综合化简产生微命令的条件，形成逻辑式，用组合逻辑电路实现微命令发生器。执行指令时，由组合逻辑电路(微命令发生器)在相应时间发出所需微命令，控制有关操作。21产生微命令的速度较快。2.优缺点设计不规整，设计效率较低；不易修改和扩展指令系统的功能。3.应用场合用于高速计算机，或小规模计算机。22第四节微程序控制器原理3.4.1微程序控制的基本思想1.若干微命令编制成一条微指令，控制实现一步操作；2.若干微指令组成一段微程序，解释执行一条机器指令；3.微程序事先存放在控制存储器中，执行机器指令时再取出。1.若干微命令编制成一条微指令，控制实现一步操作；2.若干微指令组成一段微程序，解释执行一条机器指令；233.4.2组成原理1.主要部件（1）控制存储器CM功能：微地址形成电路IRPSWPC微地址寄存器µAR控制存储器CM译码器微命令序列微命令字段微地址字段µIR存放微程序。CM属于CPU，不属于主存储器。控制存储器CM24（2）微指令寄存器µIR功能：微地址形成电路IRPSWPC微地址寄存器µAR控制存储器CM译码器微命令序列微命令字段微地址字段µIR存放现行微指令。微命令字段：提供一步操作所需的微命令。微地址字段：指明后续微地址的形成方式。提供微地址的给定部分。(微操作控制字段)(顺序控制字段)微命令字段微地址字段µIR25微地址形成电路（3）微地址形成电路功能：IRPSWPC微地址寄存器µAR控制存储器CM译码器微命令序列微命令字段微地址字段µIR提供两类微地址微程序入口地址：由机器指令操作码形成。后续微地址：由微地址字段、现行微地址、运行状态等形成。微地址形成电路微地址形成电路262.工作过程（1）取机器指令CM取指微指令µIR微命令字段译码器微命令主存机器指令IR微地址形成电路IRPSWPC微地址寄存器µAR控制存储器CM译码器微命令序列微命令字段微地址字段µIR取指微指令控制存储器取指微指令微命令字段微地址字段译码器微命令序列控制存储器微命令字段微地址字段译码器微命令序列27（2）转微程序入口IR操作码微地址形成电路微程序入口µAR微命令字段CM首条微指令（3）执行首条微指令µIRµIR译码器微地址形成电路IRPSWPC微地址寄存器µAR控制存储器CM译码器微命令序列微命令字段微地址字段µIR取指微指令控制存储器取指微指令微命令字段微地址字段译码器微命令序列IR控制存储器微命令字段微地址字段译码器微命令序列微地址形成电路IR微地址寄存器微地址形成电路控制存储器微地址寄存器微命令字段微地址字段控制存储器微命令字段微地址字段微命令操作部件28（4）取后续微指令微地址字段现行微地址运行状态微地址形成电路后续微地址µARCM后续微指令µIR微地址形成电路IRPSWPC微地址寄存器µAR控制存储器CM译码器微命令序列微命令字段微地址字段µIR微命令字段微地址字段PSW微地址寄存器微地址形成电路微命令字段微地址字段PSW微地址寄存器微地址寄存器微地址形成电路微地址寄存器29（5）执行后续微指令同（3）微地址形成电路IRPSWPC微地址寄存器µAR控制存储器CM译码器微命令序列微命令字段微地址字段µIR微命令字段微地址字段PSW微地址寄存器微地址形成电路微命令字段微地址字段PSW微地址寄存器微地址寄存器微地址形成电路微地址寄存器（6）返回微程序执行完，返回CM中存放取指微指令的固定单元。303.4.3微指令格式和编码方法1.格式分类（1）垂直型微指令优点：一条微指令定义并执行几种并行的基本操作。微指令短、简单、规整，便于编写微程序。缺点：微程序长，执行速度慢；工作效率低。（2）水平型微指令一条微指令定义并执行一种基本操作。优点：缺点：微指令长，编写微程序较麻烦。微程序短，执行速度快。31（3）混合型微指令微指令不长，便于编写；微程序不长，执行速度加快。在垂直型的基础上增加一些不太复杂的并行操作例.长城203微指令AIBIZOAOPMOPKKST3333444运算器输入控制运算器输出控制操作类型控制访M与I/O控制常数辅助操作322.编码方法（1）直接控制法例.某微指令微命令按位给出。不需译码，产生微命令的速度快；但信息的表示效率低。C0RW111C0=0进位初值为01进位初值为1R=0不读1读0不写1写W=微指令中通常只有个别位采用直接控制法。33（2）分段直接编译法例.对加法器输入端进行控制。划分多个字段，微命令由字段编码直接给出。000不发命令微指令中设置AI字段，控制加法器的输入选择。加法器ABR、CD、ER、CD、FAI3010CA100FB…001RA010CA011DB011DB？微命令分组原则：同类操作中互斥的微命令放同一字段。不能同时出现CD34操作唯一；加法器A输入端的控制命令放AI字段，B输入端的控制命令放BI字段。加法器ABR、CD、ER、CD、F000不发命令010CA100EA001RA011DACDAIBI33010CA000不发命令010CB100FB001RB011DB011DBAI：BI：一条微指令能同时提供若干微命令，便于组织各种操作。编码较简单；35（3）分段间接编译法例.微命令由本字段编码和其他字段解释共同给出。C=CA1)设置解释位或解释字段解释位1A为某类命令0A为常数2)分类编译按功能类型将微指令分类，分别安排各类微指令格式和字段编码，并设置区分标志。36（4）其他编码方法1)微指令译码与机器指令译码复合控制例.机器指令寄存器号寄存器传A微指令译码器译码器001RAR1A门37例.2)微地址参与解释004微地址指令操作码1.微程序入口地址的形成微指令取指标志变址标志0113.4.4微地址形成方式微程序入口功能转移（1）一级功能转移各操作码的位置、位数固定，一次转换成功。入口地址=页号，操作码38例.机器指令10F(8位)入口地址=000FHCM机器指令210(8位)入口地址=0010H000F0010无条件转微地址1微地址1微程序1无条件转微地址2微地址2微程序2功能转移功能转移0页39（2）二级功能转移各类指令操作码的位置、位数不固定，分类转：需两次转换。指令类型标志区分指令类型(如单、双操作数)功能转：指令操作码区分操作类型40（3）用可编程逻辑阵列PLA实现功能转移入口地址1PLAIR入口地址22.后续微地址的形成（1）增