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1、无雨制作1第六章第六章 控制器与控制器与 CPUCPU一、控制器概述一、控制器概述 控制器是计算机的指挥和控制中心, 控制器的基本功能就是运行程序 二、指令执行的基本步骤二、指令执行的基本步骤 1. 取指令A、根据 PC 提供的指令地址，从存储器中取出所要执行的指令放入 IR(指令寄存器)。 2. 分析指令：对取出的指令进行译码分析A、对指令的操作码进行译码分析。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能所需要的全部控制命令（微操作控制信号） 。 B、根据寻址方式，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） 或形成转移地址(转移类指令)，以实现程序转移
2、。 3. 执行指令A、根据指令功能，执行指令所规定的操作，并根据需要，保存操作结果。 B、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。 三、控制器的基本功能三、控制器的基本功能 1、指令的流出控制（取指令）从主存中取出所要执行的指令。基本步骤如下：(PC) MAR, Read(PC)增量 PC(MDR) IR 2、分析指令实质是对指令进行译码的过程。 3、形成地址 A、指令地址的形成1、程序按地址增加顺序执行时：通过 PC 自动增量形成下条指令的地址。 2、程序转移时：通过修改 PC 值，把转移地址送入 PC 实现。 B、操作数地址的形成 按不同的寻址
3、方式形成。 4、时序控制 5、微操作控制 四、控制器的组成方式四、控制器的组成方式 1组合逻辑型 2存储逻辑型微程序控制器 3组合逻辑和存储逻辑结合型（PLA 控制器）A、PLA 控制器实际上也是一种组合逻辑控制器，但它的输出是程序可编的，某一微操 作控制信号由 PLA 的某一输出函数产生。 五、控制器的控制方式与时序系统五、控制器的控制方式与时序系统 1、控制方式：A、同步控制 B、异步控制 C、联合控制 现代计算机中大多数都采用联合控制方式。现代计算机中大多数都采用联合控制方式。 六、时序系统六、时序系统 1、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。通常针对同步控制方 式
4、。无雨制作22、周期 A、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间。 B、机器周期（CPU 周期、基本周期）：指令周期中的某一工作阶段所需的时间。 C、节拍：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个节拍。 D 脉冲（定时脉冲）：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。 周期：指令周期 机器周期 节拍 脉冲 3、周期、节拍、脉冲构成了三级时序系统。 4、微型机中常用的时序系统称为时钟周期时序系统。 七、七、CPUCPU 的总体结构的总体结构 1、CPU 的功能与组成 A、组成：由运算器和控制器两部分组成。 B、主要功能：
5、 程序控制：保证程序按所要求的次序正确执行。 操作控制：产生指令所需的微操作控制信号序列，送往有关部件，控制完成指 令所规定的操作。 时序控制：对各微操作实施时间上的控制，使计算机有条不紊地连续自动工作。 数据加工：对数据进行算术逻辑运算处理。 2、CPU 寄存器的设置 指令寄存器 IR 程序计数器 PC 累加寄存器 AC 地址寄存器 MAR 数据缓冲寄存器 MDR(或 MBR) 暂存器：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。 通用寄存器：一组程序可访问的、具有多种功能的寄存器。 3、程序状态寄存器 PSR 例：8086 CPU 中的 PSW（程序状态字）的格式C CF FP
6、PF FA AF FZ ZF FS SF FT TF FI IF FD DF FO OF F0 07 78 81 15 51 12 23 34 45 56 69 91 10 01 11 11 12 21 13 31 14 4CF(C)：进位 PF：奇偶 AF：半进位ZF(Z)：结果为 0 SF(N)：符号 OF(V)：溢出 IF：中断允许 DF：地址增/减量 TF：单步 八、数据通路结构及指令流程分析八、数据通路结构及指令流程分析 1、CPU 的数据通路：CPU 内部信息传送的基本路径。通常是指运算器与寄存器之间的信息 传输通道。 2、指令流程的决定因素：(1) 数据通路 (2) 指令功能 (
7、3) 寻址规则 (4) ALU 功能 3、指令格式与指令类型(定长指令字，定长操作码)A、双操作数指令：无雨制作33 3位位3 3位位3 3位位3 3位位4 4位位R RD D寻寻址址方方式式R RS S寻寻址址方方式式O OP P0 01 15 5源源地地址址E ES S目目的的地地址址E ED Da、MOV 为传送指令,OP 为 0000; (ES) EDb、ADD 为加法指令,OP 为 0001; (ES) + (ED) EDc、SUB 为减法指令,OP 为 0010; (ED)(ES) EDB、转移类指令:1 12 2位位4 4位位位位移移量量 D DO OP P0 01 15 5a、
