第十四讲控制器

第十四讲控制器（一）本讲主要内容CPU的结构控制器概述控制器的控制方式硬布线控制器及其设计微程序控制器及其设计一、CPU的结构（一)、CPU的功能取指令分析指令执行指令，发出各种操作命令控制程序输入及结果的输出总线管理处理异常情况和特殊请求1.控制器的功能2.运算器的功能实现算术运算和逻辑运算指令控制操作控制时间控制数据加工处理中断（二）、CPU的内部结构1.用户可见寄存器(1)通用寄存器（三）、CPU的寄存器存放操作数可作某种寻址方式所需的专用寄存器(2)数据寄存器存放操作数（满足各种数据类型）两个寄存器拼接存放双倍字长数据(3)地址寄存器存放地址，其位数应满足最大的地址范围用于特殊的寻址方式段基值栈指针(4)条件码寄存器存放条件码，可作程序分支的依据如正、负、零、溢出、进位等2.控制和状态寄存器(1)控制寄存器PC控制CPU操作(2)状态寄存器状态寄存器其中MAR、MDR、IR

用户不可见存放条件码PSW寄存器存放程序状态字

PC

用户可见3.举例Z80008086MC68000MARMMDRIR8.1（四）、操作控制器和时序产生器

数据通路：许多寄存器之间传送信息的通路。操作控制器的功能:根据指令操作码和时序信号，产生各种操作控制信号，以便正确地选择数据通路，把有关数据打入到一个寄存器，从而完成取指令和执行指令的控制。根据设计方法不同，操作控制器可分为三种:1.硬连线控制器，是采用时序逻辑技术来实现的；2.微程序控制器，是采用存储逻辑来实现的。3.阵列逻辑控制器，是采用PLA阵列来实现，属于存储逻辑。时序产生器：对各种操作信号实施时间上的控制

。

主要功能从内存中取指令，计算下一条指令的地址；对指令进行译码，产生操作控制信号；控制指令执行的步骤和数据流动的方向。生成控制信号的方法硬连线逻辑方式微程序方式阵列逻辑方式二、控制器概述

（一）、控制器的主要功能1、取指令：根据程序入口地址取出第一条指令2、分析指令：确定指令的操作产生相应的操作形成操作数的地址3、执行指令：根据操作命令和操作数地址形成操作控制信号序列。4、控制程序和数据的输入和结果输出5、对异常情况和某些请求进行处理陷阱中断请求

DMA请求（二）、控制器的组成程序计数器(PC)：存当前正在执行的指令的地址存即将执行的下一条指令的地址存下一条预取指令的地址。指令寄存器(IR)：存放当前正在执行的指令指令译码器（ID）：对操作码进行分析,产生相应控制信号。脉冲源：时钟信号,reset信号启停控制线路：开启、封锁机器工作时钟时序控制信号形成部件：产生节拍序列脉冲信号程序状态字（PSW）：状态寄存器，标志位,控制位控制器逻辑框图微操作控制形成部件时序脉冲发生器指令译码器操作码地址码启停地址形成电路PCCPU外部状态脉冲源微操作控制信号+1(控制台)MARIR1.根据不同指令的操作码产生所需的微操作命令,即指令译码2.操作命令与时序脉冲结合形成一定时序的微命令实现方法:

组合逻辑:硬布线逻辑；可编程逻辑阵列(PLA)

存储逻辑:微程序控制逻辑一个时序系统的组成如图所示:M1脉冲发生器节拍发生器周期状态触发器……脉冲源启动暂停M2T1T2(三)时序系统的组成1.脉冲源:由石英晶体震荡器及“与非门”组合的震荡电路组成2.脉冲发生器:通常是一个环行脉冲发生器,采用循环移位寄存器的形式,产生一组有序的、间隔相等或不等的脉冲序列3.节拍发生器:按先后顺序,循环地发出若干时钟周期信号,最后通过译码电路,产生最后所需的节拍脉冲,通常由计数译码器电路组成.指令周期：取出一条指令并执行该指令的时间机器周期：CPU同主存或外设进行一次信息交换所需的时间─总线周期、CPU周期时钟周期：CPU执行一个微操作的最小时间单位─节拍周期、T周期三者关系：一个指令周期包含若干个CPU周期，一个CPU周期的功能由多个时钟周期来完成4.周期状态触发器:产生电路与节拍发生器产生电路类似.表示CPU当前处于指令周期的哪个机器周期5.启停控制逻辑:控制时钟系统,只有当启动机器运行时,才允许发出所需的时钟脉冲,而且,由于机器的启停是随机的,必须考虑发出的脉冲是完整的.时序控制逻辑基本概念（四）时序产生器1、多级时序的概念

(1)指令周期:在时序系统中通常不为指令周期设置时间标志信号,因而也不将其作为时序的一级.

(2)机器周期:设置一组周期状态触发器,以标志不同的机器周期.任一时刻只允许其中的一个触发器为1,表明CPU当前处在哪个机器周期.

(3)时钟周期:一个时钟周期内完成一步基本操作.

