模型机的基本组成和数据通路课件

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1、第四讲,模型机的基本组成和数据通路 数据传送 时序控制方式 模型机的指令系统 模型机的时序系统 指令流程图 微程序控制概念 比较组合逻辑控制方式和微程序控制方式,一、CPU模型的组成及其数据通路,基本组成 控制器 运算部件 各种寄存器 用于存放指令、指令地址、操作数及其运算结果。 CPU内部数据通路 用以连接各部件，为信息传送提供通路,1.寄存器 2.运算部件 3.总线与数据通路结构 4.控制器及微命令的基本形式,1.寄存器,CPU中的寄存器有： 存放控制信息的寄存器，如指令寄存器、程序计数器和程序状态字寄存器 存放所处理的寄存器，如通用寄存器和暂存器 为简单起见，所有寄存器都是16位，内部结

2、构是16个D触发器，数据代码输入至D端，由CP端脉冲同步打入，其输出由输出门控制。PSW的特征位则由R、S端置入，系统总线对MDR的输入也由R，S端置入。,1.寄存器,（1）通用寄存器 （R0，R1，R2，R3） （2）暂存器（C、D、Z） （3）指令寄存器IR （4）程序计数器PC （5）程序状态字寄存器PSW （5）堆栈指针SP （6）与主存接口的寄存器MAR、MDR,（1）通用寄存器,通用寄存器4个：R0，R1，R2，R3。 这是一组可编程访问，具有多种功能的寄存器。在指令系统中为这些寄存器分配了编号即寄存器地址，因此可编程指定使用某个寄存器。通用寄存器本身在逻辑上只具有接受信息、存储信

3、息和发送信息的功能。但通过编程与运算部件的配合就可以实现多种功能，如它们可为ALU提供操作数并存放运算结果，也可以用作变址寄存器、地址指针和计数器等。,（2）暂存器,暂存器有3个：C，D，Z。 暂存器C可用来暂存从主存储器读出的数据，这个数据是不能存放在通用寄存器中，否则会破坏其原有的内容。 由于CPU是单总线结构，因此ALU的输入端必须设置一个暂存器D，用来存放一个操作数，在ALU输出端设暂存器Z存放运算结果。暂存器D还可暂存从主存储器读出的数据，并设有左移和右移的功能。 指令系统中没有为暂存器分配编号，因此程序员不能编程访问它们，因而是透明的。,（3）指令寄存器IR,指令寄存器IR用来存放

4、当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，应先将指令从主存中读出到IR中。IR的输出是控制器产生控制信号的主要逻辑依据。不可编程访问。,（4）程序计数器PC,程序计数器又称为指令计数器或指令指针IP，它的作用是提供指令的地址。因此PC用来指示程序的进程。当现行指令执行完毕时，由PC提供后继指令的地址，并送往主存的地址寄存器MAR 。 当程序按顺序执行时，每读取一条指令后，PC要加上一个增量（通常为刚读取指令所占的存储单元数），以指向下条指令地址。当遇到转移指令时，需改变程序的执行顺序，则由转移指令形成转移地址送往PC作为后继指令地址。 PC具有加1计数功能，并可以编程访问。,（5）程序状态字寄

5、存器PS,程序状态字寄存器又称为标志寄存器，用来存放现行程序的运行状态和工作方式，其内容称为程序状态字PSW。PSW是参与控制程序执行的重要依据。 PSW中的一部分内容是记录上条指令执行后的结果标志：进位标志C，溢出标志V，结果为零标志Z，结果为负标志S，奇偶标志P。每当一条指令执行完，CPU将根据运算结果自动修改这些标志。 PSW中另一部分内容由编程设定：跟踪标志T，用以变成设定断点；中断允许标志I，指示CPU是否允许响应外部中断请求。,（6）堆栈指针SP,SP用来指示堆栈栈顶的位置，其内容是栈顶单元的地址。SP也是可以编程访问的寄存器。,（7）与主存接口的寄存器MAR，MDR,地址寄存器M