8、 转移指令采用相对寻址：转移地址(PC)D，D 采用补码，进行运算时，需 进行符号扩展。 b、 JP 为无条件转移指令，OP 为 1010； c、 JC 为 C1 转移指令， OP 为 1011； d、 JZ 为结果为零转移指令， OP 为 1100； e、 JSR 为转子指令， OP 为 1101。转子指令操作：(SP)-1SP，PC(SP)，(PC)+DPC C、寄存器P PC C1 11 11 1Y YS SP P1 10 00 0T TE EM MP PR R3 30 01 11 1I IR RR R2 20 01 10 0M MD DR RR R1 10 00 01 1M MA AR
9、 RR R0 00 00 00 0寄寄存存器器名名寄寄存存器器名名编编号号内内部部寄寄存存器器程程序序可可用用寄寄存存器器D、寻址方式E EA AX X( (R Rn n) )X X( (R Rn n) )1 10 00 0变变址址寻寻址址E EA A( (R Rn n) )1 1，并并 且且( (R Rn n) )1 1R Rn n( (R Rn n) )0 01 11 1自自减减型型寄寄存存器器间间址址E EA A( (R Rn n) )，然然后后( (R Rn n) )1 1R Rn n( (R Rn n) )0 01 10 0自自增增型型寄寄存存器器间间址址E EA A( (R Rn
10、n) ) R Rn n或或( (R Rn n) )0 00 01 1寄寄存存器器间间址址无无需需访访存存R Rn n0 00 00 0寄寄存存器器寻寻址址有有效效地地址址表表示示方方式式编编码码寻寻址址方方式式4、变址寻址的指令为双字，取指后需两次访存才能得到操作数。取指令操作码后，需继续 执行以下微操作序列：(PC)MAR，Read ；送 X 的地址，读 X(PC)1PC ；PC 增量MMDRY ；取 X 值到 Y(Y)(Rn)MAR ，Read ；形成有效地址，读操作数 5、单总线结构无雨制作4例 1：分析单总线结构的 CPU 中，执行指令ADD (R0)，R1 的操作流程和控制信号序列。
11、 例 2：分析单总线结构的 CPU 中，执行转移指令 JC D 的操作流程。设转移地址为相 对 寻址，其功能为：若 C=1，则(PC)+ D PC 例 3：分析单总线结构的 CPU 中，执行指令 SUB X(R0), (R2) 的操作流程和控制信号序列。 例 4：分析单总线结构的 CPU 中，执行指令MOV (R1)+, R0 的操作流程和控制信号序列。 例 5：分析单总线结构的 CPU 中，执行指令ADD X(R1), R0 的操作流程和控制信号序列。 答案： 例二：操操作作功功能能控控制制信信号号流流程程指指令令流流程程（例例2 2 ）( (1 1) ) ( (P PC C) )M MA
12、AR R，R Re ea ad d， ( (P PC C) ) Y Y( (2 2) ) ( (M MD DR R) )I IR R，( (Y Y) )+ +1 1Z Z ( (3 3) ) ( (Z Z) )P PC C( (4 4) ) I If f c c= =1 1 t th he en n ( (P PC C) ) Y Y( (5 5) ) ( (Y Y) )+ +I IR R( (D D) )Z Z( (6 6) ) ( (Z Z) ) P PC CP PC Co ou ut t，M MA AR Ri in n， R Re ea ad d， Y Yi in nM MD DR Ro
13、ou ut t ，I IR Ri in n ， A A+ +1 1，Z Zi in nZ Zo ou ut t ， P PC Ci in n, ,I If f c c= =1 1 t th he en n P PC Co ou ut t，Y Yi in nI IR Ro ou ut t， A A+ +B B，Z Zi in nZ Zo ou ut t ，P PC Ci in nI If f c c= =1 1 t th he en n ( (P PC C) )+ +D DP PC C 取取指指令令操操作作码码取取数数据据，进进行行运运算算例三：操操作作功功能能控控制制信信号号流流程程指指令令流
14、流程程（例例3 3 ）( (1 1) ) ( (P PC C) )M MA AR R，R Re ea ad d，( (P PC C) ) Y Y( (2 2) ) ( (Y Y) )+ +1 1P PC C ( (3 3) )( (M MD DR R) )I IR R( (4 4) ) ( (P PC C) )M MA AR R，R Re ea ad d，( (P PC C) ) Y Y( (5 5) ) ( (Y Y) )+ +1 1P PC C ( (6 6) ) ( (M MD DR R) )Y Y( (7 7) ) ( (Y Y) ) + + ( (R R0 0) ) Z ZP PC
15、Co ou ut t M MA AR Ri in n R Re ea ad d Y Yi in n A A+ +1 1 Z Zi in n Z Zo ou ut t P PC Ci in n M MD DR Ro ou ut t I IR Ri in nP PC Co ou ut t M MA AR Ri in n R Re ea ad d Y Yi in n A A+ +1 1 Z Zi in n Z Zo ou ut t P PC Ci in n M MD DR Ro ou ut t Y Yi in nR R0 0o ou ut t ， A A+ +B B，Z Zi in n( ( (R R2 2) ) ) - - ( ( (R R0 0) )+ +X X) ) R R2 2( (在在单单总总线线下下容容 易易产产生生冲冲突突) )( (R R0 0) )+ +X X( (8 8) ) Z Z M MA AR R，R Re ea ad d( (9 9) ) ( (M MD DR R) )T TE EM MP P( (1 10 0) )
