高二物理竞赛课件控制电路（CON）

控制电路（CON）

控制电路（CON）控制电路产生各种控制信号用以控制各逻辑部件在每个时钟周期内所要完成的动作。根据上述分析可设计出简易计算机详细配置框图，如图5.27所示。要注意的是，图中各寄存器间、寄存器与组合电路间可用专用线和共用线直接连接，这里共享总线。控制器设计图5.27简易计算机配置框图1．指令系统每种计算机都有其独特的指令系统。所谓指令就是用以表示计算机微操作序列的二进制代码，它决定CPU应该执行什么样的具体操作，所以指令系统完备与否和功能的强弱体现了计算机整体性能的优劣。计算机设计中最基本的问题是如何选择和设计出一个完备的、使用方便的指令系统。计算机的操作是按照一定程序进行的，所以事先要把所要求操作的内容编成程序存入存储器。对于指令系统，有基本的指令字组成，在指令字中，需要将数据格式与指令格式结合起来考虑。这里有一些相关的概念加以说明。1．指令系统指令字：由几部分组成，每个部分有特定的解释。其中，指令的开头部分是操作码。操作码：确定某种特定操作的二进制代码，如加、减、移位、取反等操作。操作码的位数：n位，表示2n种不同的操作。指令字的格式用长方形表示。如下给出了3种指令格式：操作数：给出指令操作的对象，可以是具体的操作数，也可以是操作数存放的地址，表示从哪儿取操作数，以及将操作结果存储在哪个目的地。1．指令系统这里以加法运算为例说明计算机按程序进行操作的过程。假设在简易计算机中只有3条指令，试完成指定数的相加操作。【例5-7】编制18和2相加的程序，可用下列3条语句完成。解：程序 说明LDI18 ；把18送入累加器AADDA，2；把A中的18与2相加，结果送AHALT；运算完毕，停机1．指令系统上述每条语句称为一条指令。LDI为取数指令，ADD为加法指令，HALT为停机指令。机器逐条执行指令，从而得出结果。便于人们记忆，上述每条语句使用了英文单词简写的助记符。但是计算机只能识别0和l，所以需要把这些用助记符编写的指令代码翻译成机器码，即0、l编码指令，见表5.5。表5.53条指令的操作码操作码记忆符号说明功能11000110ADDA，OPRD，OPRD将寄存器A的内容与操作数相加，结果送入寄存器AA←(OPRD)+A00111110LDIOPRD将操作数OPRD置入寄存器AA←(OPRD)01110110HALT将地址ADRS中的操作数置入寄存器A运算完毕，停机1．指令系统每条指令的操作码和操作数分别存入地址为n及n+1的存储单元。上述程序在机器中的程序代码见表5.6。表5.63条指令的操作码地址存储器

功能说明3500111110LDIA←操作数18←操作数183600010010操作码=18=18(00101100)2=183711000110ADDAA←操作数2+←操作数2+A3800000010操作数地址=2=2

3901110110HALT停机2．工作过程指令和数据都存储在存储器中。控制器每次从存储器取出一条指令，它决定CPU应该执行什么样的具体操作，解释其含义，并据此产生一系列功能来执行这条指令。处理一条指令所包含的操作序列称为一个指令周期。指令周期=取指周期+执行周期取指周期：用于将指令从存储器读出。执行周期：将指令译码，取操作数、完成操作。不同指令有不同字长、寻址方式以及不同的操作，其所对应的指令周期也长短不同。每个指令周期划分为若干个机器周期，每个机器周期又划分为若干个节拍，一个节拍通常对应一个时钟周期T，时钟周期是执行微操作的最小时间单位。2．工作过程指令的执行是在控制电路发出的控制信号作用下按步完成的。控制电路发出的控制命令称为微命令，一个微命令所控制实现的操作称为微操作，实际上就是执行控制门的开或关、寄存器的存取数、置位、复位等操作。显然这是最基本的操作，要在一个时钟周期内完成。每个时钟周期称为一个节拍，记作t0，t1，t2…。每一条指令的执行过程都分为取指令和执行指令两个阶段。【例5-8】执行“LDA，18”。解：取指令阶段完成从存储器中把操作码取出并送入指令寄存器，再经译码器译出取数指令的操作；执行阶段则完成将操作数（18）送入寄存器A的操作。取指令前先将程序计数器PC初始化，使其所置数据为存储器中程序的首地址。开始执行取指令操作时，计算机从首地址开始。然后按下列3个步骤进行：2．工作过程①将PC中所存的首地址传送到MAR中；②按MAR所存地址将存储器中所对应的操作码读出并送入DR；③将操作码从DR传入IR，PC“+l”指向下一个存储单元地址。IR经译码器译出相应的指令，这条指令将决定应完成什么样的操作。由此可见，取指令阶段要进行3个微操作，这3个微操作在t0～t23个节拍内完成。用寄存器传送语言可描述为：t0：MAR←PCt1：DR←M[MAR]t2：IR←DR，PC←PC+1。2．工作过程在执行任何指令之前都要经过上述取指令过程。取指令阶段完成后则进入指令执行阶段。此时，若译码器译出的指令是取数指令，则接下来进行取数操作；若是加法指令，则进行加数操作。操作码送入IR后，由操作译码器对其译码，产生操作信号q1,q2,q3…。所有指令的取指令周期都是共同的；