6、AR用于存放CPU访问主存或I/O接口的地址。MAR连接地址总线的输出门是三态门，当微命令EMAR为高电平时，MAR输出送往地址总线；当EMAR为低电平时，MAR输出呈高阻态，与地址总线断开。 数据寄存器MDR用于存放CPU与主存或I/O接口之间的数据。CPU的输出数据必须先打入MDR，再从MDR输出到数据总线上。对于输入CPU的数据，则从数据总线输入数据到MDR然后由MDR送往CPU 中的其他部件。MDR与数据总线间为双向连接，其输出级也采用三态门，可与数据总线断开。 CPU对主存的控制信号有两个：读信号RD控制对主存的读操作；写信号WR控制对主存的写操作。,2.运算部件,ALU及配合完成的

7、一些寄存器 模型机的ALU输入A来自暂存器D,输入B来自ALU总线,运算结果输出到Z。 可以完成加、减、与、或、异或、求负、求反等运算。,3.总线与数据通路结构,（1）ALU总线 （2）系统总线,（1）ALU总线,CPU内部采用单总线结构，即设置一组由16根双向数据传送线组成的ALU总线（也称为CPU内总线），ALU和所有寄存器通过这组公共总线连接起来。在单总线结构中，CPU的任何两个部件间的数据传送都必须通过这组总线，因此，控制比较简单，但传送速度受到限制。只能分时共享。 挂接在ALU总线上的寄存器几乎都设有三态输出门和打入脉冲。输出门打开，便将寄存器中的信息代码送到ALU总线上去，但每次只

8、允许一个部件向ALU总线发送信息代码；接收信息的寄存器可以有多个，由打入脉冲将ALU总线上的信息代码打入其中。,（2）系统总线,系统总线包括：16根地址总线，16根数据总线，以及控制总线。模型机采用同步控制方式。 CPU通过MAR向地址总线提供访问主存单元或I/O接口的地址，由控制信号EMAR决定是否发送地址。I/O接口（如DMA控制器）也可以向地址总线发送访存地址。 CPU通过MDR向数据总线发送或接收数据，以完成与主存单元或I/O接口之间的数据传送，由控制信号RD、WR决定传送方向。主存M和I/O设备之间也可以通过数据总线传送数据。 CPU通过控制总线向主存或I/O设备发出有关控制信号。有

9、时，I/O设备也可以向控制总线发出控制信号。,4.控制器及微命令的基本形式,(1)微命令的基本形式 微操作命令是最基本的控制信号,通常是指直接作用于部件或控制门电路的控制信号,简称微命令。 实际中，往往利用脉冲边缘来表示某一时刻,起定时作用或识别脉冲的有无。 与脉冲信号相比，电平信号维持的时间一般要长一些。,4.控制器及微命令的基本形式,模型机中的微命令： 电位型微命令 各寄存器输出到ALU总线上的控制信号 ALU运算控制信号 暂存器D的左移/右移控制信号 程序计数器PC的计数信号 MAR和MDR输出到系统总线的控制信号 寄存器置入控制信号 主存的读/写信号 脉冲型微命令 模型机中，各寄存器均

10、采用同步打入脉冲将ALU总线上的数据打入其中。,（2）控制器,控制器是全机的指挥中心，其基本功能就是执行指令，即根据指令产生控制信号序列以命令相应部件分步完成指定的操作。 控制器向CPU内部发送控制信号，控制寄存器之间的数据传送，使ALU完成指定的功能以及其他的内部操作；向CPU外部发出控制信号，以控制CPU与存储器或I/O设备之间传送数据。 主要部件包括：指令寄存器IR，指令译码器、程序计数器、状态字寄存器PSW、时序系统和微操作信号发生器。 微操作信号发生器的输入由IR中的指令经译码后的输出、PSW的状态、时序信号及外部的控制信号组成。产生指令执行时所需要的微操作信号。,二、数据传送,1.

11、寄存器之间的数据传送 2.主存数据传送到CPU 3.CPU数据传送到主存 4.执行算术或逻辑操作,1.寄存器之间的数据传送,寄存器之间可直接通过ALU总线传送数据,具体传送由输出门和打入脉冲控制。 例如：R1R2,2.主存数据传送到CPU,主存与CPU之间通过系统总线传送数据。 CPU首先要把所取数据的地址送到MAR，然后将MAR中的地址输出到地址总线上，同时发读命令到主存；主存完成读操作后将读出的16位数据送到数据总线上，再将数据线上的信息置入MDR。 PC MAR M MDR IR,3.CPU数据传送到主存,首先要将寄存器中的数据装入MDR，要写入主存单元的地址送MAR，然后发写命令；主存