(4)时钟脉冲信号:作为时序系统的基本定时信号.2、多级时序信号之间的关系:

指令周期不作为时序的一级,下图反映了机器周期、时钟周期、时钟脉冲三级时序信号的关系。

通常硬布线逻辑使用三级时序系统。

微程序控制逻辑使用两级时序系统一个指令周期机器周期M1机器周期M2机器周期M3时钟周期T1时钟周期T2时钟周期T3时钟脉冲CLK三级时序信号间的关系φφT1-T4为四个输出节拍脉冲,其译码逻辑表达式为:T1=C1*C2T2=C2*C3T3=C3T4=C1时序产生器的主要逻辑电路12345678910CPU周期CPU周期T1T2T3T4C4C1C2C3φ（五）五条基本指令执行过程MOV R0, R1LAD R1, 6ADD R1, R2STO R2, (R3)JMP 101MOV指令取指令过程MOV指令取指令过程MOV指令执行过程LAD指令取指令过程LAD指令执行过程ADD指令取指令过程ADD指令执行过程STO指令取指令过程STO指令执行过程STO指令执行过程JMP指令取指令过程JMP指令执行过程用方框图语言表示的指令周期

例：下图为双总线结构机器的数据通路，IR为指令寄存器，PC为程序计数器（具有自增功能），M为主存（受R/W信号控制），它既存放指令又存放数据，AR为地址寄存器，DR为数据缓冲寄存器，ALU由加、减控制信号决定完成何种操作，控制信号G控制的是一个门电路，它相当于两条总线之间的桥。另外，线上标注有小圆圈表示有控制信号，例如yi表示Y寄存器的输入控制信号，R1o为寄存器Ri的输出控制信号，未标字符的线为直通线，不受控制。（1）“ADDR2,RO”指令完成(RO)+(R2)→R2的功能操作,画出其指令周期流程图，假设该指令的地址已放入PC中。并列出相应的微操作控制信号序列。（2）“SUBR1,R3”指令完成(R1)-(R3)→R1的功能操作,画出其指令周期流程图，并列出相应的微操作控制信号序列。产生不同微操作命令序列所用的时序控制方式1.同步控制方式任一微操作均由统一基准时标的时序信号控制CLK机器周期机器周期机器周期（取指令）（取有效地址）（执行指令）指令周期T0T1T2T3T0T1T2T3T0T1T2T3(1)采用定长的机器周期以最长的微操作序列和最繁的微操作作为标准机器周期内节拍数相同三、控制器的控制方式(2)采用不定长的机器周期机器周期机器周期（取指令）（执行指令）指令周期T0T1T2T3T0T1T2节拍(状态)机器周期机器周期（取指令）（执行指令）T0T1T2T3T0T1T2T3TT延长机器周期内节拍数不等(3)采用中央控制和局部控制相结合的方法T0T1T2T3T0T1T2中央控制节拍

T3T0T1中央控制节拍机器周期执行周期指令周期取指周期T0T1T2T3局部控制的节拍宽度与中央控制的节拍宽度一致T*T*T*局部控制节拍…异步控制方式：采用“结束——起始”的工作方式，无统一的时序信号。特点：a）每条指令按实际需要产生节拍数b）指令执行完毕，发出“结束”信号c）控制器收到“结束”信号，开始执行下条指令优点：运行速度快缺点：控制电路比较复杂2.异步控制方式(分散控制方式):每条指令、每个微操作需要多少时间就占用多少时间，不采用统一的周期和节拍，时间上的衔接通过应答通讯方式(握手方式)实现.无时间浪费,但时序控制比较复杂.联合控制方式：将同步控制方式与异步控制方式结合使用。特点：a）大部分指令按同步控制执行——中央控制b）小部分特殊指令（过长、过短），采用异步控制方式执行——局部控制优点：能保证一定的运行速度缺点：电路设计相对复杂3.联合控制方式:同步控制与异步控制相结合.4.人工控制方式(1)Reset键(2)连续和单条指令执行转换开关(3)符合停机开关五、多级时序系统实例分析1.8085的组成A15~A8中断控制AC(8)TR(8)FR(5)IR(8)IDAL（16）PC（16）SP（16）L（8）H（8）E（8）D（8）C（8）B（8）

指令译码和机器周期编码ALU定时和控制时钟控制状态DMA复位ABR(8)ADBR(8)8位内部数据总线I/O控制INTAINTRSIDSODCLKReadyRDWRALEIO/MHLDAResetoutAD7~AD02.8085的外部引脚(1)地址和数据信号(2)定时和控制信号(3)存储器和I/O初始化A15~A8

AD7~AD0SIDSOD入X1X2入HOLDReady出

HLDA出CLK

ALES0S1

IO/M

RD

WR12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221X1X2ResetoutSODSIDTrapRST7.5RST6.5RST5.5INTAAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7VSSINTRVCCHOLDHLDACLK(out)RsestinReadyIO/MS1RDWRALES0A15A14A13A12A11A10A9A89.2(4)与中断有关的信号(5)CPU初始化(6)电源和地出INTATrap重新启动中断入INTR入Resetin出ResetoutVCC+5VVSS

地1234567891011121314151617181920403938373635343332313029282