模型机的基本组成和数据通路ppt课件.ppt

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MAR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 寄存器之间的数据传送2 主存数据传送到CPU3 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 R1 R2 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 MARM 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 主存将按MAR中的地址把MDR的内容写入对应单元中 R1 MARR2 MDRMDR 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 DD R2 ZZ 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ANDR1 X R2 0011001000010101指令OR R3 R0 0100011010000001 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 访问一次主存的时间 一般是 一条传送指令的时间 较短 模型机 用计算器T同级周期内的节拍数 约定 每个工作周期第一拍 T 0每开始一个新的节拍 T计数工作周期结束时T清0 五 模型机的时序系统 3 工作脉冲每个节拍结束时设置一个脉冲时钟周期与工作脉冲的关系 脉冲前沿打入寄存器脉冲后沿进行时序转换 工作周期 节拍 五 模型机的时序系统 以指令执行为线索 确定个周期每个节拍完成的具体操作 寄存器之间的传送操作 用寄存器传送语言描述如R0 MAR 二 取指周期流程 CPU内部传送PC MAR访存M MDR IRFT0FT1 PC MAR M MDR IRPC 1 PC 三 传送类指令流程图 三 传送类指令流程图 例1 拟出指令MOVR0R1 的读取与执行的流程 指令功能 将R1的内容送入R0 FT0 PC MARFT1 M MDR IRPC 1 PCST0 R1 CET0 C R0源目的均为寄存器寻址 MOVROR1 下条指令 PC 三 传送类指令流程图 例2 拟出指令MOVR2 R1 的读取与执行的流程 指令功能 将R1的地址处的内容送入R2 FT0 PC MARFT1 M MDR IRPC 1 PCST0 R1 MARST1 M MDR CET0 C R2源 寄存器间址目的 寄存器寻址时 没有目的周期 MOVR2 R1 下条指令 PC s R1 例3 拟出指令MOVX R1 R0 的读取与执行的流程 指令功能 将R0的内容送入主存某单元 该单元的地址通过变址计算获得 FT0 PC MARFT1 M MDR IRPC 1 PCST0 R0 CDT0 PC MARDT1 M MDR DPC 1 PCDT2 R1 D ZDT3 Z MARET0 C MDRET1 MDR M源 寄存器寻址目的 变址寻址 MOVX R1 R0 形式地址D 下条指令 PC s R1 D 例4 拟出指令MOV R3 X R2 的读取与执行的流程 指令功能 将主存某单元 该单元的地址通过变址寻址找到 的内容送入由R3所指示的主存单元中 源 变址寻址目的 寄存器间址 FT0 PC MARFT1 M MDR IRPC 1 PCST0 PC MARST1 M MDR DPC 1 PCST2 R2 D ZST3 Z MARST4 M MDR CDT0 R3 MARET0 C MDRET1 MDR M 例5 拟出指令MOV R1 PC 的读取与执行的流程 指令功能 将立即数存入主存由R1的内容减1所指示的单元 源 直接寻址目的 自减型寄存器间址 FT0 PC MARFT1 M MDR IRPC 1 PCST0 PC MARST1 M MDR CPC 1 PCDT0 R1 1 ZDT1 Z MAR R1ET0 C MDRET1 MDR M 例6 拟出指令MOV R2 R0 