12、将按MAR中的地址把MDR的内容写入对应单元中。 R1 MAR R2 MDR MDR M,4.执行算术或逻辑操作,先将一个操作数经ALU总线送入暂存器D保存起来,D的内容在ALU的输入端A始终有效,再将另一个操作数经总线直接送到ALU的输入端B. 运算结果暂存在暂存器Z中. 例如: R1 D D+R2 Z Z R3,三、时序控制方式,1. 指令的执行过程： 任何一条指令都要经过读取指令、分析指令和执行指令3个阶段。,1. 指令的执行过程：,（1）.指令执行过程一般可分为： 取指令 根据指令寄存器的PC提供的地址从主存储器中读取现行指令，送到主存数据缓冲器MDR中，然后再送往CPU内的指令器IR

13、中。同时改变指令计数器的内容，使之指向下一条指令地址或紧跟现行指令的立即数或地址码。 分析指令 执行指令 取操作数 执行操作 形成下条指令地址,（2）指令之间的衔接方式： 串行的顺序安排方式 并行的重叠处理方式,三、时序控制方式,2. 时序控制方式 就是指微操作与时序信号之间采取何种关系。,（1）同步控制方式,同步控制方式是指各项操作由统一的时序信号进行同步控制，这就意味着各个微操作必须在规定时间内完成，到达规定时间就自动执行后继的微操作。 特征：将操作时间分为若干长度相同的时钟周期（也称节拍），要求在一个或几个时钟周期内完成各个微操作。机器的时钟频率的选择主要取决于CPU内部的操作。通常时钟

14、周期应能完成CPU内部花费时间最长的微操作。,（2）.同步控制方式的多级时序系统,1)多级时序的概念 在同步控制方式中，通常将时序信号划分为几级（其中包括指令周期），称为多级时序。 指令周期是从取指令、分析指令到执行完该指令所需的时间。 在组合逻辑控制器中，其时序信号常划分为3级，机器周期、节拍和时钟脉冲 在微程序控制器中，起时序信号划分为2级，节拍和时钟脉冲。,多级时序的概念,1）机器周期： 通常将指令周期划分为几个不同的阶段，每个阶段所需的时间，成为机器周期，又称为CPU工作周期或基本周期。 2）节拍：（时钟周期）将一个机器周期划分为若干相等的时间段，每个时间段内完成一步基本操作。这个时间

15、段用一个电平信号宽度对应，成为节拍或时钟周期。 显然，一个机器周期由若干个节拍组成。 3）时钟脉冲信号,多级时序信号之间的关系,多级时序信号之间的关系 如：一个指令周期含3个机器周期，每个机器周期划分为4个节拍，则关系见图3-14,时序系统的组成,四、模型机的指令系统,1.指令格式（见图示） 2.寻址方式（见表格） 3.操作类型,1.指令格式,2.寻址方式,四、模型机的指令系统,3.操作类型 （1）传送类指令 （2）双操作数算逻指令 （3）单操作数算逻指令 （4）程序控制类指令 转移指令JMP 返回指令RST 转子程序指令JSR,3.程序控制类,例： 指令 AND R1, X（R2） 0011

16、 0010 0001 0101 指令 OR -（R3）,（R0） 0100 0110 1000 0001,五、模型机的时序系统,三级时序:工作流程 节拍(时钟周期),工作脉冲 1.工作周期 取指周期FT 源周期ST 用于控制指令的正常执行 目的周期DT 执行周期ET 中断周期IT 用于控制I/O传送 DMA周期 DMAT,五、模型机的时序系统,模型机设置6个触发器分别作为6个周期状态标志 =1 表示相应工作周期开始 =0 表示相应工作周期结束 在指令的执行过程中,任何时候只能有一个触发器为1.,访存、取指令,修改PC内容_公操作,按源寻址方式形成源地址，取出源操作数，存放于暂存器C中,按目的寻址方式形成目的地址，或取目的操作数，存放于暂存器D中,按操作码完成相应的操作（传送、运算、转移地址送入PC返回地址压栈保存。）,FT,ST,DT,ET,DMA?,DMAT,中断?,IT,N,N,Y,单操作数指令,转移指令,Y,五、模型机的时序系统,2.节拍T 节拍时间: 访问一次主存的时