的读取与执行的流程 指令功能 将R0的内容送入R2所指示的单元中 然后R2的内容加1 源 寄存器寻址目的 自增型寄存器间址 FT0 PC MARFT1 M MDR IRPC 1 PCST0 R0 CDT0 R2 MARDT1 R2 1 ZDT2 Z R2ET0 C MDRET1 MDR M 四 运算类指令流程 四 运算类指令流程 例1 拟出指令ADDR0 R1 的读取与执行的流程 指令功能 R1和R2的内容相加 结果送入R01 FT0 PC MARFT1 M MDR IRPC 1 PCST0 R1 CDT0 R0 DET0 C D ZET1 Z R0源 寄存器寻址目的 寄存器寻址 ADDR0 R1 下条指令 PC 例2 拟出指令SUB R0 D1 的读取与执行的流程 指令功能 将由直接寻址获得的源操作数与寄存器间址获得的目的操作数相减 结果存入目的地址中 源 直接寻址目的 寄存器间址 FT0 PC MARFT1 M MDR IRPC 1 PCST0 PC MARST1 M MDR MARPC 1 PCST2 M MDR CDT0 R1 MARDT1 M MDR DET0 C D ZET1 Z MDRET2 MDR M 例3 拟出指令NEG R0 的读取与执行的流程 指令功能 将目的操作数变反 末位加1 目的 自增型寄存器间址 FT0 PC MARFT1 M MDR IRPC 1 PCDT0 R0 MARDT1 M MDR DDT2 R0 1 ZDT3 Z R0ET0 D 1 ZET1 Z MDRET2 MDR M 五 堆栈操作流程 主存中划分出一段作为堆栈区 例1 拟出指令MOV SP R2 的读取与执行的流程 指令功能 将R2指示的单元的内容压入堆栈 目的 自减型寄存器间址源 寄存器间址 FT0 PC MARFT1 M MDR IRPC 1 PCST0 R2 MARST1 M MDR CDT0 SP 1 ZDT1 Z MAR SPET0 C MDRET1 MDR M 例2 拟出指令MOV R0 SP 的读取与执行的流程 指令功能 将堆顶单元的内容送入由R0 1所指示的单元 目的 自减型寄存器间址源 自增型寄存器间址 FT0 PC MARFT1 M MDR IRPC 1 PCST0 SP MARST1 M MDR CST2 SP 1 ZST3 Z SPDT0 R0 1 ZDT1 Z MAR R0ET0 C MDRET1 MDR M 六 转移类指令流程 例1 拟出指令JMP R0 的读取与执行的流程 指令功能 从R0所指示的主存单元取出转移地址 送入PC 寄存器间址对于转移类指令 取指周期直接进入执行周期 FT0 PC MARFT1 M MDR IRPC 1 PCET0 R0 MARET1 M MDR PC 例2 拟出指令JMPX PC 的读取与执行的流程 指令功能 将PC为基准转移 FT0 PC MARFT1 M MDR IRPC 1 PCET0 PC MARET1 M MDR DPC 1 PCET2 PC D ZET3 Z PC相对寻址 JMPX PC 位移量D PC 目标地址 下条指令 D 例3 拟出指令RST SP 的读取与执行的流程 指令功能 将返回地址从堆栈中取出送入PC FT0 PC MARFT1 M MDR IRPC 1 PCET0 SP MARET1 M MAR PCET2 SP 1 ZET3 Z SP自增型寄存器间址 例4 拟出指令JSRR1 的读取与执行的流程 寄存器寻址指令功能 将返回地址压栈保存 并将R1所存放的子程序入口送入PC FT0 PC MARFT1 M MDR IRPC 1 PCST0 R1 CET0 SP 1 ZET1 Z MAR SPET2 PC MDRET3 MDR MET4 C PC将转子指令形成子程序入口的操作用源周期来做的 例5 拟出指令JSR R2 的读取与执行的流程 自增型寄存器间址指令功能 将返回地址压栈保存 并从主存取得子程序入口 送入PC FT0 PC MARFT1 M MDR IRPC 1 PCST0 R2 MARST1 M MDR CST2 R2 1 ZST3 Z R2ET0 SP 1 ZET1 Z MAR SPET2 PC MDRET3 MDR MET4 C PC JSR R2 下条指令 PC SP 堆栈 七 微程序控制概念 1 微程序控制方式的基本思想将机器指令分解为基本的微命令序列 用二进制代码表示这些微命令 并编成微指令 多条微指令在形成微程序 每种机器指令对应一段微程序 在制造CPU时固化在CPU中的一个控制存储器CM中 一条微指令包含的微命令 控制实现一步 一个节拍 操作 若干条微指令组成的一小段微程序解释执行一条机器指令 CM中的微程序能解释执行整个指令系统的所有机器指令 2 微程序执行过程的描述 根据微地址寄存器的内容 从CM的0号或1号单元中读出一条 取机器指令 用的微指令 送到微指令寄存器 这是一条公用微指令 IR中的机器指令的操作码通过微地址形成电路形成这条指令对应的微程序入口地址 送入微地址寄存器中 2 微程序执行过程的描述 根据微地址寄存器中的微地址从CM中取出对应微程序的一条微指令 其微命令字段产生一组微命令控制有关操作 由顺序控制字段形成下一条微指令地址 送入微地址寄存器 执行完一条机器指令的微程序后 返回到CM的0号或1号微地址单元 重复步骤1 读取 取机器指令 微指令 以便取下一条机器指令 3 基本概念和术语 微命令与微操作微命令 构成控制信号序列的最小单位 微命令由控制器通过控制线向有关的部件发出 微操作 由微命令控制实现的最基本操作 微命令是微操作的控制信号 微操作是微命令控制的操作过程 3 基本概念和术语 微指令与微周期微指令 若干个微命令的组合 以编码形式存放在控制存储器的一个单元中 控制实现一步操作 它通常包括两大部分信息 微命令字段 操作控制字段 用以产生某一步操作所需的各微操作控制信号 顺序控制字段 微地址字段 用于控制产生下一条要执行的微指令地址 微周期 通常指从控制存储器中读取一条微指令并执行相应的微操作所需的时间 3 基本概念和术语 微程序与微程序设计微程序 一系列微指令的有序集合 微程序设计是将传统的程序设计方法运用到控制逻辑的设计中 3 基本概念和术语 工作程序与微程序 主存储器与控制存储器程序员所编制的工作程序以机器指令为单位存放在主存储器中 主存储器是可读可写的随机访问存储器 而而由机器设计者编制的微程序是以微指令为基本单位 在制作机器时用特殊方式将其写入控制存储器中 只能被读出 不能写入 控制存储器用只读存储器来实现 八 组合逻辑控制器与微程序控制器 一 组合逻辑控制方式的基本概念与组合逻辑控制器 二 微程序控制方式的基本概念与微程序控制器 1 微命令 例 模型机中如何取指令 取指周期 FT0 PC MARFT1 M MDR IRPC 1 PC 1 微命令是计算机中基本的控制命令 2 电位型微命令与脉冲型微命令 在模型机中电位型微命令维持一个节拍的时间 用于控制逻辑门电路的开门 关门 如 PCOUT脉冲型微命令用作定时控制 如寄存器的定时打入 如 CPMAR前沿打入 二 组合逻辑控制方式及控制器原理 1 如何产生微命令 PCOUT FT0 MOV ST0 变址 直接寻址 立即寻址 MOV DT0 变址 直接寻址 意义 在取指周期的第一拍FT0发微命令PCOUT 或者传送命令的源采用变址或直接寻址或立即寻址 则在源周期的第一拍ST0发微命令PCOUT 或者传送指令的目的采用变址或直接寻址 则在目的周期的第一拍DT0发微命令PCOUT CPMAR FT0 P MOV ST0 变址 直接寻址 立即寻址 P MOV DT0 变址 直接寻址 P 意义 在取指周期的第一拍FT0 当工作脉冲P到来时 发微命令CPMAR 或者传送命令的源采用变址或直接寻址或立即寻址等等 则在源周期的第一拍ST0 当工作脉冲P到来时 发微命令CPMAR 或者传送指令的目的采用变址或直接寻址 则在目的周期的第一拍DT0 当工作脉冲P到来时 发微命令CPMAR 组合逻辑控制方式 用组合逻辑电路产生命令的方式 2 组合逻辑控制器的组成 采用组合逻辑控制方式产生微命令的控制器称为组合逻辑控制器 功能介绍 微命令发生器 产生机器所需的各种微命令电位型脉冲型构成微命令发生器 将产生微命令的条件综合化简 形成逻辑式 用组合逻辑电路实现 PC 指示指令在M中的容量 顺序执行PC本身加1PC通过ALU加1转移执行 PC先加1 再由转移地